Les réseaux de capteurs et leurs applications

Les réseaux de capteurs et leurs applications

Domaine militaire

La transmission sécurisée est un des aspects principaux de toutes opérations militaires réussies. En outre, beaucoup d’opérations de la défense ont lieu dans des endroits où l’infrastructure de transmission n’est pas disponible. L’utilisation des réseaux sans fil ad hoc et de capteur dans de telles situations devient très utile. Les différentes unités (armée terrestre, marine, et l’armée de l’Air) impliquées dans des opérations militaires doivent également garder la transmission entre eux. Les avions de l’armée de l’air volant dans un groupe peuvent établir un réseau sans fil ad hoc pour communiquer entre eux et échanger des images et des données. Les groupes d’armée en mouvement peuvent également utiliser les réseaux sans fil ad hoc pour communiquer entre eux-mêmes. La même chose s’applique à la marine. L’idéal de ce type de communication est que le réseau ad hoc se déplace avec les combattants sur terre ou les avions en air.Une des nombreuses applications des réseaux sans fil ad hoc (en particulier de capteur) est la collecte de l’information. Les capteurs utilisés pour de telles applications sont essentiellement jetables et sont utilisés une fois pour une application. Les capteurs peuvent être déployés en grandes quantités dans la zone choisie pour la collecte intelligente de l’information. Les capteurs peuvent être déployés par avion ou par d’autres moyens. En raison de leurs tailles très petites, les capteurs resteront suspendus dans l’air un certain temps. Pendant ce temps, ils peuvent rassembler l’information pour laquelle ils ont été programmés, traitent l’information, partagent l’information collectée avec d’autres capteurs voisins, et transmettent l’information à un noeud central. L’information peut alors être analysée au service de traitement central, et une décision au sujet de la prochaine étape peut être prise. Les réseaux de capteur peuvent également être utilisés pour repérer des objets ou des cibles, qui sont un des applications critiques dans le domaine militaire .

Domaine de la santé

L’échange de l’information multimédia (audio, vidéo, et données) entre le patient et les équipements est très utile dans des situations critiques et d’urgences. Un individu qui est transporté à l’hôpital dans une ambulance peut envoyer de l’information en utilisant les réseaux ad hoc. Un docteur, dans beaucoup de situations, est en bonne position pour diagnostiquer et préparer un traitement pour un patient s’il a une vidéo plutôt que juste des données. Par exemple, la vidéo peut être utile en évaluant les réflexes et en visualisant la capacité de coordination d’un patient. De même, la gravité des blessures d’un patient peut être établie mieux avec l’information visuelle qu’avec information sonore ou juste autre information. L’échographie des reins d’un patient, du coeur, ou d’autres organes, en temps réel, peut être très utile en préparant un traitement pour un patient qui est transporté à l’hôpital, avant son arrivée. Une telle information peut être communiquée par les réseaux sans fil, d’une ambulance à un hôpital ou à des chirurgiens qui sont dispersés dans différents endroits mais ils convergent vers l’hôpital pour traiter le patient. Les réseaux sans fil ad hoc installés dans les maisons peuvent être très utiles pour surveiller les patients chez eux.Ces maisons intelligentes peuvent prendre quelques décisions de base, (basées sur l’information échangée entre les différents capteurs du réseau ad hoc), qui sont bénéfiques aux personnes âgées. D’autres informations peuvent être collectées par les maisons intelligentes comme la surveillance des mouvements au sein de la maison, en reconnaissant une chute d’un être humain, ou bien une situation inhabituelle, et d’informer un organisme approprié afin que l’aide puisse être fournie, à temps. Le concept des tenues intelligentes, qui sont examinées dans la section sur le domaine militaire (ci-dessus), peut également être utilisé pour surveiller les conditions de santé des patients. Ces tenues peuvent devenir très utiles pour fournir les soins aux personnes âgées [3];[8].

