Réseau de capteurs sans fil

Qu’est-ce que c’est? 

Un réseau de capteurs sans fil (RCSF) est un ensemble de transducteurs, c'est-à-dire des dispositifs électroniques qui convertissent l'énergie d'une forme à une autre. Ces transducteurs disposent d'une infrastructure de communication qui leur permet de suivre et d'enregistrer les conditions en divers endroits. 

Les conditions surveillées par les capteurs sans fil comprennent les éléments suivants : 

• la réactivité 
• humidité 
• la parfaite pression 
• direction du vent 
• vitesse du vent 
• intensité d'éclairage 
• intensité de vibration 
• intensité sonore 
• tension du réseau électrique 
• concentrations chimiques 
• niveaux de polluants 
• fonctions vitales de l'organisme 

Types 

• Réseaux de capteurs sans fil terrestres (utilisés sur terre pour surveiller les conditions environnementales d'une zone) 
• Réseaux de capteurs sans fil souterrains (axés sur l'utilisation de capteurs sous la surface du sol) 
• Réseaux de capteurs sans fil sous-marins (conçus pour fonctionner dans les limites des écosystèmes aquatiques) 
• Réseaux de capteurs sans fil multimédias (capables de suivre et de surveiller des événements sous forme multimédia) 
• Réseaux de capteurs sans fil mobiles (composés de nœuds de capteurs mobiles connectés sans fil) 

Classification 

• Réseaux de capteurs sans fil (RCSF) fixes (avec nœuds de capteurs statiques) et mobiles 
• Réseaux de capteurs sans fil déterministes (avec emplacement des nœuds de capteurs calculable et fixable) 
• Réseaux de capteurs sans fil non déterministes (avec une disposition des nœuds indéterminable) 
• Réseaux de capteurs sans fil (WSN) à station de base unique et à stations de base multiples 
• Réseaux de capteurs sans fil (RCSF) à stations de base fixes et à stations de base mobiles 
• Réseaux de capteurs sans fil à saut unique (où les nœuds se connectent directement à la station de base) 
• Réseaux de capteurs sans fil multi-sauts (où des nœuds intermédiaires sont impliqués) 
• Réseaux de capteurs sans fil auto-reconfigurables (où les capteurs organisent le réseau de manière collaborative) 
• Réseaux de capteurs sans fil non auto-reconfigurables (où l'organisation du réseau dépend de l'unité de contrôle) 
• Réseaux de capteurs sans fil homogènes (où tous les nœuds conservent la même consommation d'énergie) 
• Réseaux de capteurs sans fil hétérogènes (où certains nœuds ont des besoins énergétiques plus élevés) 

Un service innovant 

La structure d'un réseau de capteurs sans fil comprend des stations de détection portables appelées nœuds de capteurs. Chaque nœud de capteur est équipé d'un transducteur, d'un micro-ordinateur, d'un émetteur-récepteur et d'une source d'alimentation. 

Le transducteur produit des signaux électriques à partir des phénomènes physiques détectés. Le micro-ordinateur traite et stocke les données du capteur. Il les reçoit de l'émetteur-récepteur, lui-même commandé par l'ordinateur central. Chaque capteur est alimenté par une batterie. 

Où est-il utilisé? 

Voici quelques applications des réseaux de capteurs sans fil : 

• détection des feux de forêt 
• suivi des animaux 
• prévision des crues 
• prévision météo 
• projection d'événements sismiques 
• applications militaires 
• surveillance des patients 
• gestion dynamique du routage 
• surveillance des parkings 
• surveillance du trafic 
• réponse rapide aux situations d'urgence 
• supervision des processus industriels 
• contrôle automatisé du climat des bâtiments 
• observation des écosystèmes et des habitats 

Défis 

Routage 

La première difficulté liée au routage des réseaux de capteurs sans fil (WSN) réside dans la complexité de l'attribution d'un système d'identifiants universels aux nombreux nœuds de capteurs. C'est pourquoi les protocoles basés sur le protocole IP classique ne sont pas adaptés aux nœuds de capteurs sans fil. 

La question suivante concerne la nécessité de transmettre des données provenant de diverses sources à la station de base. Troisièmement, les données générées présentent une redondance, car plusieurs nœuds de détection peuvent produire des données similaires. Cela implique une gestion de la redondance par le biais de protocoles de routage, de bande passante et d'énergie. 

Les nœuds sans fil sont également limités en termes de bande passante, de relations d'énergie de transmission, de stockage, de capacité et d'énergie.  

Design 

Voici les principaux défis liés à la conception que l'ingénieur réseau doit prendre en compte : l'efficacité énergétique, l'emplacement des capteurs, la complexité, la transmission des données ainsi que ses modèles, l'évolutivité, la puissance, le délai, la faible latence, les problèmes de couverture et les supports de transmission. 

Performances en cas de défaut 

Lorsqu'une coupure de courant interrompt le fonctionnement des nœuds de capteurs, des dommages matériels sont susceptibles de se produire. Il est donc nécessaire de faciliter la tolérance aux pannes, c'est-à-dire de permettre au réseau de capteurs de résister aux défaillances des nœuds et de continuer à fonctionner. 

Évolutivité 

La zone de détection peut compter des centaines, voire des milliers de nœuds. Par conséquent, les schémas de routage doivent être suffisamment évolutifs pour réagir efficacement aux événements.  

Coût de production 

Le prix de chaque nœud de capteur doit rester bas. Un réseau de capteurs étant composé de nombreux nœuds, le prix de chacun d'eux influe considérablement sur le coût total du réseau. 

Problèmes de topologie 

La topologie des WSN est confrontée à des défis tels que les zones non couvertes par des capteurs (zones non couvertes par des capteurs actifs), le routage géographique (lorsque la destination d'un message est spécifiée en termes de coordonnées et non d'adresse réseau) et la topologie de couverture. 

Limites 

Compte tenu des limitations des réseaux de capteurs sans fil, ceux-ci disposent d'une faible capacité de stockage (quelques centaines de kilo-octets), d'une puissance de traitement modeste de 8 MHz, d'une courte portée de communication associée à une forte consommation d'énergie, d'une énergie minimale requise et donc de protocoles limités, de batteries à durée de vie finie et d'une faible énergie fournie par les dispositifs passifs.