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MEMOIRE DE FIN DETUDES ESIEA

Mise en oeuvre dun rseau de capteurs sans fil et dveloppement dapplications Wireless Sensor Networks deploiement and applications developpement

Universit dEvry Val DEssonne Laboratoire des Rseaux et Systmes Multimdia Prsident de jury : Matre de stage : Nazim Agoulmine Tuteur pdagogique : Luc Epaulard Grgory FayeRapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 1

RsumMon stage de fin dtude sest droul au LRMS (Laboratoire des Rseaux et Systmes Multimdia), un laboratoire de recherche de luniversit dEvry Val DEssonne. Il se spcialise principalement dans les rseaux sans fil en tudiant par exemple les rseaux 4G, la continuit des rseaux ou les rseaux spontans. Le travail que lon mavait confi tait de mettre en place un rseau de capteurs sans fil utilisant une technologie de transmission de type Ad Hoc et de crer des nouveaux services. Les capteurs sont composs : dun terminal sans fil capable de recevoir et de transmettre une information via un protocole de routage Ad Hoc au sein du rseau. dune carte de senseurs qui relve des grandeurs physiques. Jai pu travailler sur des cartes qui prlvent par exemple la temprature ou la luminosit Les capteurs ainsi dissmins dans un environnement sont relis un ordinateur par une passerelle qui relie lutilisateur au rseau de capteurs. Jai commenc mon travail par rechercher les meilleurs logiciels et plates formes de dveloppement pour simuler mon rseau de capteurs, puis pour pouvoir programmer et contrler les capteurs dans un environnement rel. Jai ainsi pu dcouvrir le systme dexploitation TinyOS spcialement conu pour les rseaux de capteurs. TinyOS a t crit en NesC, un langage bas sur les composants qui est aussi utilis pour programmer les capteurs. Sa petite taille en fait un exemple de rapidit et dconomie dnergie. Ma plate forme de travail tait alors compose de quelques capteurs pouvant relever la temprature et la luminosit, relis entre eux par une liaison sans fil de norme Zygbee. Les informations collects taient traduites sur lordinateur par des interfaces graphiques qui nous donnaient en temps rel ltat du capteur et ses donnes. Ce stage avait pour vocation de mieux connatre les rseaux de capteurs et faire fonctionner des nouvelles applications pour que le LRSM dveloppe une plate forme de service OSGi (Open Services Gateway initiative). Celle-ci devra contrler un rseau de capteurs par Internet et proposer des solutions pour administrer entirement toutes les fonctions des capteurs. La demande en rseau de capteurs va devenir trs forte dans les prochaines annes, tellement les applications sont diverses et utiles. La domotique est le secteur principal, avec des capteurs sensibles la luminosit, la temprature ou les mouvements, il sera possible de contrler parfaitement sa maison simplement partir dun terminal (tlphone, tlcommande, ordinateur). Jai pu dcouvrir pendant mon stage la recherche en rencontrant beaucoup de doctorants en tlcommunication sans fil et des enseignants chercheurs. La recherche est devenue internationale et le laboratoire nhsite pas organiser des meetings et confrences avec des universits trangres. Jai pu particip des changes dides et tablir une correspondance avec des chercheurs Canadien qui ont travaill sur les rseaux de capteurs. Ce stage ma vraiment passionn par la puissance de ces petits capteurs, capable de grer un rseau complexe de faon autonome, et par les normes possibilits dapplications qui peuvent changer compltement notre mode de vie.

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ResumeMy training course took place in the. LRSM (Laboratoire des Rseaux et Systmes Multimdia) at the university of Evry Val DEssonne. The laboratory is specialised in 4G network, services continuity and spontaneous network. The work which I had entrusted was to set up a wireless sensor network using an Ad Hoc transmission technology and to create new services. The motes are composed by a wireless terminal which can receive and transmit information using Ad Hoc routing protocol within the network. A sensor card which checks physical events. I worked on cards which check for example temperature or luminosity. The sensors are spreaded in an physical area and are connected with a computer by a gateway which connects the user with the sensor network. I began my work by looking for the best software and development tools to simulate my sensor network, then to be able to program and control the sensors. So I discovered the operating system TinyOS specially conceived for sensor networks. TinyOS was written in NesC, a components based language which is also used to program the sensors. Its small size made an example of speed and energy saving. My work space was composed of sensors which can check the temperature and the luminosity, interconnected by a Zygbee wireless connection. Information collected was translated on the computer by graphic interfaces which gave us the state of the sensor and its data in real time. This training course had for vocation to know better sensor networks and create new applications, so that the LRSM could develop a service platform OSGi (Open Services Gateway initiative). This one will have to control a sensor network by Internet and propose solutions to administer all the functions of the sensors. The demand in sensor networks will highly increase in the next years, so that the applications are diverse and useful. The home automation is the main sector, with sensors sensitive to luminosity, temperature or movements, it will be possible to perfectly control its house with just a terminal (telephone, remote control, computer ...). I discovered during my training course the research by meeting many PhD students in wireless telecommunication and teachers researchers. The research became international and the laboratory does not hesitate to organize meetings and conferences with foreign universities. I was able to participated in ideas exchanges and to establish a correspondence with Canadian researchers who worked on sensor networks. This training course really fascinated me by the power of these small sensors, capable of selfmanaging a network, and by the enormous possibilities of applications which can change completely our way of life.

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RemerciementsJe remercie lUniversit dEvry Val dEssonne et plus particulirement les enseignantschercheurs Mr Nazim Agoulmine et Mr Yacine Ghamri pour leur soutien et leur confiance au projet. Je remercie lESIEA pour sa formation au mtier dingnieur ainsi que mon parrain de stage Mr Luc Epaulard pour ses prcieux conseils et sa disponibilit. Enfin je remercie tout le LRSM et les doctorants pour leur accueil et leur gentillesse et je salue les chercheurs que jai rencontrs au cours de mon stage.

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Rsum Resume 1. Introduction .......................................................................................................................... 6 1.1. LRSM : Laboratoire des Rseaux et Systmes Multimdia........................................... 6 1.2. Prsentation du projet de stage....................................................................................... 9 2. Etat de lart ......................................................................................................................... 11 2.1. Les rseaux de capteurs................................................................................................ 11 2.1.1. Senseurs................................................................................................................ 11 2.1.2. Rseau Ad Hoc..................................................................................................... 12 2.1.3. La norme Zigbee .................................................................................................. 14 2.1.4. Passerelle .............................................................................................................. 15 2.2. OSGi : Open Source Gateway initiative ...................................................................... 17 2.2.1. Prsentation .......................................................................................................... 17 2.2.2. Intgration au projet ............................................................................................. 20 2.3. Les diffrentes applications.......................................................................................... 21 2.4. Etat actuel de la commercialisation.............................................................................. 25 3. Etudes techniques ............................................................................................................... 27 3.1. Architecture des capteurs ............................................................................................. 28 3.2. Simulation dun rseau de capteurs.............................................................................. 31 3.3. Mise en uvre des logiciels de base ............................................................................ 33 3.3.1. Systme dexploitation TinyOS des capteurs....................................................... 33 3.3.2. Autres ................................................................................................................... 34 3.4. Logiciel de commande ................................................................................................. 38 3.4.1. Commande ........................................................................................................... 38 3.4.2. Langage de programmation NesC........................................................................ 42 3.4.3. Excution dun programme dapplication en plate-forme ................................... 44 4. Dimensions humaines et managriales .............................................................................. 47 4.1. Organisation du projet .................................................................................................. 47 4.2. Changement de mthode .............................................................................................. 49 4.3. La recherche fondamentale .......................................................................................... 49 4.4. Une collaboration mondiale ......................................................................................... 51 4.4.1. Pratique de langlais ............................................................................................. 51 4.4.2. Entraide des chercheurs........................................................................................ 51 4.4.3. Etude de march ................................................................................................... 51 5. Conclusion.......................................................................................................................... 53 Annexes Lexique

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1. Introduction1.1. LRSM : Laboratoire des Rseaux et Systmes Multimdia

Le Laboratoire Rseau et Systmes Multimdia (LRSM) est une quipe de recherche rattache l'Universit d'Evry Val d'Essonne (UEVE), qui regroupe des enseignantschercheurs de lUEVE et de lEcole Nationale Suprieure d'Informatique pour l'Industrie et l'Entreprise. Le travail du laboratoire s'articule autour des rseaux, en particulier les rseaux sans fil, au travers de 4 axes de recherche : le contrle autonome des rseaux et services mergents la qualit de service de bout en bout dans des environnements rseaux htrognes les rseaux spontans (Ad Hoc, P2P) les rseaux 4G et continuit de service

Contrle autonome des rseaux et services mergents Le dveloppement actuel de nouvelles applications multimdia, VoIP, P2P, jeux en rseau, etc. impose des contraintes de plus en plus fortes sur les protocoles de communications et les infrastructures rseau sous jacentes. Cette situation est amplifie par lmergence des technologies sans fil et Ad Hoc. La matrise des rseaux et des services ne peut alors plus se faire de manire classique et le contrle efficace des infrastructures rseaux actuels devient un challenge pour tous les oprateurs dans un contexte de forte concurrence. On commence ds lors rflchir de nouvelles approches de gestion et de contrle des rseaux qui soient diffrentes du modle classique client-serveur. Ladministrateur du rseau ne doit plus tre au centre de contrle et le rseau doit tre capable de se prendre en charge sans tre tout le temps pilot par ladministrateur.

