rcsf application

1. Réseaux de capteurs sans fil
André-Luc Beylot, Rahim Kacimi et Riadh Dhaou
IRIT/ENSEEIHT

2. 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

3. 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

4. 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.

5. Qu'est ce qu'un capteur?
Équipement qui mesure une grandeur physique
Un “capteur” d’un réseau de capteurs
Capte toujours
Petit / Grand nombre
Limité en énergie
Capable de calculer
Communicant
Architecture générale et
caractéristiques d'un capteur

6. Architecture de base
Software
Memory
Processor Antenna
Power
(battery)
AC/DC
converter
Sensor
Architecture générale et
caractéristiques d'un capteur

7. Architecture générale et
caractéristiques d'un capteur
Caractéristiques
Nouvelles capacités
Communication
Calcul
Surdimensionnement
Tolérance aux pannes
Traitement des données en temps réel
Auto organisation
Efficace au niveau matériel
Consommation, coût, capacité de calcul, etc.
Déploiement aléatoire ou planifié

8. 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

9. 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.

10. 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

11. Créer un tout nouveau panel
d'applications
Militaire
Industrie et
Commerce
Environnement
Domotique
Santé
WSN

12. 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)

13. 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)

14. 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

15. Réseaux de capteurs sous-marins
I.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:

16. Réseaux de capteurs sous-marins
Drifters, Gliders

17. Capteurs Terrestres vs. Sous-
marins
2 x AA batteries
Power
100 feet
Radio Range
0.75 mW
Transmit Power
40 kbits/s (max)
Data Rate
916MHz or 433MHz
(ISM Bands)
Radio Frequency
128K bytes
Flash
4 MHz
Speed
Terrestrial Wireless
Sensor
Mica Mote
MPR300CB
3000 feet
Radio Range
6 W
Transmit Power
14 kbit/s
Data Rate
54-89 kHz
Acoustic
Frequency
Medium-range
Underwater 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

18. Architecture protocolaire
d'un réseau de capteur

19. Critères de performance
Tolérance aux pannes
Connectivité de réseaux très denses
Auto-organisation
Faible consommation d'énergie
Avec 3J un capteur peut
émettre
1Kb à distance de 100 mètres
ou executer 3 millions
d'instructions

20. 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

21. 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

22. 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.

23. 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.

24. ZigBee
Les solutions présentes :
Bluetooth - 802.15.1 : trop cher et trop coûteux en
énergie (coût environ 10 $)
Le projet
Idée initiale : 1998, IEEE: 2001, production: 2004.
Objectif : définir une norme de communication sans fil
à faible consommation d'énergie et à faible débit.
Les normes
IEEE 802.15.4 pour couches 1&2 (Radio, MAC)
Couches 3 et + : ZigBee Alliance (Adressage, routage,
profils, application)

25. ZigBee / 802.15.4
Quelques chiffres
Bande de fréquence : 868/915MHz et 2.4GHz
Débit : 20, 40 et 250Kbit/s
Puissance d'émission : jusqu'à 10mW
Portée d'un module : quelques dizaines de mètres
Topologie réseau : étoile, arbre ou maillé
Méthode 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 64ko
Consommation énergétique : 120μW en veille, 90mW en travail

26. ZigBee
Pile de protocoles
Couches supérieures par
l’Alliance ZigBee
Couches basses standardisées
par l'IEEE (IEEE 802.15.4)

27. 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

28. IEEE 802.15.4 PHY
Bandes de Fréquences
868MHz / 915MHz
PHY
2.4 GHz
868.3 MHz
Channel 0 Channels 1-10
Channels 11-26
2.4835 GHz
928 MHz
902 MHz
5 MHz
2 MHz
2.4 GHz
PHY
16 canaux dans la bande 2.4GHz ISM: Industrial, Scientific, Medical
10 canaux dans la bande 915MHz ISM
1 canal dans la bande 868MHz (en Europe).

29. IEEE 802.15.4 PHY
Structure PDU
Preamble
Start 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

30. 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

31.  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

32. IEEE 802.15.4 MAC
Topologies de réseaux classiques

33. ZigBee
étoile maillé arbre
FFD RFD PAN
Deux mode d'implantation, Deux dispositifs
Full Function Device (FFD)
Coordinateur ou nœud simple
Peut former n'importe quelle topologie
Peut communique avec n'importe quel nœud
Reduced Function Device (RFD)
Noeud simple, soit source ou destination
Topologie en étoile seulement
Peut communiquer uniquement avec le coordinateur du réseau
Trois Topologies

34. Full function device
Reduced function device
Flux de communications
Maître/Esclave
Coordinateur
de PAN
IEEE 802.15.4 MAC
Topologie en Etoile

35. Full function device Flux de Communication
Point à point Cluster tree
IEEE 802.15.4 MAC
Topologie pair-à-pair

36. Full function device
Reduced function device
Flux de Communication
Clustered stars
IEEE 802.15.4 MAC
Topologie hybride

37. IEEE 802.15.4 MAC
Structure Générale de la trame
Payload
PHY
Layer
MAC
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)

38. ZigBee
Contention Acces Period
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0
GTS
GT
S
Inactive
Beacon Beacon
BI = aBaseSuperframeDuration x 2BO
symbols
SD = aBaseSuperframeDuration x 2SO
symbols
Contention Free Period (CFP)
Active
Time
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
entrantes
L'économie d'énergie est fournie dans le mode avec balise.
Le mode avec balise définit une structure de supertrame

39. 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

40. Architecture de la pile ZigBee