Etat de l’art sur les réseaux de capteurs sans fil

Les récentes avancées technologiques dans le domaine des communications sans fil ont permis le développement à faible coût de minuscules systèmes micro-électromécaniques (MEMS), appelés capteurs, capables de détecter, mesurer et rapporter des données physiques liées à leur environnement. Ces capteurs sont caractérisés par de faibles ressources (énergie, capacité de calcul, mémoire, etc.) et de faible consommation énergétique. Ils ont trois fonctions principales : la capture de données reliées à leur environnement physique (température, pression, vibration, lumière, mouvement, etc.) ; le traitement des données collectées, et la transmission de ces données à un centre de traitement nommé « sink ». Selon leur structure électronique, ils peuvent détecter des signaux mécaniques, acoustiques, électriques, photoniques, électromagnétiques, vibratoires, etc. Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) sont des réseaux sans infrastructure, généralement destinés à être déployés en grand nombre, pour couvrir des surfaces plus ou moins larges. Leurs applications potentielles diversifiées, dans les domaines militaire, industriel et domestique, sont la source de l’intérêt qu’ils suscitent, aussi bien dans la communauté scientifique qu’industrielle.

Par conséquent, les possibilités en termes d’application sont très vastes. Elles s’étendent du domaine médical au domaine militaire, en passant par celui du bâtiment et du contrôle industriel. Néanmoins, il est impossible à l’heure actuelle de concevoir un réseau de capteurs générique qui soit capable de répondre à toutes les exigences de toutes les applications de manière efficace. En effet, les contraintes de conception (alimentation électrique, niveau de précision, coût unitaire par nœud, dimensions d’un noeud …) sont la plupart du temps fonction de l’application visée. Pour cette raison, les solutions envisagées pour répondre aux exigences de l’application sont conditionnées par ces contraintes. Elles peuvent donc être plus ou moins efficaces selon l’application.

Evolution des RCSFs

Les nouveaux systèmes d’acquisition basés sur des réseaux de capteurs sans fil sont le fruit du développement conjoint des technologies sans fil de ces dernières années et de la miniaturisation des architectures électroniques. Avant cette évolution, l’acheminement des informations relevées par un capteur était réalisé via un support de transmission filaire, encombrant et coûteux, et son installation devait justifier de perspectives de profits économiques importants. A présent, chaque capteur également appelé nœud est doté d’un circuit radio lui permettant de transmettre et de recevoir des informations via un médium sans fil.

Un réseau est un ensemble de terminaux interconnectés par un moyen de communication. Selon leur méthode de constitution et d’administration on distingue les réseaux statiques, les réseaux ad hoc et les MANets (Mobile Ad hoc Networks)  .

Les réseaux statiques sont des réseaux qui ont vocation à être utilisés par des groupes humains dont la composition est connue à l’avance et évolue relativement peu rapidement, comme par exemple les collaborateurs d’une entreprise ou les membres d’un laboratoire de recherche. Ces réseaux, le plus souvent filaires, sont mis en œuvre grâce à du matériel permettant de créer une infrastructure, comme des commutateurs, des routeurs ou dans certains cas des points d’accès sans fil.

Les réseaux ad hoc sont des réseaux souvent temporaires constitués le plus souvent lors d’un rassemblement, par exemple une conférence. Ils utilisent la plupart du temps une infrastructure proche de celle fournie par un réseau statique et à laquelle les terminaux accèdent via des points d’accès sans fil. Ils peuvent aussi se former, et c’est en cela qu’ils se différencient, sans aucune infrastructure, en utilisant uniquement des connexions reliant les terminaux entre eux.

Les MANets sont le type de réseau le plus instable. Ils ne comportent pas d’infrastructure et les terminaux peuvent apparaître ou disparaître à tout moment suivant leurs capacités à communiquer ou leurs intérêts applicatifs ; ces changements peuvent donc être choisis ou subis. Par exemple, un réseau MANet peut-être constitué par les personnes à l’intérieur d’un commerce à un instant donné. Les terminaux utilisés sont très hétérogènes : ordinateurs portables, assistants personnels, téléphones ou même capteurs [2].

Les réseaux mobiles ad-hoc peuvent être caractérisés par:
• Une topologie dynamique due principalement à la mobilité des nœuds, aux changements dans l’environnement radio,
• Une bande passante limitée qui influe considérablement sur le volume des informations échangées,
• Un taux d’erreur élevé du à l’utilisation d’un environnement radio.
• Éventuellement des contraintes énergétiques fortes dues aux alimentations embarquées dans les matériels, souvent petites.

Architectures de RCSF

Un nœud capteur est composé de plusieurs éléments ou modules correspondant chacun à une tâche particulière d’acquisition, de traitement, ou de transmission de données. Il comprend également une source d’énergie.

• Unité d’acquisition des données : le principe de fonctionnement des détecteurs est souvent le même ; il s’agit de répondre à une variation des conditions d’environnement par une variation de certaines caractéristiques électriques (par exemple pour une thermistance, une variation de température entraîne une variation de la résistance). Les variations de tension sont ensuite converties par un convertisseur Analogique-Numérique afin de pouvoir être traitées par l’unité de traitement. On trouve aussi des structures plus complexes pour détecter d’autres phénomènes, les MEMS (pour Microelectromechanical system), qui sont utilisés pour une grande variété de phénomènes physiques (accélération, concentration chimique…).

• Unité de traitement des données : les microcontrôleurs utilisés dans le cadre de réseaux de capteurs sont à faible consommation d’énergie. Leurs fréquences sont assez faibles, moins de 10 MHz pour une consommation de l’ordre de 1 mW. Une autre caractéristique est la taille de leur mémoire qui est de l’ordre de 10 Ko de RAM pour les données et de 10 Ko de ROM pour les programmes. Cette mémoire consomme la majeure partie de l’énergie allouée au microcontrôleur, c’est pourquoi on lui adjoint souvent de la mémoire flash moins coûteuse en énergie. Outre le traitement des données, le microcontrôleur commande également toutes les autres unités notamment le système de transmission.

• Unité de transmission de données : les composants utilisés pour réaliser la transmission sont des composants classiques. Ainsi on retrouve les mêmes problèmes que dans tous les réseaux sans-fil : la quantité d’énergie nécessaire à la transmission augmente avec la distance. Pour les réseaux sans-fil classiques (LAN, GSM) la consommation d’énergie est de l’ordre de plusieurs centaines de milliwatts, et on se repose sur une infrastructure alors que pour les réseaux de capteurs, le système de transmission consomme environ 20 mW et possède une portée de quelques dizaines de mètres. Pour augmenter ces distances tout en préservant l’énergie, le réseau utilise un routage multi-sauts.

• Source d’énergie : pour des réseaux de capteurs sans fil autonomes, l’alimentation est une composante cruciale. Il y a essentiellement deux aspects : premièrement, stocker l’énergie et la fournir sous la forme requise ; deuxièmement, tenter de reconstituer l’énergie consommée par un réapprovisionnement grâce à une source externe au nœud-capteur telles les cellules solaires. Le stockage de l’énergie se fait traditionnellement en utilisant ses piles, à titre indicatif, ce sera souvent une pile AA normale d’environ 2.2-2.5 Ah fonctionnant à 1.5 V.