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République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieure et de la Recherche Scientifique
Université Tahri Mohamed de Béchar
Faculté des Sciences Exactes
Département de Mathématique et Informatique
Mémoire de fin d’études
En vue de l’obtention du diplôme de Master en Informatique
Option : Systèmes Informatiques et Réseaux
THEME
Présenté par : Encadré par :
HADJADJI Samia Mr. BELAGUID M
Année universitaire 2014/2015
Système de supervision
des réseaux de capteurs sans fil
Remerciements
Tout d’abord grâce à dieu le tout puissant et miséricordieux de m’avoir
donné la foi et m’avoir permis d’apprendre et à réaliser ce travail.
Je tiens à remercier mes très chère parent pour le sacrifice qu’ils ont
constitué pendant la durée de mes études et qui mon fournis au quotidien soutien et
une confiance sans faille et de ce fait, je ne saurais exprimer ma gratitude seulement
par des mots.
Ensuite je tiens à remercier l’ensemble des enseignants auxquels nous
exprimons toute notre gratitude et notre sympathie et que sans leur collaboration et
soutient de ce travail n’aurait pu être réalisé.
Je remercier en particulier Mr Belaguid Mustapha pour son
s’avoir et culture ainsi que la confiance qu’il à placer en moi durant toute la durée de
ce travail.
Ainsi j’adresse mes remerciements les plus chaleureux à toutes les personnes
qui m’ont aidé de près ou de loin par le fruit de leurs connaissances.
J’exprime également ma gratitude à tous les consultants et internautes
rencontré lors de la recherche effectuée et qui ont accepté de répondre à mes questions.
Je tiens à remercier l’université TAHRI-Mohamed-Béchar qui m’a
donné l’opportunité de vivre une expérience aussi enrichissante tout sur le plan humain
que professionnel.
J’exprime également ma gratitude aux membres du
Jurys qui m’ont honoré en acceptant de juger ce travail.
Enfin, j'adresse mes plus sincères remerciements à
tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenu et
encouragé au cours de la réalisation de ce travail.
Merci à tous et à toutes.
Dédicace
Je dédie ce travail à :
Mes enseignants du cycle primaire jusqu’au cycle universitaire dont les
conseils précieux m’ont guidé ; qu’ils trouvent ici l’expression de ma
reconnaissance.
En particulier, l'ensemble des enseignants de l'université TAHRI-
Mohamed de Béchar.
Mes très chère parent « Bachir » et « Fadila » qui se sont
dévolus pour que j’apprenne.
Ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis
pour mon éducation et ma formation.
Mes deux frère « Abdlatif » et « Mounir »
Mes oncles, tantes, cousin et cousine.
Mes camarades et toutes
Mes amies.
A tous ceux ou celles qui me sont chers
et que j’ai omis involontairement de citer.
La promotion MSIR-2015
Résumé
Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs), technologie clé du 21ème siècle, sont basés sur
des systèmes embarqués à faibles ressources et sont fortement contraints (énergie, ressources,
interférences, etc.). Leur domaine d’applications est très vaste. Une application type peut
contenir plusieurs dizaines voire plusieurs milliers de nœuds capteurs. Le but que se propose
ce projet de relever est de fournir des méthodes simples pour administrer ces réseaux et de
fournir des méthodes permettant de connaitre l’état des nœuds. Cela est réaliser à l’aide d’un
protocole inspiré du protocole SNMP, ainsi l’utilisation des méthodes de théorie des graphes
(la redondance et les points d’articulation).
Ce système a donc pour but de superviser à distance les différents éléments des réseaux de
capteurs sans fil, de permettre de visualiser et modifier leurs configurations ainsi que
d'accéder aux différentes valeurs des capteurs.
Mots clés : Réseaux de Capteurs Sans Fil, Supervision, Protocol SNMP, Théorie des
graphes, Redondance, Points d’articulation.
Summary
The Wireless Sensor Networks (WSNs), a key technology of the 21st century are based on
embedded systems with limited resources and are heavily constrained (energy, resources,
interference, etc.). Their range of applications is vast. A typical application may contain tens
to thousands of nodes sensors. The goal that this project intends to address is to provide
simple methods to manage these networks and provide methods to know the state of the
nodes. This is achieving by using a protocol based on the SNMP protocol, and the use of
graph theory methods (redundancy and the articulation points).
This system is designed to remotely monitor the various elements of wireless sensor
networks, allowing you to view and edit their configurations and to access the various sensor
values.
Keywords: Wireless Sensor Networks, Supervision, Protocol SNMP, Graph Theory,
redundancy, articulation points.
TABLE DES MATIERES
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page i
Table des matières
LISTE DES FIGURES .................................................................................................................vi
LISTE DES TABLEAUX...............................................................................................................x
LISTE DES ABREVIATIONS .....................................................................................................xi
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE.............................................................1
Chapitre I : GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
I.1. Introduction............................................................................................................................4
I.2. Définition des réseaux sans fil...............................................................................................4
I.3. Les catégories des réseaux sans fil .......................................................................................5
I.3.1. Le réseau personnel sans fil (WPAN) .....................................................................5
I.3.1.1. La technologie Bluetooth .................................................................................5
I.3.1.2. La technologie ZigBee .....................................................................................5
I.3.1.3. Les liaisons infrarouges ...................................................................................6
I.3.2. Le réseau local sans fil (WLAN).............................................................................6
I.3.2.1. Les réseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity) ............................................................6
I.3.2.2. Les réseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0) ................................6
I.3.3. Le réseau métropolitain sans fil (WMAN)..............................................................6
I.3.3.1. les réseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access) .......6
I.3.4. Le réseau étendu sans fil (WWAN).........................................................................7
I.4. Définition d’un réseau Ad Hoc..............................................................................................7
I.5. Capteur sans fil ......................................................................................................................7
I.5.1. Unité de captage ......................................................................................................8
I.5.2. Unité de traitement ..................................................................................................8
I.5.3. Unité de communication .........................................................................................8
I.5.4. Unité d’alimentation énergétique ...........................................................................9
I.6. Réseau des capteurs sans fil.................................................................................................10
I.7. Le réseau des capteurs mobiles............................................................................................11
I.8. Les états opérationnels d’un nœud capteur..........................................................................12
I.9. Architecture de réseau de capteurs sans fil..........................................................................12
I.9.1. Les réseaux de capteurs sans-fil plats....................................................................12
I.9.2. Les réseaux de capteurs sans-fil hiérarchiques......................................................13
I.10. Les principales caractéristiques et contraintes des RCSFs ..................................................14
I.10.1. La consommation réduite d’énergie .....................................................................14
I.10.2. L’auto-configuration des nœuds capteurs .............................................................14
I.10.3. L’évolutivité ..........................................................................................................14
I.10.4. La tolérance aux pannes .......................................................................................14
I.10.5. Une densité importante des nœuds .......................................................................15
I.10.6. La Surveillance......................................................................................................15
TABLE DES MATIERES
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page ii
I.10.7. La capacité de communication .............................................................................16
I.10.7.1. Les types de communication .........................................................................16
I.10.8. Une architecture « data-centric » ..........................................................................17
I.10.9. Une collaboration entre les nœuds ........................................................................18
I.10.10. La bande passante (ou capacité du canal) ..........................................................18
I.10.11. Notion de cluster ................................................................................................18
I.10.12. La qualité de service............................................................................................18
I.10.13. La topologie de réseau.........................................................................................19
I.11. La mise en œuvre des réseaux sans fil.................................................................................19
I.11.1. Le mode de fonctionnement centralisé................................................................19
I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc ....................................................................20
I.12. Domaines d’application des réseaux de capteurs ................................................................21
I.12.1. Applications militaires ........................................................................................21
I.12.2. Applications à la surveillance .............................................................................21
I.12.3. Applications environnementales .........................................................................21
I.12.4. Applications médicales .......................................................................................22
I.12.5. Applications domestiques ...................................................................................22
I.12.6. Applications commerciales .................................................................................22
I.13. Le stockage des données......................................................................................................23
I.14. La collection d’information .................................................................................................24
I.14.1. À la demande.......................................................................................................24
I.14.2. Suite à un évènement...........................................................................................24
I.15. Systèmes embarqués............................................................................................................25
I.16. La pile protocolaire des RCSF.............................................................................................25
I.16.1. La couche physique.............................................................................................26
I.16.2. La couche liaison de données..............................................................................26
I.16.3. La couche réseau .................................................................................................27
I.16.4. La couche transport .............................................................................................27
I.16.5. La couche application..........................................................................................27
I.17. Classification des protocoles de routages pour les réseaux de capteur sans fil ...................28
I.17.1. Selon la topologie du réseau................................................................................29
I.17.2. Selon le fonctionnement du protocole.................................................................29
I.17.2.1. Routage basé sur les multi-chemins...........................................................29
I.17.2.2. Routage basé sur les requêtes ....................................................................29
I.17.2.3. Routage basé sur la négociation.................................................................29
I.17.2.4. Routage basé sur la qualité de service .......................................................29
I.17.3. Selon le Paradigme de communication ...............................................................30
I.17.3.1. Centré-nœud (Node centric) .....................................................................30
I.17.3.2. Centré-données (Data centric) ..................................................................30
I.17.3.3. Basé-localisation (Position centric) ..........................................................30
I.17.4. Selon le mode de l’établissement de chemins ....................................................30
I.17.4.1. Les protocoles proactifs.............................................................................30
I.17.4.2. Les protocoles réactifs ...............................................................................30
TABLE DES MATIERES
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page iii
I.17.4.3. Les protocoles hybrides .............................................................................31
I.18. Conclusion ...........................................................................................................................31
Chapitre II : L’ADMINISTRATION DES RESEAUX
II.1.Introduction............................................................................................................................32
II.2.La gestion de réseau...............................................................................................................32
II.3.Principe général......................................................................................................................33
II.4.Le concept de supervision du réseau.....................................................................................34
II.5.Structure d’un système d’administration ...............................................................................35
II.6.Fonctions de base de la gestion de réseau..............................................................................36
II.7.Structure des informations d’administration de réseaux (SMI) .............................................37
II.7.1. Définitions formelles utilisant ASN.1 ......................................................................37
II.8.Les différents aspects de la supervision des réseaux ............................................................37
II.8.1. L’analyse de flux .....................................................................................................38
II.8.2. La supervision applicative : état des services ..........................................................38
II.8.3. La supervision SNMP : l’état des équipements .......................................................39
II.9.Les protocoles de gestion réseau............................................................................................39
II.9.1. Historique des protocoles d’administration ..............................................................39
II.10. L’administration vue par la norme ISO ...............................................................................40
II.10.1. Les différents modèles ........................................................................................40
II.10.1.1. Le modèle architectural .............................................................................40
II.10.1.2. Le modèle informationnel..........................................................................41
II.10.1.3. Le modèle fonctionnel ...............................................................................42
II.11. L’administration dans l’environnement TCP/IP..................................................................43
II.11.1. Présentation générale de protocole SNMP ...............................................................43
II.11.2. Les différentes versions de SNMP............................................................................44
II.11.3. Architecture globale..................................................................................................45
II.11.4. Principe de fonctionnement ......................................................................................46
II.11.5. Trame SNMP ............................................................................................................49
II.11.5.1. Format des PDUs ................................................................................................49
II.11.6. Les MIBS (Management Information base) .............................................................50
II.11.7. La sécurité sur SNMP...............................................................................................52
II.11.7.1. Les faiblesses de SNMPv1..................................................................................52
II.11.7.2. Les améliorations de SNMPv2c..........................................................................52
II.11.7.3. La sécurité sur SNMPv3 .....................................................................................52
II.12. Conclusion ...........................................................................................................................53
Chapitre III : GESTION ET SUPERVISION DES RCSFs-Etat de l’art
III.1. Introduction......................................................................................................................54
III.2. Objectifs de gestion des RCSFs......................................................................................54
III.3. Critères de conception de systèmes de gestion de RCSF.................................................55
III.4. Les fonctions principales de gestion des RCSFs .............................................................56
III.5. Les systèmes de gestion de RCSF....................................................................................58
III.5.1. Cadre de gestion de réseau de capteurs sans fil ........................................................59
TABLE DES MATIERES
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page iv
III.5.1.1. BOSS...................................................................................................................59
III.5.1.2. MANNA..............................................................................................................60
III.5.2. Protocoles de gestion des réseaux de capteurs sans fil .............................................62
III.5.2.1. RRP .....................................................................................................................62
III.5.2.2. SNMS..................................................................................................................63
III.5.2.3. WinMS ................................................................................................................63
III.5.3. Gestion par délégation ..............................................................................................64
III.5.3.1. Agilla...................................................................................................................64
III.5.3.2. Mobile Management Agent Policy-Based .........................................................65
III.5.3.3. sectorielle Sweeper..............................................................................................65
III.5.3.4. Intelligent Agent-Based Power Management ....................................................65
III.5.4. Outils de débogage....................................................................................................65
III.5.4.1. Sympathy.............................................................................................................65
III.5.5. Visualisation Outil ....................................................................................................66
III.5.5.1. Mote-View ..........................................................................................................66
III.5.6. Systèmes de gestion d'énergie...................................................................................66
III.5.6.1. Senos ...................................................................................................................66
III.5.6.2. AppSleep .............................................................................................................67
III.5.6.3. Node-energy level management .........................................................................67
III.5.7. Systèmes de gestion de la circulation .......................................................................67
III.5.7.1. Siphon..................................................................................................................67
III.5.7.2. Gestion des ressources DSN ...............................................................................68
III.6. L’organisation du système de gestion des RCSF.............................................................68
III.6.1. Gestion de réactivité ................................................................................................69
III.6.2. Architecture de gestion .............................................................................................69
III.6.2.1. Les systèmes de gestion centralisés ....................................................................69
III.6.2.2. Les systèmes de gestion distribués......................................................................70
III.6.2.3. Les systèmes de gestion hiérarchique .................................................................71
III.7. Comparaison des systèmes existants pour la gestion d’un RCSF....................................72
III.8. Le protocole SNMP pour les RCSFs ...............................................................................74
III.9. Conclusion .......................................................................................................................75
Chapitre IV : MODELISATION ET CONCEPTION
IV.1. Introduction......................................................................................................................76
IV.2. Etude Préliminaire............................................................................................................76
IV.2.1. Présentation du projet à réaliser....................................................................................76
IV.2.1.1. Le modèle formel de présentation............................................................................76
IV.2.1.2. Les fonctionnalités de protocole SWSNMP ............................................................78
IV.2.2. Choix techniques ..........................................................................................................79
IV.2.3. Identification des acteurs ..............................................................................................79
IV.2.4. Identification des messages ..........................................................................................80
IV.2.5. Modélisation du contexte..............................................................................................81
IV.3. Capture des besoins Fonctionnels ...................................................................................82
IV.3.1. Déterminer les cas d’utilisations...................................................................................82
TABLE DES MATIERES
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page v
IV.3.1.1. Identification des cas d’utilisation ......................................................................82
IV.3.2. Description préliminaire des cas d’utilisations.............................................................84
IV.3.3. Description détaillée des cas d’utilisations...................................................................85
IV.4. Développement du modèle dynamique............................................................................89
IV.4.1. Identification des scénarios .......................................................................................89
IV.4.1.1. Scénarios de l’Administrateur ..............................................................................90
IV.4.1.2. Scénarios du Sink .................................................................................................90
IV.4.1.3. Scénarios du Capteur ............................................................................................91
IV.4.1.4. Scénarios de l’Agent SWSNMP............................................................................91
IV.4.1.5. Scénarios de la Cible ............................................................................................92
IV.4.2. Construction des diagrammes d’états ........................................................................92
IV.5. Développement du modèle statique .................................................................................94
IV.6. Conclusion .......................................................................................................................96
Chapitre V : IMPLEMENTATION ET REALISATION
V.1. Introduction .......................................................................................................................97
V.2. Langage utilisé...................................................................................................................97
V.3. Algorithme.........................................................................................................................98
V.4. Scénario utilisé ..................................................................................................................98
V.5. Implémentation................................................................................................................100
IV.5.1. Structure des messages utilisés.................................................................................100
