Introduction

Réseau de capteurs sans fil- distribués, plusieurs capteurs (capteurs) et actionneurs interconnectés via un canal radio. La zone de couverture d'un tel réseau peut aller de plusieurs mètres à plusieurs kilomètres en raison de la possibilité de relayer des messages d'un élément à un autre.

Les principales caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil sont auto-organisation et adaptabilité aux changements des conditions d’exploitation, par conséquent, des coûts minimes sont nécessaires lors du déploiement d'un réseau sur site et lors de sa maintenance ultérieure pendant l'exploitation.

Histoire courte

L'un des premiers prototypes d'un réseau de capteurs peut être considéré comme le système SOSUS, conçu pour détecter et identifier les sous-marins. Au milieu des années 1990, les technologies des réseaux de capteurs sans fil ont commencé à se développer activement ; au début des années 2000, le développement de la microélectronique a permis de produire une base d'éléments assez bon marché pour de tels dispositifs. Les réseaux sans fil du début des années 2010 sont principalement basés sur le .

But

L'objectif principal est non seulement d'échanger des données entre nœuds via un réseau décentralisé et auto-organisé, mais également de collecter les informations transmises (principalement des données) depuis les capteurs (température, pression, humidité, niveau de rayonnement, vibrations acoustiques) vers le nœud central pour le finalité de son analyse ou de son traitement ultérieur.

La demande de réseaux de capteurs sans fil sur le marché est également étroitement liée au concept d'intellectualisation d'objets tels que les maisons, les bureaux et les locaux industriels, où les citadins passent jusqu'à 90 % de leur temps, ainsi qu'au concept de création d'industries cybernétiques. (entièrement équipé de robots), dont la tâche principale est la mise en œuvre technologies sans fil au niveau des systèmes de contrôle de processus automatisés.

La technologie des réseaux de capteurs est conçue pour résoudre un large éventail de problèmes de surveillance et de contrôle industriels et présente les avantages indéniables suivants par rapport aux autres systèmes sans fil et filaires existants :

• possibilité d'installer des capteurs sur une installation existante et en exploitation sans travaux supplémentaires sur la pose d'un réseau filaire;
• faible coût un élément de commande séparé ;
• faible coût installation, mise en service et maintenance du système ;
• restrictions minimales sur l'emplacement des appareils sans fil ;
• haute tolérance aux pannes réseau de capteurs dans son ensemble.

Description

Le matériel des nœuds sans fil et les protocoles de communication réseau entre eux sont optimisés en termes de consommation d'énergie pour assurer une longue durée de vie du système avec des sources d'alimentation autonomes. Selon le mode de fonctionnement, la durée de vie d'un nœud peut atteindre plusieurs années.

Chaque nœud du réseau de capteurs contient généralement des ports d'entrée/sortie pour les données provenant de divers capteurs de surveillance environnementale (ou des capteurs eux-mêmes), d'un microcontrôleur et d'un émetteur-récepteur radio, ainsi qu'une alimentation autonome ou externe. Cela permet à l'appareil de recevoir les résultats de mesure, d'effectuer le traitement initial des données et de maintenir la communication avec un système d'information externe. Le microcontrôleur peut être utilisé pour mettre en œuvre un traitement de données distribué intelligent. Dans un réseau de capteurs sans fil intelligents, les appareils sont capables d'échanger des informations au niveau local, de les analyser et de transmettre des informations traitées jusqu'à une certaine profondeur, plutôt que des données « brutes ». Cela vous permet de réduire considérablement les besoins en bande passante du réseau, d'augmenter l'évolutivité et la durée de vie du système. Cependant, pour ajouter de l'« intelligence » au réseau, il faut prendre en compte les spécificités du problème d'application. Cette approche est donc généralement efficace lors du développement d'un système personnalisé hautement spécialisé.

Ainsi clé Les caractéristiques des réseaux de capteurs sont :

• la capacité d'auto-organiser un réseau de transmission d'informations et de l'adapter au nombre d'appareils ;
• la capacité de relayer des messages d'un élément à un autre ;
• la possibilité d'avoir des capteurs dans chaque élément ;
• longue durée de vie de la batterie (1 an ou plus)

Aujourd'hui, la technologie des réseaux de capteurs sans fil est la seule avec laquelle il est possible de résoudre des problèmes de surveillance et de contrôle critiques pour les exigences de durée de vie des batteries des appareils, leur fiabilité, la configuration automatique ou semi-automatique de chacun d'eux, la capacité de ajoutez ou excluez simplement un appareil du réseau, distribuez les signaux à travers les murs et les plafonds à faible coût du système. Et la technologie des communications radio relayées à courte portée, connue sous le nom de « réseaux de capteurs », est l'une des tendances modernes dans le développement de systèmes distribués auto-organisés et tolérants aux pannes pour la surveillance industrielle et la gestion des ressources et des processus.

Presque tous les domaines de la vie au XXIe siècle dépendent des technologies de l’information et de la communication (TIC). Les données sont échangées non seulement par les personnes, mais également par toutes sortes de systèmes intelligents, téléphones mobiles, appareils portables, distributeurs automatiques de billets et capteurs. Au moins 5 milliards d’appareils sont déjà connectés à l’Internet des objets. Le fonctionnement de tout grand complexe - entreprises industrielles, énergétiques, agricoles, centres commerciaux, musées, bureaux, immeubles d'habitation - est associé à une surveillance constante de la situation sur leur territoire. Des capteurs sensibles surveillent l'état des équipements en temps réel, organisent l'interaction des appareils entre eux et avertissent de la nécessité de les remplacer ou des situations d'urgence. Avec des volumes de données en croissance rapide, vous avez besoin d’un moyen simple et pratique pour les partager entre les appareils et les centres de données.

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Les réseaux de capteurs sans fil (WSN, Wireless Sensor Networks), constitués de capteurs et de dispositifs de contrôle sans fil et capables de s'auto-organiser à l'aide d'algorithmes intelligents, démontrent des perspectives d'utilisation à grande échelle pour surveiller la santé humaine, l'état de l'environnement, le fonctionnement de la production et les systèmes de transport, et la comptabilité de diverses ressources, etc. Ce numéro du bulletin d'information présente les tendances technologiques dans le domaine des WSN liées à la garantie du fonctionnement constant des capteurs sans fil et à leur application dans deux domaines de l'économie moderne - la fabrication de pointe et l'énergie intelligente. .

Appareils tactiles auto-rechargeables

Pour le développement de réseaux de capteurs sans fil, il est important de résoudre le problème de leur alimentation électrique. Une tendance prometteuse est la création d'appareils autonomes durables avec une consommation d'énergie minimale - convertis à partir de sources externes.

Les capteurs sans fil peuvent, par exemple, être alimentés par l'énergie radio qui leur est envoyée par un certain type d'émetteur (semblable aux dispositifs d'identification par radiofréquence (RFID) ou aux cartes à puce sans contact). Cette énergie est utilisée par l'appareil à la fois pour recharger le capteur et pour générer un signal de réponse contenant des informations sur l'état actuel de l'objet surveillé.

Une autre méthode est la conversion passive de l'énergie de l'environnement extérieur (récupération d'énergie) : solaire (à l'extérieur de la pièce par temps assez clair), thermique, énergie de vibration mécanique (provenant d'appareils à proximité - machines d'assemblage, convoyeurs, etc.), énergie de vibration du capteur lui-même (dans le cas des appareils portables), les émissions radio de fond des appareils électriques environnants (y compris le Wi-Fi).

Effets En réduisant les déchets hautement toxiques provenant des sources d’énergie utilisées, l’impact négatif sur l’environnement est réduit. L'utilisation de capteurs auto-rechargeables contribuera au développement d'appareils Internet des objets sans fil, de médecine personnalisée (appareils portables et implantables qui surveillent les indicateurs de santé humaine), ainsi que de technologies vertes dans le secteur de l'énergie, de l'industrie (en particulier dans les industries dangereuses). ) et d'autres domaines.

Estimations du marché 30,1 milliards D’ici 2020, il y aura 30,1 milliards d’appareils sans fil dans le monde. La part potentielle des appareils auto-rechargeables atteindra 30 à 65 %. La manifestation maximale de cette tendance est prévue pour 2020-2030.

Facteurs et obstacles La pertinence de la tendance ne cesse de croître en raison de la miniaturisation des appareils sans fil et de la réduction de leur coût. Le développement de ce domaine est entravé par la quantité insuffisante d'énergie convertie de l'environnement externe dans les modèles actuels de capteurs sans fil, qui est nécessaire pour surveiller l'état des équipements complexes et envoyer périodiquement des informations au centre de traitement des données.

