Chapitre ITransmission et rception des donnes sans fil

I.1 Introduction:

Les concepts des rseaux de capteurs sont bien particuliers comparativement aux rseaux sans fil puisque les RCSF sont composs dquipements ressources limites en termes de calcul, de stockage et dnergie.

Dans ce chapitre, nous prsentons les rseaux de capteurs sans fils, leurs caractristiques et leurs domaines dapplications.

I.2 Prsentation des rseaux de capteurs sans fil:

Un rseau de capteurs sans fil est un rseau ad hoc avec un grand nombre de nuds qui sont des micro-capteurs, alatoirement disperss dans une zone gographique, interconnects entre eux par le biais dun rseau sans fil de type Zig Bee, capables de rcolter et de transmettre des donnes environnementales d'une manire autonome, telles que la temprature, lhumidit et luminosit etc. Les donnes mesures collectes par ces capteurs sont achemines directement ou via les autres capteurs de proche en proche jusqu laboutissement la station de base qui est lui-mme un capteur reli directement au centre de contrle. La station de base est considre comme un capteur qui a plus de capacit en termes dnergie. La figure 1 illustre un exemple de dploiement dun rseau de capteurs.

Figure 1 : Exemple dun rseau de capteurs

I.3 Prsentation du nud capteur

Un nud capteur (dit "mote" en anglais) est un nud qui constitue lunit de base dun RCSF. Il est compos principalement d'une unit de calcul, une mmoire, un metteur/rcepteur radio, un ensemble de capteurs, et une pile comme sest illustr dans la figure 2.

Il existe plusieurs modles de capteurs qui sont commercialiss dans le march.

Figure 2: Anatomie dun nud capteurI.4 Architecture physique dun capteurUn capteur est compos de trois units [2]:

L'unit d'acquisition: Lunit d'acquisition est compose d'un capteur qui va obtenir des mesures numriques sur les paramtres environnementaux et d'un convertisseur Analogique/Numrique qui permet de convertir l'information releve ltat brute et la transmettre l'unit de traitement pour tre interprtable soit sous forme dune valeur numrique ou reprsente par un signal.

L'unit de traitement: L'unit de traitement est compose de deux interfaces, une interface pour lacquisition de donnes et une autre pour leur transmission. Cette unit est galement compose d'un processeur supportant un systme d'exploitation spcifique. Elle rcupre les informations en provenance de linterface d'acquisition et les envoie l'interface de transmission. L'unit de transmission (ou de communication): Cette unit est responsable de toutes les missions et rceptions de donnes via un support de communication radio. Ces trois units sont alimentes par une batterie.

I.5 Caractristiques des RCSFLes RCSF prsentent des caractristiques particulirementcomparativement aux rseaux sans fil. Parmi les principales caractristiques, nous citons:

Absence d'infrastructure: Les rseaux de capteurs se distinguent des autres rseaux mobiles par la proprit d'absence d'infrastructure prexistante et de tout genre d'administration centralise. Lors de la dtection de linformation par un capteur, cette dernire sera communique aux voisins de proche en proche en utilisant un mode multi-sauts jusqu laboutissement la station de base.

Dploys en grand nombre: Les RCSF sont gnralement dploys en grand nombre pour assurer la couverture de la zone dintrt dune part et dautre part pour faire face la tolrance aux pannes puisque les capteurs sont sujets des pannes telles que lpuisement de leur nergie ou crasement par des animaux. Nous pou- vons avoir dans de telles applications, des rseaux de capteurs comprenant des milliers voire des millions de capteurs.

Contrainte d'nergie: Le principal facteur limitant la dure de vie dun rseau de capteurs est lnergie .Dans plusieurs applications, les nuds capteurs sont placs dans des zones hostiles l o laccs de lhomme est difficile voire impossible. De ce fait, le rechargement et le remplacement des batteries deviennent des tches difficiles. Do, nous devrons mettre en place un mcanisme pour prserver lnergie et par suite garantir une longue dure de vie pour ces rseaux.

Topologie dynamique: Les capteurs peuvent tre attachs des objets mobiles qui se dplacent dune faon libre et arbitraire rendant ainsi, la topologie du rseau frquemment changeante. Par exemple, des capteurs supports par des animaux pour les surveiller.

Auto-organisation du rseau: Cette caractristique peut tre ncessaire dans plu- sieurs cas. Par exemple, un rseau comportant un grand nombre de nuds placs dans des endroits hostiles o la configuration manuelle nest pas faisable, doit tre capable de sauto-organiser. Un autre cas est celui o un nud est insr ou retir ( cause dun manque dnergie ou de destruction physique). Ainsi le rseau doit tre capable de se reconfigurer pour continuer sa fonction.

