Réseaux de capteurs sans fil et intelligents
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Comme il le fait dans l'industrie et la recherche, le thème des réseaux de capteurs sans fil et intelligents tient une place de choix dans la division MI.
Pourquoi des capteurs sans-fil ?
Dans un système d'instrumentation outdoor, le câblage nécessaire à l'alimentation et la communication des capteurs est souvent synonyme :
- de coûts élevés (coût du métal, temps d'installation, de démontage)
- de vulnérabilité (corrosion, étanchéité, usure, vandalisme.)
- de sensibilité à la foudre, à la CEM
- d'un nombre de capteurs limité et peu mobiles !
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Pour les applications en Génie Civil en particulier les distances sont grandes et les besoins en instrumentations sont parfois massifs ; aussi, le développement de réseaux de capteurs sans fil comporte des enjeux technico-économiques conséquents. Outre les coûts et la maintenance des systèmes de surveillance, le passage au « sans fil » augmente la mobilité et la réutilisabilité des capteurs.
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Quelles solutions, quelles technologies ?
A leur niveau et en collaboration avec les acteurs du secteur, les électroniciens de la Division Métrologie & Instrumentation contribue à l'évolution et à la conversion des systèmes d'instrumentation du Génie Civil au sans-fil.
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Boosté par le marché des télécommunications et la tendance mondiale au nomadisme, l'industrie électronique mondiale offre aujourd'hui une grande variété de senseurs (accéléromètres, jauges, sondes,.), des micro-processeurs de très faible consommation et de taille réduite, des batteries haute performance, des protocoles de communications sans-fil standards.
La DMI se veut un intégrateur de composants ou de modules clé en main qu'elle assemble et programme le plus judicieusement possible vis-à-vis des applications. |
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Microprocesseurs mis en ouvre au sein de la division MI:
- MSP430 (Texas Instrument) : processeur aux nombreuses entrées/sorties et à très faible consommation
- BlackFin BF53xxx (Analog Devices) : Digital Signal Processor : processeur orienté traitement de signal, faible consommation,
- MicaMotes (CrossBow) : système de réseau de petits capteurs MOTE développés par l'université de Berkeley
- Processeurs PIC (Microchip)
- Modules Zigbit (Meshnetics)
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Protocoles sans-fil (Wireless) étudiés :
Afin de développer des systèmes pérennes, réutilisables, à faibles coûts et de maintenances aisées, le LCPC exclut le développement de protocoles de communications propriétaires. Par ailleurs, l'essor wireless mondial propose depuis quelques années des protocoles de communications sans-fils normalisés.
Sur la base d'applications concrètes (cf. ci-dessous), le LCPC a intégré et évalué les protocoles ci-dessous : |
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La plupart de ces protocoles sont désormais disponibles clé en main par le biais de petits modules directement intégrable sur nos cartes électroniques : |
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Module Wifi |
Module Zigbee |
Module BlueTooth |
Exemple d'un capteur Wifi prototype. L'utilisation de protocoles standardisés tels que le Wifi (couche wireless physique du TCP/IP) permet l'intégration des capteurs dans des réseaux haut niveau. Les capteurs sont alors vus et exploités comme les entités communicantes d'un réseau traditionnel d'ordinateurs.
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OS Embarqué et capacité de calculs embarqués : |
Depuis 2007, le LCPC met au point un concept de Plate- Forme Sans-fil
Générique. Cette plate forme a pour but de mettre à disposition des acteurs du
Génie Civil une plate forme de référence modulaire et adaptable d'un projet
d'instrumentation à l'autre.
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La modularité et la généricité de cette plate forme tient dans le fait que la carte de base (dite « carte mère ») intègre un OS embarqué le « uCLinux » (une version de Linux dédiée au monde de l'embarqué). |
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Intégrer un OS tel que « uCLinux » a deux conséquences radicales en termes de coûts vis-à-vis des systèmes d'instrumentation traditionnels :
1°) L'OS prend en charge les spécificités du processeur (un BlackFin537) à travers ses drivers et la programmation du Capteur revient presque à écrire du code C traditionnel. Cette programmation permet un haut niveau d'abstraction et une réutilisabilité des codes.
2°) Le noyau « uCLinux » est le premier niveau de logiciel sur lequel la carte démarre et fonctionne ('boot') avant de démarrer les applications métier. Le noyau prenant en charge TCP/IP (et le Wifi comme moyen physique) et les applications comme « Telnet », le développeur peut prendre la main sur la carte à distance, reprogrammer, corriger ou faire évoluer les applications sans démonter les capteurs de l'ouvrage ! ! ! |
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Notons que le processeur mis en ouvre -un Digital Signal Processor- possède de très nombreux ports d'entrée et de sortie et intègre nativement de riches bibliothèque orientées « traitement de signal ».
La réalisation et la surveillance de structures de plus en plus grandes et de plus en plus complexes amène à envisager des instrumentations de masse et hétérogènes. L'utilisation des bibliothèques orientées signal et constituant l'intelligence des Capteurs ainsi que la mise en réseau et la distribution des calculs constituent répond à cette problématique.
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La synchronisation des Capteurs sans fil :
Le LCPC possède une certaine compétence en matière de synchronisation de Capteur sans fil. Souvent laissé pour compte lors du passage du monde filaire au wireless, la datation des évènements par des capteurs indépendants est souvent un point crucial.
Qu'il s'agisse de surveillance vibratoire ou de propagation d'onde, les modèles scientifiques déployés sur nos systèmes d'instrumentation nécessite souvent des datations (pour comparaison, corrélation) de l'ordre de la milli à la microseconde !
Or les temps de latence des protocoles de communication (Zigbee, TCP/IP) et la volonté de minimiser les flux de communications brident l'utilisation du réseau comme vecteur d'un top de synchronisation.
La Plate Forme Sans fil Générique du LCPC intègre un mini-module GPS dont les signaux de sorite ont été exploités pour assurer non seulement une auto-localisation des Capteurs mais aussi une synchronisation absolue basée sur le top PPS délivré. |
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| En basant la synchronisation du Capteur sur le top PPS, les capteurs LCPC sont synchrones à la µS quelque soit la distance séparant les capteurs et quelque soit leur nombre dans le réseau ! |
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Contacts :
Vincent LE CAM
LCPC - Nantes
Mob: 00 33 (0)6 85 52 99 77
Cyril NGUYEN VAN PHU LCPC - Paris
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