Mise en œuvre d'une fabrication avancée basée sur des réseaux de capteurs sans fil

Utilisation irrationnelle des ressources et des capacités de production, génération de grandes quantités de déchets polluants pour l'environnement, manque de surveillance constante de l'état des installations des entreprises - ces problèmes et d'autres de l'industrie moderne stimulent la transition vers un modèle de fabrication avancé. Elle se caractérise par l’utilisation de nouveaux matériaux et de technologies respectueuses de l’environnement (technologies vertes), ainsi que par l’utilisation généralisée des TIC et des systèmes intelligents, notamment la robotique et les réseaux de capteurs sans fil.

Les réseaux de capteurs sans fil industriels (IWSS, Industrial Wireless Sensor Networks) constituent le facteur le plus important dans la mise en œuvre de la fabrication avancée. Pour gérer et surveiller l'état des objets d'une entreprise (équipements, convoyeurs, dispositifs d'assemblage, réacteurs), un ensemble de capteurs et de systèmes d'information sans fil interconnectés est utilisé qui traite les données des capteurs et interagit avec les objets contrôlés à l'aide de dispositifs de contrôle. Un tel système automatisé répond à tout changement d'indicateurs dans l'entreprise, informe le personnel des accidents et des situations problématiques, analyse l'efficacité de l'utilisation des équipements, évalue le niveau de pollution de l'environnement et le volume de déchets produits.

Effets La mise en œuvre d'une fabrication avancée augmentera l'efficacité, la précision et la flexibilité de la gestion des processus dans les grandes entreprises et la qualité des produits, résoudra les problèmes d'optimisation des ressources et d'identification des goulots d'étranglement. La minimisation des risques liés à la production (en raison de sa plus grande automatisation) et la réduction des émissions réduiront considérablement la charge industrielle sur l'environnement.

Estimations du marché 3,8 milliards de dollars atteindra la taille du marché des réseaux de capteurs sans fil industriels en 2017. La propagation généralisée des cardiopathies ischémiques est prévue d’ici 2017-2020.

Facteurs et obstacles Le développement de dispositifs de capteurs à chargement automatique, la transition vers le contrôle numérique des équipements de production et l'introduction massive de systèmes robotiques stimulent le développement de cette tendance. Une standardisation insuffisante des réseaux de capteurs sans fil et une infrastructure TIC obsolète dans de nombreuses entreprises industrielles ralentissent la transition vers un modèle de fabrication avancé.

Réseaux intelligents

Le problème mondial de l’utilisation irrationnelle de l’électricité est particulièrement pertinent pour la Russie. Les coûts élevés de production d’électricité augmentent le coût de production, ce qui fait peser une double charge sur le consommateur final. Pour améliorer l’efficacité et la fiabilité des systèmes électriques, de nombreux pays se tournent vers le concept de réseaux intelligents.

Un tel réseau contrôle en temps réel toutes les sources de production, les réseaux de transport et de distribution et les installations qui consomment l'électricité qui y sont raccordées. Pour gérer un réseau énergétique intelligent, des réseaux de capteurs sans fil sont utilisés qui surveillent le volume de production d'énergie et la consommation d'énergie dans ses différentes sections. À l'aide de systèmes d'information, la répartition optimale de l'énergie dans le réseau est calculée, des prévisions sont établies pour différentes saisons et périodes de la journée, la production d'énergie et sa livraison sont synchronisées et la sécurité des lignes électriques est surveillée. Pour améliorer l'efficacité du réseau électrique, ses éléments non critiques sont éteints pendant les périodes d'activité réduite.

Effets La surveillance et le contrôle continus des appareils du système électrique réduisent le nombre de pannes de courant. Des économies importantes dans sa production entraînent des effets positifs pour l'industrie, la sphère sociale et l'environnement (aujourd'hui en Russie, la part de l'énergie dans la pollution atmosphérique est de 26,8% - la valeur maximale par rapport à d'autres domaines).

Estimations du marché 63 milliards de dollars d’ici 2020, le marché mondial des technologies de réseaux électriques intelligents connaîtra un taux de croissance annuel moyen de plus de 8 %. 2018-2025 - la période de manifestation maximale de la tendance.

Facteurs et obstacles L’introduction de réglementations et de normes environnementales plus strictes accélère cette tendance. Le moment opportun pour introduire un réseau intelligent en Russie est le renouvellement prévu des infrastructures électriques. La transition vers le concept de réseau intelligent est compliquée par la grande échelle de l'industrie, le coût élevé et le temps considérable consacré à sa mise à jour technologique. Les arrêts périodiques des centrales électriques lors de la modernisation des réseaux énergétiques posent un problème aux entreprises consommatrices.

La surveillance des tendances technologiques mondiales est assurée par l'Institut de recherche statistique et d'économie de la connaissance de l'École supérieure d'économie () dans le cadre du programme de recherche fondamentale de l'École supérieure d'économie de l'Université nationale de recherche.

Les sources suivantes ont été utilisées pour préparer la lettre de tendance : Prévisions du développement scientifique et technologique de la Fédération de Russie jusqu'en 2030(prognoz2030.hse.ru), documents de revues scientifiques "Prévoyance"(foresight-journal.hse.ru), données Web de la Science, Orbite, idc.com, marchésandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru, etc.

Réseaux de capteurs sans fil : un aperçu

Akuldiz I.F.

Traduction de l'anglais : Levjinski A.S.

annotation

L'article décrit les concepts de réseaux de capteurs, dont la mise en œuvre est devenue possible grâce à la combinaison de systèmes microélectromécaniques, de communications sans fil et d'électronique numérique. Les tâches et le potentiel des réseaux de capteurs ont été étudiés et une revue des faits influençant leur développement a été réalisée. L'architecture des réseaux de capteurs du bâtiment, les algorithmes et protocoles développés pour chaque couche de l'architecture sont également pris en compte. L'article explore les questions liées à la mise en œuvre de réseaux de capteurs.