IV.5.2. L’activation des capteurs..........................................................................................101
IV.5.3. La redondance ..........................................................................................................102
IV.5.4. Les points d’articulation...........................................................................................102
IV.5.4.1. Principe .............................................................................................................102
IV.5.4.2. Etapes de détection des points d’articulation ...................................................103
IV.5.4.3. A O (V + E) algorithme pour trouver tous les points d'articulation (AP).........103
V.6. La supervision avec le protocole SWSNMP ...................................................................105
V.7. La réalisation de la plateforme ........................................................................................105
V.8. Déroulement du projet.....................................................................................................108
V.9. Résultats et discussion.....................................................................................................112
V.10. Conclusion.......................................................................................................................115
CONCLUSION GENERAL ET PERSPECTIVE.....................................................................116
BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................................118
Liste des figures
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page vi
Liste des figures
Figure I.1 : Les catégories des réseaux sans fil..............................................................................5
Figure I.2 : Les composants d’un nœud capteur............................................................................8
Figure I.3 : Rayons de communication et de détection d'un capteur .............................................9
Figure I.4 : Architecture d’un nœud capteur..................................................................................9
Figure I.5 : TelosB .......................................................................................................................10
Figure I.6 : Exemple de réseau de capteurs .................................................................................11
Figure.I.7 : Les états possibles d’un nœud capteur .....................................................................12
Figure I.8 : Architecture plat des RCSF.......................................................................................13
Figure I.9 : Architecture hiérarchique des RCSF.........................................................................13
Figure I.10 : Architecture de communication d’un réseau d’un RCSF .......................................16
Figure I.11 : Le routage data-centric............................................................................................17
Figure I.12 : Cluster d'un RCSF...................................................................................................18
Figure I.13 : Un exemple de Scatternet composé de trois Piconet ..............................................20
Figure.I.14 : Quelques applications des RCSFs...........................................................................23
Figure I.15 : Collecte à la demande ............................................................................................24
Figure I.16 : Collecte suite à un événement.................................................................................24
Figure I.17 : La pile protocolaire d’un RCSF..............................................................................26
Figure I.18 : Classification des protocoles de routage pour les Réseaux de capteurs sans fil .....28
Figure II.1 : Structure fonctionnelle d’administration du réseau.................................................33
Figure II.2 : Accès à un service distant........................................................................................38
Figure II.3 : Le modèle architectural d’administration par l’ISO................................................40
Figure II.4 : Les fonctions d’administration................................................................................42
Figure II.5 : L’environnement SNMP .........................................................................................45
Figure II.6 : Base de SNMP.........................................................................................................46
Figure II.7 : Les deux méthodes de supervision SNMP ..............................................................47
Figure II.8 : Echange de message................................................................................................48
Figure II.9 : Résumé des commandes SNMPv2 .........................................................................49
Figure II.10 : Les trames SNMP..................................................................................................49
Figure II.11 : Les identificateurs d’objets de La MIB.................................................................51
Figure II.12 : Le mécanisme d'authentification...........................................................................52
Figure II.13 : Le chiffrement avec DES .....................................................................................53
Liste des figures
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page vii
Figure III.1 : Architecture de BOSS ..........................................................................................59
Figure.III.2 : L’ensemble des fonctions de gestion définies dans MANNA...............................61
Figure.III.3 : Les relations, les fonctions et les modèles de système MANNA ..........................61
Figure IV.1 : Diagramme de cas d’utilisation..............................................................................84
Figure IV.2 : Diagramme d’activité- s’authentifier .....................................................................86
Figure IV.4 : Diagramme d’activité- superviser..........................................................................89
Figure IV.5 : Diagramme de séquences – Administrateur ..........................................................90
Figure IV.6 : Diagramme de séquences – Sink ...........................................................................90
Figure IV.7 : Diagramme de séquences – Capteur ......................................................................91
Figure IV.8 : Diagramme de séquences – Agent SWSNMP ......................................................91
Figure IV.9: Diagramme de séquences – Cible ...........................................................................92
Figure IV.10 : Diagramme d’état ................................................................................................93
Figure IV.11 : Diagramme de classe............................................................................................95
Figure V.1: Notre algorithme (Scénario de la simulation(...........................................................99
Figure V.2 : Exemple des points d’articulation .........................................................................103
Figure V.3 : La plateforme principale...........................................................................................105
Figure V.4 : Les légendes...........................................................................................................106
Figure V.5 : Légende de SWSNMP...........................................................................................106
Figure V.6 : La fenêtre d’authentification..................................................................................106
Figure V.7 : La fenêtre de déploiement ....................................................................................107
Figure V.8 : Déploiement aléatoire de 50 nœuds.......................................................................107
Figure V.9 : La couverture et la connectivité des nœuds ..........................................................108
Figure V.10 : Activation des capteurs et découverte de voisinage ...........................................108
Figure V.11 : La redondance et les points d’articulation (49 capteur) .......................................109
Figure V.12 : Les points d’articulation (34 capteurs) ...............................................................109
Figure V.13 : L’activation de SWSNMP...................................................................................110
Figure V.14 : La fenêtre de supervision.....................................................................................110
Figure V.15 : Les opérations .....................................................................................................111
Figure V.16 : Les identificateurs des capteurs ..........................................................................111
Figure V.17 : Quelque état capter par des capteurs ..................................................................111
Figure V.18 : Exemple d’état de la batterie ..............................................................................111
Figure V.19 : Exemple d’une table de voisinage d’un capteur .................................................112
Figure V.20 : Les liens du RCSF ..............................................................................................112
Figure V.21 : Histogramme de l’énergie du réseau ..................................................................113
Liste des figures
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page viii
Figure V.22 : Histogramme de l’énergie de chaque capteur .....................................................114
Figure V.23 : Histogramme de la totalité des nœuds ................................................................115
Liste des tableaux
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page x
Liste des tableaux
Tableau III.1: Organisation du système de gestion de réseau ....................................................68
Tableau III.2 : Système de gestion de réseau évalué par rapport aux critères de conception ....72
Tableau IV.1 : Les rôles des acteurs............................................................................................81
Tableau IV.2 : Les fonctionnalités des cas d’utilisation..............................................................82
Abréviations
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xi
Liste des abréviations
6LoWPAN IPv6 Low Power Wireless Area Networks
ADC Analog to Digital Converter
APTEEN Adapted Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network
ASN.1
BFS
Abstract Syntax Notation 1
Breadth First Search
BLR Boucle Locale Radio
BOSS Bridge Of the SenSors
CMIP Common Management Information Protocol
CMIS Common Management Information Service
CMISE Common Management Information Service Element
CPU Central Processing Unit
CRC Cyclic Redundancy Check
DARPA Defense Advanced Research Projects Agency
DD Directed Diffusion
DEC Digital Equipment Corporation
DFS Depth First Search
DLL Dynamic Link Library
DNS Domain Name System
DPM Data Protection Manager
DSN Distributed Sensor Network
DSN RM Distributed Sensor Network Resource Manager
ETSI Européen Télécommunications Standards Institute
FDI Fault Detection and Isolation
FEC Forward Error Correction
FTC Fault Tolerance
FTP File Transfer Protocol
GAF Geographic Adaptive Fidelity
GEAR Geographic and Energy Aware Routing
GHT Geographic Hash Table
Abréviations
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xii
GHz GigaHertz
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communication
HP Hewlett-Packard
HiperLAN High performance radio Local Area Network
IABP International Arctic Buoy Program
IARP Intra-Zone Routing Protocol
IBM International Business Machines
ICMP Internet Control Message Protocol
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IERP InterzonE Routing Protocol
IETF Internet Engineering Task Force
ISO International Standard Organization
LAN Local Area Network
LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
MAC Magic Access Control
MANET Mobile Ad hoc NETwork
MANNA MANagemeNt Architecture
MbD Management by Delegation
Mbits Mégabit
MECN Minimum Energy Communication Network
MIB Management Information Base
RF Radio Frequency
NMS Network Management Station
OID Object IDentifier
OS Operating System
OSI Open System Interconnexion
PC Personal Computer
PDA Personal Digital Assistant
PEDAP Power Efficient Data Aggregation Protocol
PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems
QoS Quality of Service
Abréviations
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xiii
RCSF Réseau de Capteur Sans Fil
RFC Request for Comments
RGT Réseau de Gestion des Télécommunications
RR Radio Resource
SAR Single-Aliquot Regenerative-dose
SenOS Sensor Operating System
SMAE System Management Application Entity
SMAP System Management Application Process
SMI Structure of Management Information
SNMP Simple Network Management Protocol
SNMP4J Simple Network Management Protocol for Java
SNMS Sensor Network Management System
SOS Sensor Operating System
SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
SQL Structured Query Langage
STEM System Tracking wirEless Motion
SWSNMP Simple Wireless Sensor Network Management Protocol
TCP Transmission Control Protocol
IP Internet Protocol
TDMA Time Division Multiple Access
TEEN Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network
TMN Telecommunications Management Network
UDP User Datagram Protocol
UIT-T Union Internationale des Télécommunications
UML Unified Modeling Language
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
UP Unified Process
UPnP Universal Plug and Play
USM User-based Security Model
VACM View- based Access Control Model
VSs Virtual Sinks
Wi-Fi Wireless Fidelity
Abréviations
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xiv
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
Wimax Worldwide interoperability for microwave access
WinMS Wireless sensor network Management System
WPAN Wireless Personal Area Network)
WWAN Wireless Wide Area Network
xDSL x Digital Subscriber Line
Système de supervision des réseaux de capteurs sans fil
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE
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Introduction général et problématique
Les progrès technologiques dans les domaines de la microélectronique, des communications
sans fil, couplé aux efforts de miniaturisation et de réduction des coûts de production des
composants électroniques, ont permis le développement de nouvelles générations de petits
appareils électroniques, autonomes, équipés de capteurs et capables de détecter, de calculer, de
stocker et communiquer entre eux sans fil. Ces petits dispositifs sont appelés des nœuds capteurs.
Ensemble, ils forment un réseau appelé réseau de capteurs sans fil (RCSF) qui fournir des
informations utiles prises par les différents capteurs et de les communiquées ensuite via le
support sans fil à un point de collecte appelé "Sink" qui les communique aussi à un poste de
contrôle distant.
L’avancement des technologies dans les infrastructures de réseau et de minuscules capteurs
du réseau permet à de nombreuses applications de réseau de capteurs allant du civils aux
militaires, de la maison à l’environnement et de la nature de l’industriel au domaine commercial
de s’accroitre, car de nos jours le besoin d’observer des phénomènes physiques tel que la
température, la pression ou encore la luminosité est devenu essentiel. Exemples : la surveillance
de l’habitat des animaux, observation de l’environnement et de prévision, le corps humain le
suivi, le champ de bataille de détection et d’analyse, etc.
Les capteurs sont déployé aléatoirement ou d’une manière bien définit dans une zone
géographique, appelée champ de captage, qui définit le terrain d'intérêt pour les phénomènes
ciblés. Ainsi, L’administrateur est besoin d’adresser des requêtes aux capteurs du réseau, en
précisant le type de données requises et récolter les données captées telles que les données
environnementales ou physiologiques par le biais de la station de base.
Une des solutions qui s’annonce prometteuse dans les RCSFs est l’utilisation d’un système
qui est capable de superviser les capteurs et une région ou un phénomène dans une zone
d’intérêt, La gestion de réseau correspond aux actions qui permettent de prendre en charge la
configuration, la sécurité, les pannes. La prise en charge de toutes ces fonctions n’est pas un
mince problème, de nombreux travaux de normalisation ont été effectués dans ce domaine, mais
tous n’ont pas encore abouti à cause de ça difficulté et ça complexité, pour cela le domaine de
supervision et de gestion des RCSFs est encore ouvert.
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE
Système De Supervision Des Réseaux De Capteur Sans Fil Page 2
L’objectif de ce projet est d’étudier le problème de gestion et de supervision des RCSFs en
s’inspirant et en se basant sur les solutions des réseau filaire afin de minimiser la consommation
d’énergie pour chaque capteur en garantissant la continuité de bon fonctionnement du réseau et
assurant le prolongement de son durée de vie.
L’énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs puisqu’elle influe
directement sur la durée de vie des capteurs et du réseau en entier. L’arrêt de fonctionnement
d’un ou de plusieurs nœuds peut provoquer la répartition de réseau en plusieurs parties et la dé-
connectivité d’un sous ensemble des nœuds capteurs. Pour cela, nous avons proposé des
mécanismes de gestion en utilisant des aspects de la théorie des graphes spécifiquement la
détection des points d’articulations. Notre mémoire sera organisé comme suit:
 Chapitre I : Généralité sur les réseaux de capteurs sans fil
Donne un aperçu sur les réseaux de capteurs sans fil. On commence d’abord par décrire
un nœud capteur et ses caractéristiques, ensuite on expose les réseaux de capteurs sans fil
et leurs architectures puis nous présentons les facteurs et les caractéristiques qui
influencent la conception de ce type des réseaux. Nous introduisons aussi quelques
caractéristiques et métriques des RCSFs.
 Chapitre II: L’administration des réseaux
Ce chapitre est consacré à l’administration des réseaux où nous avons présenté les
principaux concepts de gestion et plus précisément la structure d’un système de gestion
et les fonctions de base pour gérer un réseau, puis en parle sur les protocole de gestion
utilisé au niveau de la norme ISO et au niveau de la norme TCP/IP par la description de
protocole SNMP en rappelant les différentes notions et principes de fonctionnement de ce
protocole qui est le plus répandu actuellement.
 Chapitre III : Gestion et supervision des RCSFS-état de l’art
Ce chapitre présente les travaux existant dans le domaine de la gestion et la supervision
des réseaux de capteur sans fil, ainsi une petite comparaison des caractéristiques de ces
dernières.
 Chapitre IV : Modélisation et conception
Ce chapitre constitue le noyau de ce travail, où en va proposer la modélisation et la
conception afin de réaliser un système de supervision du RCSF, en utilisant le langage
UML.
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE
Système De Supervision Des Réseaux De Capteur Sans Fil Page 3
 Chapitre V : Implémentation et réalisation
Ce chapitre présente notre implémentation en montrant les algorithmes proposés pour
réaliser le système de supervision des RCSFs avec l’utilisation de quelque outil de la
théorie des graphes. Les résultats de l’implémentation seront également présentés pour
justifier la validité de notre projet.
 Enfin, on conclue notre travail en donnant une conclusion générale que nous avons tirée
de notre travail effectué avec quelques perspectives.
Système de supervision des réseaux de capteurs sans fil
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 4
I.1. Introduction
Les récentes avancées dans le domaine des technologies sans-fil et électronique ont permis
le développement à faible coût de minuscules capteurs consommant peu d'énergie. Ces capteurs
ont trois fonctions ; la capture des données, le calcul des informations à l'aide des valeurs
collectées et l'envoi des résultats de calcul à travers un réseau de capteurs sans-fil.
Les RCSFs présentent un intérêt considérable et une nouvelle étape dans l’évolution des
technologies de l’information et de la communication. Le but général d'un RCSF est la collecte
d'un ensemble de paramètres de l'environnement entourant les capteurs, telles que la température
ou la pression de l'atmosphère, afin de les acheminer vers des points de traitement.
De nombreux domaines d’application sont alors envisagés tels que la détection et la
surveillance des désastres, le contrôle de l’environnement, la surveillance et la maintenance
préventive des machines, etc.
Dans ce chapitre, nous présenterons les réseaux de capteurs sans fil, leurs architectures de
communication, leurs applications. Nous discuterons également les principaux caractéristiques et
contraintes qui influencent la conception des réseaux de capteurs sans fil ainsi que des protocoles
de routage utilisé pour l’acheminement.
I.2. Définition des réseaux sans fil
Un réseau informatique est un ensemble d’équipement informatique relié entre eux grâce à
des supports de communication permettant la communication et le partage de ressources [1].
Selon le type de supports de communication, on distingue : les réseaux filaires qui utilisent
un canal de transmission matériel (le câble coaxial, les paires torsadées, la fibre optique) et les
réseaux sans fils [1].
Un réseau sans fil est un réseau de machines qui n'utilisent pas de câbles. C'est une
technique qui permet aux particuliers, aux réseaux de télécommunications et aux entreprises de
limiter l'utilisation de câbles entre diverses localisations [2].
Les réseaux sans fil recours à des ondes radioélectriques (radio et infrarouges) en lieu et
place des câbles habituels. L'utilisation des réseaux sans fil procure plusieurs avantages,
notamment [2]:
· Facilité de déploiement ;
· Faible coût d’appartenance ;
· L'augmentation de la connectivité ;
· Mobilité et la flexibilité génératrices de gains de productivité, etc.
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
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I.3. Les catégories des réseaux sans fil
Il existe plusieurs catégories de réseaux sans fil qui diffèrent par le périmètre géographique
qu’ils couvrent ainsi que par les types d’applications supportées. Le schéma suivant illustre les
catégories des réseaux sans fil [3].
Figure I.1 : Les catégories des réseaux sans fil [3]
I.3.1. Le réseau personnel sans fil (WPAN)
Il concerne les réseaux sans fil d'une faible portée : de l'ordre de quelques dizaines
de mètres. Ce type de réseau sert généralement à relier des périphériques (imprimante,
téléphone portable, appareils domestiques, …) [3]. Il existe plusieurs technologies
utilisées pour les WPAN :
I.3.1.1. La technologie Bluetooth
Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.1, elle a été
lancée par Ericsson en 1994, proposant un débit théorique de 1 Mbps lui permettant
une transmissions de la voix, des données et des images [3], d’une portée maximale
d'une trentaine de mètres [4]. Bluetooth est une technologie peu onéreuse, grâce à sa
forte intégration sur une puce unique de 9 mm sur 9 mm ; Elle présente également
l’avantage de fonctionner sur des appareils à faible puissance d’où une faible
consommation d’énergie [3].
I.3.1.2. La technologie ZigBee
Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.4 et permet
d'obtenir des liaisons sans fil à bas prix et avec une très faible consommation
d'énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée pour être directement intégrée dans
de petits appareils électroniques (capteurs, appareils électroménagers...) [4].
Réseaux personnels sans fil (WPAN)
Réseaux métropolitains sans fil (WMAN)
Réseaux locaux sans fil (WLAN)
Réseaux étendu sans fil (WWAN)
GSM
UMTS
GPRS
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 6
Les réseaux ZigBee permettent d’offrir des débits jusqu’à 250 Kbits/s dans la
bande classique des 2,4GHz. Les RCSF constituent une des applications que cette
norme peut couvrir [3].
I.3.1.3. Les liaisons infrarouges
Elles permettent de créer des liaisons sans fil de quelques mètres avec des
débits pouvant monter à quelques mégabits par seconde. Cette technologie est
largement utilisée dans la domotique (télécommandes), elle souffre toutefois des
perturbations dues aux interférences lumineuses [5].
I.3.2. Le réseau local sans fil (WLAN)
C’est un réseau permettant de couvrir une portée d'environ une centaine de
mètres. Il permet de relier entre eux les terminaux présents dans la zone de couverture
[3]. Il existe deux technologies concurrentes :
I.3.2.1. Les réseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity)
Ils proviennent de la norme IEEE 802.11, qui définit une architecture
cellulaire. On y trouve principalement deux types de réseaux sans fil : Ceux qui
travaillent à la vitesse de 11 Mbits/s à 2.4 GHz (IEEE 802.11b) et ceux qui montent à
54 Mbits/s à 5 GHz (IEEE 802.11 a/g) [3].
I.3.2.2. Les réseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0)
Ils découlent de la norme européenne élaborée par l'ETSI (Européen
Télécommunications Standards Institute). HiperLAN 2 permet d'obtenir un débit
théorique de 54 Mbps sur une zone d'une centaine de mètres dans la gamme de
fréquence comprise entre 5 150 et 5 300 MHz [5]. Ce type de réseau n’a pas reçu
autant de succès que la technologie Wi-fi.
I.3.3. Le réseau métropolitain sans fil (WMAN)
Il est connu aussi sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR). Il convient de
rappeler que la BLR permet, en plaçant une antenne parabolique sur le toit d'un bâtiment,
de transmettre par voie hertzienne de la voix et des données à haut débit pour l'accès à
l'internet et la téléphonie [6]. Il existe plusieurs types de réseaux WMAN dont le plus
connu est :
I.3.3.1. les réseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access)
Ils émanent de la norme IEEE 802.16 et ont pour but de développer des
liaisons hertéziennes concurrentes aux techniques xDSL terrestres et offrent un débit
utile de 1 à 10 Mbit/s dans la bande 10-66 GHz pour une portée de 4 à 10 kilomètres,
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 7
ce qui destine principalement cette technologie aux opérateurs de télécommunication
[6].
I.3.4. Le réseau étendu sans fil (WWAN)
Il est connu sous le nom de réseau cellulaire mobile et il est le plus répandu de tous
puisque tous les téléphones mobiles sont connectés à un réseau étendu sans fil. Les
principales technologies sont les suivantes : GSM (Global System for Mobile
Communication), GPRS (General Packet Radio Service), UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System) [4].
I.4. Définition d’un réseau Ad Hoc
Un réseau mobile Ad Hoc appelé généralement MANET (Mobile Ad hoc Network), peut
être défini comme une collection d’entrés mobiles interconnectées par une technologie sans fil,
formant un réseau temporaire sans l’aide d’une infrastructure préexistante ou d’administration
centralisée [7]. Ce sont les entités mobiles elles-mêmes qui forment, d’une manière Ad Hoc, une
infrastructure du réseau [3].
