Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) expliqués en 5 minutes ou moins

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) détectent les conditions physiques et environnementales, telles que la chaleur, la pression, la lumière, etc. et y réagissent par l’intermédiaire de leur réseau de capteurs.

Les progrès de la technologie sans fil et des capteurs MEMS (Micro Electro Mechanical System) ont rendu possible le déploiement intelligent de capteurs de faible puissance sur une zone étendue, créant ainsi des WSN peu coûteux pour des applications militaires et civiles.

Dans la section suivante, nous examinerons les types de WSN, leurs composants et leurs applications, ainsi que leurs avantages, leurs inconvénients et leurs applications.

Quelle est la signification d’un réseau ?

La mise en réseau relie des dispositifs qui permettent d’échanger des informations et de partager des ressources. Ces dispositifs intégrés utilisent des protocoles de communication tels que TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP, etc., qui constituent un ensemble de règles pour la transmission de données sur des réseaux sans fil ou câblés.

Fondamentalement, il existe deux types de réseaux : les réseaux câblés et les réseaux sans fil. Les réseaux câblés et sans fil diffèrent en fonction de la vitesse de transfert des données, de la sécurité des données, de la portée de la communication et du coût.

Un réseau câblé se caractérise par l’interconnexion d’appareils au moyen de câbles physiques, tandis que les réseaux sans fil dépendent des ondes radio pour la connectivité des appareils. Il existe différentes technologies sans fil telles que Wi-Fi, Bluetooth, etc.

Le réseau de capteurs sans fil (WSN), comme son nom l’indique, est une technologie sans fil et la communication s’effectue par le biais de signaux radio.

Qu’est-ce qu’un réseau de capteurs sans fil (WSN) ?

Un réseau de capteurs sans fil, également appelé WSN, est un ensemble de capteurs spécialisés disposés à différents endroits dans des structures spécifiques afin d’enregistrer et de surveiller les paramètres physiques de l’environnement et d’organiser les données résultantes en un lieu centralisé.

Ces paramètres physiques comprennent, entre autres, la température, la pression, le vent et l’humidité.

Un réseau WSN comprend des stations de base et des nœuds placés à différents endroits, qui interagissent sans fil. La structure du WSN peut être mise en œuvre selon quatre approches distinctes, à savoir les types point à point, étoile, arbre et maillage.

Un arrangement WSN peut être classé en cinq catégories en fonction de l’environnement physique : les WSN souterrains, terrestres, sous-marins, multimédias et mobiles.

Les nouvelles conceptions de capteurs utilisent les progrès de l’ingénierie et de la technologie pour relier les domaines physique et numérique afin d’obtenir des résultats efficaces.

Les réseaux de capteurs sans fil sont constitués de nœuds dotés de capteurs qui détectent les changements physiques et environnementaux et transmettent les données à une station de base qui les analyse et produit des rapports.

L’intégration des réseaux de capteurs sans fil avec le GPS ou la RFID permet d’améliorer la couverture et de créer des systèmes de suivi ou de surveillance sophistiqués.

Les réseaux de capteurs sans fil visent à recueillir des informations environnementales afin d’améliorer la sécurité, la productivité et la prévention des accidents tout en protégeant l’environnement.

Composants d’un WSN

Voyons la liste des composants d’un WSN. Les WSN se composent principalement de deux parties : le nœud de capteur et l’architecture du réseau.

Nœud de capteurs

Le nœud de capteur se compose des éléments suivants :

• Alimentation : Pour alimenter tous les composants du réseau.
• Unité de détection : Elle se compose d’un capteur et d’un convertisseur analogique-numérique. Le capteur recueille des données analogiques et le convertisseur analogique-numérique les transforme en format numérique. Les nœuds de capteurs n’ont pas seulement une fonction de détection, mais aussi des composants de traitement, de communication et de stockage. Le nœud de capteurs recueille et analyse les données physiques, les met en corrélation et les fusionne avec les données d’autres capteurs.
• Unité de traitement : Elle se compose d’une mémoire et d’un microprocesseur. Elle traite et manipule intelligemment les données.
• Système de communication : Un système radio pour la transmission et la réception de données.
• Station de base: Il s’agit d’un nœud extraordinaire doté d’une énergie de calcul et d’une capacité de traitement élevées.

