Architecture matérielle d’un nœud-capteur
Le nœud-capteur sans fil constitue l’élément central d’un réseau de capteurs sans fil. C’est à travers ce dernier que l’acquisition, le traitement et la communication de données ont lieu. Le nœud-capteur comprend : les unités d’acquisition, de traitement, de communication et d’alimentation .
Unité d’acquisition : L’unité d’acquisition intègre un ou plusieurs capteurs physiques et fournit un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique (CAN). Elle agit en tant qu’interface entre l’environnement physique et le monde virtuel, c’est-à-dire en collectant des données de l’environnement et en les convertissant de signaux analogiques en signaux numériques. Avec l’avènement de microsystèmes électromécaniques – micro electro-mechanical systems – (MEMS), l’acquisition de phénomènes physiques est devenue un processus omniprésent. De nos jours, il y’a une pléthore de capteurs qui mesurent et quantifient des grandeurs physiques à des prix bon marché.
Unité de traitement : L’unité de traitement est l’élément central du nœud-capteur. Elle commande tous les autres unités, notamment l’unité d’acquisition (relevé de mesure) et l’unité de communication (envoie et réception de données). Elle se compose d’un processeur, d’une mémoire non volatile (généralement une mémoire flash interne) pour stocker les instructions de programme, d’une mémoire vive pour stocker temporairement les données détectées et d’une horloge interne. Unité de communication : Cette unité est le responsable de toutes les émissions et réceptions de données via un support de communication radio. Elle facilite les conversations entre les sous-composants du nœud-capteur ainsi que les interactions nœud à nœud.
L’unité de communication est l’unité la plus gourmande en énergie et sa consommation doit être régulée .
Unité d’alimentation : Cette unité fournit de l’énergie pour tous les composants du nœud-capteur. Typiquement, il s’agit d’une batterie. Les nœud-capteurs étant de petites tailles, les batteries sont aussi petites et donc les ressources énergétiques sont limitées. Quand la batterie du nœud arrive à épuisement, il faut la remplacer sinon le nœud-capteur cesse de fonctionner.
Malheureusement, le remplacement des batteries est difficile voire impossible. La durée de vie du nœud-capteur est donc limitée à la durée de vie de sa batterie.
Les nœuds-capteurs peuvent également être dotés par d’autres modules additionnels comme : un Système de géolocalisation afin d’identifier la position géographique (un récepteur GPS par exemple), un Mobilisateur qui permet la possibilité aux nœuds de se déplacer à l’intérieur de la zone d’intérêt, et finalement, il est nécessaire qu’un nœud soit maintenu en activité pendant une très longue période de temps, un Générateur de puissance, tel que des cellules solaires, serait utile afin de garder le nœud alimenté électriquement sans avoir à changer ses batteries.
Architecture protocolaire
Une pile protocolaire pour les réseaux de capteurs sans fil doit prendre en charge leurs caractéristiques et singularités typiques. Selon [Akyildiz 2002], la pile protocolaire du réseau de capteurs ressemble beaucoup à la pile protocolaire traditionnelle du modèle OSI, avec les couches suivantes: application, transport, réseau, liaison de données et physique. La couche physique est responsable de la sélection de la fréquence, de la génération de la fréquence porteuse, de la détection du signal, de la modulation et du cryptage des données. La couche liaison de données est responsable du multiplexage des flux de données, de la détection de trame de données, de l’accès au support et du contrôle des erreurs. Elle garantit des connexions fiables point à point et point à multipoint dans un réseau de communication. La couche réseau s’occupe de l’acheminement des données fournies par la couche de transport.
La conception de la couche réseau dans les réseaux de capteurs doit prendre en compte l’efficacité énergétique, la communication centrée sur les données, l’agrégation de données,…etc. La couche de transport aide à maintenir le flux de données et elle peut être importante si un accès aux réseaux de capteurs est prévu via internet ou d’autres réseaux externes. En fonction des tâches d’acquisition, différents types de logiciels d’application peuvent être mis en place et utilisés sur la couche application.
Contraintes de conception des réseaux de capteurs
La conception et le développement des réseaux de capteurs sont influencées par de nombreux facteurs, notamment la tolérance aux pannes; passage à l’échelle; coûts de production; environnement d’exploitation; topologie de réseau; contraintes matérielles; support de transmission; et consommation d’énergie .
Tolérance aux pannes : La tolérance aux pannes est la capacité de maintenir les fonctionnalités du réseau de capteurs sans aucune interruption due à des défaillances de nœuds-capteurs. Dans un réseau de capteur sans fil, certains nœuds-capteurs peuvent tomber en panne ou être bloqués en raison d’un manque d’alimentation, de dommages physiques ou d’interférences environnementales. La défaillance des nœuds-capteurs ne doit pas affecter la tâche globale du réseau.
Passage à l’échelle : Bien que le déploiement à haute densité des nœuds-capteurs dans les RCSFs fournit une redondance et améliore la tolérance aux pannes du réseau, cela crée également des défis du passage à l’échelle. Le nombre de nœuds-capteurs déployés dans une zone d’intérêt pour étudier un phénomène particulier peut être de l’ordre de centaines ou de milliers. Selon l’application, ce nombre peut également atteindre une valeur extrême de millions. Par conséquent, les protocoles de réseautage développés pour ces réseaux devraient pouvoir manipuler efficacement ce grand nombre de nœuds.