Les entités qui composent ce réseau possèdent un dispositif de communication sans fil leur
permettant de communiquer avec les entités situées dans leur voisinage. Chaque nœud peut
joindre directement ses voisins en utilisant son interface radio. Un nœud a la possibilité
d’atteindre n’importe quel autre nœud à l’intérieur du réseau en utilisant les nœuds intermédiaire
(situés entre la source et la destination) qui agissent en tant que nœud relais [3].
Avec ce mode de fonctionnement, il est possible d’utiliser des protocoles de routage
proactifs, réactifs ou hybrides [7].
Les réseaux Ad Hoc sont idéaux pour les applications caractérisées par une absence ou la
non fiabilité d’une infrastructure préexistante, telles que les applications militaires, les opérations
de secours (incendies, tremblement de terre, etc.) et les missions d’exploration [8].
I.5. Capteur sans fil
Un capteur sans fil est un petit dispositif à un coût raisonnable, de quelques millimètres
cubes en volume. Il a pour but de relever des grandeurs physiques comme l’humidité, l’intensité
de la luminosité, la température et les vibrations, suivant l’environnement dans lequel il est
déployé et l’objectif pour lequel il est conçu. Un capteur sans fil est doté, principalement, de
quatre unités [9] (Figure I.2).
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
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Figure I.2 : Les composants d’un nœud capteur [9]
I.5.1. Unité de captage
Elle est constituée de deux composants, un dispositif qui intercepte les données du
monde physique et les transforme en signaux analogiques, et un convertisseur
analogique/numérique (ADC) qui transforme ces signaux analogiques en un signal
numérique compréhensible par l’unité de traitement [10].
I.5.2. Unité de traitement
Elle est composée d’un microprocesseur ou d’un microcontrôleur associe
généralement à une unité de stockage [11]. Elle est chargée d’exécuter les protocoles de
communication, comme elle peut aussi effectuer des semi traitements sur les données
captées. Cette unité est également composée de deux interfaces, une interface pour l'unité
d'acquisition et autre pour l'unité de transmission. Elle acquiert les informations en
provenance de l'unité d'acquisition et les envoie à l'unité de transmission [12].
I.5.3. Unité de communication
Elle est responsable des émissions et réceptions des données sur un medium sans
fil. Elle se base sur les technologies sans fil à faible portée de communication, Zigbee
IEEE 802.15.4, Bluetooth IEEE 802.15.1 ou WiFi IEEE 802.11 [11].
Chaque capteur possède un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation
(Rs). La Figure I.3 montre les zones définies par ces deux rayons pour le capteur A. La
zone de communication est la zone où le capteur A peut communiquer avec les autres
capteurs. Dans cet exemple, le capteur A peut communiquer avec un capteur B. D’autre
part, la zone de détection est la zone où le capteur A peut capter l’événement. Dans cet
exemple, il s’agit de la zone dans laquelle se trouve le capteur C [10].
Emetteur/Récepteur
Radio
Batterie Processeur
Mémoir
e
Module de
captage
Capteur
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
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Figure I.3 : Rayons de communication et de détection d'un capteur [10]
Par ailleurs, pour qu’un capteur ait une portée de communication suffisamment
grande, il est nécessaire d’utiliser un signal assez puissant. Cependant, l’énergie
consommée serait importante [10].
I.5.4. Unité d’alimentation énergétique
Elle est responsable de la gestion de l’énergie et de l’alimentation de tous les
composants du capteur. Elle consiste, généralement, en une batterie qui est limitée et
irremplaçable, ce qui a rendu l’énergie comme principale contrainte pour un capteur [13].
Figure I.4 : Architecture d’un nœud capteur [13]
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 10
Il existe dans le monde plusieurs fabricants de capteurs. On cite Crossbow, Cisco, Dalsa,
EuroTherm et Sens2B. Parmi ces capteurs fabriqués, il existe quelques-uns qui sont capables de
varier la puissance du signal émis afin d’élargir/réduire le rayon de communication et en
conséquence la zone de communication. La Figure I.4 montre un capteur intelligent qui fait
partie à la famille des Telos, il s’agit d’un capteur TelosB [9].
La figures suivantes illustrent les composants d'un noeud capteur TelosB de
CrossBow [9]:
Figure I.5 : TelosB [9]
I.6. Réseau des capteurs sans fil
Un réseau des capteurs sans fil (RCSF) est un type particulier des réseaux ad hoc [14] qui
partage beaucoup de caractéristiques avec les réseaux embarques sans fil [15]. Il est constitué
d’un grand nombre de capteurs, coopérant pour réaliser une tache commune et disperses sur une
zone géographique, appelée champ de captage. Il est conçu dans le but de surveiller, détecter et
traiter des phénomènes physiques captées au niveau local, ou de les envoyer à l’aide de la
communication sans fil a un ou plusieurs points de collecte, appelés station de base [14].
Les capteurs remplissent deux rôles: source d’informations et/ou relais pour le reste du
réseau. Ils sont habituellement dispersés dans un champ de capteurs où chacun de ces derniers a
la possibilité de collecter des données et de les transmettre au sink. Les récentes avancées dans
les domaines des technologies sans-fil et électroniques ont permis le développement à faible coût
de minuscules capteurs consommant peu d'énergie [4].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 11
Les capteurs ne sont pas intégrés à une quelconque architecture préexistante de réseau.
C’est pourquoi ils communiquent à l’aide d’un réseau ad hoc sans fil [16], tout d’abord dans un
souci de simplicité d’installation, mais aussi et surtout dans le souci de permettre au réseau de
rester opérationnel même après des défaillances ponctuelles des nœuds. Ils doivent pouvoir
s’autogérer, en utilisant des protocoles permettant d’apprendre des éléments tels que la topologie
du réseau, le positionnement relatifs des capteurs au sein du réseau, les routes possibles pour
communiquer avec d’autres nœuds donnés [4]. Les communications multi sauts sont privilégiées
par rapport aux transmissions directes au sink. C’est un nœud particulier doté d’une puissance de
calcul supérieure et d’une quantité d’énergie potentiellement infinie. Il récupère les informations
remontées par les différents capteurs et les transmet à l’utilisateur. Il peut y avoir plusieurs puits
mobiles ou fixes dans un réseau [16].
Figure I.6 : Exemple de réseau de capteurs [16]
I.7. Le réseau des capteurs mobiles
La mobilité est une question clé pour les réseaux de capteurs où chaque nœud peut se
déplacer à l’intérieur du site, seul ou avec un groupe. Par exemple, quand les capteurs sont
embarqués sur des dispositifs mobiles tels que les véhicules, ou sur des animaux. Lorsque la
mobilité est trop fréquente, elle ne peut être considérée comme un problème secondaire. Ainsi, la
détection des voisins et la reconfiguration du réseau exigent habituellement un nombre important
de messages de contrôle de la topologie, donc une dépense importante d’énergie [17].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 12
I.8. Les états opérationnels d’un nœud capteur
Le diagramme suivant présente les différents états possibles lors de fonctionnement d’un
nœud capteur. Nous voyons dans la figure I.7 que l’état du capteur dépend de son niveau
d’énergie. Le capteur peut avoir cinq états : en transmission, en réception, en écoute, en sleep ou
inactif [5].
Figure.I.7 : Les états possibles d’un nœud capteur [5]
I.9. Architecture de réseau de capteurs sans fil
Un Réseau de Capteurs Sans-Fil (RCSF) est un ensemble de capteurs variant de quelques
dizaines d'éléments à plusieurs centaines, parfois plus, utilisant des liens sans-fil pour la
communication [18].
Chaque réseau de capteurs a la capacité de collecter des données à partir d'un champ de
captage, qui définit la zone d'intérêt pour le phénomène capté. A l'aide d'une architecture multi-
sauts, un RCSF transmet les données collectées à un nœud (Plusieurs à un). Ce dernier est
considère comme un point de collecte et peut transférer les données collectées via internet ou
satellite à un ordinateur central " gestionnaire de tâche " pour leur traitement [18].
Il existe deux types d'architectures pour les réseaux de capteurs sans-fil :
I.9.1. Les réseaux de capteurs sans-fil plats
Un réseau de capteurs sans-fil plat est un réseau homogène, où tous les nœuds
sont identiques en termes de batterie et de complexité du matériel, excepté le sink qui
joue le rôle d'une passerelle et qui est responsable de la transmission de l'information
collectée à l'utilisateur final. Selon le service et le type de capteurs, une densité de
capteurs élevée (plusieurs nœuds capteurs/m2) ainsi qu'une communication multi-sauts
peut être nécessaire pour l'architecture plate. En présence d'un très grand nombre de
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 13
nœuds capteurs, le passage à l'échelle devient critique. Le routage et le contrôle d'accès
au médium (MAC) doivent gérer et organiser les nœuds d'une manière très efficace en
termes d'énergie [18].
Figure I.8 : Architecture plat des RCSF [18]
I.9.2. Les réseaux de capteurs sans-fil hiérarchiques
Une architecture hiérarchique a été proposée pour réduire la complexité de la
plupart des nœuds capteurs et leur déploiement, en introduisant un ensemble de nœuds
capteurs plus puissants. Ceci permet de décharger la majorité des nœuds simples à faible
coût de plusieurs fonctions du réseau. L'architecture hiérarchique est composée de
plusieurs couches : une couche de capteurs, une couche de transmission et une couche de
point d'accès. Cette architecture sans-fil est influencée par un certain nombre de facteurs
et contraintes tels que la tolérance aux fautes, le redimensionnement, les couts de
production, l'environnement, la topologie du réseau, les contraintes matérielles, les
médias de transmission et la consommation d'énergie [19].
Figure I.9 : Architecture hiérarchique des RCSF [19]
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 14
I.10. Les principales caractéristiques et contraintes des RCSFs
I.10.1. La consommation réduite d’énergie
Les nœuds capteurs utilisent des batteries de taille minuscule comme ressources
en énergie, ce qui limite leur durée de vie. La spécificité des applications des RCSFs
(militaires, et autres) fait que la recharge ou le remplacement de ces batteries est une tâche
difficile ou presque impossible, ce qui nous mène à déduire que la durée de vie d’un nœud
est essentiellement dépendante de la durée de vie de la batterie. Ainsi, la méthode de
gestion de consommation d’énergie constitue une contrainte majeure dans ce type de
réseau [5].
I.10.2. L’auto-configuration des nœuds capteurs
Dans un RCSF, les nœuds sont déployés soit d’une manière aléatoire (missile,
avion…), soit placés nœud par nœud par un humain ou un robot, et ceci à l’intérieur ou
autour du phénomène observé (champ de guerre, surface volcanique, patient malade…).
Ainsi, un nœud capteur doit avoir des capacités d’une part, pour s’auto-configurer dans le
réseau, et d’autre part pour collaborer avec les autres nœuds dans le but de reconfigurer
dynamiquement le réseau en cas de changement de topologie du réseau [20].
Dans un RCSF, chaque nœud X possède une unité émettrice/réceptrice qui lui
permet de communiquer avec les nœuds qui lui sont proches; En échangeant des
informations avec ces derniers, le nœud X pourra alors découvrir ses nœuds voisins et ainsi
connaître la méthode de routage qu’il va adopter selon les besoins de l’application. L’auto-
configuration apparaît comme une caractéristique nécessaire dans le cas des RCSF étant
donné que d’une part, leur déploiement s’effectue d’une manière aléatoire dans la majorité
des applications, et d’autre part le nombre des nœuds capteurs est très grand. En revanche,
avec une approche aléatoire, les capteurs sont éparpillés [21].
I.10.3. L’évolutivité
Contrairement aux réseaux sans fil traditionnels (personnel, local ou étendu), un
RCSF peut contenir un très grand nombre de nœuds capteurs (des centaines, des
milliers…). Un réseau de capteur est évolutive parce qu’il a la faculté d’accepter un très
grand nombre de nœuds qui collaborent ensemble afin d’atteindre un objectif commun [9].
I.10.4. La tolérance aux pannes
La tolérance aux pannes est la capacité de maintenir un réseau de capteurs et
d’assurer les fonctionnalités sans aucune interruption due aux échecs des nœuds [9].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 15
Dans le cas de dysfonctionnement d’un nœud (manque d’énergie, interférences
avec l’environnement d’observation…) ou aussi en cas d’ajout de nouveaux nœuds
capteurs dans le réseau, ce nœud doit continuer à fonctionner normalement sans
interruption. Ceci explique le fait qu’un RCSF n’adopte pas de topologie fixe mais plutôt
dynamique [9].
Un premier défi sera donc d’identifier et de modéliser formellement les modes de
défaillances des capteurs, puis de repenser les techniques de tolérance aux fautes à mettre
en œuvre. La fiabilité Rk(t) ou la tolérance de panne d'un capteur est modélisé à l'aide de la
distribution de poisson pour déterminer les probabilités de ne pas avoir de défaillance dans
l’intervalle de temps (0, T): (I.1)
Où λ est le taux de défaillance du nœud capteur k, et t est un période de temps [21].
I.10.5. Une densité importante des nœuds
Les RCSF sont caractérisés par leur forte densité. Cette densité peut atteindre,
selon le type d’application [9].
La densité peut varier de quelques nœuds à quelques centaines de nœuds dans une
région. Il doit également utiliser une densité des nœuds capteurs élevée. La densité μ peut
être calculée par la formule suivante [22] : ( ) ( ) (I.2)
Où N est le nombre des nœuds dispersés dans la région A et R représente le rayon
de transmission.
Les algorithmes de routage doivent être capables de fonctionner efficacement
avec un grand nombre de capteurs. De plus, ces algorithmes doivent traiter un grand
nombre d’évènements sans être saturés [9].
I.10.6. La Surveillance
Pour l’augmentation de la fiabilité, de la disponibilité et de la sûreté de
fonctionnement des processus, des systèmes de surveillance sont mise en œuvre dont
l’objectif est d’être capable à tout instant, de fournir l’état de fonctionnement des différents
équipements constitutifs d’un processus technologiques. Tant au niveau de la détection et
de l’isolation des fautes (FDI) qu’au niveau de la tolérance aux fautes (FTC). L’opérateur
de supervision gère deux types d’information, le premier concerne la détection et
l’isolation des défauts survenus, et le deuxième indique les possibilités de laisser
fonctionner ou non le processus [21].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 16
I.10.7. La capacité de communication
Elle peut prendre deux aspects : Le multi-saut ou à un seul saut. Parce que le
multi-saut est moins énergivore, il reste le type de communication le plus sollicité par les
applications de RCSF qui requièrent une faible consommation d’énergie [20].
Les nœuds capteurs sont habituellement dispersés dans un environnement comme
le montre la figure (I.10). Les capteurs ont des possibilités de rassembler des données et de
les acheminer vers le Sink, par une architecture multi-saut. Le sink peut communiquer avec
l’utilisateur final ou le décideur par l’intermédiaire d’un réseau de transport tel que
l’internet ou le satellite [20].
Figure I.10 : Architecture de communication d’un réseau d’un RCSF [20]
I.10.7.1. Les types de communication
Il existe différents types de communication utilisée dans les RCSFs :
 Unicast : ce type de communication est utilisé pour échanger des
informations entre deux nœuds sur le réseau [9].
 Broadcast : le Sink transmet des informations vers tous les nœuds du
réseau. Ces informations peuvent être des requêtes de données bien
précises (ex : la température dans la région A) [9].
 Local Gossip : ce type de communication est utilisé par des nœuds situés
dans une région bien déterminée qui collaborent ensemble afin d’avoir une
meilleure estimation de l’évènement observé et d’éviter l’émission du
même message vers le nœud « Sink » ce qui contribue à consommer moins
d’énergie [9].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 17
 Convergecast : il est utilisé dans les communications entre un groupe de
nœuds et un nœud bien spécifique (qui peut être le « Sink »). L’avantage
de ce type de communication est la diminution de contrôle d’entête des
paquets (« control overhead ») ce qui économise l’énergie au niveau du
nœud récepteur [20].
 Multicast : il permet une communication entre un nœud et un groupe de
nœuds. Ce type de communication est utilisé dans les protocoles qui
incluent le « clustering » dans lesquels, le « Clusterhead » s’intéresse à
communiquer avec un groupe de nœuds [9].
I.10.8. Une architecture « data-centric »
Du fait que le remplacement ou la recharge des batteries des nœuds capteurs est
une tâche non pratique et difficile à réaliser, alors il est d’usage normal qu’on trouve des
nœuds capteurs redondants (effectuant la même tâche dans la même région) ; L’importance
d’un nœud particulier est, par conséquent, réduite par rapport à l’importance attribuée aux
données observées par les nœuds [20].
Ce type d’architecture diffère des architectures « node-centric » adoptées par les
réseaux traditionnels où les nœuds possèdent une place importante (Exemple : un
utilisateur qui veut connecter son laptop au serveur web X) [20].
Comme la montre l’exemple d’une approche data-centric dans la figure I.11, les
données provenant des deux sources sont agrégées au noeud B. Ensuite, la donnée
combinée (1+2) est envoyée de B vers la destination [20].
Figure I.11 : Le routage data-centric [20]
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 18
I.10.9. Une collaboration entre les nœuds
Les contraintes strictes de consommation d’énergie mènent les nœuds capteurs à
détecter et traiter les données d’une manière coopérative afin d’éviter le traitement
redondant d’une même donnée observée, source de la perte d’énergie [22].
I.10.10. La bande passante (ou capacité du canal)
C’est une caractéristique beaucoup plus importante dans les réseaux cellulaires
(GSM) et les réseaux locaux sans fils (WLAN), que dans les RCSF ; le débit étant en effet
un objectif secondaire pour les RCSF [23].
I.10.11. Notion de cluster
L’organisation des nœuds en clusters permet de réduire la complexité des
algorithmes de routage, d’optimiser la ressource medium en la faisant gérer localement par
un chef de cluster, de faciliter l’agrégation des données, de simplifier la gestion du réseau
et en particulier l’affectation des adresses, d’optimiser les dépenses d’énergie, et enfin de
rendre le réseau plus scalaire. L’utilisation de clusters permet aussi de stabiliser la
topologie et la gestion du réseau si les tailles de clusters sont grandes par rapport aux
vitesses de nœuds mais cela ne fonctionne que dans le cas d’une faible mobilité [5].
Figure I.12 : Cluster d'un RCSF [5]
I.10.12. La qualité de service
Dans diverses applications, la donnée doit être transmise dans une certaine plage
de temps. Son objectif est d’évaluer la QoS délivrée par le réseau et de la maintenir grâce à
des opérations de contrôle. Elle comprend les opérations de surveillance qui permettent de
déterminer l’état de fonctionnement du réseau à travers des différents critères de qualité
telles que le traitement des sources de puissance, de mémoire, de bande passante et de
puissance, mais aussi les opérations de prévention et de correction qui permettent de
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 19
garantir le niveau de performances désiré. Mais dans la plupart des applications, la durée
de vie du réseau est favorisée au détriment de la qualité d’émission des données. Les
protocoles de routage qui assurent une qualité de service prenant en compte la gestion de
l’énergie, représentent un défi nouveau et stimulant [23].