1. Introduction

Les progrès récents dans les technologies des systèmes micro-électromécaniques (MEMS), les communications sans fil et l'électronique numérique ont permis la création de motes peu coûteux, de faible consommation et riches en fonctionnalités, petits et communiquant directement les uns avec les autres. Les réseaux de capteurs reposent sur la collaboration d'un grand nombre de nœuds minuscules, constitués de modules de collecte et de traitement de données, d'un émetteur. De tels réseaux présentent des avantages significatifs par rapport à un ensemble de capteurs traditionnels. Voici deux caractéristiques clés des capteurs traditionnels : Les capteurs peuvent être situés loin du phénomène observé. Cette approche nécessite de nombreux capteurs utilisant des techniques sophistiquées pour distinguer les cibles du bruit.
Plusieurs capteurs peuvent être déployés pour collecter uniquement des données. Concevez soigneusement les positions et la topologie des capteurs. Ils transmettront les observations aux nœuds centraux, où seront effectués la collecte et le traitement des données.
Un réseau de capteurs est constitué d’un grand nombre de nœuds (motes) densément situés à proximité du phénomène observé. La position des moteurs ne nécessite pas de calcul préalable. Cela leur permet d'être déployés de manière aléatoire dans des zones difficiles d'accès ou d'être utilisés pour des opérations de secours nécessitant une réponse rapide. D’un autre côté, cela signifie que les protocoles réseau et les algorithmes pour le fonctionnement des motes doivent avoir la capacité de s’auto-organiser. Une autre caractéristique unique des réseaux de capteurs est la collaboration de nœuds individuels. Les motes sont équipés d'un processeur. Ainsi, au lieu de transmettre les données originales, ils peuvent les traiter, effectuer des calculs simples et ne transmettre ensuite que les données nécessaires et partiellement traitées. Les fonctionnalités décrites ci-dessus offrent une large gamme d'applications pour les réseaux de capteurs. De tels réseaux peuvent être utilisés dans des applications de santé, militaires et de sécurité. Par exemple, les données physiologiques d'un patient peuvent être surveillées à distance par un médecin. Ceci est pratique à la fois pour le patient et permet au médecin de comprendre son état actuel. Les réseaux de capteurs peuvent être utilisés pour détecter des agents chimiques étrangers dans l’air et l’eau. Ils peuvent aider à déterminer le type, la concentration et l’emplacement des contaminants. Essentiellement, les réseaux de capteurs permettent une meilleure compréhension de l’environnement. Nous supposons qu’à l’avenir, les réseaux de capteurs sans fil feront partie intégrante de nos vies, davantage que les ordinateurs personnels modernes. La mise en œuvre de ces projets et d’autres qui nécessitent l’utilisation de réseaux de capteurs sans fil nécessite des méthodes spéciales. De nombreux protocoles et algorithmes ont été développés pour les réseaux ad hoc sans fil traditionnels. Ils ne sont donc pas bien adaptés aux caractéristiques et exigences uniques des réseaux de capteurs. Voici les différences entre les réseaux de capteurs et les réseaux peer-to-peer : Le nombre de nœuds dans un réseau de capteurs peut être plusieurs ordres de grandeur supérieur au nombre de nœuds dans un réseau peer-to-peer.
Les nœuds sont densément localisés.
Les nœuds sont sujets aux pannes.
La topologie des réseaux de capteurs peut changer fréquemment
Les pairs utilisent principalement des messages diffusés, tandis que la plupart des réseaux peer-to-peer sont basés sur des communications point à point.
Les nœuds sont limités en puissance, en puissance de calcul et en mémoire.
Les nœuds ne peuvent pas avoir de numéro d'identification (ID) global en raison de la surcharge importante et du grand nombre de capteurs.
Étant donné que les nœuds du réseau sont densément situés, les nœuds voisins peuvent être très proches les uns des autres. Par conséquent, les communications multi-sauts dans les réseaux de capteurs consommeront moins d’énergie que les communications directes. De plus, un signal de transmission de données de faible puissance peut être utilisé, ce qui est utile dans la surveillance secrète. Les communications multi-sauts peuvent surmonter efficacement certaines des difficultés liées à la propagation des signaux sur de longues distances dans les communications sans fil. L’une des contraintes les plus importantes pour les nœuds est la faible consommation d’énergie. Les particules ont des sources d'énergie limitées. Ainsi, alors que les réseaux traditionnels se concentrent sur l’obtention d’un signal de haute qualité, les protocoles de réseau distants doivent se concentrer principalement sur la conservation de l’énergie. Ils doivent disposer de mécanismes permettant à l'utilisateur de prolonger la durée de vie du mote, soit en réduisant le débit, soit en augmentant la latence de la transmission des données. De nombreux chercheurs travaillent actuellement au développement de circuits répondant à ces exigences. Dans cet article, nous passerons en revue les protocoles et algorithmes qui existent actuellement pour les réseaux de capteurs. Notre objectif est de fournir une meilleure compréhension des enjeux de recherche actuels dans ce domaine. Nous tenterons également d'explorer les contraintes de conception et d'identifier les outils pouvant être utilisés pour résoudre les problèmes de conception. L'article est organisé comme suit : dans la deuxième section, nous décrivons le potentiel et l'utilité des réseaux de capteurs. Dans la section 3, nous discutons des facteurs qui influencent la conception de tels réseaux. Nous examinerons une étude détaillée des méthodes existantes dans ce domaine dans la section 4. Et nous résumerons dans la section 5.

2. Application des réseaux de capteurs sans fil

Les réseaux de capteurs peuvent être constitués de différents types de capteurs, tels que sismiques, magnétiques, thermiques, infrarouges, acoustiques, capables d'effectuer une grande variété de mesures des conditions environnementales. Par exemple, comme :
température,
humidité,
la circulation automobile,
état de foudre,
pression,
composition du sol,
niveau de bruit,
la présence ou l'absence de certains objets,
charge mécanique
caractéristiques dynamiques telles que la vitesse, la direction et la taille d'un objet.
Les particules peuvent être utilisées pour la détection, la détection et l'identification continue d'événements. Le concept de microdétection et de connectivité sans fil promet de nombreuses nouvelles applications pour de tels réseaux. Nous les avons classés en domaines principaux : applications militaires, recherche environnementale, soins de santé, applications domestiques et autres applications commerciales. Mais il est possible d'élargir cette classification et d'ajouter d'autres catégories, telles que l'exploration spatiale, le traitement chimique et les secours en cas de catastrophe.

2.1. Applications militaires

Les réseaux de capteurs sans fil peuvent faire partie intégrante des systèmes militaires de commandement, de communication, de renseignement, de surveillance et de positionnement (C4ISRT). Déploiement rapide, auto-organisation et tolérance aux pannes sont les caractéristiques des réseaux de capteurs qui en font un outil prometteur pour résoudre les problèmes. Étant donné que les réseaux de capteurs peuvent reposer sur un déploiement dense de nœuds jetables et bon marché, la destruction de certains d’entre eux au cours d’opérations militaires n’affectera pas autant l’opération militaire que la destruction de capteurs traditionnels. L’utilisation de réseaux de capteurs est donc mieux adaptée aux combats. Énumérons quelques autres manières d'utiliser de tels réseaux : surveillance des armes et munitions des forces amies, observation des batailles ; orientation vers l'emplacement ; évaluation des dégâts causés par les batailles ; détection d'attaques nucléaires, biologiques et chimiques. Surveillance des forces amies, des armes et des munitions : les dirigeants et commandants peuvent surveiller en permanence l'état de leurs troupes, l'état et la disponibilité des équipements et des munitions sur le champ de bataille à l'aide de réseaux de capteurs. Chaque véhicule, équipement et munition critique peut être équipé de capteurs qui signalent leur état. Ces données sont collectées ensemble aux nœuds clés et envoyées aux gestionnaires. Les données peuvent également être transmises à des niveaux supérieurs de la hiérarchie des commandes pour être combinées avec des données provenant d'autres parties. Observations de bataille : les zones, chemins, routes et détroits critiques peuvent être rapidement couverts par des réseaux de capteurs pour étudier les activités des forces ennemies. Pendant les opérations ou après l'élaboration de nouveaux plans, des réseaux de capteurs peuvent être déployés à tout moment pour surveiller la bataille. Reconnaissance des forces et du terrain ennemis : des réseaux de capteurs peuvent être déployés dans des zones critiques, et des données précieuses, détaillées et opportunes sur les forces et le terrain ennemis peuvent être collectées quelques minutes avant que l'ennemi puisse les intercepter. Ciblage : les réseaux de capteurs peuvent être utilisés dans les systèmes de ciblage de munitions intelligents. Évaluation des dégâts après la bataille : immédiatement avant ou après une attaque, des réseaux de capteurs peuvent être déployés dans la zone cible pour collecter des données d'évaluation des dégâts. Détection des attaques nucléaires, biologiques et chimiques : lors de l'utilisation d'armes chimiques ou biologiques dont l'utilisation est proche de zéro, une détection rapide et précise des agents chimiques est essentielle. Les réseaux de capteurs peuvent être utilisés comme systèmes d’alerte en cas d’attaques chimiques ou biologiques, et les données collectées en peu de temps contribueront à réduire considérablement le nombre de victimes. Les réseaux de capteurs peuvent également être utilisés pour une reconnaissance détaillée une fois que de telles attaques sont détectées. Par exemple, il est possible d'effectuer une reconnaissance en cas de contamination radioactive sans exposer les personnes aux radiations.

2.2. Application environnementale

Quelques domaines de l'écologie où les réseaux de capteurs sont utilisés : suivi des mouvements des oiseaux, des petits animaux et des insectes ; surveiller l'état de l'environnement afin d'identifier son impact sur les cultures et l'élevage ; irrigation; surveillance de la Terre et exploration planétaire à grande échelle ; détection chimique/biologique ; détection des incendies de forêt; recherche météorologique ou géophysique; détection des inondations; et la recherche sur la pollution. Détection des incendies de forêt : étant donné que les particules peuvent être déployées de manière stratégique et dense dans une forêt, elles peuvent relayer l'origine exacte d'un incendie avant qu'il ne devienne incontrôlable. Des millions de capteurs peuvent être déployés en continu. Ils peuvent être équipés de panneaux solaires, car les nœuds peuvent rester sans surveillance pendant des mois, voire des années. Les particules travailleront ensemble pour effectuer des tâches de détection distribuées et surmonter les obstacles tels que les arbres et les rochers qui bloquent les capteurs filaires. Cartographier l'état biologique de l'environnement : nécessite des approches sophistiquées pour intégrer les informations à des échelles temporelles et spatiales. Les progrès de la technologie de télédétection et de la collecte automatisée de données ont considérablement réduit les coûts de recherche. L'avantage de ces réseaux est que les nœuds peuvent être connectés à Internet, ce qui permet aux utilisateurs distants de contrôler, surveiller et observer l'environnement. Bien que les capteurs satellitaires et aéroportés soient utiles pour observer une grande diversité, comme la complexité spatiale des espèces végétales dominantes, ils ne permettent pas d’observer les petits éléments qui constituent la majorité d’un écosystème. En conséquence, il est nécessaire de déployer sur le terrain des nœuds de réseau de capteurs sans fil. Un exemple d'application est la compilation d'une carte environnementale biologique d'une réserve naturelle du sud de la Californie. Trois sites sont couverts par un réseau, chacun comprenant 25 à 100 nœuds, utilisés pour la surveillance continue de l'environnement. Détection des inondations : Un exemple de détection des inondations est le système d’alerte aux États-Unis. Plusieurs types de capteurs placés dans le système d’alerte détectent les précipitations, les niveaux d’eau et la météo. Des projets de recherche tels que le projet COUGAR Device Database de l'Université Cornell et le projet DataSpace de l'Université Rutgers explorent différentes approches pour interagir avec des nœuds individuels sur un réseau afin d'obtenir des instantanés et des données à long terme. Agriculture : Les réseaux de capteurs ont également l’avantage de pouvoir surveiller en temps réel les niveaux de pesticides dans l’eau, les niveaux d’érosion des sols et les niveaux de pollution atmosphérique.