Tête de groupe : Il s’agit d’un nœud de détection à large bande passante utilisé pour effectuer des fonctions de fusion et d’agrégation de données dans le réseau social mondial. En fonction des exigences du système et des applications, il y aura plus d’une tête de grappe à l’intérieur de la grappe.

Dans un réseau de capteurs sans fil (WSN), un nœud de capteurs communique avec d’autres nœuds de capteurs déployés dans de vastes zones pour surveiller l’environnement physique et une station de base (BS) par le biais d’une communication sans fil. Les nœuds de capteurs collectent des données et les envoient à la station de base. Les stations de base traitent les données et partagent les informations mises à jour avec les utilisateurs en ligne.

Architecture du réseau

Lorsque tous les nœuds de capteurs sont connectés à la station de base, on parle d’architecture de réseau à saut unique. Lorsque les données sont transmises sur de longues distances, elles consomment plus d’énergie que la collecte de données et le calcul. Dans ce cas, l’architecture de réseau multi-sauts est couramment utilisée en employant des nœuds intermédiaires au lieu d’un lien unique reliant le nœud de capteur à la station de base.

Il existe deux façons de mettre en œuvre ces structures : L’architecture de réseau plat et l’architecture de réseau hiérarchique.

Dans l’architecture plate, la station de base commande tous les nœuds de capteurs, et les nœuds de capteurs répondent par l’intermédiaire de nœuds homologues en utilisant un chemin multi-sauts.

Dans l’architecture de réseau hiérarchique, les têtes de grappe reçoivent des informations d’un groupe de nœuds de capteurs et relaient les données à la station de base.

Autres composants du WSN

• Nœud relais : Un nœud intermédiaire est utilisé pour communiquer avec le nœud adjacent. Il améliore la fiabilité du réseau et ne possède pas de capteur de processus ni d’équipement de contrôle.
• Nœud acteur : Un nœud haut de gamme est utilisé pour prendre une décision en fonction des exigences de l’application. En général, ces nœuds sont des dispositifs riches en ressources, dotés de capacités de traitement de haute qualité, d’une puissance de transmission élevée et d’une grande autonomie de batterie.
• Passerelle : La passerelle est une interface entre les réseaux de capteurs et les réseaux extérieurs. Par rapport au nœud de capteur et à la tête de grappe, le nœud passerelle est plus puissant en ce qui concerne la mémoire de programme et de données, le processeur utilisé, la portée de l’émetteur-récepteur et la possibilité d’expansion par le biais de la mémoire externe.

Types de réseaux de capteurs sans fil (WSN)

Il existe cinq types de réseaux de capteurs sans fil :

• Sous-marin : Le réseau de capteurs sans fil sous-marin utilise des nœuds de capteurs et des véhicules sous l’eau pour collecter des données. Il présente des problèmes de latence élevée et de dysfonctionnement des capteurs, et ses batteries non rechargeables sont limitées.
• Sous terre : Ce type de réseau surveille les conditions souterraines parce qu’il fonctionne entièrement sous terre et que les nœuds Sink placés au-dessus du sol transmettent les données à la station de base. Il coûte plus cher que les réseaux terrestres en raison du coût élevé de l’équipement et de la maintenance.
• Réseau terrestre : Ce type de réseau est utilisé sur terre pour surveiller les conditions environnementales de différentes zones. Dans les WSN terrestres, des milliers de nœuds de capteurs sans fil sont déployés dans une structure ad hoc ou planifiée à l’avance pour communiquer efficacement avec les stations de base.
• Multimédia : Les WSN peuvent suivre et surveiller des événements multimédias tels que la vidéo, l’imagerie et l’audio. Ils disposent de nœuds de capteurs abordables équipés de caméras et de microphones qui se connectent sans fil, récupèrent, compressent et mettent en corrélation les données.
• Mobile : Les WSN mobiles sont constitués de nœuds de capteurs qui peuvent se déplacer et communiquer tout en effectuant des fonctions de détection. Les réseaux de capteurs sans fil mobiles offrent une plus grande flexibilité, une couverture plus large, une meilleure capacité de transmission et permettent d’économiser de l’énergie par rapport aux réseaux de capteurs stationnaires.

