Architecture de réseau de capteurs sans fil et ses applications

Actuellement, WSN (réseau de capteurs sans fil) est le service le plus standard utilisé dans les applications commerciales et industrielles, en raison de son développement technique dans un processeur, de la communication et de l'utilisation à faible consommation de dispositifs informatiques embarqués. L'architecture du réseau de capteurs sans fil est construite avec des nœuds qui sont utilisés pour observer l'environnement comme la température, l'humidité, la pression, la position, les vibrations, le son, etc. Ces nœuds peuvent être utilisés dans diverses applications en temps réel pour effectuer diverses tâches telles que la détection intelligente, une découverte des nœuds voisins, le traitement et le stockage des données, la collecte de données, le suivi des cibles, la surveillance et le contrôle, la synchronisation, la localisation des nœuds et le routage efficace entre la station de base et les nœuds. Actuellement, les WSN commencent à être organisés en une étape améliorée. Il n'est pas gênant de s'attendre à ce que dans 10 à 15 ans, le monde soit protégé par des WSN avec accès via Internet. Cela peut être mesuré comme Internet devenant un n / w physique. Cette technologie est passionnante avec un potentiel infini pour de nombreux domaines d'application tels que le médical, l'environnement, les transports, l'armée, le divertissement, la défense du territoire, la gestion de crise et également les espaces intelligents.

Qu'est-ce qu'un réseau de capteurs sans fil?

Un sans fil Sensor Network est un type de réseau sans fil qui comprend un grand nombre de dispositifs de faible puissance, autogérés, en circulation, appelés nœuds de capteurs appelés motes. Ces réseaux couvrent certainement un grand nombre d'appareils embarqués, peu répartis dans l'espace et fonctionnant sur batterie, qui sont mis en réseau pour collecter, traiter et transférer des données avec soin vers les opérateurs, et cela a contrôlé les capacités de calcul et de traitement. Les nœuds sont de minuscules ordinateurs qui travaillent ensemble pour former des réseaux.

Réseau de capteurs sans fil

Le nœud de capteur est un appareil sans fil multifonctionnel et économe en énergie. Les applications des motes dans l'industrie sont répandues. Une collection de nœuds de capteurs collecte les données de l'environnement pour atteindre des objectifs d'application spécifiques. La communication entre les motes peut se faire les uns avec les autres à l'aide d'émetteurs-récepteurs. Dans un réseau de capteurs sans fil, le nombre de particules peut être de l'ordre de centaines, voire de milliers. Contrairement aux capteurs n / ws, les réseaux Ad Hoc auront moins de nœuds sans aucune structure.

Architecture de réseau de capteurs sans fil

L'architecture de réseau de capteurs sans fil la plus courante suit le modèle d'architecture OSI. L'architecture du WSN comprend cinq couches et trois couches croisées. Surtout dans le capteur n / w, nous avons besoin de cinq couches, à savoir application, transport, n / w, liaison de données et couche physique. Les trois plans transversaux sont à savoir la gestion de l'alimentation, la gestion de la mobilité et la gestion des tâches. Ces couches du WSN sont utilisées pour accomplir le n / w et faire fonctionner les capteurs ensemble afin d'augmenter l'efficacité complète du réseau. Veuillez suivre le lien ci-dessous pour Types de réseaux de capteurs sans fil et topologies WSN

Types d'architectures WSN

L'architecture utilisée dans WSN est une architecture de réseau de capteurs. Ce type d'architecture est applicable dans différents endroits tels que les hôpitaux, les écoles, les routes, les bâtiments ainsi qu'il est utilisé dans différentes applications telles que la gestion de la sécurité, la gestion des catastrophes et la gestion de crise, etc. Il existe deux types d'architectures utilisées dans les capteurs sans fil réseaux qui incluent ce qui suit. Il existe 2 types d'architectures de capteurs sans fil: l'architecture de réseau en couches et l'architecture en cluster. Celles-ci sont expliquées ci-dessous.

