Réseaux de capteurs sans fil et leurs applications …pagesperso.univ-brest.fr/~bounceur/ecole2013/pdf_presentations/9... · x Les applications exigent que la durée de vie du réseau

Laboratoire de Recherche en Informatique Industrielle et Réseaux (RIIR)

Equipe “Réseaux et Multimédia”

30/6-3/7, École d’été Internationale - Bejaia - Algérie

Réseaux de capteurs sans fil et leurs applications dans

les pays émergents: cas de l'Algérie

Dr. KECHAR Bouabdellah

Enseignant chercheur – Département d’Informtaique –

Faculté des Sciences Exactes et Appliquées – Université d’Oran

Email: [email protected]

[email protected]

B.Kechar Réseaux de capteurs sans fil et leur impact sociétal et industriel 2

Plan

►Introduction (RCSF) ►Economie d’énergie Approches classiques Mobilité ►Applications – ALGERIE

Feux de forêts ITS (port, trafic routier) Surveillance des frontières Monitoring des infrastructures publiques Agriculture, serres Autres applications

►Horizon 2050 ►Verrous

Sécurité Capacité limité L’aspect économique Danger de maladie

►Conclusion

B.Kechar Réseaux de capteurs sans fil et leur impact sociétal et industriel

► Intoduction

3

RCSF


Réseaux de capteurs sans fil

Wireless Sensor Networks Technology (WSN)

Nano Technology

Micro-Electro- Mechanical

systems

Wireless Technology

Advances

RCSF


1974 2004

RFID

Main frame

Nœud capteur scalaire de 1ere génération

Scalaire nouvelle génération

Video Miniaturisation

Economie d’énergie

Faible coût

Nouvelles applications

Vers ?

RCSF (suite)


Simulateurs à événements discrets

Home simulators (C++, JAVA, ….) Problème de crédibilité !! Simulateurs Open source (NS2, Omnet++/Castalia, Jsim, Toosim, …) Ajouter de nouveaux codes plus dificile Modifier un code exsistant Moins difficile (mais pas toujours !!)

Simulateurs propriétaires (Opnet-Full edition) Sécurisé mais très cher (licence exigée)

Objectif: Évaluer et valider de nouvelles idées en réseau Comment ?

6

RCSF : Pratique


RCSF: Pratique

Objectif: conduire des expérimentations sur le terrain des idées validées par simulation

Banc d’essai

Privé

- Utilisation personnelle (locale)

- Nbre de Noeuds limité

(Starter-kit, Class-room-kit, professional kit)

-ex: Mica-Z, SunSpot, Waspmote, Jenic, ..

Publique

- Utilisation publique via Internet

- Nbre de nœuds important

- En général, localisé dans des universités

-Ex: (voir la table)

7


RCSF: Pratique (suite)

MICA-Z based http://www.xbow.com

Sun Spot based http://www.sunspotworld.com

Waspmote based http://www.libelium.com

60 circuits capteurs

8

Banc d’essai privé


WSN Testbed #nodes heterogeneity federation SW-Reuse Web site

DES-Testbed 95

FRONTS 21

Kansei 260 x

KanseiGeni 700 x x http://kansei.cse.ohio-state.edu/KanseiGenie/ USA

MIRAGE/Intel 100

MoteLab 190 x

NetEye 130

Senslab 1024 x x http://www.senslab.info/ FR

TutorNet 104

TWIST 204 x x

VineLab 48 x x

WISEBED 750 x http://wisebed.eu/site/ EUROPE

W-iLab.t Testbed 200

Ban

c d’

essa

i pub

lique

9

RCSF: Pratique (suite)


Economie d’énergie

L’énergie est un problème clé dans la conception d’un RCSF Les applications exigent que la durée de vie du réseau soit de

l’ordre de plusieurs mois ou même des années Si les nœuds capteurs restent en permanence en activité, leur

batteries peuvent fonctionner juste pour quelques jours.

Approches classiques Extraction de l’énergie environmentale (Solaire, vibrationnelle, …) Conservation d’énergie (Duty Cycle paradigm – Sleep/Wakeup) Protocoles/Applications à économie d’énergie

(MAC, Network/Compression, aggregation) Optimisation inter-couches (Cross-layer optimization)

• Nouvelle approche : Mobilité


Pourquoi ceci est possible maintenant ? Progrès en Robotique et en Électronique

Mobilité d’un nœud capteur est due:

Module de mobilité intégré Nœud capteur est embarqué dans un objet mobile (soldat, voiture, camion, animal, ..) Mobilité Hard

Forces externes (vent, inondation, …) Mobilité Soft

Sink statique ?

