DEPARTEMENT D'INFORMATIQUE MEMOIRE Présenté par HOUACHE Noureddine Pour obtenir ...

126 Pages·2012·3.87 MB·French

DEPARTEMENT D'INFORMATIQUE
MEMOIRE
Présenté par
HOUACHE Noureddine
Pour obtenir
LE DIPLOME DE MAGISTER
Spécialité Informatique
Option : Analyse, commande et surveillance des systèmes industriels
Intitulé :
Conception et implémentation d’un système de surveillance des feux de forêts basé sur les
réseaux de capteurs sans fils.

Devant les membres du jury :
Président du jury : K. BOUAMRANE, MCA Université d’ORAN.
Encadreur : L. SEKHRI, MCA Université d’ORAN.
Co-Encadreur : B. KECHAR, MCA Université d’ORAN.
Examinateur : G. BELALEM, MCA Université d’ORAN.
Examinateur : B. ATMANI, MCA Université d’ORAN.

Promotion 2011/2012
Remerciements

Remerciements

La rédaction de ce mémoire m’a permis de rencontrer des gens nouveaux, qu’ils m’ont apporté
beaucoup d’aide et de soutien dans mes travaux de recherche et que je souhaite aujourd’hui les remercier
vivement.
Tout d’abord, je tiens à remercier mes encadreurs Mr L. SEKHRI et Mr B. KECHAR, qui ont été en
grande partie à l’origine de mon intérêt et de mon engouement pour les réseaux de capteurs sans fil et
surtout pour tout ce qui est lié à la manipulation pratique des capteurs et à leur programmation.
Je remercie tout particulièrement Mr B. KECHAR pour son aide, ses orientations et ses conseils
rigoureux et surtout ses remarques constructives sur le plan théorique et pratique qui m’ont permis
largement de mener mes travaux de recherches sans grande difficulté, malgré que ce domaine de
recherche est tout à fait nouveau pour moi.
Je remercie vivement Mr K.BOUAMRANE pour avoir accepté de présider le jury de ce mémoire.
Mes remerciements s’adressent aussi à Mrs G. BELALEM, B. ATMANI, qui ont accepté de juger ce
modeste travail.
Les premiers cours que j’avais pu suivre avec eux ont immédiatement éveillé ma curiosité et m’ont
donné envie d’approfondir ce domaine au point de m’amener aujourd’hui à rédiger un mémoire de
Magister traitant ce sujet.
Au cours du cursus de Magister, d’autres personnes ont fortement influencé mes connaissances sur les
réseaux quant à l’orientation de mes recherches et la réalisation de ce travail. Je souhaite donc ici saluer
les gens du CERIST (Ben Aknoun, Alger) Mr Aoudjaout abdelraouf. Je remercie aussi les gens du
service de conservations des forêts et le service météorologique de la wilaya d’ORAN qui m’ont facilité
l’accès aux informations techniques dans le domaine des feux de forêts.
Je tiens à remercier aussi tous les enseignants du département d’informatique ainsi que les différents
responsables académiques et pédagogiques de l’université d’ORAN (IGMO) qui ont participé de prés ou
de loin à ma formation universitaire durant le cycle de poste-graduation.

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Dédicace

À mes parents qui se sont sacrifié pour que j’aille aussi loin que possible dans
mes études.
À ma femme et ma fille, et tous mes frères et sœur ainsi qu’à tous les membres
de ma famille.
Enfin, je n’oublie pas mes amis et collègues.

