Download - Plan du cours (8)
Plan du cours (8)
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
1. Présentation des capteurs intégrés.
2. Evolution technologique et intelligence ambiante.
3. Des capteurs intégrés aux capteurs intégrés
intelligents.
4. Les réseaux de capteurs sans fil.
5. Exemples. 224
Capteur intégré: Définition
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
• Un capteur intégré est un dispositif de petite taille qui utilise la
microélectronique. qui est conçu pour collecter un grand
nombre de mesures.
• Ce type de capteurs intègrent un système de traitement du
signal dans le même boîtier (linéarisation, filtrage, amplification,
conversion courant/tension, etc.).
• Cette approche “tout-en-un” permet au capteur d’envoyer des
signaux directement exploitables (linéaires avec de grandes
sensibilité et précision), sans nécessité de post-traitement.
225
Capteur intégré: Avantages
• Les capteurs intégrés présentent les avantages suivants:
� Réduire la taille et le poids comparés aux capteurs discrets.
� Réduire le temps nécessaire pour la conception et l’installation d’un
nouveau capteur: les capteurs intégrés sont des composants “prêts à
l’emploi”.
� Facilité de changement du composant défaillant en cas de
dysfonctionnement � réduction des temps et efforts de réingénierie.
� La miniaturisation est souhaitable dans des applications où la taille et
le poids sont importants (automobile, avion, robotique), ou encore les
applications où l’accessibilité est difficile (environnements industriels
hostiles, médecine). 226
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Capteur intégré: Exemple 1
227
Capteur de flux
Capteur d’humidité
Capteur de température
Capteur de pression
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Capteur intégré: Exemple 2
228
Composants Modulaires(Pression, débit, déplacement, …)
Installation classique Nouvelle installation
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Capteur intégré: Exemple 3
229
Capteur inertiel
Accéléromètre MEMS (Micro Electrical Mechnical System)
Capteur « airbag »
Capteurde
mouvement(manette de
jeux)
Capteur de mouvement(écran tactile)
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Evolution technologique et Intelligence
ambiante
• La miniaturisation des processeurs, l’augmentation de leur
capacité et rapidité de calcul, la réduction de la consommation
d’énergie et la généralisation des réseaux de communication
(WIFI, 3G, 4G, …) � Intégration de systèmes numériques dans
diverses technologies � « Intelligence ambiante ».
• une nouvelle forme d’intelligence émerge dans le domaine des
systèmes embarqués, du fait de l‘intégration d’un système
d’exploitation, tels Windows ou Linux, ou encore d’un Operating
System spécialisé (OS), tels que ERIKA Enterprise, Nano-
RK, TinyOS, Senses, NanoQplus, etc.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
230
Des capteurs intégrés aux capteurs
intégrés intelligents
• Les capteurs munis d’un système d’exploitation ont
presque les mêmes capacités qu’un ordinateur (sans
écran, ni clavier).
• Un OS offre à l’utilisateur la possibilité de reconfigurer
totalement le capteur à chaud et à distance, ce qui
contribue fortement à diminuer les coûts de
maintenance et d’exploitation du capteur.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
231
Synoptique d’un capteur intégré
intelligent
232
1 2
3
4
5
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Constituants d’un capteur intégré
intelligent (1)
1) Une (ou plusieurs) voie de mesure: à laquelle est connecté un
transducteur d’une grandeur physique à mesurer: un accéléromètre, une
jauge, un thermocouple, etc.
2) Un étage de conditionnement: qui met en forme l’information analogique
(électrique, optique, mécanique) du transducteur et la convertit en une
information numérique (octets, niveaux logiques);
3) Un processeur: dont la fonction minimale est d’acquérir les données
issues de chaque voie de mesure. Ce processeur a une capacité d’intégrer
et d’exécuter des algorithmes. Dans certains cas, le processeur assure
également une gestion évoluée de l’énergie électrique du capteur. Le
processeur peut être un simple microcontrôleur 8 bits ou un processeur de
traitement de signal (DSP).
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
233
Constituants d’un capteur intégré
intelligent (2)
4) Une capacité de mémorisation interne: et, éventuellement,
une mémoire externe, lorsque la mémoire interne du
processeur ne suffit pas pour stocker les données et les
programmes. Les mémoires RAM ou FLASH sont des
exemples de mémoires externes.
5) Un étage de communication: permettant au processeur de
dialoguer avec le système de supervision, et éventuellement
avec d’autres capteurs. Cette communication peut être filaire
(liaison RS232, Bus RS485, Ethernet; etc..) ou sans-fil (Wifi,
Zigbee, Bluetooth, etc.).
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
234
• Exécuter des algorithmes, plus ou moins complexes, sur les mesures relevées,
comme calculer des minimums et maximums sur un lot de mesures, filtrer un signal,
moyenner des données, calculer des transformées de Fourier, etc.
• Réagir dynamiquement à des ordres reçus du superviseur, comme (dés)activer une
voie, modifier un paramètre, ajouter un autre type de traitement sur les données,
communiquer avec un autre capteur, etc.
• Réagir à des dysfonctionnements de son environnement comme la perte d’une voie,
un seuil atteint de façon imprévisible, une communication défaillante, etc.
