Réseaux de capteurs sans fil et leurs applications dans les pays émergents: cas de l'algérie

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1 30/6-3/7, École d été Internationale - Bejaia - Algérie Réseaux de capteurs sans fil et leurs applications dans les pays émergents: cas de l'algérie Dr. KECHAR Bouabdellah Enseignant chercheur Département d Informtaique Faculté des Sciences Exactes et Appliquées Université d Oran Laboratoire de Recherche en Informatique Industrielle et Réseaux (RIIR) Equipe Réseaux et Multimédia

2 Plan Introduction (RCSF) Economie d énergie Approches classiques Mobilité Applications ALGERIE Feux de forêts ITS (port, trafic routier) Surveillance des frontières Monitoring des infrastructures publiques Agriculture, serres Autres applications Sécurité Capacité limité L aspect économique Danger de maladie Horizon 2050 Verrous Conclusion 2

3 Intoduction RCSF 3

4 RCSF Réseaux de capteurs sans fil Wireless Sensor Networks Technology (WSN) Advances Nano Technology Micro-ElectroMechanical systems Wireless Technology 4

5 RCSF (suite) Main frame RFID Vers? Nœud capteur scalaire de 1ere génération Miniaturisation Economie d énergie Video Faible coût Nouvelles applications Scalaire nouvelle génération 5

6 RCSF : Pratique Simulateurs à événements discrets Objectif: Évaluer et valider de nouvelles idées en réseau Comment? Home simulators (C++, JAVA,.) Problème de crédibilité!! Simulateurs Open source (NS2, Omnet++/Castalia, Jsim, Toosim, ) Ajouter de nouveaux codes plus dificile Modifier un code exsistant Moins difficile (mais pas toujours!!) Simulateurs propriétaires (Opnet-Full edition) Sécurisé mais très cher (licence exigée) 6

7 RCSF: Pratique Objectif: conduire des expérimentations sur le terrain des idées validées par simulation Banc d essai Privé Publique - Utilisation personnelle (locale) - Utilisation publique via Internet - Nbre de Noeuds limité - Nbre de nœuds important (Starter-kit, Class-room-kit, professional kit) - En général, localisé dans des universités -ex: Mica-Z, SunSpot, Waspmote, Jenic,.. -Ex: (voir la table) 7

8 RCSF: Pratique (suite) Banc d essai privé MICA-Z based Sun Spot based 60 circuits capteurs Waspmote based 8

9 Banc d essai publique RCSF: Pratique (suite) WSN Testbed #nodes heterogeneity DES-Testbed 95 FRONTS 21 Kansei 260 x KanseiGeni 700 x MIRAGE/Intel 100 MoteLab 190 NetEye 130 Senslab 1024 TutorNet 104 TWIST 204 VineLab 48 WISEBED 750 W-iLab.t Testbed 200 federation SW-Reuse Web site USA x x x x x x x FR x x EUROPE 9

10 Economie d énergie L énergie est un problème clé dans la conception d un RCSF Les applications exigent que la durée de vie du réseau soit de l ordre de plusieurs mois ou même des années Si les nœuds capteurs restent en permanence en activité, leur batteries peuvent fonctionner juste pour quelques jours. Approches classiques Extraction de l énergie environmentale (Solaire, vibrationnelle, ) Conservation d énergie (Duty Cycle paradigm Sleep/Wakeup) Protocoles/Applications à économie d énergie (MAC, Network/Compression, aggregation) Optimisation inter-couches (Cross-layer optimization) Nouvelle approche : Mobilité 10

11 Economie d énergie : Mobilité Pourquoi ceci est possible maintenant? Électronique Progrès en Robotique et en Mobilité d un nœud capteur est due: Module de mobilité intégré Nœud capteur est embarqué dans un objet mobile (soldat, voiture, camion, animal,..) Mobilité Hard Forces externes (vent, inondation, ) Mobilité Soft Sink statique? X X X Problème X Les nœuds proches du Sink consomment rapidement leur énergie 11

12 Economie d énergie : Mobilité du Sink Solutions possibles Plusieurs Sink statiques (équilibrage de charge) Sink statique et noeuds capteurs mobiles?? (Réalisme!!!) Sink statique avec collecteur/relais mobile Sink mobile Objectif: minimiser la consommation d énergie des nœuds capteurs et étendre la durée de vie du réseau 12