Problème

Les nœuds proches du Sink consomment rapidement leur énergie

X

X

X X

Economie d’énergie : Mobilité


Economie d’énergie : Mobilité du Sink

Solutions possibles Plusieurs Sink statiques (équilibrage de charge) Sink statique et noeuds capteurs mobiles?? (Réalisme!!!) Sink statique avec collecteur/Relais mobile Sink mobile

Objectif: minimiser la consommation d’énergie des nœuds capteurs et étendre la durée de vie du réseau


Exemple: Nœud collecteur mobile

Network

Plusieurs problématiques liées à la mobilité

Economie d’énergie : Mobilité


► Applications (cas de l’Algérie)

Feux de forêts


Forest fires

Causes of forest fires (USA)

Forests are vital element (ecosystem, air purity, economy, water resources, …) But forests are confronted with various threats: Fires

Problematic & Motivation

La foudre



Forest fires

Causes of forest fires (Mediterranean regions)

Problematic & Motivation (Cont.)



World: 13 Millions Hectares / year Algeria: 78 Hectares / 2011

Causes of forest fires (Mediterranean regions)


Negative effects in social, economic and ecological

matters

► Increase the gas emission 20% CO2 ► Reduce the cover of tree (desertification) ► Loss of life (firefighter, people) ► Cause Natural disasters such as flood, avalanche

and landslip to be experienced more frequently

Forest fires


Problematic & Motivation (cont.)

14 August 2012 29 August 2012 23 August 2012

Summer Period : temperature 40 to 50 degrees


Conventional detection methods Method Used equipments Drawbacks Example

Guard towers

Towers, binoculars

-Inefficient due to the unreliability of human observation

-Difficult life conditions

Osborne fire finder

Card topographic

Satellite imagery

Satellite

-Time of day -Weather conditions (cloud) -Light reflections -Smoke from legitimate sources -Analyzing infrared images is a difficult task

MODIS, AVHRR



Solution

to use ICT to Deal with this problem

In Particular using:

Wireless Sensor Networks Technology (WSN) to detect early forest fire


Canada (2006)

Forest fire surveillance System based

Existing Works Objective: Early Forest fires Detection

Turkey (2009)

Forest Fire Sensing and detection

S.Corea (2006)

Surveillance System based on WSN

USA (2005)

Wildfire Monitoring using WSN

Portugal (2007)

Fire monitoring using WSN

China(2012) Guangdong

WSN that shorten the fire detection (<5mn)

Australia (2009)

Surveillance System based on WSN


Design of WSN based detection system

CS

EFPY94,1774

)*15,0()*64,0(87,6

)]*()*()*()*()[1( 4

4

3

3

2

2

10 HrHrHrHrHrEF

Korean approach

Where r = 0,7

Danger Index

Y Danger Index Fire danger levels State and color

10 100 81-100 Extreme (red)

11 90

12 80

13 70 61-80 High (yellow)

14 60

15 50 Under 60 Low (Blue)

16 40

Effective humidity(%)

Solar radiation of the day(MJ/㎡)

Precipitation (㎜)

Relative humidity of last five days


Design of WSN based detection system (Cont.)

Canadian approach : FWI Structure


FWI Value range

Potential Danger

Low 0-5 Fire will be self extinguishing

Moderate 5-10 Easily suppressed with hand tools

High 10-20 Power pumps and hoses are needed

Very High 20-30 Difficult to control

Extreme 30+ Immediate and strong action is critical

FWI= 14 FWI = 24 FWI = 34

Design of WSN based detection system (Cont.)

Canadian approach : IFM Values


Adopted Methodology

Data Collection Module

Communication Module

Analysis Module

Alarm generation Routing

Decision Making

Forest Fire Detection Event

QoS Parameters (Reliability, Real time, Security)

Analysis Methods


Experimentation

Gateway

Sensor Scalar/relay

Sink

Processing

Analysis Result (JAVA)

MicaZ

(Crossbow)

NesC, TinyOS (Tymo, CTP :

Routing)

Used Testbed : Hardware


Method Experimentation Result Used Format

Canadian Kit MicaZ under Linux Not formatted Numerical

Test and Analysis

Row data transmission to the user PC



Canadian Kit MicaZ under Linux Not formatted Graphic

Row data transmission To the user PC (Cont.)

