Reseaux de capteurs sans fils - WSN

Réseaux de capteurs sans fil

Implémentation d’une application de p ppsurveillance de la température

Milagros RomanFatima Boumhamdi

Dé t t d l’I f ti t d R h h O é ti llDépartement de l’Informatique et des Recherches OpérationnellesUniversité de Montréal

01 Avril 200801 Avril 2008

Plan

Introduction

Réseau de capteurs sans filRéseau de capteurs sans fil

Plateforme matérielsPlateforme matériels

Plateforme logiciels

Application de surveillance de la température

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Introduction• Le progrès des de domaines telles que :

Microélectronique

MicromécaniqueMicromécanique

technologies de communication sans fil

Apparition de systèmes embarqués miniaturisés appelés:

Micro‐capteurs

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IntroductionMicro‐capteurs intègrent :

Une unité de captage chargée de capter des grandeursUne unité de captage chargée de capter des grandeurs physiques (humidité, vibrations, température…) et de les transformer en grandeurs numériques.

Une unité de traitement informatique et de stockage de données.

Un module de transmission sans filUn module de transmission sans fil.

Le déploiement de plusieurs d'entre eux forme un p préseau de capteurs sans fil (Wireless SensorNetwork)

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Réseau de capteurs sans filpLes capteurs traditionnels qui mesurant des grandeurs physiques sont présents depuis longtemps dans diversphysiques, sont présents depuis longtemps dans divers domaines comme l'aéronautique, l'automobile….

Ils utilisent des liaisons filaires

• Les nouveautés avec les réseaux de capteurs sans fil :

Ils communiquent par ondes radios avec d'autres capteurs proches ou distants de quelques mètres.

Comme les ressources d'un capteur sont très limitées laComme les ressources d un capteur sont très limitées, la réalisation d'une application puisse être le résultat de la collaboration de tous les.

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Réseau de capteurs sans fil

Architecture d’un réseau de capteurs sans fil

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Réseau de capteurs sans filpIl existe plusieurs utilisations auxquelles ’ li l é ds’appliquent les réseaux de capteurs :

I d t i Milit i• Industrie

• Découvertes de catastrophes

• Militaire

• Contrôle d’édifices

naturelles

• Agriculture• Agriculture

• Médicale

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Réseau de capteurs sans filp

IndustrieIndustrie

Garantir la sécurité de l’usineGarantir la sécurité de l usine

Système d’alarme

Détection d’intrusion

Surveiller des processus de production ou la qualité de produit

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Réseau de capteurs sans filpCatastrophes naturelles

A d dét t d h lAvec des détecteurs de chaleur, d’humidité, de vibration…, on peuvent signaler des événements tels que

Les feux de forêts

Les tempêtesLes tempêtes

Les inondations

Les volcans

Ceci permet une intervention beaucoup plus rapide et efficace des secours.

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Réseau de capteurs sans filpAgriculture

On peut déterminer les secteurs les plus secs afinsecteurs les plus secs afin de les arroser en priorité.

équiper des troupeaux de bétail de senseurs pour connaître en tout tempsconnaître en tout temps, leur position

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Réseau de capteurs sans filpSurveillance Médicale

S ill d l dSurveillance des malades, des personnes âgées à distancedistance.

collecter des informations sur le patient : battementsur le patient : battement du cœur, la tension du sang, la respiration.

Envoyer un signal d’alarme.

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Réseau de capteurs sans filpMilitaire

tili é d tutiliser un réseau de capteurs dans un endroit stratégique ou difficile d'accès

Surveiller toutes les activités des ennemies

A l l iAnalyser le terrain avant d'envoyer des troupes, en détectant :

Des agents chimiques

Des traces biologiques

Des radiationsDes radiations

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Réseau de capteurs sans filpContrôle d’édifices

C t ôl l i lContrôler la pression sur les parois des barrages pour réguler le niveau d’eau.

Détecter les intrusions à un bâtiment.

Sé i l h i d fSécuriser les chemins de fer, les routes de montagnes.

Diminuer les dépensesDiminuer les dépenses financières consacrées à la sécurité des lieux et les êtres humainshumains.

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Réseau de capteurs sans filp

lé d f

Contraintes et facteurs

à l’é h llLa tolérance de fautes

Capacité de maintenir les fonctionnalités du réseau

Passage à l’échelle

Le nombre de nœuds déployés pour un projet peut atteindrefonctionnalités du réseau

sans interruptions dues à une erreur intervenue sur un ou plusieurs senseurs

pour un projet peut atteindre le million.