Qualit de service de bout en bout dans des environnements rseaux htrognes Paralllement au dveloppement des technologies sans fil nous assistons, depuis quelques annes, une mergence constante de nouvelles applications multimdia et de leurs utilisations. Ces applications multimdia imposent au rseau un certain nombre de contraintes pour quelles puissent fonctionner correctement. En effet, en plus des besoins en terme de Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 6

dbit, ces contraintes sexpriment en terme de dlai, de gigue et de taux de pertes de bout en bout. Le dveloppement de mcanismes permettant doffrir une garantie ces contraintes, dans un rseau de communication en gnral et dans un environnement sans fil en particulier, est donc devenu un objectif crucial pour permettre le support de ces nouvelles applications.

Les rseaux spontans (Ad hoc, P2P) La dernire dcennie, a connu lexplosion des rseaux pair--pair (Peer-to-Peer : P2P). Le trafic P2P occupe aujourdhui la part la plus grande du trafic Internet (70%). Initialement utilise pour le partage et lchange de fichiers, la technologie P2P est aujourdhui adopte, de manire gnralise, dans diffrents domaines de linformatique comme le calcul scientifique, le stockage de donnes et de plus en plus dans la transmission des flux multimdia continus (streaming): TV, Vido la demande, etc. Lutilisation de lapproche P2P a permis une dcentralisation des rseaux en permettant chaque pair (poste\ordinateur) de jouer le rle de client et de serveur. Lapproche P2P apporte plusieurs avantages, par rapport lapproche client\serveur, qui ont fait son succs savoir: la rpartition des mcanismes de recherche dinformation dans le rseau et dutilisation des ressources en distribuant la charge sur plusieurs postes de manire optimale. Par ailleurs, avec le dveloppement des terminaux mobiles tels que les tlphones, les assistants personnels (PDA), il est devenu possible de les considrer comme des ordinateurs part entire avec nanmoins quelques limitations en termes dnergie, de puissance du processeur et de qualit des signaux, etc. Ces quipements sont aujourdhui quips dune, voire mme plusieurs, interface(s) de communication telles que: 802.11 (WLAN), 802.15 (Bluetooth) et trs prochainement 802.16 (WiMax). Grce ces interfaces, les quipements communiquent avec des points daccs fixes ou\et directement entre eux en mode Ad Hoc amnageant, ainsi, des rseaux Ad Hoc mobiles.

Les rseaux 4G et continuit de service Le dveloppement important des technologies de communication sans fil courte et longue porte sont en train de permettre l'mergence de nouvelles applications et services innovants. Dans un futur proche les systmes de communication sans fil seront caractriss par des solutions qui permettront aux utilisateurs mobiles d'accder des services par l'intermdiaire de diffrents types de rseaux sans fil (WiFi, WiMAX) et cellulaires (GSM, GPRS, UMTS, HSxPA, 3G LTE ). Le mouvement de convergence de diffrentes technologies existantes pour fournir une connectivit omniprsente et transparente aux utilisateurs mobiles va samplifier Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 7

dans les annes venir. Cette nouvelle gnration de rseaux qui est capable de fonctionner sur diffrentes technologies de communication sous-jacentes et qui offre de nouveaux services aux utilisateurs tout en leur cachant la complexit de ces passages va constituer ce qu'on appelle la 4me gnration de rseaux mobiles. Mon stage se droule donc dans les locaux du LRSM, situs au sein de lENSIIE. Lquipe comprend environ 10 15 personnes rgulirement prsentes, dont quelques stagiaires issus dautres coles dingnieurs et des doctorants. Nazim Agoulmine et Yacine Ghamri Doudane sont eux professeurs (respectivement lUniversit dEvry et lENSIIE) et membres permanents du LRSM ; ils supervisent notre travail en guidant et validant nos choix.

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1.2.

Prsentation du projet de stage

Lobjectif de mon travail de stage consiste crer puis exprimenter des rseaux autonomes de capteurs. La mise en place de cette nouvelle technologie ncessite dexplorer les diffrents moyens permettant de simuler et de tester ces rseaux.

Les capteurs sont des petits terminaux capables deffectuer diffrentes mesures physiques puis dmettre ou de relayer les informations par une liaison sans fil. Leur taille est trs petite et ils doivent imprativement tre autonomes nergiquement, une place trs importante est alors consacre lconomie dnergie afin quils puissent fonctionner le plus longtemps possible. Ils sont pourvus de senseurs de plusieurs types, ils peuvent analyser avec prcision leur environnement proche en mesurant par exemple la temprature, lhumidit ou en retransmettant lambiance sonore grce leur microphone. Les donnes rcoltes sont traites et retransmises un autre capteur par des ondes radio sur une distance de quelques mtres. Linformation est achemine de capteur en capteur jusqu' une passerelle qui est connecte un ordinateur lui mme reli Internet. Les possibilits sont extrmement varies, les capteurs tant quips de plusieurs senseurs, cest lutilisateur de choisir quelles sont les donnes quil souhaite recevoir.

Pour tre fonctionnels ces rseaux utilisent un grand nombre de capteurs, en effet ils ne doivent pas tre trop loigns les uns des autres car leur zone de couverture est limite pour conserver lnergie. Un capteur est fixe, il analyse son environnement un point prcis, la qualit des informations sur une zone dpend alors de la quantit des capteurs.

Le rseau est parfaitement autonome, il ncessite ni quipement routeur externe ni administrateur, il na pas besoin non plus dune structure pralablement tablie. Lavantage majeur est que lutilisateur peut tendre son rseau ou le diminuer juste en rajoutant ou supprimant ses capteurs ( plug and play sans fil ). Le systme analyse la position des diffrents capteurs et utilise la technologie Ad Hoc pour envoyer ses mesures sur lordinateur principal. Les capteurs sont solidaires, dpendent les uns des autres et doivent tre suffisamment flexibles pour s'adapter toute modification de la structure du rseau.

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Les rseaux de capteurs prsentent de nombreux dfis scientifiques. Tout dabord trouver le meilleur compromis entre la taille des capteurs, la puissance dmission des ondes et enfin la dure de vie des batteries. Sur le plan informatique, la recherche se porte sur le routage, les protocoles de communication comme TCP/IP et les applications.

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2. Etat de lartLtat de lart concerne une prsentation des rseaux de capteurs dans laquelle on dtaille les senseurs, les rseaux (Ad Hoc et Zigbee) et la passerelle au chapitre 2.1, lOpen Source Gateway Initiative OSGi au chapitre 2.2, les diffrentes applications au chapitre 2.3 et finalement ltat actuel de la commercialisation au chapitre 2.4.

2.1.

Les rseaux de capteurs

2.1.1. SenseursOn trouve de nombreux types de senseurs sur le march. On trouve ci-aprs la configuration MTS310CA que jai utilise au cours de ce stage. Cette partie est purement matrielle.

MTS310CA est une carte senseur flexible ralisant diffrentes mesures physiques. Ces mesures comprennent entre autres la luminosit, la temprature et le son. Le MTS310CA est utilis avec les capteurs MICA et MICA2.

Ci-dessous on trouve la description de diffrents modles.

