Ces dernières années ont vu naître un nouveau type de réseaux appelés Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF), grâce notamment aux progrès récents dans la microélectronique et les technologies de transmission sans fil.
Actuellement, plusieurs Capteurs Sans Fil (CSF) ayant approximativement les mêmes caractéristiques sont réalisés afin de répondre aux besoins de la recherche et de l‘industrie. Cependant tous ces capteurs (TmoteSky, Mica Mote, BTnode, µNode, EyesIFX,…) ont des capacités limitées et ils ne sont adaptés qu‘à la réalisation d‘un capteur simple (sensor) : température, humidité, luminosité, radiation, vibration, …
Matériel LiveNode
OS embarqué LIMOS
Routage CIVIC
Localisation LCD-GPS
2.1
Les plateformes existantes
Différentes plateformes existent. Elles diffèrent par le microcontrôleur utilisé, le système d‘exploitation embarqué, le support de communication sans fil et sa portée, la consommation électrique, la taille, le prix …
Parmi les capteurs sans fil existant, les plus connus sont Tmote Sky, MICAx (Mica2, MicaZ, Mica2dot), BTnode, µNode et EyesIFX.
Le Tableau IV—1 compare 5 plateformes très connues dans le monde de la recherche.
Tmote Sky MICA2 BTnode µNode EyesIFX
Photo
µContrôleur MSP430F1611 ATMEGA 128L ATMEGA 128L MSP430 MSP430F1611
Fréquence 8 MHz 8 MHz 8 MHz 4.6 MHz 8 MHz RAM 10 kB 4 kB 64 + 180 kB 10 kB 10 kB ROM 48 kB 128 kB 128 kB 48 kB 48 kB Interface - 6 GPIO - 6 ADC - I2C, SPI, USB - DIO - 8 ADC - 2 UART, I2C, SPI - GPIO - ADC - UART, I2C, SPI - 8 GPIO - 8 ADC et 2 DAC - JTAG, I2C, SPI, USART - DIO - ADC - SPI Senseur (capteur) humidité,
luminosité, température humidité, luminosité, température humidité, luminosité, IR, température, microphone, accéléromètre (2 axes) humidité, luminosité, température, mouvement luminosité, température, RSSI
OS embarqué TinyOS TinyOS BTnut, TinyOS AmbientRT,
TinyOS compatible TinyOS Emetteur/récepteur Chipcon CC2420 (802.15.4) CC1000 ( - ) CC1000 (Bluetooth) - TDA5250 Portée - Extérieur - Intérieur - 125 m - 50 m - 152.40 m - - m - >100 m - - m - 200 m - 50 m - - m - 15-30 m Source d‘énergie 2 piles AA (2.1 –
3.6V) 2 piles AA DC (3.8 – 5V) ou 2 piles AA 2 piles AA (2.7 – 3.6V) Pile bouton Consommation - Au repos - RX/TX - 5.1 µA - 19.5 / 21.8 mA - 16 µA - 18 / 35 mA - 9.9 mW (moy.) - 105.6 mW (moy) - 2.5 µA - 9 / 12.5 mA - 0.2 mA - 9 / 12 mA Prix $130 $169 $165 - ≈300 €/5 capteurs
Tableau IV—1 Comparaison entre les CSF existants [65]
Les plateformes existantes ont toutes des architectures matérielles similaires (équivalentes). Elles sont basées sur des microcontrôleurs RISC 8 ou 16 bits à faible consommation d‘énergie. Pour la communication sans fil, la nouvelle tendance est d‘utiliser le standard ZigBee (IEEE 802.15.4) comme médium d‘accès sans fil.