Scurit physique limite: Les RCSF sont plus touchs par le paramtre de scurit que les rseaux filaires classiques. Cela se justifie par les contraintes et limitations physiques qui font le contrle des donnes transfres doit tre minimis.

I.6 Applications des RCSFLa miniaturisation des capteurs, le cot de plus en plus faible, la large gamme des types de capteurs disponibles ainsi que le support de communication sans fil utilis, permettent aux rseaux de capteurs de se dvelopper dans plusieurs domaines dapplications. La figure 3 montre quelques domaines dapplications des RCSF.

Le btiment: Lvolution de la structure d'un ouvrage d'art, la gestion de la temprature et de la lumire dans un immeuble, la domotique, les interrupteurs autonomes non cbls, etc. constituent quelques exemples dapplications dans le domaine du btiment.

Les transports: La gestion du trafic, la dformation de structure, les capteurs de pression des pneus, etc. sont des exemples dapplications de capteurs dans le domaine du transport.

Lenvironnement: Dans le domaine de lenvironnement, nous pouvons citer: la dtection de polluants dans l'air ou le sol, le suivi des mouvements des oiseaux, des animaux et des insectes, la dtection des incendies, la dtection du niveau d'eau dans le sol, etc.

Le mdical: Le domaine mdical peut lui aussi intgrer des applications pertinentes. Comme par exemple : laide la mdication et le suivi des patients distance (rythme cardiaque, pression du sang, etc.), lidentification des allergies et des mdi caments administrs aux patients, la localisation des docteurs et des patients dans l'hpital, etc.

Le militaire: Le domaine militaire ne sera pas pargn non plus. Il pourra utiliser les RCSF par exemple dans la dtection et la collecte dinformations sur la position de lennemi et ses mouvements, la dtection d'agents chimiques ou bactriologiques, etc.

Figure 3: Applications des rseaux de capteurs sans fil I.7 Outils de dveloppement pour les rseaux de cxapteur sans fil

nous dcrivons les outils ncessaires pour le dveloppement des applications des RCSF, tels que les systmes dexploitation en particulier TinyOS et le langage de programmation Nesc.

I.7.1 Systme dexploitation: TinyOSPrsentation de TinyOSTinyOs est un systme principalement dvelopp et soutenu par luniversit amricaine de Berkeley. Cest un systme dexploitation open-source conu pour des rseaux de capteur sans fil. Il respecte une architecture base sur une association de composants permettant de rduire la taille du code ncessaire sa mise en place. Cela sinscrit dans le respect des contraintes de mmoire quobserve les rseaux de capteurs.

Pour autant, la bibliothque de composants de TinyOs est particulirement complte puisquon y retrouve des protocoles rseaux, des pilotes de capteurs et des outils dacquisition de donnes. Lensemble de ces composants peuvent tre utiliss tels quels, puisquils peuvent tre adapts une application prcise.

En sappuyant sur un fonctionnement vnementiel, TinyOs propose lutilisateur une gestion trs prcise de la consommation dnergie des capteurs et permet de mieux sadapter la nature alatoire de la communication sans fil entre interfaces physiques.

I.7.2 Proprits de lOSLe fonctionnement dun systme bas sur TinyOs sappuie sur la gestion des vnements. Ainsi, lactivation de tches, leur interruption ou encore la mise en veille du capteur seffectue lapparition dvnements, ceux-ci ayant la plus forte priorit. Ce fonctionnement vnementiel (event-driven) soppose au fonctionnement dit temporel (time-driven) o les actions du systme sont gres par une horloge donne.

TinyOs a t programm en langage Nesc. Le caractre premptif dun systme dexploitation prcise si celui-ci permet linterruption dune tche en cours ou non. TinyOs ne gre pas ce mcanisme de premption entre les tches mais donne la priorit aux interruptions matrielles. Ainsi, les tches entre-elles ne sinterrompent pas mais une interruption peut stopper lexcution dune tche.

Lorsquun systme est dit temps rel celui-ci gre des tches caractrises par des priorits et par des chances respecter dictes par lenvironnement externe. Dans le cas dun systme strict, aucune chance ne tolre de dpassement contrairement un systme temps rel mou. TinyOs se situe au-del de ce second type car il nest pas prvu pour avoir un fonctionnement temps rel. TinyOs a t conu pour rduire au maximum la consommation en nergie du capteur. Ainsi, lorsquaucune tche nest pas active, il se met automatiquement en veille.