iii
Table des matières

Table des matières
TABLE DES MATIERES ...................................................................................................................................... IIV
LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................................. VVIII
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................................................. IX
LISTE DES ABREVIATIONS ................................................................................................................................ XI
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................................................ 1
PARTIE I : ETAT DE L’ART
CHAPITRE1 : LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL : PRESENTATION ET APPLICATIONS ................ 5
1.1 INTRODUCTION .......................................................................................................................................... 5
1.2 ORIGINE, DEFINITION DES RCSF ............................................................................................................ 6
1.3 CAPTEURS SANS FIL ARCHITECTURE ET TOPOLOGIE ...................................................................... 8
1.3.1 ARCHITECTURE MATERIELLE ...................................................................................................................... 8
1.3.2 ARCHITECTURE PROTOCOLAIRE ............................................................................................................... 11
1.3.3 ARCHITECTURE LOGICIELLE ..................................................................................................................... 18
1.3.4 ARCHITECTURE DU RESEAU ...................................................................................................................... 20
1.4 LES RCSF .................................................................................................................................................... 23
1.4.1 PRESENTATION ......................................................................................................................................... 23
1.4.2 PROTOCOLE DE COMMUNICATION DES RCSF: ZIGBEE ............................................................................. 24
1.4.2.1 Routage niveau réseau ...................................................................................................................... 24
1.4.2.2 Routage niveau applicatif ................................................................................................................. 24
1.4.3 PROBLEMATIQUES DES RCSF ................................................................................................................... 26
1.4.3.1 La tolérance de fautes ....................................................................................................................... 26
1.4.3.2 L'échelle............................................................................................................................................ 26
1.4.3.3 Les coûts de production .................................................................................................................... 26
1.4.3.4 L'environnement ............................................................................................................................... 26
1.4.3.5 La topologie de réseau ...................................................................................................................... 26
1.4.3.6 Les contraintes matérielles ................................................................................................................ 26
1.4.3.7 Les médias de transmission .............................................................................................................. 27
1.4.3.8 La consommation d'énergie .............................................................................................................. 27
1.5 APPLICATION DES RESEAUX DE CAPTEURS ..................................................................................... 27
1.5.1 DECOUVERTES DE CATASTROPHES NATURELLES ...................................................................................... 27
1.5.2 DETECTION D'INTRUSIONS ........................................................................................................................ 27
1.5.3 APPLICATIONS METIER ............................................................................................................................. 27
iv
Table des matières

1.5.4 CONTROLE DE LA POLLUTION ................................................................................................................... 28
1.5.5 AGRICULTURE .......................................................................................................................................... 28
1.5.6 SURVEILLANCE MEDICALE........................................................................................................................ 28
1.5.7 CONTROLE D'EDIFICES .............................................................................................................................. 28
1.5.8 APPLICATIONS COMMERCIALES ................................................................................................................ 28
1.6 CONCLUSION ............................................................................................................................................ 29
CHAPITRE 2 : ROBLEMATIQUES DES FEUX DE FORETET APPROCHES DE DETECTION ..................... 30
2.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 30
2.2 PYROLOGIE FORESTIERE ....................................................................................................................... 30
2.3 DEFINITION DU FEU ................................................................................................................................ 31
2.4 FEUX DE FORETS ..................................................................................................................................... 31
2.5 LA COMBUSTION ..................................................................................................................................... 31
2.6 PRESENTATION DES FORETS DE LA VILLE D’ORAN – OUEST D’ALGERIE ................................. 31
2.7 ÉVOLUTION DES SYSTEMES FORESTIERS DE DETECTION D'INCENDIE ..................................... 32
2.8 FIRE_SENSOR_SOCK................................................................................................................................ 35
2.9 ÉTUDE DES PERFORMANCES DES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL ....................................... 36
2.10 CONCEPTION DU SYSTEME DE DETECTION DES FEUX DE FORET ............................................... 40
2.11 L’ETUDE COREENNE ............................................................................................................................... 40
2.12 L’ETUDE CANADIENNE .......................................................................................................................... 41
2.12.1 L’INDICE DU COMBUSTIBLE LEGER (ICL) [FFMC : FINE FUEL MOISTURE CODE] ................................ 43
2.12.2 L’INDICE DE L’HUMUS (IH) [DMC : DUFF MOISTURE CODE] ............................................................... 43
2.12.3 L’INDICE DE SECHERESSE (IS) [DC : DROUGHT CODE] ........................................................................ 43
2.12.4 L’INDICE DE PROPAGATION INITIALE (IPI) [ISI : INITIAL SPREAD INDEX] ............................................ 44
2.12.5 L’INDICE DU COMBUSTIBLE DISPONIBLE (ICD) [BUI : BUILD UP INDEX] ............................................. 44
2.12.6 L’INDICE FORÊT-MÉTÉO (IFM) [FWI : FIRE WEATHER INDEX] ........................................................... 44
2.13 ALGORITHME DE DETECTION CANADIEN ......................................................................................... 46
2.14 CONCLUSION ............................................................................................................................................ 47
PARTIE II : CONTRIBUTIONS
CHAPITRE 3 : CONCEPTION ET OUTILSD’IMPLEMENTATION ................................................................... 49
3.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 49
3.2 APPROCHE DE DETECTION DES FEUX DE FORETS ADOPTEE ....................................................... 49
3.2.1 MODULE DE COLLECTE DE DONNEES ........................................................................................................ 50
v
Table des matières

