Université Mohammed V [600343]

Université Mohammed V
Ecole Normale Supérieure de l’Enseignement Technique
Département Génie électrique

MEMOIRE DE PROJET DE FIN
D’ETUDE
Pour l’obtention de diplôme Master en Génie électrique

Réalisé Par : Tariq ASSIMEDDINE

Encadré Par : Pr. Abdennaser BOUROUHOU

Sous le thème :

Modélisation d’un nœud capteur san s fil :
Application à l’analyse de consommation
d’énergie dans un nœud capteur

Soutenue le 25 juillet 2016 devant le jury composé de :

 M. Abdelilah JILBAB Professeur à l’ENSET Rabat, Président
 M. Abdennaser BOUROUHOU Professeur à l’ENSET Rabat
 M. Jamal ELMHAMDI Professeur à l’ENSET Rabat

Projet fin d’étude

2

Remerciement :

Pour avoir examiné et jugé mon travail, j’exprime toute ma gratitude envers les membres du
jury.
Ce travail a été effectué au sein de Laboratoire de Recherche en Génie Electrique de l’école
normal supérieure de l’enseignement technique à rabat diri gé par le Professeur Abdenacer
Bourouhou que je remercie vivement pour son ac cueil au sein du laboratoire et pour ces conseils
en qui j’ai trouvé plus qu’un encadrant .
Mon projet a été animé par monsieur Omar E nassiri que je remercie également pour m’avoir
consei llé et orienté dans mes travaux, Avec lui j’ai appris beaucoup de cho ses pas seulement au
niveau professionnel, mais aussi au niveau personnel.

Projet fin d’étude

3

Dédicace :

J’adresse mes remerciements à la mémoire de mes parents, ma grande mère et à toute ma famille
pour m’avoir toujours soutenu et enco uragé dans les moments les plus difficiles.

Ainsi je tiens a remercié mes amis notamment mon meilleur ami Zakaria Haidach.

Projet fin d’étude

4

Résumé :
L’étude des réseaux de capteurs sans fil met en évidence la contrainte principale de l’aut onomie.
En effet, ces nœuds sont dispersés dans des lieux parfois non accessibles. L’objectif de notre
travail est de modéliser un nœud capteur sans fil pour analyser la consommation de ces
éléments . Le développement de ce modèle montre l’élément qui possè de la part prépondérante
sur la consommation global. En plus l’exploitation de ce modèle dans des réseaux de capteur
sans fil avec les trois topologies (étoile, arbre, et maillé) et aussi possible, et elle montre une
autre côté de son utilité en relation d irecte avec la consommation. En fin ce modèle permis de
prendre une idée claire sur le principale contrainte qui accompagne le choix des éléments du
nœud et aussi donne une possibilité de proposer dans la future des méthodes de conception des
unité adapté à ce type de réseaux .

Mots clés : réseaux de capteurs sans fil , autonomie, modélisation, consommation.

Abstract:
Survey on wireless sensor networks highlights the main constraint of energy autonomy. Indeed,
these nodes are scattered in sometimes inacces sible locations. The objective of our work is to
model a wireless sensor node to analyze the consumption of these elements . The development
of this model demonstrates the element that has the dominant share of the global consumption.
In addition the use of this model in wireless sensor networks with three topologies (star, tree,
and mesh) also possible and it illustrates another side of its utility in direct relation with
consumption. In the end this model permitted to take a clear idea about the main const raint that
accompanies the selection of node elements and also gives an opportunity to propose in the
future design methods of unit suitable for this type of networks.

Keywords: wireless sensor networks, autonomy, modelization , consommation .

Projet fin d’étude

5
Table des matières
Remerciement : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 2
Dédicace : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 3
Résumé : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 4
Abstract: ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 4
Liste des figures : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 8
Liste des tableaux : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 9
INTRODUCTION GENERALE : ………………………….. ………………………….. ……………………… 10
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS ……………………… 11
I. Introduction : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 11
II. Définition : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 11
III. Applications des réseaux de capteur sans fil : ………………………….. ……………………… 11
1. Les applications militaires : ………………………….. ………………………….. ………………….. 11
2. Les applications médicales : ………………………….. ………………………….. …………………. 12
3. Les applications environnement ales : ………………………….. ………………………….. …….. 12
4. Les applications industrielles : ………………………….. ………………………….. ……………… 12
IV. Caractéristique des RCSF : ………………………….. ………………………….. …………………… 12
1. Les composants d’un réseau de capteurs sans fil : ………………………….. ……………….. 12
2. Architecture d’un RCSF : ………………………….. ………………………….. …………………….. 12
3. Pile protocolaire : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 13
4. Durée de vie : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 14
V. Les composants d’un nœud capteur sans fil : ………………………….. ………………………….. 14
1. Unité de capture : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 15
2. Unité de traitement : ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 15
3. Unité de communication : ………………………….. ………………………….. …………………….. 15
4. Unité d’énergie : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 15
Conclusion : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 15
CHAPITRE 2 : MODELISAION DE LA CONSOMMATION D’UN NŒUD CAPTEUR ET
D’UN RESEAU DE CAPTEUR SANS FIL ………………………….. ………………………….. ………… 16
I. Introduction : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 16
II. La notion d’autonomie: ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 16
III. Modélisation d’un nœud capteur sans fil: ………………………….. ………………………….. .. 18
1. Les phases de fonctionnement d’un nœud : ………………………….. …………………………. 18
2. Equation d’énerg ie des éléments du nœud : ………………………….. ……………………….. 19
3. L’algorithme du modèle : ………………………….. ………………………….. …………………….. 20

Projet fin d’étude

6
4. Les blocs : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 20
5. Le modèle d’un nœud avec un seul capteur : ………………………….. ………………………. 21
6. Le modèle d’un nœud avec trois capteurs : ………………………….. …………………………. 25
IV. La modélisation de la consommation des différentes topologies des RCSFs : ……… 27
1. Introduction : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 27
2. Définition : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 27
3. Modélisation : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 27
a) Topologie étoile : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 28
b) Topologie arbre : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 29
c) Topologie maillé : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 30
Conclusion : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 32
CHAPITRE 3 : ETUDE DE LA CONSOMMATION DE CHAQUE ELEMEN T DU NEOUD
CAPTEUR : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 33
I. Introduction : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 33
II. Etude technologique du matériel : ………………………….. ………………………….. …………….. 33
1. Le capteur : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 33
a) Le capteur de flamme : ………………………….. ………………………….. ………………………… 33
b) Le capteur de gaz : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 34
c) Le capteur de température et de l’humidité : ………………………….. ………………………. 34
2. L’unité de traitement: ………………………….. ………………………….. ………………………….. 34
a) FPGA : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 35
b) Le microcontrôleur INTEL 8051 : ………………………….. ………………………….. …………. 35
c) Les pics de microchip : ………………………….. ………………………….. ………………………… 35
d) RFPIC : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 36
e) ATMEGA128 : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 36
f) ATMEGA 328 : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 36
3. Les unités de communica tion : ………………………….. ………………………….. ……………… 37
a) IEEE 802.11 : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 37
b) La norme 802.15 : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 38
c) La norme 8 02.15.4 : ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 38
d) La norme ZIGBEE : ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 38
e) La norme Bluetooth : ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 39
f) NRF24L01 : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 40
g) Tableau récapitulatif : ………………………….. ………………………….. …………………………. 41
4. L’unité d’énergie : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 41

Projet fin d’étude

7
III. Influence du choix de la batterie sur l’autonomie : ………………………….. ………………. 42
IV. La validation des résultats développés en simulation par des essais pratique : ……… 44
V. Les solutions globales adoptées par les chercheurs au niveau consommation : ……….. 46
1. L’unité de captage ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 46
2. L’unité de traitement : ………………………….. ………………………….. …………………………. 46
3. L’unité de transmission ………………………….. ………………………….. ……………………….. 46
Conclusion : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 46
Conclusion générale : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 47
Perspectives : ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 47
Bibliographie : ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 48
Webographie: ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 49

Projet fin d’étude

8

Liste des figures :

Figure 1 : Architecture d'un réseau de capteur sans fil ………………………….. ………………………….. ………. 13
Figure 2 : Pile protocolaire des réseaux de capteur sans fil ………………………….. ………………………….. … 13
Figure 3 : architecture du nœud capteur ………………………….. ………………………….. ………………………….. 14
Figure 4 : Autonomie en fonction de la consommation du nœud ………………………….. ……………………. 16
Figure 5 : Autonomie idéale en fonction de α pour une consommation de 20mA ………………………….. 17
Figure 6 : les phases de fonctionnement du nœud en fonction du temps ………………………….. ………….. 18
Figure 7 : l’algorith me du modèle ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 20
Figure 8 : Fonctionnement d’un bloc, cas du capteur ………………………….. ………………………….. ………… 21
Figure 9 : Modèle d’un nœud avec un seul capteur développ é sous MATLAB -Simulink ………………. 22
Figure 10 : le fonctionnement du microcontrôleur ………………………….. ………………………….. ……………. 22
Figure 11 : la simulation de la consommation du nœ ud capteur en fonction du cycle de
fonctionnement ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 23
Figure 12 : le courant en fonction du cycle de fonctionnement d’un nœud ………………………….. ………. 23
Figure 13 : la consommation en mode veille et en mode active des éléments ………………………….. …… 24
Figure 14 : répartition de la consommation en fonction des éléments ………………………….. ……………… 24
Figure 15 : Modèle d’un nœud avec trois capteur développé sous MATLAB -Simulink …………………. 25
Figure 16 : la simulation de la consommation du nœud capteur avec trois capteurs en foncti on du cycle
de fonctionnement ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 25
Figure 17 : la consommation en mode veille et en mode active des éléments ………………………….. …… 26
Figure 18 : la con sommation d'un nœud avec trois capteurs ………………………….. ………………………….. . 26
Figure 19 : les trois topologies réseau : Arbre, étoile et maillée ………………………….. ……………………… 27
Figure 20 : mod èle d’un nœud capteur ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 27
Figure 21 : topologie en étoile d’un réseau de capteur sans fil développer sous matlab -simulink ……. 28
Figure 22 : la consommation des nœuds dans une topologie étoile ………………………….. …………………. 29
Figure 23 : topologie en arbre d’un réseau de capteur sans fil développer sous matlab -simulink …….. 29
Figure 24 : la consommation des nœuds dans une topologie arbre ………………………….. …………………. 30
Figure 25 : topologie maillée d’un réseau de capteur sans fil développer sous matlab -simuli nk …….. 30
Figure 26 : la consommation des nœuds dans une topologie maillée ………………………….. ………………. 31
Figure 27 : l’estimation de l’énergie moyenne consommé par les trois topologies des RCSFs ………… 31
Figure 28 : image du capteur de flamme ………………………….. ………………………….. …………………………. 33
Figure 29 : image MQ2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 34
Figure 30 : image DHT11 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 34
Figure 31 : FPGA SPARTAN 3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 35
Figure 32 : image Intel 8051 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 35
Figure 33 : image RFpic ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 36
Figure 34 : image ATMEGA 128 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 36
Figure 35 : image ATMEGA 328 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 36
Figure 36 : logo du wifi ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 37
Figure 37 : logo du ZigBee ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 38
Figure 38 : logo du Bluetooth ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 39
Figure 39 : Application industrielle du Bluetooth ………………………….. ………………………….. …………….. 39
Figure 40 : image du NRF24l01+ ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 40
Figure 41 : image des piles ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 42