MTS310CA

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2.1.2. Rseau Ad HocLes rseaux de capteurs prcdemment dcrits sont destins tre utiliss dans des environnements sans fil, o la mise en place de nombreux points daccs nest pas possible. Le mode opratoire utilis est donc le mode Ad Hoc, les capteurs tant fixes. Le logiciel de routage est intgr aux capteurs.

On rappelle ci-aprs les deux modes opratoires du standard 802.11.

Le mode infrastructure dans lequel les terminaux sans fil sont connects un point d'accs (Access Point). Le mode Ad Hoc dans lequel les terminaux sans fil sont connects les uns aux autres sans aucun point d'accs. Lensemble pouvant galement tre connect un rseau dinfrastructure.

Un rseau Ad Hoc consiste en une large et dense population de terminaux dont le seul moyen de communication est l'utilisation des interfaces sans fil, sans l'aide d'une infrastructure prexistante ou dune gestion centralise.

MODE INFRASTRUCTURE

Les ordinateurs sont tous dans une zone de couverture WiFi. Sils sortent de cette zone, ils perdent la connexion.

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MODE AD HOC RETENU

Les ordinateurs peuvent jouer le rle de relais afin dtendre la couverture sans fil.

Suivant la nature du nature du rseau et de la capacit de maintenance on peut distinguer deux grandes familles de routage dans les rseaux Ad Hoc : les protocoles pro-actifs, qui tablissent les routes lavance grce des tables de routage. Ce protocole est particulirement utilis pour des rseaux trs denses avec beaucoup de terminaux. Ces derniers ont en permanence une vision globale du rseau quils changent entre eux et dterminent leur route grce des algorithmes de plus courts chemins. les protocoles ractifs, qui cherchent les routes la demande. Les terminaux ne connaissent pas lavance ltat du rseau, lorsquune procdure de routage est demande, le rseau va rechercher le meilleur chemin. Ce type de transmission est mieux adapt pour des terminaux mobiles et vite une mise jour permanente des tables.

Il existe aussi le routage par inondation, la source diffuse son message tous les voisins. Linformation inonde alors compltement le rseau jusqu' la destination. Cependant la diffusion du message sarrte uniquement lorsque tous les noeuds lont reu. Ce type de routage est trs demandeur en bande passante et nest pas adapt lautonomie des capteurs.

Pour obtenir les avantages des deux modes pro-actif et ractif, les capteurs peuvent utiliser des protocoles dit hybrides comme ZRP (Zone Routing Protocol). Dans lintrazone c'estRapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 13

-dire dans sa zone locale, le capteur utilise sa table de routage locale (pro-actif) pour avoir une ide de la direction du chemin. Puis dans linterzone, loigne du capteur, le protocole sera ractif.

Des nouveaux protocoles ont vu le jour avec larrive des capteurs sans fil, par exemple le SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation). Cette mthode vite les dfauts de la mthode par inondation. Il y a ngociation entre deux nuds avant de transmettre les donnes. Seulement linformation utile (non dj reue) sera envoye. Exemple : un capteur A veut changer des donnes avec un capteur B. A commence par lui envoyer un descripteur, un petit fichier dcrivant linformation. Dans le cas o B dsire recevoir les donnes il rpond par une demande de donnes. En cas de non rception, B redemande la transmission. Lchange est alors termine. Ce mode de fonctionnement vite les envois inutiles et prvient ainsi la perte de dbit et dnergie.

2.1.3. La norme ZigbeeLes rseaux de capteurs utilisent pour communiquer une technologie de transmission sans fil de norme IEEE 802.15.4. ZigBee offre un ensemble de services pour rseaux sans fil au dessus de lIEEE 802.15.4. ZigBee dfinit donc les couches 3 et suprieures. Lanc en 2004, cette nouvelle norme vient sajouter au WiFi et au bluetooth.

Cette technologie est dveloppe en particulier par la Zigbee Alliance, une organisation runissant plus de 1200 entreprises et dont les membres les plus importants sont Paul Allen (cofondateur de Microsoft) et Bob Metcalfe (inventeur de lEthernet).

Zibgbee est se caractrise par : Une faible consommation. Les produits qui lutilisent doivent pouvoir durer plusieurs annes sans recharge. Les ressources en mmoire quil exige sont trs faibles, environ dix fois moins que le bluetooth. Une faible porte de transmission. Le protocole Zigbee est prvu pour mettre entre 30 et 100 mtres. Une vitesse de transmission faible, elle est environ 4 fois plus lente que le protocole Bluetooth, mais est beaucoup plus fiable. Un faible cot de fabrication. 14

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De ce fait, ce protocole est trs bien adapt aux rseaux de capteurs Ad Hoc et sa principale application concerne la domotique pour tablir un rseau sans fil domestique (HAN Home Area Network). La domotique permettra de contrler tous les appareils mnagers, lclairage, la climatisation afin dobtenir une maison numrique capable de sautogrer.

Zigbee prsente de grandes diffrences par rapport aux protocoles WiFi ou WiMAX. Les spcificits qui le caractrise rendent pour linstant impossible une compatibilit avec dautres liaisons sans fil.

Tableau comparatif des normes Zigbee, Blutooth et WiFi

Protocole mmoire + IEEE Besoins Frquence Autonomie avec pile Vitesse de transfert Porte max

Zigbee 802.15.4 4-32 Kb 2,4 GHz Annes 250 Kb/s 100 m

Bluetooth 802.15.1 250 Kb 2,4GHz Jours 1 Mb/s 100 m

WiFi 802.11 a/b/g 1 Mb 2,4GHz Heures 11-54-100 Mb/s 300 m

2.1.4. PasserelleChaque passerelle est compose dun module central MIB600 (appel par la suite programmeur ) associ un capteur qui ralise la liaison radio avec le rseau. Le module central offre galement un accs vers lordinateur. Un programme spcifique TosBase est charg dans le capteur, celui-ci permet dutiliser le couple module central - capteur comme passerelle.

Le module central a un double rle : la fonction pralablement dcrite qui assure les transferts dinformations entre le rseau de capteurs et lordinateur Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 15

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la fonction de chargement des programmes dans les capteurs qui lui sont temporairement raccords, avant leur positionnement distant dans le rseau. Un chargement des capteurs via linterface radio sera par la suite possible.

Il existe plusieurs types de passerelle :

- La MIB510 possde une interface srie permettant de connecter le PC via le port COM. Elle peut programmer les MICA2, MICADOT (capteurs). - La MIB520 possde une interface srie USB. Il peut programmer les MICA. - La MIB600 possde une interface Ethernet permettant de connecter le PC via le port Ethernet. Celle-ci se comporte comme une carte rseau et possde donc une adresse MAC. Une adresse IP peut donc lui tre affecte. Il peut programmer les MICAz, et MICA2 (capteurs).

Au cours de mon stage jai utilis un module central de type MIB600 car cest le seul qui permet une communication par port Ethernet. Une fois branch sur un ordinateur, il agit comme un serveur, on doit lui fournir une adresse IP et il gnre des pages web permettant de le configurer.

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2.2.

OSGi : Open Source Gateway initiative

2.2.1. Prsentation

LOSGi Alliance a t fond en mars 1999 par une quinzaine de socits dinformatique. Leur intention originelle tait de dfinir une spcification ouverte pour dvelopper et dployer des tl-services sur des passerelles rsidentielles comme des dcodeurs de TV numrique. Trs vite, dautres socits se sont jointes au projet et le domaine dapplication dOSGi a considrablement explos touchant l'lectronique grand public, l'industrie, les moyens de transport, les tlcommunications mobiles, la domotique

Lalliance OSGi (Open Service Gateway Initiative) a tabli un standard permettant a diffrents composants logiciels dtre runis et de cooprer dans une mme plateforme. En fait le travail nest plus particulirement relatif une Gateway et cette premire comprhension doit tre oublie. Les caractristiques principales sont :

Middleware ouvert et universel : la plateforme OSGi est une plateforme dexcution dapplications Java (units de dploiement appeles bundles ) qui sexcutent ensemble dans une mme machine virtuelle Java (JVM). Il y a portabilit entre plateformes matrielles.

Partage : chaque bundle peut exporter ou importer des packages (atome de partage de code : ensemble de classes). Exportation veut dire rendre disponible aux autres bundles , importation veut dire que les packages sont exports par les autres bundles . Ce modle coopratif permet de ce fait davoir des applications OSGi plus petites.

