Gestion d’un Parking par un Réseau de Capteurs Sans Fils MESSAI Mohamed Lamine UAMB, Ecole Doctorale en informatique ReSyD Bejaia. UFAS, Département d'informatique Sétif, Algérie. E-mail: messai.amine@gmail. Résumé— Les Réseaux de Capteurs Sans Fils (RCSFs) ont Un nœud capteur est composé de quatre unités principales attiré une croissante attention aux niveaux académiques et suivantes (présentées dans la figure 1) : industriels ces dernières années. Les RCSFs peuvent être • Unité de capture ("Sensing unit") : est composée de deux déployés dans divers types d’applications de surveillance sous-unités, un dispositif de capture physique qui prélève d’environnement et de collecte d’information. Dans cet article, nous présentons une architecture d’un réseau de capteurs sans l’information de l’environnement local et un convertisseur fils pour la gestion d’un parking. Dans un système de gestion de analogique/numérique appelé ADC ("Analog to Digital parking un nombre de nœuds capteurs est déployé dans un Converter"). Le capteur est responsable de fournir des signaux champ de stationnement, indiquant l'occupation des places de analogique/numérique. Ce dernier transforme ces signaux en stationnements. Les informations sur l'état des places de un signal numérique compréhensible par l’unité de traitement. stationnements sont envoyées à une station de base située à la rentrer du parking pour guider les conducteurs. Les nœuds • Unité de traitement ("Processing unit") : Le composant capteurs sont équipés d’une batterie (pile) fournissant l’énergie regroupe : un processeur et une unité de mémoire réduite. Elle pour assurer leurs fonctionnements. Cette ressource d'énergie est permet de stocker les données, exécute les tâches de perception très importante pour les nœuds capteurs et influe directement sur la durée de vie des nœuds capteurs et donc du RCSF entier. Nous qui lui sont assignées. proposons un mode de communication hybride pour optimiser la consommation d'énergie. Nous comparons la consommation • Unité de communication ("Transceiver unit") : cette unité d’énergie dans l'architecture proposée de gestion de parking avec est responsable d’effectuer toutes les émissions et réception des les trois modes de communication ; un seul saut, multi-sauts et données sur un médium sans fils. hybride. • Unité d’énergie ("Power unit") : un nœud capteur est Mots clés— Conservation d'Energie, Réseaux de Capteurs muni d’une ressource énergétique (une batterie). Étant donné Sans Fils, Parking. sa petite taille, cette ressource énergétique est limitée. Ceci fait souvent de l’énergie la ressource la plus précieuse d’un réseau I. INTRODUCTION de capteurs, car elle influe directement sur la durée de vie des La convergence de la micro-électronique et des nœuds capteurs et donc sur le réseau entier. 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 [5] : le militaire, l'environnement, la santé, l’habitat, l’éthologie, etc. Leurs remarquable essor est dû à leur taille de plus en plus réduite, leurs prix de plus en plus faible ainsi que Fig. 1. Les composants d’un nœud capteur. leur support de communication sans fils attrayant peu encombrant mais également peu de ressources. Les nœuds Chaque nœud capteur utilise une batterie de taille capteurs apparaissent comme des systèmes autonomes minuscule comme ressource d'énergie, ce qui limite sa durée de miniaturisés, mené d’une unité de traitement et de stockage de vie. La spécificité des applications des RCSFs (militaires, données, d’une unité de transmission sans fils et d’une batterie. sismiques et autres) fait que la recharge ou le remplacement de Organisés sous forme de réseau, les nœuds capteurs d’un ces batteries est une tâche difficile dans certaines applications RCSF, malgré la limitation de leurs ressources de calcul, de voir presque impossible dans d'autres, ce qui nous mène à stockage et surtout d’énergie, ont pour mission de récolter des déduire que la durée de vie d’un nœud est essentiellement données et les faire parvenir à une station de base [1, 2]. 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 • Le système doit fournir des fonctions puissantes pour une application qui peut intégrer un RCSF. Un parking est un faciliter aux administrateurs la gestion des voitures dans le espace ou un bâtiment spécifiquement aménagé pour le parking. stationnement des véhicules. On en trouve le plus souvent à La conception d'un parking basé sur un RCSF fournit une côté des bâtiments public (gare, aéroport), des lieux de travail, grande précision et répond aux exigences citées ci-dessus. des centres commerciaux ou devant les grandes surfaces pour L'utilisation des RCSFs pour la gestion des parkings offre une accueillir les usagers. commodité pour les clients, une robustesse et une flexibilité Dans ce papier, nous présentons une architecture de gestion dans la gestion. Notre motivation est donc de fournir une d’un parking utilisant un RCSF pour le parking situé au centre gestion d'un parking via un RCSF. ville de la Wilaya de Sétif. A Sétif, 81 835 automobiles [3], Dans [7], le système de gestion du parking est décomposé dont 