andré-luc beylot, rahim kacimi et riadh dhaou...

Réseaux de capteurs sans fil

André-Luc Beylot, Rahim Kacimi et Riadh DhaouIRIT/ENSEEIHT

Avant-propos

« Hier, on cantonnait les capteurs au simple rôle de détecteur : température, fumée, intrusion... On leur demande maintenant de

relever plusieurs informations, de communiquer entre eux, et même d'analyser leurs données ! »

-- Pierre Maslo , le 01/04/2006

Plan

Introduction – Les applications

La pile de protocoles : IEEE802.15.4/ZIGBEE

Les couches MAC et Physique

Routage et Couche Réseau

Agrégation/Fusion de données

Mise en oeuvre

Introduction

Les récentes avancées dans le monde de la micro-

électronique et des technologies sans-fil ont permis de développer des capteurs de petite taille, dotés de

capacités de traitement et de modes de communication sans-fil.

Réseaux de capteurs sans fil ou WSN (Wireless Sensor Networks) : Un nouveau paradigme informatique fondé sur les efforts collaboratifs d'un ensemble

très large de capteurs s'auto-organisant.

Qu'est ce qu'un capteur?

Équipement qui mesure une grandeur physique

Un “capteur” d’un réseau de capteursCapte toujoursPetit / Grand nombreLimité en énergieCapable de calculer

Communicant

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Architecture de base

Software

Memory

Processor Antenna

Power(battery)

AC/DCconverter

Sensor

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Caractéristiques

Nouvelles capacitésCommunicationCalcul

SurdimensionnementTolérance aux pannes

Traitement des données en temps réelAuto organisationEfficace au niveau matériel

Consommation, coût, capacité de calcul, etc.

Déploiement aléatoire ou planifié

Caractéristiques d’un capteur (Generic)

Processor/Radio Board MPR300CB

Speed 4 MHz

Flash 128K bytes

SRAM 4K bytes

EEPROM 4K bytes

Radio Frequency 2.4 GHz, 916MHz or 433MHz

Data Rate 40 kbits/sec

Power 0.75 mW

Radio Range 100 feet

Power 2 x AA batteries; Solar Energy

Internet, Satellite

Sink

Sink

Task

Manager

Architecture classique d’un réseau de capteurs

I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci,“Wireless Sensor Networks: A Survey”, March 2002.

Différences avec les réseaux ad-hoc

● Le nombre de capteurs est au moins d’un ordre de grandeur plus grand

● Leur densité est plus grande et ils peuvent tomber en panne

● La topologie est plus affectée par les pannes que par les déplacements

● Ils ont une puissance, des capacités de calculs et une mémoire limitée

● La pile protocolaire TCP/IP complète est trop lourde

● Elle est très dépendante des applications visées

Créer un tout nouveau panel

d'applications

Militaire

Industrie et Commerce

Environnement

Domotique

Santé

WSN

Caractéristiques des réseaux de capteurs

● APPLICATIONS:

Militaire, Environnemental, Santé, Domotique, Exploration de l’espace, Chimie, Vulcanologie, Catastrophes Naturelles

● Tâches des capteurs:

Température, Humidité, Mouvements de véhicules, Luminosité,

Pression, Bruits, Présence ou Absence de certains types d’objets,

Caractéristiques courantes d’un objet (vitesse, direction, taille)

Applications Militaires:

Monitoring des forces alliées et des équipements

Surveillance du champ de bataille

Reconnaissance des forces opposées et du terrain

Estimation des dommages

détection des attaques Nucléaires, Biologiques et Chimiques (NBC)

Applications Environnementales

Suivi du déplacement des oiseaux, de petits animaux, d’insecte

Surveillance environnementale (conditions affectant les récoltes et les réserves)

Irrigation

Surveillance de la terre et exploration planétaire

Détection d’incidents chimiques ou biologiques

Qualité de l’air, pollution

Inondation, feu de forêt

Recherche météorologique et géophysique

Réseaux de capteurs sous-marinsI.F. Akyildiz, D. Pompili, T. Melodia, “Underwater

Acoustic Sensor Networks: Research Challenges”, Ad Hoc Networks (Elsevier) Journal, March 2005.

