Présentation des réseaux de capteurs sans fil

Par définition, un capteur est un dispositif réagissant à un stimulus, comme la chaleur, l’humidité ou la lumière. Son principe est de transformer l’état d’une grandeur physique observée (la pression, etc.) en une grandeur utilisable [1] (intensité électrique, position d’un flotteur) en générant un signal qui peut être mesuré ou interprété. Pour cela, il possède au moins un transducteur dont le rôle est de convertir une grandeur physique en une autre. On distingue deux types de capteurs, les capteurs « traditionnels » et « les micro-capteurs »  . La différence entre ces deux types réside principalement au niveau de leurs fonctionnements (niveau d’intelligence) et de leurs dimensions.

Ces capteurs, nommés aussi « motes », représentent les nœuds qui constituent un réseau de capteurs sans fil (RCSF).

Architecture d’un capteur sans fil 

Suivant le type d’application il existe une multitude de capteurs sur le marché. Cependant malgré cette diversité apparente, ils restent dotés d’une architecture matérielle similaire. Un capteur est composé principalement d’une unité de captage, traitement, stockage, communication et énergie. Des composants additionnels peuvent être ajoutés selon le domaine d’application [3] comme par exemple un système de localisation tel qu’un GPS, un générateur d’énergie (exemple: cellules solaires) ou un mobilisateur lui permettant de se déplacer.

➤ Unité de captage (Sensing unit)
La fonction principale de l’unité de captage est de capturer ou mesurer les données physiques à partir de l’objet cible. Elle est composée de deux sous-unités: le récepteur (reconnaissant la grandeur physique à capter) et le transducteur (convertissant le signal du récepteur en signal électrique). Le capteur fournit des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur Analogique/Numérique(CAN). Ce dernier transforme ces signaux en données numériques et les transmet à l’unité de traitement. Un capteur peut avoir une ou plusieurs unités de captage [4].

➤ Unité de traitement (Processing unit)
Elle recueille des données de l’unité de captage ou d’autres capteurs, effectue un traitement sur ces données (si nécessaire) et décide quand et où les envoyer. Elle doit exécuter des programmes et des protocoles de communication différents. Les types de processeurs qui peuvent être utilisés dans un capteur incluant le Microcontrôleur, les DSP, les FPGA et les ASIC [4]. Parmi toutes ces alternatives, le microcontrôleur a été le processeur le plus utilisé pour les capteurs à cause de sa flexibilité à être relié à d’autres composants (comme par exemple l’unité de communication), à son bon prix et sa faible consommation énergétique .

➤ Unité de communication (Transceiver unit)
Cette unité est responsable de toutes les émissions et réceptions de données via un support de communication sans fil. Les différents choix de média de transmission incluent la Radiofréquence (RF), Laser et l’Infrarouge .

➤ Unité d’énergie (Power unit)
Un capteur est muni d’une source d’énergie, généralement une batterie [7], pour alimenter tous ses composants. Les batteries utilisées sont soit rechargeables ou non. Souvent, dans les environnements sensibles, il est impossible de recharger ou changer une batterie. Pour cela, l’énergie est la ressource la plus précieuse puisqu’elle influe directement sur la durée de vie des capteurs et donc d’un réseau de capteurs.

➤ Unité de stockage (Mémoire)
Elle inclut la mémoire de programme (dont les instructions sont exécutées par le processeur) et la mémoire de données (pour conserver des données fournies par l’unité de captage et d’autres données locales). La taille de cette mémoire est souvent limitée essentiellement par les considérations économiques et s’améliorera aussi probablement au fil des années .

Caractéristiques principales d’un capteur

Le fonctionnement d’un capteur est basé sur deux entités fondamentales, l’unité d’acquisition qui représente le cœur physique permettant la prise de mesure et l’unité de communication qui réalise le transfert de celle-ci, vers d’autres dispositifs électroniques. Ainsi fonctionnellement, chaque capteur possède un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation (Rs)  .

Différents nœuds capteurs 

Les réseaux de capteurs offrent une grande diversité :

-Diversité dans le matériel: MicaZ, Telos, Sky-Mote, équipés de microcontrôleurs ARM7, AVR ou Tl MSP430 ;
-Diversité dans l’interface radio et la couche physique: Chipcon CC1100, Chipcon CC2420, 868 MHz, 2.4 GHz, Zigbee, modulation, frequency hopping, etc.
-Diversité de point de vue du système d’exploitation: TinyOS, MantisOS, SOS, Contiki, FreeRTOS, JITS.
-Diversité dans les contraintes: énergie, mémoire, calcul.
-Diversité des applications: du domaine militaire au domaine civil, de la détection et suivi de cible à la mesure des ondes sismiques.
Comme on a mentionné auparavant les nœuds capteurs se déclinent en une multitude de modèles en fonction de l’application à laquelle ils sont destinés. Parmi les modèles les plus courants, on trouve les capteurs MICA développés par l’université de Berkeley et commercialisés par Crossbow, les capteurs Imote commercialisés par Crossbow, ainsi que las capteurs TinyNode développés pour des applications réelles liées à l’industrie par Shockfish SA .

MICA2  
Le capteur MICA2 est un capteur de 3ème génération utilisé pour les réseaux de capteurs sansfil et à faible consommation,  . Ce type de capteurs a été développé par l’université de Berkeley et est utilisé dans les applications suivantes:
• Contrôles environnementaux.
• Surveillance et sécurité.
• Réseaux de capteurs de grande capacité (+1000 nœuds).

TelosB
La plate-forme TelosB a été élaborée et publiée à la communauté scientifique par l’université de Berkeley. Cette plate-forme offre une faible consommation d’énergie permettant une longue autonomie de la batterie ainsi qu’un éveil rapide de l’état de veille. Le microcontrôleur TPR2420 utilisé dans TelosB, est compatible avec la distribution open-source de TinyOS. Ce type de nœud peut être utilisé dans les applications suivantes [15]:
• Plate-forme à faible puissance pour le développement de la recherche.
• Expérimentation des réseaux de capteurs sans-fil .

Imote2
L’Imote2 est une plate-forme avancée de nœuds capteurs sans-fil. Il est construit autour d’un processeur XScale PXA271 à faible puissance et intègre également une radio compatible 802.15.4. Ce type de nœud développé par Crossbow est utilisé dans les applications suivantes :
• Traitement des images numériques.
• Contrôle et analyse industriels.
• Surveillance des séismes et des vibrations.