Coût de fabrication : Étant donné que les réseaux de capteurs comprennent un grand nombre de nœuds, le coût d’un seul nœud est très important pour justifier le coût global des réseaux. Si le coût du réseau est plus élevé que le déploiement de capteurs traditionnels, l’utilisation de cette technologie n’est plus justifiée, et elle ne serait pas rentable. En conséquence, le coût de chaque nœud-capteur doit être maintenu bas autant que possible. Le coût d’un nœud-capteur doit être nettement inférieur à 1 $ pour que le réseau de capteurs soit réalisable .
Environnement d’exploitation : Les nœuds-capteurs sont déployés de manière très dense dans des zones géographiques éloignées, au fond d’un océan, sur un champ de bataille au-delà des lignes ennemies, attaché à des animaux, …etc. Par conséquent, ils doivent pouvoir fonctionner sans surveillance dans des conditions qui peuvent être hostiles à l’homme.
Topologie de réseau : La topologie des réseaux de capteurs est dynamique, elle peut être changée au cours du temps à cause de plusieurs raisons : défaillance de certains nœuds en raison d’un endommagement physique ou l’épuisement de l’énergie, changements de la position des nœuds dus à leur mobilité (attaché à un objet mobile par exemple) ou dus à des facteurs externes (vents,…etc.), l’ajout de nouveaux capteurs au réseau implique aussi une remise à jour de la topologie. Ainsi, les nœuds-capteurs doivent être capables d’adapter leur fonctionnement aux différents changements dans le réseau afin de maintenir la topologie souhaitée.
Contraintes matérielles : Chaque nœud-capteur est composé de quatre unités de base : unité de détection, unité de traitement, un émetteur-récepteur radio et une unité d’alimentation. Eventuellement, le nœud-capteur peut également avoir des composants supplémentaires dépendants de l’application tels qu’un système de localisation, un générateur de puissance et un mobilisateur. Cependant, chaque composant supplémentaire vient avec un coût supplémentaire et augmente la taille physique du nœud ainsi que la consommation d’énergie. Ainsi, un composant supplémentaire doit être toujours en balance avec le coût et les exigences de faible puissance. Support de transmission : Dans un réseau de capteurs multi-sauts, les nœuds communicants sont reliés par un support sans fil. Ces liens peuvent être formés par des supports radio, infrarouges ou optiques.
Les liaisons radio consistent à utiliser les bandes ISM (industriel scientific and medical), qui offrent une communication sans-licence (license-free) dans la plupart des pays.
Un autre mode de transmission possible pour la communication inter-nœuds dans les réseaux de capteurs est l’infrarouge, qui a l’avantage d’être sans-licence, robuste aux interférences, et peu onéreux. Le Bluetooth et les communications radio ZigBee sont également utilisées. Pour permettre le fonctionnement global de ces réseaux dans le monde entier, le support de transmission choisi doit être normé.
Consommation d’énergie : Un nœud-capteur sans fil ne peut être équipé que d’une source limitée d’énergie, des piles alcalines par exemple, souvent non rechargeables et leur remplacement s’avère difficile voire impossible. Par conséquent, la durée de vie de réseau, montre une forte dépendance de la durée de vie des batteries de nœuds. Dans un réseau de capteurs multi-sauts, chaque nœud joue deux rôles distincts et complémentaires: collecteur de données et routeur de données.
Les opérations liées à chaque rôle affectent la manière dont l’énergie est consommée dans un nœud-capteur. Ainsi, les sources qui consomment de l’énergie pendant le fonctionnement de chaque nœud doivent être analysées et entretenues efficacement.
Consommation d’énergie d’un nœud-capteur
Formes de dissipation d’énergie : Les nœuds-capteurs sont alimentés principalement par des batteries de capacité limitées et non rechargeables. Ils doivent donc fonctionner avec un bilan énergétique frugal. En outre, ils sont le plus souvent déployés dans des zones inaccessibles, il est donc pratiquement impossible de recharger ou de remplacer les batteries des nœuds lorsqu’elles arrivent à épuisement. Ainsi, les différents facteurs provoquant la dissipation de l’énergie pendant le fonctionnement d’un nœud-capteur doivent être analysés. Cette dissipation d’énergie est due essentiellement aux unités suivantes : l’unité d’acquisition de données, l’unité de traitement et celle de communication.
Sources de surconsommation d’énergie : La surconsommation d’énergie correspond à toute consommation inutile que l’on peut éviter afin de conserver l’énergie d’un nœud-capteur. Les sources de cette surconsommation sont nombreuses et peuvent être due à une ou plusieurs faits suivants. Elles peuvent être engendrées lors de l’acquisition de données lorsque celle-ci est mal gérée, par exemple, une fréquence d’échantillonnage mal contrôlée . Le routage dans les réseaux de capteurs est un routage multi-sauts. L’acheminement des paquets d’une source donnée à une destination se fait à travers plusieurs nœuds intermédiaires. Ainsi, un nœud consomme de l’énergie soit pour transmettre ses données ou pour relayer les données des autres nœuds.