Test and Analysis

Temp (C)

Humid (%)

FWI



Korean Kit MicaZ under Linux Non formatted Numerical


Test and Analysis


0

200

400

600

800

1000

1200

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101105109113117121125129133

humid [%]

lightc [lux]

Korean Y


Korean Kit MicaZ under Windows Formatted Graphic


Test and Analysis


Comparative Steady

Test and Analysis


Test and Analysis

Comparative steady (Cont.)


Comparative steady (Cont.)

Stability of the two approaches

Test and Analysis


Best routing protocol for WSN when using Canadian approach (CTP , TYMO)

Test and Analysis


Discussion

WSN is a promising Green technology to early detection of forest fire Effectiveness of the Canadian approach in terms of energy

consumption and algorithmic complexity Suitability of the Canadian approach to the context of our country

As future work:

Real deployment problems (overage, connectivity, routing, ….) Multi-modal detection of forest fire : using heterogeneous sensors

(Scalar, video) What should we do to prevent the sensors do not burn or even if

they burn the network must continue to operate ?. holes ???



Monitoring des infrastructures publiques

Pont Zabana - Oran


* Actions dues au trafic routier

- vibrations

- profils de la chaussée

* Actions climatiques

- Température

- Humidité

- Vent

* Actions accidentelles

- Chocs de véhicules routiers

- Séismes

- Incendies

Actions affectant les ponts

Monitoring des Ponts

B.Kechar Réseaux de capteurs sans fil et leur impact sociétal et industriel 38 38


38

L’accéléromètre

Capteur de mesure de tension

Capteur de température

Capteur de mesure de vent

Inclinomètre

Capteur de déplacement

Capteur et sismographe de déplacement de

joint de dilatation, etc.

Capteurs utilisés


39

Déplacement engendré par la charge:

C’est la flèche

Charge

o Calcul de la flèche


p: charge unitaire l: la longueur de travée I: moment d’inertie de la section

transversale

E: module d’élasticité longitudinale


0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

Accélé

rati

on

(m

/s2)

Temps(s)

Déplacement

Déplacacement

Sueil


Exemple expérimental



RCSF assure une surveillance H24-7/7

Déploiement des nœuds est déterministe

Transport des données collectées est parfois problématique (Câble, satellite, cellulaire, …??)

Solution multimodale (scalaire, vidéo) est possible fiabilité

Traitement des données collectées



ITS (Intelligente Transportation Système)


ITS

(I) (III)

(II)


ITS: Sécurité routière

Chaque année, les accidents de la route font plus d’ 1,2 million de morts et environ 50 millions de blessés dans le monde. Il s'agit d'un important problème de santé publique faisant peser un lourd fardeau sur les systèmes de santé (Source : OMS, 2009)

Véhicule de demain


ITS: Sécurité routière (suite)

Communications intra-véhicule (capteurs embarqués)

Communications inter-véhicules

Communications Véhicule-station de base

Communication Capteurs-véhicules/Capteurs-station de base

Objectif:

- Sécurité (diminuer les accidents)

- Confort (Accès internet, multimédia, …)


ITS: Gestion des conteneurs dans des ports Avant (TCC)

Actuellement (TCA)

Améliorer l’efficacité du trafic Optimiser les espaces de chargement/déchargement Minimiser le temps de chargement /déchargement des navires Assurer une meilleure gestion de stockage des conteneurs Gérer efficacement le SI du Port

Objectifs

46

TCC: Terminal à Conteneurs Classique

TCA: Terminal à Conteneurs Automatisé

Algérie: perte de 4 Mrs de $ chaque année !!!


IAV

ITS: Gestion des conteneurs dans des ports

Source :

InTraDE IAV

http://www.intrade-nwe.eu

RobuTainer

http://www.intrade-nwe.eu/




ITS: Gestion des conteneurs dans des ports (suite)

Architecture d’IAV

Localization system

(GPS)Interfaces

SDRAMFlash

memory

Sen

so

rs VideoVideo

ScalarScalar

ImageImage

AudioAudio

Micro controller unitRF Transceiver (RFID Reader)

RF

Radio

Communication Identification

Energy

Control

Act

uato

rs

CBS

Confined base station

Container

(RFID tag)

Container

(RFID tag)

AnotherIAV

AA

48


Terminaux à conteneurs Automatisés (TCA)