Une comparaison plus étendue ainsi que d‘autres plateformes peuvent être trouvés dans [65]. La réalisation des RCSF nécessite d‘avoir une architecture matérielle et logicielle dédiée à cause des contraintes de ressources. Cependant comme le RCSF est un domaine de recherche très récent et ses domaines d‘applications sont très larges et variés, il est nécessaire de développer un capteur avec plus de fonctionnalités pour permettre ainsi de prototyper rapidement une application bien déterminée. Le but étant d‘avoir un CSF qui permet de valider une application en vérifiant sa faisabilité en termes de fonctionnalités (coopération, protocole de communication, prise en compte de la
contrainte énergétique (energy-aware), gestion des événements, gestion du multitâche, …) et de consommation des ressources. Un tel capteur permet aussi de valider des concepts logiciels et matériels afin de minimiser la consommation énergétique, la taille du capteur et les pannes. Enfin, après le prototypage, il permet par la suite de développer un capteur optimal dédié à l‘application désirée.
Le domaine d‘applications des RCSF est très vaste et plusieurs problèmes restent encore ouverts et non-résolus (la consommation électrique, la taille, le coût, la fiabilité, …). Pour élargir le champ d‘application des CSF, nous proposons un CSF (nœud) versatile appelé LiveNode qui permet de prototyper rapidement une application. Ce CSF peut être utilisé pour différents domaines d‘applications comme la télémédecine, la communication inter-véhicule (Projets MobiPlus et SUAB), la collecte de données environnementales (NeT-ADDED, New Technologies to Avoid Digital Division in e-Divided areas), etc.
2.2
Le LiveNode
La plateforme matérielle utilisée dans toutes nos expérimentations est basée sur un capteur appelé LiveNode [51](LIMOS20 Versatile Embedded Node). Ce capteur (nœud) a été développé par notre équipe de recherche (SMIR, Systèmes Multi-sonsoriels Intégrés Intelligents Répartis). Il permet de prototyper rapidement une application bien déterminée. Il a été utilisé dans plusieurs applications comme la télémédecine (capteur de détection de l‘arythmie cardiaque [66]), la communication inter- véhicules (projet MobiPlus [58]), collecte de données environnementales (projet européen NeT- ADDDED21).
Le LiveNode est l‘association d‘une architecture matérielle et d‘un système d‘exploitation embarqué LIMOS (Lightweight Multithreading Operating System) afin de permettre la réalisation d‘un prototype d‘une application très rapidement.
Figure IV- 2 Le LiveNode (deux générations)
(A gauche, une ancienne version du LiveNode, elle utilise le microcontrôleur LPC2106 de Philips Semiconductors [61].)
Le LiveNode est une petite carte électronique de 70x55mm. Il est alimenté avec une batterie standard 9V.
20
LIghtweight Multi-threading Operating System
21 microcontrôlleur GPS ZigBee GPS Antenna Zigbee Antenna GPS chip Zigbee chip LPC2106 micro- controller
Le LiveNode, comme le montre la Figure IV- 3, est composé de :
- Un microcontrôleur à base d‘un cœur ARM7TDMI (ATMEL AT91SAM7S256) [62][63]
- Un médium d‘accès sans fil ZigBee (XBee Pro [68]) pour assurer la communication sans fil. L‘utilisation d‘un médium d‘accès sans fil WiFi est aussi possible (si l‘application en a besoin). Le choix a été porté sur ce module pour les raisons suivantes : le coût (25 €) – la portée de 1 mile (1.852 km) à l‘extérieur et 200m à l‘intérieur. Il est à noter que la portée du Wi-Fi est de 200m à l‘extérieur. Pour la plupart d‘apllications, le besoin en terme de bande passante est relativement faible (256000 baud/s).
- Un récepteur GPS en option (selon les besoins de l‘application).
Figure IV- 3 Un ensemble de LiveNodes
Microcontrôleur
LIMOS a été porté avec succès sur différents microcontrôleurs; la dernière version utilise un ATMEL AT91SAMSS256 qui est basé sur un ARM7TDMI. Les principales caractéristiques de ce processeur sont :
- 64 Ko de mémoire SRAM et 256 Ko de mémoire Flash,
- 2 USART (plus un 3ième pour le débogage) et un port USB esclave, - une interface SPI Maître/Esclave,
- un contrôleur synchrone série (SSC), - un support d'interface I2S,
- 1 convertisseur A/D 8 voies 10 bits, - 9 voies DMA,
- 1 contrôleur parallèle IN/OUT et 3 timers.