Le déploiement du type de WSN est basé sur l’application et les exigences du terrain.

Différentes structures de WSN

Il existe quatre types de structures de réseau, mais leur mise en œuvre a une incidence sur la latence, la capacité et la robustesse, car l’acheminement et le traitement des données changent en fonction de la structure du réseau. Il convient donc d’évaluer les besoins et la nature de l’application avant de déployer la structure du WSN.

Les nœuds peuvent également être reliés à l’internet et transférer les données vers la plateforme en nuage pour une analyse plus approfondie.

• Structure point à point ou bus : Les capteurs de ce réseau peuvent communiquer directement entre eux sans passer par un centre. Cette structure est largement utilisée et permet une communication sécurisée.
• Structure en étoile : Le réseau en étoile utilise une station de base comme centre de communication avec tous les capteurs. Il est simple à mettre en œuvre et nécessite peu d’énergie. L’un des inconvénients de cette structure est qu’elle dépend d’une seule station de base pour la communication.
• Structure arborescente ou hybride : Elle comprend les structures point à point et en étoile. Dans cette structure, les capteurs sont disposés dans une configuration arborescente et la transmission des données s’effectue entre eux par l’intermédiaire de branches. Elle consomme moins d’énergie que les autres structures.
• Structure maillée : Dans cette structure, la transmission des données s’effectue entre les capteurs à l’intérieur de leur portée de transmission pour une communication multi-sauts sans qu’il soit nécessaire d’avoir une station de base centrale. Les capteurs peuvent utiliser des capteurs intermédiaires pour transmettre des données aux capteurs situés en dehors de leur zone de couverture radio. Il est donc connu pour son évolutivité et sa redondance. Il est considéré comme le plus fiable car il n’y a pas de point singulier de défaillance, mais il nécessite plus d’énergie.

Applications des WSN

Les WSN sont largement utilisés dans de nombreux secteurs où des mesures, un suivi ou une surveillance sont nécessaires. Ils se répandent dans une zone, mesurant la température, le son et d’autres paramètres dans diverses applications.

• Ils sont employés pour surveiller des régions en déployant des capteurs pour détecter les tentatives d’intrusion, et sont donc largement utilisés dans l’armée pour détecter les invasions hostiles.
• Ils sont populaires dans les applications civiles telles que l’exploitation minière, les soins de santé, la surveillance, l’agriculture et d’autres conditions de surveillance.
• Les nœuds de capteurs sans fil détectent les véhicules en stationnement à l’aide de magnétomètres, tandis que les micro-radars et les magnétomètres peuvent être utilisés pour le suivi.
• Les réseaux de capteurs sans fil sont très populaires dans le domaine de la surveillance et de la détection de l’environnement et de la terre, comme la prévention des catastrophes naturelles, la détection des glissements de terrain, la surveillance de la qualité de l’eau, la détection des incendies de forêt et la surveillance de l’habitat. Ils sont également très appréciés dans les solutions de surveillance industrielle telles que la santé des machines, les eaux usées, la santé des structures, etc.

Avantages et inconvénients des réseaux de capteurs sans fil

Dans cette section, nous allons examiner les avantages et les inconvénients des réseaux de capteurs sans fil :

Avantages

• Les réseaux de capteurs sans fil sont préférés aux systèmes de surveillance câblés en raison de leur commodité, de leur fiabilité, de leur prix abordable et de leur facilité de déploiement.
• Les WSN éliminent le besoin de câbles ou de fils.
• L’efficacité des WSN est due à de nombreux facteurs : précision de la détection, portée de la couverture, tolérance aux pannes, connectivité, faible implication humaine, fonctionnalité dans des conditions difficiles et programmation dynamique des capteurs.
• Permet une surveillance centralisée de tous les nœuds du WSN.
• S’adapte sans problème aux partitions physiques.
• Protocoles de routage pour communiquer dans un environnement aux performances et à la bande passante limitées, créant des réseaux ad hoc auto-organisés qui utilisent la communication multi-sauts.
• Il utilise des algorithmes de sécurité basés sur la technologie sans fil pour créer un réseau fiable pour les utilisateurs.
• Il permet d’intégrer facilement de nouveaux nœuds ou dispositifs pour assurer l’évolutivité du réseau.