2.3. Application en médecine

Une application en médecine concerne les appareils pour personnes handicapées ; surveillance des patients; Diagnostique; surveiller l'utilisation des médicaments dans les hôpitaux; collecte de données physiologiques humaines; et surveiller les médecins et les patients dans les hôpitaux. Surveillance physiologique humaine : les données physiologiques collectées par les réseaux de capteurs peuvent être stockées pendant de longues périodes et peuvent être utilisées pour la recherche médicale. Les nœuds de réseau installés peuvent également surveiller les mouvements des personnes âgées et, par exemple, prévenir les chutes. Ces nœuds sont petits et offrent au patient une plus grande liberté de mouvement, tout en permettant aux médecins d'identifier à l'avance les symptômes de la maladie. De plus, ils contribuent à assurer une vie plus confortable aux patients par rapport au traitement hospitalier. Pour tester la possibilité d’un tel système, une « Healthy Smart Home » a été créée à la Faculté de Médecine de Grenoble – France. . Surveillance des médecins et des patients à l'hôpital : chaque patient dispose d'un nœud de réseau petit et léger. Chaque nœud a sa propre tâche spécifique. Par exemple, l’un peut surveiller la fréquence cardiaque tandis que l’autre prend la tension artérielle. Les médecins peuvent également disposer d'un tel nœud, cela permettra à d'autres médecins de les retrouver à l'hôpital. Surveillance des médicaments dans les hôpitaux : des nœuds peuvent être attachés aux médicaments, ce qui permet de minimiser les risques de délivrance d'un mauvais médicament. Ainsi, les patients disposeront de nœuds qui détermineront leurs allergies et les médicaments nécessaires. Les systèmes informatisés tels que décrits dans ont montré qu'ils peuvent aider à minimiser les effets secondaires d'une distribution erronée de médicaments.

2.4. Utilisation à la maison

Domotique : les nœuds intelligents peuvent être intégrés dans les appareils électroménagers tels que les aspirateurs, les fours à micro-ondes, les réfrigérateurs et les magnétoscopes. Ils peuvent communiquer entre eux et avec le réseau externe via Internet ou par satellite. Cela permettra aux utilisateurs finaux de gérer facilement leurs appareils chez eux, à la fois localement et à distance. Environnement intelligent : la conception d'un environnement intelligent peut avoir deux approches différentes, à savoir centrée sur l'humain ou centrée sur la technologie. Dans le cas de la première approche, l’environnement intelligent doit s’adapter aux besoins des utilisateurs finaux en termes d’interaction avec eux. Pour les systèmes centrés sur la technologie, de nouvelles technologies matérielles, des solutions réseau et des applications middleware doivent être développées. Des exemples de la manière dont les nœuds peuvent être utilisés pour créer un environnement intelligent sont décrits dans. Les nœuds peuvent être intégrés aux meubles et aux appareils électroménagers, ils peuvent communiquer entre eux et avec le serveur de salle. Un serveur de salle peut également communiquer avec d'autres serveurs de salle pour en savoir plus sur les services qu'ils peuvent offrir, tels que l'impression, la numérisation et la télécopie. Ces serveurs et nœuds de capteurs peuvent être intégrés dans des dispositifs embarqués existants et constituent des systèmes auto-organisés, autorégulés et adaptatifs basés sur le modèle de théorie du contrôle tel que décrit dans la réf.

3. Facteurs influençant le développement de modèles de réseaux de capteurs.

La conception des réseaux de capteurs dépend de nombreux facteurs, notamment la tolérance aux pannes, l'évolutivité, les coûts de production, le type d'environnement d'exploitation, la topologie du réseau de capteurs, les limitations matérielles, le modèle de communication et la consommation d'énergie. Ces facteurs sont pris en compte par de nombreux chercheurs. Cependant, aucune de ces études n’a pleinement pris en compte tous les facteurs qui influencent la conception du réseau. Ils sont importants car ils servent de lignes directrices pour développer le protocole ou les algorithmes des réseaux de capteurs. De plus, ces facteurs peuvent être utilisés pour comparer différents modèles.

3.1. tolérance aux pannes

Certains nœuds peuvent échouer en raison d'un manque de puissance, de dommages physiques ou d'interférences tierces. La défaillance d'un nœud ne devrait pas affecter le fonctionnement du réseau de capteurs. C'est une question de fiabilité et de tolérance aux pannes. Tolérance aux pannes : capacité à maintenir la fonctionnalité d'un réseau de capteurs sans défaillance en cas de panne d'un nœud. La fiabilité Rk(t) ou tolérance aux pannes d'un nœud est modélisée à l'aide d'une distribution de Poisson pour déterminer la probabilité d'absence de défaillance d'un nœud dans la période de temps (0 ; t). Il convient de prêter attention au fait que les protocoles et les algorithmes peuvent être orientés au niveau de tolérance aux pannes requis pour la construction de réseaux de capteurs. Si l’environnement dans lequel se trouvent les nœuds est moins sensible aux interférences, les protocoles peuvent alors être moins résilients. Par exemple, si des nœuds sont intégrés dans une maison pour surveiller les niveaux d’humidité et de température, les exigences en matière de tolérance aux pannes peuvent être faibles, car ces types de réseaux de capteurs ne peuvent pas tomber en panne et le « bruit » environnemental n’affecte pas leur fonctionnement. D’un autre côté, si les nœuds sont utilisés sur le champ de bataille à des fins de surveillance, la résilience doit alors être élevée puisque la surveillance est essentielle et que les nœuds peuvent être détruits lors d’opérations militaires. En conséquence, le niveau de tolérance aux pannes dépend de l’application des réseaux de capteurs et les modèles doivent être conçus en gardant cela à l’esprit.

3.2. Évolutivité

Le nombre de nœuds déployés pour étudier un phénomène peut être de l’ordre de centaines ou de milliers. Selon l'application, le nombre peut atteindre des valeurs extrêmes (millions). Les nouveaux modèles devraient être capables de gérer ce nombre de nœuds. Ils doivent également utiliser des réseaux de capteurs à haute densité, pouvant aller de quelques nœuds à plusieurs centaines sur une zone pouvant faire moins de 10 m de diamètre. La densité peut être calculée selon,

3.3. Coûts de production

Étant donné que les réseaux de capteurs sont constitués d’un grand nombre de nœuds, le coût d’un nœud doit être tel qu’il justifie le coût total du réseau. Si le coût du réseau est plus élevé que le déploiement de capteurs traditionnels, cela n’est alors pas justifié économiquement. En conséquence, le coût de chaque nœud devrait être faible. Désormais, le coût d'un nœud utilisant un émetteur Bluetooth est inférieur à 10 $. Le prix de PicoNode est d’environ 1 $. Par conséquent, le coût d’un nœud de réseau de capteurs doit être bien inférieur à 1 $ pour que leur utilisation soit économiquement justifiable. Le coût d'un nœud Bluetooth, considéré comme un appareil bon marché, est 10 fois plus élevé que le prix moyen des nœuds de réseau de capteurs. A noter que le nœud dispose également de quelques modules supplémentaires, tels qu'un module d'acquisition de données et un module de traitement de données (décrits dans la section 3.4.). De plus, ils peuvent être équipés d'un système de localisation ou d'un générateur d'énergie selon l'application des réseaux de capteurs. . En conséquence, le coût du nœud est une question difficile, étant donné la quantité de fonctionnalités, même à un prix inférieur à 1 dollar.

