P14AB05 Étude de la qualité des liens dans un réseau de capteurs sans fil en extérieur

Projet GE2 P14AB05-Etude de la qualité des liens dans un réseau de capteurs sans fil
Entreprise / Client : Limos / Nancy El Rachkidy
Auteurs : Sophia Noufsi & Xu Yuan
Responsable Projet : Nancy El Rachkidy
Tuteur industriel : M. CHAZELLE

1. Résumé
2. Abstract
3. Introduction
4. Présentation du Sujet

1. Présentation du Laboratoire
2. Présentation du contexte du projet
3. RSSI
4. Choix de Telosb
5. Le mote de Telosb

5. Cahier des Charges
6. Developpement

1. Problématiques
2. Faisabilité
3. Etude Théorique
4. Solutions

7. Gestion de Projet

1. W.B.S.
2. Gantt

8. Notes d'application

1. sujet 1
2. sujet 2

9. Bilan

1. Etat d'avancement

1. Les courbes obtenues
2. Distance limite
3. Taux de pertes

2. Analyse Critique
3. Perspectives

10. Bibliographie


Résumé

Le projet réalisé cette année consiste à faire une étude sur deux cartes ou capteurs « Telosb » afin d’optimiser la qualité des liens entre ces capteurs en effectuant des mesures en faisant varier la distance.
Les cartes « Telosb » sont destinées à surveiller l’environnement hostile pour observer, analyser et anticiper sur les phénomènes naturels.
Ce projet est proposé par le laboratoire LIMOS Laboratoire Informatique, Modélisation et Optimisation des Systèmes situé à Clermont-Ferrand.
Pour notre cas la partie technique du projet a été réalisée, mais aussi la gestion du projet qui nous a aidées à bien définir les principales tâches, de suivre une logique et une méthodologie pendant la réalisation du projet.
Dans ce qui suit, le contexte de notre projet, le cahier des charges fournis par le client, l’ensemble des fonctions mises en places, les différentes contraintes, l’évolution du projet ainsi que les résultats obtenus, vont être présentés.


Abstract

The project achieved this year was to make a study on two cards or sensors called "Telosb" to optimize the quality of the links between these sensors making measurements by varying the distance.
The "Telosb" cards are designed to monitor the hostile environment to observe, analyze and predict natural phenomena.
This project is proposed by the LIMOS Computer Laboratory, Systems Modeling and Optimization located in Clermont -Ferrand.
In our case the technical part of the project was almost completed. The project management has also been made, which was very helpfull for us to define the main tasks, to follow a logic and a methodology to complete the project.
In what follows, the context of our project, the specifications provided by the customer, all the functions we have put in place, different constraints, the development of the project and the results obtained will be presented.


Introduction

Depuis quelques années, le besoin d'observer, d’analyser et de contrôler des phénomènes physiques sur des zones étendues est essentiel pour de nombreuses applications environnementales et scientifiques. Cette nouvelle manière d’envisager la métrologie, en détectant un phénomène à différents points disséminés sur un système ou un site, fait émerger de nouvelles problématiques technologiques.
C’est dans ce cadre que notre projet s’inscrit, la surveillance et l’analyse de l’environnement, par des moyens technologiques avancés dit : Réseaux de capteurs sans fils, ce projet est proposé par LIMOS laboratoire Informatique, Modélisation et optimisation des systèmes à Clermont-Ferrand.
Notre objectif est d’optimiser la qualité des liens ou la puissance de réception des capteurs en fonction de l’environnement et la distance entre les capteurs, pour que ces derniers puissent surveiller et analyser le plus rapidement et qualitativement possible l’environnement.
Dans un premier temps une gestion de projet a été établie, afin de nous guider, elle nous a permis de prendre l’élan par rapport au projet et nous a aidé à avoir un sens critique vis-à-vis du projet.


Présentation du Sujet

4.1 Présentation du Laboratoire

 Laboratoire Informatique, Modélisation et Optimisation des Systèmes
 créé en 1995.
 Rassemble 23 enseignants chercheurs.
 Réparti sur 3 établissements (UBP : porteur, IFMA et UdA? : secondaires).

L’objectif principal du Laboratoire :
Acquérir un rayonnement au plan national et international ;
Les principaux partenaires industriels :

 France Telecom,
 EDF,
 MICHELIN et PSA,
 CHU de CLERMONT-FERRAND,
 RENAULT TRUCKS

Les trois axes de recherche du laboratoire :

 Axe MAAD : Modèles et Algorithmes de l’Aide à la Décision
 Axe SIC : Systèmes d’Information et de Communication
 Axe SP : Systèmes de Production

Le projet est proposé plus particulièrement par le deuxième axe de recherche : SIC Système d’Information et de Communication qui rassemble plus de 22 membres permanents (5 PR, 15 MCF, 1 CR, 1 chaire d’excellence régionale), 4 associés, 19 doctorants dont 9 en co-encadrement extérieur ou en cotutelle.