Projet fin d’étude

9
Figure 42 : Courant en fonction du rapport cyclique pour une autonomie de 1 an …………………………. 43
Figure 43 : image d’après les mesures effectuées ………………………….. ………………………….. …………….. 44
Figure 44 : la consommation des éléments du nœud avec un seul capteur et av ec trois capteurs ……… 44
Figure 45 : répartition de la consommation en fonction des éléments du nœud avec un seul capteur .. 45
Figure 46 : répartition de la consommation en fonction des éléments du nœud avec trois capteurs ….. 45

Liste des tableaux :
Tableau 1 : Paramètres des éléments du nœud ………………………….. ………………………….. …………………. 21
Tableau 2 : le courant consommé en mode active et en mode veille des différentes unités de
traitements ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 37
Tableau 3 : comparaison entr e les normes ZigBee et Bleuthoot ………………………….. ……………………… 40
Tableau 4 : Tram du protocole ESB ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 40
Tableau 5 : comparaison entre les différents standards ………………………….. ………………………….. ……… 41
Tableau 6 : tableau de valeurs mesurées ………………………….. ………………………….. …………………………. 44

Projet fin d’étude

10
INTRODUCTION GENERALE :

Depuis quelques années, la micro -électronique et les techniques de communicati on sans fil ne
cessent de se développer. La possibilité d’embarquer sur une même puce, un nœud capteur, son
électronique de commande et de traitement, son alimentation ainsi qu’un module
radiofréquence a permis d’envisager le développement de réseaux de ca pteurs sans fil.

Ces réseaux à présenter plusieurs avantages comme la faciliter d’être mis en place dans un
environnement sans trop le modifier. Ainsi c es applications concernent de nombreux secteurs
tels que l e médical, l’environnemental, le militaire, l’industrie et la sécurité. Dont Le but est de
mesurer un phénomène physique, de détecter un événement et de transmettre des messages à
travers un réseau .

Cependant, ce type de technologie reste limité et d e nombreuses recherches sont en cours. Il
faut n otamment gérer les données du réseau, tout en optimisant l’ autonomie de chaque nœud .
Le déploiement des capteurs sans fil dans les environnements hostiles nécessite cette autonomie
énergétique, le défi majeur rencontré dans ce domaine est de minimiser la consommation
d’énergie afin d’augmenter le mieux possible la durée de vie du réseau de capteur.

Ce PFE est une contribution à la résolution de cette problématique. Il consiste à modéliser un
nœud capteur intelligent afin d’analyser la consommation d’éner gie dans les différents
constituants du nœud capteur.

Pour ce fait, nous avons subdivisé ce mémoire en trois chapitres :

Le premier présente une vue général sur les réseaux de c apteurs sans fil tout en expliquant leurs
principe et ses domaine d’applicat ion et le rôle de cha cun de ses éléments .Nous discuterons
également ces principaux contraintes notamment le facteur de consommation d’énergie .

Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation d ’un nœud capteur sans fil avec matlab
simulink pour analys er la consomma tion de chaque élément du nœud, cette modélisation va
nous permettre de mettre en évidence l’ apport de chacun des blocs constituant un nœud capteur
autonome sur sa consommation. Ainsi nous allons exploiter ce modèle dans des réseaux de
capteu r.

Enfin, le troisième chapitre s’étale sur une étude technologique du matériel utilisé dans la
conception d’un nœud capteur en relation directe avec sa consommation. Dans l’objectif de
valider les résultats des simulations par des essais pratique.

Projet fin d’étude

11
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’AR T SUR LES RESEAUX DE
CAPTEURS

I. Introduction :
Les progrès récents dans les domaines de micro -électronique et des communications sans fil ont
abouti au développement de très petits capteurs. Leurs remarquable essor est dû à leur taill e de plus
en plus réduite, leurs prix de plus en plus faible ainsi que leur support de communication sans fils
attrayant peu encombrant mais également peu de ressources.
Ces capteurs peuvent être déployés n’importe où pour assurer des fonctions de surveill ance ou
autres. Le réseau ainsi établi est appelé Réseau de Capteurs Sans Fils, composé d’un ensemble de
nœud intégrant les fonctionnalités d’acquisition, de traitement et de communication.
Dans ce chapitre, nous présenterons les réseaux de capteurs sans f il, leurs applications et leurs
architectures de communication . Nous mettons également l’accent sur les principaux facteurs et
contraintes qui influencent la conception des réseaux de capteurs sans fil.

II. Définition :
Un Réseau de Capteurs Sans Fil (RCSF) est un réseau ad -hoc (toutes les nœuds du réseaux
communiquent entre eux sans passer par un équipement central ) c’est un ensemble de
dispositifs très petits, nommés nœuds capteurs, variant de quelques dizaines d’éléments à
plusieurs milliers. Dans ces résea ux, chaque nœud est capable de surveiller son environnement
et de réagir en cas de besoin en envoyant l’information collectée à un ou plusieurs points de
collecte, à l ’aide d’une connexion sans fil d ’une manière autonome, Les données collectées sont
ensuit e transmises à un système d’information (ou centre de traitement). Ce transfert des
données collectées, de manière périodique ou évènementielle, au système d’information peut
être fait directement ou à travers un ou plusieurs nœuds spéciaux fixes ou mobile s appelés
"nœud collecteur " , ce dernier peut être conn ecté à l'utilisateur du réseau via Internet, u n satellite
ou un autre système . [7][1]

III. Applications des réseaux de capteur sans fil :
Grace à la diminution de taille et de coût des nœuds capteurs, l'él argissement de la gamme des
types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations…) et l'évolution des supports de
communication sans fi l. Le champ d'applications des réseaux de capteurs sans fils est de plus
en plus en élargissement. Parmi les app lications des RCSF nous trouvons :
1. Les applications militaires :
Comme pour de nombreuses autres technologies, le domaine militaire a été le moteur initial
pour le développement des réseaux de capteurs. Le déploiement rapide, le coût réduit, l'auto –
organis ation 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. Actuellement, les RCSFs
peuvent être une partie intégrante dans le commandement, le contrôle, la com munication, la
surveillance, la reconnaissance, etc . [1]

Projet fin d’étude

12
2. Les applications médicales :
Les réseaux de capteurs sont également largement répandus dans le domaine médical. Cette classe
inclut des applications comme: fournir une interface d’aide pour les handi capés, collecter des
informations physiologiques humaines de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de
certaines maladies, surveiller en permanence les malades et les médec ins à l’intérieur de l’hôpital.
3. Les applications environnementales :
Ces types de RCSF peuvent servir à l’observation d’un site susceptible de subir les effets d’une
pollution, ou bien d’éventuel incendie, inondation, volcan ou tsunami. La construction en temps
réel d’une cartographie grâce à des capteurs, disséminés sur le si te capables de relever des
informations sur la pollution, la température, le niveau d’eau et d’oxygène…, etc. Ces
informations doivent être relayées vers les services spécialisés [2]
4. Les applications industrielles :
Dans ce domaine, les réseaux de capteurs sans fil offrent une grande flexibilité d’emploi
puisqu’ils permettent de s’affranchir des contraintes liées aux câblages. Il est alors possible de
satisfaire des contraintes de poids, de mobil ité, de facilité de déploiement … etc
IV. Caractéristique des RCSF :
1. Les composants d’un réseau de capteurs sans fil :
Un réseau de capteurs sans fil se compose de trois éléments principaux : Les nœuds capteurs,
les passerelles et les logiciels.
 Les nœuds capteurs sont des unités d’acquisition, de traitement, et de trans mission de
données.
 Les passerelles sont des nœuds de collecte, appelé aussi station de base, ils permettent
la récupération des données et l’interconnexion avec d’autres réseaux. Il est à savoir que
les routeurs sont un type spécial de nœud de mesure, uti lisés pour étendre la distance et
la fiabilité des RCSF, et qu’on peut utiliser plusieurs passerelles, chacune
communiquant sans chevauchement sur un canal sans fils différent sélectionnable par
logiciel.
 Les logiciels sont des nœuds gestionnaires de tâche s, qui permettent l’interfaçage et la
présentation des données, envoyer par les passerelles, pour l’utilisateur.
2. Architecture d ’un RCSF :
Les nœuds de capteurs sont répartis dans l’espace pour la surveillance de leur environnement.
Les données collectées s ont transmises sans fils à la passerelle, qui peut fonctionner
indépendamment ou connectée à un système hôte où sont collectées, traitées, analysées et
présentées les données de mesure à l’utilisateur à l’aide d’une interface logiciel. D’où
l’architecture des RCSF présentée dans la figure 1 :