Dans ce contexte, une mauvaise politique de routage peut avoir des conséquences graves sur la durée de vie du réseau. La surconsommation concerne également la partie communication. En effet, cette dernière est sujette à plusieurs phénomènes qui surconsomment de l’énergie surtout au niveau MAC où se déroule le contrôle d’accès au support sans fil .
Taxonomie des approches de conservation d’énergie
Malgré les progrès technologiques qui ont été faits dans le domaine des réseaux de capteur sans fil, la durée de vie des nœuds-capteurs continue d’être un défi majeur et un facteur clé, exigeant davantage de recherches sur l’efficacité énergétique des plates-formes et des protocoles de communication.
En effet, les concepteurs de solutions pour de tels réseaux se focalisent souvent sur la qualité de service requise par l’application au premier plan pour ensuite assujettir cela avec l’efficacité énergétique. Une telle attention est accordée à l’efficacité énergétique, car le fonctionnement d’un nœud est étroitement lié à la quantité d’énergie disponible dans sa batterie. Ce qui fait que la durée de vie du réseau est en général fortement dépendante des quantités individuelles d’énergie des différents nœuds-capteurs. Ainsi, plusieurs solutions ont été proposées dans la littérature, et utilisent différentes techniques qui peuvent être classées en cinq grandes catégories: approches basées sur le réveil cyclique, protocoles de routage efficace en énergie, contrôle de la topologie, techniques centrées données et finalement, approches basées sur la mobilité.
Table des matières
Introduction générale
1. Contexte général et problématique
2. Contributions de la thèse
3. Organisation du manuscrit
I. Positionnement : Etat de l’art sur la compression d’images dans les réseaux de capteurs sans fil
Chapitre 1 : Introduction aux réseaux de capteurs sans fil
1.1 Introduction
1.2 Architecture de réseau de capteurs
1.2.1 Architecture matérielle d’un nœud-capteur
1.2.2 Architecture de communication
1.2.3 Architecture protocolaire
1.3 Contraintes de conception des réseaux de capteurs
1.3.1 Tolérance aux pannes
1.3.2 Passage à l’échelle
1.3.3 Coût de fabrication
1.3.4 Environnement d’exploitation
1.3.5 Topologie de réseau
1.3.6 Contraintes matérielles
1.3.7 Support de transmission
1.3.8 Consommation d’énergie
1.4 Classification des réseaux de capteurs
1.4.1 Modèle de collecte de données
1.4.2 Modèle de communication
1.4.3 Modèle de mobilité
1.5 Consommation d’énergie d’un nœud-capteur
1.5.1 Formes de dissipation d’énergie
1.5.2 Sources de surconsommation d’énergie
1.6 Techniques de conservation de l’énergie
1.6.1 Notion de la durée de vie d’un réseau de capteurs
1.6.2 Taxonomie des approches de conservation d’énergie
1.7 Réseau de capteurs d’images
1.7.1 Spécificités des réseaux de capteurs d’images
1.7.2 Plateformes de capture d’image
1.7.3 Exemples d’application
1.8 Conclusion
Chapitre 2 : Compression d’images à la source dans les réseaux de capteurs sans fil
2.1 Introduction
2.2 Classification des techniques de compression d’images
2.3 Algorithmes de compression sans perte
2.3.1 Dé-corrélation
2.3.2 Codage entropique
2.4 Algorithmes de compression avec pertes
2.4.1 Algorithmes non-basés sur une transformée
2.4.2 Algorithmes à base de transformée
2.5 Conclusion
II. Contributions : Vers la compression d’images efficace en énergie dans les réseaux de capteurs sans fil
Chapitre 3 : Propriétés et approches de réduction de la DCT
3.1 Introduction
3.2 Transformée en cosinus discrète
3.2.1 DCT unidimensionnelle
3.2.2 DCT bidimensionnelle
3.3 Propriétés de la DCT 2-D
3.3.1 Dé-corrélation
3.3.2 Compactage d’énergie
3.3.3 Séparabilité
3.3.4 Symétrie
3.3.5 Orthogonalité
3.3.6 Normalisation
3.3.7 Orthonormalité
3.4 Approche de réduction de la DCT
3.4.1 DCT rapide
3.4.2 DCT zonale
3.5 Conclusion
Chapitre 4 : DCT zonale approximative et architecture matérielle proposées
4.1 Introduction
4.2 DCT zonale exacte et approximative
4.3 DCT zonale approximative proposée
4.3.1 Transformée proposée
4.3.2 Évaluation de la complexité
4.4 Évaluation des performances
4.4.1 Temps d’exécution et consommation d’énergie
4.4.2 Mémoire requise
4.4.3 Compression d’images
4.5 Architecture VLSI
4.5.1 Architecture matérielle proposée
4.5.2 Implémentation sur FPGA
4.6 Conclusion
Conclusions et perspectives
1. Conclusions
2. Perspectives
