Soutenance mémoire
Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)
Les progrès récents liés aux nouvelles technologies des systèmes micro-électromécaniques, des communications sans fil et de l’électronique numérique ont permis de donner naissance aux nœuds capteurs sans fil. Ces derniers multifonctionnels, de petite taille, à faible coût de consommation et peu coûteux, se communiquent sur de courtes distances. Les nœuds capteurs sans fil sont constitués de composants de détection, de traitement de données et de communication, ils coopèrent entre eux pour former une infrastructure de communication, dans le but d’accomplir une tâche commune, qui s’appelle Réseaux de Capteurs Sans Fil (‘Wireless Network Sensors’, WSN). Les Réseaux de Capteurs Sans Fil sont des réseaux ad hoc particuliers qui se caractérisent par leur contrainte d’énergie et leur puissance limitées. Ils sont composés d’un grand nombre de nœuds capteurs, qui sont des micro-capteurs capables de recueillir et de transmettre des données d’une manière autonome. La position d’un nœud capteur n’est pas obligatoirement prédéterminée. Les nœuds capteurs sans fil sont déployés de manière aléatoire ou déterministe dans des terrains accessibles ou inaccessibles. Par conséquent, des protocoles de routage et des algorithmes possédant des capacités auto-adaptatives efficaces doivent être utilisés [16]. Avec leur faible coût d’acquisition, nous retrouvons aujourd’hui ce type de réseaux aussi bien dans la surveillance industrielle que dans les données de mesure environnementales [17] [18] : la domotique, la détection d’incendie [19], le milieu médical [20] ainsi que dans le domaine militaire et de transport. Le plus souvent, ces applications sont utilisées pour surveiller une zone et obtenir une réaction quand elles détectent une donnée critique. Un exemple de ces applications critiques est l’utilisation des capteurs sur un patient pour recueillir des informations physiologiques, qui permettent au médecin de mieux connaitre l’état actuel de santé du patient [20] [21]. D’autres exemples existent dans le domaine militaire, comme la surveillance d’une zone de guerre. Les réseaux de capteurs peuvent également être utilisés pour détecter les agents chimiques étrangers dans l’air et l’eau. La Figure 1 représente un exemple de réseau de capteurs, où les nœuds capteurs sont déployés de manière aléatoire dans une zone d’intérêt et une station de base située à l’extrémité de la zone récupère les données collectées. Lorsque les capteurs détectent des événements pertinents, ils envoient un message à la station de base par le biais d’une communication multi-sauts, ses données collectées sont ensuite traitées et analysées par des machines puissantes.
Les Réseaux de Capteurs Sans Fil sont reliés le plus souvent à une ou plusieurs stations de bases. Ces dernières ont pour objectif de récupérer les informations circulant sur le réseau, et de les stocker ou bien de les envoyer directement par une liaison Internet ou GSM. Les stations de bases peuvent être des ordinateurs portables ou des nœuds capteurs avec une puissance plus importante que ceux classiques. Elles peuvent avoir un rôle de contrôleur du réseau, et font souvent le lien entre l’utilisateur et le réseau [23].
Architecture d’un nœud capteur
Unité de détection
Elle est composée de deux sous unités : un dispositif de capture physique qui prélève l’information de l’environnement local et un convertisseur analogique/numérique appelé ADC (‘Analog to Digital Converters’). Les signaux analogiques produits par les capteurs en fonction du phénomène observé sont convertis en signaux numériques par l’ADC, ensuite ils sont transmis à l’unité de traitement.
Unité de traitement
Elle est le noyau (l’unité principale) du capteur sans fil. En général, elle est composée d’un microprocesseur avec une quantité limitée de mémoire. Les données captées sont communiquées au microprocesseur ou sont stockées dans la mémoire. L’unité de traitement gère également les procédures permettant au nœud capteur sans fil de collaborer avec ses voisins pour effectuer des tâches de détection assignées.
Unité de communication
L’unité de communication est composée d’un émetteur/récepteur. Ce dernier permet aux nœuds capteurs de se communiquer entre eux par l’intermédiaire de liaisons radio [26]. Les données reçues par l’unité de détection sont traitées et, éventuellement, transmises par la suite par l’unité de communication qui se charge d’exécuter toutes les émissions et réceptions des données sur un médium sans fil. L’unité de communication est généralement capable d’exécuter des communications bidirectionnelles.