La fréquence d‘horloge de l‘AT91SAM7S256 peut être configurée entre 500 Hz et 55 MHz. Ainsi, il est possible de trouver un compromis entre performance et consommation en réglant la fréquence du processeur.
Le médium d’accès sans fil :
Le LiveNode peut être équipé de trois types différents de médium d‘accès sans fil : Wi-Fi (IEEE 802.11b), ZigBee (IEEE 802.15.4) ou MODEM GSM (GPRS). De ce fait, pour réaliser un
capteur sans fil multi-support on peut connecter 2, 3 ou 4 LiveNodes équipés de différents médiums d‘accès ensemble (via l‘interface SPI par exemple).
Figure IV- 4 Le multi-support WiFi-ZigBee (2 LiveNodes connectés ensemble)
Selon l‘application on peut choisir le médium d‘accès le plus approprié. Le Wi-Fi est très intéressant pour se connecter à Internet et il est indispensable pour des applications comme : smart- care, smart-home, … Le module Wi-Fi utilisé est le Wi-EM de Digi International Inc. Il a une portée de 200m à l‘extérieur et consomme 400mA [64].
Le ZigBee est mieux adapté pour les applications qui ne nécessitent pas une bande passante importante. Il a une portée plus grande que le Wi-Fi à l‘extérieur et une portée équivalente au WiFi à l‘intérieur. De plus, sa consommation d‘énergie et son coût sont inférieurs à ceux du module WiFi existant sur le marché.
Etude de coûts
Le LiveNode n‘est qu‘une plateforme expérimentale et il n‘est pas un produit commercial. Cependant, une version du LiveNode (µContrôleur + ZigBee + GPS) peut être évaluée à environ 200 €. Ce coût est dû à la fabrication en faible quantité.
Comparaison avec les autres CSF existants :
Le LiveNode (son microcontrôleur) dispose de plus de ressources (CPU et mémoire) que les autres CSF existants. De ce fait, il permet de prototyper rapidement une application dans différents domaines plus ou moins complexes qui ont besoins plus ou moins de ressources comme la télémédecine, la communication inter-véhicule, la collecte de données environnementales, … Par conséquent, le LiveNode consomme plus d‘énergie que les CSF existants. Le liveNode est utilisé comme plateforme expérimentale pour valider certains concepts comme le respect des contraintes énergétiques (energy-aware), l‘architecture collaborative (coopération entre composants), …
Il n‘y a qu‘une seule plateforme qui a le GPS en option : EnRoute400 [65]. Il est donc nécessaire de développer notre propre plateforme.
2.3
La station de base (ZigBee/Wi-Fi)
Cette station est réalisée aussi au laboratoire LIMOS. Elle est reliée à un ordinateur (portable) via une liaison série RS-232.
Figure IV- 5 La station ZigBee
Cette station permet notamment de recevoir les données diffusées par la liaison sans fil. Elle est utilisée aussi pour communiquer avec les LiveNodes en leur envoyant des messages de contrôle.
Pour le GPS, elle permet de demander à une station de base de fournir sa position actuelle, sa position moyenne, l‘écart-type de sa position, l‘heure ainsi que la correction actuelle (différence simple).
Elle peut servir aussi comme station Wi-Fi, il suffit de brancher un module Wi-Fi (Wi-EM de Digi International Inc) au lieu du module ZigBee (Digi International Inc) sur l‘emplacement prévu.
Dans toutes nos expérimentations sur le LCD-GPS, nous n‘avons utilisé que des LiveNodes et des stations de base (ou de contrôle) équipés avec des modules ZigBee.