3.4. Caractéristiques matérielles

Un nœud de réseau de capteurs se compose de quatre composants principaux, comme le montre la Fig. 1 : unité d’acquisition de données, unité de traitement, émetteur et alimentation. La disponibilité de modules supplémentaires dépend de l'application des réseaux, par exemple, il peut y avoir des modules de localisation, un générateur d'énergie et un mobilisateur (MAC). Le module d'acquisition de données se compose généralement de deux parties : des capteurs et des convertisseurs analogique-numérique (ADC). Le signal analogique généré par le capteur sur la base du phénomène observé est converti en signal numérique à l'aide d'un CAN puis transmis à l'unité de traitement. Le module de traitement, qui utilise la mémoire intégrée, gère les procédures qui lui permettent de collaborer avec d'autres nœuds pour effectuer les tâches de surveillance assignées. L'unité émettrice (émetteur-récepteur) connecte le nœud au réseau. L’un des composants les plus importants du nœud est l’alimentation électrique. L'alimentation électrique peut être rechargée, par exemple, à l'aide de panneaux solaires.

La plupart des nœuds transmettant et collectant des données doivent connaître leur emplacement avec une grande précision. Par conséquent, un module de détermination de localisation est inclus dans le schéma global. Parfois, un mobilisateur peut être nécessaire pour déplacer l'unité selon les besoins afin d'accomplir les tâches assignées. Tous ces modules devront peut-être être hébergés dans un boîtier de la taille d'une boîte d'allumettes. La taille du nœud peut être inférieure à un centimètre cube et est suffisamment léger pour rester en l’air. Outre la taille, il existe d'autres restrictions strictes sur les nœuds. Ils doivent :
consomme très peu d'énergie,
travailler avec un grand nombre de nœuds à courtes distances,
ont de faibles coûts de production
être autonome et travailler sans supervision,
s'adapter à l'environnement.
Étant donné que les nœuds peuvent devenir indisponibles, la durée de vie d'un réseau de capteurs dépend de l'alimentation électrique des nœuds individuels. La nourriture est une ressource limitée en raison de restrictions de taille. Par exemple, la réserve d'énergie totale d'un nœud intelligent est d'environ 1 J. Pour le réseau de capteurs intégré sans fil (WINS), le niveau de charge moyen doit être inférieur à 30 LA pour garantir une longue durée de fonctionnement. Il est possible de prolonger la durée de vie des réseaux de capteurs en utilisant des batteries rechargeables, par exemple en obtenant de l'énergie de l'environnement. Les panneaux solaires sont un excellent exemple d’utilisation de la recharge. Le module de données de nœud peut être un dispositif optique passif ou actif, comme dans un nœud intelligent, ou un émetteur radiofréquence (RF). La transmission RF nécessite un module de modulation qui utilise une certaine bande passante, un module de filtrage, une démodulation, ce qui les rend plus complexes et plus coûteux. De plus, il peut y avoir des pertes dans la transmission des données entre deux nœuds du fait que les antennes sont situées à proximité du sol. Cependant, la communication radio est préférée dans la plupart des conceptions de réseaux de capteurs existantes car les fréquences de transmission des données sont faibles (généralement inférieures à 1 Hz) et les taux de cycle de transmission sont élevés en raison des courtes distances. Ces caractéristiques permettent l'utilisation de basses fréquences radio. Cependant, la conception d'émetteurs radio basse fréquence économes en énergie reste un défi technique, et les technologies existantes utilisées pour fabriquer des appareils Bluetooth ne sont pas assez efficaces pour les réseaux de capteurs car elles consomment beaucoup d'énergie. Bien que les processeurs soient de plus en plus petits et puissants, le traitement et le stockage du nœud restent son point faible. Par exemple, le module de traitement du nœud intelligent se compose d'un processeur Atmel AVR8535 à 4 MHz, d'un microcontrôleur avec 8 Ko d'instructions, d'une mémoire flash, de 512 octets de RAM et de 512 octets d'EEPROM. Ce module, qui dispose de 3 500 octets pour le système d'exploitation et de 4 500 octets de mémoire libre pour le code, utilise le système d'exploitation TinyOS. Le module de traitement d'un autre prototype de nœud lAMPS dispose d'un processeur SA-1110 59-206 MHz. Les nœuds IAMPS utilisent le système d'exploitation L-OS multithread. La plupart des tâches de collecte de données nécessitent la connaissance de la position du nœud. Étant donné que les nœuds sont généralement localisés de manière aléatoire et sans supervision, ils doivent coopérer à l'aide d'un système de localisation. La détection de localisation est utilisée dans de nombreux protocoles de routage de réseaux de capteurs (plus de détails dans la section 4). Certains proposent que chaque nœud dispose d'un module de système de positionnement global (GPS) fonctionnant avec une précision allant jusqu'à 5 mètres. L’article soutient qu’il n’est pas nécessaire d’équiper tous les nœuds d’un GPS pour que les réseaux de capteurs fonctionnent. Il existe une approche alternative, dans laquelle seuls certains nœuds utilisent le GPS et aident d'autres nœuds à déterminer leur position au sol.

3.5. Topologie du réseau

Le fait que les nœuds puissent devenir indisponibles et soient sujets à des pannes fréquentes rend la maintenance du réseau une tâche difficile. De centaines à plusieurs milliers de nœuds peuvent être localisés sur le territoire d'un réseau de capteurs. Ils se déploient à dix mètres les uns des autres. La densité de nœuds peut être supérieure à 20 nœuds par mètre cube. L’emplacement dense de nombreux nœuds nécessite une maintenance minutieuse du réseau. Nous examinerons les problèmes liés au maintien et à la modification de la topologie du réseau en trois étapes :

3.5.1. Le pré-déploiement et le déploiement des nœuds lui-même peuvent consister en une dispersion massive de nœuds ou en l'installation de chacun séparément. Ils peuvent être étendus :

Dispersé d'un avion,
en le plaçant dans une fusée ou un projectile
jeté par catapulte (par exemple, depuis un navire, etc.),
emplacement de l'usine
chaque nœud est placé individuellement par une personne ou un robot.
Bien que le grand nombre de capteurs et leur déploiement automatisé empêchent généralement leur placement selon un plan soigneusement conçu, les conceptions pour le déploiement initial doivent :
réduire les coûts d'installation,
éliminer le besoin de toute pré-organisation et pré-planification,
augmenter la flexibilité du placement,
promouvoir l’auto-organisation et la tolérance aux pannes.

3.5.2. Phase post-réseau

Une fois le réseau déployé, un changement dans sa topologie est associé à un changement dans les caractéristiques des nœuds. Listons-les :
position,
l'accessibilité (due aux interférences, au bruit, aux obstacles en mouvement, etc.),
charge de la batterie,
dysfonctionnements
changement dans les tâches assignées.
Les nœuds peuvent être étendus de manière statique. Cependant, les pannes d'appareils sont courantes en raison de l'épuisement ou de la destruction de la batterie. Des réseaux de capteurs avec une mobilité de nœud élevée sont possibles. De plus, les nœuds et les réseaux effectuent des tâches différentes et peuvent être soumis à des interférences intentionnelles. Ainsi, la structure d’un réseau de capteurs est sujette à de fréquents changements après son déploiement.

3.5.3. Phase de déploiement de nœuds supplémentaires

Des nœuds supplémentaires peuvent être ajoutés à tout moment pour remplacer des nœuds défectueux ou en raison de changements de tâches. L'ajout de nouveaux nœuds crée la nécessité de réorganiser le réseau. Faire face aux changements fréquents de topologie d'un réseau peer-to-peer, qui contient de nombreux nœuds et a des restrictions de consommation d'énergie très strictes, nécessite des protocoles de routage spéciaux. Cette question est abordée plus en détail dans la section 4.

3.6. Environnement

Les nœuds sont densément situés très près ou directement au sein du phénomène observé. Ainsi, ils opèrent sans surveillance dans des zones géographiques reculées. Ils peuvent travailler
aux carrefours très fréquentés,
à l'intérieur des grosses voitures
au fond de l'océan,
à l'intérieur d'une tornade,
à la surface de l'océan lors d'une tornade,
dans des zones contaminées biologiquement et chimiquement
sur le champ de bataille,
dans une maison ou un grand immeuble,
dans un grand entrepôt,
attaché aux animaux
attaché à des véhicules se déplaçant rapidement
dans un égout ou une rivière avec un cours d'eau.
Cette liste donne une idée des conditions dans lesquelles les nœuds peuvent fonctionner. Ils peuvent fonctionner sous haute pression au fond des océans, dans des environnements difficiles, parmi les débris ou sur le champ de bataille, à des températures extrêmes, comme dans la tuyère d'un moteur d'avion ou dans les régions arctiques, dans des endroits très bruyants où il y a beaucoup d'interférences.

