Anatomie d’un nœud capteur

Les progrès récents dans les domaines de la micro-électronique, des communications sans fil et de l‟informatique embarquée ont permis de fabriquer des systèmes de mesure autonomes de plus en plus petits. Cette tendance à la miniaturisation a apporté une nouvelle génération de réseaux informatiques et télécoms présentant des défis importants. Les réseaux de capteurs sans fil sont l‟une des technologies visant à résoudre les problèmes de cette nouvelle ère de l‟informatique embarquée.

Un réseau de capteurs est un réseau informatique composé d‟un grand nombre de nœuds-capteurs. Ces nœuds sont densément déployés à l‟intérieur de la zone à surveiller, généralement de manière aléatoire et ont des capacités de coopération. Habituellement, ces dispositifs sont de petite taille et peu coûteux, de sorte qu‟ils peuvent être produites et déployées en grand nombre, et ainsi, leurs ressources en termes d‟énergie, de mémoire, de vitesse de calcul et de bande passante sont sévèrement limitées. Après déploiement, les nœuds-capteurs commencent à collecter des données sur un phénomène physique particulier et à les transmettre à une station de traitement appelée communément « Station de Base ». Les spécificités les plus frappantes de ces nœuds sont leurs capacités d‟auto-organisation, de coopération, leur rapidité de déploiement, leur tolérance aux erreurs et leur faible coût.

Le développement des réseaux de capteurs sans fil a été motivé par des applications militaires telles que la surveillance du champ de bataille. Ils sont maintenant utilisés dans de nombreux domaines d‟application industriels et civils, notamment la surveillance industrielle et le contrôle des processus, la surveillance de l‟environnement et de l‟habitat, les applications de soins de santé, la domotique et le contrôle de la circulation…etc.

Des concepts intéressants que nous allons utiliser très souvent dans ce mémoire sont « nœud-capteur » et « station de base » qui reviennent fréquemment dans la littérature. Toutefois, nous gardons à travers ce manuscrit d‟autres appellations telles que « nœud », « capteur » ayant la même signification que « nœud-capteur » et «puits », « sink » qui renvoient toute finalement à la même chose que « station de base ».

Anatomie d’un nœud capteur

Les capteurs sans fil sont considérés comme de véritables systèmes embarqués, dotés de moyens de traitement et de communication de l‟information en plus de leur fonction initiale de transformer l‟état d‟une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, généralement électrique.

Un capteur sans fil est composé fondamentalement de quatre unités élémentaires :

❖ L’unité d’acquisition des données : elle est composée d‟un capteur proprement dit qui permet de répondre à une variation des conditions d‟environnement par une variation de certaines caractéristiques électriques (pour une thermistance par exemple, une variation de température entraîne une variation de la résistance) et d‟un convertisseur analogique-numérique qui transforme les signaux analogiques en signaux numériques compréhensible par l‟unité de traitement.
❖ L’unité de traitement des données : les microcontrôleurs utilisés dans le cadre de réseaux de capteurs sans fil sont de faible vitesse d‟exécution, moins de 10 MHz avec également une faible consommation d‟énergie, de l‟ordre de 1 mW. De même, la taille de leur mémoire est très réduite, de l‟ordre de 10 Ko de RAM pour les données et de 10 Ko de ROM pour les programmes [1,2]. Cette mémoire consomme la majeure partie de l‟énergie allouée au microcontrôleur, c‟est pourquoi on lui adjoint souvent de la mémoire flash moins coûteuse en énergie. En plus de sa fonction principale de traitement de données, le microcontrôleur commande également toutes les autres unités notamment le système de transmission.
❖ L’unité de transmission de données : appelée aussi transceiver , qui représente le couple émetteur/récepteur permettant au nœud d‟être connecté au réseau. Elle est associée à une technologie de transmission d‟information telles que la radiofréquence, l‟optique,… etc. Elle prend en charge le protocole de communication dépendant de la technologie sans fil utilisée, c‟est à dire tout ce qui traite de la transmission de messages entre nœuds-capteurs directement à portée : le contrôle d‟accès au médium, la mise en forme des trames, l‟encodage et le décodage des signaux, etc.
❖ La source d’énergie : elle fournit l‟énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif. Cependant, les dispositifs embarqués étant de petites tailles, les batteries sont aussi petites et donc les ressources énergétiques sont limitées. Il y a essentiellement deux aspects : premièrement, stocker l‟énergie et la fournir sous la forme requise ; deuxièmement, tenter de reconstituer l‟énergie consommée par un réapprovisionnement grâce à une source externe au nœudcapteur telles les cellules solaires. Le stockage de l‟énergie se fait traditionnellement en utilisant des piles. À titre indicatif, ce sera souvent une pile AA normale d‟environ 2.2 – 2.5 Ah fonctionnant à 1.5 V [2].

Les capteurs sans fil peuvent également être dotés par d‟autres modules additionnels relativement moins pertinents et surtout très gourmands en énergie qui sont : un système de géolocalisation et un Mobilisateur. Le système de géolocalisation est utilisé pour l‟identification de la position géographique (un récepteur GPS par exemple). Tandis que, le support mobile (Mobilisateur) permet la possibilité aux nœuds-capteurs de se déplacer à l‟intérieur de la zone à observer. Enfin, s‟il est nécessaire qu‟un nœud soit maintenu en activité pendant une très longue période de temps, un Générateur de Puissance, tel que des cellules solaires, serait utile afin de tenir le nœud alimenté électriquement sans avoir à changer ses batteries.