Gestion : La plateforme OSGi offre une API pour la gestion du cycle de vie des applications, les bundles peuvent par exemple ainsi tre installs, arrts et dsinstalls sans demander le redmarrage de la JVM. Cette gestion est donc trs pratique.

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Scurit : Les composants peuvent tre protgs les uns des autres au sein de la plateforme, cette fonction est optionnelle

OSGi est une plateforme de services base sur le langage Java qui peut tre gre de manire distante. Elle permet de contrler la passerelle distance partir du web comme laccs aux donnes, la gestion des configurations, l'administration des permissions, la gestion des utilisateurs Les applications ralises en Java sont sous forme de bundles , un package de programmes (archive .jar) contenant le code binaire des classes, des ressources comme des fichiers de configuration ou des images, et des bibliothques. Voici le cycle de vie dun bundle :

Install (installed) : Etat du bundle juste aprs avoir t install Rsolu (resolved) : Etat du bundle aprs avoir t install, la rsolution des dpendances ayant juste t ralise Dmarrage (starting) : Etat du bundle lorsqu'il est en train d'tre dmarr. Cet tat correspond un tat transitoire entre les vnements Rsolu et Actif Actif (active) : Etat du bundle lorsqu'il a t dmarr avec succs. Le bundle ainsi que les services qu'il expose sont disponibles pour les autres bundles

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Arrt (stopping) : Etat dans du bundle lorsqu'il est en train d'tre arrt. Cet tat correspond un tat transitoire entre les vnements Actif et Rsolu Dsinstall (uninstalled) : Etat du bundle une fois qu'il a t dsinstall On trouve ci-aprs un premier schma montrant la mise en uvre du OSGi comprenant : la partie 1 constitue par le rseau de capteurs, la passerelle (gateway) et lordinateur (PC), la partie 2 constitue la plate-forme de service OSGi.

On accde la passerelle via un proxy. On accde au proxy via un API (Application Programming Interface). Il permet de dfinir la manire dont un composant informatique peut communiquer avec un autre. LAPI permet une interoprabilit facile entre les composants logiciels. Le deuxime schma donne le dtail de la partie 2. Le terminal de droite permet un accs distant au serveur WEB. Au niveau ralisation les diffrents modules logiciels peuvent tre spars ou regroups sur une mme machine.

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2.2.2. Intgration au projetOSGi na pas t intgr mon projet faute de temps. Jai nanmoins eu loccasion de mintresser et de rflchir cette technologie.

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2.3.

Les diffrentes applications

Au niveau de lenvironnement

Notre socit sintresse de plus en plus aux problmes de pollution qui touchent lenvironnement. Dans un contexte de dveloppement durable, il est important de possder les outils qui contribuent lanalyse de latmosphre et des eaux. Les rseaux de capteurs sont trs bien adapts la surveillance de la pollution dans une zone tablie.

Luniversit de Pennsylvanie (Etats-Unis) a ralis un rseau de capteurs destin analyser la qualit de leau pour les mers ou rivires. Des capteurs munis de senseurs spcifiques la surveillance de leau, combinant des mesures optiques et mesures physico-chimiques, sont placs dans des flotteurs et submersibles. On peut alors contrler les eaux en surface mais aussi en profondeur sans contrainte de mto ou de personnel. Grce cette nouvelle technologie on pourra bientt dtecter rapidement toute augmentation brutale de polluant, en ayant les coordonnes exactes de la source. Des tudes sont aussi ralises pour dtecter les signes avant coureur de tsunamis comme la temprature de lair et de leau, la houle...

Capteur

Le programme hydro-sensor-flow est consacr, lui, la surveillance du glacier de Loven Est en Artique. Il sintresse la circulation des eaux sur le glacier pour expliquer comment il recule chaque anne. Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 21

Un dense rseau de capteurs a t mis en place sur la glacier et est constitu de :

- 2 stations mtorologiques automatiques, - 9 anmomtres et pluviomtres, - 30 capteurs thermiques, - 3 sondes multiparamtres pour le suivi physico-chimique de la qualit des eaux dcoulement, - 3 prleveurs automatiques deau, - 10 stations photo automatiques, - mesures mobiles par Ground Penetrating Radar (GPR) : cartographie du rseau sousglaciaire, structure du permafrost.

On peut remarquer la diversit des senseurs utiliss.

Toutes ces informations sont trs utiles aux scientifiques car elles renseignent sur lvolution dans le temps du glacier. Les diverses sondes et capteurs permettent de spatialiser sur tout le bassin des informations mtorologique et hydrologique. Les stations photos nous donne la dynamique du manteau neigeux et son volution.

Beaucoup dautres applications sont possibles comme la surveillance des parcs naturels. Des capteurs recherchent des signes de feux de fort ou permettent une observation trs discrte des animaux. Luniversit de Pise (Italie) a ralis un projet de ce type. Des capteurs mlangs aux semis sont aussi ltude, ils permettraient dobtenir une cartographie de la zone cultive avec des informations concernant la quantit dengrais ou lhumidit de la terre.

Cependant lutilisation de capteurs dans notre environnement entrane des problmes dcologie. Les capteurs que lon dissminera dans la nature ont une dure de vie limite quelques annes (dix au plus), alors que se passera t-il lorsque les batteries contenant de Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 22

nombreux produits toxiques commenceront se dgrader ? Les capteurs, aujourdhui, ne sont pas destins tre rcupr aprs usage, leur nombre et la taille de la zone couverte rend difficile le ramassage et sera trs coteux. En attendant les chercheurs essaient de mettre au point des capteurs toujours plus petits et plus conomiques. Au niveau des applications militaires

Comme souvent, pour les nouvelles technologies, ce sont les militaires qui ont entams les premires recherches sur les rseaux de capteurs. Le cahier des charges tait simple : il fallait pouvoir surveiller une grande zone en toute scurit, rapidement et avec une grande tolrance aux pannes. Les capteurs peuvent tre largus par avion au dessus dune zone sensible, ils savent auto organiser le rseau, et sont indpendants les uns les autres. En cas de panne matriel dun capteur, le routage des donnes nest pas compromis, le rseau peut facilement choisir une autre route, il faut juste que le rseau soit assez dense. Cette proprit est la plus importante aux yeux des militaires, le systme est parfaitement autonome. Les senseurs utiliss seront spcifiques la surveillance des forces ennemies ou lanalyse du terrain : dtection d'agents chimiques, biologiques, radiations

Ici le militaire peut surveiller la zone couverte de capteurs grace un terminal sans fil de type tlphone ou PDA. La passerelle du rseau accde a une liaison satelite ou un rseau

tlphonique, laccs linformation est trs rapide et peu dangereux.

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Au niveau des applications commerciales Les rseaux de capteurs trouvent aussi leur place dans la maison ou les bureaux. Ainsi un systme intelligent de climatisation des btiments coupl un rseau de capteurs permettrait, selon une tude amricaine, une conomie de 55 milliards de dollars par an avec une diminution de 35 millions de tonnes des missions de carbone dans l'air. Dans cet exemple, les capteurs indiquent la climatisation la prsence ou non dun individus dans la pice et prend en compte les pertes comme les courants dair, les fentres ouvertes

Les applications comme nous venons de le voir sont extrmement varies et touchent presque tous les secteurs.

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2.4.

Etat actuel de la commercialisation

Peu de socits proposent de rseaux de capteurs, en raison de leur cot mais aussi cause dune utilisation complique rserve aux professionnels ou chercheurs.

La socit Crossbow fournit le rseau de capteur sur lequel jai travaill. Ils proposent la partie matrielle et offrent des solutions logicielles pour faire fonctionner le rseau. Les senseurs sont sur une carte spare du capteur.

Capteurs Crossbow

Carte de senseurs Crossbow

Sensicast propose aussi des rseaux de capteurs. Les capteurs sont ici solidaires de leurs senseurs. Un capteur a donc une utilisation spcifique.

Passerelle et capteurs de type Sensicast

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Agilion propose aussi des rseaux de capteurs

Passerelles et capteurs de type Agilion

Les caractristiques techniques de ces capteurs sont assez similaires. Ils utilisent des suites logicielles spcifiques. Daintree Networks proposent des logiciels supplmentaires pour mieux contrler et surveiller le rseau.

Le gros dfit des industriels est la miniaturisation des capteurs. Aujourdhui ceux-ci sont trop gros et trop fragiles pour tre vraiment efficaces sur le terrain.

