Optimisation de la couverture et de la connectivité d’un réseau de capteurs sans l par ordonnancement d’activité des capteurs

Optimisation de la couverture et de la connectivité d’un réseau de capteurs sans fil par ordonnancement d’activité des capteurs

 Définition d’un capteur 

Un capteur est un dispositif transformant une grandeur physique comme la température, la pression, la concentration entre autres en un signal souvent électrique qui renseigne sur cette grandeur. Par exemple, la pression exercée par de l’air sur un manomètre à aiguille sur la graduation, correspondant à la mesure de cette pression. Le capteur se distingue de l’instrument de mesure par le fait qu’il ne s’agit que d’une simple interface entre un processus physique et une information manipulable. Par opposition, l’instrument de mesure est un appareil autonome, se suçant de lui-même. Il dispose donc d’un hachage ou d’un stockage des données. Ce qui n’est pas le cas du capteur. Il existe plusieurs variétés de capteurs différents, ils dirent dans la grandeur physique qu’ils mesurent et dans le dispositif créant le signal. On peut citer les capteurs de lumière, les capteurs météorologiques, les capteurs de position.

 Définition d’un réseau de capteurs sans l 

Un Réseau de Capteurs Sans Fil noté souvent RCSF est un ensemble de capteurs ou n÷uds capteurs, variant de quelques dizaines d’éléments à plusieurs milliers. Dans les RCSF, chaque n÷ud est capable de surveiller son environnement et de réagir en cas de besoin en envoyant l’information collectée à un ou plusieurs points de collecte, à l’aide d’une connexion sans le. 

 Architecture d’un capteur 

Les n÷uds capteurs sont généralement constitués de quatre unités principales qui sont présentées sur la figure 1.1 . Il s’agit d’une unité d’acquisition, une unité de traitement, une unité de transmission et une unité de contrôle d’énergie. 1. Unité d’acquisition L’unité d’acquisition est constituée d’une composante de capture qui est constituée de plusieurs micro-capteurs capables de relever l’information sur la zone à surveiller. Elle contient également un convertisseur Analogique/Numérique (CAN) dont le rôle est de convertir les informations relevées par ces micro-capteurs et de les transmettre vers l’unité de traitement. l Généralité sur les réseaux de capteurs 5 Fifigure 1.1  Architecture d’un capteur 2. L’unité de traitement est composée d’un processeur et d’une mémoire. Elle permet la coordination entre l’unité de capture et l’unité de transmission. Ainsi elle est dotée de deux interfaces dont l’une est liée avec l’unité de capture et l’autre avec l’unité de transmission. 3. L’unité de contrôle d’énergie L’unité d’énergie est un élément crucial pour les réseaux de capteurs sans l’air car elle contient de l’énergie qui alimente tous les autres modules. L’unité d’énergie est généralement constituée de deux batteries de types AA fonctionnant à 1.5 volt. En fonction des objectifs on peut trouver sur les composantes d’un n÷du capteur d’autres composantes telles que, une unité de localisation, par exemple un GPS ou bien un mobilisateur. C’est le cas par exemple des systèmes robotiques ou le module de localisation est utilisé pour guider le mouvement des n÷uds à travers la zone d’intérêt. 

 Les différents états d’un capteur 

Un n÷du capteur peut se trouver dans l’un des quatre états suivants : actif en mode d’écoute, actif en mode de traitement de données, actif en mode de transmission ou non actif en mode veille. Un capteur est en veille lorsque sa radio est éteinte, dans ce cas sa consommation d’énergie est presque nulle. En effet, la principale source de consommation d’énergie d’un capteur est l’utilisation du réseau sans le via son module de radiocommunication. Cette consommation d’énergie peut être réduite par la diminution de la transmission des données, d’où la nécessité du traitement local. l Généralité sur les réseaux de capteurs 