I.10.13. La topologie de réseau [24]
Les capteurs sont déployés dans un champ de surveillance d’où trois phases de
déploiements sont représentées :
 Pré-déploiement: les nœuds capteurs peuvent être soit jeté dans une masse ou
placés un par un dans le champ de déploiement.
 Post-déploiement: après le déploiement, des changements topologiques sont
dues au changement des positions des nœuds, l'accessibilité, le bruit, des
obstacles mobiles, niveau d'énergie et des dysfonctionnements. Une défaillance
énergétique d’un capteur peut changer significativement la topologie du réseau
et imposer une réorganisation coûteuse de ce dernier.
 Redéploiement des nœuds supplémentaires: d'autres nœuds peuvent être
redéployé à tout moment, de remplacer les nœuds en panne ou adapter les
changements d’une tache dynamique.
I.11. La mise en œuvre des réseaux sans fil
Les WPAN et les WLAN disposent de deux modes de fonctionnement : le mode
centralisé et le mode distribué ou ad hoc.
I.11.1. Le mode de fonctionnement centralisé
Le mode de fonctionnement centralisé est basé sur la présence d'un nœud maître
au sein du réseau qui administre les communications.
Dans le cas des WPAN (comme Bluetooth), c'est un nœud qui prend en charge ce
rôle de chef d'orchestre du réseau. Les autres nœuds du réseau sont alors les esclaves du
nœud maître : ce sont des "Piconet" (par exemple dans le cas du Bluetooth un maître peut
avoir jusqu'à 7 esclaves en mode actifs et 255 esclaves en mode passif ou esclaves parked).
Les esclaves ne peuvent pas communiquer entre eux. Des réseaux plus étendus peuvent
être créés, dits "Scatternet", où un esclave peut avoir plusieurs maîtres, ce qui permet de
relier entre eux des Piconet (voir la Figure I.13) [20].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 20
Figure I.13 : Un exemple de Scatternet composé de trois Piconet [20]
Dans le cas des WLAN, un équipement spécifique se voit attribuer cette fonction,
c'est le point d'accès. Ce mode de fonctionnement permet d'avoir un réseau relativement
stable et de gérer la QoS. Le point d'accès permet de contrôler l'accès des stations au réseau
et de leur attribuer des ressources. En revanche, tous les nœuds du réseau doivent être à 25
portées radio du point d'accès. Si le réseau doit être plus grand que cette portée, il faut
multiplier les points d'accès : c'est le type de fonctionnement utilisé dans les bureaux, les
aéroports, les gares, les hôtels, etc [20].
I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc
Les réseaux sans fil ont également un mode de communication distribué dit ad
hoc. Ce mode correspond au cas où tous les nœuds du réseau ont le même rôle et
dialoguent deux à deux sans relation maître-esclave ou sans point d'accès. Ce mode est
intégré dans le fonctionnement de base des WLAN et dans certains WPAN comme le
ZigBee Mais ce mode, tel que défini dans les standards, est limité : en été, pour dialoguer
entre eux, les nœuds doivent être à portée radio, ce qui limite la couverture de tels réseaux
[8].
Ce mode de fonctionnement de base peut être étendu par l'ajout au niveau des
nœuds d'un protocole de routage qui permet aux nœuds de propager les informations dans
le réseau même s'ils ne sont pas destinataires. Cela permet au nœud de se déplacer tout en
gardant une connectivité avec les autres membres du réseau : ce sont des MANET (Mobile
Ad hoc Network) [7].
Les travaux de recherche sur ces protocoles de routage sont fédérés au sein de
l'IETF17 (Internet Engineering Task Force), organisation de normalisation d'Internet. Ce
type de réseaux permet d'envisager de nombreuses applications comme la domotique, les
réseaux de capteurs, les services d'urgence en cas de destruction des infrastructures, la
coopération entre des machines de manière spontanée [3].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 21
I.12. Domaines d’application des réseaux de capteurs
La miniaturisation des capteurs, le coût de plus en plus faible, la large gamme des types
de capteurs disponibles ainsi que le support de communication sans fil utilisé, permettent aux
réseaux de capteurs de se développer dans plusieurs domaines d’application. Ils permettent aussi
d’étendre les applications existantes [25].
Les réseaux de capteurs peuvent se révéler très utiles dans de nombreuses applications
lorsqu’il s’agit de collecter et de traiter des informations provenant de l’environnement. Parmi
les domaines où ces réseaux peuvent offrir les meilleures contributions, on cite les domaines:
militaire, surveillance, environnemental, médical, domestique, etc [25].
I.12.1. Applications militaires
Le faible coût et le déploiement rapide sont des caractéristiques qui ont rendu les
réseaux de capteurs efficaces pour les applications militaires. Plusieurs projets ont été
lancés pour aider les unités militaires dans un champ de bataille et protéger les villes
contre des attaques, telles que les menaces terroristes. Le projet DSN (Distributed Sensor
Network) au DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) était l’un des
premiers projets dans les années 80 ayant utilisé les réseaux de capteurs pour rassembler
des données distribuées [25].
I.12.2. Applications à la surveillance
L’application des réseaux de capteurs dans le domaine de la sécurité peut
diminuer considérablement les dépenses financières consacrées à la sécurisation des lieux
et des êtres humains. Ainsi, l’intégration des capteurs dans de grandes structures telles
que les ponts ou les bâtiments aidera à détecter les fissures et les altérations dans la
structure suite à un séisme ou au vieillissement de la structure. Le déploiement d’un
réseau de capteurs de détection de mouvement peut constituer un système d’alarme qui
servira à détecter les intrusions dans une zone de surveillance [26].
I.12.3. Applications environnementales
Le contrôle des paramètres environnementaux par les réseaux de capteurs peut
donner naissance à plusieurs applications. Par exemple, le déploiement des thermo-
capteurs dans une forêt peut aider à détecter un éventuel début de feu et par suite faciliter
la lutte contre les feux de forêt avant leur propagation. Le déploiement des capteurs
chimiques dans les milieux urbains peut aider à détecter la pollution et analyser la qualité
d’air. De même leur déploiement dans les sites industriels empêche les risques industriels
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
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tels que la fuite de produits toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs,
pétrole, etc.) [13].
I.12.4. Applications médicales
Dans le domaine de la médecine, les réseaux de capteurs peuvent être utilisés
pour assurer une surveillance permanente des organes vitaux de l’être humain grâce à des
micro-capteurs qui pourront être avalés ou implantés sous la peau (surveillance de la
glycémie, détection de cancers à l’étape précoce, etc.). Ils peuvent aussi faciliter le
diagnostic de quelques maladies en effectuant des mesures physiologiques telles que: la
tension artérielle, battements du cœur, etc. à l’aide des capteurs ayant chacun une tâche
bien particulière. Les données physiologiques collectées par les capteurs peuvent être
stockées pendant une longue durée pour le suivi d’un patient. D’autre part, ces réseaux
peuvent détecter des comportements anormaux (chute d’un lit, choc, cri, etc.) chez les
personnes dépendantes (handicapées ou âgées) [25].
I.12.5. Applications domestiques
Avec le développement technologique, les capteurs peuvent être embarqués dans
des appareils, tels que les aspirateurs, les fours à micro-ondes, les réfrigérateurs, les
magnétoscopes, etc. Ces capteurs embarqués peuvent interagir entre eux et avec un
réseau externe via internet pour permettre à un utilisateur de contrôler les appareils
domestiques localement ou à distance. Le déploiement des capteurs de mouvement et de
température dans les futures maisons dites intelligentes permet d’automatiser plusieurs
opérations domestiques telles que : la lumière s’éteint et la musique s’arrête quand la
chambre est vide, l’alarme est déclenchée par le capteur anti-intrusion quand un étranger
veut pénétrer dans la maison [25].
I.12.6. Applications commerciales
Il est possible d’intégrer des capteurs au processus de stockage et de livraison
dans le domaine commercial. Le réseau ainsi formé pourra être utilisé pour connaître la
position, l’état et la direction d’un paquet. Il devient alors possible pour un client qui
attend la réception d’un paquet, d’avoir un avis de livraison en temps réel et de connaître
la localisation actuelle du paquet [26].
Pour les entreprises manufacturières, les réseaux de capteurs permettront de
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.
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 23
Figure.I.14 : Quelques applications des RCSFs [26]
I.13. Le stockage des données [27] [28]
Le stockage des données présents un défi unique pour les développeurs. Les données
collectées doivent être stocké dans quelques nœuds : localement ou aux nœuds voisins. On a
trois paradigmes de stockage des données pour les RCSFs:
 Stockage externe: dans ce modèle, quand un nœud détecte un événement, les données
correspondantes sont transmises à quelques entrepôts externes, tel que la station de base.
 Stockage local: quand un nœud détecte un événement, l’information détectée est
stockée localement dans le nœud capteur. L’avantage de cette approche est qu’elle n’implique
pas des coûts de communication initiaux.
 Stockage des données central: l’information collectée est routée à une location
prédéfinie, spécifiée par GHT (geographic hash function) à l’intérieur du RCSF. Des requêtes
sont adressées au nœud, contenant l’information pertinente, lequel transmit une réponse au Sink.
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 24
I.14. La collection d’information [17]
Il existe deux méthodes pour collecter les informations d’un réseau de capteurs:
I.14.1. À la demande
Lorsque l’on souhaite avoir l’état de la zone de couverture à un moment T, le
sink (puits) émet des messages vers la zone pour que les capteurs remontent leur dernier
relevé vers le sink. Les informations sont alors acheminées par le biais d’une
communication multi-sauts.
Figure I.15 : Collecte à la demande [17]
I.14.2. Suite à un évènement
Un évènement se produit en un point de la zone de couverture
(changement brusque de température, mouvement...), les capteurs situés à proximité
remontent alors les informations relevées et les acheminent jusqu’au puit.
Figure I.16 : Collecte suite à un événement [17]
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 25
I.15. Systèmes embarqués
Les systèmes embarqués sont des systèmes d'exploitation prévus pour fonctionner sur des
machines de petite taille, telles que des nœuds de capteurs. Les systèmes d'exploitation pour les
nœuds de RCSF sont généralement moins complexes que les autres systèmes d'exploitation.
Ceci à cause des exigences particulières des applications de réseau de capteurs et des
contraintes de ressources des nœuds de capteurs. Plusieurs systèmes d'exploitation sont conçus
pour les nœuds de RCSF. Parmi ces systèmes nous citons TinyOS, SOS etc [14].
TinyOS est le plus répondu des systèmes d'exploitation pour les RCSF. TinyOS est un
système d'exploitation open source développé par l'université de Berkeley. Sa conception a été
entièrement réalisée en NesC, langage orienté composant syntaxiquement proche du C. La
bibliothèque des composants de TinyOS est particulièrement complète puisqu'on y retrouve des
protocoles réseaux, des pilotes de capteurs et des outils d'acquisition de données. Un programme
s'exécutant sur TinyOS est constitué d'une sélection de composants systèmes et de composants
développés spécifiquement pour l'application à laquelle il sera destiné (mesure de température,
du taux d'humidité, etc.) [29]. TinyOS s'appuie sur un fonctionnement événementiel, c'est-à-dire
qu'il ne devient actif qu'à l'apparition de certains événements ; par exemple, l'arrivée d'un
message radio. Le reste du temps, le capteur se trouve en état de veille, garantissant une durée de
vie maximale connaissant les faibles ressources énergétiques des capteurs. Cependant,
l'allocation statique de la mémoire et la perte des composants lors de la génération de
l'exécutable, constituent les limites de ce système et rendent la reconfiguration dynamique de
l'image présente sur le capteur impossible [30].
I.16. La pile protocolaire des RCSF
Il est à noter qu’aucune pile protocolaire destinée aux RCSF n’a été standardisée.
Cependant, la majorité des articles scientifiques, qui traitent la thématique des RCSF, se basent
sur la pile protocolaire qui a été proposée par [9].
Cette pile se compose de [9] :
- Une couche physique
- Une couche de liaison de données
- Une couche réseau
- Une couche transport
- Une couche application
- Un plan de gestion d’énergie
- Un plan de gestion de mobilité
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 26
- Un plan de gestion de tâches
Figure I.17 : La pile protocolaire d’un RCSF [9]
I.16.1. La couche physique
Elle est responsable de la sélection de fréquence, la génération de la fréquence
porteuse, la détection du signal, la modulation/démodulation et le cryptage/décryptage
des informations. La consommation d’énergie au niveau de la couche physique peut être
affectée par l’environnement de l’application, le choix du type de la modulation ou la
bande de fréquence utilisée. Il est avantageux en matière d’économie d’énergie que le
concepteur de la couche physique choisisse une transmission à multi-sauts plutôt qu’une
transmission directe qui nécessite une puissance de transmission très élevée [9].
I.16.2. La couche liaison de données
Elle est responsable de la détection des trames de données, le contrôle d’accès au
support (MAC) et le contrôle d’erreurs. Elle maintient aussi la fiabilité des connections
point à point ou multipoints dans les RCSF [9].
La couche liaison de données contient deux sous-couches qui sont :
- La sous-couche MAC : Dans un RCSF, la couche MAC doit accomplir deux
principales tâches qui sont celles de :
- établir des liaisons de communication entre les nœuds capteurs pour effectuer
le transfert des données et permettre au réseau la capacité de s’auto-organiser.
- décider du moment et de la manière dont les nœuds capteurs peuvent accéder
au canal avec un minimum de perte d’énergie [9].
- La sous-couche de contrôle d’erreurs : La technique de contrôle d’erreurs la
plus utilisée dans les RCSF est le « Forward error correction » (FEC) ; Cette technique
comporte de simples mécanismes de codage et de décodage (codes de contrôle d’erreurs
simples) [9].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 27
I.16.3. La couche réseau
La couche réseau gère les échanges (et éventuellement les connexions) au
travers du RCSF. Elle gère entre autre l’adressage et l’acheminement des données. Les
applications des RCSF requièrent le plus souvent des protocoles de routage à multi sauts
entre le nœud émetteur, le ou les nœuds relais et le nœud « Sink ». Les protocoles de
routage traditionnels des réseaux ad hoc ne peuvent pas être utilisés dans les RCSF
puisqu’ils ne satisfont pas les critères de conservation d’énergie et de scalabilité [31].
Les métriques considérées par les chercheurs pour déterminer la route la plus
optimisée dans les réseaux RCSF sont [31]:
- L’énergie nécessaire pour transmettre le paquet d’une manière fiable.
- L’énergie disponible dans chaque nœud capteur.
Les algorithmes de routage peuvent alors sélectionner les routes entre le nœud
émetteur et le nœud «Sink» en se basant soit sur le maximum d’énergie disponible au
niveau des nœuds intermédiaires, soit sur la route qui consomme le moins d’énergie pour
transmettre d’un nœud vers un autre. Le type d’adressage le plus utilisé dans les RCSF
est l’adressage géographique, c'est-à-dire que chaque nœud capteur est identifié dans le
réseau par sa localisation [31].
I.16.4. La couche transport
Le rôle de cette couche intervient essentiellement lorsqu’on va accéder à partir
de notre RCSF vers un autre RCSF ou vers l’internet [31].
Le protocole de transport utilisé entre le nœud émetteur et le nœud « Sink » peut
être UDP. Il importe de mentionner que l’utilisation du protocole TCP est impossible vu
la taille limitée des mémoires des nœuds capteurs qui ne leur permet pas d’enregistrer de
grandes quantités d’informations pour la gestion des communications (mécanismes de
fenêtres) [31].
I.16.5. La couche application
Il existe plusieurs protocoles applicatifs qui ont été proposés et qui permet à
l’utilisateur d’exécuter des tâches administratives telles que la configuration du RCSF, la
mise en marche/fermeture des nœuds, la synchronisation entre les nœuds, le déplacement
des nœuds capteurs [9].
En plus il y a des protocoles qui permet à l’utilisateur à travers des interfaces
d’interroger le réseau en se basant non pas sur un système d’adressage particulier
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 28
(interroger un nœud bien particulier) comme tel est le cas des réseaux sans fil classiques
mais plutôt sur la localisation des nœuds [9].
I.17. Classification des protocoles de routages pour les réseaux de
capteur sans fil
Figure I.18 : Classification des protocoles de routage pour les Réseaux de capteurs sans fil [5]
Classification
des protocoles
de routage pour
les RCSFs
Topologie du
Réseau
Fonctionnement
du protocole
Paradigme de
communication
Etablissement
de la route
Plat
Hiérarchique
Basé-QoS
Basé-
négociation
Multi-
chemins
Basé-
requêtes
Centré-
données
Centré-
nœuds
Basé-
localisation
Réactif
Proactif
Hybride
SPIN, DD, RR
LEACH, PEGASIS,
MECN, SMECN,
TEEN, APTEEN
SAR
DD
SPIN
DD, RR
SPIN, DD
LEACH, PEDAP
GAF, GEAR
SPIN , DD,
LEACH, PEGASIS
APTEEN
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 29
I.17.1. Selon la topologie du réseau
La topologie détermine l'organisation des capteurs dans le réseau. Comme on a
dit précédemment Il existe deux principales topologies dans les protocoles de routage
pour les RCSF : Plate et hiérarchique [18].
I.17.2. Selon le fonctionnement du protocole
C’est la manière avec laquelle les données sont propagées dans le réseau. Selon
ce critère, les protocoles de routage peuvent être classifiés en quatre catégories :
I.17.2.1. Routage basé sur les multi-chemins
Dans cette catégorie, les protocoles de routage utilisent des chemins
multiples plutôt qu’un chemin simple afin d’augmenter la performance du réseau. La
fiabilité d’un protocole peut être mesurée par sa capacité à trouver des chemins
alternatifs entre la source et la destination en cas de défaillance du chemin primaire.
Pour cette raison, certains protocoles requièrent plus de ressources énergétiques et
plus de messages de contrôle [5].
I.17.2.2. Routage basé sur les requêtes
Dans ce type de routage, le puits génère des requête afin d’interroger les
capteurs. Ces requêtes sont exprimées soit par un schéma valeur-attribut ou bien en
utilisant un langage spécifique (par exemple SQL : Structured Query Langage). Les
nœuds qui détiennent les données requises doivent les envoyer au nœud demandeur à
travers le chemin inverse de la requête. Les requêtes émises par le puits peuvent
aussi être ciblées sur des régions spécifiques du réseau [6].