Ce qui engendre beaucoup ou plusieurs senseurs

Manque d’énergie

de transmissions

L’ ité d é ti d itManque d énergie

Problème d’interférence

Problème physique

L’unité de réception doit être équipée de beaucoup de mémoire pour stocker

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les informations reçues.

Réseau de capteurs sans filpContraintes et facteurs

Les coûts de production

Puisque les réseaux de senseurs sont composés d’un

L’environnement

Les senseurs sont souvent déployés en masse dans des endroits tels que dessenseurs sont composés d un

très grand nombre de nœuds.

masse dans des endroits tels que des champs de bataille au delà des lignes ennemies, à l'intérieur de grandes machines au fond d'un océan dans un

Le prix d’un nœud est critique afin de pouvoir

machines, au fond d un océan, dans un volcan,…

concurrencer un réseau de surveillance traditionnel.

Par conséquent, ils doivent pouvoir fonctionner sans surveillance dans des régions géographiques éloignées.

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g g g p q g


L i é i llLa topologie de réseauLe déploiement d’un grand nombre de nœuds

Les contraintes matériellesLa taille du senseur doit être minimale

nécessite une maintenance de la topologie du réseau

La consommation d’énergie doit être minimale pour le réseauLe senseur doit s’adaptent auxopo og e du éseau

Déploiement initial

Le senseur doit s adaptent aux différents environnements tels que les fortes chaleurs, eau,…

Post-déploiementRedéploiement de

nœuds additionnels

Les senseurs doivent être autonomes et très résistants vu qu’ils sont souvent déployés par

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avion.


Les médias de transmission

Dans un réseau sans‐fil, les nœuds sont reliés par une

La consommation d'énergie

Un senseur est limité en énergie et dans la plupart des cas le remplacement de la p

architecture sans‐fil

Le média de transmission doit être normé ou

p p pbatterie est impossible.

La durée de vie d’un senseur dépend grandement de la durée de vie de la

standardisé.

On utilise le plus souvent communications radio

gbatterie.

Le dysfonctionnement de quelquesAutres :

L’infrarouge

Le bluetooth

Le dysfonctionnement de quelques nœuds nécessite un changement de la topologie du réseau, du routage des paquets et donc changement de la Le bluetooth

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p q gconsommation d’énergie

Plateforme

Composants de la plateforme pour le développement et l’utilisation du réseau sans fill’utilisation du réseau sans fil

• Caractéristiques des composants physiques.• Système d’exploitation TinyOS utilisé sur les capteurs

et de son langage de programmation, nesC.

Tout l’équipement et les logiciels ont été acquis de la compagnie Crossbow

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été acquis de la compagnie Crossbow

Plateforme

Composants physiques Plateforme sans fil:Mote

• Un réseau sans fil de capteurs:Les capteurs

Plateforme sans filModule d’acquisition

La station baseGateway M d l d’ i itiyPlateforme sans fil

Le ServeurLocal

Module d’acquisition :

LocalRemote

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Gateway

Plateforme

Composants physiques Mote: MR400CB




Module d’acquisition : MTS310

La plateforme sans fil utilisée pour le projet est le MPR400CB de la famille Mica2.famille Mica2.

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Gateway: MIB510

Plateforme






Le module d’acdquisition utilisée pour le projet est le MTS310.

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Gateway: MIB510

Plateforme






Le Gateway utilisée pour le projet est le MIB510.

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Gateway: MIB510

Plateforme

Composants physiques

Port Série

Mote:

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Gateway: MIB510Capteur: MTS310

MR400CB

Plateforme


• Le « mote » MPR400CB:Utilise le micro-controlleur ATmega128L de Atmel de 868MHz pour exécuter le

tè d’ l it ti Ti OSsystème d’exploitation TinyOSUtilise deux batteries AA comme source d’énergie.Pour se communiquer sans fil utilise des •Utilise un convertisseur Pour se communiquer sans fil, utilise des ondes radios d’une fréquence de 916MHz.Le taux de transmission de données est 38.4 Kbaud.

analogue à digital pour traiter les données des mesures venant du module d’acquisition

Le mote a une mémoire flash de 128ko, une mémoire pour les mesures de 512ko et une mémoire de configuration

d k

module d acquisition.

EEPROM de 4ko.