Gestion de la pollution (chimique, biologique) Prévention des désastres Assistance à la navigation Surveillance Distribuée (militaire)

Applications:

Réseaux de capteurs sous-marins

Drifters, Gliders

Capteurs Terrestres vs. Sous-marins

2 x AA batteriesPower

100 feet Radio Range

0.75 mWTransmit Power

40 kbits/s (max)Data Rate

916MHz or 433MHz

(ISM Bands)

Radio Frequency

128K bytesFlash

4 MHzSpeed

Terrestrial Wireless

Sensor

Mica Mote

MPR300CB

3000 feetRadio Range

6 WTransmit Power

14 kbit/sData Rate

54-89 kHzAcoustic

Frequency

Medium-rangeUnderwater Acoustic

Modem Short-range

27- 45 kHz

7 kbit/s

1 W

1000 feet

Receive Power 0.75 W 1 W

Sleep Power 8 mW 12 mW

Architecture protocolaire d'un réseau de capteur

Critères de performance

Tolérance aux pannes

Connectivité de réseaux très denses

Auto-organisation

Faible consommation d'énergie

Avec 3J un capteur peut émettre1Kb à distance de 100 mètres ou executer 3 millions d'instructions

Caractéristiques Générales (applicatives)

COLLECTE PERIODIQUE DE DONNEES :

Mesures périodiques envoyées vers un centre

Traitement assuré par ce centre

Mesures significatives imposent des positions connues + réseau stable + grand nombre de capteurs

Routage stable (tables pré-calculées dans la phase de déploiement) ; arbre

Les noeuds les plus proches du collecteur sont plus chargés

Les noeuds basculent (aussi souvent que possible) dans l’état endormi

Caractéristiques Générales (applicatives)

SUPERVISION ORIENTEE PAR EVENEMENT :

Evénement = Changement brutal à rapporter au collecteur

Grand nombre de capteurs, Topologie stable

Fortement lié au délai

Les noeuds sont en permanence éveillés

Défaillance des noeuds à surveiller

Caractéristiques Générales (applicatives)

POURSUITE DE CIBLE :

Cible Mobile + capteurs fixes Ou

Cible et capteurs Mobiles

La poursuite peut se faire de manière périodique en interrogeant les capteurs OU bien en émettant des alarmes à partir des capteurs

La topologie peut donc bouger ET les routes changer.

IEEE 802.15.4/ZigBee

Réseau personnel sans fil (WPAN)

- Quelques mètres de portée radio,

- Grand nombre d'entités communicantes,

- Facilité de déploiement/utilisation,

- Faible coût.

Très économe en énergie,

Très économe en ressources matérielles,

Faible débit.

ZigBee

Les solutions présentes : Bluetooth - 802.15.1 : trop cher et trop coûteux en

énergie (coût environ 10 $)

Le projetIdée initiale : 1998, IEEE: 2001, production: 2004.Objectif : définir une norme de communication sans fil

à faible consommation d'énergie et à faible débit.

Les normesIEEE 802.15.4 pour couches 1&2 (Radio, MAC)Couches 3 et + : ZigBee Alliance (Adressage, routage,

profils, application)

ZigBee / 802.15.4

Quelques chiffresBande de fréquence : 868/915MHz et 2.4GHz

Débit : 20, 40 et 250Kbit/sPuissance d'émission : jusqu'à 10mW

Portée d'un module : quelques dizaines de mètresTopologie réseau : étoile, arbre ou mailléMéthode d'accès au médium : CSMA/CA ou coordonnée

Protocole (MAC) avec acquittements pour fiabiliser les échanges)Taille du code de la pile complète : inférieure à 64koConsommation énergétique : 120μW en veille, 90mW en travail