Projet fin d’étude

13

Figure 1 : Architecture d'un réseau de capteur sans fil
3. Pile protocolaire :
Comme tous les types de réseaux, les RCSF utilisent une architecture de communication en
couches, la pile protocol aire utilisée par la station de base ainsi que tous les autres capteurs du
réseau est illustrée par la figure 2, la pile protocolaire référenciée au modèle de couche OSI ,
comprend les cinq premières couches de ce modèle la couche application, la couche t ransport,
la couche réseau, la couche liaison de données et la couche physique, mais L’objectif d’un
RCSF n’est pas seulement la communication elle -même, mais il est soumis à de fortes
contraintes énergétiques , donc elle rajoute des plans de gestion qui so nt : le plan de gestion de
l’énergie, le plan de gestion de la mobilité et le plan de gestion des tâches. [1][5]

Figure 2 : Pile protocolaire des réseaux de capteur sans fil
Suivant la fonctionnalité des capteurs, différentes app lications peuvent être utilisées et bâties
sur la couche application. La couche transport aide à gérer le flux de données si le réseau de

Projet fin d’étude

14
capteurs l’exige, elle permet de diviser les données issues de la couche application en segments
pour les délivrer, au ssi, elle réordonne et rassemble les segments venus de la couche réseau
avant de les envoyer à la couche application. La couche réseau permet de router les données
fournies par la couche transport. Le protocole MAC ( Media Access Control ) de la couche
liaison assure la gestion d’accès au support physique. La couche physique assure la transmission
et la réception des données au niveau bit.
En outre, le plan de gestion de l'énergie est responsable de la gestion de puissance d'un nœud
capteur, au niveau de la détection, du traitement et de la communication.
Le plan de gestion des taches est responsable de la répartition des tâches entre les nœuds pour
améliorer l'efficacité de l'énergie et de prolonger la durée de vie du réseau.
Le plan de gestion de la mobil ité ou des connexions, est responsable de la configuration et la
reconfiguration des nœuds pour établir ou maintenir la connectivité réseau.
Ces plans de gestion sont nécessaires, de sorte que les nœuds capteurs puissent fonctionner
ensemble d’une manière efficace pour préserver l’énergie, router les données dans un réseau de
capteurs mobile et partager les ressources entre les nœuds capteurs . [1][8]
4. Durée de vie :
C’est l’intervalle de temps qui sépare l’instant de déploi ement du réseau de l’instant où l ’énergie
du premier nœud s'épuise c’est la caractéristique la plus fondamentale d’un réseau de capteurs.
Et elle dépend du type d’application. Les contraintes liées au changement (ou rechargement)
des batteries sont dépendantes des déploiements et du coût de maintenance des nœuds. Il est
donc essentiel d’avoir une durée de vie du réseau la plus longue possible.

V. Les composants d’un nœud capteur sans fil :
Un nœud capteur est composé d’un ou plusieurs capteurs dont les données en sortie sont
numériques ou a nalogiques, d’une partie traitement des données regroupant gé néralement un
convertisseur analogique -numérique (CAN) et une unité microprocesseur, d’un module de
communication et d’une alimentation [1]. La Figure 3 est un schéma synoptique présentant la
structure d’un nœud capteur .

Figure 3 : architecture du nœud capteur

Projet fin d’étude

15
1. Unité de capture :
Elle est composé d’u n ou plusieurs capteur a pour rôle de transformer une grandeur physique
ou chimique en une grandeur exploitable, généraleme nt électrique : tension, courant, c’est
pourquoi il a été développé des interfaces capteurs, et un convertisseur analogique/numérique
interne ou externe La grandeur électrique issue du capteur et de son interface est transformée
en une suite de bits compré hensible par l’unité de traitement.

2. Unité de traitement :
C’est l'unité principale du nœud capteur, Les donné es captées sont communiquées au
processeur où elles sont traitée s puis stockées dans la mémoire, elle fait aussi le contrôle des
éléments du nœud mise en activité ou au repos et la gestion des protocoles de communication .

3. Unité de communication :
L’unité de communication est utile afin de transmettre les données issues du nœud capteur via
le réseau jusqu’à la station de base. Généralement nous avo ns utilisé un module radiofréquence
(RF) pour cette fonction , il est composé d’un émetteur et éventuellement d’un récepteur
4. Unité d’énergie :
Un nœud capteur est muni d’une ressource énergétique, elle doit fournir l’énergie nécessaire au
fonct ionnement de l’ensemble du nœud capteur. Pour des réseaux de capteurs sans fil
autonomes, l'alimentation est une composante cruciale, car elle influe directement sur sa durée
de vie. Généralement la batterie est non rechargeable avec une capacité limitée étant donné sa
petite taille.

Conclusion :
Les réseaux de capteurs sans fil présentent un intérêt considérable et une nouvelle étape dans
l’évolution des technologies de l’information et de la communication.
Dans ce premier chapitre, nous avons présenté les réseaux de capteurs sans fil, leurs
composants et l’architectures de communication, la pile protocolaire des capteurs et ces
applications, ainsi nous avons donné une petite introduction sur les éléments qui constitue le
nœud capteur et il est bien évident que la consommation d’énergie est le défi majeur parce que
dans la majorité des cas, ces nœuds capteurs sont déployés dans des zones hostiles ou difficiles
d’accès et il est très peu probable qu’ils soient récupérables .Aussi, vu leur nombre très grand
(des milli ers) on ne peut pas s’occuper de chaque nœud capteur un à un. Alors il faut minimiser
cette consommation afin que les nœuds vivre le plus longtemps possible.
Dans le chapitre suivant nous avons fait un modèle d’un nœud capteur sans fil afin d’estimer
l’énergie consommée par ces différents éléments, et l’exploiter dans des réseaux.

Projet fin d’étude

16
CHAPITRE 2 : MODELISAION DE LA CONSOMMATION
D’UN NŒUD CAPTEUR ET D’UN RESEAU DE CAPTEUR
SANS FIL

I. Introduction :

Comme nous l’avons déjà mentionné l’autonomie du nœud capt eur est la problématique
principale du réseau de capteur sans fil, afin de chercher des solutions nous allons dans un
premier temps estimer la consommation d’un nœud capteur sans fil en développons un outil de
simulation permet de démontrer la part de chac un de ces élément s au niveau de la
consommation moyenne en fonction des spécifications de l’application visée , pour savoir leur
influence sur l’autonomie et pouvoir faire le choix des différents éléments du nœud et adapter
la source d’alimentation.
Enfin, pour voir le comportement énergétique du nœud dans les trois topologies du réseau de
capteur sans fil (étoile, arbre, et maillé) et voir aussi leurs influence sur la consommation de
l’ensemble des nœuds, nous allons exploiter notre modèle d’un nœud capteur sans fil pour
modéliser ces différentes topologies sous Matlab Simulink. Cette deuxième simulation va nous
montre une autre côté de son utilité .

II. La notion d’autonomie:
Nous avons vu l’importance de la durée de vie d’un nœud notamment dans l’intérêt du
développement des applications de réseaux de capteu rs. En effet, le nœud embarque toutes les
fonctionnalités permettant de le rendre autonome, de la mesure à la transmission des données.
La totale autonomie du nœud est assurée par son unité d ’alimentation qui doit fournir l’énergie
nécessaire à son fonctionnement. L ’autonom ie d’un nœud est le rapport entre l’énergie
disponible et l’énergie consommée. Afin de maintenir l’intérêt du développement des
applicatio ns de réseaux de capteurs, l’autonomie en énergie d’un nœud doit être la plus longue
possible [4] . La Figure 4 représente la caractéristique idéale de la consommation en fonction du
temp s connaissant la capacité de la batterie.

Figure 4 : Autonomie en fonction de la consommati on du nœud 0102030405060708090
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55AUTONOMIE (JOUR )
CONSOMMATION (MA)

Projet fin d’étude

17
Considérons l’exemple d’une batterie lithium typ e pile bouton d’une capacité de 950mAh et
délivrant une tension de 3V. La consommation I du nœud s’ exprime de la manière suivante :
𝐼=Cbat
𝑡
Cbat représente la capacité de la batterie et t le temps.
Si par exemple la consommation totale en fonctionnement du nœud est 20mA. Nous
démontrons ai nsi facilement que l’autonomie t aut d’un nœud en fonctionnement normal est
limitée au maximum à environ 47 .5 heures nous remarquons sur la Figure 4 que mê me si nous
arrivions à diminuer significativement la consommation, nous obtenons toujours quelques jours
d’autonomie. La durée de l’autonomie en fonctionnement est donc très cour te et inadaptée à
l’intérêt des réseaux de capteurs. L’idée est donc d’introdui re une activité périodique du nœud
pendant laquelle il va réaliser sa fonction. Il est ainsi possible de définir un rapport cyclique de
fonctionnement d’un nœud tel que :

𝛼=𝑇𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑛𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑢 𝑛𝑜𝑒𝑢𝑑
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑔𝑙𝑜𝑏 𝑎𝑙

La définition de ce rapport cyclique de fonctionnement supp ose que le nœud puisse prendre
deux états : actif (ON) et inactif (OFF). Pendant le temps T ON, la consommation du nœud sera
maximale alors que pendant la période d’inactivité (T OFF), la cons ommation sera considérée
nulle. De la sorte, nous pouvons écrire :
𝛼=𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑜𝑛 +𝑇𝑜𝑓𝑓
Ce rapport cyclique s’exprimera en pourcentage. Si le nœud fonctionne 10ms sur une période
de 1s alors nous obtenons un rapport cyclique de fonctio nnement de 1%. Afin d’illustrer
l’influence de ce rapport cyclique de fonctionnement, repren ons l’exemple de la batterie de
capacité 950mAh. L’expression s’écrit alors :
𝐼=Cbat
𝛼∗𝑡

La Figure 5 représente l’évolution de l’autonomie en fonction du rapport cyclique de
fonctionnement du nœud pour une consommation de 20mA. Pour atteindre une autonom ie
d’une année maximum, le rapport cyclique de fonctionne ment doit être aux alentours de 0,1%.

