Les capteurs sans fil

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Organisation du mémoire

1.1 Les capteurs sans fil

Un capteur sans fil reste un capteur c’est-à-dire un instrument qui transforme une grandeur physique en une grandeur quantifiable comme peut l’être une tension. Mais si la phase de détection ou de récolte des données reste identique à celle d’un capteur classique, les traitements qui en découlent ont considérablement évolué. Les changements sont de deux types. Le premier concerne l’intégration dans le capteur d’une partie des traitements de post-acquisition (voir Figure 1.1). L’augmentation des capacités en terme de mémoire et de puissance de calcul font des capteurs actuels l’équivalent d’ordinateurs de bureau datant d’une vingtaine d’années. Une partie du conditionnement des données peut donc avoir lieu au sein même du capteur. Le second changement est l’acheminement simplifié et facilité des données du lieu d’observation vers un autre lieu. Les données peuvent être transmises naturellement vers l’utilisateur mais également vers d’autres capteurs sans fil dans un mode de fonctionnement coopératif. L’apparition d’équipements de communication sans fil performants et nécessitant moins d’énergie a grandement bénéficié au développement des capteurs sans fil.

Figure 1.1 – Schématisation de la chaîne de collecte de données

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Les quatre principaux éléments d’un capteur sans fil sont :

• une unité de calcul ;

• un module de communication sans fil ;

• un gestionnaire des alimentations ;

• des dispositifs de mesure de la grandeur observée ou « capteur » au sens classique du terme.

L’unité de calcul est, en général, un microcontrôleur constitué d’un processeur, d’une certaine quantité de mémoire, de convertisseurs de signaux de type ADC (Analogic to Digital Converter) et d’un ensemble d’interfaces présentes par exemple sous forme d’un port série UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ou d’un bus de type SPI (Serial Peripheral Interface) (voir Figure 1.2.).

Figure 1.2 – Structure d’un microcontrôleur

Le choix du microcontrôleur utilisé s’effectue suivant la puissance de calcul mais également le niveau de consommation d’énergie. Dans un capteur sans fil, ces deux critères ne peuvent être dissociés. En effet, le microcontrôleur doit assurer sa tâche et exécuter correctement les traitements qui lui sont soumis tout en ayant une consommation d’énergie la plus basse possible. Le fait de disposer de plusieurs modes dont un de type veille est un avantage sauf si le coût énergétique de passage d’un mode à l’autre est trop important. Ce dernier point dépend de l’application : si le capteur doit effectuer un relevé par semaine ou par mois, malgré la surconsommation ponctuelle d’un changement de mode, on préconisera quand même le passage en mode veille. Actuellement, les capteurs sans fil sont équipés majoritairement de microcontrôleur de type MSP de chez Texas Instruments [MSP 2008] ou ARM et Atmega d’Atmel Corporation [Atmega 2008].

Les modules de communication implémentent soit des protocoles de la famille des IEEE 802.11 ou IEEE 802.15 soit une technologie utilisant la bande de fréquences libre. Si l’on prend l’exemple des « mica motes » de l’Université de Berkeley, la communication sans fil est obtenue grâce à un module RFM TR1000 opérant à une fréquence de 916,5MHz.

L’infrarouge est également utilisé mais a pour principal inconvénient de nécessiter une ligne de communication dégagée. Pour des applications sous-marines, les ultra-sons sont une alternative.

Les recherches actuelles s’orientent vers l’utilisation des systèmes radio de type UWB (Ultra-Wide Band) (voir Table 1.1). Ces systèmes peuvent être aussi employés pour la localisation. A l’inverse, ils pâtissent pour l’instant d’une portée limitée, de problèmes techniques affectant leur performance (problème de synchronisation émetteur/récepteur) et d’un manque de standardisation.

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Au départ, les capteurs intégraient des équipements de communication réalisés pour d’autres types d’applications. Désormais, avec l’intérêt grandissant autour de cette technologie, de plus en plus de travaux de recherche comme ceux sur les UWB visent à développer des dispositifs dédiés aux applications de capteurs sans fil c’est-à-dire performants au niveau de la communication et peu consommateur d’énergie.

Technologie Fréquence Débit maximal Modulation

IEEE 802.11a 5GHz 54Mb/s OFDM

Table 1.1 – Technologies de communication sans fil

L’alimentation du capteur est un point très important. La première idée consiste à s’orienter vers une source d’énergie naturelle et inépuisable comme celle fournie par les panneaux solaires. Cependant, dans la majorité des cas, cela n’est pas possible. Si l’on reste sur les panneaux solaires, d’une part ils ont un certain encombrement lié à leur relatif faible rendement et d’autre part ils sont assez fragiles. Leur utilisation n’est, par exemple, pas possible au milieu de désert tel que le Sahara. Bien qu’ils y offrent le meilleur rendement, ils peuvent être recouvert entièrement par une dune ou détériorés par une tempête de sable.

L’autre alimentation la plus répandue est l’utilisation de piles (rechargeables ou non) standards de type soit bouton soit AA dans la majorité des cas. Il s’agit d’une solution assez économique vis-à-vis de l’utilisation d’un bloc de batterie moins répandu et donc plus cher à l’achat.

Le choix de l’alimentation se fait en fonction des caractéristiques matérielles du capteur mais également des traitements qu’il aura à effectuer. Une bonne estimation de l’énergie nécessaire pour mettre en place une application est très primordiale ; un capteur sans fil pouvant avoir pour vocation de rester en place pour une durée de 6 mois voire 1 an sans intervention extérieure.

Grâce aux efforts de miniaturisation entrevus ces dernières années, les capteurs sans fil devraient, à l’horizon 2010, avoir la taille d’une poussière [Chong 2003]. Actuellement, différentes familles de capteurs peuvent être considérées, allant des capteurs de très petite taille qui effectuent des traitements simples aux capteurs plus riches en ressources, proches

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d’un assistant personnel de type PDA (Personal Digital Assistant). Les différents capteurs développés au sein de l’Université de Berkeley illustrent ce point (voir Table 1.2).

Identification Mica2Dot

(MPR500CA) Mica2 (MPR400CB) Tmote Sky

Microcontrôleur ATmega128L ATmega128L MSP430F

Architecture 8-Bit 8-Bit 16-Bit

Fréquence 4MHz 7.3728MHz 8MHz

Mémoire de

programmation 128Ko 128Ko 48Ko

Mémoire de

données 4Ko 4Ko 10Ko

Mémoire de

stockage 512Ko 512Ko 1024Ko

Module radio CC1000 CC1000 CC2420

Bande de fréquence 315-916MHz 315-916MHz 2.4GHz

Débit maximal 38.4Kb/s 38.4Kb/s 250Kb/s

Table 1.2 – Capteurs sans fil développés à l’Université de Californie, Berkeley

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