La localisation dans les réseaux de capteurs

La capacité de localisation (estimation de la position) est essentielle dans la plupart des applications de réseaux sans fil de capteurs. Dans les applications de surveillance de l’environnement comme la surveillance de l’habitat des animaux, la surveillance de la qualité de l’eau et l’agriculture de précision. Les données de mesures ne sont pas une connaissance précise de l’endroit d’où les données sont obtenues. Par ailleurs, la disponibilité d’informations de localisation permet l’apparition de nouvelles applications telles que la gestion des stocks, la détection d’intrusion, le suivi de la circulation routière, la surveillance de la santé, etc.…La plupart des procédés employés pour déterminer une position sont basés sur des calculs géométriques comme la triangulation (en mesurant des angles par rapport à des points fixes ou des noeuds connaissant leur position) et la trilatération (en mesurant la distance entre les noeuds). Pour connaître la distance entre deux noeuds, plusieurs techniques peuvent être utilisées, comme la synchronisation, la puissance de signal reçu ainsi que les caractéristiques physiques de l’onde porteuse. D’autres approches, comme les caractéristiques du signal radio reçu et l’angle de l’arrivée peuvent être également appliquées pour le calcul de position. Les techniques de localisation dans les WSN’s sont utilisées pour estimer l’emplacement des capteurs sans position connu auparavant dans le réseau en utilisant les informations de position de quelques capteurs spécifiques dans le réseau et leurs intermesures tels que la distance, le décalage horaire d’arrivée, l’angle d’arrivée et la connectivité. Les capteurs avec les informations de localisation, a priori connus, sont appelés ancres ou références et leurs emplacements peut être obtenu en utilisant un système de positionnement global (GPS), ou bien en installant des points d’ancrage à des points avec des coordonnées connues.

Les mesures basées sur le temps de propagation à sens unique

Le principe de ce type de mesures est simple mesurer la différence entre le temps de l’envoi d’un signal à l’émetteur et le temps de réception du signal au niveau du récepteur. En sachant la différence de temps et la vitesse de propagation du signal dans les médias, on peut obtenir la distance entre l’émetteur et le récepteur. La mesure de temporisation est relativement un champ mature. La méthode la plus largement utilisée pour l’obtention de la mesure de temporisation est appelé la méthode généralisée de corrélation croisée [22], [21]. Un défi majeur dans la mise en oeuvre des mesures de temps de propagation à sens unique est qu’elle nécessite l’heure locale de l’émetteur et l’heure locale au niveau du récepteur pour être exactement synchronisés. Toute différence entre les deux horloges locale deviendra le biais dans la mesure de propagation à sens unique. A la vitesse de la lumière, une erreur de synchronisation de 1ns se traduira par une erreur de mesure de distance de 0,3 m. L’exigence de synchronisation précise peut augmenter le coût des capteurs par une horloge de haute précision, ou augmenter la complexité du réseau de capteurs, en exigeant un algorithme sophistiqué de synchronisation.Cet inconvénient rend les mesures de temps de propagation à sens unique une option moins attrayante dans les WSN’s. En plus d’utiliser une horloge précise pour chaque capteur ou en utilisant un algorithme de synchronisation sophistiquée, une approche intéressante a été proposée dans la littérature. Cette approche permet de surmonter le problème de synchronisation basée sur le fait que la vitesse du son dans l’air est beaucoup plus petite que la vitesse de la lumière ou le signal radio (RF) dans l’air [23]. Une combinaison du RF et du matériel ultrason est utilisée dans la technique. A chaque transmission, un émetteur envoie un signal RF et une impulsion ultrasonique dans le même temps. Le signal RF arrivera plus tôt au niveau du récepteur que l’impulsion ultrasonique. Lorsque le récepteur reçoit le signal RF, il tourne son récepteur à ultrasons pour l’écoute de l’impulsion ultrasonique. La différence de temps entre la réception du signal RF et la réception du signal ultrasonore est utilisée comme une estimation d’un temps de propagation acoustique. Cette méthode donne assez de précision à la distance estimée au coût du matériel supplémentaire et à la complexité du système, car la réception ultrasons souffre des effets graves des chemins multiples provoqués par les réflexions des murs et des autres objets.