Figure 5 : Autonomie idéale en fonction de α pour une consommation de 20mA 0100200300400500600700800
0 , 0 5 0 , 1 0 , 1 5 0 , 2 0 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 7 1AUTONOMIE (JOUR )
RAPPORT CYCLIQUE

Projet fin d’étude

18
Ces résultats ne tiennent pas compte de nom breux paramètres concernant les caractéristiques
de la batterie (influence de l’environnem ent, vieillissement). Ainsi, en adoptant un rapport
cyclique de 0,1%, l’autonomie réel le ne sera p as d’une année mais probablement moins.
Il est donc primordial dans l’intérêt du développement des réseaux de capteurs de maximiser
l’autonomie en énergie en maintenant le plus longtemps possible le nœud dans un état inactif.
Les mesures et les transmissi ons d’un nœud ne se feront donc pas en continu.

III. Modélisation d’un nœud capteur sans fil :
Il est bien évident maintenant que l ’autonomie étant la problématique principale de ce type
d’application, il apparait de plus en plus important de pouvoir estimer la consommation d’un
nœud afin de pouvoir adapter la source d’alimentation et le choix des différents éléments du
nœud en fonction de l’autonomie requise. Il est nécessaire de trouver des moyens afin
d’augmenter l’autonomie d’un nœud tout en répondant aux sp écifications de l’application visée.
Les solutions consistent à :
– Déterminer comment gérer l’énergie au niveau système , Cette gestion passe par le choix des
protocoles et la gestion de l’ alimentation de chaque bloc afin de rendre le nœud
énergétiquement efficace d’ où le développement de protocoles adaptés à ces applications de
réseau de capteurs
-Trouver la configuration des blocs permettant d’obtenir une puissance consommée minimum
tout en assurant les performances requises par les spécifications de l’application.

Dans un premier temps, nous allons donc mettre en place un modèle d’un nœud capteur sans fil
afin d’estimer la consommation mais également d’analyser l’influence des différents éléments
du nœud sur l’autonomie. Ensuite, après avoir implémenté ce modèle sous Matlab -Simulink,
nous allons utiliser des exemples afin de démontrer l’intérêt de celui -ci. Enfin, cette étude nous
permettra d’estimer la consommation moyenne de chaque élément du nœud , et de fixer, en
fonction des spécifications de l’appli cation, ces critères de choix.
1. Les phases de fonctionnement d’un nœud :
Nous avons vu que l’énergie consommée dépend du mode de fonctionnement du nœud. Il est
possible, afin de r endre le modèle plus précis , de décomposer le fonctionnement du nœud en
différ entes phases. Le nœud suit un cycle de fonctionnement dans lequel il est possible de gérer
indépendamment chaque élément de ce nœud Il est donc possible de définir plusieurs phases de
fonctionnement. La Figure 6 présente ces phases de fonctionnement du nœud en fonction du
temps pour chaque phase dans le cas le plus courant :

Figure 6 : les phases de fonctionnement du nœud en fonction du temps

Projet fin d’étude

19
Réveil : Le réveil de chacun des éléments du nœud est indépendant, et il est géré par le
microcontrôleur dans un intervalle de temps régulier, La bonne gestion de la phase de
fonctionnement du nœud peut donner une bonne gestion de l’énergie et donc avoir un succès
sur l’autonomie du nœud .

Mesure : Dans cette phase l’unité de captage a pour fonction de faire des mesures.

Traitement : la mesure issue des capteur s serons converti dans cette phase par un convertisseur
analogique -numérique (CAN) puis traité par le microcontrôleur (adaptation au protocole de
communication, codages), La durée de cette phase dépendante de la vitesse d’exécution du
microcontrôleur, du temps de conversion du CAN et de la complexité du protocole utilisé.

Transmission et réception : les données traitées vont être transmis vers la base ou vers un
relais plus proch e que la base, dans cette transmission nous n’avons pas envoyé chaque mesure
mais plusieurs données collectées peuvent être envoyé en même temps . Dans la phase de
réception le nœud peut reçoive un accusés de réception ou une requête de la station de base o u
peut faire le rôle d’un relais entre la base et d’autre nœuds capteur .

Veille : pendant cette phase il a une consommation d’énergie dans les éléments du neoud
surtout par le microcontrôleur qui fait la gestion de la mémoire, même si le nœud est consi déré
comme inactif mais cette consommation est très minimale .
2. Equation d’énergie des éléments du nœud :
– pour le capteur l’ énergie consommé :
ECapteur = P onCapteur.tonCapteur + P offCapteur.toffCapteur

– pour le CAN l’ énergie consommée :
ECAN = P onCAN .tonCAN + P offCAN .toffCAN

– pour le microcontrôleur l’ énergie consommé :
E microcontrôleur = P on microcontrôleur .ton microcontrôleur + P off microcontrôleur .toff microcontrôleur

– pour le RF l’ énergie consommée :
ERF = P onRF.tonRF + P offRF.toffRF

L’énergie consommée totale est donc :
Etotal = ECapteur + E CAN + E microcontrôleur + ERF

Le mode actif de chacun des éléments du nœud doit aussi tenir compte du temps d’établissement
et d’extinction de ces éléments , ces temps sont fixes et non négligeable alors que t fonctionnement
peut être optimisé en fonction du protocole utilisé et des instructions à exécuter par l’unité de
traitement.
Pour le capteur et le module radiofréquence ce temps es t très important et il aura des influences
sur l’ énergie consommé [6].
Le temps de chaque élément du nœud , s’exprime :

t = t star + t stop + t fonctionnement

ainsi la puissance consommée moyenne P moy , peut calculer à partir de l’ énergie consommé :

Projet fin d’étude

20
Pmoy =1
𝑇∫Etotal dt𝑇
0
D’après ces équations on va réaliser une si mulation pour d éduire une consommation moyenne,
et de pouvoir observer l’évolution de la consommation en fonction du temps, et de faire une
estimation de l’autonomie d’un nœud capteur et aussi d’un réseau de capteur sans fil avec
plusieurs topologies en fo nction de l’évaluation de la puissance consommée par les éléments
du nœud , en tenant compte de leurs temps de fonctionnement.
Pour faire cette simulation nous avons utilisé Matlab Simulink qui permet de simuler des
systèmes hétérogènes comme le nœud capt eur et ce réseau .
3. L’algorithme du modèle :
Le Principe de notre modèle est le suivant :

Figure 7 : l’algorithme du modèle
4. Les blocs :
Ensuite, nous avons modélisés sous le logiciel Matlab -Simulink les blocs systèmes
correspondant aux différents éléments d’un nœud capteur :
– Microcontrôleur (μC) ;
– Convertisseur Analogique Numérique (CAN) ; Initialisation
Impulsion star du
microcontrôleur
Impulsion ON capteur
Impulsion on CAN
Impulsion off capteur
Impulsion OFF CAN
Impulsion ON RF
Impulsion OFF FR
Impulsion OFF microcontrôleur
Calcule de la
puissance moyenne Calcule de la
puissance de chaque
élément Evolution de la
consommation en
fonction du temps

Projet fin d’étude

21
– Capteur ;
– Module Radiofréquence (RF).
Pour chaque bloc, nous devons préciser les temps de fonctionnement t fonctionnement , et le courant
consommé pendant ce temps, ces deux valeurs sont varié selon le type de l’ élément choisis.
Chaque bloc possède deux entrées « ON » et « OFF » sur lesquelles seront appliqués des signaux
de commande pour activer et éteindre le bloc et par lesquelles nous ferons la gestion du
cadencement des différente s phases de fonctionnement du nœud . Comme la montre la Figure 8:

Figure 8 : Fonctionnement d’un bloc, cas du capteur
Lors de l’application d’une commande sur l’entrée « ON », la consommation de notre bloc
basculera de Poff à P on et elle reste sur P on pendant tout le temps t on Une autre commande
appliqué sur l’entrée « OFF » du bloc permettra de ramener la consommation de P on à Poff. C’est
la pé riode de veille pour se bloc .
5. Le modèle d’un nœud avec un seul capteur :
Il existe beaucoup des composants qui peuvent constituer un nœud capteur après une étude nous
obtenons le Tableau 1 qui récapitule les caractéristiques principales des éléments du nœud pour
une application spécifique que nous avons choisi , Les temps de foncti onnement et les courants
dépendant du type de composant utilité :

Nom du
composant Ion (mA) Ioff
(μA) ton (ms) référence
capteur HMC1053 11 0.1 1.6 [9]
microcontrôleur PIC16F960 5 0.1 Dépond du nœud [10]
CAN ADC0803 1 0.01 1 [12]
Module RF NRF24l0 1+ A l’émission 23
A la réception 19 0.26 A l’émission 3.2
A la réception
0.7 [11]
Tableau 1 : Paramètres des éléments du nœud

N.B : Le temps de fonctionnement t on du microcontrôleur correspond à la durée de
fonctionnement de l’ensemble du nœud car il gère l’ensemble des fonctions du nœud .

