Un réseau de capteurs sans fil est un réseau ad hoc d'un grand nombre de nœuds, qui sont des micro-capteurs capables de recueillir et de transmettre des données d'une manière autonome. La position de ces nœuds n'est pas obligatoirement prédéterminée. Ils peuvent être aléatoirement répartis dans une zone géographique, intitulée « champ de captage » correspondant au terrain concerné pour le phénomène capté.
En plus d'applications civiles, il existe des applications militaires aux réseaux de capteurs (détection d'intrusions, localisation de combattants, véhicules, armes, etc. sur un champ de bataille, sous l'eau, dans l'espace, au sol…) Activity-aware clustering algorithm for wireless sensor networks ieeexplore.ieee.org, juillet 2014..
Principe de fonctionnement Les données captées par les nœuds sont acheminées grâce à un routage multi-saut à un nœud, considéré être un « point de collecte », appelé nœud-puits (ou sink). Ce dernier peut être connecté à l'utilisateur du réseau (via Internet, un satellite ou un autre système). L'usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de données requises et récolter les données environnementales captées par le biais du nœud puits.
Les progrès conjoints de la micro-électronique, microtechnique, des technologies de transmission sans fil et des applications logicielles ont permis de produire à coût raisonnable des micro-capteurs de quelques millimètres cubes de volume, susceptibles de fonctionner en réseaux. Ils intègrent : une unité de captage chargée de capter des grandeurs physiques (chaleur, humidité, vibrations, rayonnement…) et de les transformer en grandeurs numériques, une unité de traitement informatique et de stockage de données, un module de transmission sans fil (wireless).
Ces micro-capteurs sont donc de véritables systèmes embarqués. Le déploiement de plusieurs d'entre eux, en vue de collecter et transmettre des données environnementales vers un ou plusieurs points de collecte, d'une manière autonome, forme un réseau de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network ou WSN pour les anglosaxons).
Historique Jusque dans les années 1990, hormis pour quelques balises radio, pour acheminer les données d'un capteur au contrôleur central il fallait un câblage coûteux et encombrant.
De nouveaux réseaux de capteurs sont apparus dans les années 1990, notamment dans les domaines de l'environnement et de l'industrie, permis par les récents progrès du domaine des techniques sans-fil (wireless). Aujourd’hui, grâce aux récents progrès des techniques sans-fil, de nouveaux produits exploitant des réseaux de capteurs sans-fil sont employés pour récupérer ces données environnementales.
Enjeux Pour le magazine Technology Review du MIT, le réseau de capteurs sans fil est l'une des dix nouvelles technologies qui bouleverseront le monde et notre manière de vivre et de travailler. Il répond à l'émergence ces dernières décennies, de l'offre et d'un besoin accru d'observation diffuse et automatique et de contrôle de phénomènes physiques et biologiques complexes, dans différents domaines : industriels, techniques et scientifique (monitoring de la température, la pression, l'hygrométrie, la luminosité, contrôle qualité d'une chaine de fabrication, etc.), écologie et environnement (surveillance des ultraviolets, de la radioactivité, de polluants tels que les HAP, les métaux lourds, ou de l'ozone ou du NO2 , du risque sismique ou d’explosion d’un volcanG.Werner-Allen, K. Lorincz, M. Ruiz, O. Marcillo, J. Johnson, J. Lees, and M. Welsh, “Deploying a wireless sensor network on an active volcano”, IEEE Internet Computing, vol. 10, pp. 18–25, March 2006., ou encore le suivi étendu d’émissions de CO2 et d'autres gaz à effet de serre), e-santé (suivi de malades, capteurs sur le corps humainM. R. Yuce, “Implementation of wireless body area networks for healthcare systems”, Sensors and Actuators A, vol. 162, pp. 116–129, 2010., veille éco-épidémiologique et épidémiologique, intelligence artificielle en santé transports : contrôle du trafic routier , urbain, ferroviaireK. Chebrolu, B. Raman, N. Mishra, P. K. Valiveti, and R. Kumar, “Brimon : A sensor network system for railway bridge monitoring”, inThe 6th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications and Services (MobiSys), june 2008., portuaire, etc., prévention des accidents, optimisations diverses, l'automatisation des bâtiments domotique, Gestion d’hôpitaux, etc. sécurité (ex : détection et surveillance d'incendies de forêts, d'avalanches, d'ouragans, de risque de défaillance d'équipement de grande envergure (ex barrage, réseau de digue, réseau routier en cas de tremblement de terre, etc.)., usages militaire : l’exemple parfois cité de « poussière intelligente » pouvant protéger des terrains militaires ou la périphérie de navire de guerre semble encore relever de la science-fiction mais l’« intelligence ambiante » et l’« Internet des objets » sont concrètement développés dans de nombreux domaines. etc. Ces réseaux peuvent être évolutifsS.N Pakzad, G.L Fenves, S Kim & D.E Culler (2008), “Design and implementation of scalable wireless sensor network for structural monitoring”, Journal of Infrastructure Systems, vol. 14, pp. 89–101 et dans une certaine mesure faire preuve de capacités de résilience () et d'auto-organisationK. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi, and G. Pottie, “Protocols for selforganization of a wireless sensor network”, IEEE Personal Communications, vol. 7, pp. 16–27, oct. 2000., grâce à la capacités des capteurs ou des nœuds du réseau à « coopérer entre eux »N. Patwari, J. Ash, S. Kyperountas, I. Hero, A.O., R. Moses, and N. Correal, “Locating the nodes : cooperative localization in wireless sensor networks”, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 22, pp. 54–9, jul. 2005. et éventuellement à capter(et conserverR. Kacimi, Techniques de conservation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil. PhD thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse, septembre 2009) de l’énergie dans leur environnement à partir du vent, du soleil, de l’hydrodynamique, via des micro-générateursM. Marzencki, Conception de microgénérateurs intégrés pour systèmes sur puce autonomes. PhD thesis, Université Joseph Fourier, March 2007., à base de systèmes piézoélectriquesS. J. Roundy, Energy Scavenging for Wireless Sensor Nodes with a Focus on Vibration to Electricity Conversion. PhD thesis, University of California, 2003M. Umeda, K. Nakamura, and S. Ueha, “Analysis of the transformation of mechanical impact energy to electric energy using piezoelectric vibrator”, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 35, no. 5B, pp. 3267–3273, 1996N. S. Shenck and J. A. Paradiso, “Energy scavenging with shoemounted piezoelectrics”, IEEE Micro, vol. 21, no. 3, pp. 30–42, 2001A. Erturk, Electromechanical modeling of piezoelectric energy harvesters. PhD thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, novembre 2009. ou autresM. Rahimi, H. Shah, G. Sukhatme, J. Heideman, and D. Estrin, “Studying the feasibility of energy harvesting in a mobile sensor network”, in IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 1, pp. 19–24, septembre 2003C. Kompis and S. Aliwell, “Energy harvesting technologies to enable remote and wireless sensing”, tech. rep., Sensors and Instrumentation Knowledge Transfer Network, june 2008J. Paradiso and T. Starner, “Energy scavenging for mobile and wireless electronics”, IEEE Pervasive Computing, vol. 4, pp. 18–27, mar.2005..