I.17.2.3. Routage basé sur la négociation
En détectant le même phénomène, les nœuds capteurs inondent le réseau
par les mêmes paquets de données. Ce problème de redondance peut être résolu en
employant des protocoles de routage basés sur la négociation. En effet, avant de
transmettre, les nœuds capteurs négocient entre eux leurs données en échangeant des
paquets de signalisation spéciales, appelés métadonnées. Ces paquets permettent de
vérifier si les nœuds voisins disposent déjà de la donnée à transmettre. Cette
procédure garantit que seules les informations utiles seront transmises et élimine la
redondance des données [5].
I.17.2.4. Routage basé sur la qualité de service
Dans les protocoles de routage basés sur QoS, le réseau doit équilibrer
entre la consommation d’énergie et la qualité de données. En particulier, le réseau
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Système de supervision des réseaux de capteurs sans fil

  • 1. République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieure et de la Recherche Scientifique Université Tahri Mohamed de Béchar Faculté des Sciences Exactes Département de Mathématique et Informatique Mémoire de fin d’études En vue de l’obtention du diplôme de Master en Informatique Option : Systèmes Informatiques et Réseaux THEME Présenté par : Encadré par : HADJADJI Samia Mr. BELAGUID M Année universitaire 2014/2015 Système de supervision des réseaux de capteurs sans fil
  • 2. Remerciements Tout d’abord grâce à dieu le tout puissant et miséricordieux de m’avoir donné la foi et m’avoir permis d’apprendre et à réaliser ce travail. Je tiens à remercier mes très chère parent pour le sacrifice qu’ils ont constitué pendant la durée de mes études et qui mon fournis au quotidien soutien et une confiance sans faille et de ce fait, je ne saurais exprimer ma gratitude seulement par des mots. Ensuite je tiens à remercier l’ensemble des enseignants auxquels nous exprimons toute notre gratitude et notre sympathie et que sans leur collaboration et soutient de ce travail n’aurait pu être réalisé. Je remercier en particulier Mr Belaguid Mustapha pour son s’avoir et culture ainsi que la confiance qu’il à placer en moi durant toute la durée de ce travail. Ainsi j’adresse mes remerciements les plus chaleureux à toutes les personnes qui m’ont aidé de près ou de loin par le fruit de leurs connaissances. J’exprime également ma gratitude à tous les consultants et internautes rencontré lors de la recherche effectuée et qui ont accepté de répondre à mes questions. Je tiens à remercier l’université TAHRI-Mohamed-Béchar qui m’a donné l’opportunité de vivre une expérience aussi enrichissante tout sur le plan humain que professionnel. J’exprime également ma gratitude aux membres du Jurys qui m’ont honoré en acceptant de juger ce travail. Enfin, j'adresse mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenu et encouragé au cours de la réalisation de ce travail. Merci à tous et à toutes.
  • 3. Dédicace Je dédie ce travail à : Mes enseignants du cycle primaire jusqu’au cycle universitaire dont les conseils précieux m’ont guidé ; qu’ils trouvent ici l’expression de ma reconnaissance. En particulier, l'ensemble des enseignants de l'université TAHRI- Mohamed de Béchar. Mes très chère parent « Bachir » et « Fadila » qui se sont dévolus pour que j’apprenne. Ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis pour mon éducation et ma formation. Mes deux frère « Abdlatif » et « Mounir » Mes oncles, tantes, cousin et cousine. Mes camarades et toutes Mes amies. A tous ceux ou celles qui me sont chers et que j’ai omis involontairement de citer. La promotion MSIR-2015
  • 4. Résumé Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs), technologie clé du 21ème siècle, sont basés sur des systèmes embarqués à faibles ressources et sont fortement contraints (énergie, ressources, interférences, etc.). Leur domaine d’applications est très vaste. Une application type peut contenir plusieurs dizaines voire plusieurs milliers de nœuds capteurs. Le but que se propose ce projet de relever est de fournir des méthodes simples pour administrer ces réseaux et de fournir des méthodes permettant de connaitre l’état des nœuds. Cela est réaliser à l’aide d’un protocole inspiré du protocole SNMP, ainsi l’utilisation des méthodes de théorie des graphes (la redondance et les points d’articulation). Ce système a donc pour but de superviser à distance les différents éléments des réseaux de capteurs sans fil, de permettre de visualiser et modifier leurs configurations ainsi que d'accéder aux différentes valeurs des capteurs. Mots clés : Réseaux de Capteurs Sans Fil, Supervision, Protocol SNMP, Théorie des graphes, Redondance, Points d’articulation. Summary The Wireless Sensor Networks (WSNs), a key technology of the 21st century are based on embedded systems with limited resources and are heavily constrained (energy, resources, interference, etc.). Their range of applications is vast. A typical application may contain tens to thousands of nodes sensors. The goal that this project intends to address is to provide simple methods to manage these networks and provide methods to know the state of the nodes. This is achieving by using a protocol based on the SNMP protocol, and the use of graph theory methods (redundancy and the articulation points). This system is designed to remotely monitor the various elements of wireless sensor networks, allowing you to view and edit their configurations and to access the various sensor values. Keywords: Wireless Sensor Networks, Supervision, Protocol SNMP, Graph Theory, redundancy, articulation points.
  • 5. TABLE DES MATIERES Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page i Table des matières LISTE DES FIGURES .................................................................................................................vi LISTE DES TABLEAUX...............................................................................................................x LISTE DES ABREVIATIONS .....................................................................................................xi INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE.............................................................1 Chapitre I : GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL I.1. Introduction............................................................................................................................4 I.2. Définition des réseaux sans fil...............................................................................................4 I.3. Les catégories des réseaux sans fil .......................................................................................5 I.3.1. Le réseau personnel sans fil (WPAN) .....................................................................5 I.3.1.1. La technologie Bluetooth .................................................................................5 I.3.1.2. La technologie ZigBee .....................................................................................5 I.3.1.3. Les liaisons infrarouges ...................................................................................6 I.3.2. Le réseau local sans fil (WLAN).............................................................................6 I.3.2.1. Les réseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity) ............................................................6 I.3.2.2. Les réseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0) ................................6 I.3.3. Le réseau métropolitain sans fil (WMAN)..............................................................6 I.3.3.1. les réseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access) .......6 I.3.4. Le réseau étendu sans fil (WWAN).........................................................................7 I.4. Définition d’un réseau Ad Hoc..............................................................................................7 I.5. Capteur sans fil ......................................................................................................................7 I.5.1. Unité de captage ......................................................................................................8 I.5.2. Unité de traitement ..................................................................................................8 I.5.3. Unité de communication .........................................................................................8 I.5.4. Unité d’alimentation énergétique ...........................................................................9 I.6. Réseau des capteurs sans fil.................................................................................................10 I.7. Le réseau des capteurs mobiles............................................................................................11 I.8. Les états opérationnels d’un nœud capteur..........................................................................12 I.9. Architecture de réseau de capteurs sans fil..........................................................................12 I.9.1. Les réseaux de capteurs sans-fil plats....................................................................12 I.9.2. Les réseaux de capteurs sans-fil hiérarchiques......................................................13 I.10. Les principales caractéristiques et contraintes des RCSFs ..................................................14 I.10.1. La consommation réduite d’énergie .....................................................................14 I.10.2. L’auto-configuration des nœuds capteurs .............................................................14 I.10.3. L’évolutivité ..........................................................................................................14 I.10.4. La tolérance aux pannes .......................................................................................14 I.10.5. Une densité importante des nœuds .......................................................................15 I.10.6. La Surveillance......................................................................................................15
  • 6. TABLE DES MATIERES Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page ii I.10.7. La capacité de communication .............................................................................16 I.10.7.1. Les types de communication .........................................................................16 I.10.8. Une architecture « data-centric » ..........................................................................17 I.10.9. Une collaboration entre les nœuds ........................................................................18 I.10.10. La bande passante (ou capacité du canal) ..........................................................18 I.10.11. Notion de cluster ................................................................................................18 I.10.12. La qualité de service............................................................................................18 I.10.13. La topologie de réseau.........................................................................................19 I.11. La mise en œuvre des réseaux sans fil.................................................................................19 I.11.1. Le mode de fonctionnement centralisé................................................................19 I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc ....................................................................20 I.12. Domaines d’application des réseaux de capteurs ................................................................21 I.12.1. Applications militaires ........................................................................................21 I.12.2. Applications à la surveillance .............................................................................21 I.12.3. Applications environnementales .........................................................................21 I.12.4. Applications médicales .......................................................................................22 I.12.5. Applications domestiques ...................................................................................22 I.12.6. Applications commerciales .................................................................................22 I.13. Le stockage des données......................................................................................................23 I.14. La collection d’information .................................................................................................24 I.14.1. À la demande.......................................................................................................24 I.14.2. Suite à un évènement...........................................................................................24 I.15. Systèmes embarqués............................................................................................................25 I.16. La pile protocolaire des RCSF.............................................................................................25 I.16.1. La couche physique.............................................................................................26 I.16.2. La couche liaison de données..............................................................................26 I.16.3. La couche réseau .................................................................................................27 I.16.4. La couche transport .............................................................................................27 I.16.5. La couche application..........................................................................................27 I.17. Classification des protocoles de routages pour les réseaux de capteur sans fil ...................28 I.17.1. Selon la topologie du réseau................................................................................29 I.17.2. Selon le fonctionnement du protocole.................................................................29 I.17.2.1. Routage basé sur les multi-chemins...........................................................29 I.17.2.2. Routage basé sur les requêtes ....................................................................29 I.17.2.3. Routage basé sur la négociation.................................................................29 I.17.2.4. Routage basé sur la qualité de service .......................................................29 I.17.3. Selon le Paradigme de communication ...............................................................30 I.17.3.1. Centré-nœud (Node centric) .....................................................................30 I.17.3.2. Centré-données (Data centric) ..................................................................30 I.17.3.3. Basé-localisation (Position centric) ..........................................................30 I.17.4. Selon le mode de l’établissement de chemins ....................................................30 I.17.4.1. Les protocoles proactifs.............................................................................30 I.17.4.2. Les protocoles réactifs ...............................................................................30
  • 7. TABLE DES MATIERES Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page iii I.17.4.3. Les protocoles hybrides .............................................................................31 I.18. Conclusion ...........................................................................................................................31 Chapitre II : L’ADMINISTRATION DES RESEAUX II.1.Introduction............................................................................................................................32 II.2.La gestion de réseau...............................................................................................................32 II.3.Principe général......................................................................................................................33 II.4.Le concept de supervision du réseau.....................................................................................34 II.5.Structure d’un système d’administration ...............................................................................35 II.6.Fonctions de base de la gestion de réseau..............................................................................36 II.7.Structure des informations d’administration de réseaux (SMI) .............................................37 II.7.1. Définitions formelles utilisant ASN.1 ......................................................................37 II.8.Les différents aspects de la supervision des réseaux ............................................................37 II.8.1. L’analyse de flux .....................................................................................................38 II.8.2. La supervision applicative : état des services ..........................................................38 II.8.3. La supervision SNMP : l’état des équipements .......................................................39 II.9.Les protocoles de gestion réseau............................................................................................39 II.9.1. Historique des protocoles d’administration ..............................................................39 II.10. L’administration vue par la norme ISO ...............................................................................40 II.10.1. Les différents modèles ........................................................................................40 II.10.1.1. Le modèle architectural .............................................................................40 II.10.1.2. Le modèle informationnel..........................................................................41 II.10.1.3. Le modèle fonctionnel ...............................................................................42 II.11. L’administration dans l’environnement TCP/IP..................................................................43 II.11.1. Présentation générale de protocole SNMP ...............................................................43 II.11.2. Les différentes versions de SNMP............................................................................44 II.11.3. Architecture globale..................................................................................................45 II.11.4. Principe de fonctionnement ......................................................................................46 II.11.5. Trame SNMP ............................................................................................................49 II.11.5.1. Format des PDUs ................................................................................................49 II.11.6. Les MIBS (Management Information base) .............................................................50 II.11.7. La sécurité sur SNMP...............................................................................................52 II.11.7.1. Les faiblesses de SNMPv1..................................................................................52 II.11.7.2. Les améliorations de SNMPv2c..........................................................................52 II.11.7.3. La sécurité sur SNMPv3 .....................................................................................52 II.12. Conclusion ...........................................................................................................................53 Chapitre III : GESTION ET SUPERVISION DES RCSFs-Etat de l’art III.1. Introduction......................................................................................................................54 III.2. Objectifs de gestion des RCSFs......................................................................................54 III.3. Critères de conception de systèmes de gestion de RCSF.................................................55 III.4. Les fonctions principales de gestion des RCSFs .............................................................56 III.5. Les systèmes de gestion de RCSF....................................................................................58 III.5.1. Cadre de gestion de réseau de capteurs sans fil ........................................................59
  • 8. TABLE DES MATIERES Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page iv III.5.1.1. BOSS...................................................................................................................59 III.5.1.2. MANNA..............................................................................................................60 III.5.2. Protocoles de gestion des réseaux de capteurs sans fil .............................................62 III.5.2.1. RRP .....................................................................................................................62 III.5.2.2. SNMS..................................................................................................................63 III.5.2.3. WinMS ................................................................................................................63 III.5.3. Gestion par délégation ..............................................................................................64 III.5.3.1. Agilla...................................................................................................................64 III.5.3.2. Mobile Management Agent Policy-Based .........................................................65 III.5.3.3. sectorielle Sweeper..............................................................................................65 III.5.3.4. Intelligent Agent-Based Power Management ....................................................65 III.5.4. Outils de débogage....................................................................................................65 III.5.4.1. Sympathy.............................................................................................................65 III.5.5. Visualisation Outil ....................................................................................................66 III.5.5.1. Mote-View ..........................................................................................................66 III.5.6. Systèmes de gestion d'énergie...................................................................................66 III.5.6.1. Senos ...................................................................................................................66 III.5.6.2. AppSleep .............................................................................................................67 III.5.6.3. Node-energy level management .........................................................................67 III.5.7. Systèmes de gestion de la circulation .......................................................................67 III.5.7.1. Siphon..................................................................................................................67 III.5.7.2. Gestion des ressources DSN ...............................................................................68 III.6. L’organisation du système de gestion des RCSF.............................................................68 III.6.1. Gestion de réactivité ................................................................................................69 III.6.2. Architecture de gestion .............................................................................................69 III.6.2.1. Les systèmes de gestion centralisés ....................................................................69 III.6.2.2. Les systèmes de gestion distribués......................................................................70 III.6.2.3. Les systèmes de gestion hiérarchique .................................................................71 III.7. Comparaison des systèmes existants pour la gestion d’un RCSF....................................72 III.8. Le protocole SNMP pour les RCSFs ...............................................................................74 III.9. Conclusion .......................................................................................................................75 Chapitre IV : MODELISATION ET CONCEPTION IV.1. Introduction......................................................................................................................76 IV.2. Etude Préliminaire............................................................................................................76 IV.2.1. Présentation du projet à réaliser....................................................................................76 IV.2.1.1. Le modèle formel de présentation............................................................................76 IV.2.1.2. Les fonctionnalités de protocole SWSNMP ............................................................78 IV.2.2. Choix techniques ..........................................................................................................79 IV.2.3. Identification des acteurs ..............................................................................................79 IV.2.4. Identification des messages ..........................................................................................80 IV.2.5. Modélisation du contexte..............................................................................................81 IV.3. Capture des besoins Fonctionnels ...................................................................................82 IV.3.1. Déterminer les cas d’utilisations...................................................................................82
  • 9. TABLE DES MATIERES Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page v IV.3.1.1. Identification des cas d’utilisation ......................................................................82 IV.3.2. Description préliminaire des cas d’utilisations.............................................................84 IV.3.3. Description détaillée des cas d’utilisations...................................................................85 IV.4. Développement du modèle dynamique............................................................................89 IV.4.1. Identification des scénarios .......................................................................................89 IV.4.1.1. Scénarios de l’Administrateur ..............................................................................90 IV.4.1.2. Scénarios du Sink .................................................................................................90 IV.4.1.3. Scénarios du Capteur ............................................................................................91 IV.4.1.4. Scénarios de l’Agent SWSNMP............................................................................91 IV.4.1.5. Scénarios de la Cible ............................................................................................92 IV.4.2. Construction des diagrammes d’états ........................................................................92 IV.5. Développement du modèle statique .................................................................................94 IV.6. Conclusion .......................................................................................................................96 Chapitre V : IMPLEMENTATION ET REALISATION V.1. Introduction .......................................................................................................................97 V.2. Langage utilisé...................................................................................................................97 V.3. Algorithme.........................................................................................................................98 V.4. Scénario utilisé ..................................................................................................................98 V.5. Implémentation................................................................................................................100 IV.5.1. Structure des messages utilisés.................................................................................100 IV.5.2. L’activation des capteurs..........................................................................................101 IV.5.3. La redondance ..........................................................................................................102 IV.5.4. Les points d’articulation...........................................................................................102 IV.5.4.1. Principe .............................................................................................................102 IV.5.4.2. Etapes de détection des points d’articulation ...................................................103 IV.5.4.3. A O (V + E) algorithme pour trouver tous les points d'articulation (AP).........103 V.6. La supervision avec le protocole SWSNMP ...................................................................105 V.7. La réalisation de la plateforme ........................................................................................105 V.8. Déroulement du projet.....................................................................................................108 V.9. Résultats et discussion.....................................................................................................112 V.10. Conclusion.......................................................................................................................115 CONCLUSION GENERAL ET PERSPECTIVE.....................................................................116 BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................................118