La figure 9 représente le modèle d’un nœud capteur avec un seul capteur développé sous
Matlab -Simulink ; Une impulsion dépendante de périodicité des mesur es va déclencher
l’allumage du micro contrôleur qui va ensuite gérer l’ensemble des autres éléments du nœud :

Projet fin d’étude

22

Figure 9 : Modèle d’un nœud avec un seul capteur développé sous MATLAB -Simulink
L’impulsion sur l’entrée ON du microcontrôleur entraine la mise en route de celui -ci, la
puissance consommée passant de P off_μC à P on_μC. Le microcontrôleur doit ens uite gérer
l’ensemble du nœud . Sa mise en fonctionneme nt entraine la génération d’une impulsion
permettant de commander l’allumage du capteur. Le c apteur étant actif et prêt à effectuer une
mesure, le microcontr ôleur envoie une commande permettant d’éteindre le capteur et le CAN
est mis en route par une nouvelle impulsion sur l’entrée ON du CAN entrainant le passage de
Poff_CAN à P on_CAN . A la fin de la conversion, le microcontrôleur envoie une commande
permettan t d’éteindre le CAN. En fin une dernière impulsion permet d’allumer le module RF.
Le microcontrôleu r s’éteint à la fin du cycle de fonctionnement.

Figure 10 : le fonctionnement du microcontrôleur
Le bloc « scope » permet d’exploité les données issues des éléments du nœud, il permet
d’observer la variation de la puissance consommée dans le temps de chaque élément e t la
puissance cumulé du nœud.

Projet fin d’étude

23
La simulation :
La Figure 11 illustre le courant c onsommé en foncti on du cycle de fonctionnement du nœud.
Nous remarquons d’après ces résultats de simulation les différentes phases de fonctionnement
du nœud expliquées précédemm ent et leurs durées respectives :

Figure 11 : la simulation de la co nsommation du nœud capteur en fonction du cycle de fonctionnement
Le premier graph montre le courant consommé par le microcontrôleur , ce dernier va rester
active durant tout le cycle de fonctionnement du nœud ainsi nous avons ajouté avec lui le
courant con sommé par le CAN car dans plusieurs nœud la fonction de la conversion est r éaliser
par le microcontrôleur. Le deuxième montre le courant consommé par le capteur qui est débuté
de fonctionner après le microcontrôleur et par une impulsion de celui -ci. Le tro isième montre
le courant consommé par le module radiofréquence la première partie concerne l’émetteur et la
deuxième concerne le récepteur . Le quatrième graph est la courant consommé par l’ensemble
du nœud c’est un cumul de tous les éléments il sera bien présenté dans le figure 12 :

Temps (ms)
Figure 12 : le courant en fonction du cycle de fonctionnement d’un nœud
0510152025
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10consommation (mA)l'émetteur
récépteur
Microcontroleur
Capteur CAN

Projet fin d’étude

24
La figure 12 montre la répartition des consommations du courant en fonction du temps de tous
les éléments du nœud .
La figure 13 c’est un calcul de cette consommation pour pouvoir ensuite traduire ces résultats
en pourcentage :

Figure 13 : la consommation en mode veille et en mode active des éléments

À partir de ces résultats, la part, e n pourcentage, de chaque bloc sur la puissance moyenne
consommée pourra être affichée. La Figure 14 présente la répartition de la consommation en
fonction des différents éléments :

Figure 14 : répartition de la consommation en fonction des éléments
Les premiers résultats de la simula tion nous permettent de mettre en évidence la part dominante
sur la consommation et donc sur l’autonomie du système , la Figure 14 présente la répartition
de la consommation en fonction de chaque élément . Nous constatons que la consommation du
module RF représente 49% de la consommation globale, en deuxième place nous avons trouvé
le microcontrôleur avec 36% et en fin il y’a le capteur avec une consommation de 15% sur la
consommation total du nœud.

010203040506070
capteur μC + CAN module RF
mode active mode veille
capteur
15%
μC + CAN
36%module RF
49%
capteur μC + CAN module RF

Projet fin d’étude

25
D’après ces résultats l’élément qui consomme plus est l’unité de communication donc il est très
important dans le cadre de l’amélioration des réseaux de capteurs sa ns fil de s’intéresser à la
diminution de l’influence de cet élément sur la consommation glo bale d’un nœud dans l’intérêt
d’obtenir de s meilleures performances en termes d’autonomie .
6. Le modèle d’un nœud avec trois capteurs :
D’après l a premier partie de cette chapitre nous avons trouvé que la consommation de l’unité
de captage est la plus faible dans le nœud capteur cela revient à l’utilisation d’un seul capteur
mais la plupart des nœuds capteur contient plus d’un capteur c’est pour cela nous avons fait une
deuxième simulation contient trois capteur pour visualiser l’influence sur la consommation de
nœud capteur et sur l es autre s unités. Pour comparer les résultats nous avons prendre des
capteurs identique et les même car actéristiques que précédemment :

Figure 15 : Modèle d’un nœud avec trois capteur développé sous MATLA B-Simulink
La simulation :
Comme précédemment la Figure 16 illustre le courant c onsommé en fonction du cycle de
fonctionnement du nœud :

Figure 16 : la simulation de la consommation du nœud capteur avec trois capteurs en fonctio n du cycle de fonctionnement

Projet fin d’étude

26
Les graphes sont ordonnés comme le cas du nœud avec un seul capteur sauf le deuxième montre
le courant consommé par les trois capteurs qui sont débuté de fonctionner en mémé temps après
le microcontrôleur et par une impulsion d e celui -ci.
Dans un premier temps nous avons remarqué que l’utilisation des trois capteurs engendre une
augmentation de la consommation des autres éléments du nœud.

Figure 17 : la consommation en mode veille et en mode active de s éléments

La figure 18 présente la répartition de la consommation en f onction des différents éléments :

Figure 18 : la consommation d'un nœud avec trois capteur s
Cette deuxième simula tions nous permettons de confirmer les résu ltats de la premier et elle
montre que la part dominante sur la consommation et donc sur l’autonomie du système est le
du module RF avec 48% de la consommation globale, en deuxième place nous avons trouvé le
microcontrôleur avec 34 % et en fin il y’a les c apteurs.

020406080100120
3 capteur l'unité de traitement module RF
mode active mode veille
6%6%6%
34%48%
capteur 1 capteur 2 capteur 3 l'unité de traitement module RF

Projet fin d’étude

27
IV. La modélisation de la consommation des différentes topologies
des RCSF s :
1. Introduction :
Le nœud capteur ne fonctionne pas tous seul mais il est se trouvé dans des centaines ou bien
des milliers des autres nœuds donc il est très important de conn aitre les différentes topologies
possible pour les réseaux de capteur sans fil et notamment l’influence de chaque topologie sur
l’autonomie du nœud capteur en particulier et de l’ensemble des nœuds en général.
2. Définition :
Les rôles joués par les nœuds dans un réseau de capteur sans fil , à savoir sont ces trois-là :
– Nœud capteur : dont le rôle principal est de détecter les phé nomènes physiques ou
physiologiques se produisant dans son env ironnement immédiat afin de les transmettre,
directement ou via mult iples sauts, à un util isateur final.

– Nœud Relais : ils ont pour rôle d’agréger et de re transmettre les mesures provenant du nœud
capteur afin que celles -ci parviennent à un utilisateur final.

– Nœud Collecteur : ils ont pou r rôle de collecter les mesu res provenant des autres nœuds et
éventuellement de les agréger.

Il existe plusieurs topologies pour les réseaux de capteurs : Le NRF24l01+ comme le ZigBee
permet d’avoir les trois topologies réseau : Arbre, étoile et maillée.

Figure 19 : les trois topologies réseau : Arbre, étoile et maillée
3. Modélisation :
Avec le logiciel matlab -simulink nous avons modélisé des
réseaux de capteur avec trois topologie (étoile, arbre, et maillé)
en exploitant le nœud capteur modéliser précédemme nt,

Figure 20 : modèle d’un nœud capteur

Projet fin d’étude

28
La figure 20 est un modèle d’un nœud capteur qui regroupe tous les éléments modélisé
précédemment, nous allons exploiter ce modèle pour l’ utiliser dans les topologies . Dans tou tes
ces topologies nous avons choisi d’ utilisé dix nœuds pour comparer les résultats.
N.B : l’énergie consommée par un nœud augmente avec la cardinalité du réseau. Cela est tout
à fait normal car plus la cardinalité augmente, plus le deg ré de connectivité d’un nœud est
important. Par conséquent, le nœud reçoit plus de paquets et consomme donc plus d’énergie
a) Topologie étoile :
Dans cette topologie Tous les nœuds capteur sont raccordes a un point central , le réseau est
donc contrôlé par seu lement un dispositif une station de base envoie ou reçoit un message via
un certain nombre de nœuds. C'est ce nœud coordinateur qui a en charge d'initialiser et de
maintenir les autres dispositifs sur le réseau qui communiquent directement avec lui ces nœu ds
peuvent seulement envoyer ou recevoir un message de l’unique station de base, il ne leur est
pas permis de s’échanger des messages.