35 % est lié à la rechercher d’une place de stationnement. en deux sous systèmes. Un premier sous système de détection Un conducteur sur trois serait donc à la recherche d’une place de véhicules (VDS) et un deuxième sous système de gestion de de parking, d’où une telle solution proposée peut véhicules (VMS). Le VDS détecte l’état des emplacements considérablement améliorer la circulation du trafic en offrant dans le parking et envoie les informations collectées au sous avec précision le nombre de places libres dans le parking. Nous système VMS pour les fournir aux conducteurs. évaluerons la consommation d'énergie où les nœuds capteurs Un autre système de gestion de parking intelligent est envoient les informations directement à la station de base et proposé dans [8]. Les auteurs de [8] comparent l'utilisation de dans le cas où les nœuds capteurs envoient les informations en différents types de capteurs (acoustique, capteurs de lumière et mode multi-sauts. Nous proposons un mode hybride pour magnétiques) pour la gestion des parkings. Les informations optimiser la consommation d’énergie. Le système consiste en des différents types de capteurs sont envoyées à un serveur un réseau de capteurs sans fils capable d’indiquer si une place central dans un temps fini. dans le parking est occupée ou non. Chaque capteur est collé Dans ce papier nous proposons une architecture de gestion soit sur le sol, ou au plafond de chaque place du parking. Il de parking où nous évaluons la consommation d’énergie des fonctionne grâce à une batterie dont la durée est limitée. nœuds capteurs déployés dans le parking ce qui est négligé Le reste du papier est organisé comme suit : la section 2 dans les architectures de gestion des parkings proposées. présente quelques travaux antérieurs, l’architecture du système et le modèle de consommation d’énergie sont décrit dans la III. MODÈLES DE RÉSEAUX ET D’ÉNERGIE section 3. La section 4 résume les résultats de simulation. Dans cette section nous présentons l’architecture du réseau Finalement, la section 5 conclue le travail. ainsi que le modèle d’énergie utilisé. La durée de vie d’un nœud capteur dépend fortement de la II. TRAVAUX ANTÉRIEURS durée de vie de la batterie associée. Détecter l’occupation de la Vue la prolifération des véhicules dans les routes, et à cause place de stationnement, élaborer un traitement de données de l’inefficacité des différentes gestions des parkings ; il est local, et transmettre le résultat à la station de base située à la important de proposer des parkings intelligents dans le but de rentrée du parking sont les principales tâches d’un nœud faciliter aux conducteurs le stationnement de façon simple et capteur dans notre application. Les étapes de consommation sécurisée. Les avantages d’utiliser un parking intelligent sont : d’énergie par ce nœud capteur peuvent être divisées en trois la facilité de stationnement, l’organisation du mouvement dans phases : le captage, le traitement de donnée et la les routes, la réduction de la pollution d’air,…etc. Peu sont les communication. Parmi ces trois phases, la phase de travaux qui ont abordé la gestion d’un parking via un RCSF. communication de données est celle qui consomme la plus Dans [6] les auteurs ont donné une étude sur les technologies grande quantité d’énergie, ceci, à cause de la multitude de utilisées pour la gestion des parkings. composants électroniques intégrés au circuit responsable de L'objectif commun pour tous les parcs de stationnement est cette opération. Cette phase implique les deux étapes de faciliter aux conducteurs à trouver des emplacements libres d’émission et de réception de données. Nous appliquons le et de les bien guider à l'intérieur du parking. Les informations modèle proposé dans [4] pour évaluer la consommation de sur la disponibilité des places de stationnement doivent être l’énergie. Sachant que les réseaux de capteurs sont basés sur la accessibles aux automobilistes afin de ne pas perdre du temps à communication un seul saut pour atteindre la station de base ou chercher une place libre et ce qui contribue à la préservation de multi-sauts. Dans une communication multi-sauts chaque nœud l'environnement. Un système de gestion d'un parking doit joue à la fois le rôle d’initiateur de données et de routeur satisfaire les exigences suivantes : également. En multi-sauts, chaque nœud capteur envoie ses • le système doit fournir toutes les informations et les informations au nœud voisin, ce dernier retransmit les directives pour aider les conducteurs à trouver un informations à son nœud voisin jusqu'à ce que les informations stationnement disponible. arrivent à la station de base. • Le système doit assurer une gestion efficace des places de Les nœuds capteurs sont conçus pour fonctionner durant stationnements (libres et occupées) pour maximiser le taux des mois voire des années. Ainsi, la capacité énergétique de ces d'exploitation et la rentabilité. nœuds capteurs doit être utilisée efficacement afin de maximiser la durée de vie du réseau. A noter qu’une fois qu’un nœud capteur a épuisé son énergie, il est considéré comme défaillant. Ainsi, il y a une forte probabilité de perdre la IV. SIMULATION connectivité du réseau. 