3.7. Méthodes de transfert de données

Dans un réseau de capteurs multi-sauts, les nœuds communiquent sans fil. La communication peut être effectuée via des supports radio, infrarouges ou optiques. Afin d'utiliser ces méthodes à l'échelle mondiale, le support de transmission doit être disponible dans le monde entier. Une option radio consiste à utiliser les bandes industrielles, scientifiques et médicales (ISM), disponibles sans licence dans la plupart des pays. Certains des types de fréquences qui peuvent être utilisés sont décrits dans le Tableau international des fréquences contenu dans l'article S5 du Règlement des radiocommunications (Volume 1). Certaines de ces fréquences sont déjà utilisées dans la téléphonie sans fil et les réseaux locaux sans fil (WLAN). Pour les réseaux de capteurs de petite taille et à faible coût, un amplificateur de signal n'est pas requis. Selon , les limitations matérielles et les compromis entre l'efficacité de l'antenne et la consommation d'énergie imposent certaines restrictions sur le choix de la fréquence de transmission dans la gamme des ultra-hautes fréquences. Ils proposent également un ISM de 433 MHz en Europe et un ISM de 915 MHz en Amérique du Nord. Les modèles d'émetteurs possibles pour ces deux zones sont discutés dans. Les principaux avantages de l’utilisation des fréquences radio ISM sont la large gamme de fréquences et leur disponibilité mondiale. Ils ne sont pas liés à une norme spécifique, offrant ainsi une plus grande liberté pour mettre en œuvre des stratégies d'économie d'énergie dans les réseaux de capteurs. D’un autre côté, il existe diverses règles et restrictions, telles que des lois différentes et des interférences avec les applications existantes. Ces bandes de fréquences sont également appelées fréquences non réglementées. La plupart des équipements de nœuds actuels reposent sur l'utilisation d'émetteurs radio. Les nœuds sans fil IAMPS décrits dans utilisent des émetteurs 2,4 GHz compatibles Bluetooth et disposent d'un synthétiseur de fréquence intégré. La conception des nœuds de faible puissance est décrite dans l'ouvrage : ils utilisent un canal de transmission radio, qui fonctionne à une fréquence de 916 MHz. L'architecture WINS utilise également les communications radio. Une autre méthode de communication possible dans les réseaux de capteurs est l'infrarouge. La communication infrarouge est disponible sans licence et est protégée des interférences des appareils électriques. Les émetteurs IR sont moins chers et plus faciles à fabriquer. De nombreux ordinateurs portables, PDA et téléphones mobiles actuels utilisent une interface IR pour transmettre des données. Le principal inconvénient d’une telle communication est l’exigence d’une visibilité directe entre l’expéditeur et le destinataire. Cela rend la communication IR indésirable pour une utilisation dans les réseaux de capteurs en raison du support de transmission. Une méthode de transmission intéressante est utilisée par les nœuds intelligents, qui sont des modules de surveillance automatique et de traitement des données. Ils utilisent un support optique pour la transmission. Il existe deux schémas de transmission, passif utilisant un rétroréflecteur corner-cube (CCR) et actif utilisant une diode laser et des miroirs contrôlés (discutés dans). Dans le premier cas, une source lumineuse intégrée n'est pas nécessaire ; une configuration à trois miroirs (CCR) est utilisée pour transmettre le signal. La méthode active utilise une diode laser et un système de communication laser actif pour envoyer des faisceaux lumineux au récepteur prévu. Les exigences inhabituelles des applications de réseaux de capteurs rendent le choix des supports de transmission difficile. Par exemple, les applications marines nécessitent l’utilisation de milieux de transmission aquatiques. Ici, vous devez utiliser un rayonnement à ondes longues qui peut pénétrer la surface de l'eau. En terrain difficile ou sur le champ de bataille, des erreurs et davantage d'interférences peuvent survenir. De plus, il se peut que les antennes des nœuds n'aient pas la hauteur et la puissance de rayonnement requises pour communiquer avec d'autres appareils. Par conséquent, le choix du support de transmission doit s’accompagner de schémas de modulation et de codage fiables, qui dépendent des caractéristiques du canal de transmission.

3.8. Consommation d'énergie

Un nœud sans fil, étant un dispositif microélectronique, ne peut être équipé que d'une alimentation électrique limitée (

3.8.1. Connexion

Un nœud dépense un maximum d’énergie en communication, ce qui implique à la fois la transmission et la réception de données. On peut dire que pour les communications à courte distance avec une faible puissance de rayonnement, l'émission et la réception nécessitent à peu près la même quantité d'énergie. Les synthétiseurs de fréquence, les oscillateurs à commande de tension, les oscillateurs à verrouillage de phase (PLL) et les amplificateurs de puissance nécessitent tous de l'énergie, dont les ressources sont limitées. Il est important que dans ce cas nous ne considérions pas seulement la puissance active, mais également la consommation électrique lors du démarrage des émetteurs. Le démarrage de l'émetteur prend une fraction de seconde et consomme donc une quantité d'énergie négligeable. Cette valeur peut être comparée au temps de blocage PLL. Cependant, à mesure que le paquet transmis diminue, la puissance de démarrage commence à dominer la consommation d'énergie. En conséquence, il est inefficace d'allumer et d'éteindre constamment l'émetteur, car La majeure partie de l’énergie y sera consacrée. Actuellement, les émetteurs radio de faible puissance ont des valeurs Pt et Pr standards de 20 dBm et Pout proches de 0 dBm. A noter que PicoRadio dirigé vers Pc est à -20 dBm. La conception d'émetteurs de petite taille et à faible coût est discutée dans la source. Sur la base de leurs résultats, les auteurs de cet article, prenant en compte les estimations du budget et de la consommation d'énergie, estiment que les valeurs de Pt et Pr devraient être au moins un ordre de grandeur inférieures aux valeurs​​données ci-dessus.

3.8.2. Traitement de l'information

La consommation d'énergie lors du traitement des données est nettement inférieure à celle de la transmission de données. L’exemple décrit dans l’ouvrage illustre effectivement cet écart. Sur la base de la théorie de Rayleigh selon laquelle un quart de la puissance est perdue pendant la transmission, nous pouvons conclure que la consommation d'énergie pour transmettre 1 Ko sur une distance de 100 m sera approximativement la même que pour exécuter 3 millions d'instructions à une vitesse de 100 millions d'instructions. par seconde (MIPS)/W processeur. Par conséquent, le traitement local des données est essentiel pour minimiser la consommation d’énergie dans un réseau de capteurs multi-sauts. Par conséquent, les nœuds doivent disposer de capacités informatiques intégrées et être capables d’interagir avec l’environnement. Les limitations de coût et de taille nous amèneront à sélectionner les semi-conducteurs (CMOS) comme technologie de base pour les microprocesseurs. Malheureusement, ils ont des limites en matière d’efficacité énergétique. Le CMOS nécessite de l'énergie à chaque fois qu'il change d'état. L'énergie nécessaire pour changer d'état est proportionnelle à la fréquence de commutation, à la capacité (selon la zone) et aux fluctuations de tension. Par conséquent, la réduction de la tension d’alimentation constitue un moyen efficace de réduire la consommation d’énergie à l’état actif. La mise à l'échelle dynamique de la tension, abordée dans , cherche à adapter la puissance et la fréquence du processeur en fonction de la charge de travail. Lorsque la charge de calcul sur le microprocesseur est réduite, la simple réduction de la fréquence entraîne une réduction linéaire de la consommation d'énergie. Cependant, la réduction de la tension de fonctionnement entraîne une réduction quadratique de la consommation d'énergie. En revanche, toutes les performances possibles du processeur ne seront pas exploitées. Cela fonctionnera si l'on tient compte du fait que des performances maximales ne sont pas toujours requises et que, par conséquent, la tension et la fréquence de fonctionnement du processeur peuvent être adaptées de manière dynamique aux exigences de traitement. Les auteurs proposent des schémas de prédiction de la charge de travail basés sur le traitement adaptatif des profils de charge existants et sur l'analyse de plusieurs schémas déjà créés. D'autres stratégies permettant de réduire la puissance du processeur sont abordées dans . Il convient de noter que des circuits supplémentaires peuvent être utilisés pour coder et décoder les données. Des circuits intégrés peuvent également être utilisés dans certains cas. Dans tous ces scénarios, la structure du réseau de capteurs, les algorithmes et protocoles de fonctionnement dépendent de la consommation d’énergie correspondante.