Loading/unloading bay

Containership

Sea

Human interface

Freight container

IAV mobility trajectory

CBSCBS

CBSCBS

CBSCBS

Automated Yard crane

Quay crane

Yard area

Buffer area

Transfer point

Block

Empty IAV

Loaded IAV

Marshalling yard

Marshalling yard

Reserved IAV

Wireless communication

link A Typical Layout of an automated Port Container Terminal

AABB

Wireless communication Wireless communication RFID communication

CBSCBS

IAV node IAV node RFID-based Container

Transport network

Transport network

Wireline/Wireless communication

Container terminal administration

Data base update

Types de

communications

ITS : Gestion des conteneurs dans des ports (suite)

49


MR MRMR

NEMONEMO

HA ARVisitednetwork

Home network

Bi-directional Tunnel

Internet

Monitoring center

Direction of travel

HA: Home agent

AR: Access Router

MR: Mobile router

: Sensor

Surveillance à distance du transport de la merchandise

ITS: Gestion de fret



Surveillance des frontières


➀

Surveillance des frontières


Espace de

déploiement

Surveillance des frontières (suite)


Surveillance des frontières (suite)

Identification des nœuds de frontière

Economie d’énergie (Duty cycle, redondance)

Ordonnancement des nœuds

Qualité de surveillance

Gestion des « holes » physiques et logiques

Routage cross layer

Sécurité

Challenges



Autres applications


Suivi médical à distance

56

Capteurs biométriques

Accès Direct

Accès via un réseau de transport


Domotique/Immotique

Fuite de gaz (explosion, Asphyxie)

Inondation

Economie d’ électricité (capteur de présence)

Personnes âgées/handicapés

Confort


Domotique/Immotique

Source: Ali Haktan IŞILAK SMART HOME APPLICATIONS FOR DISABLED PEOPLE BY USING WIRELESS SENSOR NETWORK, 2010


Agriculture/Serres

Agriculture

Serres agricultures


Sécurité des infrastructures télécom

Problème de vol de câbles

(Algérie Télécom)

Solution actuelle


L’environnement Industriel 4


Exemple sur le plan pratique 4

L’armoire

Station Opérateur USB/ câble de

programmation

MPI/DP de Siemens


Exemple sur le plan pratique 4

Périphérie centralisée

L’Automate : S7- 400

L’armoire Périphérie

décentralisée

Station déportée


RCSF: Horizon 2050 ?

64

Le monde se prépare (USA, UE, Chine, Japan, ….) projets nationaux/internationaux (Ex: SmartSantander -- http://www.smartsantander.eu/)

2000 : 7% de la population de +65 ans 2050 : 16% (Algérie ???)

75 % des gens vont vivre dans les grandes villes (Qualité de la vie ?)

Nouveaux paradigmes : « Smart City » « Smart Building » …..

Déploiement de la capture à grande échelle (Ubiquitous Sensing)

(PDA, IPAD, Iphone, tablette, ..)

http://www.smartsantander.eu/

http://www.smartsantander.eu/


► Les verrous

65


Les verrous

Sécurité : attaques réseaux Capacité limitée : RAM, μContrôleur, Batterie, BP L’aspect économique: même 1$/nœud ?? Danger de maladie (radio): Reste à prouver !!

66


► Conclusion

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RCSF est une technologie «verte» du futur Plusieurs conceptions et prototypages, moins de concrétisations pratiques RCSF est une technologie de développement pour les pays en voie de

développement (Démarche adoptée au sein de notre laboratoire LRIIR) L’Algérie doit se préparer pour le futur (commission adhoc pour le

développement d’applications spécifiques de RCSF créatrices de richesse et d’emplois durables)

Plusieurs problématiques de recherches restent à explorer d’avantage: Économie d’énergie QoS Mobilité Transport multimedia Sécurité …..

Conclusion

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Les RCSF doivent sortir des Labs pour devenir une réalité quotidienne


Science and Information Conference 2013 IEEE

October 7-9, 2013 | London, Data collection in WSN with mobile Sink for supervision

applications

SEIT’1326-28 June 2013 Halifax – Canada (Elsevier)

Using Wireless Sensor Networks for Reliable Forest

Fires Detection

Conférence Paris Saconet 17-19 Juin 2013 IEEE

A Time Petri Net model for Wormhole Attack Detection in

Wireless Sensor Networks

CIIA’2013 Saida –Algérie 4-6 Mai 2013 (Springer)

Coverage Enhancement in Wireless Video-Based Sensor Networks with rotating capabilities

Conférence EUSPN 2013 – Niagara Falls Octobre 21-24 2013 Elsevier Redundancy and criticality based

scheduling in Wireless Video Sensor Networks

for monitoring critical areas


Remarques / Questions

Documents

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