13 Economie d énergie : Mobilité Exemple: Nœud collecteur mobile Network Plusieurs problématiques liées à la mobilité 13

14 Applications (cas de l Algérie) Feux de forêts

15 Problematic & Motivation Forests are vital element (ecosystem, air purity, economy, water resources, ) But forests are confronted with various threats: Fires Causes of forest fires (USA) Forest fires La foudre

16 Problematic & Motivation (Cont.) Forest fires Causes of forest fires (USA) Causes of forest fires (Mediterranean regions)

17 Problematic & Motivation (Cont.) Causes of forest fires (USA) Forest fires World: 13 Millions Hectares / year Algeria: 78 Hectares / 2011 Causes of forest fires (Mediterranean regions) Negative effects in social, economic and ecological matters Increase the gas emission 20% CO2 Reduce the cover of tree (desertification) Loss of life (firefighter, people) Cause Natural disasters such as flood, avalanche and landslip to be experienced more frequently

18 Problematic & Motivation (cont.) 29 August August August 2012 Summer Period : Réseaux temperature 40 to 50 degrees de capteurs sans fil et leur impact sociétal et industriel

19 Problematic & Motivation (Cont.) Conventional detection methods Method Used equipments Guard towers Towers, binoculars Drawbacks Example -Inefficient due to the unreliability of human observation Osborne fire finder Satellite imagery Card topographic Satellite -Difficult life conditions -Time of day -Weather conditions (cloud) -Light reflections -Smoke from legitimate sources -Analyzing infrared images is a difficult task MODIS, AVHRR

20 Solution to use ICT to Deal with this problem In Particular using: Wireless Sensor Networks Technology (WSN) to detect early forest fire

21 Objective: Early Forest fires Detection Existing Works USA (2005) Portugal (2007) Turkey (2009) Wildfire Monitoring using WSN Fire monitoring using WSN Forest Fire Sensing and detection Australia (2009) Surveillance System based on WSN Canada (2006) China(2012) Guangdong S.Corea (2006) Forest fire surveillance System based WSN that shorten the fire detection (<5mn) Surveillance System based on WSN

22 Design of WSN based detection system Korean approach Solar radiation of the day(mj/ ) 1774,94 Y 6,87 (0,64 * P) (0,15 * EF ) CS Danger Index Precipitation ( ) Effective humidity(%) EF (1 r )[ H 0 (r * H1 ) (r 2 * H 2 ) (r 3 * H 3 ) (r 4 * H 4 )] Where r = 0,7 Relative humidity of last five days Y Danger Index Fire danger levels State and color Extreme (red) High (yellow) Under 60 Low (Blue) 16 40

23 Design of WSN based detection system (Cont.) Canadian approach : FWI Structure

24 Design of WSN based detection system (Cont.) Canadian approach : IFM Values FWI Value range Potential Danger Low 0-5 Fire will be self extinguishing Moderate 5-10 Easily suppressed with hand tools High Power pumps and hoses are needed Very High Difficult to control Extreme 30+ Immediate and strong action is critical FWI= 14 FWI = 24 FWI = 34

25 Adopted Methodology QoS Parameters (Reliability, Real time, Security) Forest Fire Detection Event Data Collection Module Alarm generation Analysis Methods Routing Communication Module Decision Making Analysis Module

26 Experimentation Used Testbed : Hardware Processing Sink Analysis Result (JAVA) Gateway Sensor Scalar/relay MicaZ (Crossbow ) NesC, TinyOS (Tymo, CTP :

27 Test and Analysis Row data transmission to the user PC Method Experimentation Result Used Format Canadian Kit MicaZ under Linux Not formatted Numerical

28 Test and Analysis Row data transmission To the user PC (Cont.) Method Experimentation Result Used Format Canadian Kit MicaZ under Linux Not formatted Graphic Temp (C) Humid (%) FWI

29 Test and Analysis Row data transmission To the user PC (Cont.) Method Experimentation Result Used Format Korean Kit MicaZ under Linux Non formatted Numerical