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Plateforme

Composants physiquesComposants physiques• Module d’acquisition MTS310:

Le MTS310 permet de mesurer les grandeurs physiques suivantes :

M d l d’ i iti

– L’intensité lumineuse– La température– L’intensité du son

L’accélération sur 2 axes (x et y) Module d’acquisition : MTS310

– L accélération sur 2 axes (x et y)– Le champ magnétique sur 2 axes (x et y)

Ce module utilise le connecteur d’extension 51-pin pour être connecté au On peux désactiver lesp pmote à travers de l’interface analogue.Les mesures sont passés au convertisseur A/D de 10 bits sur mote qui les transmettre

l b

On peux désactiver les instruments de mesure qui ne sont pas désirés, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie.

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vers la base. consommation d énergie.

Plateforme

Architecture d’un capteur

Antenne

Unité radioUnité de traitement

Unité senseurs

RFTransceiveur

BasebandContrôleur

traitement

Processeur

Mémoire

Senseur / Actuateur

ADC/DAC

Distribution d énergie Génération d’énergie

Contrôleur

Unité d’énergie

d énergie

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Plateforme

Composants physiquesComposants physiques• La station de base MIB510:

À travers de la UART du port série:Elle permet transférer un programme déjà compilé vers un mote.Elle permet transmettre les données reçues par l’antenne du mote vers l’ordinateur.

Le MIB510 a deux modes deLe MIB510 a deux modes de fonctionnement avec le interrupteur SW1:

Si est à ON, la base est en mode de programmation (pour charger les applications compilées sur le mote)Si est à OFF, la base est en mode de « transfert de données » (pour lire et envoyer des données vers les motes des capteurs)

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p )

Gateway: MIB510

Plateforme

Architecture de la station de base

Antenne

Unité radioUnité de traitement

Unité de connection

RFTransceiveur

BasebandContrôleur

traitement

Processeur

Mémoire

connectionPort Série /

USB / Ethernet

UART

Distribution d énergie Générationd’énergie

Contrôleur

Unité d’énergie

d énergie

Convertisseur CA/CD

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Plateforme


• Caractéristiques des composants physiques.• Système d’exploitation TinyOS utilisé sur les capteurs

et de son langage de programmation, nesC.

Tout l’équipement et les logiciels ont été acquis de la compagnie Crossbow

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été acquis de la compagnie Crossbow

Plateforme


• Caractéristiques des composants physiques.• Système d’exploitation TinyOS utilisé sur les capteurs. • Composantes importantes déjà implémentées.

TinyOS: est open source• est open source

• a été développé par l’université de Californie, Berkeley• utilise le langage de programmation nesC

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Plateforme

Système d’exploitation TinyOSM dèl d’ é ti• Modèle d’exécution

TinyOS est événementiel : fonctionne par l’apparition d’éventements

Politique FIFO: pour l’ordre d’exécution des taches (First In-First Out)Les taches ont une niveau de priorité basLes événement ont une priorité haut

Il n’est pas préemptif: les interruptions matérielles peuvent interrompre une tâche.p p pUn tache ne peux pas interrompe un autre tache.Pour activer un tache, il faut activer un interruption.

Consommation d’énergie bas : Co so o d é e g e b s :si aucune tâche est active, il se met automatiquement en veille.

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Plateforme

Système d’exploitation TinyOSA hit t• Architecture

TinyOS est basée sur le concept d’association de composantesUne application est une sélection de composantes attachées ensembleUn composante peux utiliser plusieurs composantesCe qui permet un développement modulaire et rapide

Il y a une libraire de composantes: Pour la gestion de mesures.Pour la communication.Pour le routage de paquets.

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Plateforme

Système d’exploitation TinyOSI t ll ti• Installation

TinyOS fonctionne sur diverses plateformesIl peut être installe sur

WINDOWSLINUXMac OSSur un capteur

Il ya deux versions de TinyOS disponibles 1.0 et 2.0La version 2.0 se trouvait en état beta, il bien de être disponibleOn a utilisé la version 1.0 sur WINDOWS XP

On a constaté que sur WINDOWS Vista ne marche pas encoreOn a installé dedans VISTA mais sur un machine virtuel VMware

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Plateforme

Système d’exploitation TinyOSI t ll ti• Installation

Sur WINDOWS XPUn guide propose l’installation de tous les outils

CYGWIN : couche d’émulation de l’API LinuxJDK Java 1.4 de Sun NesC

Pour tester le bon fonctionnement des circuitsSerialFowardMoteview

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Plateforme

Système d’exploitation TinyOSL N C• Langage NesC

C’est le langage de programmation utilisé par TinyOSIl y a trois concepts dans le langage NesC

Interfaces, Composantes, Configuration

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Plateforme




Ce sont des modules qui contiennent le code.Chaque composant correspond à un élément matériel.

