Soutenance mémoire
L’essor des nouvelles technologies ainsi que les progrès effectués dans le domaine des télécommunications, des réseaux et du traitement de l’information ont entraîné l’apparition de nouveaux outils et objets communicants qui améliorent notre qualité de vie. Nos habitats connaissent une mutation en devenant des environnements intelligents qui intègrent non seulement le confort et les services de communication (équipements audiovisuels, accès à internet, etc.), mais également un certain niveau de sécurité (risques domestiques, anti-intrusion) et d’assistance (régulation du confort, éclairage automatisé, etc.). De plus, les systèmes de télésurveillance proposent aujourd’hui des services de santé et d’assistance à domicile avec « une qualité de service », en particulier pour les personnes fragiles ou en perte d’autonomie (personnes, âgées, handicapées ou souffrant de maladies chroniques).
Durant la dernière décennie, le nombre de personnes dépendantes n’a cessé de progresser. En France, environ 13,5 millions de personnes sont âgées de plus de 60 ans et ce nombre pourrait atteindre 22,3 millions en 2050 [1]. La mise en œuvre de systèmes permettant de réduire les frais d’hospitalisation des patients et de minimiser le temps de présence du personnel médical est un véritable challenge. Actuellement, de nombreux travaux de recherche [2, 3, 4] sont menés pour faciliter et améliorer la qualité du maintien à domicile. Des nouveaux systèmes et équipements domestiques pilotés à distance (capteurs et actionneurs) sont conçus pour réduire le coût de cette dépendance.
Depuis quelques années, les réseaux de capteurs sans fil « WSN : Wireless Sensor Networks » s’ouvrent à une multitude de domaines d’applications [1,5] : militaire, sécurité civile (surveillance des risques d’incendie, des catastrophes naturelles, des centrales nucléaires…), transport (automobile, ferroviaire, aéronautique, spatial), industriel (contrôle de la qualité de production, surveillance des lieux…), environnement, etc. L’environnement ambiant intègre de plus en plus des capteurs pour le contrôle, la commande ou la surveillance des lieux ou des systèmes. Aujourd’hui une application importante des WSNs dans le champ de la sécurité et de la santé est celle de la surveillance des personnes en perte d’autonomie et vivant seules dans leur domicile (personnes âgées, fragiles, handicapées, etc.). Les WSNs peuvent améliorer d’une manière significative la qualité de vie. Ils permettent d’automatiser le processus de suivi, en fournissant à distance des informations sur l’état de santé de ces personnes ainsi que sur leur environnement de vie.
Description de l’application de surveillance de personnes
Dans ce domaine de l’habitat intelligent pour la santé, plusieurs applications bénéficient des avantages inhérents à l’utilisation des réseaux de capteurs sans fil [2-4,8-10]. On peut citer : la télésurveillance et la récupération continue de données physiologiques, la localisation de patients, le rappel et la gestion des médicaments, la détection des mouvements et des chocs (chute d’une personne), le diagnostic et l’intervention précoce pour divers types de maladies, la compréhension et l’observation de l’environnement de vie des personnes (enregistrement des activités des personnes : heures de lever, de coucher, des repas, de prise des médicaments…), le suivi de l’état de santé pendant une activité sportive, lors des entraînements, etc.
Exigences de l’application
Plusieurs conditions doivent être remplies afin de surveiller le comportement de l’individu et de contrôler ses paramètres physiologiques. Ces exigences sont les suivantes :
• Prise en compte des caractéristiques de l’environnement : parmi les caractéristiques de l’habitat que le réseau WSN doit prendre en compte, on trouve : son architecture, ses dimensions, les obstacles, le type de matériaux de construction, le nombre de personnes à surveiller, etc.
• Gestion de la mobilité : le réseau WSN doit fournir un certain niveau de mobilité adaptée aux besoins des patients. Cet aspect concerne en particulier la mobilité des capteurs embarqués sur le corps de la personne, dont il faut maintenir la connectivité et la couverture du réseau quand la personne se déplace dans son habitation [11, 12].
• Respect de la vie privé : les données médicales des personnes surveillées doivent être protégées et sécurisées. Selon une étude réalisée dans [13], un grand pourcentage de personnes accepte de communiquer à distance leurs données médicales, par contre, très peu d’entre elles acceptent d’être surveillées à l’aide de caméras de façon permanente. La personne ou une personne habilitée doit avoir la possibilité de contrôler et de paramétrer les données qui doivent être transmises vers l’extérieur de l’habitation [14].
• Sécurisation des données : comme dans de nombreux types de réseaux sans fil, la sécurité des données est un aspect très important. Sauver la vie des personnes implique de prendre conscience de l’importance et de la fiabilité des données médicales transmises. Actuellement, il existe de nombreux algorithmes et techniques de cryptages efficaces qui sécurisent les échanges entre les nœuds capteurs (distribution aléatoire des clés, protocole de routage sécurisé, etc.) [15, 16, 17].