Avantage :
– Simplicité et faible co nsommation d’énergie des nœuds.
– Moindre latence de communication entre les nœuds et la station de base.
– Plusieurs communications simultanées sont possibles .
– Une très bonne exploitation de la bande passante disponible .
Inconvénient :
– la station de base est vulnérable, car tout le réseau est géré par un seul nœud .
– cette topologie n’est pas utile pour des longues distances .
Un exemple de cette topologie modéliser sous matlab simulink est représenté par la figure 21
suivante :

Figure 21 : topologie en étoile d’un réseau de capteur sans fil développer sous matlab -simulink

Projet fin d’étude

29
Dans cette topologie nous avons utilisé neuf nœuds source et un nœud collecteur , la
consommation de ces nœuds est répartie sur le réseau de la manière suivante :

Figure 22 : la consommation des nœuds dans une top ologie étoile
Nous avons remarqué que le nœud collecteur consomme 39% de l’énergie total du réseau ce
qui pénalise son batterie et par conséquent son autonomie alors que les autre neuf nœud partage
61% de l’énergie ce qui confirme l’inconvénient principal de cette topologie
b) Topologie arbre :
Dans cette topologie il y’a des nœuds intermédiaire entre un ou plusieurs nœuds sources et le
collecteur ce sont les relais (des nœud s passerelle) dont le rôle est d’agréger et de re transmettre
les mesures provenant de s nœuds source . Dans une telle confi guration réseau, la capacité de
transmission du retour est supposée généralement plus grande que celle du nœud source .
Cette topologie est utile Lorsque les nœuds sont distants de la station de base, l'envoi direct
n'est pas possible car la portée des capteurs est limitée et toute communication distante directe
peut épuiser rapidement la batterie d’un capteur. L’utilisation des relais permettre de se
remédier à ce problème, Alors ce réseau pouvant être étendu à l'aide de routeurs .Un exemple
de cette topologie modéliser sous matlab simulink est représenté par la figure 23 :

Figure 23 : topologie en arbre d’un réseau de capteur sans fil développer sous matlab -simulink
61%39%
les noeuds Source Noeud Collecteur

Projet fin d’étude

30
Pour la modélisation de cett e topologie nous avons utilisé sept nœuds source et deux nœuds
retour et un nœud collecteur , la consommation de ces nœuds est répartie sur le réseau de la
manière suivante :

Figure 24 : la consommation des nœuds dans une topol ogie arbre
c) Topologie maillé :
Dans ce cas, tout nœud peut échanger avec n'importe quel autre nœud du réseau (s'il est à portée
de transmission) car Chaque nœud possède ses propres connexions à tous les autres . Un nœud
voulant transmettre un message à un au tre nœud hors de sa portée de transmission, peut utiliser
un nœud intermédiaire pour envoyer son message au nœud destinataire.

Avantage :
– Possibilité de passer à l’échelle du réseau, avec red ondance et tolérance aux fautes
– permet de garantir une prot ection maximale contre l’interruption
– qu'en cas de rupture l’accès n'est pas totalement couper .
Inconvénient :
– Une consommation d’énergie plus importante est induite par la communication multi -sauts.
– Une latence est créée par le passage des messages des nœuds par plusieurs autres avant
d’arriver à la station de base.
Un exemple de cette topologie modéliser sous matlab simulink est représenté par la figure 25 :

Figure 25 : topologie maillée d’un réseau de capteur sans fil développer sous matlab -simulink
52%
9%39%
les noeuds Source Noeud Collecteur noeud relais

Projet fin d’étude

31
Pour la modélisation de cette topologie nous avons utilisé cinq nœuds source et quatre nœuds
retour et un nœud collecteur , la consommation de ces nœuds est répartie sur le réseau de la
manière suivante :

Figure 26 : la consommation des nœuds dans une topologie maillée

a) Comparaison entre les résultats :
La figure 27 montre la consommation des trois topologies :

Figure 27 : l’estimation de l’énergie moyenne consommé par les trois topologies des RCSFs

On peut voir sur cette figure que la topologie qui consomme beaucoup d’énergie est la
topologie maillé et malgré ces avantages cette topologie n’est pas préférable par les réseaux de
capteur sans fil ,o n peut voir aussi sur cette figure qu’en général, un nœud consomme moins
d’énergie d ans une structure formée sur une topologie en étoile mais l’ inconvénient essentiel
de cette topologie est que la station de base est vulnérable, car tout le réseau est géré par un seul
nœud malg ré sa cette topologie s’ avère la plus adéquate si le nombre des nœud est petit et qu’il
32%
16%52%
les noeuds Source Noeud Collecteur noeud relais
024681012141618
topologie en étoil topologie en arbre topologie maillé

Projet fin d’étude

32
sont plus proche de la station de base , la troisième topologie va nous donner une consommation
entre les deux autre mais le plus important c’est que la consommation d’é nergie dans cette
topologie e st distribuer sur un plus grand nombre du nœud du réseau avec une distance occupé
plus grande et par conséquent, impacter plus faiblement les batteries du nœud avec une
consommation d’énergie donne une autonomie plus mieux que les autres topologies.
Donc pour un réseau de capteurs avec une faible consommation d’énergie et des transmissions
multi saut, la topologie préférable est la topologie « arbre ».
Cette deuxième simulation nous montre une autre côté de l’utilité de notre mo dèle du capteur
sans fil.
En fin n ous sommes conscients que ces résultats moyens ne permet tent pas de déterminer la
durée de vie du réseau.

Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons établi l’étude et la modélisation de la consommation d’un nœud
capteur sans fil . Aussi nous avons exploité ce modèle pour modéliser la consommation d’un
réseau de capteur avec les trois topologies utilisé fréquemment.

Le développement de notre modèle nous permet de mettre en relief l’influence du choix des
différents élémen ts et de leurs caractéristiques sur l’autonomie du nœud . En plus , ce modèle
nous a permi s de mettre en évidence que l’unité de transmission procède la grande part
d’énergie dans la consommation globale d’un nœud . Enfin notre modèle montre que la
topologie utilisée par le réseau de capteur sans fil joue un rôle très important sur la
consommation des nœuds.

Cependant, nous avons remarqué qu’il est important de faire une étude détaillé pour concevoir
un RCSF, et que le choix du matériel d’un nœud capteur es t primordial dans cette étude. Ensuite
il faut valider les résultats de simulation par des essai s pratique . C’est l’objectif du chapitre
suivant.

Projet fin d’étude

33
CHAPITRE 3 : ETUDE DE LA CONSOMMATION DE
CHAQUE ELEMENT DU NEOUD CAPTEUR :

I. Introduction :

Nous a vons montré que l'économie d'énergie est une des problématiques majeures dans ces
réseaux. En plus, les nœuds capteurs embarquent une q uantité d’énergie très limitée et la
recharge des sources d'énergie est trop coûteuse et parfois impossible. Il faut donc que les
capteurs économisent au maximum l'énergie afin de pouvoir fonctionner pour une longue durée .
En effet, un réseau de capteurs ne peut pas survivre si la défaillance de s nœuds est très
importante car ceci engendre des pertes de communications dues à une très grande dist ance
entre les nœuds restants.
Nous ferons dans ce qui suivra une étude technologique du matériel et des communications
existante orientée vers les élément s qui consomment beaucoup d’ énergie d’après le chapitre
précédent : l’unité de transmission et l’unité de traitement , tous ces paramètres vont nous
permettre de défi nir les critères de choix d’une architecture système adaptée à notre cadre
d’étude pour valider , enfin, les résultats de la simulation.
II. Etude technologique du matériel :
1. Le capteur :
Les capteurs sont capables d’effectuer plusieu rs mesures par seconde. En général, comme nous
avons vu l’énergie de capture représente un faible pourcentage de l’énergie totale consommé
par un nœud , mais a fin de diminuer la consommation du nœud , il est important d’alterner des
périodes d’ activité et d’inactivité. Le temps de basculement entre ces états , notamment le temps
de réveil, doit être pris en compte car il peut influer sur la consommation globale du nœud [3]
Un autre facteur influe sur l a consommation global d’un nœud est le nombre des capteur s parce
que chaque capteur nécessite une énergie pour fonctionné et pour le traitement de ces donné
soit par le convertisseur analogique numérique ou par le microcontrôleur.
Nous allons présenter les trois capteurs que nous avons utilisés dans les essais pratiques :
a) Le capteur de flamme :
Le Capteur de Flammes basé sur le sur le circuit LM393
compatible avec l' Arduino peut être utilisé pour détecter un feu
ou d’autres longueurs d'onde de 760 nm à 1 100 nm
Alimentation 5V
Consommation: 20 mA

Figure 28 : image du capteur de flamme

Projet fin d’étude

34
b) Le capteur de gaz :
Le Capteur de gaz MQ2 simple d’utilisation est dédié à la
détection des fuites de gaz, Il peut détecter du GPL, but ane,
méthane, alcool, hydrogène, fumée, etc. Avec un temps de
réponse court, les mesures peuvent être prises rapidement. La
sensibilité peut également être ajustée par un potentiomètre.
Consomme moins de 150 mA à 5 V
Figure 29 : image MQ2
c) Le capteur de température et de l’humidité :
Les capteurs de température mesurent la température de l’air,
tandis que les capteurs d'humidité mesurent l’humidité. Les
deux capteurs sont souvent couplés pour réduire les coûts. Par
exemple DHT11 :
Alimentation 5V
Consommation 2.5mA

Figure 30 : image DHT11
2. L’unité de traitement :
Le choix de l’unité de traitement est fondamental dans la conception d’un nœud capteur vu
qu’elle joue un rôle important dans la vitesse d’exécution et surtout dans la gestion de
consommation d’énergie du nœud .
Afin de répondre aux besoins des applications et d’augmenter l’efficacité énergétique du nœud
ce choix se fait selon :
– les fonctionnal ités requises par l’application.
– le coût.
– la tensio n d’alimentation
– la consommation .

La consommation dépend du mode de fonctionnement (active ou en veille) des fonctionnalités
du nœud et de la durée ou bien la rapidité de traitement des instructions , Cette durée d’exécution
des tâches allouées à l’uni té de traitement est aussi liée à sa vitesse de traitement. Plus la vitesse
de traitement est élevée, plus la durée d’exécution sera courte. Néanmoins, elle entraine une
plus forte consommation [7] [8] . L’ajout de fonctionnalités va complexifier la gestion du nœud
et le traitement de ces données, ce qui aura pa r conséquence d’augm enter la durée de traitement
et donc la consommation. Alors il sera nécessaire de faire un compromis entre vitesse
d’exécution, ajout de fonctionnalités et consommation.