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LED’s, Timer, ADC.

Plateforme




NesC a une architecture basée sur des composants. Ce qui permet réduire la taille de mémoire et des applications

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Plateforme




Chaque composant peut être utilisée dans différents applications.

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Plateforme




Une composant ne fait jamais référence à une autre composante.

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Plateforme




ils définissent un ensemble de commands qu’une composant implémente.

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Plateforme




toutes les interactions entre les composantes se font via les interfaces.

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Plateforme




Une composant peut implémenter et utiliser plusieurs interfaces.

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Plateforme




Ils sont des fichiers pour les connexions entre les composantes.Ils sont appelées « WIRING »

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Plateforme




Ils déterminent les composantes qui vont être utilisés par l’application.

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Plateforme


Développement: NesC permet de déclarer 2 types de fichiers:

les modules et les configurations

Le code élémentaire avec une ou plusieurs interfaces

Les composantes que vont être utilisés

Le code élémentaire avec une ou plusieurs interfaces

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Les composantes que vont être utilisés

Plateforme


Développement: NesC permet de déclarer 2 types de fichiers: les modules et les configurationsg

configuration Temperature {}implementation {components Main, TemperatureM, LedsC, Temp,TimerC,GenericComm as Comm;Main.StdControl > TemperatureM.StdControl;Main StdControl > TimerC;

module TemperatureM {provides {interface StdControl;}uses {interface Timer;interface Leds; Main.StdControl > TimerC;

Main.StdControl > Comm;TemperatureM.Timer > TimerC.Timer[unique("Timer")];TemperatureM.Leds > LedsC;TemperatureM.TempControl > Temp.StdControl;TemperatureM.ADC > Temp;TemperatureM.SendMsg > Comm.SendMsg[65];TemperatureM.ReceiveMsg > Comm.ReceiveMsg[65];

interface Leds;interface StdControl as TempControl;interface SendMsg;interface ADC;interface ReceiveMsg;}}implementation { TemperatureM.ReceiveMsg Comm.ReceiveMsg[65];

}mplementation {...//code des redéfinitions des interfaces}

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Plateforme


Compilation: les deux fichiers vus doivent être dans le même répertoire contenant aussi un Makefile de la forme

COMPONENT= Temperature //nom de l’applicationSENSORBOARD=mts310 #Le type de mote utilisé=mib510#Contient certaines configurations tel#le groupe, la fréquence de la radio, etc. 125, 916Mhz, etc

Ce Makefile permet de compiler le composant températureIl faut spécifier la plateforme sur laquelle doit fonctionner l’applicationIl faut spécifier la plateforme sur laquelle doit fonctionner l application

Make mica2 Make mica2 reinstall 7, mib510,com5M k i 2 i t ll 7 ib510 5

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Make mica2 install 7, mib510,com5

Application


• Préparation de la Plateforme– Composants Physique– Installation des Logiciels

Notre but: Implémenter une application de surveillance de la température d’une salle.

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Application


• Préparation de la Plateforme– Composants Physique– Installation des Logiciels

Cette application doit être capable de pp psignaler une alerte si la température de la salle atteint une valeur critique de la t é t

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température.

Application

Application de surveillance de la température ImplementationImplementation

On distingue deux parties Réception de la Température

Les capteurs font le mesure de la températureIls transmettent le mesure à la station base par ondes RF de radioLe Gateway collecte les donnes et les transmette au serveur via le port série

Traitement de la décision.U li ti d t it t d d é l l dUne application de traitement de données recevra la valeur de température.Effectuera l’analyse décisionnelle

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Application

Application de surveillance de la température ImplémentationImplémentation

Réception de la Température: il y a deux façon pour le récupérer 1. Les nœuds envoient uniquement la température.

Il faut désactiver les autre mesures et ne transmettre que la température.L f ibl i d’é i d d d éLa faible consommation d’énergie du nœud et du réseauMinimise le flux de routage

2. Les nœuds transmettent toutes les mesures.d l l i d dé i i d i f iLe module le traitement de décision doit faire une

sélection des données pour choisir la température

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Application


Traitement des données: l’application effectuera l’analyse dé i i ll idécisionnelle suivant

Récupérer la Température T

T >= TcNONOUI

Générer une alerte

Tc = Température critique

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Application



Une alerte pourra être généré

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Application




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Application




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Application




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Merci!Merci!

Questions?Questions?

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