  • 10. Liste des figures Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page vi Liste des figures Figure I.1 : Les catégories des réseaux sans fil..............................................................................5 Figure I.2 : Les composants d’un nœud capteur............................................................................8 Figure I.3 : Rayons de communication et de détection d'un capteur .............................................9 Figure I.4 : Architecture d’un nœud capteur..................................................................................9 Figure I.5 : TelosB .......................................................................................................................10 Figure I.6 : Exemple de réseau de capteurs .................................................................................11 Figure.I.7 : Les états possibles d’un nœud capteur .....................................................................12 Figure I.8 : Architecture plat des RCSF.......................................................................................13 Figure I.9 : Architecture hiérarchique des RCSF.........................................................................13 Figure I.10 : Architecture de communication d’un réseau d’un RCSF .......................................16 Figure I.11 : Le routage data-centric............................................................................................17 Figure I.12 : Cluster d'un RCSF...................................................................................................18 Figure I.13 : Un exemple de Scatternet composé de trois Piconet ..............................................20 Figure.I.14 : Quelques applications des RCSFs...........................................................................23 Figure I.15 : Collecte à la demande ............................................................................................24 Figure I.16 : Collecte suite à un événement.................................................................................24 Figure I.17 : La pile protocolaire d’un RCSF..............................................................................26 Figure I.18 : Classification des protocoles de routage pour les Réseaux de capteurs sans fil .....28 Figure II.1 : Structure fonctionnelle d’administration du réseau.................................................33 Figure II.2 : Accès à un service distant........................................................................................38 Figure II.3 : Le modèle architectural d’administration par l’ISO................................................40 Figure II.4 : Les fonctions d’administration................................................................................42 Figure II.5 : L’environnement SNMP .........................................................................................45 Figure II.6 : Base de SNMP.........................................................................................................46 Figure II.7 : Les deux méthodes de supervision SNMP ..............................................................47 Figure II.8 : Echange de message................................................................................................48 Figure II.9 : Résumé des commandes SNMPv2 .........................................................................49 Figure II.10 : Les trames SNMP..................................................................................................49 Figure II.11 : Les identificateurs d’objets de La MIB.................................................................51 Figure II.12 : Le mécanisme d'authentification...........................................................................52 Figure II.13 : Le chiffrement avec DES .....................................................................................53
  • 11. Liste des figures Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page vii Figure III.1 : Architecture de BOSS ..........................................................................................59 Figure.III.2 : L’ensemble des fonctions de gestion définies dans MANNA...............................61 Figure.III.3 : Les relations, les fonctions et les modèles de système MANNA ..........................61 Figure IV.1 : Diagramme de cas d’utilisation..............................................................................84 Figure IV.2 : Diagramme d’activité- s’authentifier .....................................................................86 Figure IV.4 : Diagramme d’activité- superviser..........................................................................89 Figure IV.5 : Diagramme de séquences – Administrateur ..........................................................90 Figure IV.6 : Diagramme de séquences – Sink ...........................................................................90 Figure IV.7 : Diagramme de séquences – Capteur ......................................................................91 Figure IV.8 : Diagramme de séquences – Agent SWSNMP ......................................................91 Figure IV.9: Diagramme de séquences – Cible ...........................................................................92 Figure IV.10 : Diagramme d’état ................................................................................................93 Figure IV.11 : Diagramme de classe............................................................................................95 Figure V.1: Notre algorithme (Scénario de la simulation(...........................................................99 Figure V.2 : Exemple des points d’articulation .........................................................................103 Figure V.3 : La plateforme principale...........................................................................................105 Figure V.4 : Les légendes...........................................................................................................106 Figure V.5 : Légende de SWSNMP...........................................................................................106 Figure V.6 : La fenêtre d’authentification..................................................................................106 Figure V.7 : La fenêtre de déploiement ....................................................................................107 Figure V.8 : Déploiement aléatoire de 50 nœuds.......................................................................107 Figure V.9 : La couverture et la connectivité des nœuds ..........................................................108 Figure V.10 : Activation des capteurs et découverte de voisinage ...........................................108 Figure V.11 : La redondance et les points d’articulation (49 capteur) .......................................109 Figure V.12 : Les points d’articulation (34 capteurs) ...............................................................109 Figure V.13 : L’activation de SWSNMP...................................................................................110 Figure V.14 : La fenêtre de supervision.....................................................................................110 Figure V.15 : Les opérations .....................................................................................................111 Figure V.16 : Les identificateurs des capteurs ..........................................................................111 Figure V.17 : Quelque état capter par des capteurs ..................................................................111 Figure V.18 : Exemple d’état de la batterie ..............................................................................111 Figure V.19 : Exemple d’une table de voisinage d’un capteur .................................................112 Figure V.20 : Les liens du RCSF ..............................................................................................112 Figure V.21 : Histogramme de l’énergie du réseau ..................................................................113
  • 12. Liste des figures Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page viii Figure V.22 : Histogramme de l’énergie de chaque capteur .....................................................114 Figure V.23 : Histogramme de la totalité des nœuds ................................................................115
  • 13. Liste des tableaux Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page x Liste des tableaux Tableau III.1: Organisation du système de gestion de réseau ....................................................68 Tableau III.2 : Système de gestion de réseau évalué par rapport aux critères de conception ....72 Tableau IV.1 : Les rôles des acteurs............................................................................................81 Tableau IV.2 : Les fonctionnalités des cas d’utilisation..............................................................82
  • 14. Abréviations Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xi Liste des abréviations 6LoWPAN IPv6 Low Power Wireless Area Networks ADC Analog to Digital Converter APTEEN Adapted Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network ASN.1 BFS Abstract Syntax Notation 1 Breadth First Search BLR Boucle Locale Radio BOSS Bridge Of the SenSors CMIP Common Management Information Protocol CMIS Common Management Information Service CMISE Common Management Information Service Element CPU Central Processing Unit CRC Cyclic Redundancy Check DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DD Directed Diffusion DEC Digital Equipment Corporation DFS Depth First Search DLL Dynamic Link Library DNS Domain Name System DPM Data Protection Manager DSN Distributed Sensor Network DSN RM Distributed Sensor Network Resource Manager ETSI Européen Télécommunications Standards Institute FDI Fault Detection and Isolation FEC Forward Error Correction FTC Fault Tolerance FTP File Transfer Protocol GAF Geographic Adaptive Fidelity GEAR Geographic and Energy Aware Routing GHT Geographic Hash Table
  • 15. Abréviations Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xii GHz GigaHertz GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile communication HP Hewlett-Packard HiperLAN High performance radio Local Area Network IABP International Arctic Buoy Program IARP Intra-Zone Routing Protocol IBM International Business Machines ICMP Internet Control Message Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IERP InterzonE Routing Protocol IETF Internet Engineering Task Force ISO International Standard Organization LAN Local Area Network LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy MAC Magic Access Control MANET Mobile Ad hoc NETwork MANNA MANagemeNt Architecture MbD Management by Delegation Mbits Mégabit MECN Minimum Energy Communication Network MIB Management Information Base RF Radio Frequency NMS Network Management Station OID Object IDentifier OS Operating System OSI Open System Interconnexion PC Personal Computer PDA Personal Digital Assistant PEDAP Power Efficient Data Aggregation Protocol PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems QoS Quality of Service
  • 16. Abréviations Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xiii RCSF Réseau de Capteur Sans Fil RFC Request for Comments RGT Réseau de Gestion des Télécommunications RR Radio Resource SAR Single-Aliquot Regenerative-dose SenOS Sensor Operating System SMAE System Management Application Entity SMAP System Management Application Process SMI Structure of Management Information SNMP Simple Network Management Protocol SNMP4J Simple Network Management Protocol for Java SNMS Sensor Network Management System SOS Sensor Operating System SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation SQL Structured Query Langage STEM System Tracking wirEless Motion SWSNMP Simple Wireless Sensor Network Management Protocol TCP Transmission Control Protocol IP Internet Protocol TDMA Time Division Multiple Access TEEN Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network TMN Telecommunications Management Network UDP User Datagram Protocol UIT-T Union Internationale des Télécommunications UML Unified Modeling Language UMTS Universal Mobile Telecommunication System UP Unified Process UPnP Universal Plug and Play USM User-based Security Model VACM View- based Access Control Model VSs Virtual Sinks Wi-Fi Wireless Fidelity
  • 17. Abréviations Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page xiv WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network Wimax Worldwide interoperability for microwave access WinMS Wireless sensor network Management System WPAN Wireless Personal Area Network) WWAN Wireless Wide Area Network xDSL x Digital Subscriber Line
  • 19. INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE Système De Supervision Des Réseaux De Capteur Sans Fil Page 1 Introduction général et problématique Les progrès technologiques dans les domaines de la microélectronique, des communications sans fil, couplé aux efforts de miniaturisation et de réduction des coûts de production des composants électroniques, ont permis le développement de nouvelles générations de petits appareils électroniques, autonomes, équipés de capteurs et capables de détecter, de calculer, de stocker et communiquer entre eux sans fil. Ces petits dispositifs sont appelés des nœuds capteurs. Ensemble, ils forment un réseau appelé réseau de capteurs sans fil (RCSF) qui fournir des informations utiles prises par les différents capteurs et de les communiquées ensuite via le support sans fil à un point de collecte appelé "Sink" qui les communique aussi à un poste de contrôle distant. L’avancement des technologies dans les infrastructures de réseau et de minuscules capteurs du réseau permet à de nombreuses applications de réseau de capteurs allant du civils aux militaires, de la maison à l’environnement et de la nature de l’industriel au domaine commercial de s’accroitre, car de nos jours le besoin d’observer des phénomènes physiques tel que la température, la pression ou encore la luminosité est devenu essentiel. Exemples : la surveillance de l’habitat des animaux, observation de l’environnement et de prévision, le corps humain le suivi, le champ de bataille de détection et d’analyse, etc. Les capteurs sont déployé aléatoirement ou d’une manière bien définit dans une zone géographique, appelée champ de captage, qui définit le terrain d'intérêt pour les phénomènes ciblés. Ainsi, L’administrateur est besoin d’adresser des requêtes aux capteurs du réseau, en précisant le type de données requises et récolter les données captées telles que les données environnementales ou physiologiques par le biais de la station de base. Une des solutions qui s’annonce prometteuse dans les RCSFs est l’utilisation d’un système qui est capable de superviser les capteurs et une région ou un phénomène dans une zone d’intérêt, La gestion de réseau correspond aux actions qui permettent de prendre en charge la configuration, la sécurité, les pannes. La prise en charge de toutes ces fonctions n’est pas un mince problème, de nombreux travaux de normalisation ont été effectués dans ce domaine, mais tous n’ont pas encore abouti à cause de ça difficulté et ça complexité, pour cela le domaine de supervision et de gestion des RCSFs est encore ouvert.
  • 20. INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE Système De Supervision Des Réseaux De Capteur Sans Fil Page 2 L’objectif de ce projet est d’étudier le problème de gestion et de supervision des RCSFs en s’inspirant et en se basant sur les solutions des réseau filaire afin de minimiser la consommation d’énergie pour chaque capteur en garantissant la continuité de bon fonctionnement du réseau et assurant le prolongement de son durée de vie. L’énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs puisqu’elle influe directement sur la durée de vie des capteurs et du réseau en entier. L’arrêt de fonctionnement d’un ou de plusieurs nœuds peut provoquer la répartition de réseau en plusieurs parties et la dé- connectivité d’un sous ensemble des nœuds capteurs. Pour cela, nous avons proposé des mécanismes de gestion en utilisant des aspects de la théorie des graphes spécifiquement la détection des points d’articulations. Notre mémoire sera organisé comme suit:  Chapitre I : Généralité sur les réseaux de capteurs sans fil Donne un aperçu sur les réseaux de capteurs sans fil. On commence d’abord par décrire un nœud capteur et ses caractéristiques, ensuite on expose les réseaux de capteurs sans fil et leurs architectures puis nous présentons les facteurs et les caractéristiques qui influencent la conception de ce type des réseaux. Nous introduisons aussi quelques caractéristiques et métriques des RCSFs.  Chapitre II: L’administration des réseaux Ce chapitre est consacré à l’administration des réseaux où nous avons présenté les principaux concepts de gestion et plus précisément la structure d’un système de gestion et les fonctions de base pour gérer un réseau, puis en parle sur les protocole de gestion utilisé au niveau de la norme ISO et au niveau de la norme TCP/IP par la description de protocole SNMP en rappelant les différentes notions et principes de fonctionnement de ce protocole qui est le plus répandu actuellement.  Chapitre III : Gestion et supervision des RCSFS-état de l’art Ce chapitre présente les travaux existant dans le domaine de la gestion et la supervision des réseaux de capteur sans fil, ainsi une petite comparaison des caractéristiques de ces dernières.  Chapitre IV : Modélisation et conception Ce chapitre constitue le noyau de ce travail, où en va proposer la modélisation et la conception afin de réaliser un système de supervision du RCSF, en utilisant le langage UML.
  • 21. INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE Système De Supervision Des Réseaux De Capteur Sans Fil Page 3  Chapitre V : Implémentation et réalisation Ce chapitre présente notre implémentation en montrant les algorithmes proposés pour réaliser le système de supervision des RCSFs avec l’utilisation de quelque outil de la théorie des graphes. Les résultats de l’implémentation seront également présentés pour justifier la validité de notre projet.  Enfin, on conclue notre travail en donnant une conclusion générale que nous avons tirée de notre travail effectué avec quelques perspectives.
  • 23. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 4 I.1. Introduction Les récentes avancées dans le domaine des technologies sans-fil et électronique ont permis le développement à faible coût de minuscules capteurs consommant peu d'énergie. Ces capteurs ont trois fonctions ; la capture des données, le calcul des informations à l'aide des valeurs collectées et l'envoi des résultats de calcul à travers un réseau de capteurs sans-fil. Les RCSFs présentent un intérêt considérable et une nouvelle étape dans l’évolution des technologies de l’information et de la communication. Le but général d'un RCSF est la collecte d'un ensemble de paramètres de l'environnement entourant les capteurs, telles que la température ou la pression de l'atmosphère, afin de les acheminer vers des points de traitement. De nombreux domaines d’application sont alors envisagés tels que la détection et la surveillance des désastres, le contrôle de l’environnement, la surveillance et la maintenance préventive des machines, etc. Dans ce chapitre, nous présenterons les réseaux de capteurs sans fil, leurs architectures de communication, leurs applications. Nous discuterons également les principaux caractéristiques et contraintes qui influencent la conception des réseaux de capteurs sans fil ainsi que des protocoles de routage utilisé pour l’acheminement. I.2. Définition des réseaux sans fil Un réseau informatique est un ensemble d’équipement informatique relié entre eux grâce à des supports de communication permettant la communication et le partage de ressources [1]. Selon le type de supports de communication, on distingue : les réseaux filaires qui utilisent un canal de transmission matériel (le câble coaxial, les paires torsadées, la fibre optique) et les réseaux sans fils [1]. Un réseau sans fil est un réseau de machines qui n'utilisent pas de câbles. C'est une technique qui permet aux particuliers, aux réseaux de télécommunications et aux entreprises de limiter l'utilisation de câbles entre diverses localisations [2]. Les réseaux sans fil recours à des ondes radioélectriques (radio et infrarouges) en lieu et place des câbles habituels. L'utilisation des réseaux sans fil procure plusieurs avantages, notamment [2]: · Facilité de déploiement ; · Faible coût d’appartenance ; · L'augmentation de la connectivité ; · Mobilité et la flexibilité génératrices de gains de productivité, etc.
  • 24. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 5 I.3. Les catégories des réseaux sans fil Il existe plusieurs catégories de réseaux sans fil qui diffèrent par le périmètre géographique qu’ils couvrent ainsi que par les types d’applications supportées. Le schéma suivant illustre les catégories des réseaux sans fil [3]. Figure I.1 : Les catégories des réseaux sans fil [3] I.3.1. Le réseau personnel sans fil (WPAN) Il concerne les réseaux sans fil d'une faible portée : de l'ordre de quelques dizaines de mètres. Ce type de réseau sert généralement à relier des périphériques (imprimante, téléphone portable, appareils domestiques, …) [3]. Il existe plusieurs technologies utilisées pour les WPAN : I.3.1.1. La technologie Bluetooth Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.1, elle a été lancée par Ericsson en 1994, proposant un débit théorique de 1 Mbps lui permettant une transmissions de la voix, des données et des images [3], d’une portée maximale d'une trentaine de mètres [4]. Bluetooth est une technologie peu onéreuse, grâce à sa forte intégration sur une puce unique de 9 mm sur 9 mm ; Elle présente également l’avantage de fonctionner sur des appareils à faible puissance d’où une faible consommation d’énergie [3]. I.3.1.2. La technologie ZigBee Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.4 et permet d'obtenir des liaisons sans fil à bas prix et avec une très faible consommation d'énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée pour être directement intégrée dans de petits appareils électroniques (capteurs, appareils électroménagers...) [4]. Réseaux personnels sans fil (WPAN) Réseaux métropolitains sans fil (WMAN) Réseaux locaux sans fil (WLAN) Réseaux étendu sans fil (WWAN) GSM UMTS GPRS
  • 25. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 6 Les réseaux ZigBee permettent d’offrir des débits jusqu’à 250 Kbits/s dans la bande classique des 2,4GHz. Les RCSF constituent une des applications que cette norme peut couvrir [3]. I.3.1.3. Les liaisons infrarouges Elles permettent de créer des liaisons sans fil de quelques mètres avec des débits pouvant monter à quelques mégabits par seconde. Cette technologie est largement utilisée dans la domotique (télécommandes), elle souffre toutefois des perturbations dues aux interférences lumineuses [5]. I.3.2. Le réseau local sans fil (WLAN) C’est un réseau permettant de couvrir une portée d'environ une centaine de mètres. Il permet de relier entre eux les terminaux présents dans la zone de couverture [3]. Il existe deux technologies concurrentes : I.3.2.1. Les réseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity) Ils proviennent de la norme IEEE 802.11, qui définit une architecture cellulaire. On y trouve principalement deux types de réseaux sans fil : Ceux qui travaillent à la vitesse de 11 Mbits/s à 2.4 GHz (IEEE 802.11b) et ceux qui montent à 54 Mbits/s à 5 GHz (IEEE 802.11 a/g) [3]. I.3.2.2. Les réseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0) Ils découlent de la norme européenne élaborée par l'ETSI (Européen Télécommunications Standards Institute). HiperLAN 2 permet d'obtenir un débit théorique de 54 Mbps sur une zone d'une centaine de mètres dans la gamme de fréquence comprise entre 5 150 et 5 300 MHz [5]. Ce type de réseau n’a pas reçu autant de succès que la technologie Wi-fi. I.3.3. Le réseau métropolitain sans fil (WMAN) Il est connu aussi sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR). Il convient de rappeler que la BLR permet, en plaçant une antenne parabolique sur le toit d'un bâtiment, de transmettre par voie hertzienne de la voix et des données à haut débit pour l'accès à l'internet et la téléphonie [6]. Il existe plusieurs types de réseaux WMAN dont le plus connu est : I.3.3.1. les réseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access) Ils émanent de la norme IEEE 802.16 et ont pour but de développer des liaisons hertéziennes concurrentes aux techniques xDSL terrestres et offrent un débit utile de 1 à 10 Mbit/s dans la bande 10-66 GHz pour une portée de 4 à 10 kilomètres,
  • 26. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 7 ce qui destine principalement cette technologie aux opérateurs de télécommunication [6]. I.3.4. Le réseau étendu sans fil (WWAN) Il est connu sous le nom de réseau cellulaire mobile et il est le plus répandu de tous puisque tous les téléphones mobiles sont connectés à un réseau étendu sans fil. Les principales technologies sont les suivantes : GSM (Global System for Mobile Communication), GPRS (General Packet Radio Service), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) [4]. I.4. Définition d’un réseau Ad Hoc Un réseau mobile Ad Hoc appelé généralement MANET (Mobile Ad hoc Network), peut être défini comme une collection d’entrés mobiles interconnectées par une technologie sans fil, formant un réseau temporaire sans l’aide d’une infrastructure préexistante ou d’administration centralisée [7]. Ce sont les entités mobiles elles-mêmes qui forment, d’une manière Ad Hoc, une infrastructure du réseau [3]. Les entités qui composent ce réseau possèdent un dispositif de communication sans fil leur permettant de communiquer avec les entités situées dans leur voisinage. Chaque nœud peut joindre directement ses voisins en utilisant son interface radio. Un nœud a la possibilité d’atteindre n’importe quel autre nœud à l’intérieur du réseau en utilisant les nœuds intermédiaire (situés entre la source et la destination) qui agissent en tant que nœud relais [3]. Avec ce mode de fonctionnement, il est possible d’utiliser des protocoles de routage proactifs, réactifs ou hybrides [7]. Les réseaux Ad Hoc sont idéaux pour les applications caractérisées par une absence ou la non fiabilité d’une infrastructure préexistante, telles que les applications militaires, les opérations de secours (incendies, tremblement de terre, etc.) et les missions d’exploration [8]. I.5. Capteur sans fil Un capteur sans fil est un petit dispositif à un coût raisonnable, de quelques millimètres cubes en volume. Il a pour but de relever des grandeurs physiques comme l’humidité, l’intensité de la luminosité, la température et les vibrations, suivant l’environnement dans lequel il est déployé et l’objectif pour lequel il est conçu. Un capteur sans fil est doté, principalement, de quatre unités [9] (Figure I.2).
