Les réseaux de capteurs sans fil, présentation et applications

Les réseaux de capteurs sans fil, présentation et applications

Définition des réseaux de capteurs sans fil

Un réseau de capteur sans fil (en anglais WSN : wireless sensor network) est un ensemble (de centaines voire des milliers) de petits dispositifs dits noeuds capteurs (mote en anglais). Ils se déploient généralement d’une façon aléatoire par voie aérienne à l’aide d’un avions ou d’un hélicoptère dans un champ de déploiement, afin de collecter des données – scalaires ou multimédia – et les transmettre à l’aide d’autres noeuds capteurs appelés noeuds relais (Relay node en anglais) pour atteindre la station de base ou puits (Sink ou base station en anglais) [3, 6]. La durée de vie d’un RCSF est un grand challenge qui dépend du paramètre jouant un rôle très important dans le fonctionnement de ce réseau, à savoir l’économie d’énergie. Les noeuds capteurs sont alimentés par des batteries, ce qui nécessite une gestion sérieuse de cette ressource face aux protocoles qui exécutent des algorithmes d’auto organisation (qui engendrent beaucoup de trafic pour détecter le voisinage et le traçage des chemins) d’une part, et aussi à l’effort fourni par les noeuds capteurs afin de communiquer l’information dans les conditions les plus extrêmes dictées par l’environnement (comme la perte des noeuds – feu ou eau ou épuisement de la réserve énergétique – ). Le schéma général montrant la structure d’un RSCF est donné par la figure 2.1. Dans ce schéma nous trouvons l’ensemble des noeuds capteurs qui forment une zone de couverture et de monitoring (présenté sous forme d’un nuage). Ces noeuds communiquent l’information capturée au noeud collecteur (ou station de base), qui à son tour transmet cette information via le réseau de transport (satellite, internet, GSM – 3 G ou 4 G –) vers un Cloud ou directement vers l’utilisateur final chargé de la supervision..

Les RCMSF Un RCMSF (pour Réseau de Capteurs Multimédia Sans Fil) est un réseau ad hoc, formé d’un ensemble de noeuds capteurs autonomes dotés chacun d’une petite caméra, communiquant entre eux sans liaison filaire et sans l’utilisation d’une infrastructure établie ni d’une gestion de réseau centralisée. Le but d’un capteur est le plus souvent de surveiller une zone se trouvant dans son champ visuel, de prendre régulièrement des images, de les compresser (selon l’application), et de les relayer vers une station de base, à travers ses capteurs voisins qui se trouvent dans sa portée radio. Le même schéma de la figure 2.1 est considéré dans cette définition à la différence dans les capteurs qui sont des noeuds dotés d’une caméra. En général, les noeuds sont supposés être limités en ressources, à savoir, en énergie, en mémoire et en capacité de traitement, contrairement à la station de base qui possède toutes ses capacités pour manipuler et gérer les flux multimédias.

D’autre part, une autre architecture type des RCMSF proposée par I. F. Akyildiz et al. [18] est illustrée par la figure 2.4, où trois réseaux de capteurs (a, b, c) avec des différentes caractéristiques sont montrés, éventuellement déployés dans différents emplacements. Le premier réseau (a) est un réseau à un seul niveau de capteurs vidéo homogènes. Quelques noeuds capteurs multimédias déployés possèdent des capacités de traitement très élevées et sont donc appelés des concentrateurs de traitement (hub). L’union de ces hubs constitue une architecture de traitement distribuée. Le flux multimédia collecté est relayé en mode multi-sauts vers une passerelle sans fil interconnectée à un concentrateur de stockage, qui est chargé de stocker le contenu multimédia localement pour une récupération future. Il est clair que des architectures plus complexes pour le stockage distribué peuvent être mises en oeuvre lorsque l’environnement et les besoins de l’application le permettent, ce qui peut entraîner des économies d’énergie puisqu’en stockant localement le contenu multimédia qui n’a pas besoin d’être retransmit vers des emplacements distants en mode sans fil. La passerelle sans fil est connectée aussi à une station de base (Sink), qui implémente l’interface logicielle pour l’interrogation et l’attribution de tâches du réseau.