3.2.2 MODULE DE COMMUNICATION ................................................................................................................. 50
3.2.3 MODULE D’ANALYSE ................................................................................................................................ 50
3.3 AMELIORATION DE LA METHODE CANADIENNE ............................................................................ 50
3.3.1 LA VERSION ORIGINALE ............................................................................................................................ 50
3.3.2 MODIFICATIONS APPORTES A LA METHODE CANADIENNE ........................................................................ 50
3.3.2.1 Hypothèses ....................................................................................................................................... 51
3.4 AMELIORATIONS DE LA METHODE COREENNE ............................................................................... 51
3.4.1 LA VERSION ORIGINALE ............................................................................................................................ 51
3.4.2 MODIFICATIONS APPORTES A LA METHODE COREENNE ............................................................................ 51
3.4.2.1 Hypothèses ....................................................................................................................................... 51
3.5 MODELISATION UML DE L’ENVIRONNEMENT D’EVALUATION ET DE TEST ............................ 52
3.5.1 DIAGRAMMES DE SEQUENCE .................................................................................................................... 52
3.5.1.1 Configuration et déploiement ........................................................................................................... 52
3.5.1.2 Récupération des données ................................................................................................................. 53
3.5.2 DIAGRAMME DE CAS D’UTILISATION ........................................................................................................ 54
3.6 L’ENVIRONNEMENT D’EVALUATION ET DE TEST ........................................................................... 55
3.6.1 LA MIB520 (SINK OU STATION DE BASE) ................................................................................................. 55
3.6.1.1 ISP (In System Processor) ................................................................................................................ 57
3.6.1.2 Programmation des capteurs par la MIB520 ..................................................................................... 57
3.6.1.3 Reset ................................................................................................................................................. 57
3.6.1.4 JTAG ................................................................................................................................................ 57
3.6.1.5 Alimentation ..................................................................................................................................... 57
3.6.1.6 La station de base ............................................................................................................................. 58
3.6.2 LA CARTE MPR2600 (MICAZ) ................................................................................................................. 58
3.6.2.1 Schéma et diagramme bloc du MPR2600 / MICAz .......................................................................... 59
3.6.2.2 Radio ................................................................................................................................................ 60
3.6.2.3 Flash Data Logger et Serial ID Chip ................................................................................................. 60
3.6.2.4 Atmega128 ....................................................................................................................................... 60
3.6.2.5 La batterie ......................................................................................................................................... 61
3.6.3 CARTE DE CAPTURE MTS400 ................................................................................................................... 62
3.6.3.1 Structure de paquet ........................................................................................................................... 63
3.7 PRESENTATION DES LOGICIELS UTILISES ......................................................................................... 63
3.7.1 OUTILS DE VISUALISATION ....................................................................................................................... 63
3.7.1.1 Vérifier l'installation de PostgreSQL ................................................................................................ 64
3.7.1.2 Visualisation des onglets .................................................................................................................. 66
3.7.1.3 Processus d’obtention des données en live par les capteurs .............................................................. 68
vi
Table des matières

