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Architecture de réseau de senseurs : monitoring environnemental et écosystèmes forestiers

Présenté par : Ahmed Lakhssassi,

Membres du GRMS : Marek Zaremba, Wojtek Bock et Larbi Talbi

Département Informatique et ingénierie, UQO

Autres intervenants : Reda Bensouda (CeRTIT, Cégep de l’Outaouais),

François Lorenzetti, Frédérik Doyon (ISFORT)

1 3 juin 2013 FRQ : Forum de réflexion sur la recherche en développement durable 2013

GRMS (Groupe de Recherche

Multidisciplinaire sur les systèmes

reconfigurables de Mesures Sans-fils)

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• L’idée derrière la conception de la plateforme

• Exemples des domaines d’application

• Santé, aménagement et développement durable territorial

Plateforme de monitorage

• Utilisation des WSN (Wireless Sensor Network)

• Applications

• Architecture de la plateforme

• Système de monitorage

WSN : Architecture du réseau

• Mesures diamétrales des arbres en continu: monitoring à distance

Écosystème forestier

• Architecture du système d’information territorial

• Sociodémographique

• Secteur récréotouristique

• Secteurs forestier et agricole

Développement territorial durable

3 juin 2013 FRQ : Forum de réflexion sur la recherche en développement durable 2013

• Discussions: perspectives intersectorielles et DD

• Questions Conclusion




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Recherche

Éducation

Automatisation

industrielle

Automatisation

édifices

Gestion stock

mobile

Monitorage

environnemental

Sécurité

physique

Utilisation des WSN (Wireless Sensor Network)

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Pourquoi une plateforme de monitoring? La sécurité, l’environnement, les changements climatiques, la dégradation des écosystèmes

sont des enjeux majeurs du 21e siècle.

Les technologies actuelles de détection et de mesure de différentes grandeurs physico-chimiques ne fournissent pas présentement l'information suffisante à des coûts économiquement acceptables.

Dans ce contexte, la construction d’une plateforme d’étude des changements climatiques, des écosystèmes, des polluants nuisibles à l’environnement, de monitoring de l’état des infrastructures et de surveillance peut venir au secours de l'environnement et de l'industrie.

Cela grâce aux récents développements réalisés dans les domaines des senseurs, des circuits reconfigurables, d’acquisition et du traitement de données et des techniques sans-fils.

Créer des nouvelles applications où le filage est impossible.

Notre équipe de chercheurs a pour thème commun, de recherche, le développement d’un réseau reconfigurable de capteurs sans fils pour la construction d’une plateforme globale.

Ce système global permettra de faire le croisement des données de plusieurs grandeurs physiques et par conséquent, il pourra servir d’instrument de prévention et de diagnostic dans plusieurs domaines de préoccupation du Québec.





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Applications Nouvelles applications où les capteurs n’ont pas été utilisés auparavant? - Équipements mobile/personnel - Environnement changeant rapidement - Sous le sol/ capteurs de surfaces - Monitoring atmosphérique - Monitoring de la santé des structures





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WSN (Wireless Sensors Networks), réseau de senseurs sans fils

- WSN (Wireless Sensor Network) veut dire réseau de senseurs sans fil. - Un tel réseau consiste en un ensemble de nœuds autonomes distribués dans l’espace. - Ces nœuds collectent des données de leur environnement. - Les mesures peuvent être des données de :

- température, pression, luminosité, vibration, vitesse de vent, nutriments, CO2, etc. - Une fois collectées, ces informations sont ensuite envoyées par radio soit à d’autres nœuds du réseau,

soit à la station de base qui sert d’interface entre l’utilisateur et le réseau.

- Servent entre autre à surveiller des environnements à distance.

- À détecter des évènements précis survenant dans ces environnements.

- Nœuds autonomes, disposent de leur propre capacité de processing.

