Réseau de capteurs sans fil - Définition

Plates-formes

Parmi les standards les plus aptes à être exploités dans les réseaux de capteurs sans-fil se retrouvent la double pile protocolaire Bluetooth / Zigbee.

• La Bluetooth, dont Ericsson a initié le projet en 1994, a été standardisé sous la norme IEEE 802.15.4 et a comme but la création et le maintien de réseaux à portée personnelle, PAN (Personal Area Network). Un tel réseau est utilisé pour le transfert de données à bas débit à faible distance entre appareils compatibles. Malheureusement, le grand défaut de cette technique est sa trop grande consommation d'énergie et ne peut donc pas être utilisée par des capteurs qui sont alimentés par une batterie et qui idéalement devraient fonctionner durant plusieurs années.
• Le ZigBee combiné avec IEEE 802.15.4 offre des caractéristiques répondeant encore mieux aux besoins des réseaux de capteurs en termes d’économies d’énergie. ZigBee offre des débits de données moindres, mais il consomme également nettement moins que Bluetooth. Un faible débit de données n'handicape pas pour un réseau de capteurs où les fréquences de transmission sont faibles.

Les constructeurs tendent à employer des « techniques propriétaires » ayant l'avantage d'être spécifiquement optimisées pour une utilisation précise, mais avec l'inconvénient de ne pas être compatibles entre elles.

Matérielles

De nouvelles techniques influenceront l'avenir des réseaux de capteurs. par exemple, UWB (Ultra wideband) est une technique de transmission permettant des consommations extrêmement basses grâce à sa simplicité matérielle. De plus, l'atténuation du signal engendré par des obstacles est moindre qu'avec les systèmes radio à bande étroite conventionnels.

Logiciels

Le domaine des capteurs sans fil semble promis à un grand essor. De nombreux nouveaux produits logiciels sont attendus, y compris dans le domaine de l'open-source avec par exemple TinyOS développé à l'Université de Berkeley ; un système d'exploitation "open source" conçu pour les capteurs embarqués sans-fil qui est déjà utilisé (en 2009) par plus de 500 universités et centres de recherche dans le monde. La réalisation de programmes sur cette plateforme s'effectue exclusivement en NesC (dialecte du C). Cet OS a notamment pour particularité une taille extrêmement réduite en termes de mémoire (quelques kilo-octets).

Applications

La diminution de taille et de coût des micro-capteurs, l'élargissement de la gamme des types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations,...) et l'évolution des support de communication sans fil, ont élargi le champ d'application des réseaux de capteurs. Ils s'insèrent notamment dans d'autres systèmes tels que le contrôle et l'automatisation des chaînes de montage. Ils permettent de collecter et de traiter des informations complexes provenant de l'environnement (météorologie, étude des courants, de l'acidification des océans, de la dispersion de polluants, de propagules, etc.

Certains prospectivistes pensent que les réseaux de capteurs pourraient révolutionner la manière même de comprendre et de construire les systèmes physiques complexes,notamment dans les domaines militaire, environnemental, domestique, sanitaire, de la sécurité, etc.

Applications militaires

Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a été un moteur initial pour le développement des réseaux de capteurs. Le déploiement rapide, le coût réduit, l'auto-organisation et la tolérance aux pannes des réseaux de capteurs sont des caractéristiques qui rendent ce type de réseaux un outil appréciable dans un tel domaine.
Un réseau de capteurs déployé sur un secteur stratégique ou difficile d'accès, permet par exemple d'y surveiller tous les mouvements (amis ou ennemis), ou d'analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes (détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations). Des tests concluants auraient déjà été réalisés par l'armée américaine dans le désert de Californie.

Applications à la sécurité

Les structures d'avions, navires, automobiles, métros, etc pourraient être suivies en temps réel par des réseaux de capteurs, de même que les réseaux de circulation ou de distribution de l'énergie. Les altérations de structure d'un bâtiment, d'une route, d'un quai, d'une voie ferrée, d'un pont ou d'un barrage hydroélectrique (suite à un séisme ou au vieillissement) pourraient être détectées par des capteurs préalablement intégrés dans les murs ou dans le béton, sans alimentation électrique ni connexions filaires. Certains capteurs ne s'activant que périodiquement peuvent fonctionner durant des années, voire des décennies. Un réseau de capteurs de mouvements peut constituer un système d'alarme distribué qui servira à détecter les intrusions sur un large secteur. Déconnecter le système ne serait plus aussi simple, puisqu'il n'existe pas de point critique. La surveillance de routes ou voies ferrées pour prévenir des accidents avec des animaux (roadkill) ou des êtres humains ou entre plusieurs véhicules est une des applications envisagées des réseaux de capteurs.