L'enjeu est aussi économique, puisque selon un rapport Wireless Sensor Networks 2012-2022 publié par IDTechEx (société de veille industrielle) le marché des réseaux de capteurs sans fil pesait déjà environ 450 millions de dollars en 2012, ce rapport prévoyant qu'il atteigne 2 milliards de dollars avant 2022. Selon un second rapport, si des normes (y compris éthiques) et des technologies associées adaptées (WirelessHART, ZigBee, standard ISA 11.11a...) apparaissent pour surmonter certains obstacles à leur déploiement, ce marché pourrait être encore plus importantIdTechEx (2014).
Applications La diminution de taille et de coût des micro-capteurs, l'élargissement de la gamme des types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations…) et l'évolution des supports de communication sans fil, ont élargi le champ d'application des réseaux de capteurs. Ils s'insèrent notamment dans d'autres systèmes tels que le contrôle et l'automatisation des chaînes de montage. Ils permettent de collecter et de traiter des informations complexes provenant de l'environnement (météorologie, étude des courants, de l'acidification des océans, de la dispersion de polluants, de propagules, etc.
Applications militaires
Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a été un moteur initial pour le développement des réseaux de capteurs. Le déploiement rapide, le coût réduit, l'auto-organisation et la tolérance aux pannes des réseaux de capteurs sont des caractéristiques qui font de ce type de réseaux un outil appréciable dans un tel domaine.Un réseau de capteurs déployé sur un secteur stratégique ou difficile d'accès, permet par exemple d'y surveiller tous les mouvements (amis ou ennemis), ou d'analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes (détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations). Des tests concluants auraient déjà été réalisés par l'armée américaine dans le désert de Californie.
Applications à la sécurité Les structures d'avions, navires, automobiles, métros, etc pourraient être suivies en temps réel par des réseaux de capteurs, de même que les réseaux de circulation ou de distribution de l'énergie. Les altérations de structure d'un bâtiment, d'une route, d'un quai, d'une voie ferrée, d'un pont ou d'un barrage hydroélectrique (à la suite d'un séisme ou du vieillissement) pourraient être détectées par des capteurs préalablement intégrés dans les murs ou dans le béton, sans alimentation électrique ni connexions filaires. Certains capteurs ne s'activant que périodiquement peuvent fonctionner durant des années, voire des décennies. Un réseau de capteurs de mouvements peut constituer un système d'alarme distribué qui servira à détecter les intrusions sur un large secteur. Déconnecter le système ne serait plus aussi simple, puisqu'il n'existe pas de point critique.La surveillance de routes ou voies ferrées pour prévenir des accidents avec des animaux (roadkill) ou des êtres humains ou entre plusieurs véhicules est une des applications envisagées des réseaux de capteurs.
Selon leurs promoteurs, ces réseaux de capteurs pourraient diminuer certaines failles de systèmes de sécurité et mécanismes de sécurisation, tout en diminuant leur coût. D'autres craignent aussi des dérives sécuritaires ou totalitaires si l'usage de ces réseaux n'est pas assujetti à des garanties éthiques sérieuses.
Applications environnementales Un réseau de capteur sans fil a été testé en Espagne (en laboratoire puis dans une rivière de l'Est de l'Espagne) pour le suivi en continu du taux de nitrates d'un cours d'eau. Il est associé à un système expertV. Capella, A. Bonastre, R. Ors & M. Peris (2014) “A step forward inthe in-line river monitoring of nitrate by means of a wireless sensornetwork”, Sensors and Actuators, B: Chemical, vol. 195, pp. 396–403 (résumé). Un triple capteur redondant modulaire permet pour chaque capteur d'améliorer la fiabilité du système, sans grands changements de coûts ou de consommation d'énergie. Ce type de réseau pourrait à l'avenir détecter, quantifier, dater, cartographier les pollutions azotées de l'eau et d'identifier leur source géographique, par exemple dans le cadre de l'application de la directive Nitrate, notamment en zone vulnérable.
Capteurs sans fil et miniaturisés (physico/chimiques) :