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3. Etudes techniquesLtude technique demande tait en partant de diffrents lments de rseau de capteurs, de monter une plate-forme, de rechercher les diffrents logiciels de base et dapplications utiles son fonctionnement, deffectuer des premires mesures et de donner des recommandations sur larchitecture matrielle et logicielle de tels rseaux. Il a t aussi dlivr comme dcrits prcdemment, un tat des diverses applications rseau au chapitre 2.3, et une premire description dune plate-forme dadministration dun rseau de capteurs via Internet base sur OSGi au chapitre 2.2.

Ltude sest droule en 2 phases: la simulation dun rseau de capteurs effectue sur le PC grce en particulier un logiciel de simulation dtaill au chapitre 3.2, ltude dune plate-forme relle comprenant quelques capteurs, une gateway et un PC. Cette phase comprend linstallation des logiciels de base ainsi que lexcution des applications, on se reportera au chapitre 3.3.

Lors du stage diffrents logiciels ont t conus, afin de piloter les senseurs et mesurer diffrentes paramtres physiques comme la temprature, la luminosit

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3.1.

Architecture des capteurs

La premire phase a t le choix de ces capteurs. La socit CROSSBOW propose divers capteurs ayant toutes de nombreuses fonctionnalits identiques mais dont les technologies sont diffrentes. Mon choix sest port sur les MICAz de dernire gnration pour des raisons de performances particulirement en puissance radio et en bande passante. Je prsente ci-dessous une comparaison entre les trois capteurs qui taient disponibles, les MICAz, MICA2 et MICA2DOT.

a) MICAz

Voici un schma bloc fonctionnel de ce capteur

Le capteur est compos de : Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 28

- un microcontrleur ATMEL qui a notamment pour rle dexcuter les fichiers binaires se trouvant en EEPROM. - une partie radio qui sert pour la transmission des donnes - trois LEDs qui peuvent par exemple servir pour vrifier le fonctionnement du capteur. - un slot 51Pin utilis pour le branchement de senseurs adapts aux capteurs, comme la mesure de temprature, de luminosit, de pression, etc. - et enfin une mmoire flash utilise pour le fonctionnement des capteurs et de nos programmes.

b) Les autres sortes de capteurs

Le MICA2

Le MICA2DOT

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Voici un schma bloc fonctionnel de ce dernier capteur

Ces diffrents capteurs (motes) proposent les mmes fonctionnalits que le capteur MICAz. Les diffrences portent sur la taille des batteries (piles montre sur le MiCA2DOTcontre standard sur le MICAz) et la frquence des ondes radios (wifi, zigbee )

On trouvera ci-dessous un tableau comparatif des caractristiques du Mica2 et du Micaz.

Le logiciel du microcontrleur ATMEL est tlcharg via la passerelle ou la radio. Le langage de programmation est le NesC, dcrit par la suite. Le mode opratoire utilis est le mode Ad Hoc, les capteurs tant fixes. Le logiciel de routage na pas t modifi. Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 30

3.2.

Simulation dun rseau de capteurs

Une simulation dun rseau de capteurs est ncessaire afin de mieux apprhender le comportement individuel des capteurs et le fonctionnement global du rseau. Cette phase de simulation devra par la suite tre complte afin destimer les performances temporelles et le comportement dun grand rseau, le nombre de capteurs pouvant atteindre quelques milliers.

Choix du simulateur Parmi diffrentes possibilits, jai choisi le simulateur TOSSIM tlcharg ladresse : http://www.cs.berkeley.edu/~pal/research/tossim.html

Proprits du simulateur : Le premier but de TOSSIM est de fournir une simulation des applications de TinyOS. Pour cette raison, il simule TinyOS et son excution. TOSSIM est un simulateur dvnements. Plutt que de compiler une application pour un capteur, lutilisateur compile dans lenvironnement TOSSIM qui tourne sur un PC. Les utilisateurs peuvent tester et analyser leurs algorithmes dans un environnement contrl et identique. TOSSIM reste nanmoins seulement une approche dun comportement de rseau rel

TOSSIM ne prend pas en compte par exemple la propagation des ondes radio, la consommation dnergie. Il propose un modle simplifi qui ne sait pas simuler plusieurs programmes Nesc simultanment, ni un rseau de capteurs ayant des nuds htrognes. Tous les mauvais fonctionnements dun rseau de capteurs ne peuvent donc pas tre rsolus par TOSSIM.

Ma proposition serait, pour tre plus proche de la ralit, de complter les possibilits du simulateur afin tenir compte des paramtres suivants : Les applications et les couches protocolaires. Selon le type de capteur et le type de senseur, les programmes implments ne seront pas les mmes Larchitecture de chaque composant matriel : le contrleur, les batteries et leurs autonomies, la puissance dmissions des capteurs

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Le modle de lenvironnement physique, qui impacte par exemple la transmission : savoir si le capteur est dans la terre, dans leau ou sur terre, quelle est la topologie du terrain

De plus un enregistrement complet des comportements doit tre disponible pour lutilisateur.

TOSSIM reproduit lenvoi et la rception des messages avec le bon routage, il teste les programmes en direct au sein du rseau de capteurs.

Afin de faciliter la comprhension de lactivit du rseau, jai utilis une interface graphique TinyViz. Celle-ci permet une reprsentation simplifie de notre simulation et offre des outils pour contrler les capteurs. TinyViz est une application graphique trs performante, elle donne en temps rel lactivit exacte des capteurs, et permet ltude de chaque itration afin de permettre une analyse pas pas.

Simulation Le rseau simul comprend quelques capteurs. Lobjectif afin de vrifier le bon fonctionnement de lensemble de simulation tait lactivation / dsactivation des LEDS des capteurs laide du programme blink La figure ci-dessous montre les capteurs quips de leurs LEDs (Rouge / jaune / Vert).

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3.3.

Mise en uvre des logiciels de base

3.3.1. Systme dexploitation TinyOS des capteurs

Choix du systme dexploitation Plusieurs systmes dexploitation supportent les capteurs de type MICA comme :

-

TinyOS, http://www.tinyos.net/ MOS, Mantis Operating System http://mantis.cs.colorado.edu/ SOS, Sos Operating System http://nesl.ee.ucla.edu/projects/sos/

Mon choix sest port sur TinyOS car il semble le systme dexploitation le plus utilis pour les rseaux de capteurs sans fil.

Proprits de TinyOS

TinyOS est un systme dexploitation open source pour les rseaux de capteurs conu par luniversit amricaine de BERKELEY. Sa conception a t entirement ralise en NesC, langage orient composant syntaxiquement proche du C. Son architecture est bas sur une association de composants, qui permet de rduire la taille du code le rendant plus lger donc plus flexible et portable. Il est trs important pour les capteurs de fonctionner dans un environnement peu gourmand en nergie, cet OS rpond parfaitement aux attentes.

Comme son nom lindique TinyOS est un systme dexploitation qui se caractrise par sa taille extrmement rduite, ce qui le rend trs adapt aux contraintes nergtiques et la limitation de lespace mmoire des motes.

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TinyOs est bas sur quatre grandes proprits le rendant particulirement adapt aux systmes faible ressource : vnementiel : Le fonctionnement dun systme bas sur TinyOS sappuie sur la gestion des vnements se produisant. Il y a deux processus d'excution : un processus de tches et un processus de gestion des interruptions. Ainsi, lactivation de tches, leur interruption ou encore la mise en veille du capteur seffectue lapparition dvnements, ceux-ci ayant la plus forte priorit. Ce fonctionnement vnementiel (event driven) soppose au fonctionnement dit temporel (time driven) o les actions du systme sont gres par une horloge donne. Non premptif : Le caractre premptif dun systme dexploitation prcise si celui-ci permet linterruption dune tche en cours. TinyOS ne gre pas ce mcanisme de premption entre les tches mais donne la priorit aux interruptions matrielles. Ainsi, les tches entre elles ne sinterrompent pas mais une interruption peut stopper lexcution dune tche. Basse consommation : toujours dans les contraintes nergtiques, les capteurs sils ne sont pas rquisitionns entrent dans un tat de veille.

