Description d’un r´eseau de capteurs sans fil

2.1.2.1 D ´efinition

Les r´eseaux de capteurs sans fil - Wireless Sensor Networks (WSN) - sont consi- d´er´es comme un type sp´ecial de r´eseaux ad hoc. Les nœuds de ce type de r´eseaux consistent en un grand nombre de micro-capteurs capables de r´ecolter et de trans- mettre des donn´ees environnementales d’une mani`ere autonome (Akyildiz et al., 2002). La position de ces nœuds n’est pas obligatoirement pr´ed´etermin´ee. Ils sont dispers´es al´eatoirement `a travers une zone g´eographique(R´egion de captage), qui d´efinit le terrain d’int´erˆet pour le ph´enom`ene capt´e. Les donn´ees capt´ees sont ache- min´ees, la plupart du temps, grˆace `a un routage multi-saut `a un nœud consid´er´e comme un “point de collecte”, appel´e sink ou centre de fusion (figure 2.4).

Figure 2.4 – Exemple d’un r´eseau de capteurs sans fil.

Ce dernier peut ˆetre connect´e `a l’utilisateur du r´eseau via Internet ou un satellite. Ainsi, l’usager peut adresser des requˆetes aux autres nœuds du r´eseau, pr´ecisant le type de donn´ees requises et r´ecolter les donn´ees environnementales capt´ees par le biais du nœud puits.

2.1.2.2 Propri ´et ´es

- Densit´e « importante » des nœuds :

Les r´eseaux de capteurs sans fil sont des r´eseaux de plusieurs centaines (voire des milliers) de capteurs qui sont destin´es `a ˆetre d´eploy´es en pratique. On compte sur le nombre plutˆot que la qualit´e des capteurs pour obtenir des r´esul- tats de bonne qualit´e. Nous visons donc `a avoir des r´eseaux de capteurs denses. Le coˆut et le format des capteurs permettent de construire des r´eseaux `a grand d´eploiement.

- D´eploiement des nœuds :

La r´epartition g´eographique exacte des nœuds n’est pas pr´evisible (si l’on consi- d`ere un mod`ele r´ealiste tout du moins) : un cas classique pour mettre en place un r´eseau de capteurs est de simplement ’jeter’ les capteurs dans une zone g´eographique (par voie a´erienne par exemple) en essayant de les r´epartir ’au mieux’ mais sans les d´eposer `a des coordonn´ees pr´ecises. L’avantage des r´eseaux (denses) de capteurs ´etant justement que la probabilit´e de couvrir la zone d’in- t´erˆet est ´elev´ee mˆeme en d´eployant des capteurs avec une faible pr´ecision, du fait de leur nombre. Par ailleurs, un r´eseau peut ˆetre homog`ene (nœuds sont du mˆeme type) ou h´et´erog`enes.

- Protocoles robustes :

Du fait d’une production ’en masse’ des capteurs, il devient tout `a fait probable qu’un certain nombre d’entre eux soient d´efaillants ce qui implique que les protocoles doivent ˆetre robustes et tenir compte de cette contrainte.

- Topologie dynamique :

Un des aspects originaux des r´eseaux de capteurs r´eside dans la dynamique de leur topologie, c’est `a dire que les nœuds peuvent ˆetre mobiles. C’est notamment le cas avec des r´eseaux form´es par des robots, ou encore lorsque les capteurs eux-mˆemes sont plac´es sur des entit´es mobiles. Il est donc clair, du fait de ces sp´ecifications, que la r´ealisation des protocoles permettant l’exploitation des r´eseaux de capteurs n’est pas triviale.

- Localit´e :

Le principe de localit´e, notamment, est `a privil´egier, c’est `a dire exploiter les donn´ees d´ej`a poss´ed´ees par un nœud pour r´eduire au maximum les communi- cations.

- Pannes fr´equentes :

La communication dans le r´eseau, entre capteurs, avec l’utilisateur ou avec un point de contrˆole, est susceptible d’entrainer des erreurs, coˆuteuses et bruyantes. Puisque la topologie du r´eseau est dynamique, alors les capteurs peuvent tom- ber en panne ou ˆetre corrompus. Les ondes radio sont de courte port´ee pour

empˆecher la collision dans les transmissions. Les donn´ees doivent voyager `a travers un grand nombre de capteurs pour arriver `a destination. `A chaque d´eplacement, il y a une probabilit´e d’avoir des erreurs ou un capteur en panne.

