Soutenance mémoire
Base de données et réseau de capteurs sans fil
Ces dernières années, l’utilisation des capteurs sans fil est en plein essor. Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) ont attiré l’intérêt des industriels. Ils ont conquis une diversité de champs d’applications (militaire, santé, transport, agriculture, etc). Ces capteurs sont souvent organisés en réseau ad hoc, qui n’a pas a priori de topologie définie. Les applications utilisant les capteurs et les réseaux de capteurs sont orientées données, dans le sens où les capteurs acquièrent puis envoient leurs données vers une station de base. Des recherches intensives ont commencé il y a un peu plus d’une dizaine d’années sur la structuration des données de capteurs en bases de données, afin de minimiser le nombre de communications et réduire le niveau de consommation d’énergie des capteurs. Dans ce chapitre, nous étudions les bases de données de capteurs sans fil (BDCSF) .
Réseau de capteurs sans fil
Présentation
Un réseau de capteurs sans fil est un type particulier de réseau ad-hoc [Egea-Lopez et al., 2005]. Il est composé d’un grand nombre de nœuds (capteurs), déployés dans une zone d’intérêt, pour y collecter des informations telles que la température, l’humidité, la lumière, la pression, etc. Les données collectées sont transmises via des communications sans fil à une station de collecte, appelée Station de Base (SB). Ces données serviront à observer et à étudier certains phénomènes physiques ou à surveiller et à contrôler une zone d’intérêt. Les RCSF ont l’avantage de pouvoir être déployés facilement dans plusieurs environnements avec un faible coût.
Un capteur sans fil est un dispositif électronique de petite taille, capable d’effectuer un certain nombre de tâches tel que la collecte d’informations, la communication avec d’autres capteurs dans le réseau, le traitement d’un signal, la transmission des mesures à la station de base. Il est constitué de nombreux éléments dont les suivants : (1) une unité de traitement, chargée de l’exécution de différents programmes, ainsi que de la gestion des données provenant des autres capteurs, (2) une unité de stockage constituée à la fois d’une mémoire ”flash” pour stocker temporairement les données, ainsi qu’une mémoire vive pour stocker non seulement les valeurs intermédiaires du capteur, mais aussi les données reçues des autres nœuds, (3) un dispositif de détection pour capter les paramètres de l’environnement telles que la température, la pression, la lumière, l’humidité, etc., et également un convertisseur analogique-numérique pour convertir ces mesures en données compréhensibles par l’unité de traitement, (4) une unité d’émission/réception pour envoyer et recevoir les données à travers le réseau, (5) une unité d’alimentation pour fournir l’énergie aux différents composants du capteur.
Domaines d’applications
Les RCSF sont utilisés dans plusieurs domaines d’applications comme celui de la médecine, de l’agriculture, des transports, du contrôle de processus industriels, ou encore de l’armée.
Contrôle de l’environnement
Les RCSF peuvent aider à étudier les phénomènes environnementaux complexes comme les séismes, les volcans et les tempêtes. Par exemple, NEAREST est un projet de la commission européenne visant le développement d’un système de détection précoce des Tsunamis locaux dans le Golfe de Cadiz. Des capteurs sismiques et de pression ont été mis en place pour des observations sous marines [Pignagnoli et al., 2011]. On peut citer aussi le réseau de détection sismique de l’observatoire de Grenoble (réseau Sismalp), lancé en 1987, qui représente le seul réseau sismologique couvrant l’ensemble des Alpes occidentales françaises. Son objectif est de surveiller la sismicité régionale pour mieux en comprendre la sismotectonique et pour estimer le risque sismique [Guyoton, 1991].
Domaine militaire
Les RCSF sont déployés pour surveiller et pour détecter les intrusions non autorisées dans une zone protégée. Le système de surveillance, basé sur des capteurs sans fil, doit fournir au centre de commandement des informations précises, et ce avec une confidentialité acceptables sur la position des objets se déplaçant dans une certaine zone géographique, pour les localiser. Il doit de plus fournir les informations dans un temps de latence acceptable afin d’agir au bon moment et de prendre les précautions nécessaires.
Domaine de l’agriculture
Les RCSF peuvent améliorer le domaine de l’agriculture, en offrant notamment un support de gestion précis des ressources d’eau, un suivi du développement des maladies, ou encore une prédiction du moment adéquat de la récolte [Bechkit et al., 2011].
Applications liées à la santé
Les RCSF peuvent améliorer plusieurs services liés à la santé tels que la surveillance à domicile des personnes âgées et des malades dans les hôpitaux. Par exemple, le projet STAR (Système Télé-Assistant Réparti) [Haiying et al., 2004] consiste à concevoir une plateforme dédiée à la surveillance de personnes souffrant d’arythmies cardiaques. Il permet d’acquérir et d’analyser les signaux ECG en temps réel, et de les envoyer à travers une passerelle connectée à Internet depuis la personne vers un centre de traitement médical ou un hôpital.
Systèmes de transports intelligents
Les RCSF sont également utilisés par les systèmes de transport intelligents (STI). Ils sont exploités dans des applications comme la gestion de flottes de véhicules et la surveillance du trafic. En effet, des capteurs vidéo, des capteurs à boucle, des capteurs acoustiques, des capteurs de pression et des radars sont posés temporairement sur certains axes routiers, pour fournir des informations sur le trafic (la vitesse, la densité, le taux d’occupation, les bouchons et les accidents) [Breheret et al., 2000]. L’ensemble des mesures collectées sont utilisées par certaines applications de sécurité comme la gestion des congestions pour prévenir des accidents.
Gestion des données dans les RCSF
La gestion des données dans les RCSF inclut plusieurs processus tels que la collecte, le traitement et le stockage des données. Ces processus sont souvent accompagnés d’autres fonctions comme l’agrégation ou la compression de données, etc., selon la nature et la quantité de données à gérer, afin d’améliorer la qualité de service dans le réseau.
