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Les réseaux de capteurs sans fil ou RCSF
Dans cette deuxième partie on va particulièrement se focaliser sur les réseaux de capteurs sans fil. Dans un premier temps nous allons nous intéresser sur les architectures de réseaux de capteurs sans fil, puis sur les systèmes d’exploitation des RCSF et notamment le TinyOS, et pour terminer, le troisième point portera sur les applications des RCSF.
Les architectures de réseaux de capteurs sans fil
Les avancées technologiques actuelles mettent en étroite relation le domaine de l’informatique et de l’électronique au cœur du monde réel. De plus en plus de systèmes sont équipés de processeurs et de moyens de communication mobiles, leur permettant de traiter des informations et de les transmettre. Les réseaux de capteurs entrent dans ce cadre.
Les capteurs sans fils
Les capteurs sans fils sont des dispositifs de taille extrêmement réduite avec des ressources très limitées, autonomes, capable de traiter des informations et de les transmettre, via les ondes radio, à une autre entité (capteurs, unité de traitements, etc.) sur une distance limitée à quelques mètres[2]. On a ici alors un exemple des capteurs sans fils représenté sur la figure 1.2.
Les réseaux de capteurs utilisent un très grand nombre de ces capteurs, pour former un réseau sans infrastructure établie. Un capteur analyse son environnement, et propage les données récoltées aux capteurs appartenant à sa zone de couverture. Chaque capteur relayant l’information sur sa propre zone de couverture, le réseau se trouve entièrement couvert.
Architecture de capteur sans fils
Un nœud capteur contient quatre unités de base : l’unité de captage, l’unité de traitement, l’unité de transmission, et l’unité de contrôle d’énergie. Il peut contenir également, suivant son domaine d’application, des modules supplémentaires tels qu’un système de localisation (GPS), ou bien un système générateur d’énergie (cellule solaire). On peut même trouver des micro-capteurs, un peu plus volumineux, dotés d’un système mobilisateur chargé de déplacer le micro-capteur en cas de nécessité [2].
Mais d’une manière plus approfondie, chaque groupe de composants possède son propre rôle
– Unité de traitement : Mote, processeur, RAM et Flash
On appelle généralement Mote la carte physique utilisant le système d’exploitation pour fonctionner. Celle-ci a pour coeur le bloc constitué du processeur et des mémoires RAM (RandomAcsesMemorie) et Flash. Cet ensemble est à la base du calcul binaire et du stockage, temporaire pour les données et définitif pour le système d’exploitation. Cette unité est chargée d’exécuter les protocoles de communications qui permettent de faire collaborer le noeud avec les autres noeuds du réseau. Elle peut aussi analyser les données captées pour alléger la tâche du noeud puits.
– Unité de transmission : Radio et antenne
Les équipements étudiés sont donc généralement équipés d’une radio ainsi que d’une antenne. Cette unité est responsable d’effectuer toutes les émissions et réceptions des données sur un medium sans fil. Elle peut être de type optique, ou de type radiofréquence. Les communications de type optique sont robustes vis-à-vis des interférences électriques. Néanmoins, elles présentent l’inconvénient d’exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes. Par conséquent, elles ne peuvent pas établir de liaisons à travers des obstacles.
– Unité d’acquisition : LED, capteur
On retrouve donc des équipements de différents types de détecteur et d’autre entrée. Le capteur est généralement composé de deux sous-unités : le récepteur (reconnaissant l’analyste) et le transducteur (convertissant le signal du récepteur en signal électrique). Le capteur est responsable de fournir des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur Analogique/Numérique(CAN). Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique compréhensible par l’unité de traitement.
– Unité de control d’énergie : Batterie
Un micro-capteur est muni d’une ressource énergétique (généralement une batterie de type AAA) pour alimenter tous ses composants. Cependant, conséquence de sa taille réduite, la ressource énergétique dont il dispose est limitée et généralement irremplaçable. Cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement d’énergie à partir de l’environnement observé telles que les cellules solaires, afin d’étendre la durée de vie totale du réseau.