L’unité de communication peut être de type optique ou de type radio fréquence. Les supports optiques sont beaucoup plus robustes vis-à-vis des interférences électriques, mais ils sont limités par des obstacles. En effet, ils exigent une vue directe entre les entités communicantes [26]. La communication par radio fréquence est préférable dans la plupart des projets de recherche sur les réseaux de capteurs, car les paquets véhiculés dans ces réseaux sont de petites tailles et les débits de données sont faibles [28]. Cependant, les communications par radio fréquence nécessitent des circuits de modulation, de démodulation, de bande passante, de filtrage et de multiplexage, ce qui leur rend plus complexes et plus coûteux. La communication mobile (GSM, GPRS, 3G, 4G et 5G) fournie par les opérateurs de télécommunications permet un transfert d’ importante quantité de données sur de très longues distances [29][30]. Cependant, ces réseaux sont très énergivores et sont à réserver à des appareils branchés sur secteur [30].
Unité d’énergie
L’unité d’énergie est un élément clé au sein de l’architecture d’un capteur sans fil, elle fait office de ressources énergétiques et est donc responsable de l’approvisionnement en puissance électrique requise par les autres unités du système. À cet effet, une batterie est généralement utilisée. Souvent dans les environnements sensibles, il est pratiquement impossible de recharger ou de changer une batterie, car les capteurs sans fil disposent d’une quantité d’énergie limitée. C’est pourquoi l’énergie est la ressource la plus précieuse d’un capteur, car elle influe directement sur sa durée de vie.
Il existe des capteurs qui sont dotés d’autres composants additionnels tels qu’un GPS (‘Global Position System’) pour gérer la localisation et un mobilisateur ( ou ‘mobilizer’) pour la mobilité [21]. Le système de localisation fournit des informations sur la localisation requise par l’application et/ou le routage. Le mobilisateur est utilisé pour déplacer le nœud afin d’accomplir la tâche à traiter [27].
Spécificités des RCSF
Les Réseaux de Capteurs Sans Fil sont des réseaux ad hoc spécifiques [21] avec un nombre de nœuds plus importants, une énergie limitée et une puissance de calcul plus faible que les réseaux ad hoc classiques .
Architecture plate et hiérarchique
Dans les architectures plates, chaque nœud joue le même rôle pour la capture et de la transmission de l’information. Par contre, dans les architectures hiérarchiques, les nœuds sont organisés en clusters (groupes). Dans chacun des clusters, un nœud maître (‘cluster-head’) est élu et aura pour mission de récupérer et de transmettre des informations des nœuds membres à la station de base. Le nœud maître peut être sélectionné dynamiquement par divers critères, y compris son énergie disponible ou sa proximité [31].
Les types de communication
Un nœud capteur peut communiquer directement, sans détour, avec la station de base par une communication mono-saut (à un seul saut), ou bien indirectement en faisant passer l’information à ses voisins, par une communication multi-sauts (à sauts multiples) [26] [31].
Dans les architectures plates, les nœuds capteurs peuvent communiquer directement avec la station de base en utilisant une forte puissance, comme l’illustre la Figure 3(a). Cette dernière entraine une consommation d’énergie importante. Ils peuvent faire une communication multisauts à travers un ou plusieurs nœuds intermédiaires, utilisés comme relais (routeurs), avec une puissance d’émission beaucoup plus faible, par exemple la Figure 3(b). Cependant, une communication de courte distance est fortement conseillée. Dans la plupart des réseaux de capteurs, les nœuds sont déployés de manière dense et ses voisins sont proches les uns des autres, permettant ainsi une communication de courte distance [26]. Par contre, dans les architectures hiérarchisées, les communications multi-sauts sont plus fréquentes.