Enfin, il est important de s’ intéresser à la consommation en mode inactif, qui doit toujours
maintenir une certaine activité : gestion du stockage des données, synchronisation, gestion du
réveil. Du fait de ce maintien d’activité, l’unité de traitement à une consom mation importante

Projet fin d’étude

35
en mode inactif. Or, le mode veille est le plus long dans les applications réseaux de capteurs, sa
consommation dans ce mode peut donc constituer une part prépondérante de la consommation
moyenne du nœud .
Parmi les différentes unités de t raitement existantes pouvant êt re utilisées dans un RCSF, nous
évoquons les plus intéressantes :
a) FPGA :
Les FPGA (Field -Programmable Gate Array) sont des
circuits intégrés reprogrammables.
Le FPGA Spartan 3 possède 200000 portes logiques
assemblables à s ouhait à l'aide de la programmation
VHDL. Il dispose d'environ 170 entrées -sorties et
fonctionne sous une tension de 1,5V.
Ces circuits sont très puissants pour un simple noeud
capteur, c’est pourquoi ils so nt peu utilisés dans les
RCSFs.
Figure 31 : FPGA SPARTAN 3

Ces limitations en performances pour un simple nœud capteur sont la surface, le cout, la
puissants élever et il consomme beaucoup d’énergie c’est pourquoi ils sont peu utilisés dans les
RCSFs.

b) Le microcontrôl eur INTEL 8051 :
Le microcontrôleur Intel 8051 est l'un des
microcontrôleurs les plus populaires à usage général. Il
est l’origine de la famille MCS -51 de
microcontrôleurs, qui comprend des puces de
fournisseurs tels que : Atmel, Philips, Infineon et
Texa s Instruments.
Le μC8051 n’est pas conçu pour la consommation faible
énergie, et a une faible capacité mémoire qui ne peut
supporter l’implémentation d’algorithme de commande.
Figure 32 : image Intel 8051

c) Les pics de microchip :
Il existe une large gamme de microcontrôleur de Microchip, les PICs en est une. Les plus
développés e t utilisés sont les 16F et 18F.
Les caractéristiques suivantes sont celles du 16LF 88 :
– Courant en mode active de 1 mA
– Courant en mode veille de 0.4 μA

Projet fin d’étude

36
Les caractéristiques suivantes sont cell es du 18F4520 existant au Labo :

– Courant en mode active de 5.8 μA
– Courant en mode veille de 0.1 μA
d) RFPIC :
Le RFpic 12F675 de Microchip est un microcontrôl eur
ayant un émetteur/récepteur (transmitter) ASK/ FSK.
Les caractéristiques les plus importantes du RFpic sont :

– 5 us pour se réveiller du mode en veille.
– Très faible consommation :
-14 mA s’il débit à 434 MHz avec un rayonnement de +
6 dBm.
Figure 33 : image RFpic
-4 mA s’il débit à 434 MHz avec un rayonnement -15 dBm.
-0.4 uA au mode en veille.

– Une vitesse de transmission de 0 à 40 kbps.
Ce circuit est figé en terme de canal communication vu qu’il ne possède pas une liaison série,
sa capacité mémoire est faible, a insi que sa gamme de fréquence est très réduite.
e) ATMEGA128 :
L’ATmega128 est un microcontrôleur AVR du
constructeur ATMEL. Ce type de μC contient une très
bonne capacité mémoire et plusieurs protocoles de
communication il est intéressant sauf que sa vite sse n’est
pas aussi rapide et qu’il n’est pas dédié à la faible
consommation.
– Courant en mode active de 9mA.
– Courant en mode veille de 0.3 μA .
Figure 34 : image ATMEGA 128
f) ATMEGA 328 :
L’ATmega328 est aussi un microcont rôleur AVR de 8 bits
d’ATMEL qui est plus puissant que l’AT MEGA128.
Ce μC est aussi très intéressant comme unité de traitement
pour un noeud capteur, il contient une grande capacité
mémoire, et n’est pas figé en termes de communication et
de programmation , il peut fonctionner en très grande
vitesse, de plus il est dédié au circuit faible consommation.
Figure 35 : image ATMEGA 328

Projet fin d’étude

37
Le tableau 2 récapitule le courant consommé en mode active et en mode veille des différente s
unités de traitement qui peuvent être utilisé dans les nœuds capteur :

Non du composant Ion Ioff
pic18F4520 5.8 μA 0.1 μA
pic16LF88 1mA 0.4 μA
Le RFpic 12F675 14mA 0.4 μA
ATmega128 9 mA 0.3 μA
Tableau 2 : le courant consommé en mode active et en mode veille des différentes unités de traitements
En général, comme nous avons démontré dan s le deuxième chapitre l’énergie de traitement
est faible par rap port à celle nécessaire pour la communication .
3. Les unités de communication :
La gestion du réveil de l’unité de communication est un paramètre important pour
l’optimisation de l’autonomie. E n effet, le temps d’ét ablissement peut notamment être
conséquent et donc avoir un impact gênant sur l’ autonomie du nœud. Il est nécessaire de bien
gérer ce temps d’établissement afin de ne pas gaspiller inutilement l’énergie embarquée. [4]
Il existe différ ent type de communication RF, chacun ses avantages et ses inconvénients. Les
trois principaux caractéristiques qu’il faut considérer lors du choix d’une méthode de
communication sans fils sont :
– La consommation d’énergie.
– Étendu du réseau,
– Débit de données,
Il existe de nombreux protocoles de communication sans fil permettant la mise en réseau
d’éléments dont les plus connus sont le Wifi, le Bluetooth ou encore le Zigbee .
Pour pouvoir faire un choix judicieux de l’unité de communication, nous all ons tout d’abord
introduire les normes IEEE 802.11 (Wifi) et IEEE 802.15 qui sont primordiales à connaitre.
a) IEEE 802.11 :
La norme IEEE 802.11 est un standard international
décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans
fil (WLAN Wireless Local Are a Network). Le nom
Wi-Fi (Wireless Fidelity) correspond initialement au
nom donné à la certification délivrée par la Wi -Fi
Alliance, Par abus de langage le nom de la norme se
confond aujourd'hui avec le nom de la certification.
Ainsi un réseau Wifi est en réalité un réseau
répondant à la norme 802.11.
Figure 36 : logo du wifi
Ce type de réseau possède un taux élevé de transmission de données (54Mbps théorique) mais
aussi une forte consommation d'énergie.

Projet fin d’étude

38
Il est utilisé lorsqu’on a besoin de se connecter directement à Internet, mais il doit disposer
d'une source d'alimentation externe.
Les différentes normes WiFi :
La norme IEEE 802.11 est en réalité la norme initiale offrant des débits de 1 ou 2 Mbps. Des
révisions ont été apporté es à la norme originale afin d'optimiser le débit, ou bien préciser des
éléments afin d'assurer une meilleure sécurité ou une meilleure interopérabilité.
b) La norme 802.15 :
La norme 802.15 définit les PAN sans fils appelé WPAN : Wireless Personal Area Netw ork
dont les technologies sont : le Bluetooth, les normes IEEE 802.15.3 (WPAN haut débit) et IEEE
802.15.4 (WPAN faible débit, Zigbee).
c) La norme 802.15.4 :
La norme IEEE 802.15.4 a été développée par IEEE 802.15 Groupe de Tâche 4, qui spécifie les
couches physiques et MAC pour le WPANs (Wireless Personal Area Network) faible débit
appelé LR -WPAN (Low Rate). La première sortie de l'IEEE 802.15.4 norme a été livrée en
2003 et est librement distribuée. Cette sortie a été révisée en 2006, mais la nouvelle versi on
n’est pas encore libre. Sa pile de protocole est simple, flexible et n'exige pas d'infrastructure.
La couche physique de la norme IEEE 802.15.4 a été spécifiée pour coexister avec d'autres
normes IEEE pour les réseaux sans fil, par exemple, IEEE 802.11 (WLAN) et IEEE 802.15.1
(Bluetooth).
d) La norme ZIGBEE :
La norme IEEE 802.15.4 définit seulement les
couches physiques et MAC sans spécifier les
protocoles des couches supérieures (réseau et
application). La norme Zigbee est basée à partir de la
norme IE EE 802.15.4 et définit les couches : réseau
et d'application.
Figure 37 : logo du ZigBee
La couche réseau définit les fonctions de routages pour les différentes topologies.
La couche d'application permet le développement d'ap plication et de communication.
Cela permet une communication sans fil à faible débit et courte portée, implémentée dans un
dispositif alimenté seulement avec une batterie.
Cette norme est appliquée dans les capteurs, les jouets interactifs, les commandes à distance et
la domotique.
Elle permet l’utilisation de 3 topologies : Etoile, arbre et maillée, et deux mode d’accès sont
possible, le mode coordonné (avec balise) et le mode non coordonné (sans balise) en utilisant
la technique CSMA -CA sans RTS/CTS.
La topologie étoile permet seulement une communication à un saut. Pour un large zone de
déploiement, cette topologie n’est pas satisfaisante car la portée du trans metteur est limitée.

Projet fin d’étude

39
La topologie maillée permet les communications multi -saut pour un dépoi lement massif sur une
large zone. Cependant, les noeuds n’ont pas de méthodes pour économiser la consommation
d’énergie.
e) La norme Bluetooth :
Le Bluetooth est normalisé selon la norme 802.15.1, et permet
une communication radio courte distance dans la ban de 2.4
GHz avec un débit allons 250 kbps (réel) et une possibilité
d’atteindre une distance allant jusqu’à 10m avec une puissance
de transmission de 100 mW.
Un système Bluetooth emploie une technique de saut de
fréquence avec un espace inter -porteuse de 1 MHz,
généralement jusqu’à 80 fréquences différentes sont utilisées
pour constituer une bande passante totale de 80 MHz.

