Architecture et enjeux des réseaux de capteurs sans fil

Puisqe les travaux présentés dans cette thèse portent sur les réseaux de cap-teurs sans fil, il semble indispensable d’introduire tout d’abord les caracté-ristiques de ces capteurs et des réseaux qu’ils peuvent former. Le présentchapitre décrit donc le fonctionnement basique des capteurs, des réseaux, et fournit des exemples d’applications. Dans un second temps, ce sont certains des principaux problèmes soulevés par le déploiement des capteurs qui sont brièvement introduits, notamment la nécessité d’adapter les protocoles employés aux capacités des capteurs, les besoins éventuels de partition du réseau pour en obtenir une gestion plus efficace, Les réseaux de capteurs sans fil, ou WSN (pour Wireless Sensor Networks en an- glais), sont des réseaux constitués de petits appareils, les capteurs, ainsi que d’une station de base. Les capteurs échangent par communications hertziennes, en utilisant des protocoles tels ceux définis dans la pile IEEE 802.11. Le routage des paquets dans le réseau peut faire appel à l’un des nombreux protocoles développés à cet effet (par exemple : AODV, OLSR), qu’il repose sur un algorithme centralisé (dirigé par une seule entité) ou distribué (exécuté par chaque entité du réseau). Les capteurs collectent des informations sur leur environnement et les font remonter à la station de base. Cette station de base, ou BS (pour Base Station), ou encore parfois puits (sink en anglais), est chargée de récolter et traiter les données provenant des capteurs. Une fois les capteurs déployés, l’administrateur n’interagit plus avec le réseau que par le biais de la station de base.

Un schéma basique de réseau de capteurs sans fil est présenté en figure 2.1Il est rare que tous les capteurs d’un WSN soient directement connectés les uns aux autres. À la topologie d’un réseau donné est donc très souvent associé le graphe de connectivité du réseau. Pour cette raison, il est souvent fait référence aux capteurs sous le terme de nœuds (ou de nodes en anglais). Applications environnementales La gestion de l’environnement par l’Homme a de plus en plus recours à des mesures distribuées reposant sur l’usage de capteurs. Les prévisions météorologiques (reposant sur des mesures d’hygrométrie, de pression de l’air, et cætera) ont été l’un des premiers champs d’application des capteurs. Les me- sures de qualité de l’air et de taux de pollution, en ville comme en campagne, se gé- néralisent peu à peu. Les réseaux de capteurs permettent même de pousser la mesure de ce taux vers de nouveaux milieux, comme les glaciers [88] ou bien les océans. L’agriculture est également susceptible d’avoir recours aux capteurs : des essais sont menés sur la réalisation de mesures faites par des microcapteurs semés en même temps que les cultures, permettant de surveiller au mieux les conditions de dévelop- pement de ces dernières. Placés judicieusement dans l’habitat naturel de certaines espèces, les capteurs peuvent être utilisés pour suivre et analyser le comportement de la faune d’un milieu [73].

En forêt, les réseaux de capteurs peuvent permettre de détecter les départs de feu et de lutter plus efficacement contre les incendies. Et en zones à risques, ils peuvent être utilisés pour mesurer l’activité sismique ou volcanique du sol, et permettre une meilleure anticipation des phénomènes naturels. L’industrie a également recours à ces réseaux pour détecter d’éventuelles fuites de produits toxiques (pétrole, gaz, éléments radioactifs). Surveillance et détection Les réseaux de capteurs sans fil sont aussi employés pour des mesures de sureté ou de sécurité, par exemple pour surveiller l’intégrité structu- relle de certaines architectures (ferroviaires, aérospatiales, maritimes, ou plus simple- ment dans le bâtiment : gros œuvre, ouvrages d’art) et peuvent permettre une pré- vention efficace des pannes matérielles [106]. Mis à part la détection de pannes, les capteurs peuvent être utilisés dans des systèmes de vidéosurveillance en milieu ur- bain, ou sur des sites sensibles afin de prévenir les intrusions humaines, ou bien pourdétecter des incidents ou encore établir le suivi de certaines entités ; la gestion du trafic routier, ou même seulement des autobus, en sont des exemples. Le CEREMA (Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement) a mis en ligne un site Internet particulièrement riche en exemples d’application des capteurs, et détaillant notamment les différentes technologies utilisées pour réaliser les mesures [24]. Pour exemple la seule détection de véhicules sur les voies de circu- lation peut reposer.