Les principales thématiques traitées par cet axe sont Données, Services, Interopérabilité et les réseaux de capteurs, il a un rayonnement assez important sur le plan international, il a de nombreuses collaborations notamment avec des laboratoires et des universités : en Chine, Tunisie, Australie, Canada, Pays-Bas, Cameroun, Madagascar, Corée du sud, Japon et le Liban.

4.2 Présentation du contexte du projet

Les réseaux de capteurs sont des systèmes qui regroupent plusieurs capteurs sans fils, qui peuvent couvrir une zone cible.
Ces capteurs peuvent interagir entre eux et avec un système extérieur comme internet par le biais des liaisons sans fils ou filaires, chaque capteur est capable de transmettre indépendamment des informations à une station de base qui retransmet ces informations à son tour à l’utilisateur final pour le traitement.
La figure suivante illustre le fonctionnement de ces réseaux de capteurs :

Les réseaux de capteurs sans fil envahissent progressivement notre quotidien nous proposant de nouveaux services chaque jour. On les trouve dans des applications qui nous touchent de plus en plus. Tout d'abord utilisés dans la surveillance de l'environnement et des animaux, ils ont ensuite apporté leur support dans les activités de secourisme. Maintenant, ils font leur apparition dans des applications encore plus proches de nous pour améliorer notre confort.
Le projet est focalisé plus concrètement sur la sécurité environnementale (volcan, séisme, chemins de randonnée, etc…), donc quand il y a un changement dans l’environnement les capteurs bougent et détectent ce changement, et renvoient les informations à une station de base qui renvoie à son tour ces informations à l’utilisateur final pour les traiter et anticiper si base qui renvoie à son tour ces informations à l’utilisateur final pour les traiter et anticiper si nécessaire, et esquiver les dégâts suite à des phénomènes naturels.

Et durant ces trois mois de projet, nous nous sommes plutôt intéressés à faire des études pour optimiser la qualité des liens entre deux capteurs, en s’appuyant sur des critères bien précis pour voir comment l’intensité du signal change en fonction de ces critères.
Un capteur sera conçu en émetteur et l’autre en récepteur.
Les critères qu’on a choisi de mettre en place sont la distance et l’environnement.
L’objectif principal de notre projet est donc de savoir comment cette intensité du signal change en faisant varier la distance, mais aussi d’un environnement à un autre.

4.3 RSSI

Avant toute chose, une explication du concept de la puissance de réception est nécessaire afin d’éviter toute ambiguïté.
Puissance de réception connue sous l’acronyme RSSI qui veut dire en anglais (Received Signal Strength Indication), qui dans le domaine de télécommunications, représente un indicateur de l’intensité du signal classiquement un signal radio. Le RSSI est représenté en « Dbm ».

4.4 Choix de Telosb

Avant de commencer cette étude nous étions amenés à choisir un mote parmi les trois motes les plus populaires en se basant sur leurs caractéristiques.
Le tableau suivant montre les caractéristiques sur lesquelles nous nous sommes basées pour choisir le mote.

Le mote choisi est Telosb, puisqu’il a un temps de réveil (6 us) moindre par rapport à Micaz et Mica2?, il a également un débit de 250 kpbs qui est égal à celui de Micaz, et supérieur à celui de Mica2?, donc Telosb est plus rapide que les deux autres cartes.
D’autant plus que le Telosb consomme le moins d’énergie parmi les trois motes, il a aussi une mémoire de stockage plus importante. Un autre avantage c’est que Telosb possède un port USB que les deux autres carte ne l’ont pas, ce qui rend vraiment plus pratique et plus facile de flasher les programmes, et pour le transfert des données. Il est aussi moins cher comparativement aux deux autres cartes.

4.5 Le mote de Telosb

Telosb est composé d’une antenne et d’un système de communication radio afin de pourvoir et émettre et recevoir des données des signaux sans fils, plus précisément par le protocole Zigbee s’appuie alors sur le protocole 802.15.4 défini par IEEE, qui est destiné aux réseaux sans fil. Cette norme a été développée pour des applications industrielles à bas coût, une longue autonomie, un faible débit et à moyenne portée.