30 Test and Analysis Row data transmission To the user PC (Cont.) Method Experimentation Result Used Format Korean Kit MicaZ under Windows Formatted Graphic 1200 humid [%] 1000 lightc [lux] Korean Y

31 Test and Analysis Comparative Steady

32 Test and Analysis Comparative steady (Cont.)

33 Test and Analysis Comparative steady (Cont.) Stability of the two approaches

34 Test and Analysis Best routing protocol for WSN when using Canadian approach (CTP, TYMO)

35 Discussion WSN is a promising Green technology to early detection of forest fire Effectiveness of the Canadian approach in terms of energy consumption and algorithmic complexity Suitability of the Canadian approach to the context of our country As future work: Real deployment problems (overage, connectivity, routing,.) Multi-modal detection of forest fire : using heterogeneous sensors (Scalar, video) What should we do to prevent the sensors do not burn or even if they burn the network must continue to operate?. holes???

36 Applications (cas de l Algérie) Monitoring des infrastructures publiques Pont Zabana - Oran 36

37 Monitoring des Ponts Actions affectant les ponts * Actions dues au trafic routier - vibrations - profils de la chaussée * Actions climatiques - Température - Humidité - Vent * Actions accidentelles - Chocs de véhicules routiers - Séismes - Incendies 37

38 Monitoring des Ponts Capteurs utilisés L accéléromètre Capteur de mesure de tension Capteur de température Capteur de mesure de vent Inclinomètre Capteur de déplacement Capteur et sismographe de déplacement de joint de dilatation, etc

39 Monitoring des Ponts o Calcul de la flèche p: charge unitaire l: la longueur de travée I: moment d inertie de la section transversale E: module d élasticité longitudinale Charge Déplacement engendré par la charge: C est la flèche 39

40 Monitoring des Ponts Exemple expérimental Déplacement Accélération (m/s2) Déplacacement 30 Sueil Temps(s) 40

41 Monitoring des Ponts RCSF assure une surveillance H24-7/7 Déploiement des nœuds est déterministe Transport des données collectées est parfois problématique (Câble, satellite, cellulaire,??) Solution multimodale (scalaire, vidéo) est possible fiabilité Traitement des données collectées 41

42 Applications (cas de l Algérie) ITS (Intelligente Transportation Système) 42

43 ITS (I) (III) (II) 43

44 ITS: Sécurité routière Chaque année, les accidents de la route font plus d 1,2 million de morts et environ 50 millions de blessés dans le monde. Il s'agit d'un important problème de santé publique faisant peser un lourd fardeau sur les systèmes de santé (Source : OMS, 2009) Véhicule de demain

45 ITS: Sécurité routière (suite) Communications intra-véhicule (capteurs embarqués) Communications inter-véhicules Communications Véhicule-station de base Communication Capteurs-véhicules/Capteurs-station de base Objectif: - Sécurité (diminuer les accidents) - Confort (Accès internet, multimédia, ) 45

46 ITS: Gestion des conteneurs dans des ports Avant (TCC) TCC: Terminal à Conteneurs Classique TCA: Terminal à Conteneurs Automatisé Algérie: perte de 4 Mrs de $ chaque année!!! Objectifs Actuellement (TCA) Améliorer l efficacité du trafic Optimiser les espaces de chargement/déchargement Minimiser le temps de chargement /déchargement des navires Assurer une meilleure gestion de stockage des conteneurs Gérer efficacement le SI du Port 46

47 ITS: Gestion des conteneurs dans des ports IAV Source : InTraDE IAV RobuTainer 47

48 ITS: Gestion des conteneurs dans des ports (suite) Architecture d IAV Communication Localization system Interfaces (GPS) CBS RF Confined base station RF Transceiver (RFID Reader) Micro controller unit Radio Identification Container (RFID tag) Control Another IAV Video Image Actuators Sensors Scalar SDRAM Flash memory Energy Audio A 48

49 ITS : Gestion des conteneurs dans des ports (suite) Terminaux à conteneurs Automatisés (TCA) Sea Containership Buffer area Loading/unloading bay Quay crane Loaded IAV Empty IAV Marshalling yard Reserved IAV CBS Yard area Marshalling yard Block Automated Yard crane Freight container Transfer point CBS IAV mobility trajectory Human interface Wireless communication link A Typical Layout of an automated Port Container Terminal CBS Data base update IAV node Types de communications Transport network B CBS Wireline/Wireless communication IAV node Wireless communication Wireless communication RFID-based Container A RFID communication Container terminal administration 49