• Architecture de réseau en couches
• Architecture de réseau en cluster

Architecture de réseau en couches

Ce type de réseau utilise des centaines de nœuds de capteurs ainsi qu'une station de base. Ici, la disposition des nœuds du réseau peut être réalisée en couches concentriques. Il comprend cinq couches ainsi que 3 couches croisées qui comprennent les suivantes.

Les cinq couches de l'architecture sont:

• Couche d'application
• Couche de transport
• Couche réseau
• Couche de liaison de données
• Couche physique

Les trois couches croisées comprennent les éléments suivants:

• Plan de gestion de l'alimentation
• Plan de gestion de la mobilité
• Plan de gestion des tâches

Ces trois couches croisées sont principalement utilisées pour contrôler le réseau ainsi que pour faire fonctionner les capteurs comme un seul afin d'améliorer l'efficacité globale du réseau. Les cinq couches de WSN mentionnées ci-dessus sont décrites ci-dessous.

Architecture de réseau de capteurs sans fil

Couche d'application

La couche application est responsable de la gestion du trafic et propose des logiciels pour de nombreuses applications qui convertissent les données sous une forme claire pour trouver des informations positives. Réseaux de capteurs disposés dans de nombreuses applications dans différents domaines tels que l'agriculture, l'armée, l'environnement, le médical, etc.

Couche de transport

La fonction de la couche de transport est de fournir un évitement de congestion et une fiabilité là où de nombreux protocoles destinés à offrir cette fonction sont soit pratiques en amont. Ces protocoles utilisent des mécanismes différents pour la reconnaissance des pertes et la récupération des pertes. La couche de transport est exactement nécessaire lorsqu'un système est prévu de contacter d'autres réseaux.

Fournir une récupération fiable des pertes est plus économe en énergie et c'est l'une des principales raisons pour lesquelles TCP n'est pas adapté à WSN. En général, les couches de transport peuvent être séparées en paquets pilotés par événements. Il existe quelques protocoles populaires dans la couche de transport, à savoir STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol et PSFQ (pump slow fetch quick).

Couche réseau

La fonction principale de la couche réseau est le routage, elle a beaucoup de tâches basées sur l'application, mais en fait, les tâches principales sont dans la conservation de l'énergie, la mémoire partielle, les tampons et le capteur n'ont pas d'identifiant universel et doivent être auto-organisé.

L'idée simple du protocole de routage est d'expliquer une voie fiable et des voies redondantes, selon une échelle convaincante appelée métrique, qui varie d'un protocole à l'autre. Il existe de nombreux protocoles existants pour cette couche réseau, ils peuvent être séparés en routage plat et en routage hiérarchique ou peuvent être séparés en fonction du temps, des requêtes et des événements.

Couche de liaison de données

La couche liaison de données est responsable du multiplexage de la détection des trames de données, des flux de données, du MAC et du contrôle des erreurs, confirmant la fiabilité du point-point (ou) point-multipoint.

Couche physique

La couche physique fournit un bord pour transférer un flux de bits au-dessus du support physique. Cette couche est responsable de la sélection de la fréquence, de la génération d'une fréquence porteuse, de la détection du signal, de la modulation et du cryptage des données. IEEE 802.15.4 est suggéré comme typique pour les zones particulières à faible débit et les réseaux de capteurs sans fil à faible coût, consommation d'énergie, densité et plage de communication pour améliorer la durée de vie de la batterie. CSMA / CA est utilisé pour prendre en charge la topologie étoile et poste à poste. Il existe plusieurs versions d'IEEE 802.15.4.V.

Les principaux avantages de l'utilisation de ce type d'architecture dans WSN sont que chaque nœud implique simplement des transmissions de faible puissance et de moindre distance vers les nœuds voisins, en raison de laquelle l'utilisation de l'énergie est faible par rapport à d'autres types d'architecture de réseau de capteurs. Ce type de réseau est évolutif et comprend une tolérance de panne élevée.