2.1.2.3 Domaine d’application

Les propri´et´es des r´eseaux de capteurs sans fil leurs permettent d’envahir plu- sieurs domaines d’applications (Kuorilehto et al., 1900). En effet, ils se r´ev`elent tr`es utiles dans de nombreuses applications lorsqu’il s’agit de collecter et de traiter des informations provenant de l’environnement. Les WSNs peuvent offrir de meilleures contributions dans plusieurs domaines `a savoir : Militaire, s´ecurit´e, environnemental, domestique, sant´e, etc. Des exemples d’applications potentielles dans ces diff´erents domaines sont expos´es ci-dessous.

a. Applications militaires

Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a ´et´e un moteur initial pour le d´eveloppement des r´eseaux de capteurs. Les propri´et´es de WSN comme le d´eploiement rapide, le coˆut r´eduit, l’auto-organisation et la tol´erance aux pannes rendent ce type de r´eseaux efficace dans le domaine militaire. Ils peuvent ˆetre utilis´e pour surveiller toutes les activit´es des forces ennemies, ou d’analyser le terrain avant d’y envoyer des troupes (figure 2.5).

Figure 2.5 – Exemple d’une application militaire.

b. Applications `a la s ´ecurit ´e

Au niveau de la s´ecurit´e des constructions, les capteurs peuvent ˆetre int´egr´es dans les murs ou le b´eton d’un bˆatiment afin de d´etecter un s´eisme ou un vieillis- sement, sans alimentation ´electrique ou autres connexions filaires. Dans ce cas, les capteurs doivent fonctionner durant des ann´ees, voir des d´ecennies. Ces capteurs

peuvent ˆetre utilis´es pour surveiller des voies ferr´ees afin de pr´evoir `a l’avance des accidents. En outre, un r´eseau de capteurs de mouvements peut constituer un sys- t`eme d’alarme distribu´e qui servira `a d´etecter les intrusions sur un large secteur. L’application des r´eseaux de capteurs dans le domaine de la s´ecurit´e peut largement r´eduire les coˆuts des lieux afin d’assurer la protection des ˆetres humains tout en garantissant de meilleurs r´esultats.

c. Applications environnementales

Ces r´eseaux peuvent ˆetre d´eploy´es dans des environnements hostiles comme les volcans, les sites de tremblements de terre, ou mˆeme dans les forˆets, dans l’air, la mer etc. Ces capteurs ont pour but de recueillir diverses informations sur l’´etat du milieu naturel et sur les comportements de d´eplacement. Parmi les types de capteurs, il existe des thermo-capteurs qui peuvent ˆetre utilis´es afin d’avertir un ´eventuel d´ebut d’incendie dans une forˆet. Ceci peut permettre de lutter efficacement contre les feux de forˆet. Dans les champs agricoles, il est possible d’identifier facilement les zones s`eches et rendre l’irrigation efficace en utilisant la plantation des capteurs avec les graines. Sur les sites industriels, les centrales nucl´eaires ou dans les p´etroliers, il est possible de d´eployer des capteurs pour d´etecter des fuites de produits toxiques (gaz, produits chimiques, ´el´ements radioactifs, p´etrole, etc) (figure 2.6).

Figure 2.6 – Exemple d’une application environnementale.

d. Applications m ´edicales

Les r´eseaux de capteurs peuvent ´egalement ˆetre utiles dans le domaine de la m´edecine. Ils permettent de surveiller d’une mani`ere permanente les patients et collecter des informations physiologiques afin de faciliter le diagnostic de quelques maladies. La surveillance des fonctions vitales de l’ˆetre humain est possible avec l’utilisation des micro-capteurs pourront ˆetre aval´es ou implant´es sous la peau. D´e- sormais, il est possible de transmettre des images de l’int´erieur d’un corps humain

avec une autonomie de 24 heures sans faire appel `a la chirurgie. D’autres ambitieuses applications biom´edicales sont aussi pr´esent´ees, tel que la surveillance du niveau de glucose, le monitoring des organes vitaux ou la d´etection des cancers (figure 2.7).

Figure 2.7 – Exemple d’une application m´edicale.

e. Applications commerciales

l’int´egration des nœuds capteurs au processus de stockage et de livraison peut permettre `a un client de connaitre la position actuelle de la livraison de son paquet `a tous monuments. Pour les entreprises manufacturi`eres, les r´eseaux de capteurs permettent de suivre `a distance la fabrication des produits du d´ebut jusqu’`a la fin. Dans les immeubles, le syst`eme de climatisation peut ˆetre con¸cu en int´egrant plusieurs micro-capteurs dans les tuiles du plancher et les meubles. Ainsi, La cli- matisation pourra ˆetre d´eclench´ee seulement aux endroits o`u il y a des personnes pr´esentes et seulement si c’est n´ecessaire.

Les r´eseaux de capteurs sans fil sont entrain de vivre un d´eveloppement continu guid´e par l’int´egration de l’Internet et des applications multim´edias. Ceci implique non seulement une augmentation du d´ebit mais aussi une garantie de la qualit´e de service. Les syst`emes Multi Input Multi Output (MIMO) et l’am´elioration de per- formances qu’ils assurent dans ce genre de probl`eme sont unanimement reconnus. Cependant, ces petits capteurs ne peuvent pas tous b´en´eficier de ces technologies multi-antennaire vu leurs taille. D’o`u l’id´ee de la coop´eration (Nosratinia et al., 2004).