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 nœuds capteurs. Nous utiliserons l’environnement Matlab pour simuler le fonctionnement des nœuds 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 nœuds capteurs 66 Eelec 50 nJ/bit εfs 10 pJ/bit/m2 Fig. 2. Modèle de radio. εamp 0,0013 pJ/bit/m4 La figure 2 schématise le modèle radio. Pour une transmission d’un message de k-bits sur une distance d, le Nous proposons un mode hybride de communication entre nœud capteur consomme ETx(k, d) donné par les formules 1 et les nœuds capteurs et la station de base composé entre les deux 2. Et pour Réception d’un message de k-bits, le nœud capteur modes un saut et mutli-sauts pour minimiser la consommation consomme ERx(k) donné par la formule 3. d'énergie. Le mode hybride est défini comme suit : Si le nœud capteur Si peut atteindre la station de base SB par une ETx(k, d ) = k x Eelec + k x εfs x d2 d < d0 (1) communication directe, ce nœud utilise le mode un saut pour envoyer ses informations sur l'état de l'emplacement de stationnement. Sinon, le nœud capteur envoie ses informations ETx(k, d ) = k x Eelec + k x εamp x d4 d >= d0 (2) en milti-saut au nœud capteur le plus près à la station de base. Pour chaque nœud capteur, nous cherchons le chemin le plus ERx(k) = k x Eelec (3) court menant à la station de base. Les nœuds capteurs intermédiaire sont choisis tel que: Où Eelec est la quantité d'énergie consommée pour un bit. εfs est l'amplification du signal dans une distance inférieur à la ETx(k, d =distance entre Si et Sj) + ETx(k, d =distance entre Sj distance seuil d0. Si la distance d'émission est supérieure à d0, et SB) < ETx(k, d =distance entre Si et SB) l'amplification εamp est utilisée. 500 La figure 4 représente la consommation d’énergie de transmission pour les modes de communication un saut, multi- 450 saut, et le mode hybride proposé pour chaque nœud capteur 400 pour atteindre la station de base. Le mode hybride proposé 350 consomme moins d'énergie que les deux autres modes par ce 300 que la distance dans le mode hybride est minimisé. 500 mètres 250 Noeud capteur 0.35 Mode hybride Mode un saut 200 0.3 Mode multi-sauts 150 Energie consommé (en Joule) 0.25 100 50 0.2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0.15 500 mètres 0.1 Fig. 3. Parking avec RCSF. 0.05 La figure 3 modélise le parking. La distance entre un nœud capteur et un autre est de 15 mètres. Dans une surface de 500 0 0 10 20 30 40 50 60 70 mètres x 500 mètres, nous aurons besoin de 66 nœuds capteurs. Noeuds capteurs Fig. 4. Consommation d'énergie avec le mode un saut, multi-sauts et hybride. V. CONCLUSION [3] Références http://www.ons.dz/-Parc-Automobile-.html Les capteurs sont devenus des éléments incontournables [4] Références W. B. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan. "An application-specific protocol architecture for dans tous les systèmes où les informations issues de wireless microsensor networks", IEEE Transactions on Wireless l’environnement extérieur sont nécessaires pour évaluer et agir. Communications, 1(4), pp. 660–667, October 2002. Nous avons proposé une architecture d’un réseau de capteurs [5] Références T. Arampatzis, J. Lygeros, S. Manesis, "A survey of pour la gestion d’un parking. Nous avons également simulé la applications of wireless sensors and wireless sensor networks", consommation d’énergie (une métrique très importante dans les in Proceedings of the 2005 IEEE International Symposium on RCSFs) des nœuds capteurs dans cette architecture, nous avons Intelligent Control – Mediterranean Conference on Control and proposé un mode de communication hybride afin d'optimiser la Automation, Washington, DC, USA, pp. 719–724, 2005. consommation d'énergie des nœuds capteurs. Nous pensons [6] Références M. Y. I. Idris, Y. Y. Leng, E. M. Tamil, N. M. Noor, que les RCSFs peuvent être une technologie très porteuse pour Z. Razak, "Car Park System: A Review of Smart Parking être utiliser dans la gestion des parkings et dans d’autres System and its Technology". Information Technology Journal, applications. Nous passerons à l’expérimentation de notre Vol. 8 (2), pp. 101-113, 2009. proposition dans un avenir proche dans le cadre d’un projet [7] Références Seong-eun Yoo, Poh Kit Chong, Taehong Kim, national de recherche. Jonggu Kang, Daeyoung Kim, Cahngsyb Shin, Kyungbok Sung, Byungtae Jang,“PGS: Parking Guidance System based on REFERENCES Wireless Sensor Networks”, IEEE 978-1-42441653-0/08, 2008. [1] Références I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and [8] Références Rakesh Kumar, Naveen K Chilamkurti, Ben Soh, “A E. l. Cayirci, "A survey on sensor networks". IEEE Comparative Study of Different Sensors for Smart Car Park Communications Magazine, Vol. 40, No. 8, pp. 102-116, August Management”, International Conference on Intelligent Pervasive 2002. Computing, 2007”, IEEE 978-0-7695- 3006-0/07, 2007. [2] Références Yick, J., Mukherjee, B., Ghosal, D. "Wireless Sensor Network Survey". Comput. Network, Vol. 52, pp. 2292-2330, 2008.