Cahier des Charges

Le cahier des charges est fourni par notre cliente, nous avons trois fonctions principales, également quarte contraintes.
Nous avons donc découpé notre projet en 3parties :

 Tout d’abord, nous avons établi une communication entre les deux motes, cette communication est faite en programmant les deux cartes de façon à ce que l’une des cartes soit émettrice capable d’envoyer un paquet par seconde, l’autre est réceptrice qui reçoit les paquets émis.

 Notre deuxième fonction consiste à construire une base de données des mesures, pour cela, dans un premier temps, nous devions effectuer les mesures : nous avons fait trois scénarios, le premier était dans le couloir de Polytech, le deuxième était à l’extérieur de Polytech, le troisième était à Polytech pendant la nuit. Pour chaque scénario, nous avons fait les mesures des distances de 1 mètre jusqu’à 11 mètres, chaque 15 minutes, on augmente la distance. Nous avion créé un programme permettant au récepteur d’écrire les données reçues dans sa mémoire pour les transférer vers le Pc via USB afin que l’on puisse faire des analyses.

 La troisième fonction est d’analyser des mesures effectuées, nous avions récupéré les valeurs RSSI obtenues par le récepteur, s’il y une variation de plus ou moins de 10 pour la valeur de RSSI, on détecte un changement d’un environnement. Et pour finie, nous devions faire une application des algorithmes d’apprentissage qui permet de détecter des éventuels déplacements des nœuds

Les tableaux suivants résument les différentes fonctions mises en place pour la réalisation du projet.

La première fonction principale :

Cette première fonction a deux sous fonctions F1.1 l’émission des données et F1.2 la réception des données. Elle permet à l’émetteur d’envoyer un paquet par second au récepteur, et le récepteur peut le recevoir.

La deuxième fonction principale :

Le schéma synoptique de la deuxième fonction principale :

L’émetteur envoie des paquets, et le récepteur les reçoit, puis on les transfert vers le Pc, on crée une base de données sous Excel.

La troisième fonction principale :

Nous analysons les mesures en se basant sur les valeur RSSI obtenues par le récepteur, lors d’une variation de +/- 10, on détecte un changement dans l’environnement.
Ensuite on fait une application des algorithmes d’apprentissage afin de détecter des déplacements éventuels des nœuds, nous avons trouvé la moyenne glissante comme méthode, mais, on n’a pas eu assez de temps pour réaliser cette fonction.

Les quarte contraintes générales que l’on a :

 Mémoire des capteurs : 1024kB
 Autonomie des capteurs: 55h
 Emplacement des capteurs
 Fragilité des capteurs

Comme la mote Telosb a une mémoire de stockage de 1024 KB, donc si l’on dépasse cette taille, on écrase les premières données stockées. Deuxièmement, la durée de la batterie est 55h, donc chaque 55h, il faut charger les batteries. Lorsqu’on effectue les mesures, il ne faut pas mettre les 2 cartes par terre, sinon le récepteur ne reçoit rien. Par ailleurs, Telosb sont des cartes fragiles, donc il faut faire attention pendant les essais.


Developpement


Problématiques

Problématiques soulevées durant la gestion de projet, sont comme suit :

 A partir de quelle distance on commence à détecter le changement de puissance de réception?
 A partir de quelle distance on ne détecte plus le changement de réception?
 Dans quel environnement la communication est considérée comme « idéale »?


Faisabilité


Etude Théorique


Solutions


Gestion de Projet


W.B.S.


Gantt


Notes d'application
sujet 1

sujet 2


Bilan


Etat d'avancement

Présentation des résultats obtenus :

9.1.1 Les courbes obtenues

Cette courbe montre le résultat obtenu du scénario que l’on a effectué en extérieure de Polytech, de 9h à 10h30. Nous avons remarqué que lorsqu’on augmente la distance entre l’émetteur et le récepteur, la valeur RSSI diminue, de plus, lors qu’il y a des obstacles, RSSI a une variation de 10.

Cette courbe montre le résultat obtenu du scénario que l’on a effectué en intérieur de Polytech, de 9h35 à 11h05.

9.1.2 Distance limite

 Indoor : A partir de 50m on ne reçoit plus
 Outdoor : A partir de 125m on ne reçoit plus

9.1.3 Taux de pertes

Pour trouver la zone maximale de la détection, on divise le nombre de paquets reçus par le récepteur par le nombre de paquets émis par l’émetteur, nous avons eu les résultats suivants

 Indoor : 20%
 Outdoor : 36 %

Comme en extérieur, il y a plus d’obstacles, donc il y a plus de paquets perdus.


Analyse Critique


Perspectives


Bibliographie

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