Table des matières

Remerciements
Dédicaces
Résumé
Liste des figures
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 Aperçu sur les réseaux sans fils
1.Introduction
2.Réseau sans fil
2.1. Définition
2.2. Les catégories des réseaux sans fils
2.2.1. Selon la zone de couverture
Réseaux personnels sans fil (WPAN)
Réseaux locaux sans fil (WLAN)
Les réseaux métropolitains sans fil (WMAN)
Les réseaux sans fil étendus (WWAN
2.2.2. Selon l’infrastructure
Réseaux cellulaires (avec infrastructure)
Réseaux ad hoc (sans infrastructure)
Définition
Caractéristiques des réseaux ad hoc
Applications
Conclusion
CHAPITRE 2 Les réseaux de capteurs et leurs applications
1.Introduction
2.Le capteur
2.1. Définition
2.2. Architecture
3.Réseaux de capteur sans fil
3.1. Définition
3.2. Caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil
3.3. Mécanismes utilisés pour atteindre les caractéristiques des RCSFs
3.4. Architecture de communication
3.4.1. Couche physique
3.4.2. Couche liaison de données
3.4.3. Couche réseau
3.4.4. La couche transport
3.4.5. La couche application
3.4.6. Gestion d’énergie
3.4.7. Gestion de mobilité
3.4.8. La gestion des tâches
4.Problèmes des réseaux de capteurs sans fil
4.1. Consommation d’énergie
4.2. Routage
4.3. Localisation
4.4. La sécurité
4.5. Environnement
4.6. Agrégation des données
4.7. Topologie dynamique
4.8. Tolérance aux pannes
5.Applications des réseaux de capteurs
5.1. Application militaire
5.2. Application médical
5.3. Applications environnementales
5.4. Applications commerciales
5.5. Applications agricoles
5.6. Applications à la sécurité
6.Conclusion
CHAPITRE 3 La localisation dans les réseaux de capteurs
1.Introduction
2.Objectif de localisation
3.Définition
4.Propriétés de localisation
5.Critères de localisation
5.1. Précision de la localisation
5.2. Contraintes de ressources
5.3. Contraintes énergétiques
6.Techniques de mesure
6.1. Techniques géométriques d’estimation de position
6.1.1. La trilatération
6.1.2. La triangulation
6.2. Techniques de mesures basées sur l’angle d’arrivée (AOA)
6.3. Les mesures basées sur la distance
6.3.1. Les mesures basées sur le temps de propagation
6.3.2. Les mesures de différence de temps d’arrivée (TDOA)
6.3.3. Mesures basées sur l’intensité du signal reçu
6.3.4. Les mesures de connectivité
6.4. Les mesures bases sur le profilage RSSI (Received Signal Strength Indicator)
6.5. Les techniques basées sur les clusters
7.Algorithmes de localisation
7.1. Algorithmes centralisés
7.2. Algorithmes distribués
7.3. Algorithmes multidimensionnels
7.3.1. MDS – MAP
7.3.2. CCA – MAP
7.4. Les algorithmes de localisation DV-Hop et DV-Distance
Conclusion
CHAPITRE 4 Application des RCSFs pour localiser un incendie
1.Introduction
2.Généralités sur les feux de forêt
2.1. Qu’est ce qu’un feu de forêt ?
2.2. Comment se manifeste-t-il ?
2.3. Quels sont les combustibles d’un feu de forêt ?
2.4. Quels sont les facteurs de prédisposition des feux de forêt?
2.5. Les mécanismes de propagation de feux de forêt
2.6. Les différents types de feux de forêt
2.7. Gestion du risque de feux de forêts
3.Objectif de notre travail
4.Implémentation de l’application
4.1. Plate-forme logicielle et matérielle
4.1.1. Logiciel utilisé
4.1.2. Capteur utilisé
4.1.3. PC utilisé
4.2. Déploiement de l’application
4.3. Fonctionnement de notre système
4.3.1. Installation logicielle
4.3.2. Installation matérielle
4.3.3. Algorithme d’application (programme)
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
Bibliographie
Annexes

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