Réseau de capteurs sans fil - Définition

Architectures Réseau de capteurs

Il existe plusieurs topologies pour les réseaux à communication radio. Nous discutons ci-dessous des topologies applicables aux réseaux de capteurs.

La Topologie en étoile

Dans cette topologie une station de base envoie ou reçoit un message via un certain nombre de nœuds. Ces nœuds peuvent seulement envoyer ou recevoir un message de l’unique station de base, il ne leur est pas permis de s’échanger des messages.
Avantage : simplicité et faible consommation d’énergie des nœuds, moindre latence de communication entre les nœuds et la station de base.
Inconvénient : la station de base est vulnérable, car tout le réseau est géré par un seul nœud

La topologie « en toile » ou « en grille » (Mesh Network)

Dans ce cas (dit « communication multi-sauts »), tout nœud peut échanger avec n'importe quel autre nœud du réseau (s'il est à portée de transmission). Un nœud voulant transmettre un message à un autre nœud hors de sa portée de transmission, peut utiliser un nœud intermédiaire pour envoyer son message au nœud destinataire.
Avantage : Possibilité de passer à l’échelle du réseau, avec redondance et tolérance aux fautes,
Inconvénient : Une consommation d’énergie plus importante est induite par la communication multi-sauts. Une latence est créée par le passage des messages des nœuds par plusieurs autres avant d’arriver à la station de base.

La topologie hybride

Une topologie hybride entre celle en étoile et en grille fournit des communications réseau robustes et diverses, en assurant la minimisation de la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs. Dans ce type de topologie, les nœuds capteur autonome en énergie ne routent pas les messages, mais il y a d’autres nœuds qui ont la possibilité de faire le routage des messages. En général, ces nœuds disposent d'une source d'énergie externe.

Articles connexes

Liens externes

• (fr) Exemple pratique d'utilisation pour la surveillance environnementale
• (fr) Systèmes de gestion énergétique pour les bâtiments utilisant un réseau de capteurs sans-fil
• (en) Dash7
• (en) Bluetooth
• (en) Zigbee
• (en) Zwave

Bibliographie

Notes et références

Architecture d'un micro-capteur

Un « nœud capteur » contient quatre unités de base : l'unité de captage, l'unité de traitement, l'unité de transmission, et l'unité de contrôle d'énergie. Selon le domaine d'application, il peut aussi contenir des modules supplémentaires tels qu'un système de localisation (GPS), ou bien un système générateur d'énergie (cellule solaire). Quelques micro-capteurs, plus volumineux, sont dotés d'un système mobilisateur chargé de les déplacer en cas de nécessité.

L'unité de captage

Le capteur est généralement composée de deux sous-unités : le récepteur (reconnaissant l'analyte) et le transducteur (convertissant le signal du récepteur en signal électrique). Le capteur fournit des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur Analogique/Numérique. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique compréhensible par l'unité de traitement.

L'unité de traitement

Elle comprend un processeur généralement associé à une petite unité de stockage. Elle fonctionne à l'aide d'un système d'exploitation spécialement conçu pour les micro-capteurs (TinyOS par exemple). Elle exécute les protocoles de communications qui permettent de faire « collaborer » le nœud avec les autres nœuds du réseau. Elle peut aussi analyser les données captées pour alléger la tâche du nœud puits.

L'unité de transmission

Elle effectue toutes les émissions et réceptions des données sur un medium « sans-fil ». Elle peut être de type optique (comme dans les nœuds Smart Dust), ou de type radio-fréquence.

• Les communications de type optique sont robustes vis-à-vis des interférences électriques. Néanmoins, ne pouvant pas établir de liaisons à travers des obstacles, elles présentent l'inconvénient d'exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes.
• Les unités de transmission de type radio-fréquence comprennent des circuits de modulation, démodulation, filtrage et multiplexage ; ceci implique une augmentation de la complexité et du coût de production du micro-capteur.

Concevoir des unités de transmission de type radio-fréquence avec une faible consommation d'énergie est un défi car pour qu'un nœud ait une portée de communication suffisamment grande, il est nécessaire d'utiliser un signal assez puissant et donc une énergie consommée importante. L'alternative consistant à utiliser de longues antennes n'est pas possible à cause de la taille réduite des micro-capteurs.

L'unité de contrôle d'énergie

Un micro-capteur est muni d'une ressource énergétique (généralement une batterie). Étant donné sa petite taille, cette ressource énergétique est limitée et généralement non-remplaçable. ceci fait souvent de l'énergie la ressource la plus précieuse d'un réseau de capteurs, car elle influe directement sur la durée de vie des micro-capteurs et donc du réseau entier.
L'unité de contrôle d'énergie constitue est donc un systèmes essentiel. Elle doit répartir l'énergie disponible aux autres modules, de manière optimale (par exemple en réduisant les dépenses inutiles et en mettant en veille les composants inactifs). Cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement d'énergie à partir de l'environnement via des cellules photovoltaïque par exemple.