Les nœuds et leur communication
Dans cette section, nous définissons plusieurs modèles qui sont utilisées dans les RCSF. Ainsi, nous utilisons les modèles de nœuds, les modèles de communication, les modèles de consommation d’énergie.
Modèle de nœud
Selon l’application et la structure choisie, un RCSF peut contenir différents types de nœuds.
-Un nœud régulier est un nœud doté d’une unité de transmission et d’une unité de traitement de données. L’unité de transmission de données est responsable de toutes les émissions et réceptions de données via un support de communication sans fil pouvant être de type optique (comme dans les nœuds Smart Dust) ou de type radiofréquence (comme dans les nœudsStargate). L’unité de traitement de données est composée d’une mémoire, d’un microcontrôleur et d’un système d’exploitation spécifique (comme TinyOS, développé à l’université de Berkeley. Elle est responsable du traitement des données en provenance ou au départ de l’unité de transmission. Ces deux unités sont alimentées par une batterie embarquée. Selon le domaine d’application, un noeud peut être équipé d’unités supplémentaires ou optionnelles comme un système de localisation (Global Positioning System ou GPS, etc.) pour déterminer sa position, ou bien un système générateur d’énergie (cellule photovoltaïque, etc.), ou encore un système mobile pour lui permettre de changer sa position ou sa configuration en cas de nécessité [3].
– Un nœud capteur ou nœud source est un nœud régulier équipé d’une unité d’acquisition ou de détection. L’unité d’acquisition est généralement dotée d’un ou de plusieurs capteurs qui obtiennent des mesures analogiques (physiques et physiologiques) et d’un convertisseur Analogique/Numérique qui convertit l’information relevée en un signal numérique compréhensible par l’unité de traitement.
– Un nœud actionneur ou robot est un nœud régulier doté d’une unité lui permettant d’exécuter certaines tâches spécifiques comme des tâches mécaniques (se déplacer, combattre un incendie, piloter un automate, etc.)
– Un nœud puits est un nœud régulier doté d’un convertisseur série connecté à une seconde unité de communication (GPRS, Wi-Fi, WiMax, etc.). La seconde unité de communication fournit une retransmission transparente des données provenant de nœuds capteurs à un utilisateur final ou d’autres réseaux comme internet.
– Un nœud passerelle (ou gateway) est un nœud régulier permettant de relayer le trafic dans le réseau sur le même canal de communication.
Pour optimiser certains paramètres comme la durée de vie du réseau ou le délai de livraison des données, certains travaux se sont focalisés sur l’architecture (plat, hiérarchique, multiniveaux) des RCSF. Ces architectures définissent le plus souvent les rôles joués par les nœuds dans un RCSF. Nous distinguons principalement 3 rôles à savoir :
– Nœud Source (NS) : dont le rôle principal est de détecter les phénomènes physiques ou physiologiques se produisant dans son environnement immédiat afin de les transmettre, directement ou via multiples sauts, à un utilisateur final. C’est en fait un nœud capteur.
– Nœud Relais (NR) : ils ont pour rôle d’agréger et de retransmettre les mesures provenant des NS afin que celles-ci parviennent à un utilisateur final. Dans une architecture à plat, quelques travaux considèrent généralement un NS comme un NR. Dans une architecture à 2 niveaux, un nœud passerelle joue le rôle de NR pour un ou plusieurs nœuds sources. Dans une telle configuration réseau, la capacité de transmission du NR est supposée généralement plus grande que celle du NS.
– Nœud Collecteur (NC) de données : ils ont pour rôle de collecter les mesures provenant des nœuds sources et éventuellement de les agréger. Généralement, un « Cluster-Head » ou chef de cluster est utilisé comme NC dans une architecture hiérarchique où les NS sont partitionnés en plusieurs groupes.