  • 27. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 8 Figure I.2 : Les composants d’un nœud capteur [9] I.5.1. Unité de captage Elle est constituée de deux composants, un dispositif qui intercepte les données du monde physique et les transforme en signaux analogiques, et un convertisseur analogique/numérique (ADC) qui transforme ces signaux analogiques en un signal numérique compréhensible par l’unité de traitement [10]. I.5.2. Unité de traitement Elle est composée d’un microprocesseur ou d’un microcontrôleur associe généralement à une unité de stockage [11]. Elle est chargée d’exécuter les protocoles de communication, comme elle peut aussi effectuer des semi traitements sur les données captées. Cette unité est également composée de deux interfaces, une interface pour l'unité d'acquisition et autre pour l'unité de transmission. Elle acquiert les informations en provenance de l'unité d'acquisition et les envoie à l'unité de transmission [12]. I.5.3. Unité de communication Elle est responsable des émissions et réceptions des données sur un medium sans fil. Elle se base sur les technologies sans fil à faible portée de communication, Zigbee IEEE 802.15.4, Bluetooth IEEE 802.15.1 ou WiFi IEEE 802.11 [11]. Chaque capteur possède un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation (Rs). La Figure I.3 montre les zones définies par ces deux rayons pour le capteur A. La zone de communication est la zone où le capteur A peut communiquer avec les autres capteurs. Dans cet exemple, le capteur A peut communiquer avec un capteur B. D’autre part, la zone de détection est la zone où le capteur A peut capter l’événement. Dans cet exemple, il s’agit de la zone dans laquelle se trouve le capteur C [10]. Emetteur/Récepteur Radio Batterie Processeur Mémoir e Module de captage Capteur
  • 28. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 9 Figure I.3 : Rayons de communication et de détection d'un capteur [10] Par ailleurs, pour qu’un capteur ait une portée de communication suffisamment grande, il est nécessaire d’utiliser un signal assez puissant. Cependant, l’énergie consommée serait importante [10]. I.5.4. Unité d’alimentation énergétique Elle est responsable de la gestion de l’énergie et de l’alimentation de tous les composants du capteur. Elle consiste, généralement, en une batterie qui est limitée et irremplaçable, ce qui a rendu l’énergie comme principale contrainte pour un capteur [13]. Figure I.4 : Architecture d’un nœud capteur [13]
  • 29. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 10 Il existe dans le monde plusieurs fabricants de capteurs. On cite Crossbow, Cisco, Dalsa, EuroTherm et Sens2B. Parmi ces capteurs fabriqués, il existe quelques-uns qui sont capables de varier la puissance du signal émis afin d’élargir/réduire le rayon de communication et en conséquence la zone de communication. La Figure I.4 montre un capteur intelligent qui fait partie à la famille des Telos, il s’agit d’un capteur TelosB [9]. La figures suivantes illustrent les composants d'un noeud capteur TelosB de CrossBow [9]: Figure I.5 : TelosB [9] I.6. Réseau des capteurs sans fil Un réseau des capteurs sans fil (RCSF) est un type particulier des réseaux ad hoc [14] qui partage beaucoup de caractéristiques avec les réseaux embarques sans fil [15]. Il est constitué d’un grand nombre de capteurs, coopérant pour réaliser une tache commune et disperses sur une zone géographique, appelée champ de captage. Il est conçu dans le but de surveiller, détecter et traiter des phénomènes physiques captées au niveau local, ou de les envoyer à l’aide de la communication sans fil a un ou plusieurs points de collecte, appelés station de base [14]. Les capteurs remplissent deux rôles: source d’informations et/ou relais pour le reste du réseau. Ils sont habituellement dispersés dans un champ de capteurs où chacun de ces derniers a la possibilité de collecter des données et de les transmettre au sink. Les récentes avancées dans les domaines des technologies sans-fil et électroniques ont permis le développement à faible coût de minuscules capteurs consommant peu d'énergie [4].
  • 30. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 11 Les capteurs ne sont pas intégrés à une quelconque architecture préexistante de réseau. C’est pourquoi ils communiquent à l’aide d’un réseau ad hoc sans fil [16], tout d’abord dans un souci de simplicité d’installation, mais aussi et surtout dans le souci de permettre au réseau de rester opérationnel même après des défaillances ponctuelles des nœuds. Ils doivent pouvoir s’autogérer, en utilisant des protocoles permettant d’apprendre des éléments tels que la topologie du réseau, le positionnement relatifs des capteurs au sein du réseau, les routes possibles pour communiquer avec d’autres nœuds donnés [4]. Les communications multi sauts sont privilégiées par rapport aux transmissions directes au sink. C’est un nœud particulier doté d’une puissance de calcul supérieure et d’une quantité d’énergie potentiellement infinie. Il récupère les informations remontées par les différents capteurs et les transmet à l’utilisateur. Il peut y avoir plusieurs puits mobiles ou fixes dans un réseau [16]. Figure I.6 : Exemple de réseau de capteurs [16] I.7. Le réseau des capteurs mobiles La mobilité est une question clé pour les réseaux de capteurs où chaque nœud peut se déplacer à l’intérieur du site, seul ou avec un groupe. Par exemple, quand les capteurs sont embarqués sur des dispositifs mobiles tels que les véhicules, ou sur des animaux. Lorsque la mobilité est trop fréquente, elle ne peut être considérée comme un problème secondaire. Ainsi, la détection des voisins et la reconfiguration du réseau exigent habituellement un nombre important de messages de contrôle de la topologie, donc une dépense importante d’énergie [17].
  • 31. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 12 I.8. Les états opérationnels d’un nœud capteur Le diagramme suivant présente les différents états possibles lors de fonctionnement d’un nœud capteur. Nous voyons dans la figure I.7 que l’état du capteur dépend de son niveau d’énergie. Le capteur peut avoir cinq états : en transmission, en réception, en écoute, en sleep ou inactif [5]. Figure.I.7 : Les états possibles d’un nœud capteur [5] I.9. Architecture de réseau de capteurs sans fil Un Réseau de Capteurs Sans-Fil (RCSF) est un ensemble de capteurs variant de quelques dizaines d'éléments à plusieurs centaines, parfois plus, utilisant des liens sans-fil pour la communication [18]. Chaque réseau de capteurs a la capacité de collecter des données à partir d'un champ de captage, qui définit la zone d'intérêt pour le phénomène capté. A l'aide d'une architecture multi- sauts, un RCSF transmet les données collectées à un nœud (Plusieurs à un). Ce dernier est considère comme un point de collecte et peut transférer les données collectées via internet ou satellite à un ordinateur central " gestionnaire de tâche " pour leur traitement [18]. Il existe deux types d'architectures pour les réseaux de capteurs sans-fil : I.9.1. Les réseaux de capteurs sans-fil plats Un réseau de capteurs sans-fil plat est un réseau homogène, où tous les nœuds sont identiques en termes de batterie et de complexité du matériel, excepté le sink qui joue le rôle d'une passerelle et qui est responsable de la transmission de l'information collectée à l'utilisateur final. Selon le service et le type de capteurs, une densité de capteurs élevée (plusieurs nœuds capteurs/m2) ainsi qu'une communication multi-sauts peut être nécessaire pour l'architecture plate. En présence d'un très grand nombre de
  • 32. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 13 nœuds capteurs, le passage à l'échelle devient critique. Le routage et le contrôle d'accès au médium (MAC) doivent gérer et organiser les nœuds d'une manière très efficace en termes d'énergie [18]. Figure I.8 : Architecture plat des RCSF [18] I.9.2. Les réseaux de capteurs sans-fil hiérarchiques Une architecture hiérarchique a été proposée pour réduire la complexité de la plupart des nœuds capteurs et leur déploiement, en introduisant un ensemble de nœuds capteurs plus puissants. Ceci permet de décharger la majorité des nœuds simples à faible coût de plusieurs fonctions du réseau. L'architecture hiérarchique est composée de plusieurs couches : une couche de capteurs, une couche de transmission et une couche de point d'accès. Cette architecture sans-fil est influencée par un certain nombre de facteurs et contraintes tels que la tolérance aux fautes, le redimensionnement, les couts de production, l'environnement, la topologie du réseau, les contraintes matérielles, les médias de transmission et la consommation d'énergie [19]. Figure I.9 : Architecture hiérarchique des RCSF [19]
  • 33. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 14 I.10. Les principales caractéristiques et contraintes des RCSFs I.10.1. La consommation réduite d’énergie Les nœuds capteurs utilisent des batteries de taille minuscule comme ressources en énergie, ce qui limite leur durée de vie. La spécificité des applications des RCSFs (militaires, et autres) fait que la recharge ou le remplacement de ces batteries est une tâche difficile ou presque impossible, ce qui nous mène à déduire que la durée de vie d’un nœud est essentiellement dépendante de la durée de vie de la batterie. Ainsi, la méthode de gestion de consommation d’énergie constitue une contrainte majeure dans ce type de réseau [5]. I.10.2. L’auto-configuration des nœuds capteurs Dans un RCSF, les nœuds sont déployés soit d’une manière aléatoire (missile, avion…), soit placés nœud par nœud par un humain ou un robot, et ceci à l’intérieur ou autour du phénomène observé (champ de guerre, surface volcanique, patient malade…). Ainsi, un nœud capteur doit avoir des capacités d’une part, pour s’auto-configurer dans le réseau, et d’autre part pour collaborer avec les autres nœuds dans le but de reconfigurer dynamiquement le réseau en cas de changement de topologie du réseau [20]. Dans un RCSF, chaque nœud X possède une unité émettrice/réceptrice qui lui permet de communiquer avec les nœuds qui lui sont proches; En échangeant des informations avec ces derniers, le nœud X pourra alors découvrir ses nœuds voisins et ainsi connaître la méthode de routage qu’il va adopter selon les besoins de l’application. L’auto- configuration apparaît comme une caractéristique nécessaire dans le cas des RCSF étant donné que d’une part, leur déploiement s’effectue d’une manière aléatoire dans la majorité des applications, et d’autre part le nombre des nœuds capteurs est très grand. En revanche, avec une approche aléatoire, les capteurs sont éparpillés [21]. I.10.3. L’évolutivité Contrairement aux réseaux sans fil traditionnels (personnel, local ou étendu), un RCSF peut contenir un très grand nombre de nœuds capteurs (des centaines, des milliers…). Un réseau de capteur est évolutive parce qu’il a la faculté d’accepter un très grand nombre de nœuds qui collaborent ensemble afin d’atteindre un objectif commun [9]. I.10.4. La tolérance aux pannes La tolérance aux pannes est la capacité de maintenir un réseau de capteurs et d’assurer les fonctionnalités sans aucune interruption due aux échecs des nœuds [9].
  • 34. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 15 Dans le cas de dysfonctionnement d’un nœud (manque d’énergie, interférences avec l’environnement d’observation…) ou aussi en cas d’ajout de nouveaux nœuds capteurs dans le réseau, ce nœud doit continuer à fonctionner normalement sans interruption. Ceci explique le fait qu’un RCSF n’adopte pas de topologie fixe mais plutôt dynamique [9]. Un premier défi sera donc d’identifier et de modéliser formellement les modes de défaillances des capteurs, puis de repenser les techniques de tolérance aux fautes à mettre en œuvre. La fiabilité Rk(t) ou la tolérance de panne d'un capteur est modélisé à l'aide de la distribution de poisson pour déterminer les probabilités de ne pas avoir de défaillance dans l’intervalle de temps (0, T): (I.1) Où λ est le taux de défaillance du nœud capteur k, et t est un période de temps [21]. I.10.5. Une densité importante des nœuds Les RCSF sont caractérisés par leur forte densité. Cette densité peut atteindre, selon le type d’application [9]. La densité peut varier de quelques nœuds à quelques centaines de nœuds dans une région. Il doit également utiliser une densité des nœuds capteurs élevée. La densité μ peut être calculée par la formule suivante [22] : ( ) ( ) (I.2) Où N est le nombre des nœuds dispersés dans la région A et R représente le rayon de transmission. Les algorithmes de routage doivent être capables de fonctionner efficacement avec un grand nombre de capteurs. De plus, ces algorithmes doivent traiter un grand nombre d’évènements sans être saturés [9]. I.10.6. La Surveillance Pour l’augmentation de la fiabilité, de la disponibilité et de la sûreté de fonctionnement des processus, des systèmes de surveillance sont mise en œuvre dont l’objectif est d’être capable à tout instant, de fournir l’état de fonctionnement des différents équipements constitutifs d’un processus technologiques. Tant au niveau de la détection et de l’isolation des fautes (FDI) qu’au niveau de la tolérance aux fautes (FTC). L’opérateur de supervision gère deux types d’information, le premier concerne la détection et l’isolation des défauts survenus, et le deuxième indique les possibilités de laisser fonctionner ou non le processus [21].
  • 35. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 16 I.10.7. La capacité de communication Elle peut prendre deux aspects : Le multi-saut ou à un seul saut. Parce que le multi-saut est moins énergivore, il reste le type de communication le plus sollicité par les applications de RCSF qui requièrent une faible consommation d’énergie [20]. Les nœuds capteurs sont habituellement dispersés dans un environnement comme le montre la figure (I.10). Les capteurs ont des possibilités de rassembler des données et de les acheminer vers le Sink, par une architecture multi-saut. Le sink peut communiquer avec l’utilisateur final ou le décideur par l’intermédiaire d’un réseau de transport tel que l’internet ou le satellite [20]. Figure I.10 : Architecture de communication d’un réseau d’un RCSF [20] I.10.7.1. Les types de communication Il existe différents types de communication utilisée dans les RCSFs :  Unicast : ce type de communication est utilisé pour échanger des informations entre deux nœuds sur le réseau [9].  Broadcast : le Sink transmet des informations vers tous les nœuds du réseau. Ces informations peuvent être des requêtes de données bien précises (ex : la température dans la région A) [9].  Local Gossip : ce type de communication est utilisé par des nœuds situés dans une région bien déterminée qui collaborent ensemble afin d’avoir une meilleure estimation de l’évènement observé et d’éviter l’émission du même message vers le nœud « Sink » ce qui contribue à consommer moins d’énergie [9].
  • 36. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 17  Convergecast : il est utilisé dans les communications entre un groupe de nœuds et un nœud bien spécifique (qui peut être le « Sink »). L’avantage de ce type de communication est la diminution de contrôle d’entête des paquets (« control overhead ») ce qui économise l’énergie au niveau du nœud récepteur [20].  Multicast : il permet une communication entre un nœud et un groupe de nœuds. Ce type de communication est utilisé dans les protocoles qui incluent le « clustering » dans lesquels, le « Clusterhead » s’intéresse à communiquer avec un groupe de nœuds [9]. I.10.8. Une architecture « data-centric » Du fait que le remplacement ou la recharge des batteries des nœuds capteurs est une tâche non pratique et difficile à réaliser, alors il est d’usage normal qu’on trouve des nœuds capteurs redondants (effectuant la même tâche dans la même région) ; L’importance d’un nœud particulier est, par conséquent, réduite par rapport à l’importance attribuée aux données observées par les nœuds [20]. Ce type d’architecture diffère des architectures « node-centric » adoptées par les réseaux traditionnels où les nœuds possèdent une place importante (Exemple : un utilisateur qui veut connecter son laptop au serveur web X) [20]. Comme la montre l’exemple d’une approche data-centric dans la figure I.11, les données provenant des deux sources sont agrégées au noeud B. Ensuite, la donnée combinée (1+2) est envoyée de B vers la destination [20]. Figure I.11 : Le routage data-centric [20]
  • 37. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 18 I.10.9. Une collaboration entre les nœuds Les contraintes strictes de consommation d’énergie mènent les nœuds capteurs à détecter et traiter les données d’une manière coopérative afin d’éviter le traitement redondant d’une même donnée observée, source de la perte d’énergie [22]. I.10.10. La bande passante (ou capacité du canal) C’est une caractéristique beaucoup plus importante dans les réseaux cellulaires (GSM) et les réseaux locaux sans fils (WLAN), que dans les RCSF ; le débit étant en effet un objectif secondaire pour les RCSF [23]. I.10.11. Notion de cluster L’organisation des nœuds en clusters permet de réduire la complexité des algorithmes de routage, d’optimiser la ressource medium en la faisant gérer localement par un chef de cluster, de faciliter l’agrégation des données, de simplifier la gestion du réseau et en particulier l’affectation des adresses, d’optimiser les dépenses d’énergie, et enfin de rendre le réseau plus scalaire. L’utilisation de clusters permet aussi de stabiliser la topologie et la gestion du réseau si les tailles de clusters sont grandes par rapport aux vitesses de nœuds mais cela ne fonctionne que dans le cas d’une faible mobilité [5]. Figure I.12 : Cluster d'un RCSF [5] I.10.12. La qualité de service Dans diverses applications, la donnée doit être transmise dans une certaine plage de temps. Son objectif est d’évaluer la QoS délivrée par le réseau et de la maintenir grâce à des opérations de contrôle. Elle comprend les opérations de surveillance qui permettent de déterminer l’état de fonctionnement du réseau à travers des différents critères de qualité telles que le traitement des sources de puissance, de mémoire, de bande passante et de puissance, mais aussi les opérations de prévention et de correction qui permettent de
  • 38. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 19 garantir le niveau de performances désiré. Mais dans la plupart des applications, la durée de vie du réseau est favorisée au détriment de la qualité d’émission des données. Les protocoles de routage qui assurent une qualité de service prenant en compte la gestion de l’énergie, représentent un défi nouveau et stimulant [23]. I.10.13. La topologie de réseau [24] Les capteurs sont déployés dans un champ de surveillance d’où trois phases de déploiements sont représentées :  Pré-déploiement: les nœuds capteurs peuvent être soit jeté dans une masse ou placés un par un dans le champ de déploiement.  Post-déploiement: après le déploiement, des changements topologiques sont dues au changement des positions des nœuds, l'accessibilité, le bruit, des obstacles mobiles, niveau d'énergie et des dysfonctionnements. Une défaillance énergétique d’un capteur peut changer significativement la topologie du réseau et imposer une réorganisation coûteuse de ce dernier.  Redéploiement des nœuds supplémentaires: d'autres nœuds peuvent être redéployé à tout moment, de remplacer les nœuds en panne ou adapter les changements d’une tache dynamique. I.11. La mise en œuvre des réseaux sans fil Les WPAN et les WLAN disposent de deux modes de fonctionnement : le mode centralisé et le mode distribué ou ad hoc. I.11.1. Le mode de fonctionnement centralisé Le mode de fonctionnement centralisé est basé sur la présence d'un nœud maître au sein du réseau qui administre les communications. Dans le cas des WPAN (comme Bluetooth), c'est un nœud qui prend en charge ce rôle de chef d'orchestre du réseau. Les autres nœuds du réseau sont alors les esclaves du nœud maître : ce sont des "Piconet" (par exemple dans le cas du Bluetooth un maître peut avoir jusqu'à 7 esclaves en mode actifs et 255 esclaves en mode passif ou esclaves parked). Les esclaves ne peuvent pas communiquer entre eux. Des réseaux plus étendus peuvent être créés, dits "Scatternet", où un esclave peut avoir plusieurs maîtres, ce qui permet de relier entre eux des Piconet (voir la Figure I.13) [20].