Architecture d’un réseau de capteurs sans l 

Un réseau de capteur sans fil est composé de deux types de n÷uds : les n÷uds capteurs et les n÷uds. Les capteurs sont chargés de relever des informations, de les traiter si nécessaire et de router les informations relevées sur la zone de couverture vers le point de collecte, également appelé puits ou sink en anglais. Le n÷du puits récupère les informations remontées par les différents capteurs et les transmet au centre de traitement. Les capteurs disposés de manière aléatoire forment la zone de couverture. La figure 1.2 est une illustration d’un réseau de capteurs sans l. Fifigure 1.2  Architecture d’un réseau de capteur sans l 1.6 Collection d’information dans les RCSF Les capteurs peuvent collecter de l’information de deux manières différentes à savoir la collection sur demande et la collection suite à un événement. 1.6.1 Collection sur demande Pour la collection sur demande le n÷du puits pour recevoir l’information sur la zone de couverture envoie des messages de broadcast sur toute la zone pour que les capteurs remontent leurs derniers relevés vers le puits. Les informations acheminées des n÷uds capteurs vers le n÷du puits se font par une communication dite multi-sauts. La figure 1.3 est une illustration de type collection à la demande. l Généralité sur les réseaux de capteurs 7 Fifigure 1.3  Collection sur demande Fifigure 1.4  Collection suite à un événement 1.6.2 Collection suite à un événement Lorsqu’un événement se produit sur la zone de couverture un n÷ud capteur peut envoyer directement l’information vers la station de base sans demande de ce dernier. On parle dans ce cas d’une collecte d’information suite à un événement. La figure 1.4 est une illustration de ce type de collection. 1.7 Pile protocolaire Le rôle de la pile protocolaire utilisée par la station de base ainsi que tous les autres capteurs du réseau consiste à standardiser la communication entre les composantes du réseau an que différents constructeurs puissent mettre au point des produits (logiciels ou matériels) compatibles. La pile protocolaire illustrée sur la figure 1.5 comprend la couche physique, la couche liaison de données, la couche réseau, la couche de transport, la couche d’application, le plan de gestion de l’énergie, le plan de gestion de mobilité, le plan de gestion de tâche. Fifigure 1.5  Pile protocolaire Elle détermine les caractéristiques matérielles, la fréquence porteur, etc. Elle assure également la communication et la réception des données au niveau du bit. • La couche de liaison de données Elle spécifie comment les données sont expédiées entre deux n÷uds routeurs dans une distance d’un saut. Elle est responsable du multiplexage des données, du contrôle d’erreurs, de l’accès au média. Elle assure la liaison point à point et multipoint dans un réseau de communication. • La couche réseau Le but principal pour cette couche est de trouver une route et transmission able pour des données captées, des n÷uds capteurs vers le puits en optimisant l’utilisation de l’énergie du capteur. • La couche de transport Elle aide à gérer le flux de données si le réseau du capteur l’exige. Elle est aussi chargée du transport de données, de leur découpage en paquets, de la gestion des éventuelles erreurs de transmission. • La couche d’application Elle assure l’interface avec les applications. Il s’agit donc du niveau le plus proche des utilisateurs, géré par les logiciels. • Le plan de gestion de l’énergie contrôle l’utilisation de la batterie. Par exemple, après la réception d’un message, le capteur s’éteint an d’éviter la duplication des messages déjà reçus. En outre, si le niveau d’énergie devient bas, le n÷ud diffuse à ses voisins une alerte en les informant qu’il ne peut pas participer au routage. L’énergie restante est réservée au captage. • Le plan de gestion des tâches Il détecte et enregistre le mouvement des n÷uds capteurs. Ainsi, un retour vers l’utilisateur est toujours maintenu et le n÷ud peut garder la trace de ses n÷uds voisins. En déterminant leurs voisins, les n÷uds capteurs peuvent balancer l’utilisation de leur énergie et la réalisation de tâches. • Le plan de gestion de mobilité Il balance et ordonnera les différentes tâches de captage de données dans une région spécifique. Il n’est pas nécessaire que tous les n÷uds de cette région effectuent la tâche de captage en même temps certains n÷uds exécutent cette tâche plus que d’autres selon leur niveau de batterie. 

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 Applications des RCSF 

La taille de plus en plus petite réduite des micro-capteurs, le coût de plus en plus faible, la large gamme de types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibration,…) ainsi que le support de communication sans l’utiliser, permettent aux réseaux de capteurs d’envahir plusieurs domaines d’applications. Ils permettent aussi d’étendre les applications existantes et de faciliter la conception d’autres systèmes tels que le contrôle et l’automatisation des chaînes de montage. Les réseaux de capteurs ont le potentiel de révolutionner la manière même de comprendre et de construire les systèmes physiques complexes. Ils peuvent aussi se révéler très utiles dans de nombreuses applications lorsqu’il s’agit de traiter des informations provenant de l’environnement. Parmi les domaines où ces réseaux peuvent offrir les meilleures contributions nous pouvons citer les domaines : militaire, environnemental, domotique, santé, sécurité entre autres. Des exemples d’applications potentielles dans ces différents domaines sont exposés ci-dessous.