Inconvénients

• Les WSN sont confrontés à des défis tels qu’une bande passante limitée, une consommation d’énergie élevée, des coûts de nœuds élevés, des modèles de déploiement et des contraintes de conception matérielle/logicielle.
• Les réseaux de capteurs sans fil sont susceptibles d’être piratés.
• Les réseaux de capteurs sans fil sont conçus pour des applications à faible vitesse et ne conviennent pas pour des communications à grande vitesse.
• La construction de réseaux WSN est coûteuse.
• L’ensemble du réseau peut s’arrêter dans les WSN basés sur une topologie en étoile si le nœud central tombe en panne.

Ressources pédagogiques

#1. Construire des réseaux de capteurs sans fil à l’aide d’Arduino

Un livre sur la construction d’un réseau sans fil à faible consommation d’énergie avec Arduino et des équipements XBee. Il comprend des explications sur le développement de projets complexes à l’aide d’exemples illustratifs. Le livre fournit des images et des captures d’écran détaillées et explique un projet de domotique qui peut être suivi tel quel ou personnalisé.

Vous apprendrez à connecter sans fil des cartes Arduino à l’aide de modules XBee et à contrôler l’environnement en fonction des informations fournies par les capteurs du réseau. Utilisez le logiciel XCTU sous Windows, OS X ou Linux pour collecter des données de capteurs et les stocker dans une plateforme en nuage ou une base de données personnelle. Interagissez également avec les dispositifs domotiques ZigBee.

Ce livre peut être utilisé par les développeurs de systèmes embarqués et les enthousiastes qui comprennent Arduino pour développer leurs projets en utilisant la technologie sans fil.

#2. Construire des réseaux de capteurs sans fil : avec ZigBee, XBee, Arduino et Processing

Ce livre met l’accent sur la construction d’un réseau ZigBee à l’aide de radios XBee et d’Arduino coûtant moins de 100 $. Créez des systèmes de détection et d’actionnement réglables et apprenez les subtilités de XBee telles que la gestion de l’alimentation et le routage des sources. Développez des passerelles pour l’interconnexion avec les réseaux adjacents, y compris l’Internet.

Ce livre aidera divers individus à acquérir des connaissances et des compétences pour poursuivre leurs projets en suivant les exemples de chaque chapitre, y compris les inventeurs, les hackers, les artisans, les étudiants, les amateurs et les scientifiques.

Il s’agit d’une excellente ressource pour créer des gadgets interactifs intelligents, et des systèmes de capteurs sont disponibles en utilisant le protocole de réseau sans fil ZigBee et les radios XBee de série 2.

#3. Réseaux industriels de capteurs sans fil (IWSN) : Protocoles et applications

Cette publication présente les nouveaux résultats de la recherche sur les réseaux de capteurs industriels sans fil. Les articles inclus dans ce numéro spécial contribuent à faire avancer la recherche sur les IWSN et devraient inspirer d’autres recherches et déploiements.

Les IWSN sont essentiels en raison de l’utilisation croissante des réseaux de capteurs sans fil dans la vie quotidienne et dans l’industrie, qui ont des normes élevées de robustesse, de fiabilité et d’actualité dans chaque couche du réseau.

#4. Construire des réseaux de capteurs sans fil avec l’ESP32 LoRa

Ce guide permet de mettre en place un réseau de capteurs sans fil (WSN) de base avec l’ESP32 sur le réseau LoRa.

Il couvre différents sujets tels que la préparation de l’environnement de développement, la configuration de l’ESP32 LoRa, l’envoi et la réception de données, la gestion des interruptions du récepteur LoRa, la diffusion de messages sur le réseau LoRa et la création d’une application WSN avec l’ESP32 LoRa.

Mot de la fin

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) sont devenus essentiels pour diverses applications de surveillance et de suivi. Les réseaux de capteurs sans fil sont passés d’une surveillance de base à une détection, un traitement et une analyse avancés.

La technologie des réseaux de capteurs sans fil s’est considérablement transformée pour permettre de recueillir des connaissances précieuses et de fournir les résultats souhaités.

Découvrez ensuite le fonctionnement du modèle d’architecture du protocole TCP/IP.