La figure 1 .4 nous donne un résumé de l’architecture général d’un modèle de nœud RCFS.
Modèle de communication
Nous présenterons ici deux modèles de communication, à savoir le modèle de communication « Point à point » et le modèle de communication « Nœud vers Sink ».
Le modèle de communication « Point à point »
Dans ce cas, on s’intéresse au trafic entre les nœuds voisins. Le choix du nœud émetteur s’effectue d’une manière aléatoire, il émet alors les messages vers un ou plusieurs voisins situés autour de lui [4].
Le modèle de communication « Nœud vers Sink »
Dans ce cas, tous les nœuds émettent des messages d’une manière périodique vers le nœud « Sink ». La définition de ce modèle de communication s’effectue dans la manière en choisissant l’option « ToSink », le nœud qui va jouer le rôle du « Sink », le nombre maximum de sauts entre le nœud source et le « Sink » et le mode d’agrégation de messages [4].
Pour ce modèle de communication, on choisira le nœud numéro 0 comme « Sink » et le mode d’agrégation égale à 0 (sans agrégation de messages).
Modèle de consommation d’énergie
Les capteurs sans fils sont des éléments indépendants les uns des autres, comme leur nom l’indique. Par conséquent, ils doivent également disposer d’une alimentation autonome. Leur durée de vie est limitée par la durée de vie de leur batterie.
Cette contrainte forte a une influence majeure sur l’ensemble des techniques, mises en place pour le déploiement de tels réseaux. Un effet majeur de cette limitation énergétique est la limitation maximale des transmissions par voie hertzienne, très coûteuses. Il est donc primordial d’effectuer tant que possible le traitement de l’information localement au niveau du nœud. L’enjeu est donc d’étendre la durée de vie du système et sa robustesse, en cas de chute de certains nœuds seulement. Les problématiques sont donc très éloignées de celles des réseaux classiques, telle la maximisation du débit [2].
Dans les réseaux de capteur sans fils, il faut assurer une consommation répartie de l’énergie au sein du réseau. Cet énergie et consommé par les diverses fonctionnalités de réseaux qui sont donc par ordre décroissant de consommation d’énergie : Radio (Communication), Protocoles (MAC, routage), CPU (calcul, agrégation), Acquisition.
Le système d’exploitation tinyOS
Présentation
TinyOS est un système d’exploitation Open Source pour les réseaux des capteurs, conçu par l’université américaine de BERKELEY. Le caractère open source permet à ce système d’être régulièrement enrichie par une multitude d’utilisateurs. Sa conception a été entièrement réalisée en NesC, langage orienté composant syntaxiquement proche du C. Il respecte une architecture basée sur une association de composants, réduisant ainsi la taille du code nécessaire à sa mise en place. Cela s’inscrit dans le respect des contraintes de mémoires qu’observent les capteurs, pourvus de ressources très limitées dues à leur miniaturisation.
Pour autant, la bibliothèque des composants de TinyOS est particulièrement complète, puisqu’on y retrouve des protocoles réseaux, des pilotes de capteurs, et des outils d’acquisition de données. Un programme s’exécutant sur TinyOS est constitué d’une sélection de composants systèmes et de composants développés spécifiquement pour l’application à laquelle il sera destiné (mesure de température, du taux d’humidité, etc.).
TinyOS s’appuie sur un fonctionnement évènementiel, c’est à dire qu’il ne devient actif qu’à l’apparition de certains évènements, par exemple l’arrivée d’un message radio. Le reste du temps, le capteur se trouve en état de veille, garantissant une durée de vie maximale connaissant les faibles ressources énergétiques des capteurs. Ce type de fonctionnement permet une meilleure adaptation à la nature aléatoire de la communication sans fil entre capteurs.