3.3.2. AutresChoix des logiciels Mes besoins taient dtablir une connexion avec la passerelle, dadministrer le rseau de capteurs (tlcharger les applications, observer le rseau), disposer dun logiciel danalyse graphique du rseau. La totalit des logiciels choisis et utiliss sur le PC sont libres et ont t tlchargs partir de sites sur Internet.. On trouve ci-dessous le nom de ces logiciels et leur proprits. Les outils de dveloppement des applications et les applications sont indiqus en 3.4.

Proprits La suite Crossbow

http://www.xbow.com/ Le fabriquant Crossbow fournit des logiciels pour administrer le rseau de capteurs.

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MoteView est une interface graphique qui permet de visualiser la position des capteurs et leur fonctionnement. Il permet de connatre les mesures envoys par chaque composant du

rseau et les prsente sous formes de graphiques ou tableaux. Enfin ce logiciel permet de se connecter une base PostgreSQL pour enregistrer en temps rel toutes les informations rcoltes. Ci-dessous un exemple dcran de MoteView montrant une liste de capteurs ( gauche) et leurs mesures comme temprature et luminosit ( droite).

MoteConfig permet de mieux contrler ses capteurs. Il permet en autre de compiler et de charger les programmes sur les capteurs que ce soit par une liaison physique ou radio, MoteConfig est aussi capable de configurer les identifiants des capteurs ainsi que leurs channels radio et la puissance dmission radio.

XSniffer est un renifleur de paquet. Il observe et enregistre tout change de paquets entre les capteurs.

Device Installer

http://www.lantronix.com/device-networking/utilities-tools/device-installer.html Crer par Lantronix, ce logiciel pour but de faire une communication avec la passerelle. Il permet de lui assigner une adresse IP pour quelle soit visible pour lordinateur. Il peut dafficher toutes les options de configuration de la passerelle et autorise aussi une communication TelNet (Terminal Network), qui est un protocole rseau pour communiquer de manire bi-directionnelle. Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 35

Device Installer, laffichage se fait grce un applet Java

Device Installer, affichage Telnet

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Cygwin

www.cygwin.com Cygwin est une collection de logiciels libres permettant dutiliser des applications Unix sur une plate forme Windows. Il tente de crer lenvironnement Unix par lutilisation dun Shell (ou Bash), un interprtateur de ligne de commande identique celui utilis sur Unix.

WireShark

www.wireshark.org WireShark est un logiciel graphique danalyse et de capture du rseau trs performant. Il montre tous les paquets changs entre lordinateur et la passerelle pour mieux comprendre le fonctionnement du rseau. Ce logiciel se distingue par sa proprit multi plateforme, il fonctionne sous Windows, MacOS, Unix

Affichage wireShark

Utilisation Ces logiciels ont t installs sur le PC, ils ont t utiliss diffrents moments de lavance du projet. On se reportera au chapitre 3.4.

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3.4.

Logiciel de commande

On dcrit les fonctions gnrales de commande avec les protocoles associs entre les diffrentes entits au chapitre 3.4.1. Il est ensuite prsent les fondamentaux du langage NesC utilis pour crire les logiciels dapplication en 3.4.2. Enfin on montre les rsultats obtenus lors de lexcution dun programme dapplication en 3.4.3.

3.4.1. Commande

Les programmes sur lesquels jai travaill ou qui mont servi de base sont ceux fournis par le constructeur pour piloter les cartes de senseur MTS310. Ils permettent de commander les fonctions primaires de la carte comme par exemple la temprature. Ils sont compltement raliss en langage NesC (extension du C) que nous tudierons au chapitre 3.4.2 et peuvent tre facilement modifis. Par capteur, un seul programme peut tre tlcharg en raison du caractre mono tche de TinyOS.

Communication entre passerelle et capteurs

Le programme dapplication est charg partir de lordinateur vers les capteurs via la passerelle (qui joue le rle de programmateur). On utilise la suite logicielle de Crossbow pour les changes entre PC et passerelle.

Les capteurs tant par dfaut en tat de veille, on doit tout dabord insrer dans la commande un ordre de rveil pour les rendre oprationnels.

Voici diffrents messages utiliss par le programme de commande :

MoteAppCmdMsg : cest le type de message que les capteurs reoivent de la passerelle MIB600. Ils permettent de faire diverses demandes au rseau de capteurs (voir tableau des commandes possibles plus loin).

Il contient les champs :

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Par dfaut au lancement du capteur, celui-ci ne mesure pas et nenvoie aucun message lutilisateur. Ds la rception dun message MoteAppCmdMsg celui-ci vrifie le type de message reu et effectue une opration.

Voici le tableau rcapitulatif des types de messages reus par les capteurs et les actions correspondantes :

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Ainsi le programme permet au capteur dtre en divers mode de fonctionnement : Normal, il envoie le message sur demande (fonctionnement synchronne) Focus, UnFocus, le capteur concern est plus ou moins questionn que les autres Alert, il envoie le message lorsque le seuil a dpass sa valeur critique

Ensuite, le programme de commande permet de runir un certain nombre dinformations collectes par les capteurs. Les changes entre le capteur et la passerelle sont au choix de lutilisateur et sont ordonnes de la manire suivante :

MoteAppMsg : cest le type de message que les capteurs envoient la passerelle MIB600, pour fournir par exemple lutilisateur la temprature, lintensit lumineuse, ou la frquence du Timer. Il contient les champs :

- Type : pour le type de message (mesure de temprature, lumire) - Reading : contient la valeur lue par le capteur (temprature, lumire, frquence du Timer) - Myaddr : adresse de la mote qui envoie le message - Parentaddr : adresse de la mote voisine par lequel est pass le message en premier

PositionMsg : cest le type de message que les capteurs envoient la passerelle MIB600 pour fournir la position du capteur. Il contient les champs :

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- Type : pour le type de message (renvoie la position) - Myaddr : adresse de la mote qui envoie le message - X_pos : position x de la mote - Y_pos : position y de la mote - Z_pos : position z de la mote

Exploitation des rsultats au niveau du PC

Lorsque la passerelle a collect les donnes, elle les transfre sur lordinateur o elles sont traites par logiciel afin obtenir des informations lisibles. Par exemple voici linterface graphique MoteView qui indique la position des capteurs et la temprature quils ont releve.

illustration dune zone couverte par des capteurs de tempratures

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3.4.2. Langage de programmation NesCCrossBow a fourni les outils pour dvelopper des applications, jai pu dcouvrir un nouveau langage de programmation le NesC trs diffrent de ceux que jai dj rencontr. Jai pu tudier la structure et le comportement des applications. Le systme dexploitation TinyOS est bas sur le langage NesC. Celui-ci propose une architecture base sur des composants, dans le but de gagner de lespace mmoire au niveau des applications. Chaque composant correspond un lment matriel (LEDs, timer, ADC (Analog to Digital Converter) ) et peut tre rutilis dans diffrentes applications. Ces applications sont des ensembles de composants associs dans un but prcis. Les composants NesC prsentent des similarits avec des objets. Les tats sont encapsuls et on peut y accder par des interfaces.

Dveloppement La ralisation dun programme en NesC ncessite de dclarer 2 types de fichiers: les modules et les configurations. Le fichier configuration est la dfinition du ou des composants qui seront utiliss par lapplication dploye sur le capteur. Par exemple, lapplication ci-dessous permet de faire clignoter les LEDs des capteurs. Elle utilise le composant LedsC, ce qui permet de manipuler les LEDs du capteur.

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Le fichier module est gnralement plus tendu, on y programme rellement les fonctions ralises par lapplication. Les modules constituent les briques lmentaires de code et implmentent une ou plusieurs interfaces. La premire partie du code : provide indique les interfaces que notre composant va fournir. Si le composant est une application on doit au moins fournir linterface StdControl. La deuxime partie reprsente les interfaces que nous avons besoin. Enfin la troisime contient le code qui fournit le comportement souhaite un composant.

Les interfaces sont des fichiers dcrivant les commandes et vnements proposs par le composant.

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Compilation La compilation est une partie trs intressante du langage NesC et se fait en plusieurs phases : Le compilateur NesC va compiler le programme que lutilisateur a cr, en intgrant les parties de TinyOS ncessaires au fonctionnement de lapplication sur le capteur. Ceci va aboutir un fichier en C contenant le programme de commande et le systme dexploitation. Ce programme va ensuite tre compil par un compilateur C pour crer un fichier excutable, utilisable par le capteur.