Selon leurs promoteurs, ces réseaux de capteurs pourraient diminuer certaines failles de systèmes de sécurité et mécanismes de sécurisation, tout en diminuant leur coût. D'autres craignent aussi des dérives sécuritaires ou totalitaires si l'usage de ces réseaux n'est pas assujetti à des garanties éthiques sérieuses.

Applications environnementales

Des thermo-capteurs peuvent être dispersés à partir d'avions, ballons, navires et signaler d'éventuels problèmes environnementaux dans le champ de captage (incendie, pollution, épidémies, aléa météorologique...) permettant d'améliorer la connaissance de l'environnement et l'efficacité des moyens de lutte. Des capteurs pourraient être semés avec les graines par les agriculteurs afin de détecter le stress hydrique des plantes ou le taux de nutriment de l'eau du sol, pour optimiser les apports d'eau et de nutriments ou le drainage et l'irrigation. Sur les sites industriels, les centrales nucléaires ou dans les pétroliers, des capteurs peuvent être déployés en réseau pour détecter des fuites de produits toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs, pétrole, etc.) et alerter les utilisateurs et secours plus rapidement, pour permettre une intervention efficace. Une grande quantité de micro-capteurs pourrait être déployée en forêt ou dans certaines aires protégées pour recueillir des informations sur l'état des habitats naturels et sur les comportements de la faune, de la flore et de la fonge (déplacements, activité, état de santé..). L'université de Pise (Italie) a ainsi réalisé des réseaux de capteurs pour le contrôle de parcs naturels (feux, animaux,..). Des capteurs avalés par les animaux ou placés sous leur peau sont déjà parfois utilisés). Il devient ainsi possible "d'observer la biodivesité", sans déranger, des espèces animales vulnérables au dérangement ou difficiles à étudier dans leur environnement naturel, et de proposer des solutions plus efficaces pour la conservation de la faune.

Les éventuelles conséquences de la dispersion en masse des micro-capteurs dans l'environnement ont soulevé plusieurs inquiétudes. En effet, ceux-ci sont généralement doté d'une micro-batterie contenant des métaux nocifs. Néanmoins, le déploiement d'un million de capteurs de 1 millimètre cube chacun ne représente qu'un volume total d'un litre. Même si tout ce volume était constitué de batteries, cela n'aurait pas des répercussions désastreuses sur l'environnement.

Applications médicales et vétérinaire

La surveillance des fonctions vitales d'un organisme vivant pourrait à l'avenir être facilitée par des micro-capteurs avalés ou implantés sous la peau. Des gellules multi-capteurs ou des micro-caméras pouvant être avalées existent déjà, pouvant sans recours à la chirurgie, transmettre des images de l'intérieur d'un corps humain (avec une autonomie de 24 heures). Une récente étude présente des capteurs fonctionnant dans le corps humain, qui pourraient traiter certaines maladies. Un projet est de créer une rétine artificielle composée de 100 micro-capteurs pour corriger la vue. D'autres ambitieuses applications biomédicales sont aussi présentées, tel que : la surveillance de la glycémie, la surveillance des organes vitaux ou la détection précoce de cancers. Des réseaux de capteurs permettraient théoriquement une surveillance permanente des patients et une possibilité de collecter des informations physiologiques de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de quelques maladies.

Applications commerciales

Des nœuds capteurs pourraient améliorer le processus de stockage et de livraison (pour garantir la chaine du froid en particulier). Le réseau ainsi formé, pourra être utilisé pour connaître la position, l'état et la direction d'un paquet ou d'une cargaison. Un client attendant un paquet peut alors avoir un avis de livraison en temps réel et connaître la position du paquet. Des entreprises manufacturières, via des réseaux de capteurs pourraient suivre le procédé de production à partir des matières premières jusqu'au produit final livré. Grâce aux réseaux de capteurs, les entreprises pourraient offrir une meilleure qualité de service tout en réduisant leurs coûts. Les produits en fin de vie pourraient être mieux démontés et recyclés ou réutilisés si les microcapteurs en garantissent le bon état. Dans les immeubles, le système domotique de chauffage et climatisation, d'éclairage ou de distribution d'eau pourrait optimiser son efficience grâce à des micro-capteurs présents dans des tuiles aux plancher en passant par les murs, huisseries et meubles. Les systèmes ne fonctionneraient que là où il faut, quand il faut et à la juste mesure. Utilisée à grande échelle, une telle application permettrait de réduire la demande mondiale en énergie et indirectement les émissions de gaz à effet de serre. Rien qu'aux États-Unis, cette économie est estimée à 55 milliards de dollars par an, avec une diminution de 35 millions de tonnes des émissions de carbone dans l'air.
Le monde économique pourrait ainsi diminuer ses impacts environnementaux sur le climat.