4. Architecture du réseau de capteurs

Les nœuds sont généralement situés de manière aléatoire dans la zone d’observation. Chacun d’eux peut collecter des données et connaît l’itinéraire de transmission des données au nœud central, l’utilisateur final. Les données sont transmises à l'aide d'une architecture de réseau multi-sauts. Le nœud central peut communiquer avec le gestionnaire de tâches via Internet ou par satellite. La pile de protocoles utilisée par le nœud central et tous les autres nœuds est illustrée à la Fig. 3. La pile de protocoles comprend des informations d'alimentation et des informations de routage, contient des informations sur les protocoles réseau, aide à communiquer efficacement sur le support sans fil et facilite la collaboration entre nœuds. La pile de protocoles comprend la couche application, la couche transport, la couche réseau, la couche liaison de données, la couche physique, la couche de gestion de l'alimentation, la couche de gestion de la mobilité et la couche de planification des tâches. En fonction des tâches de collecte de données, différents types de logiciels d'application peuvent être créés au niveau de l'application. La couche de transport permet de maintenir le flux de données si nécessaire. La couche réseau assure le routage des données fournies par la couche transport. Étant donné que l'environnement est bruyant et que les nœuds peuvent bouger, le protocole MAC doit minimiser l'apparition de collisions lors de la transmission de données entre nœuds voisins. La couche physique est responsable de la capacité à transférer des informations. Ces protocoles aident les nœuds à effectuer des tâches tout en économisant de l'énergie. La couche de gestion de l'énergie détermine comment le nœud doit utiliser l'énergie. Par exemple, un nœud peut éteindre le récepteur après avoir reçu un message d'un de ses voisins. Cela vous aidera à éviter de recevoir un message en double. De plus, lorsqu’un nœud a une batterie faible, il informe ses voisins qu’il ne peut pas participer au routage des messages. Il utilisera toute l’énergie restante pour collecter des données. La couche de contrôle de mobilité (MAC) détecte et enregistre le mouvement des nœuds, de sorte qu'il existe toujours un itinéraire pour que les données se déplacent vers le nœud central et que les nœuds puissent déterminer leurs voisins. Et connaissant ses voisins, un nœud peut équilibrer sa consommation d’énergie en travaillant avec eux. Le gestionnaire de tâches planifie et planifie la collecte d'informations pour chaque région séparément. Tous les nœuds d’une même région ne sont pas nécessaires pour effectuer des tâches de détection en même temps. En conséquence, certains nœuds effectuent plus de tâches que d’autres, en fonction de leur puissance. Toutes ces couches et modules sont nécessaires pour que les nœuds travaillent ensemble et s'efforcent d'atteindre une efficacité énergétique maximale, d'optimiser l'itinéraire de transmission des données dans le réseau et de partager également les ressources de chacun. Sans eux, chaque nœud fonctionnera individuellement. Du point de vue de l'ensemble du réseau de capteurs, il est plus efficace si les nœuds travaillent ensemble, ce qui contribue à prolonger la durée de vie du réseau lui-même. Avant d'aborder la nécessité d'inclure des modules et des couches de contrôle dans le protocole, nous passerons en revue trois travaux existants sur la pile de protocoles, illustrés à la figure 3. Le modèle WINS, discuté dans la source, dans lequel les nœuds sont connectés dans un réseau distribué. et avoir accès à Internet. Étant donné qu'un grand nombre de nœuds du réseau WINS sont situés à une courte distance les uns des autres, les communications multi-sauts réduisent la consommation d'énergie au minimum. Les informations environnementales reçues par le nœud sont transmises séquentiellement au nœud central ou à la passerelle WINS via d'autres nœuds, comme le montre la figure 2 pour les nœuds A, B, C, D et E. La passerelle WINS communique avec l'utilisateur via des protocoles réseau normaux tels que l'Internet . La pile de protocoles réseau WINS comprend une couche application, une couche réseau, une couche MAC et une couche physique. Nœuds intelligents (ou motes). Ces nœuds peuvent être attachés à des objets ou même flotter dans les airs en raison de leur petite taille et de leur poids. Ils utilisent la technologie MEMS pour la communication optique et l'acquisition de données. Les Motes peuvent avoir des panneaux solaires pour se recharger pendant la journée. Ils nécessitent une ligne de vue pour communiquer avec la station de base de l'émetteur optique ou un autre point. En comparant l'architecture du réseau Mote avec celle présentée dans la figure 2, nous pouvons dire que les nœuds intelligents communiquent généralement directement avec l'émetteur de la station de base, mais qu'une communication individuelle est également possible. Une autre approche du développement de protocoles et d'algorithmes pour les réseaux de capteurs repose sur les exigences de la couche physique. Les protocoles et les algorithmes doivent être conçus en fonction du choix des composants physiques, tels que le type de microprocesseurs et le type de récepteurs. Cette approche ascendante est utilisée dans le modèle IAMPS et prend également en compte la dépendance de la couche application, de la couche réseau, de la couche MAC et de la couche physique par rapport au matériel hôte. Les nœuds IAMPS interagissent avec l'utilisateur final de la même manière que dans l'architecture illustrée à la figure 2. Divers schémas, tels que le canal à répartition dans le temps (TDMA) ou le canal à répartition en fréquence (FDMA) et la modulation binaire ou modulation M, sont comparés dans le source. L'approche ascendante signifie que les algorithmes du nœud doivent connaître le matériel et utiliser les capacités des microprocesseurs et des émetteurs pour minimiser la consommation d'énergie. Cela peut conduire au développement de différentes conceptions d’assemblage. Et différentes conceptions de nœuds conduiront à différents types de réseaux de capteurs. Ce qui conduira à son tour au développement de divers algorithmes pour leur fonctionnement.

Littérature

1. G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Rapport final sur l'atelier d'interaction sur les questions de recherche pour les environnements intelligents, IEEE Personal Communications (octobre 2000) 36-40.
2. J. Agre, L. Clare, Une architecture intégrée pour les réseaux de détection coopérative, IEEE Computer Magazine (mai 2000) 106-108.
3. SI. Akyildiz, W. Su, A power conscient Enhanced Routage (PAER) Protocol for Sensor Networks, Georgia Tech Technical Report, janvier 2002, soumis pour publication.
4. A. Bakré, B.R. Badrinath, I-TCP : Indirect TCP for Mobile Hosts, Actes de la 15e Conférence internationale sur les systèmes informatiques distribués, Vancouver, Colombie-Britannique, mai 1995, p. 136-143.
5. P. Bauer, M. Sichitiu, R. Istepanian, K. Premaratne, Le patient mobile : réseaux de capteurs distribués sans fil pour la surveillance et les soins des patients, Actes 2000 Conférence internationale IEEE EMBS sur les applications des technologies de l'information en biomédecine, 2000, pp. 17-21.
6. M. Bhardwaj, T. Garnett, A.P. Chandrakasan, Limites supérieures de la durée de vie des réseaux de capteurs, Conférence internationale de l'IEEE sur les communications ICC'01, Helsinki, Finlande, juin 2001.
7. P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, Interroger le monde physique, IEEE Personal Communications (octobre 2000) 10-15.

Le jour approche où des centaines de millions de capteurs à semi-conducteurs seront intégrés dans tout ce qui est possible, du porte-clés à la poussette. Et tous pourront non seulement agir comme des capteurs intelligents, mais également effectuer un traitement primaire de l'information et également interagir les uns avec les autres, formant un seul réseau de capteurs sans fil. De plus, de tels capteurs ne consommeront pratiquement pas d'électricité, puisque les batteries miniatures intégrées dureront plusieurs années, c'est-à-dire pendant toute la durée de vie des capteurs. Il s’agira d’un nouveau type de système informatique fonctionnant à l’aide d’un réseau de capteurs sans fil. Un tel réseau est généralement appelé réseaux de capteurs sans fil ad hoc. Le terme Ad-hoc est emprunté aux réseaux sans fil modernes fonctionnant, par exemple, selon la norme IEEE 802.11b. De tels réseaux sans fil ont deux modes d'interaction : le mode Infrastructure et le mode Ad-hoc. En mode Infrastructure, les nœuds du réseau n'interagissent pas directement entre eux, mais via un point d'accès (Access Point), qui agit comme une sorte de hub dans un réseau sans fil (similaire à ce qui se passe dans les réseaux câblés traditionnels). En mode Ad-hoc, également appelé Peer-to-Peer, les stations communiquent directement entre elles. Ainsi, dans les réseaux de capteurs sans fil, le mode Ad-hoc signifie que tous les capteurs interagissent directement les uns avec les autres, créant ainsi une sorte de réseau cellulaire.

