Généralités sur les réseaux de capteurs

Les progrès récents dans la technologie des systèmes micro-électromécaniques (Micro Electro-Mechanical Systems MEMS), les communications sans fil, et l’électronique numérique ont permis le développement de petits dispositifs peu coûteux, de faible puissance, et qui peuvent communiquer entre eux, appelés capteurs. Ces dispositifs intègrent une unité d’acquisition de données environnementales (température, humidité, vibrations, luminosité, …) pouvant être transformés en grandeurs numériques, une unité de traitement permettant d’agréger les données collectées, une unité de stockage, un module de transmission radio, et une source d’alimentation (batterie). Ils coopèrent entre eux pour former une infrastructure de communication appelée réseau de capteurs.

Les réseaux de capteurs se composent généralement d’un grand nombre de capteurs communicants entre eux via des liens radio pour le partage d’information et le traitement coopératif. Dans ce type de réseau, les capteurs échangent des informations par exemple sur l’environnement pour construire une vue globale de la région contrôlée, qui est rendue accessible à l’utilisateur externe par un ou plusieurs nœud(s). Les données collectées par ces capteurs sont acheminées directement ou via les autres capteurs de proche en proche à un « point de collecte », appelé station de base (ou SINK s’il s’agit d’un nœud). Cette dernière peut être connectée à une machine puissante via internet ou par satellite. En outre, l’utilisateur peut adresser ses requêtes aux capteurs en précisant l’information d’intérêt.

Réseau de capteurs sans fils 

Depuis quelques décennies, le besoin d’observer et de contrôler des environnements hostiles est devenu essentiel pour de nombreuses applications militaires et scientifiques. Les nœuds utilisés doivent être autonomes, d’une taille miniature et peuvent être déployés d’une manière dense et aléatoire dans le champ surveillé. Une classe spéciale des réseaux Ad Hoc appelée réseaux de capteurs sans fil vient au secours. Ceux-ci sont apparus grâce aux développements technologiques tels que la miniaturisation des composants électronique, la diminution des coûts de fabrication et l’augmentation des performances et des capacités de stockage, d’énergie et de calcul. [1]

Définitions

Un capteur :
Un capteur est un mini-composant, qui permet d’acquérir des données sur son environnement, les traiter et les communiquer. Son intégration est une tâche difficile à réaliser en tenant compte de certaines contraintes : l’espace mémoire, la consommation énergétique, etc. [2]

Un réseau de capteur :
Un réseau de capteur sans fil (RCSF ou WSN: Wireless Sensor Network) est un ensemble de nœuds capteurs dont le nombre varie de quelques dizaines d’éléments à plusieurs milliers voire des millions. Les capteurs ne sont pas intégrés à une quelconque architecture de communication préexistante, mais ils communiquent à l’aide d’un réseau Ad Hoc sans fil. L’alimentation électrique de chaque capteur est assurée par une batterie individuelle dont la consommation pour la communication et le calcul lié au traitement de l’information doivent être optimisés. Le déploiement des nœuds est soit aléatoire (avion, missile) ou déterministe (manuelle, robots). Le déploiement aléatoire rend difficile la détermination des nœuds voisins. Par contre, le déploiement déterministe deviendra difficile si le nombre de nœuds est très élevé.

Le déploiement des nœuds est aussi dense, mais, il serait impossible pour plusieurs utilisateurs si la mise en place du réseau en entier se révélait très coûteuse. C’est pourquoi des recherches visent à concevoir des nœuds à prix bas (<0.5 dollars) tout en intégrant plusieurs composants sur la même interface (capteur, mémoire, processeur, etc.). [1]

Architecture physique d’un capteur 

Unité de capture
L’unité de capture est composée d’un capteur qui va obtenir des mesures numériques sur les paramètres environnementaux et d’un convertisseur Analogique/Numérique qui va convertir l’information relevée et la transmettre à l’unité de traitement.

Unité de traitement
L’unité de traitement est composée de deux interfaces, une interface avec l’unité de capture et une interface avec l’unité de transmission. Cette unité est également composée d’un processeur et d’un système d’exploitation spécifique. Elle acquiert les informations en provenance de l’unité de capture et les envoie à l’unité de transmission.

Unité de communication
L’unité de transmission est responsable de toutes les émissions de réceptions de données via un support de communication radio.

Unité d’énergie
Un micro-capteur est muni d’une ressource énergétique (généralement une batterie) pour alimenter tous ses composants. Cependant, en conséquence de sa taille réduite, la ressource énergétique dont il dispose est limitée et généralement irremplaçable. Dès lors, L’énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs, puisqu’elle influe directement sur la durée de vie des micro-capteurs et du réseau en entier. L’unité de contrôle d’énergie constitue donc l’un des systèmes les plus importants. Il se peut que le capteur contienne des composant additionnels, et ce, selon son domaine d’application. [4]

Caractéristiques principales d’un capteur 

Deux entités sont fondamentales dans le fonctionnement d’un capteur : l’unité de capture qui est le cœur physique permettant la prise de mesure et l’unité de communication qui réalise la transmission de celle-ci vers d’autres dispositifs électroniques. Ainsi, fonctionnellement chaque capteur possède un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation (Rs).

Caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil 

Un réseau de capteurs présente les caractéristiques suivantes:

• Absence d’infrastructure : les réseaux Ad-hoc en général, et les réseaux de capteurs en particulier se distinguent des autres réseaux par la propriété d’absence d’infrastructure préexistante et de tout genre d’administration centralisée.
• Taille importante : un réseau de capteurs peut contenir des milliers de nœuds.
• Interférences : les liens radio ne sont pas isolés, deux transmissions simultanées sur une même fréquence, ou utilisant des fréquences proches, peuvent interférer.
• Topologie dynamique : les capteurs peuvent être attachés à des objets mobiles qui se déplacent d’une façon libre et arbitraire rendant ainsi la topologie du réseau fréquemment changeante.
• Sécurité physique limitée : les réseaux de capteurs sans fil sont plus touchés par le paramètre de sécurité que les réseaux filaires classiques. Cela se justifie par les contraintes et limitations physiques qui font que le contrôle des données transférées doit être minimisé.
• Bande passante limitée : une des caractéristiques primordiales des réseaux basés sur la communication sans fil est l’utilisation d’un médium de communication partagé. Ce partage fait que la bande passante réservée à un nœud est limitée.
• Contrainte d’énergie, de stockage et de calcul : la caractéristique la plus critique dans les réseaux de capteurs est la modestie de ses ressources énergétiques car chaque capteur du réseau possède de faibles ressources en termes d’énergie (batterie). Afin de prolonger la durée de vie du réseau, une minimisation des dépenses énergétiques est exigée chez chaque nœud. Ainsi, la capacité de stockage et la puissance de calcul sont limitées dans un capteur.