3.7.2 OUTILS DE RECUPERATION DES DONNEES ................................................................................................. 68
3.7.2.1 Sous l’environnement Windows ....................................................................................................... 68
3.7.2.2 Sous l’environnement Linux ............................................................................................................. 69
3.7.3 OUTILS DE PROGRAMMATION ................................................................................................................... 70
3.7.4 OUTILS DE SUPERVISION ........................................................................................................................... 72
3.7.5 OUTILS DE CONFIGURATION ..................................................................................................................... 73
3.7.6 OUTILS DE COMPILATION .......................................................................................................................... 75
3.7.7 OUTILS DE SIMULATION ............................................................................................................................ 76
3.8 PROGRAMMATION DES CAPTEURS ..................................................................................................... 77
3.9 CONCLUSION ............................................................................................................................................ 78
CHAPITRE 4 : MPLEMENTATION ET TESTS .................................................................................................... 79
4.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 79
4.2 IMPLEMENTATION DE LA METHODE CANADIENNE ....................................................................... 80
4.3 IMPLEMENTATION DE LA METHODE COREENNE ............................................................................ 80
4.4 ETUDE DETAILLEE ET CONCEPTION DES SYSTEMES ..................................................................... 81
4.4.1 LA METHODE CANADIENNE ...................................................................................................................... 81
4.4.1.1 Le cas pratique .................................................................................................................................. 82
4.4.1.2 Résultat de la simulation ................................................................................................................... 84
4.4.2 LA METHODE COREENNE .......................................................................................................................... 87
4.4.2.1 Le cas pratique .................................................................................................................................. 87
4.4.2.2 Résultats de simulation ..................................................................................................................... 88
4.5 COMPARAISON ENTRE LES DEUX SYSTEMES .................................................................................. 91
4.5.1 LE TEMPS CONSOMME ............................................................................................................................... 91
4.5.1.1 Par la cpu .......................................................................................................................................... 91
4.5.2 L’ENERGIE ................................................................................................................................................ 92
4.5.2.1 Par la cpu .......................................................................................................................................... 92
4.5.2.2 Par la radio ........................................................................................................................................ 93
4.5.2.3 Cas général ....................................................................................................................................... 93
4.5.3 LA PRECISION ........................................................................................................................................... 93
4.6 CONCLUSION ............................................................................................................................................ 94
ANNEXE A : TINYOS ET NESC ........................................................................................................................... 97
ANNEXE B : INDICES DE LA METHODE CANADIENNE .............................................................................. 102
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................................. 111
WEBOGRAPHIE ................................................................................................................................................... 114
vii
Liste des tableaux

Liste des Tableaux

Tableau 1 Comparaison des études d'un point de vue fonctionnel 2
Tableau 1.1 Comparaison de quelques plates-formes de nœuds capteurs 11
Tableau 1.2 Différentes technologies au niveau physique 14
Tableau 2.1 Mode de consommation énergétique 39
Tableau 2.2 Indice de danger de feu de forêt coréen 41
Tableau 2.3 Propriétés des trois indices d’humidité des combustibles 44
Tableau 2.4 Inflammation potentielle par rapport à la valeur ICL 45
Tableau 2.5 Le danger potentiel d’incendie d’après l’indice IFM 45
Tableau 3.1 Aspect technique de la MIB520 56
Tableau 3.2 Caractéristiques de quelques capteurs les plus courants 59
Tableau 3.3 Caractéristiques de MPR2600 60
Tableau 3.4 Alimentation du MPR2600 61
Tableau 3.5 Consommation d’énergie sur un MPR2600 61
Tableau 3.6 Caractéristiques du MTS400 62
Tableau 3.7 Structure du paquet MTS400 63
Tableau 3.8 Définition des champsd’un paquet MTS400 63
Tableau 4.1 Comparaison entre le temps de réponse des deux systèmes 92
Tableau 4.2 Comparaison entre la consommation d’énergie (CPU) des deux systèmes 92
Tableau 4.3 Comparaison entre la consommation d’énergie (radio) des deux systèmes 93