Les réseaux de capteurs sans fil sont une sorte d'étape vers la transition vers la prochaine ère - lorsque les ordinateurs seront directement connectés au monde physique et seront capables de deviner les désirs des utilisateurs, ainsi que de prendre des décisions à leur place.
Rêvons un peu à ce que de tels réseaux de capteurs nous apporteront dans le futur. Imaginez des berceaux écoutant les bébés respirer ; des bracelets qui surveillent l'état des patients à la clinique ; des détecteurs de fumée, qui peuvent non seulement appeler les pompiers si nécessaire, mais aussi les informer à l'avance de la source de l'incendie et du degré de complexité de l'incendie. Les appareils électroniques seront capables de se reconnaître, les sources d’énergie leur rappelleront qu’ils doivent « faire le plein ».

Imaginez des centaines de milliers de capteurs mis en réseau dans une forêt. Il sera tout simplement impossible de se perdre dans une telle forêt, puisque les mouvements d’une personne seront enregistrés et analysés par des capteurs. Un autre exemple est celui des capteurs installés sur le terrain, configurés pour surveiller l'état du sol et, en fonction des conditions changeantes, réguler l'arrosage et la quantité d'engrais appliquée.
Les réseaux de capteurs sur les routes n’en seront pas moins utiles. En communiquant entre eux, ils pourront réguler la fluidité du trafic. C'est le rêve de tout conducteur : des routes sans embouteillages ! De tels réseaux seront en mesure de s’acquitter de cette tâche bien plus efficacement que n’importe quel ministère. Problème de contrôle
les infractions au code de la route seront résolues d'elles-mêmes.

L’utilisation de réseaux de capteurs pour gérer l’alimentation électrique permettra de réaliser d’incroyables économies d’énergie. Imaginez un tel réseau de contrôle dans votre appartement. En suivant votre position, les capteurs pourront éteindre les lumières derrière vous et les allumer si nécessaire. Eh bien, si vous utilisez de tels réseaux pour contrôler l'éclairage des rues et des routes, le problème du manque d'électricité disparaîtra de lui-même. Pour que les réseaux de capteurs deviennent une réalité de demain, des recherches dans ce sens sont déjà en cours aujourd’hui. Et le leader dans ce domaine est Intel Corporation, qui prend en charge toutes les technologies informatiques avancées du futur. Une attention particulière est accordée au développement de réseaux de capteurs multi-nœuds sans fil capables de se former et de se configurer automatiquement selon les besoins. La mise en œuvre de cette technologie permettra de déployer un réseau de dispositifs de capteurs à semi-conducteurs peu coûteux, mais en même temps très complexes, capables d'établir indépendamment une communication entre eux, rendant compte de certains changements dans l'environnement. Par exemple, le capteur Mica est équipé de 128 kilo-octets de mémoire flash programme, de 256 kilo-octets de mémoire flash pour le stockage des données et d'un émetteur radio fonctionnant à une fréquence de 900 MHz.
Certains de ces appareils exécutent un système d'exploitation
TinyOS, ce système d'exploitation est open source et se compose uniquement de
8,5 Ko.

De tels dispositifs trouveront des applications dans des domaines fondamentalement nouveaux, par exemple dans le développement de vêtements intelligents, de couvertures connectées qui surveilleront la santé d'un nouveau-né et signaleront ses signes vitaux, dans l'agriculture intelligente, dans laquelle des capteurs à semi-conducteurs installés dans le sol géreront l'irrigation.
système et fertilisation. Intel est engagé dans la recherche sur les réseaux de capteurs
le célèbre laboratoire Intel Berkeley Research situé en Californie. Les réseaux de capteurs expérimentaux existants aujourd’hui ne satisfont que partiellement aux exigences ci-dessus. Ainsi, les réseaux ne sont aujourd’hui constitués que de centaines de capteurs avec une zone de couverture limitée et n’effectuent que des tâches clairement définies. Ils sont capables de transmettre uniquement un certain type d’informations d’un capteur à un autre et uniquement dans une bande passante donnée. La consommation d'énergie n'est pas non plus négligeable
- La charge de la batterie ne dure que quelques jours. Les capteurs tactiles existants sont encore assez inertes et une fiabilité élevée et un fonctionnement discret (ne serait-ce qu'en raison de leur taille) sont hors de question. Et bien sûr, ces capteurs sont assez chers, donc un réseau composé de centaines de capteurs n’est pas bon marché. Mais il ne faut pas oublier que nous parlons de réseaux expérimentaux et de développement de technologies futures. Dans le même temps, les réseaux de capteurs expérimentaux présentent déjà des avantages. L'un de ces réseaux de capteurs, une collaboration entre le laboratoire de recherche Intel Berkeley, l'Atlantic Institute et l'Université de Californie, fonctionne sur Great Duck Island, dans le Maine.

Ce réseau a pour objectif d'étudier les microhabitats des différents organismes biologiques habitant l'île.
Toute intervention humaine (même à des fins d'étude) est parfois inutile,
C'est ici que les réseaux de capteurs viennent à la rescousse, permettant de collecter toutes les informations nécessaires sans participation humaine directe.

Le réseau de capteurs utilise deux cartes comme éléments de nœud. La première carte contient un capteur de température, des capteurs d'humidité et de pression barométrique et un capteur infrarouge. La deuxième carte contient un microprocesseur (fréquence 4 MHz), 1 Ko de RAM, une mémoire flash pour stocker les programmes et les données, une source d'alimentation (deux piles AA) et un émetteur radio/
récepteur fonctionnant à 900 MHz. Les capteurs vous permettent d'enregistrer toutes les informations nécessaires et de les transférer vers la base de données de l'ordinateur hôte. Tous les capteurs sont d'abord soumis à des tests approfondis : la carte avec les capteurs est immergée dans l'eau pendant deux jours et sa fonctionnalité est surveillée. Tous les nœuds de capteurs forment un seul réseau sans fil et sont capables d'échanger des informations. Dans ce cas, le transfert d'informations d'un nœud de réseau distant vers la passerelle (Gateway Sensor) s'effectue le long d'une chaîne, c'est-à-dire d'un nœud de réseau à un autre, ce qui permet de créer une large zone de couverture.

Grâce à la passerelle, les informations parviennent à l'ordinateur hôte. La passerelle utilise une antenne directionnelle, qui permet d'augmenter la distance de transmission jusqu'à 300 M. Depuis l'ordinateur principal, les informations sont transmises par communication satellite via Internet vers un centre de recherche situé en Californie.

Le personnel du laboratoire n'est pas moins actif dans les travaux sur la biologie de précision et la création de biopuces. En plus de la perception sensorielle du monde des choses solides, la possibilité de « ressentir » des milieux liquides et des objets biologiques en développement est à l'étude. De telles recherches ouvrent d'énormes perspectives pour le développement médical et pharmaceutique, les procédés chimiques et la production de médicaments biologiques. L'objectif principal des réseaux de capteurs étant la perception et la transmission d'informations utiles, les spécialistes d'Intel Berkeley Lab s'affairent à développer une technique permettant de combiner des capteurs avec des objets qu'ils sont chargés de surveiller, et explorent également la possibilité de créer des « actionneurs » - des capteurs. -des appareils basés sur des dispositifs qui permettent d'influencer la situation, et pas seulement d'enregistrer son état. Les réseaux de capteurs sont évidemment utiles pour les applications militaires ; une variante possible du réseau a été testée lors de combats en Afghanistan, où l’armée américaine a déployé plusieurs centaines de capteurs pour suivre les mouvements des équipements militaires ennemis. Cependant, à propos de la mise en œuvre
Il est trop tôt pour parler de véritables réseaux dans nos vies ; le réseau est vulnérable en termes de tolérance aux pannes. Une attaque par déni de service (DoS) dans un réseau de capteurs est tout événement qui réduit ou élimine la capacité du réseau à remplir sa fonction prévue. Les auteurs proposent de baser les protocoles de réseau de capteurs sur une architecture multicouche, ce qui pourrait nuire à l'efficacité du réseau, mais augmenterait sa fiabilité. Les types d'attaques DoS typiques pour chaque couche et les méthodes de défense acceptables sont discutés. Ainsi, aujourd’hui, malgré leurs imperfections et leur champ d’application encore assez restreint, les réseaux de capteurs trouvent des applications dans la science, et plus tard dans la vie.

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