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