50 ITS: Gestion de fret Surveillance à distance du transport de la merchandise Monitoring center HA: Home agent AR: Access Router MR: Mobile router : Sensor Internet Home network AR HA Bi-dire ctio Visited network nal Tu nnel MR MR NEMO NEMO Direction of travel 50

51 Applications (cas de l Algérie) Surveillance des frontières 51

52 Surveillance des frontières ཞ ཝ ཟ ཛྷ ➀ འ

53 Surveillance des frontières (suite) Espace de déploiement 53

54 Surveillance des frontières (suite) Challenges Identification des nœuds de frontière Economie d énergie (Duty cycle, redondance) Ordonnancement des nœuds Qualité de surveillance Gestion des «holes» physiques et logiques Routage cross layer Sécurité 54

55 Applications (cas de l Algérie) Autres applications 55

56 Suivi médical à distance Accès Direct Capteurs biométriques Accès via un réseau de transport 56

57 Domotique/Immotique Fuite de gaz (explosion, Asphyxie) Inondation Economie d électricité (capteur de présence) Personnes âgées/handicapés Confort 57

58 Domotique/Immotique Source: Ali Haktan IŞILAK SMART HOME APPLICATIONS FOR DISABLED PEOPLE BY USING WIRELESS SENSOR NETWORK, 2010

59 Agriculture/Serres Serres agricultures Agriculture 59

60 Sécurité des infrastructures télécom Problème de vol de câbles (Algérie Télécom) Solution actuelle 60

61 L environnement Industriel 4

62 4 Exemple sur le plan pratique USB/ câble de programmation MPI/DP de Siemens L armoire Station Opérateur

63 4 Exemple sur le plan pratique L Automate : S7-400 Périphérie centralisée L armoire StationPériphérie déportée

64 RCSF: Horizon 2050? Le monde se prépare (USA, UE, Chine, Japan,.) projets nationaux/internationaux (Ex: SmartSantander : 7% de la population de +65 ans 2050 : 16% (Algérie???) 75 % des gens vont vivre dans les grandes villes (Qualité de la vie?) Nouveaux paradigmes : «Smart City» «Smart Building».. Déploiement de la capture à grande échelle (Ubiquitous Sensing) (PDA, IPAD, Iphone, tablette,..) 64

65 Les verrous 65

66 Les verrous Sécurité : attaques réseaux Capacité limitée : RAM, μcontrôleur, Batterie, BP L aspect économique: même 1$/nœud?? Danger de maladie (radio): Reste à prouver!! 66

67 Conclusion 67

68 Conclusion RCSF est une technologie «verte» du futur Plusieurs conceptions et prototypages, moins de concrétisations pratiques RCSF est une technologie de développement pour les pays en voie de développement (Démarche adoptée au sein de notre laboratoire LRIIR) L Algérie doit se préparer pour le futur (commission adhoc pour le développement d applications spécifiques de RCSF créatrices de richesse et d emplois durables) Plusieurs problématiques de recherches restent à explorer d avantage: Économie d énergie QoS Mobilité Transport multimedia Sécurité.. Les RCSF doivent sortir des Labs pour devenir une réalité quotidienne 68

69 SEIT June 2013 Halifax Canada (Elsevier) Using Wireless Sensor Networks for Reliable Forest Fires Detection Science and Information Conference 2013 IEEE October 7-9, 2013 London, Data collection in WSN with mobile Sink for supervision applications Conférence EUSPN 2013 Niagara Falls Octobre Elsevier Redundancy and criticality based scheduling in Wireless Video Sensor Networks for monitoring critical areas Conférence Paris Saconet Juin 2013 IEEE A Time Petri Net model for Wormhole Attack Detection in Wireless Sensor Networks CIIA 2013 Saida Algérie 4-6 Mai 2013 (Springer) Coverage Enhancement in Wireless Video-Based Sensor Networks with rotating capabilities

70 Remarques / Questions 70

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