Collecte des données
La collecte de données est une fonction principale dans les RCSF. Elle consiste à transmettre les données prélevées par des capteurs vers la station de base. Les nœuds forment un arbre de recouvrement et utilisent un protocole de routage pour envoyer leurs données vers la racine représentant la station de base. Les données collectées au niveau de la station de base peuvent ainsi être traitées immédiatement pour répondre aux besoins de l’utilisateur. Elles peuvent également être stockées dans une base de données pour être analysées par la suite. On peut distinguer plusieurs méthodes de collecte de données dans les RCSF :
• Une collecte périodique : les capteurs transmettent périodiquement leurs mesures à la station de base selon une période fixée par l’utilisateur ou l’application, afin d’observer et de contrôler des phénomènes dans des zones d’intérêt.
• Une collecte événementielle : la collecte des données est déclenchée suite à un événement tel qu’un dépassement du seuil de température fixé par le superviseur ou la détection d’intrusions dans une zone à surveiller. Les données sont transmises en continu vers la station de base, de manière à ce que l’utilisateur intervienne le plus vite possible.
• Une collecte à la demande : les capteurs répondent aux requêtes de l’utilisateur par les données demandées. L’utilisateur saisit sa demande sous forme d’une requête, qui sera transmise à la station de base, puis diffusée à travers le RCSF. Chaque capteur reçoit la requête, génère par la suite une réponse pour l’envoyer à la station de base, qui la transmet à son tour à l’utilisateur.
• Une collecte hybride : elle combine plusieurs méthodes de collecte des données. Par exemple, on peut combiner une collecte périodique avec une collecte événementielle. Les capteurs envoient périodiquement des informations sur une zone surveillée. Lorsque les capteurs détectent un événement, ils suspendent la transmission périodique, pour envoyer en continu les données détectées à la station de base, afin d’alerter les superviseurs.
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Table des matières
1 Introduction
I État de l’art
2 Base de données et réseau de capteurs sans fil
2.1 Introduction
2.2 Réseau de capteurs sans fil
2.2.1 Présentation
2.2.2 Domaines d’applications
2.2.3 Gestion des données dans les RCSF
2.3 Bases de données de capteurs sans fil
2.3.1 Présentation
2.3.2 Différence avec les bases de données classiques
2.3.3 Architecture et fonctionnement
2.3.4 Langage des requêtes
2.3.5 Types de requêtes
2.3.6 Systèmes de BDCSF
2.3.7 Comparaison entre systèmes de BDCSF
2.4 Conclusion
3 Les contraintes temporelles dans les bases de données de capteurs sans fil
3.1 Introduction
3.2 Contraintes temporelles dans les BDCSF
3.2.1 Présentation
3.2.2 Types d’expression
3.2.3 Classification
3.2.4 Discussion
3.3 Protocoles temps réel dans les RCSF
3.3.1 Protocole MAC temps réel
3.3.2 Protocoles de routage temps réel
3.3.3 Standards industriels
3.4 Conclusion
II Contributions
4 Étude comparative
4.1 Introduction
4.2 Motivation et travaux connexes
4.3 Modèles de réseau et scénarios
4.3.1 Collecte périodique des données avec un stockage centralisé
4.3.2 Traitement des requêtes avec une base de données abstraite
4.4 Simulations et analyse des performances
4.4.1 Environnement de simulation
4.4.2 Description des simulations
4.4.3 Influence du nombre de nœuds sur le temps de convergence
4.4.4 Influence du nombre de nœuds sur le temps de collecte des données
4.4.5 Influence des protocoles MAC sur le nombre de données envoyées
4.4.6 Influence du choix de la base de données sur le temps de réponse
4.4.7 Influence des positions des nœuds et du nombre de sauts sur le temps de collecte des données
4.4.8 Influence des topologies du réseau sur le temps de collecte des données
4.5 Conclusion
5 Un modèle de traitement de requêtes temps réel
5.1 Introduction
5.2 Problématique et motivations
5.3 Travaux connexes
5.4 Modèles et nouvelles clauses SQL
5.4.1 Modèle de réseau dynamique basé sur l’auto-organisation
5.4.2 Métrique de routage RPL basée sur la latence
5.4.3 Modèle de données temporelles
5.4.4 Langage de requêtes et nouvelles clauses SQL
5.4.5 Méthode de propagation des requêtes
5.4.6 Modèle de traitement des requêtes
5.5 Simulation et analyse des performances
5.5.1 Environnement de simulation
5.5.2 Analyse de performances du modèle de réseau dynamique
5.5.3 Analyse de performances du modèle de réseau statique
5.5.4 Comparaison du modèle statique et du modèle dynamique
5.6 Conclusion
6 Une base de données de capteurs temps réel
6.1 Introduction
6.2 Problématique et motivations
6.3 Architecture du système
6.3.1 Station de base
6.3.2 Nœud ”puits”
6.3.3 Nœud émetteur
6.4 Modèles du système
6.4.1 Modèle de réseau multisauts
6.4.2 Modèle de données
6.4.3 Langage de requêtes
6.4.4 Politiques d’ordonnancement des requêtes
6.4.5 Plan d’exécution des requêtes
6.5 Évaluation des performances
6.5.1 Transmission multi-requêtes avec un intervalle d’envoi fixe
6.5.2 Transmission multi-requêtes avec un intervalle d’envoi dynamique
6.6 Comparaison avec d’autres solutions selon quelques critères
6.6.1 Comparaison des fonctionnalités
6.6.2 Comparaison avec TinyDB
6.7 Conclusion
7 Conclusion et perspectives
Publications
Références
