Résumé- Les Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) ont attiré une croissante attention aux niveaux académiques et industriels ces dernières années. Les RCSFs peuvent être déployés dans divers types d'applications de surveillance d'environnement et de collecte d'information. Dans cet article, nous présentons une architecture d'un réseau de capteurs sans fils pour la gestion d'un parking. Dans un système de gestion de parking un nombre de noeuds capteurs est déployé dans un champ de stationnement, indiquant l'occupation des places de stationnements. Les informations sur l'état des places de stationnements sont envoyées à une station de base située à la rentrer du parking pour guider les conducteurs. Les noeuds capteurs sont équipés d'une batterie (pile) fournissant l'énergie pour assurer leurs fonctionnements. Cette ressource d'énergie est très importante pour les noeuds capteurs et influe directement sur la durée de vie des noeuds capteurs et donc du RCSF entier. Nous proposons un mode de communication hybride pour optimiser la consommation d'énergie. Nous comparons la consommation d'énergie dans l'architecture proposée de gestion de parking avec les trois modes de communication ; un seul saut, multi-sauts et hybride.
Mots clés— Conservation d'Energie, Réseaux de Capteurs Sans Fils, Parking.
La convergence de la micro-électronique et des
technologies de communication sans fils a permis la création
d’une combinaison entre les systèmes embarqués et les
systèmes distribués ayant engendré les Réseaux de Capteurs
Sans Fils ou RCSFs (Wireless Sensor Networks). Les RCSFs
sont de plus en plus utilisés dans des applications de
surveillance de grands systèmes dans une variété de domaines
[
Un noeud capteur est composé de quatre unités principales suivantes (présentées dans la figure 1) :
• Unité de capture ("Sensing unit") : est composée de deux sous-unités, un dispositif de capture physique qui prélève l’information de l’environnement local et un convertisseur analogique/numérique appelé ADC ("Analog to Digital Converter"). Le capteur est responsable de fournir des signaux analogique/numérique. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique compréhensible par l’unité de traitement.
• Unité de traitement ("Processing unit") : Le composant regroupe : un processeur et une unité de mémoire réduite. Elle permet de stocker les données, exécute les tâches de perception qui lui sont assignées.
• Unité de communication ("Transceiver unit") : cette unité est responsable d’effectuer toutes les émissions et réception des données sur un médium sans fils.
• Unité d’énergie ("Power unit") : un noeud capteur est muni d’une ressource énergétique (une batterie). Étant donné sa petite taille, cette ressource énergétique est limitée. Ceci fait souvent de l’énergie la ressource la plus précieuse d’un réseau de capteurs, car elle influe directement sur la durée de vie des noeuds capteurs et donc sur le réseau entier.
Fig. 1. Les composants d’un noeud capteur.
Chaque noeud capteur utilise une batterie de taille minuscule comme ressource d'énergie, ce qui limite sa durée de vie. La spécificité des applications des RCSFs (militaires, sismiques et autres) fait que la recharge ou le remplacement de ces batteries est une tâche difficile dans certaines applications voir presque impossible dans d'autres, ce qui nous mène à déduire que la durée de vie d’un noeud est essentiellement dépendante de la durée de vie de la batterie. Ainsi, la méthode de gestion de consommation d’énergie constitue une contrainte majeure dans ce type de réseau.
La gestion d'un parking, ou d'un parc de stationnement est une application qui peut intégrer un RCSF. Un parking est un espace ou un bâtiment spécifiquement aménagé pour le stationnement des véhicules. On en trouve le plus souvent à côté des bâtiments public (gare, aéroport), des lieux de travail, des centres commerciaux ou devant les grandes surfaces pour accueillir les usagers.
Dans ce papier, nous présentons une architecture de gestion
d’un parking utilisant un RCSF pour le parking situé au centre
ville de la Wilaya de Sétif. A Sétif, 81 835 automobiles [
Le reste du papier est organisé comme suit : la section 2 présente quelques travaux antérieurs, l’architecture du système et le modèle de consommation d’énergie sont décrit dans la section 3. La section 4 résume les résultats de simulation. Finalement, la section 5 conclue le travail.
Vue la prolifération des véhicules dans les routes, et à cause
de l’inefficacité des différentes gestions des parkings ; il est
important de proposer des parkings intelligents dans le but de
faciliter aux conducteurs le stationnement de façon simple et
sécurisée. Les avantages d’utiliser un parking intelligent sont :
la facilité de stationnement, l’organisation du mouvement dans
les routes, la réduction de la pollution d’air,…etc. Peu sont les
travaux qui ont abordé la gestion d’un parking via un RCSF.
Dans [
L'objectif commun pour tous les parcs de stationnement est de faciliter aux conducteurs à trouver des emplacements libres et de les bien guider à l'intérieur du parking. Les informations sur la disponibilité des places de stationnement doivent être accessibles aux automobilistes afin de ne pas perdre du temps à chercher une place libre et ce qui contribue à la préservation de l'environnement. Un système de gestion d'un parking doit satisfaire les exigences suivantes :
• le système doit fournir toutes les informations et les directives pour aider les conducteurs à trouver un stationnement disponible.
• Le système doit assurer une gestion efficace des places de stationnements (libres et occupées) pour maximiser le taux d'exploitation et la rentabilité.
• Le système doit fournir des fonctions puissantes pour faciliter aux administrateurs la gestion des voitures dans le parking.