Le deuxième réseau (b) représente une architecture en cluster à plusieurs niveaux de capteurs hétérogènes (dans la figure 2.4 un seul cluster est représenté). Les capteurs vidéo, audio et scalaires relaient les données vers un cluster-chef centrales, qui est également chargé d’effectuer un traitement multimédia intensif sur les données (concentrateur de traitement). Le cluster-chef relaie les données collectées vers la passerelle sans fil et vers le concentrateur de stockage. Le dernier réseau (c) représente un réseau à plusieurs niveaux avec des capteurs hétérogènes. Chaque niveau est chargé d’un sous-ensemble des fonctionnalités. Les capteurs scalaires de faible puissance et à ressources limitées sont chargés d’effectuer des tâches plus simples, telles que la capture de mesures physiques scalaires, tandis que les dispositifs riches en ressources et à haute puissance sont responsables d’assurer des tâches plus complexes. Le traitement et le stockage des données peuvent être effectués de manière distribuée dans chaque niveau.

Noeud capteur multimédia

Dans cette section, nous examinons et classifions les noeuds capteurs multimédias qui apparaissent dans une application de RCMSF. En particulier, nous discutons le matériel existant, avec un accent particulier sur les dispositifs de capture vidéo, passons en revue les implémentations existantes des réseaux de capteurs multimédias, et discutons des possibilités actuelles pour la récupération d’énergie pour les noeuds capteurs multimédias. Des caméras à zoom panoramique de haute gamme et des caméras numériques à haute résolution sont largement disponibles sur le marché. Cependant, alors que ces appareils sophistiqués peuvent être utilisés en tant que réseaux de capteurs multimédias de haute qualité, néanmoins les ressources limitées dont disposent les noeuds capteurs « sans fil » en tant que capacité mémoire, traitement et énergie n’autorisent en effet que les modules caméras dont les caractéristiques sont compatibles à ceux qu’on a présenté plus haut dans le tableau 2.1. Pour cela, nous nous concentrons sur des dispositifs d’imagerie et de traitement à faible coût et à faible consommation d’énergie qui fourniront des informations visuelles détaillées à partir de plusieurs points de vue, et assureront donc une meilleure interaction avec l’environnement. Plusieurs études [21, 22] ont présenté quelques plateformes de carte de capture multimédia (noeuds multimédias ou capteurs d’image) existantes dans la littérature. Ces plateformes sont destinées principalement à être intégrées dans les téléphones portables, les ordinateurs portables, et les PDA. Deux catégories de ces plateformes peuvent exister, la première présente des caméras qui sont basées principalement sur des composants commerciaux, et la deuxième catégorie conçue spécialement pour les RCSF.