Architecture de réseau en cluster

Dans ce type d'architecture, les nœuds de capteurs séparément s'ajoutent dans des groupes appelés clusters qui dépendent du «protocole de lixiviation» car il utilise des clusters. Le terme «protocole de lixiviation» signifie «hiérarchie de clustering adaptatif à faible énergie». Les principales propriétés de ce protocole sont principalement les suivantes.

Architecture de réseau en cluster

• Il s'agit d'une architecture de clustering hiérarchique à deux niveaux.
• Cet algorithme distribué est utilisé pour organiser les nœuds de capteur en groupes, appelés clusters.
• Dans chaque cluster qui est formé séparément, les nœuds principaux du cluster créeront les plans TDMA (Time-division multiple access).
• Il utilise le concept Data Fusion afin de rendre le réseau économe en énergie.

Ce type d'architecture de réseau est extrêmement utilisé en raison de la propriété de fusion de données. Dans chaque cluster, chaque nœud peut interagir via la tête du cluster pour obtenir les données. Tous les clusters partageront leurs données collectées vers la station de base. La formation d'un cluster, ainsi que la sélection de sa tête dans chaque cluster, est une méthode distribuée indépendante et autonome.

Problèmes de conception de l'architecture de réseau de capteurs sans fil

Les problèmes de conception de l'architecture de réseau de capteurs sans fil sont principalement les suivants.

• Consommation d'énergie
• Localisation
• Couverture
• Horloges
• Calcul
• Coût de production
• Conception du matériel
• Qualité de service

Consommation d'énergie

Dans WSN, la consommation d'énergie est l'un des principaux problèmes. En tant que source d'énergie, la batterie est utilisée en s'équipant de nœuds capteurs. Le réseau de capteurs est agencé dans des situations dangereuses, il devient donc compliqué de changer sinon de recharger les batteries. La consommation d'énergie dépend principalement des opérations des nœuds de capteurs comme la communication, la détection et le traitement des données. Tout au long de la communication, la consommation d'énergie est très élevée. Ainsi, la consommation d'énergie peut être évitée à chaque couche en utilisant des protocoles de routage efficaces.

Localisation

Pour le fonctionnement du réseau, le problème fondamental et critique est la localisation des capteurs. Ainsi, les nœuds de capteurs sont disposés de manière ad hoc afin qu’ils ne connaissent pas leur emplacement. La difficulté de déterminer l'emplacement physique du capteur une fois qu'il a été arrangé est connue sous le nom de localisation. Cette difficulté peut être résolue grâce au GPS, aux nœuds de balises, à la localisation basée sur la proximité.

Couverture

Les nœuds de capteurs dans le réseau de capteurs sans fil utilisent un algorithme de couverture pour détecter les données et les transmettre pour les absorber via l'algorithme de routage. Pour couvrir l'ensemble du réseau, les nœuds de capteurs doivent être choisis. Il est recommandé d'utiliser des méthodes efficaces telles que les algorithmes de chemin d'exposition la plus faible et la plus élevée ainsi que le protocole de conception de couverture.

Horloges

Dans WSN, la synchronisation d'horloge est un service sérieux. La fonction principale de cette synchronisation est d'offrir une échelle de temps ordinaire pour les nœuds d'horloges locales au sein des réseaux de capteurs. Ces horloges doivent être synchronisées dans certaines applications telles que la surveillance et le suivi.

Calcul

Le calcul peut être défini comme la somme des données qui continue à travers chaque nœud. Le principal problème du calcul est qu'il doit réduire l'utilisation des ressources. Si la durée de vie de la station de base est plus dangereuse, alors le traitement des données sera terminé au niveau de chaque nœud avant la transmission des données vers la station de base. À chaque nœud, si nous avons des ressources, tout le calcul doit être effectué au niveau du puits.

Coût de production

Dans WSN, le grand nombre de nœuds de capteur est organisé. Donc, si le prix du nœud unique est très élevé, le prix global du réseau sera également élevé. En fin de compte, le prix de chaque nœud de capteur doit être réduit. Le prix de chaque nœud de capteur dans le réseau de capteurs sans fil est donc un problème difficile.