La conception d'un parking basé sur un RCSF fournit une grande précision et répond aux exigences citées ci-dessus. L'utilisation des RCSFs pour la gestion des parkings offre une commodité pour les clients, une robustesse et une flexibilité dans la gestion. Notre motivation est donc de fournir une gestion d'un parking via un RCSF.
Dans [
Un autre système de gestion de parking intelligent est
proposé dans [
Dans ce papier nous proposons une architecture de gestion de parking où nous évaluons la consommation d’énergie des noeuds capteurs déployés dans le parking ce qui est négligé dans les architectures de gestion des parkings proposées.
Dans cette section nous présentons l’architecture du réseau ainsi que le modèle d’énergie utilisé.
La durée de vie d’un noeud capteur dépend fortement de la
durée de vie de la batterie associée. Détecter l’occupation de la
place de stationnement, élaborer un traitement de données
local, et transmettre le résultat à la station de base située à la
rentrée du parking sont les principales tâches d’un noeud
capteur dans notre application. Les étapes de consommation
d’énergie par ce noeud capteur peuvent être divisées en trois
phases : le captage, le traitement de donnée et la
communication. Parmi ces trois phases, la phase de
communication de données est celle qui consomme la plus
grande quantité d’énergie, ceci, à cause de la multitude de
composants électroniques intégrés au circuit responsable de
cette opération. Cette phase implique les deux étapes
d’émission et de réception de données. Nous appliquons le
modèle proposé dans [
Les noeuds capteurs sont conçus pour fonctionner durant des mois voire des années. Ainsi, la capacité énergétique de ces noeuds capteurs doit être utilisée efficacement afin de maximiser la durée de vie du réseau. A noter qu’une fois qu’un noeud capteur a épuisé son énergie, il est considéré comme défaillant. Ainsi, il y a une forte probabilité de perdre la connectivité du réseau.
La figure 2 schématise le modèle radio. Pour une transmission d’un message de k-bits sur une distance d, le noeud capteur consomme ETx(k, d) donné par les formules 1 et 2. Et pour Réception d’un message de k-bits, le noeud capteur consomme ERx(k) donné par la formule 3.
ETx(k, d ) = k x Eelec + k x εfs x d2 d < d0 ETx(k, d ) = k x Eelec + k x εamp x d4 d >= d0 ERx(k) = k x Eelec (1) (2) (3)
Où Eelec est la quantité d'énergie consommée pour un bit. εfs est l'amplification du signal dans une distance inférieur à la distance seuil d0. Si la distance d'émission est supérieure à d0, l'amplification εamp est utilisée.
500 450 400 350 s300 e r tèm250 0 50200 150 100 50 00
Dans les RCSFs, l’énergie est une forte contrainte par rapport aux réseaux traditionnels. Prolonger la durée de vie du RCSF est lié à la minimisation de la consommation d'énergie des noeuds capteurs. Nous utiliserons l’environnement Matlab pour simuler le fonctionnement des noeuds capteurs du parking et calculer la consommation d’énergie. Nous considérons un mode d’accès au canal CSMA non persistant. La table 1 récapitule les paramètres de simulation.
TABLE 1. PARAMETRE DE SIMULATION.
Paramètre Valeur
Surface 500 m x 500 m Taille d'un paquet 1000 bits
Distance d0 87 m Nombre de noeuds capteurs 66
Eelec 50 nJ/bit
10 pJ/bit/m2 0,0013 pJ/bit/m4 εfs εamp
Nous proposons un mode hybride de communication entre les noeuds capteurs et la station de base composé entre les deux modes un saut et mutli-sauts pour minimiser la consommation d'énergie. Le mode hybride est défini comme suit : Si le noeud capteur Si peut atteindre la station de base SB par une communication directe, ce noeud utilise le mode un saut pour envoyer ses informations sur l'état de l'emplacement de stationnement. Sinon, le noeud capteur envoie ses informations en milti-saut au noeud capteur le plus près à la station de base. Pour chaque noeud capteur, nous cherchons le chemin le plus court menant à la station de base. Les noeuds capteurs intermédiaire sont choisis tel que:
ETx(k, d =distance entre Si et Sj) + ETx(k, d =distance entre Sj et SB) < ETx(k, d =distance entre Si et SB)
La figure 4 représente la consommation d’énergie de transmission pour les modes de communication un saut, multisaut, et le mode hybride proposé pour chaque noeud capteur pour atteindre la station de base. Le mode hybride proposé consomme moins d'énergie que les deux autres modes par ce que la distance dans le mode hybride est minimisé.
250 500 mètres
Fig. 3. Parking avec RCSF. 50 100 150 200 300 350 400 450 500
La figure 3 modélise le parking. La distance entre un noeud capteur et un autre est de 15 mètres. Dans une surface de 500 mètres x 500 mètres, nous aurons besoin de 66 noeuds capteurs. Noeud capteur 0.35 0.3
Les capteurs sont devenus des éléments incontournables dans tous les systèmes où les informations issues de l’environnement extérieur sont nécessaires pour évaluer et agir. Nous avons proposé une architecture d’un réseau de capteurs pour la gestion d’un parking. Nous avons également simulé la consommation d’énergie (une métrique très importante dans les RCSFs) des noeuds capteurs dans cette architecture, nous avons proposé un mode de communication hybride afin d'optimiser la consommation d'énergie des noeuds capteurs. Nous pensons que les RCSFs peuvent être une technologie très porteuse pour être utiliser dans la gestion des parkings et dans d’autres applications. Nous passerons à l’expérimentation de notre proposition dans un avenir proche dans le cadre d’un projet national de recherche.