  • 39. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 20 Figure I.13 : Un exemple de Scatternet composé de trois Piconet [20] Dans le cas des WLAN, un équipement spécifique se voit attribuer cette fonction, c'est le point d'accès. Ce mode de fonctionnement permet d'avoir un réseau relativement stable et de gérer la QoS. Le point d'accès permet de contrôler l'accès des stations au réseau et de leur attribuer des ressources. En revanche, tous les nœuds du réseau doivent être à 25 portées radio du point d'accès. Si le réseau doit être plus grand que cette portée, il faut multiplier les points d'accès : c'est le type de fonctionnement utilisé dans les bureaux, les aéroports, les gares, les hôtels, etc [20]. I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc Les réseaux sans fil ont également un mode de communication distribué dit ad hoc. Ce mode correspond au cas où tous les nœuds du réseau ont le même rôle et dialoguent deux à deux sans relation maître-esclave ou sans point d'accès. Ce mode est intégré dans le fonctionnement de base des WLAN et dans certains WPAN comme le ZigBee Mais ce mode, tel que défini dans les standards, est limité : en été, pour dialoguer entre eux, les nœuds doivent être à portée radio, ce qui limite la couverture de tels réseaux [8]. Ce mode de fonctionnement de base peut être étendu par l'ajout au niveau des nœuds d'un protocole de routage qui permet aux nœuds de propager les informations dans le réseau même s'ils ne sont pas destinataires. Cela permet au nœud de se déplacer tout en gardant une connectivité avec les autres membres du réseau : ce sont des MANET (Mobile Ad hoc Network) [7]. Les travaux de recherche sur ces protocoles de routage sont fédérés au sein de l'IETF17 (Internet Engineering Task Force), organisation de normalisation d'Internet. Ce type de réseaux permet d'envisager de nombreuses applications comme la domotique, les réseaux de capteurs, les services d'urgence en cas de destruction des infrastructures, la coopération entre des machines de manière spontanée [3].
  • 40. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 21 I.12. Domaines d’application des réseaux de capteurs La miniaturisation des capteurs, le coût de plus en plus faible, la large gamme des types de capteurs disponibles ainsi que le support de communication sans fil utilisé, permettent aux réseaux de capteurs de se développer dans plusieurs domaines d’application. Ils permettent aussi d’étendre les applications existantes [25]. Les réseaux de capteurs peuvent se révéler très utiles dans de nombreuses applications lorsqu’il s’agit de collecter et de traiter des informations provenant de l’environnement. Parmi les domaines où ces réseaux peuvent offrir les meilleures contributions, on cite les domaines: militaire, surveillance, environnemental, médical, domestique, etc [25]. I.12.1. Applications militaires Le faible coût et le déploiement rapide sont des caractéristiques qui ont rendu les réseaux de capteurs efficaces pour les applications militaires. Plusieurs projets ont été lancés pour aider les unités militaires dans un champ de bataille et protéger les villes contre des attaques, telles que les menaces terroristes. Le projet DSN (Distributed Sensor Network) au DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) était l’un des premiers projets dans les années 80 ayant utilisé les réseaux de capteurs pour rassembler des données distribuées [25]. I.12.2. Applications à la surveillance L’application des réseaux de capteurs dans le domaine de la sécurité peut diminuer considérablement les dépenses financières consacrées à la sécurisation des lieux et des êtres humains. Ainsi, l’intégration des capteurs dans de grandes structures telles que les ponts ou les bâtiments aidera à détecter les fissures et les altérations dans la structure suite à un séisme ou au vieillissement de la structure. Le déploiement d’un réseau de capteurs de détection de mouvement peut constituer un système d’alarme qui servira à détecter les intrusions dans une zone de surveillance [26]. I.12.3. Applications environnementales Le contrôle des paramètres environnementaux par les réseaux de capteurs peut donner naissance à plusieurs applications. Par exemple, le déploiement des thermo- capteurs dans une forêt peut aider à détecter un éventuel début de feu et par suite faciliter la lutte contre les feux de forêt avant leur propagation. Le déploiement des capteurs chimiques dans les milieux urbains peut aider à détecter la pollution et analyser la qualité d’air. De même leur déploiement dans les sites industriels empêche les risques industriels
  • 41. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 22 tels que la fuite de produits toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs, pétrole, etc.) [13]. I.12.4. Applications médicales Dans le domaine de la médecine, les réseaux de capteurs peuvent être utilisés pour assurer une surveillance permanente des organes vitaux de l’être humain grâce à des micro-capteurs qui pourront être avalés ou implantés sous la peau (surveillance de la glycémie, détection de cancers à l’étape précoce, etc.). Ils peuvent aussi faciliter le diagnostic de quelques maladies en effectuant des mesures physiologiques telles que: la tension artérielle, battements du cœur, etc. à l’aide des capteurs ayant chacun une tâche bien particulière. Les données physiologiques collectées par les capteurs peuvent être stockées pendant une longue durée pour le suivi d’un patient. D’autre part, ces réseaux peuvent détecter des comportements anormaux (chute d’un lit, choc, cri, etc.) chez les personnes dépendantes (handicapées ou âgées) [25]. I.12.5. Applications domestiques Avec le développement technologique, les capteurs peuvent être embarqués dans des appareils, tels que les aspirateurs, les fours à micro-ondes, les réfrigérateurs, les magnétoscopes, etc. Ces capteurs embarqués peuvent interagir entre eux et avec un réseau externe via internet pour permettre à un utilisateur de contrôler les appareils domestiques localement ou à distance. Le déploiement des capteurs de mouvement et de température dans les futures maisons dites intelligentes permet d’automatiser plusieurs opérations domestiques telles que : la lumière s’éteint et la musique s’arrête quand la chambre est vide, l’alarme est déclenchée par le capteur anti-intrusion quand un étranger veut pénétrer dans la maison [25]. I.12.6. Applications commerciales Il est possible d’intégrer des capteurs au processus de stockage et de livraison dans le domaine commercial. Le réseau ainsi formé pourra être utilisé pour connaître la position, l’état et la direction d’un paquet. Il devient alors possible pour un client qui attend la réception d’un paquet, d’avoir un avis de livraison en temps réel et de connaître la localisation actuelle du paquet [26]. Pour les entreprises manufacturières, les réseaux de capteurs permettront de 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.
  • 42. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 23 Figure.I.14 : Quelques applications des RCSFs [26] I.13. Le stockage des données [27] [28] Le stockage des données présents un défi unique pour les développeurs. Les données collectées doivent être stocké dans quelques nœuds : localement ou aux nœuds voisins. On a trois paradigmes de stockage des données pour les RCSFs:  Stockage externe: dans ce modèle, quand un nœud détecte un événement, les données correspondantes sont transmises à quelques entrepôts externes, tel que la station de base.  Stockage local: quand un nœud détecte un événement, l’information détectée est stockée localement dans le nœud capteur. L’avantage de cette approche est qu’elle n’implique pas des coûts de communication initiaux.  Stockage des données central: l’information collectée est routée à une location prédéfinie, spécifiée par GHT (geographic hash function) à l’intérieur du RCSF. Des requêtes sont adressées au nœud, contenant l’information pertinente, lequel transmit une réponse au Sink.
  • 43. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 24 I.14. La collection d’information [17] Il existe deux méthodes pour collecter les informations d’un réseau de capteurs: I.14.1. À la demande Lorsque l’on souhaite avoir l’état de la zone de couverture à un moment T, le sink (puits) émet des messages vers la zone pour que les capteurs remontent leur dernier relevé vers le sink. Les informations sont alors acheminées par le biais d’une communication multi-sauts. Figure I.15 : Collecte à la demande [17] I.14.2. Suite à un évènement Un évènement se produit en un point de la zone de couverture (changement brusque de température, mouvement...), les capteurs situés à proximité remontent alors les informations relevées et les acheminent jusqu’au puit. Figure I.16 : Collecte suite à un événement [17]
  • 44. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 25 I.15. Systèmes embarqués Les systèmes embarqués sont des systèmes d'exploitation prévus pour fonctionner sur des machines de petite taille, telles que des nœuds de capteurs. Les systèmes d'exploitation pour les nœuds de RCSF sont généralement moins complexes que les autres systèmes d'exploitation. Ceci à cause des exigences particulières des applications de réseau de capteurs et des contraintes de ressources des nœuds de capteurs. Plusieurs systèmes d'exploitation sont conçus pour les nœuds de RCSF. Parmi ces systèmes nous citons TinyOS, SOS etc [14]. TinyOS est le plus répondu des systèmes d'exploitation pour les RCSF. TinyOS est un système d'exploitation open source développé par l'université de Berkeley. Sa conception a été entièrement réalisée en NesC, langage orienté composant syntaxiquement proche du C. La bibliothèque des composants de TinyOS est particulièrement complète puisqu'on y retrouve des protocoles réseaux, des pilotes de capteurs et des outils d'acquisition de données. Un programme s'exécutant sur TinyOS est constitué d'une sélection de composants systèmes et de composants développés spécifiquement pour l'application à laquelle il sera destiné (mesure de température, du taux d'humidité, etc.) [29]. TinyOS s'appuie sur un fonctionnement événementiel, c'est-à-dire qu'il ne devient actif qu'à l'apparition de certains événements ; par exemple, l'arrivée d'un message radio. Le reste du temps, le capteur se trouve en état de veille, garantissant une durée de vie maximale connaissant les faibles ressources énergétiques des capteurs. Cependant, l'allocation statique de la mémoire et la perte des composants lors de la génération de l'exécutable, constituent les limites de ce système et rendent la reconfiguration dynamique de l'image présente sur le capteur impossible [30]. I.16. La pile protocolaire des RCSF Il est à noter qu’aucune pile protocolaire destinée aux RCSF n’a été standardisée. Cependant, la majorité des articles scientifiques, qui traitent la thématique des RCSF, se basent sur la pile protocolaire qui a été proposée par [9]. Cette pile se compose de [9] : - Une couche physique - Une couche de liaison de données - Une couche réseau - Une couche transport - Une couche application - Un plan de gestion d’énergie - Un plan de gestion de mobilité
  • 45. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 26 - Un plan de gestion de tâches Figure I.17 : La pile protocolaire d’un RCSF [9] I.16.1. La couche physique Elle est responsable de la sélection de fréquence, la génération de la fréquence porteuse, la détection du signal, la modulation/démodulation et le cryptage/décryptage des informations. La consommation d’énergie au niveau de la couche physique peut être affectée par l’environnement de l’application, le choix du type de la modulation ou la bande de fréquence utilisée. Il est avantageux en matière d’économie d’énergie que le concepteur de la couche physique choisisse une transmission à multi-sauts plutôt qu’une transmission directe qui nécessite une puissance de transmission très élevée [9]. I.16.2. La couche liaison de données Elle est responsable de la détection des trames de données, le contrôle d’accès au support (MAC) et le contrôle d’erreurs. Elle maintient aussi la fiabilité des connections point à point ou multipoints dans les RCSF [9]. La couche liaison de données contient deux sous-couches qui sont : - La sous-couche MAC : Dans un RCSF, la couche MAC doit accomplir deux principales tâches qui sont celles de : - établir des liaisons de communication entre les nœuds capteurs pour effectuer le transfert des données et permettre au réseau la capacité de s’auto-organiser. - décider du moment et de la manière dont les nœuds capteurs peuvent accéder au canal avec un minimum de perte d’énergie [9]. - La sous-couche de contrôle d’erreurs : La technique de contrôle d’erreurs la plus utilisée dans les RCSF est le « Forward error correction » (FEC) ; Cette technique comporte de simples mécanismes de codage et de décodage (codes de contrôle d’erreurs simples) [9].
  • 46. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 27 I.16.3. La couche réseau La couche réseau gère les échanges (et éventuellement les connexions) au travers du RCSF. Elle gère entre autre l’adressage et l’acheminement des données. Les applications des RCSF requièrent le plus souvent des protocoles de routage à multi sauts entre le nœud émetteur, le ou les nœuds relais et le nœud « Sink ». Les protocoles de routage traditionnels des réseaux ad hoc ne peuvent pas être utilisés dans les RCSF puisqu’ils ne satisfont pas les critères de conservation d’énergie et de scalabilité [31]. Les métriques considérées par les chercheurs pour déterminer la route la plus optimisée dans les réseaux RCSF sont [31]: - L’énergie nécessaire pour transmettre le paquet d’une manière fiable. - L’énergie disponible dans chaque nœud capteur. Les algorithmes de routage peuvent alors sélectionner les routes entre le nœud émetteur et le nœud «Sink» en se basant soit sur le maximum d’énergie disponible au niveau des nœuds intermédiaires, soit sur la route qui consomme le moins d’énergie pour transmettre d’un nœud vers un autre. Le type d’adressage le plus utilisé dans les RCSF est l’adressage géographique, c'est-à-dire que chaque nœud capteur est identifié dans le réseau par sa localisation [31]. I.16.4. La couche transport Le rôle de cette couche intervient essentiellement lorsqu’on va accéder à partir de notre RCSF vers un autre RCSF ou vers l’internet [31]. Le protocole de transport utilisé entre le nœud émetteur et le nœud « Sink » peut être UDP. Il importe de mentionner que l’utilisation du protocole TCP est impossible vu la taille limitée des mémoires des nœuds capteurs qui ne leur permet pas d’enregistrer de grandes quantités d’informations pour la gestion des communications (mécanismes de fenêtres) [31]. I.16.5. La couche application Il existe plusieurs protocoles applicatifs qui ont été proposés et qui permet à l’utilisateur d’exécuter des tâches administratives telles que la configuration du RCSF, la mise en marche/fermeture des nœuds, la synchronisation entre les nœuds, le déplacement des nœuds capteurs [9]. En plus il y a des protocoles qui permet à l’utilisateur à travers des interfaces d’interroger le réseau en se basant non pas sur un système d’adressage particulier
  • 47. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 28 (interroger un nœud bien particulier) comme tel est le cas des réseaux sans fil classiques mais plutôt sur la localisation des nœuds [9]. I.17. Classification des protocoles de routages pour les réseaux de capteur sans fil Figure I.18 : Classification des protocoles de routage pour les Réseaux de capteurs sans fil [5] Classification des protocoles de routage pour les RCSFs Topologie du Réseau Fonctionnement du protocole Paradigme de communication Etablissement de la route Plat Hiérarchique Basé-QoS Basé- négociation Multi- chemins Basé- requêtes Centré- données Centré- nœuds Basé- localisation Réactif Proactif Hybride SPIN, DD, RR LEACH, PEGASIS, MECN, SMECN, TEEN, APTEEN SAR DD SPIN DD, RR SPIN, DD LEACH, PEDAP GAF, GEAR SPIN , DD, LEACH, PEGASIS APTEEN
  • 48. Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL Système De Supervision Des Réseaux De Capteurs Sans Fil Page 29 I.17.1. Selon la topologie du réseau La topologie détermine l'organisation des capteurs dans le réseau. Comme on a dit précédemment Il existe deux principales topologies dans les protocoles de routage pour les RCSF : Plate et hiérarchique [18]. I.17.2. Selon le fonctionnement du protocole C’est la manière avec laquelle les données sont propagées dans le réseau. Selon ce critère, les protocoles de routage peuvent être classifiés en quatre catégories : I.17.2.1. Routage basé sur les multi-chemins Dans cette catégorie, les protocoles de routage utilisent des chemins multiples plutôt qu’un chemin simple afin d’augmenter la performance du réseau. La fiabilité d’un protocole peut être mesurée par sa capacité à trouver des chemins alternatifs entre la source et la destination en cas de défaillance du chemin primaire. Pour cette raison, certains protocoles requièrent plus de ressources énergétiques et plus de messages de contrôle [5]. I.17.2.2. Routage basé sur les requêtes Dans ce type de routage, le puits génère des requête afin d’interroger les capteurs. Ces requêtes sont exprimées soit par un schéma valeur-attribut ou bien en utilisant un langage spécifique (par exemple SQL : Structured Query Langage). Les nœuds qui détiennent les données requises doivent les envoyer au nœud demandeur à travers le chemin inverse de la requête. Les requêtes émises par le puits peuvent aussi être ciblées sur des régions spécifiques du réseau [6]. I.17.2.3. Routage basé sur la négociation En détectant le même phénomène, les nœuds capteurs inondent le réseau par les mêmes paquets de données. Ce problème de redondance peut être résolu en employant des protocoles de routage basés sur la négociation. En effet, avant de transmettre, les nœuds capteurs négocient entre eux leurs données en échangeant des paquets de signalisation spéciales, appelés métadonnées. Ces paquets permettent de vérifier si les nœuds voisins disposent déjà de la donnée à transmettre. Cette procédure garantit que seules les informations utiles seront transmises et élimine la redondance des données [5]. I.17.2.4. Routage basé sur la qualité de service Dans les protocoles de routage basés sur QoS, le réseau doit équilibrer entre la consommation d’énergie et la qualité de données. En particulier, le réseau