- Fonctionnent avec des batteries. - Le défi : effectuer leur tâche de

collecte et diffusion de données en utilisant le minimum d’énergie avec tolérance aux pannes.





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Processor-Radio-Data Logger

“Mote”

Sensor cluster or

interface card

Plateforme monitorage

Wireless Sensor Network – Architecture


Système de traitement

intelligent de l’information,

fusion et croisement de

données pour visualisation,

interprétation, planification

stratégique, etc.




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Composition de base d’un Nœud Capteur ‘’Mote’’





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Mesures diamétrales des arbres en continu : monitoring à distance • Pourquoi ?

• La réponse des arbres au climat, à la pollution, aux conditions de site, etc., permet de modéliser différents processus à l’échelle des écosystèmes, par exemple la séquestration du carbone (comptabilité verte)

• Les ministères responsables des ressources naturelles, de l’environnement, et la communauté scientifique utilisent couramment ce genre de données

• Ces données sont actuellement récoltées par des visites de terrain répétées; elles coûtent très cher, et leurs résolutions spatiale et temporelle sont faibles

• Une alternative :

• Des réseaux de senseurs pour la mesure diamétrale des arbres en continu

• Ces senseurs existent (voir image), munis de capacité infrarouge pour la collecte des données in situ

• La problématique d’accès aux sites de manière répétée est coûteuse.

• Une solution : • Relier les senseurs via une plate-forme de monitoring sans-fil qui transmet les

données vers les centres d’analyse sur demande ou en temps réel.





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Mesures diamétrales des arbres en continu:

monitoring à distance (2 de 2)

Placette 3

Diz

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ilom

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Écosystème A

Écosystème B

Relais A

Relais

B

Centre d’analyse

ou de monitoring


Placette 1

Placette 2




11 3 juin 2013 FRQ : Forum de réflexion sur la recherche en développement durable 2013




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• Discussion-Questions?

Merci pour votre attention





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Discussions : Contraintes sur l’architecture de la plateforme Les principaux facteurs et contraintes influençant l'architecture des réseaux de capteurs pour le monitoring des

écosystèmes forestiers peuvent être résumés comme suit:

- La tolérance de fautes : générer des erreurs ou ne plus fonctionner à cause d'un manque d'énergie, un problème physique ou une interférence. Ces problèmes n'affectent pas le reste du réseau.

- L'échelle : Le nombre de Mote déployés pour un projet peut atteindre le million.

- Un nombre aussi important de Mote engendre beaucoup de transmissions inter nodales et nécessite que le puits "sink " soit équipé de beaucoup de mémoire pour stocker les informations reçues.

- Les coûts de production : les réseaux de capteurs sont composés d'un très grand nombre de Mote.

- L'environnement : Les capteurs sont déployés en masse dans la forêt ou des champs, biologiquement ou chimiquement souillés,... Par conséquent, ils doivent pouvoir fonctionner sans surveillance dans des régions géographiques éloignées.

- La topologie de réseau : Le déploiement d'un grand nombre de Mote nécessite une maintenance de la topologie. Cette maintenance consiste en trois phases : Déploiement, Post-déploiement (les capteurs peuvent bouger, ne plus fonctionner,...), Redéploiement de Mote additionnels

- Les contraintes matérielles : la consommation d'énergie doit être moindre pour que le réseau survive le plus longtemps possible, qu'il s'adapte aux différents environnements (fortes chaleurs, eau,..), qu'il soit autonome et très résistant vu qu'il va être déployé dans des environnements hostiles comme la forêt.

- La consommation d'énergie : Un capteur, de par sa taille, est limité en énergie (< 1.2V). Dans la plupart des cas le remplacement de la batterie est impossible. Ce qui veut dire que la durée de vie d'un capteur dépend grandement de la durée de vie de la batterie.

- Les opérations de transmission sont gourmandes en énergie, c'est pour cette raison que les recherches actuelles se concentrent principalement sur les moyens de réduire cette consommation.