Propriétés de OS
TinyOS est basé sur quatre grandes propriétés qui font que ce système d’exploitation, s’adapte particulièrement bien aux systèmes à faible ressources :
Evénementiel :
Le fonctionnement d’un système basé sur TinyOS s’appuie sur la gestion des évènements qui se déclenche. Ainsi, l’activation de tâches, leur interruption ou encore la mise en veille du capteur s’effectue à l’apparition d’évènements, ceux-ci ayant la plus forte priorité. Ce fonctionnement évènementiel (eventdriven) s’oppose au fonctionnement dit temporel (time driven), où les actions du système sont gérées par une horloge donnée [2].
Non préemptif
Le caractère préemptif d’un système d’exploitation précise si celui-ci permet l’interruption d’une tâche en cours. TinyOS ne gère pas ce mécanisme de préemption entre les tâches, mais donne la priorité aux interruptions matérielles. Ainsi, les tâches entre elles ne s’interrompent pas mais une interruption peut stopper l’exécution d’une tâche [2].
Pas de temps réel
Lorsqu’un système est dit « temps réel » celui-ci gère des niveaux de priorité dans ses tâches, permettant de respecter des échéances données par son environnement. Dans le cas d’un système strict, aucune échéance ne tolère de dépassement contrairement à un système temps réel. TinyOS se situe au-delà de ce second type, car il n’est pas prévu pour avoir un fonctionnement temps réel [2].
Consommation d’énergie
TinyOS a été conçu pour réduire au maximum la consommation en énergie du capteur.
Ainsi, lorsqu’aucune tâche n’est pas active, il se met automatiquement en veille [2].
Applications des réseaux de capteurs sans fils
Les applications des RCSF sont nombreuses, effectivement avec l’automatisation dès la presque quasi-totalité des tâches actuelles, les RCSF sont très sollicités.
On peut citer notamment :
– Surveillance : détection d’intrusion, feu de forêt, mesures météorologiques, départ de coups d’artillerie, détection des mouvements ennemis, contrôle de la qualité de l’air
– Couverture Zone, point ponctuel
-Environnement : militaire ou Civil, hostile et Non-hostile
– Applications : agricole et environnement, médical, Structure ou édifice et domotique
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Généralités sur les réseaux de capteurs
I .1. Les capteurs
I.1.1. Définition
I.1.2. Les différents types de capteurs
I.2. Les réseaux de capteurs sans fil ou RCSF
I.2.1. Les architectures de réseaux de capteurs sans fil
I.2.2. Le système d’exploitation tinyOS
I .3. Applications des réseaux de capteurs sans fils
Chapitre II : Applications de suivi médical
II.1 Les signaux vitaux
II.1.1. Pression sanguine
II.1.2. La pression artérielle
II.1.3. Pression veineuse
II.1.4. Respiration et saturation pulsée en oxygène
II.1.5. La température
II.2. Les mesures des signaux vitaux
II.2.1. Mesures de l’activité cardiaque par des technologies en contact
II.2.2. Mesure de la température cutanée
II.2.3. Électromyographie (EMG)
II.3. Les contraintes de mesures des signaux vitaux
II.3.1. Dans les services de soins intensifs
II.3.2. Dans certaines situations
II.3.3. Dans le domaine de l’informatique affective
Chapitre III- Conception d’une application à base de réseau de capteurs pour les mesures physiologiques
III.1.création de l’interface
III.1.1. La plateforme Web
III.1.2. La base de données
III.2. la conception et étalonnage des capteurs
III.2.1. capteur de température
III.2.2. Le capteur Electrocardiogramme
III.2.3. Oxymètre de pouls
III.3.Transmission des paramètres physiologiques
III.4. Aspect et utilisation de l’application SMM-EN
III.2.1. L’aspect de l’interface
III.4.2. utilisation de l’application SMM-EN
CONCLUSION
Annexe 1 : Fiches techniques des composant utilises
Annexe 2 : WAMP
REFERENCES
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