Etapes de compilation dune application NesC

Notes sur le langage NesC Jai pu remarquer de grandes diffrences avec des langages de programmation comme C ou Java qui ont une composition dynamique et un espace de nom global. Gnralement en dveloppement, une fonction possde son propre nom qui est unique dans le programme, or NesC est bien diffrent. Le code tant divis en composants assez indpendants, ils peuvent utiliser uniquement les fonctions au niveau local. Ce langage est trs avantageux pour des applications sur des systmes embarqus, et est trs bien adapt aux rseaux de capteurs sans fil.

3.4.3. Excution dun programme dapplication en plate-formeAprs ltude des rseau de capteurs et leur simulation sur PC, et les choix des logiciels de base et langage de programmation adapts aux diffrentes entits, jai commenc les essais sur une plate-forme relle en laboratoire. Cette plate-forme comprend lensemble des capteurs que jai slectionn relis par des liaisons sans fil, la passerelle et le PC de commande. Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 44

Les logiciels de base dcrits en 3.3 (Motework, Device Installer, Cygwin, Wireshark) ont t correctement chargs et installs. Les interfaces utilisateur ont t trouves conformes leur spcification.

Le logiciel dapplication test ralisant les diffrentes mesures physiques du capteur est fourni en annexe 1. Ce logiciel permet de questionner chaque capteur individuellement afin de connatre les mesures quil ralise. Il peut mettre le capteur dans diffrents modes de fonctionnement, par exemple Alert Temperature fait ragir le capteur lorsque la temprature quil relve dpasse le seuil fix.

Jai rencontr des difficults lors du chargement de ce programme dapplication dans les capteurs, MoteConfig donnant dans ce cas un message derreur de chargement ou de capteur non reconnu. Certains capteurs ont nanmoins pu tre programms. Ce mauvais

fonctionnement na pas pu tre rsolu durant le stage malgr les aides dont jai pu bnficier. Les messages changs entre le PC et la passerelle dtects par Wireshark nont pas pu tous tre identifis car je ne possde pas de spcification indiquant leur codage dtaill. Ceci a rendu de ce fait difficile un diagnostic sur ce mauvais fonctionnement. Une tude plus dtaille des configurations de Device Installer et MoteConfig et des diffrents changes entre le PC et la passerelle reste donc effectuer, afin de dtablir un fonctionnement correct.

Une mthode alternative la solution prcdente nutilisant plus MoteConfig est le chargement des capteurs via SerialForwarder, un outil disponible avec TinyOS. Ce logiciel permet de crer une communication bidirectionnelle entre la passerelle et lordinateur. Install sur une plate-forme Java Eclipse, cette alternative est en cours dexprimentation.

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4. Dimensions humaines et managriales4.1. Organisation du projet

Comme le LRSM travaille sur de nombreuses technologies diffrentes, jai t lunique participant ce domaine dtude, jai pu ainsi partager mon temps de travail entre la recherche thorique sur les rseaux de capteurs et la ralisation pratique de mon projet.

Tout au long de mon stage jai pu rpartir mon temps de travail en plusieurs taches : Dcouverte et choix du matriel

Le laboratoire avait plusieurs choix de capteurs et de passerelles avec des caractristiques diffrentes. Mon choix sest port sur les Micaz en raison de leurs performances dmission (plus grandes bande passante et porte compar aux Mica2), et la passerelle MIB600 pour son port Ethernet utile pour connecter le rseau une plate forme de service OSGi.

Recherche logiciel

Il nexiste pas aujourdhui de grands standards de logiciels pour contrler un rseau de capteur sans fil. Nanmoins un certains nombre doutil sont disponibles sur Internet en tlchargement libre. Que ce soit pour le systme dexploitation TinyOS, ou pour le tlchargement des applications dans le capteur, des logiciels ont t dvelopps par des universits et on peut trouver des formes diffrentes selon les groupes de travail. Ma recherche ma port sur des applications pour communiquer avec la passerelle comme DeviceInstaller ou SerialForwarder, jai aussi trouv une version beaucoup plus stable de MoteView et MoteConfig.

Simulation

Les rseaux de capteurs peuvent comme nous lavons vu plus haut tre simul. Cette phase est importante pour mieux comprendre comment fonctionne un tel rseau, et aussi comprendre les possibles disfonctionnements dun rseau rel. Jai choisi le simulateur TOSSIM. Cest un outil efficace, mais qui pourrait tre complt afin dtre plus proche de la ralit.

Etude du programme de commande 47

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Le programme de commande permet de piloter la carte de senseurs MTS310. Bien que la partie principale soit fournit par le constructeur, jai aussi travaill sur des applications qui avaient t commences par un groupe de travail avant mon stage. Jai pu continuer leurs recherches, notamment sur le chargement du programme dans le capteur. Dautres applications mont t proposs titre dessai par des universits amies celle dEvry. Jai pu fournir au laboratoire diverses mthodes et programmes pour le contrle des rseaux de capteurs.

Mise en oeuvre de la plateforme

Cette partie regroupe toutes les connaissances sur les rseaux de capteurs. Cest le chargement du programme finalis dans les capteurs et les tests de fonctionnement. Tous les logiciels doivent marcher parfaitement et on doit recevoir correctement les donnes du rseau.

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4.2.

Changement de mthode

Dans un domaine de recherche comme les rseau de capteurs, il ny a pas encore de protocoles simplifis et des solutions optimales. Chaque universit tente de contrler ses capteurs avec sa propre mthode. Ainsi les chercheurs avec qui jai pu changer des informations, nutilisaient pas les mmes logiciels et les mmes capteurs. Jai pu ainsi tester diffrents moyens de communications avec le rseau de capteurs comme par exemple lutilisation de programmes Java. Avec laide dune plateforme Java Eclipse, il est possible de compiler des programmes cods en Java, SerialForwarder permet de charger le code dans les capteurs et de rcuprer leurs retours. . Avec juste le logiciel Cygwin, o jai install les librairies et bons plugs-in pour quil intgre la programmation Java et TinyOS.

4.3.

La recherche fondamentale

Ce stage ma fait dcouvrir la recherche fondamentale. Mes diffrentes expriences en entreprise comme Thales ou Alcatel-Lucent mavaient fait dcouvrir la recherche applique, beaucoup plus axe sur le produit final que lon va commercialiser. Le LRSM (Laboratoire des rseaux et systmes multimdia) tente dassocier les deux types de recherche. Une grande coopration entre les diffrentes universits mondiales et la volont damliorer des systmes libres montrent leur engagement pour la recherche fondamentale, pour ceux qui veulent comprendre et amliorer les rseaux de communication. A cela sajoutent les contrats avec des grandes organisations comme Orange ou AlcatelLucent qui utilisent les services du laboratoire. Ces tudes sont videmment rmunres et sont essentielles pour le bon fonctionnement du LRSM. On estime 10% la part des entreprises franaises faisant appel des universits ou des organisme de recherche public pour des travaux de recherche et dveloppement R&D. Les tablissements dtudes suprieurs (universits ou coles dingnieurs) ralisent de belles performances, comme le montre le graphique ci-dessous reprsentant le montant total des contrats signs dans la priode 2000-2004.

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Montant total des contrats signs dans la priode 2000-2004 pour les tablissement suprieurs

Les laboratoires de recherche ne peuvent plus aujourdhui compter uniquement sur les universits pour financer leurs oprations et ont besoin de souvrir au march. Ils reprsentent une importante force de travail pour les entreprises qui souhaite investir dans la recherche en nouvelles technologies. Ces quipes de recherche permettent aussi de dynamiser une rgion ou une universit et sont cratrice demplois.

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4.4.

Une collaboration mondiale

4.4.1. Pratique de langlaisLes laboratoires de recherche de diffrentes universits entretiennent une troite collaboration entre elles. Dans ce contexte, la pratique de langlais sest gnralise pour tous les documents crits et les confrences. De nombreux logiciels comme TinyOS ont t ralis par des universits Amricaines comme Berkeley, les rapports de recherche et les documentations sont donc rdigs en Amricain.

Le LRSM a souvent invit des chercheurs trangers pour quelques jours ou quelques semaines, nous avons eu ainsi la visite de personnes venant dIrlande, dAmrique du sud, du Canada Ils nous ont prsent leur travail dans des confrences et jai pu aussi leur montrer mon domaine de recherche. Au sein du service, se retrouvent des doctorants venues de pays comme lInde ou le Vietnam qui prfrent communiquer en anglais. Toute cette ambiance internationale a rendu la pratique de langlais quotidienne.