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Table des matières
Chapitre 1 : INTRODUCTION GENERALE
1.1. Contexte
1.2. Objectifs
1.3. Organisation de la thèse
Chapitre 2 : ÉTAT DE L’ART SUR LES RÉSEAUX DE CAPTEURS SANS FIL, L’INTERNET DES OBJETS ET LES SYSTÈMES DE TRANSPORT INTELLIGENTS
2.1. Introduction
2.2. Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)
2.1.1. Architecture d’un nœud capteur
2.1.1.1. Unité de détection
2.1.1.2. Unité de traitement
2.1.1.3. Unité de communication
2.1.1.4. Unité d’énergie
2.1.2. Spécificités des RCSF
2.1.2.1. Architecture plate et hiérarchique
2.1.2.2. Les types de communication
2.1.3. Pile protocolaire des RCSF
2.1.3.1. Rôle des couches
2.1.3.2. Plans de gestion
2.1.4. Protocoles de transmission dans les RCSF
2.1.5. Domaines d’application des RCSF
2.1.5.1. Domaine militaire
2.1.5.2. Domaine environnemental
2.1.5.3. Domaine sécuritaire
2.1.5.4. Domaine médical
2.3. Internet des Objets (IdO)
2.3.1. Composants d’un système d’IdO
2.3.2. Architecture en couche dans l’IdO
2.3.3. Technologies prises en charge par l’IdO
2.3.3.1 Plateformes matérielles
2.3.3.2 Plateformes logicielles
2.3.4. Normes de communication sans fil
2.3.4.1. WiFi – 802.11
2.3.4.2. WiMax – 802.16
2.3.4.3. LR-WPAN – 802.15.4
2.3.4.4. Communication mobile – 2G/3G/4G
2.3.4.5. BlueTooth – 802.15.1
2.3.4.6. LoRa – LoRaWAN R1.0
2.3.4.7. Autres technologies de communication
2.3.4.8. Technologies LPWAN
2.3.5. Applications dans l’IdO
2.4. Systèmes de Transport Intelligents (STI)
2.4.1. Objectifs
2.4.2. Etude des systèmes de suivi basés sur GPS
2.5. Problématique liée à la thèse
2.6. Calcul de la distance parcourue par micro segmentation
2.7. Internet et téléphone mobile
2.8. Conclusion
Chapitre 3 : LOCALISATION GÉOGRAPHIQUE DES BUS BASÉE SUR LA MICRO SEGMENTATION ET LA NOTIFICATION PAR SMS
3.1 Introduction
3.2 Approches de géolocalisation
3.2.1. Estimation de la distance géographique
3.2.1.1. La micro segmentation
3.2.1.2. Les points de repère ‘Landmark’
3.2.1.3. La zone de confiance
3.2.2. Approche de géolocalisation basée sur un point de repère (‘Landmark-Based’)
3.2.3. Approche de géolocalisation basée sur un polygone (‘Polygon-Based’)
3.3 Composants de l’architecture du système de suivi de bus
3.1.1 Système d’Acquisition de Données (SAD)
3.1.2 Architecture du système de suivi de bus
3.4 Évaluation du système DDDT
3.4.1. Paramètres expérimentaux
3.4.2. Résultats expérimentaux
3.4.3. Coût des tests
3.5 Résumé
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : «DDDT» : LOCALISATION GÉOGRAPHIQUE DES BUS BASÉE SUR LE WEB-MAPPING
4.1. Introduction
4.2. Composants de l’architecture DDDT basée sur le Web-mapping
4.2.1. Algorithme de transmission du SAD
4.2.2. Architecture du système DDDT
4.3. Evaluation de l’application DDDT
4.3.1. Paramètres expérimentaux
4.3.2. Résultats des tests
4.4. Résumé
4.5. Conclusion
Chapitre 5 : GESTION DE LA MOBILITÉ ET DE LA FLOTTE BASÉE SUR L’INTERNET MOBILE ET LES APPLICATIONS ANDROID
5.1. Introduction
5.2. Composants de l’architecture du système
5.3. Conception des composants du système
5.3.1 Kit du Module Bus basé sur Smartphone (KMB-S)
5.3.2 Module de Gestion de la Flotte DDD (MGF-DDD)
5.3.3 Module mobile de suivi de bus
5.4. Réalisation des composants du système
5.4.1. Le tableau de bord de gestion de la flotte DDD
5.4.2. Les applications mobiles
5.5. Résultats
5.5.1. Données collectées par le système
5.5.2. Application mobile du kit module bus
5.5.3. Application mobile des passagers
5.5.4. Application Web-mapping des passagers
5.5.5. Application de Gestion de la Flotte DDD (AGF-DDD)
5.6. Résumé
5.7. Conclusion
Chapitre 6 : CONCLUSION