Table des matières

Introduction
Chapitre I : Introduction générale
I.1. Problématiques et motivations
I.2. Objectifs
I.3. Contributions
I.4. Structure de la thèse et description des chapitres
Chapitre II : Les réseaux de capteurs sans fil, présentation et applications
II.1. Introduction
II.2. Définition des réseaux de capteurs sans fil
II.3. Les noeuds capteurs sans fil
II.3.1. L’unité d’acquisition (ou de capture)
II.3.2. L’unité de traitement
II.3.3. L’unité de communication
II.3.4. Le module d’énergie ou batterie
II.3.5. L’unité de géolocalisation
II.3.6. L’unité de Mobilité
II.4. Défis de recherche
II.4.1. Niveau matériel
II.4.2. Niveau physique
II.4.3. Niveau MAC
II.4.4. Niveau Routage
II.4.5. Niveau Transport
II.4.6. Niveau Application
II.5. Les RCMSF
II.5.1. Capteur vidéo
II.5.2. Noeud capteur multimédia
II.5.3. Caméras basées sur des composants commerciaux
II.5.3.1. MeshEye
II.5.3.2. Cyclops
II.5.3.3. CMUcam
II.5.3.4. IMote
II.5.3.5. Stargate
II.5.4. Cameras conçues spécifiquement pour RCSF
II.6. Caractéristiques et contraintes d’un RCMSF
II.6.1. Consommation et efficacité énergétique
II.6.2. Bande passante
II.6.3. Scalabilité
II.6.4. Tolérance aux pannes
II.6.5. Sécurité
II.6.5.1. Gestion efficace de la Qualité d’Expérience (QoE) et de la Qualité de Service (QoS)
II.6.5.2. La confidentialité
II.6.5.3. Authentification et localisation d’un noeud
II.6.6. Développement de la plateforme
II.6.7. Couverture
II.6.8. Qualité des images capturées
II.7. Systèmes d’exploitation
II.7.1. TinyOS
II.7.2. Contiki OS
II.7.3. SOS
II.7.4. FreeRTOS
II.7.5. Mantis OS
II.7.6. Nut/OS
II.7.7. Nano-RK
II.8. Méthodes d’évaluation des performances
II.8.1. La méthode analytique
II.8.2. La simulation
II.8.3. L’émulation
II.8.4. Banc d’essai
II.9. Applications des RCMSF
II.9.1. La sécurité militaire
II.9.2. La protection des sites sensibles
II.9.3. Le pilotage intelligent
II.9.4. La surveillance environnementale
II.9.5. Surveillance et suivie médicale
II.9.6. Applications publiques
II.10. Conclusion
CHAPITRE III : Les feux de forêt et les méthodes de détection
III.1. Introduction
III.2. Une forêt, un feu, un incendie de forêt
III.3. Évolution des systèmes forestiers pour la détection d’incendie
III.4. Les RCSF et la détection des incendies de forêt
III.4.1. Contributions théoriques
III.4.2. Contributions expérimentales
III.4.3. Contributions basées sur la simulation
III.4.4. Synthèse et choix de la méthode adéquate
III.5. Le système de détection canadien
III.5.1. Indice du combustible léger (ICL
III.5.2. Indice d’humidité de l’humus (IH)
III.5.3. Indice de sécheresse (IS)
III.5.4. Indice de propagation initiale (IPI)
III.5.5. Indice du combustible disponible (ICD)
III.5.6. Indice forêt météo (IFM)
III.6. Le système de détection canadien adapté au contexte local
III.6.1. Algorithme de détection canadien
III.6.2. Autres systèmes de détection des feux de forêt
III.7. Conclusion
CHAPITRE IV – Contribution1 : Conception, implémentation et évaluation du système M2FS (Multimedia Forest Fire System)
IV.1. Introduction
IV.2. Approche de détection des feux de forêt adoptée
IV.3. Conception du système multimodal M2FS
IV.4. Implémentation du système multimodal M2FS
IV.4.1. Module de capture
IV.4.2. Module de transmission
IV.4.2.1. Les relais
IV.4.2.2. Le collecteur
IV.4.2.3. La passerelle
IV.4.3. Module d’analyse et de sauvegarde
IV.4.4. Un noeud capteur scalaire
IV.4.4.1. Les capteurs Dht11/Dht22
IV.4.4.2. La carte Arduino
IV.4.4.3. Le module radio Xbee et le Shield Xbee
IV.4.5. Un noeud capteur multimédia
IV.4.5.1. Noeuds indépendants
IV.4.5.2. Noeud unique « Deux en un »
IV.4.5.3. La caméra OV2640
IV.4.5.4. Le Shield Arducam
IV.4.4.5. Xbee explorer
IV.4.6. La station de base
IV.5. Résultats et discussion
IV.5.1. Contrainte temporelle
IV.5.1.1. Temps de détection
IV.5.1.2. Temps d’envoi
IV.5.2. Consommation d’énergie
IV.5.3. Réception des données capturées
IV.6. Conclusion
CHAPITRE V – Contribution2 : Compression des données pour l’économie d’énergie dans le système M2FS
V.1. Introduction
V.2. Compression de données
V.2.1. Notions générales
V.2.2. Typesde compression
V.2.3. La compression dans les RCSF
V.2.4. Caractéristiques de la compression de données
V.2.4.1. Perte de données
V.2.4.2. Symétriques et Asymétrique
V.2.4.3. Adaptatifs et non adaptatif
V.3. L’agrégation de données
V.3.1. Notions générales
V.3.2. Schémas d’agrégation de données
V.3.3. État de l’art
V.4. La corrélation de données
V.5. Solutions adoptées pour la compression de données dans M2FS
V.5.1. TiNA
V.5.2. L’approximation polynomiale comme technique de compression dans les RCSF
V.5.2.1. Notions de base
V.5.2.2. Algorithmes de compression
V.5.2.3. Modélisation de la technique d’approximation
V.6. Résultats et discussion
V.6.1. Contrainte temporelle
V.6.2. Taux de compression
V.6.2.1. APFF
V.6.2.2. TiNA
V.6.2.3. Discussion
V.6.2.4. Restitution de données
V.6.2.5. Compression multimédia
V.6.3. Contrainte énergétique
V.7. Conclusion
Conclusion générale & perspectives
Annexe A : Code sources et programmes
Introduction
Programme de M2FS
Programme de compression pour M2FS
Bibliographie

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