4.4.2. Entraide des chercheursLes chercheurs organisent souvent des runions ou des confrences entre les diffrents laboratoires. Cest le moyen de communiquer des rapports de recherche et de rflchir sur des nouvelles technologies. Jai t en contact avec des chercheurs de luniversit de Montral la fin de mon stage qui travaillent sur le mme projet que moi. Cette correspondance ma permis de dcouvrir un autre moyen de communiquer avec les capteurs, en utilisant majoritairement Cygwin.

4.4.3. Etude de marchDe nombreux secteurs sintressent aux rseaux de capteurs, notamment lautomobile et la domotique. Le march des capteurs dans lautomobile est en constante augmentation, avec une croissance de 19% en 2006 et 18% en 2005. Les rseaux de capteurs se forment de plus en plus et les constructeurs recherchent des solutions sans fil. Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 51

Lautomobile reprsente aujourdhui 60% du march des capteurs mais on estime quil sera rduit 37% en 2011 cause de la demande des appareils lectroniques et mnagers. Les rseaux de capteurs sans fil vont rguler toute la maison pour le confort de ses propritaires, DoCoMo Sensors, un service Japonais propose une solution pour grer sa maison en cas dabsence. Le systme contrle la climatisation et les luminaires et est utilisable en cas dabsence via un tlphone portable. Mme si la domotique est un phnomne rcent, elle engendre 2,4 milliards deuros et devrait plus que doubler en 3 ans. La socit Intel a quip ses usines de fabrication de puces avec des capteurs sans fil, pour la maintenance de ses quipements. Ces capteurs prviennent des temps darrt et des disfonctionnements, daprs Intel, ils feraient conomiser 10 millions de dollars par mois.

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ConclusionLes rseaux de capteurs sans fil sont en plein essor depuis les avancs technologiques sur la transmission et sur la miniaturisation. Lintrt de nombreuses entreprises pour cette innovation pousse la recherche investir davantage dans ce domaine. Le dynamisme et la nouveaut de ce ple dtude mont pouss choisir ce stage.

Mon stage a apport au LRSM (Laboratoire des Rseaux et Systmes Multimdia) une connaissance plus approfondie des rseaux de capteurs sans fil notamment sur les environnements de travail et le dveloppement de nouvelles applications. Mes travaux taient concentrs sur la mesure de grandeurs physiques grce une carte de senseurs qui pouvaient contrler, entres autres, la temprature et lhumidit. Connect via une passerelle, les capteurs relvent ces donnes et les envoient lordinateur de lutilisateur. Ce dernier peut aussi, partir des logiciels comme MoteView, avoir une reprsentation graphique de la temprature dans la pice ou dans un btiment. Les logiciels et le matriel que jai utilis sont assez rcents, ils ont t crs pour dvelopper de puissantes applications spcialement adaptes aux rseaux de capteurs par leur architecture et leur faible demande nergtique. Jai pu apporter une documentation ainsi quune utilisation concrte et exploitable de cette technologie malgr des difficults charger correctement mon programme de commande dans les capteurs. Pour rsoudre cette contrainte, jai recherch et mis en uvre des mthodes alternatives et correspondu avec des scientifiques sur ce sujet. Au cours de ce projet, jai pu faire la rencontre de nombreux chercheurs et enseignants venus duniversits trangres pour travailler sur des projets communs ceux du laboratoire. Nous avons pu prsenter les avancs de nos recherches et partager nos connaissances. Les prsentations et les confrences quils ont donnes mont montr les challenges relever pour les chercheurs et ingnieurs en informatique mais aussi en tlcommunication. La diversit culturelle, trs forte, ma ouvert sur les coutumes trangres et surtout sur les besoins technologiques de tous les continents.

Ma formation ESIEA a t bien adapte au travail qui ma t confi dans un domaine nouveau pour moi qui est larchitecture des rseaux de capteurs. Jai pu avoir lautonomie ncessaire la recherche de laboratoire et madapter aux contraintes de mon stage. Enfin les Rapport de stage 2008 ESIEA Grgory FAYE 53

notions de tlcommunication et de rseau enseignes dans mon parcourt, mont particulirement aides tout au long de ce stage.

Les rseaux de capteurs mont passionn par leurs extrmes souplesses aux dfaillances des rseaux et leur capacit sorganiser afin de toujours tre fonctionnels sans aide extrieure. Les applications sont trs diffrentes en fonction des secteurs dactivits, on peut trouver des utilisations dans presque tous les domaines, dans les usines, lenvironnement ou la maison. La domotique semble tre pour linstant le secteur cl de cette technologie, un rseau de capteurs sans fil pourra contrler la climatisation, lclairage et tous les appareils mnagers dun logis. La maison numrique sera contrle parfaitement par son propritaire. Cest un march norme qui souvre tant les applications seront diverses. Les industriels se penchent de trs prs sur cette technologie, qui avec la progression de la recherche en tlcommunication sans fil, va devenir un pilier de lconomie en lectronique.

Mes activits dtudes et de mise en uvre de ces rseaux ont t complts par une premire rflexion sur des innovations possibles ou des sujets dtude les concernant au niveaux rseau, capteurs et TinyOS / NesC :

Rseau o Fournir un rseau simple loprateur du rseau, utile en particulier lorsque le nombre de capteurs est grand Offrir une facilit de gestion / configuration automatique, par exemple lajout dun nouveau capteur doit tre pris en considration dans la configuration du rseau de faon automatique (si les droits requis sont tablis) en prvenant simplement loprateur du rseau o Assurer la sret de fonctionnement du rseau Le rseau de senseurs peut prsenter plusieurs accs cot rseau externe, si un accs ou une branche tombe en panne, dautres sont toujours disponibles Le rseau externe peut possder soit plusieurs machines centrales, soit une machine centrale scurise Les protocoles entre les capteurs et la machine centrale peuvent tre scuriss, cela peut se faire via un tunnel au niveau IP (IP dans IP) ou via un cryptage au niveau protocole dapplication

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o Pouvoir tendre le rseau sans fil Le rseau de capteurs sans fil peut tre tendu par sa connexion un rseau optique ou satellite, ainsi les messages capteur vers machine centrale empruntent dabord le rseau de senseurs puis le rseau optique ou satellite o Etendre le fonctionnement aux capteurs qui peuvent tre mobiles dans certaines applications

Capteurs o Faciliter lalimentation en nergie des capteurs Un problme majeur est lalimentation des capteurs, dans certains cas une alimentation via des panneaux solaires peut tre ralise o Augmenter la bande passante Les capteurs pourraient faire de trs bons outils de surveillance vido en utilisant une webcam et une diffusion de la vido de type streaming o Faciliter le chargement des logiciels des capteurs Dans mon exprimentation, le chargement se fait via la passerelle, un tlchargement via le rseau de capteurs peut tre ralis En cas de reset automatique du capteur en cas de mauvais fonctionnement (ou reset forc par un utilisateur), un

tlchargement des services quil supporte

logiciels peut se faire sans un long arrt des

o Rendre les capteurs plus intelligents Imaginer des tlchargement de modules de logiciel la demande du capteur (ou du rseau) suite par exemple un trigger local, afin de ne pas prendre trop de mmoire et ne pas trop consommer (voir galement reconfiguration dynamique dans le paragraphe suivant) Travailler avec plusieurs technologies radio au niveau du capteur (par exemple plusieurs antennes sur le capteur), tout en conservant le rseau de routage, afin daugmenter la couverture dans la mesure ou la source dnergie locale est suffisante (par exemple panneaux solaires)

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TinyOS et nesC : o Amlioration TinyOS / nesC TinyOS rpond bien aux svres contraintes lies aux petites tailles mmoire sur les capteurs (mais lvolution de la technologie mmoire va rduire cette difficult), en permettant une fusion entre lapplication et les modules dexploitation strictement ncessaires. Nanmoins TinyOS a t conu la base avec une restriction importante en fonctionnalits. Par exemple : La FIFO grant les taches en attente ne comporte pas de priorit, ces dernires pourraient tre rajoutes Le systme ne comporte pas des facilits de reconfiguration dynamique qui permettent de changer dynamiquement un composant par un autre dans une application en cours dexcution (composant problmes ou nouvelles

fonctionnalits rajouter). On trouve dans la littrature des essais dans cette direction.

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