Vue d’ensemble des plates-formes existantes 

Comme beaucoup d‟autres technologies de l‟information, les réseaux de capteurs sans fil proviennent principalement de la recherche militaire. En effet, le premier prototype de nœuds capteurs sans fil identifiable dans la bibliographie correspond sans aucun doute au module LWIM (Low-power Wireless Integrated Microsensors) développé dans le milieu des années 90 par l‟Agence pour les Projets de Recherche Avancée de Défense (DARPA) des Etats-Unis et l‟UCLA . Il s‟agissait d‟un géophone équipé d‟un capteur de transmission radiofréquence et d‟un contrôleur PIC. Depuis un peu plus de 10 ans, la technologie des capteurs sans fil a connue plus d‟évolution. Les modules deviennent de plus en plus petits et les durées de vie prévues augmentent. Récemment, le marché de nœuds a été ouvert à l‟industrie. Le fournisseur le plus connu est Crossbow Inc., avec son offre de capteurs « Mica2 » et « MicaZ ».

Le développement de nœuds-capteurs est réalisé suivant une conception modulaire. En effet, tous les nœuds de la table 1 sont en fait des cartes intégrées qui regroupent l‟unité de communication et l‟unité de traitement. Par contre, l‟unité d‟acquisition de données est conçue sur une autre carte distincte pouvant être enfichée sur la carte principale. Cela a l‟avantage de pouvoir réutiliser les mêmes nœuds-capteurs pour différentes applications. Par exemple, un nœud « Mica2 » peut être combiné avec une carte « MTS310 » qui comprend un capteur de température, un capteur de lumière, un capteur de son, un capteur de champ magnétique, et un accéléromètre à deux axes. De même, nous pouvons combiner le nœud « Mica2 » avec une carte « MTS420 » pour le doter d‟un capteur d‟humidité et d‟un capteur de pression barométrique, et même d‟un GPS pour le positionnement géographique. Un grand nombre de capteurs sans fil sont fabriqués pour être configurés par programmation, dans différents modes d‟activité afin d‟économiser de l‟énergie. Ainsi, un nœud-capteur peut passer d‟un mode actif où toutes les unités sont opérationnelles, à un mode sommeil où toutes ou une partie de ses unités sont en inactivées pour économiser de l‟énergie. La plupart des constructeurs des capteurs optent pour des émetteurs radio fréquence à basse fréquence. Les autres ont choisi de mettre en œuvre un protocole conforme à la norme IEEE 802.15.4, conçu spécifiquement pour les modules industriels sans fil de faible puissance. Ce protocole de transmission opère dans la bande de fréquences des 2.4GHz. Les microcontrôleurs utilisés sont de faible vitesse d‟exécution avec relativement une faible consommation d‟énergie. De même, la mémoire disponible pour les programmes et les données est d‟une capacité de stockage faible en comparaison avec celle des équipements informatiques traditionnels .

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : Introduction aux réseaux de capteurs sans fil
1. Introduction
2. Anatomie d’un nœud capteur
3. Vue d’ensemble des plates-formes existantes
4. Caractéristiques des réseaux de capteurs
4.1 Architecture d’un réseau de capteurs
4.2 Architecture protocolaire
4.3 Contraintes de conception des RCSFs
4.4 Déploiement des capteurs
4.5 Type d’application
5. Applications des réseaux de capteurs
5.1 Applications militaires
5.2 Applications environnementales
5.3 Applications industrielles
5.4 Applications commerciales
5.5 Applications médicales
6. Conclusion
Chapitre 2 : Problème de la consommation d’énergie
1. Introduction
2. Consommation d’énergie d’un nœud-capteur
2.1 Formes de dissipation d’énergie
2.1.1 L’unité d’acquisition
2.1.3 L’unité de traitement
2.1.2 L’unité de communication
2.2. Sources de surconsommation d’énergie
3. Durée de vie d’un réseau de capteurs
4. Techniques de conservation de l’énergie
4.1 Réveil cyclique (Duty-cycling)
4.1.1 Protocoles Sleep/Wake up
4.1.2 Protocoles du niveau MAC
4.2 Protocoles de routage efficaces en énergie
4.2.1 Protocoles hiérarchiques
4.2.2 Protocoles basés sur la localisation
4.2.3 Protocoles de routage centré-donnée
4.3 Contrôle de la topologie
4.4 Techniques orientées données
4.4.2 Réduction des données
4.4.1 Acquisition des données efficaces en énergie
4.5 Technique de mobilité
4.5.1 Mobilité de la station de base
4.5.2 Mobilité des nœuds-relais
5. Conclusion
Chapitre 3 : Réseaux de capteurs d’images
1. Introduction
2. Spécificités des réseaux de capteurs d’images
3. Exemples d’application
3.1 Applications militaires
3.2 Surveillance environnementale
3.3 Télé-relevé des compteurs de mesure
3.4 Suivi du trafic routier
4. Dispositifs de capture d’images
4.1 Caméras basées sur des composants commerciaux
4.2 Caméras conçues spécifiquement pour les réseaux de capteurs sans fil
5. Etat de l’art sur la compression et la transmission d’images dans les réseaux de capteurs sans fil
5.1 Compression d’images { la source
5.2 Compression d’images distribuée
5.3 Transmission d’images
6. Conclusion
Chapitre 4 : Compression d’images
1. Introduction
2. Critères d’évaluation des algorithmes de compression
3. Méthodes de compression avec pertes
3.1 Techniques de dé-corrélation intra-image
3.1.1 La transformée en cosinus discrète (DCT)
3.1.2 La transformée en ondelettes discrètes (DWT)
3.2 Quantification
3.2.1 La quantification scalaire
3.2.2 La quantification vectorielle
3.3 Codage entropique
3.3.1 Codage de Huffman
3.3.2 Codage arithmétique
3.3.3 Codage de Golomb
4. Réduction DCT
4.1 L’approche par factorisation de la matrice (DCT rapide)
4.2 L’approche zonale (DCT réduite)
5. Conclusion
CONCLUSION

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