Conception de matériel

Lors de la conception du matériel de tout réseau de capteurs comme le contrôle de l'alimentation, le microcontrôleur et l'unité de communication doivent être économes en énergie. Sa conception peut être réalisée de manière à utiliser une faible consommation d'énergie.

Qualité de service

La qualité de service ou QoS n'est rien d'autre que les données doivent être diffusées dans le temps. Parce que certaines des applications basées sur des capteurs en temps réel dépendent principalement du temps. Donc, si les données ne sont pas distribuées à temps vers le récepteur, les données deviendront inutiles. Dans les WSN, il existe différents types de problèmes de qualité de service, tels que la topologie du réseau, qui peuvent être fréquemment modifiés, et l'état accessible des informations utilisées pour le routage peut être imprécis.

Structure d'un réseau de capteurs sans fil

La structure de WSN comprend principalement diverses topologies utilisées pour les réseaux de radiocommunications comme une étoile, une étoile maillée et une étoile hybride. Ces topologies sont décrites ci-dessous en bref.

Réseau Star

La topologie de communication comme un réseau en étoile est utilisée partout où seule la station de base peut transmettre ou recevoir un message vers des nœuds distants. Il existe un certain nombre de nœuds disponibles qui ne sont pas autorisés à se transmettre des messages. Les avantages de ce réseau sont principalement la simplicité, capable de réduire au minimum l'utilisation de l'énergie des nœuds distants.

Il permet également des communications avec moins de latence entre la station de base ainsi qu'un nœud distant. Le principal inconvénient de ce réseau est que la station de base doit être à portée radio pour tous les nœuds séparés. Il n'est pas robuste comme les autres réseaux car il dépend d'un seul nœud pour gérer le réseau.

Réseau maillé

Ce type de réseau permet la transmission des données d'un nœud à un autre au sein du réseau qui se trouve à portée de transmission radio. Si un nœud a besoin de transmettre un message à un autre nœud et qu'il est hors de portée des communications radio, il peut alors utiliser un nœud comme intermédiaire pour envoyer le message vers le nœud préféré.

Le principal avantage d'un réseau maillé est l'évolutivité ainsi que la redondance. Lorsqu'un nœud individuel cesse de fonctionner, un nœud distant peut converser avec tout autre type de nœud dans la plage, puis achemine le message vers l'emplacement préféré. De plus, la plage réseau n'est pas automatiquement limitée à la plage parmi les nœuds uniques qu'elle peut étendre simplement en ajoutant un certain nombre de nœuds au système.

Le principal inconvénient de ce type de réseau est l’utilisation de l’énergie pour les nœuds de réseau qui exécutent les communications telles que le multi-sauts qui sont généralement plus élevés que les autres nœuds qui n’ont pas cette capacité de limiter fréquemment la durée de vie de la batterie. De plus, lorsque le nombre de sauts de communication augmente vers une destination, alors le temps nécessaire pour envoyer le message augmentera également, en particulier si le processus de faible puissance des nœuds est une nécessité.

Hybrid Star - Réseau maillé

Un hybride entre les deux réseaux comme l'étoile et le maillage fournit un réseau de communication solide et flexible tout en maintenant la consommation d'énergie des nœuds de capteurs sans fil au minimum. Dans ce type de topologie de réseau, les nœuds capteurs moins puissants ne sont pas autorisés à transmettre les messages.
Cela permet de maintenir la moindre consommation d'énergie.

Mais, d'autres nœuds de réseau sont autorisés avec la capacité de multi-saut en leur permettant de transmettre des messages d'un nœud à un autre sur le réseau. Habituellement, les nœuds avec la capacité multi-hop ont une puissance élevée et sont fréquemment branchés sur le secteur. Il s'agit de la topologie implémentée via le réseau maillé standard à venir appelé ZigBee.