ZigBee

Pile de protocoles

Couches supérieures par l’Alliance ZigBee

Couches basses standardisées par l'IEEE (IEEE 802.15.4)

IEEE 802.15.4 MAC

Applications

IEEE 802.15.4

2400 MHz

PHY

IEEE 802.15.4

868/915 MHz

PHY

802.15.4 / ZigBee Architecture

ZigBee

• Packet generation

• Packet reception

• Data transparency

• Power Management

IEEE 802.15.4 PHYBandes de Fréquences

868MHz / 915MHz

PHY

2.4 GHz

868.3 MHz

Channel 0 Channels 1-10

Channels 11-26

2.4835 GHz

928 MHz902 MHz

5 MHz

2 MHz

2.4 GHz

PHY

16 canaux dans la bande 2.4GHz ISM: Industrial, Scientific, Medical10 canaux dans la bande 915MHz ISM 1 canal dans la bande 868MHz (en Europe).

IEEE 802.15.4 PHYStructure PDU

PreambleStart of

Packet

Delimiter

PHY

Header

PHY Service

Data Unit (PSDU)

PHY PDU• Préambule (32 bits) – synchronisation

• Délimiteur de début de PDU (8 bits)

• PHY Header (8 bits) – longueur PSDU

• PSDU (0 à 1016 bits) – Données

6 Octets 0-127 Octets

802.15.4 Architecture

IEEE 802.15.4 MAC

Applications

IEEE 802.15.4

2400 MHz

PHY

IEEE 802.15.4

868/915 MHz

PHY

• Channel acquisition

• Contention mgt

• MAC address

• Error Correction

ZigBee

Très faible coût

Facile à implanter

Transfert de données fiable

Courte portée

● Très faible consommation électrique

Protocole simple mais flexible

IEEE 802.15.4 MAC

IEEE 802.15.4 MACTopologies de réseaux classiques

ZigBee

étoile maillé arbre

FFD RFD PAN

Deux mode d'implantation, Deux dispositifsFull Function Device (FFD)

Coordinateur ou nœud simplePeut former n'importe quelle topologiePeut communique avec n'importe quel nœud

Reduced Function Device (RFD)Noeud simple, soit source ou destinationTopologie en étoile seulementPeut communiquer uniquement avec le coordinateur du réseau

Trois Topologies

Full function device

Reduced function device

Flux de communications

Maître/Esclave

Coordinateur

de PAN

IEEE 802.15.4 MACTopologie en Etoile

Full function device Flux de Communication

Point à point Cluster tree

IEEE 802.15.4 MACTopologie pair-à-pair

Full function device

Reduced function device

Flux de Communication

Clustered stars

IEEE 802.15.4 MACTopologie hybride

IEEE 802.15.4 MACStructure Générale de la trame

Payload

PH

Y L

ayer

MA

C

Layer

MAC Header

(MHR)

MAC Footer

(MFR)

MAC Protocol Data Unit (MPDU)

MAC Service Data Unit

(MSDU)

PHY Header

(PHR)

Synch. Header

(SHR)PHY Service Data Unit (PSDU)

ZigBee

Contention Acces Period

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

GTSGT

SInactive

Beacon Beacon

BI = aBaseSuperframeDuration x 2BO symbols

SD = aBaseSuperframeDuration x 2SO symbols

Contention Free Period (CFP)

ActiveTime

Structure de la supertrame IEEE 802.15.4

Modes d'accès au canal (MAC IEEE 802.15.4)Deux modes : avec ou sans balise

Dans le mode sans balise, le protocole est un simple CSMA-CA, nécessitant une constante réception d'éventuelles données

entrantesL'économie d'énergie est fournie dans le mode avec balise.Le mode avec balise définit une structure de supertrame

802.15.4 Architecture

IEEE 802.15.4 MAC

Applications

IEEE 802.15.4

2400 MHz

PHY

IEEE 802.15.4

868/915 MHz

PHY

• Routage

• Traduction

d’adresse

• Segmentation de

paquets

• Profils

ZigBee

Architecture de la pile ZigBee