• S’auto-identifier, s’auto-localiser, s’auto-reconfigurer, s’auto-réparer, etc.
Performances d’un capteur intégré
intelligent
235
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Réseaux de capteurs: Environnements
mobiles
• Evolution rapide dans le domaine de communication sans fil � accès rapide
et facile à l'information à partir d’unités portables, indépendamment des
facteurs temps et lieu � environnement de calcul dit « mobile » ou «
nomade ».
• Un environnement mobile se caractérise par:
– Une communication sans fil: beaucoup moins fiable que la
communication filaire, à cause de perturbations liées à la propagation
des signaux.
– L’utilisation d’unités mobiles (ordinateurs portables, tablettes,
Smartphones...) avec des capacités de calcul et de stockage plus ou
moins grandes et des sources d’alimentation autonomes.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
236
Réseau de capteurs sans fil
Ad-hoc• Un réseau Ad hoc est une collection d'unités mobiles, munies d'interfaces
de communication sans fil, formant un réseau temporaire, sans recourir à
aucune infrastructure fixe ou administration centralisée.
• Les réseaux de capteurs sans fil sont considérés comme un type spécial
des réseaux Ad hoc. Ce type de réseaux consiste en un ensemble de micro-
capteurs, éparpillés aléatoirement à travers une zone géographique appelée
« champ de captage » ou « zone de couverture ».
• Un réseau de capteurs est composé de 2 types de nœuds:
– Les capteurs: relever et router les informations vers le point de collecte (puits).
– Le puits: transmet les informations issues des capteurs au centre de traitement .
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
237
Architecture physique d’un capteur
intelligent sans fil
Emettre les données vers le réseau
Recevoir des informations du réseau(mises à jour logicielles, autres capteurs, …)
Fournir de l’énergie(Batterie, pile)
GPS
Module de Géolocalisation (option)
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
238
Transmission de l’information dans un
réseau de capteur: Envoi direct
� Chaque capteur est en lien étroit avec l'unité de collecte, et aucun
intermédiaire ne peut s'interposer dans cette relation directe.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
239
Transmission de l’information dans un
réseau de capteur: Envoi par routage
� Lorsque des capteurs ne sont pas reliés à l'unité de collecte, l'envoi direct n'est
pas possible. Il faut donc appliquer des protocoles de routage de l'information.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
240
Plateformes de transmission (1)
• Bluetooth: utilisé pour le transfert de données à bas débit (1-3
Mb/s) et à faible distance (10m) entre appareils compatibles.
Le grand défaut de cette technique est sa trop grande
consommation d'énergie (autonomie avec pile de l’ordre des
mois). Il peut supporter jusqu’à 255 nœuds.
• ZigBee: offre une plus grande économie d’énergie (autonomie
avec pile de l’ordre des années). Le faible débit de données
(20-250 kb/s) n'est pas un handicap pour un réseau de
capteurs, où les fréquences de transmission sont généralement
faibles. La portée maximale est 10m. Il peut supporter plus que
65000 nœuds.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
241
Plateformes de transmission (2)
• Wifi: utilisé pour le transfert de données à haut débit (jusqu’à
1Gb/s) pour des distances allant jusqu’à (100m). Toutefois, il
présente l’inconvénient d’une consommation d'énergie très
élevée (autonomie avec pile de l’ordre des jours) et sa
grande gourmandise en mémoire (1Mo et plus). Il peut
supporter jusqu’à 256 nœuds.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
242
Limitations des réseaux de capteurs Ad hoc
• Des contraintes d'énergie: les capteurs sont alimentés par des sources
d'énergie autonomes, comme les batteries. Le paramètre consommation
d'énergie doit être hautement pris en considération.
• Une bande passante limitée: l'utilisation d'un média de communication
partagé fait que la bande passante réservée à un capteur soit modeste.
• Une topologie dynamique: la topologie des réseaux Ad hoc change d'une
manière fréquente et rapide, à cause du déplacement arbitraire des unités
mobiles.
• Une sécurité physique limitée: étant basés sur les communications sans
fil, les réseaux Ad hoc sont sensibles aux attaques qui menacent les
données transmises.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
243
Applications
• Applications militaires: surveiller tous les mouvements (amis
ou ennemis), analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes
(détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations).
• Applications à la sécurité: surveiller les structures d'avions,
navires, automobiles, métros ou les altérations de structure
d'un bâtiment, d'une route, d'un quai, d'une voie ferrée, d'un
pont ou d'un barrage…
• Applications médicales: transmettre des images de l'intérieur
d'un corps humain, surveiller la glycémie, les organes vitaux ou
détecter la formation de cancers.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
244
Exemples de réseaux de capteurs sans fil avec système d’exploitation intégré
TelOsB
245
WaspMoteMicaZ
Système d’exploitation: TinyOs®
iMote2
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
Exemple de systèmes d’exploitation pour
réseaux de capteurs: TinyOs®
• TinyOs® est un système d’exploitation libre (open-
source), conçu par l’Université Américaine de Berkley
en 2000, pour des réseaux de capteurs sans fil.
• TinyOs® offre une bibliothèque de composants
particulièrement complète, où on peut retrouver des
protocoles réseaux, des pilotes de capteurs et des
outils d’acquisition de données.
Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs
246