viii
Liste des figures

Liste des figures
Figure 1.1 Composants de base d’un nœud capteur (en trait plein) et composants optionnels
(en pointillé) 10
Figure 1.2 Vue protocolaire d’un nœud capteur 13
Figure 1.3 Classification des protocoles de routage 16
Figure 1.4 Architecture logiciel d’un nœud capteur 19
Figure 1.5 Interconnexion d’un RCSF avec Internet 20
Figure 1.6 Différentes architectures pour un réseau d’acquisition 21
Figure 1.7 Différents types de Sink dans un RCSF : (a) Un nœud capteur, (b) Système mobile
plus puissant, (c) Point d’accès relié à un autre réseau 22
Figure 1.8 Réseau de capteur sans fil 23
Figure 1.9 Applications des RCSF 29
Figure 2.1 Incendie de la forêt du lion en 2009 31
Figure 2.2 Schéma du National Fire Danger Rating System 34
Figure 2.3 Structure de D-FLER 35
Figure 2.4 Protection thermique d’un capteur 35
Figure 2.5 Exemple de protocole d'inondation ALARME-SET 37
Figure 2.6 Recherche d’un nœud capteur 38
Figure 2.7 Structure de l’IFM 42
Figure 2.8 Différentes formes de l’IFM 46
Figure 2.9 Algorithme Canadien de détection des feux de forêt 47
Figure 3 Schéma bloc de l’approche proposée 49
Figure 3.1 Structure de l’indice forêt météo adapté 51
Figure 3.2 Diagramme de séquence modélisant le déploiement et la configuration 52
Figure 3.3 Diagramme de séquence modélisant le déploiement/configuration des capteurs et
le relais via la radio 53
Figure 3.4 Diagramme de séquence modélisant la collecte des données en mode mono saut 53
Figure 3.5 Diagramme de séquence modélisant la collecte des données en mode multi saut 54
Figure 3.6 Diagramme de cas d’utilisation qui modélise le raisonnement suivie 54
Figure 3.7 Schéma simplifiée du banc d’essai 55
Figure 3.8 Architecture interne du MIB520CB 56
Figure 3.9 MIB520CB attaché avec le capteur 56
Figure 3.10 MPR2600 avec antenne standard 58
Figure 3.11 Schéma fonctionnelle de MPR2600 59
Figure 3.12 L’onglet Mode du MoteView 64
ix
Liste des figures

Figure 3.13 L’onglet Gateway du MoteView 65
Figure 3.14 L’onglet Sensor Board du MoteView 65
Figure 3.15 MoteView : Données temps réel de 4 capteurs branchés avec la station 66
Figure 3.16 Présentation des données sous forme de courbes 67
Figure 3.17 Présentation graphique des capteurs 67
Figure 3.18 Récupération des données par Cygwin 69
Figure 3.19 Réservation du port série pour l’écoute 69
Figure 3.20 Exemple de lectures brutes envoyées par les capteurs 70
Figure 3.21 Vue des paquets reçus d’un nœud capteur par Xsniffer 72
Figure 3.22 Le bouton program Mote 73
Figure 3.23 Fenêtre de programmation des capteurs 73
Figure 3.24 Le choix de la station de base 74
Figure 3.25 Vue de Programmer’s Notepad 75
Figure 3.26 Simulation d’énergie par Avrora 77
Figure 4.1 Schéma bloc résume la méthodologie suivi 79
Figure 4.2 Code source NesC pour mesurer l’humidité 80
Figure 4.3 Code source NesC pour mesurer la température 80
Figure 4.4 Code source NesC pour mesurer la luminosité 81
Figure 4.5 Commande de chargement d’un capteur 82
Figure 4.6 Réception des données brutes 83
Figure 4.7 Réception des données formatées en décimal 84
Figure 4.8 Calcul de l’indice IFM par une autre manière 84
Figure 4.9 Simulation de l’énergie par avrora 86
Figure 4.10 Mesure du nombre de cycle de cpu 86
Figure 4.11 Mesure du nombre de cycle de la radio 87
Figure 4.12 Réception des données brutes 87
Figure 4.13 Réception des données formatée en décimal 88
Figure 4.14 Calcul de l’indice coréen par une autre manière 88
Figure 4.15 Simulation de l’énergie 89
Figure 4.16 Mesure du nombre de cycle du cpu 90
Figure 4.17 Mesure du nombre de cycle de la radio 90
Figure 4.18 Méthodologie adopté pour l’étude comparative 91
Figure 4.19 Temps consommé par la cpu 91
Figure 4.20 Consommation d’énergie par les deux systèmes 93
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