• Faible coût de déploiement : le coût de mise en place d’un réseau de capteurs doit être maîtrisé. Ce coût inclut celui des capteurs médicaux, des capteurs environnementaux, ainsi que le coût d’installation et de maintenance du réseau [18] auxquels vient s’ajouter le coût lié au service.
Il existe d’autres exigences de l’application comme la facilité d’installation, la flexibilité et la robustesse du réseau, la convivialité et l’ergonomie (facilité d’utilisation, interface graphique adaptée à la personne), l’efficacité et l’interopérabilité [9,18]. Après avoir présenté les exigences principales de l’application, nous présentons dans la section suivante les contraintes spécifiques aux réseaux WSNs.
Architecture et facteurs de conception du réseau de capteurs
Architecture d’un réseau de capteurs
Le réseau de capteurs sans fil est généralement caractérisé par un déploiement dense avec des centaines voire des milliers de nœuds. Les nœuds captent et communiquent leurs données (selon un protocole de communication) afin d’atteindre le nœud central de traitement (connu sous le nom de Sink).
Unité de captage et d’acquisition
Elle peut contenir un ou plusieurs modules de détection (nœud multifonctionnel). Cette unité joue le rôle d’échantillonnage et de conversion des signaux physiques en signaux électriques (conversion analogique-numérique). Les données recueillies par cette unité seront ensuite traitées par l’unité de traitement. Il existe différents types de capteurs génériques comme les capteurs de température, d’humidité, de présence (localisation), etc. Cependant, dans cette application, d’autres types de capteurs spécifiques peuvent être intégrés comme les capteurs ECG : ElectroCardioGramme, EEG : Electro-EncephaloGramme, EMG : ElectroMyoGramme, capteurs de tension artérielle, de glucose, de gaz CO2, de pouls, capteurs accéléromètre/gyroscope, etc. Chaque type de capteur a des exigences en termes de délai et de débit. Quelques exemples de prototypes et d’équipements médicaux de type ECG, SpO2 « Oxymétrie de pouls », température, etc.
|
Table des matières
Introduction générale
1 Les réseaux de capteurs sans fil dans l’habitat : problématique et état de l’art
1.1 Introduction
1.2 Description de l’application de surveillance de personnes
1.2.1 Caractéristiques de l’application
1.2.2 Exigences de l’application
1.3 Architecture et facteurs de conception du réseau de capteurs
1.3.1 Architecture d’un réseau de capteurs
1.3.2 Facteurs principaux de conception
1.3.3 Sources de consommation d’énergie
1.3.4 Impact des technologies sans fil
1.4 Projets et travaux de recherche
1.4.1 Techniques et solutions existantes
1.4.2 Défis de recherche actuels
1.5 Méthodologie de conception
1.6 Conclusion
2 Conception d’un réseau de capteurs hétérogène pour une application de domotique
2.1 Introduction
2.2 Architecture et scénarios retenus
2.2.1 Architecture multi-niveaux
2.2.2 Scénario retenu et cahier des charges
2.3 Proposition d’un modèle multi-niveaux
2.3.1 Description du modèle
2.3.2 Autres configurations possibles
2.4 Conception d’un réseau hétérogène
2.4.1 Comportement des nœuds capteurs
2.4.1.1 Nœud Médical
2.4.1.2 Nœud Coordinateur
2.4.1.3 Nœud Balise
2.4.1.4 Nœud Superviseur
2.4.2 Organisation des échanges inter-nœuds
2.5. Evaluation et analyse de performances
2.5.1 Evaluation par la simulation
2.5.2 Analyse des résultats et discussion
2.6 Problèmes rencontrés et améliorations proposées
2.7 Conclusion
3 Vers un protocole d’accès au médium efficace en énergie
3.1 Introduction
3.2 Fonctionnalités et améliorations attendues
3.3 Relaxation des hypothèses
3.4 Protocole proposé
3.4.1 Mécanismes de base pour l’organisation des échanges
3.4.1.1 Les phases principales du protocole
3.4.1.2 Méthode d’accès adéquate pour chaque niveau de l’architecture
3.4.2 Phase de création de topologie
3.4.3 Phase de collecte et de reconfiguration
3.5 Mécanismes de maintenance et de reconfiguration associés
3.5.1 Principe de base
3.5.2 Gestion de la mobilité
3.5.3 Cohabitation de WBANs différents
3.5.4 Reconfiguration de la topologie
3.6 Adaptation et paramétrage du Standard IEEE 802.15.4
3.7 Conclusion
Conclusion générale