Structure d'un nœud de capteur sans fil

Les composants utilisés pour créer un nœud de capteur sans fil sont différentes unités telles que la détection, le traitement, l'émetteur-récepteur et l'alimentation. Il comprend également des composants supplémentaires qui dépendent d'une application comme un générateur d'énergie, un système de localisation et un mobilisateur. Généralement, les unités de détection comprennent deux sous-unités à savoir les ADC ainsi que les capteurs. Ici, les capteurs génèrent des signaux analogiques qui peuvent être transformés en signaux numériques à l'aide de l'ADC, après quoi ils les transmettent à l'unité de traitement.

En général, cette unité peut être associée via une minuscule unité de stockage pour gérer les actions permettant au nœud de capteur de fonctionner avec les autres nœuds pour réaliser les tâches de détection allouées. Le nœud de capteur peut être connecté au réseau à l'aide d'un émetteur-récepteur. Dans le nœud de capteur, l'un des composants essentiels est un nœud de capteur. Les unités d'alimentation sont prises en charge par des unités de récupération d'énergie telles que les cellules solaires, tandis que les autres sous-unités dépendent de l'application.

Un schéma fonctionnel des nœuds de détection sans fil est illustré ci-dessus. Ces modules offrent une plate-forme polyvalente pour répondre aux exigences de larges applications. Par exemple, sur la base des capteurs à agencer, le remplacement du bloc de conditionnement de signal peut être effectué. Cela permet d'utiliser différents capteurs avec le nœud de détection sans fil. De même, la liaison radio peut être échangée contre une application spécifiée.

Caractéristiques du réseau de capteurs sans fil

Les caractéristiques de WSN sont les suivantes.

• La consommation des limites de puissance pour les nœuds avec batteries
• Capacité à gérer les pannes de nœuds
• Une certaine mobilité des nœuds et l'hétérogénéité des nœuds
• Évolutivité à une grande échelle de distribution
• Capacité à garantir des conditions environnementales strictes
• Utilisation simple
• Conception multicouche

Avantages des réseaux de capteurs sans fil

Les avantages de WSN sont les suivants

• Les aménagements de réseau peuvent être réalisés sans infrastructure immobilière.
• Convient aux endroits inaccessibles comme les montagnes, sur la mer, les zones rurales et les forêts profondes.
• Flexible s'il y a une situation occasionnelle lorsqu'un poste de travail supplémentaire est requis.
• La tarification d'exécution est peu coûteuse.
• Cela évite beaucoup de câblage.
• Il peut à tout moment fournir des adaptations pour les nouveaux appareils.
• Il peut être ouvert en utilisant une surveillance centralisée.

Applications de réseau de capteurs sans fil

Les réseaux de capteurs sans fil peuvent comprendre de nombreux types de capteurs tels que faible taux d'échantillonnage, sismique, magnétique, thermique, visuel, infrarouge, radar et acoustique, qui sont intelligents pour surveiller une large gamme de situations ambiantes. Les nœuds de capteur sont utilisés pour la détection constante, l'ID d'événement, la détection d'événement et le contrôle local des actionneurs. Les applications des réseaux de capteurs sans fil incluent principalement la santé, l'armée, l'environnement, la maison et d'autres domaines commerciaux.

Application WSN

• Applications militaires
• Applications de santé
• Applications environnementales
• Accueil Applications
• Applications commerciales
• Surveillance de zone
• Suivi des soins de santé
• Captures environnementales / terrestres
• Surveillance de la pollution atmosphérique
• Détection des incendies de forêt
• Détection des glissements de terrain
• Surveillance de la qualité de l'eau
• Surveillance industrielle

Ainsi, il s'agit de ce qu'est un réseau de capteurs sans fil , architecture, caractéristiques et applications du réseau de capteurs sans fil. Nous espérons que vous avez une meilleure compréhension de ce concept. En outre, toute question ou à connaître idées de projet de réseau de capteurs sans fil , veuillez donner vos précieuses suggestions en commentant dans la section des commentaires ci-dessous. Voici une question pour vous, Quels sont les différents types de réseaux de capteurs sans fil?