Applications militaires 

Le développement des réseaux de capteurs sans l a été initialement motivé par des applications militaires comme la surveillance des territoires et des forces ennemies. A ce titre, un projet militaire a été monté par UC-Berkeley, son objectif était de faire suivre et de tracer le chemin des véhicules militaires [2]. Les étapes de ce projet étaient les suivantes : Fifigure 1.6  Application d’un RCSF dans le domaine militaire  un réseau de capteurs a été déployé à l’aide d’un drone  Unmanned Air Vehicle (UAV),  un réseau de communication synchrone a été établi entre les n÷uds déployés,  les véhicules passant par le réseau ont été détectés,  les informations sur les véhicules sont envoyées vers le drone (UAV),  les informations du chemin sont par la suite transférées du drone vers la station de base.

Applications environnementales 

Le déploiement aléatoire en grand nombre des réseaux de capteurs dans des zones souvent inaccessibles, leur faible consommation en énergie, leur auto-configuration font d’eux une multitude d’applications dans le domaine de l’environnement. En effet, les réseaux de capteurs peuvent être utilisés pour détecter les incendies dans les forêts, surveiller les catastrophes naturelles par exemple le séisme, les volcans, les tremblements de terre. Les réseaux de capteurs sont également utilisés pour la surveillance météorologique, mais aussi pour la détection de la pollution (qualité des eaux, taux d’ensoleillement, taux de radioactivité, fuite du pétrole, taux de CO2…). 

Applications domotiques

 Les réseaux de capteurs peuvent également être utilisés dans la domotique. Par exemple, des capteurs peuvent être utilisés pour le réglage de l’éclairage et de la température. Ainsi le déploiement des capteurs de mouvement et de température dans les futures maisons dites intelligentes permet d’automatiser plusieurs opérations domestiques telle que : la lumière s’éteint et la musique se met en état d’arrêt quand la chambre est vide, la climatisation et le chômage s’ajustent selon les points multiples de mesure, le déclenchement d’une alarme par le capteur anti-intrusion quand un intrus veut accéder à la maison. En outre, dans les grandes usines et les entrepôts, les réseaux de capteurs jouent également un rôle important en surveillant les changements climatiques.

Table des matières

Dédicaces
Remerciements
Introduction générale
1 Généralités sur les réseaux de capteurs
1.1 Introduction
1.2 Définition
1.2.1 Définition d’un capteur
1.2.2 Définition d’un réseau de capteurs sans fil
1.3 Architecture d’un capteur
1.4 Les différents états d’un capteur
1.5 Architecture d’un réseau de capteurs sans fil
1.6 Collection d’information dans les RCSF
1.6.1 Collection sur demande
1.6.2 Collection suite à un évènement
1.7 Pile protocolaire
1.8 Applications des RCSF
1.8.1 Applications militaires
1.8.2 Applications environnementales
1.8.3 Applications domotiques
1.8.4 Applications médicales
1.8.5 Applications liées à la sécurité
1.9 Contraintes dans la conception d’un réseau de capteurs
1.9.1 Contraintes énergétiques
1.9.2 Contraintes liées à la qualité de service
1.9.3 Tolérance aux pannes
1.9.4 Agrégation des données
1.9.5 Contraintes liées à la sécurité
1.9.6 Contraintes liées à l’environnement
1.10 Conclusion
2 Ordonnancement d’activité des capteurs : couverture et connectivité
2.1 Introduction
2.2 La Connectivité d’un RCSF
2.2.1 Préliminaires
2.2.2 Définition
2.3 La Couverture dans les RCSF
2.3.1 Définition
2.3.2 Quelques modèles de couverture
Modèle de détection binaire(MDB)
Modèle de détection asymptotique
Modèle de détection probabiliste
2.4 La durée de vie d’un RCSF
2.4.1 Définition
2.4.2 Durée de vie basée sur la couverture
2.4.3 Durée de vie basée sur la connectivité .
2.5 Ordonnancement des capteurs dans les RCSF
2.5.2 Les différentes approches de gestion d’ordonnancement
2.5.3 Algorithme d’ordonnancement distribué dans les RCSF
2.6 Conclusion
3 Modélisation et Tests numériques
3.1 Introduction
3.2 Modélisation du problème
3.2.1 Description et notations
3.2.2 Formulation mathématique
3.3 Tests numériques
3.3.1 Description du logiciel utilisé
3.3.2 Modèle de couverture
3.3.3 Modèle de couverture et de connectivité
3.4 Conclusion
Conclusion
Bibliographie

 

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