Figure 38 : logo du Bluetooth
Grace aux sauts de fréquence (1600 sauts par seconde) il est possible de partag er une même
bande de fréquence entre plusieurs équipements localisés dans une même zone. Ainsi, un canal
logique peut être défini à tout moment sur une bande de 1 MHz.
La Topologie utilisée par le Bluetooth est la topologie étoile : jusqu’à 8 équipements dans une
étoile logique.
La technologie Bluetooth est largement utilisée dans certaines industries.
Elle permet :
– L’accès de programmation sans fil d’une commande industrielle.
– Liaison de données entre un appareil tiers doté d’une interface Bluetoo th intégrée et une
commande industrielle.
– Mise en réseau d’équipements bus mobiles
– Utilisation à l’échelle mondiale grâce à la puissance d’émission réglable ( -28 … 20 dBm).

Figure 39 : Application industrielle du Bluetooth

Projet fin d’étude

40
Le tableau 4 montre une comparaison entre le ZigBee et le Bluetooth :
ZigBee Bluetooth
Durée de vie de la batterie
(jours) Plus de 1000 1 à 7
Taille du réseau Illimité en théorie, 32000 en
réalité 7
Bande passante théorique
(Kb/s) 20 à 250 720
Portée (mètres) 100 10
Consommation en émission 25 à 35 mA 40 mA
Consommation en veille 3 200
Tableau 3 : comparaison entre les normes ZigBee et Bleuthoot
NB : La portée du Bluetooth peut aller jusqu’à 100 m avec d es amplificateur s bien adaptés.
f) NRF24L01 :
La famille NRF24 du constructeur norvégien Nordic Semiconductor regroupe des puces de
communications utilisant la bande des 2.4 GHz. Dans cette
famille, le chipset NRF24l01+ connaît un succès important.
Depuis 2010 ce composant est embarqué dans la plupart des
claviers et souris sans fils qui inondent le marché grand
public.
Le NRF24l01+ offre une communication radio accessible via
une interface SPI standard. La même puce permet de recevoir
et d’émettre (transmetteur), et peut f onctionner en plus d’une
centaine de canaux, et consomme très peu d’énergie.
– Courant en mode veille de 0.3 μA
– Courant en mode active à la réception 19mA .
– Courant en mode active à l’émission 23 mA
Figure 40 : image du NRF24l01+
Les puces NRF24l01+ modula nt en GFSK su r des canaux démarrant à 2.4 GHz. Ce module
intègre un protocole spécial appelé : « Enhanced ShockBurst » ou bien ESB.
Les trames du protocole ESB contiennent un préambule radio, l’adresse de destination, un en –
tête, la charge utile, et un CRC. La charge utile peut être d’une langueur fixe ou variable, sa
taille est renseignée dans 6 des 9 bits de l’en -tête. [12]

Préambule
Adresse En-tête
Charge utile
CRC

1 octet
3-5 octets
9 bits
0 – 32 octet
0 – 2 octet

Tableau 4 : Tram du protocole ESB
Ce p rotocole permet de garantir une transmission fia ble sans s’occuper des détails, la
modulation GFSK avec 127 canaux, des sauts de fréquences, couplés au dispositif CRC…
permettent un antiparasitage très efficace, aussi il possède l’auto ACKNOWLEDGE, l’auto
renvoie et support jusqu’à 6 connexions simultanées (pipeline) possédant chacune son propre
buffer RX/TX de 32 bytes.

Le module dispose d’une antenne incorporée (visible en zigzag sur le circuit), sa portée
maximale est de 100 m en extérieur (outdoor) et un déb it pouvant allez jusqu’à 2 Mbps .

Projet fin d’étude

41
Concernant la description du circuit, il est à sa voir que le NRF24l01+ comporte :
– un régulateur 3v3 acceptant des tensions de 3v3 à 7v,
– une antenne céramique 2.4GHz,

Remarque :
– Le NRF24l01+ comme le ZigBee permet d’avoir les trois topologies rése au : Arbre, étoile et
maillée.
g) Tableau récapitulatif :
Une comparaison entre les différents standards est présentée dans le tableau 5 :

protocole Zigbee Bluetooth Wifi NRF24/01+
IEEE 802.15.4 802.15.1 802.11a/b/g –
Autonomie années jours heures années
Nombre de nœuds 65000 7 32 127(6 VPN)
Vitesse de transfert 250 Kbps 1 Mbps 11-54-108 Mbps 2 Mbps
Portée (m) 100 10-100 300 100
Prix en DH
(émetteur /récepteur) 1500 240 200 80
Tableau 5 : comparaison entre les différents standards
Remarque : Le module nRF24L01 utilise la même gamme de fréquences que le WiFi et le
Bluetooth, mais n'est pas compat ible avec ceux deux protocoles.
Le choix d’une technologie dépend des services proposés, ainsi que des besoins du concepteur
du réseau. Certains paramètres comme la puissance, le débit, la portée, le coût, la sécurité, et le
nombre de nœuds supportés et surtout la consommation d’énergie doivent être prise en compte.
Dans notre cas, la technologie ch oisie devra donc offrir un compromis entre le débit, la
consommation d’énergie et le coût :
– le Wifi est totalement écarté à cause de sa consommation.
-le ZigBee a une faible consommation d’énergie dans le réseau et aussi son débit est faible et
cela eng endre des délais importants.
-Le Bluetooth présente une grande consommation d’énergie, et le transfert de données ne
pourrait se faire que sur de faible distance.
-le NRF24l01+ permet un bon compromis entre le débit et la consommation d’énergie ainsi
que son coût est bien plus faible que les autres technologies.

4. L’unité d’énergie :
Comme mentionné précédemment, la consommation d’énergie représente une affaire critique
dans les réseaux de capteurs sans fil, en effet la durée de vie de l’alimentation déte rmine celle
du nœud et bien évidemment celle du réseau. L’alimentation doit fournir l’énergie nécessaire
au fonctionnement de l’ensemble du nœud capteur.
Pour le choix de la source d’énergie il faut tenir essentiellement compte de ca capacité (Ah) qui
influe sur l’autonomie, de sa taille pour ne pas agrandir le nœud et des fonctionnalités requis
par l’application

Projet fin d’étude

42

a) Les piles :
Les piles sont divisées en deux catégories principales :
Les cellules primaires sont relativement économiques à produire et sont conçues pour être
jetées ou recyclées après la distribution de leur charge initiale, mais elles ne sont pas très
écologiques.
Les cellules secondaires, sont généralement plus chères que les primaires. Elles peuvent être
réutilisées de nombreuses fois e t sont donc plus économiques et respectueuses de
l’environnement à long terme.

b) Super -capacités
Les super -capacités possèdent une capacité de stockage d’éne rgie aussi grande que celle des
batteries. Elles constituent un compromis entre les batteries recha rgeables et les capacités
standard. En effet, elles possèdent aussi l’avantage d’avoir une durée de vie généralemen t plus
longue et un temps de charge plus faible. Cependant , ces super -capacités possèdent
l’inconvénient d’avoir des courants de fuites très grands, ce qui va limiter leur autonomie.
De plus, comme pour les batteries rechargeables, leur utilisation suppose de leur associer une
source d’ énergie pour pouvoir les recharger et donc d’utiliser une électronique de contrôle.
c) Micro -générateurs :
La réc upération d’énergie est une méthode envisagée afin de pouvoir recharger les batteries ou
les super -capacités. Dans l’optique de la miniaturisation, de nouveaux générateurs permettant
de récupérer l’énergie ambiante sont en cours de développement dans l’int érêt d’augmenter
l’autonomie tout en miniaturisant toujours plus. La récupération d’énergie concerne :
– L’énergie solaire;
– Les vibrations
– Les variations de température
Les piles pouvant servir de source d’alimentation pour les nœuds capteurs accessib le sont les
pile au lithium -ion pour pouvoir les recharger à tout moment, tandis que pour les nœuds non
difficilement accessible nous utiliserons les piles primaires à base alcaline de 9 V.

Figure 41 : image des pile s
III. Influence d u choix de la batterie sur l’autonomie :
Comme nous l’avons montré précédemment, l’autonomie sera plus grande en maintenant le
nœud le plus longtemps possible en état de ve ille. Nous avons donc défini la notion de rapport
cycliq ue de fonctionnement d’un nœ ud, nous avons donc vu que l’autonomie requise pouvait
atteindre plusieurs années.

Projet fin d’étude

43
Fixons donc l’autonomie à une année et prenons l ’exemple d’une batterie lithium CR2477
d’une capacité de 950mAh. La Figure 42 est obtenue d’après [ 3] elle représente la
consommation moyenne en fonction du rapport cycl ique de fonctionnement pour une
autonomie d’une année.

Figure 42 : Courant en fonction du rapport cycl ique pour une autonomie de 1 an
Si le nœud fonctionne 10ms toutes les secondes soi t un rapport cyclique de fonctionnement de
1%, le courant consommé moyen devra être environ de 10mA afin d’atteindre une année
d’autonomie. Néanmoins, cette caractéristique est id éale et ne tient pas compte des
caractéristiques de la batterie considérée. E n effet, comme no us l’avons vu précédemment la
densité d’énergie d’une batterie lithium diminue avec le temps. Si nous considérons cette
caractéristique, en ayant un courant moyen de 10mA avec un α de 1%, l’autonomie obtenue
devient seulement une demi -année. Afin de tenir compte de cette caractéristique, un coeffic ient
K dépendant du choix de la batterie est inclue . Nous obtenons ainsi :
𝐼=𝐶𝑏𝑎𝑡 ∗𝐾
𝛼∗𝑡

010203040506070
0 , 2 0 , 2 5 0 , 3 0 , 3 5 0 , 4 0 , 4 5 0 , 5 0 , 7 1 , 2 1 , 5 2 2 , 5CONSOMMATION (MA )
RAPPORT CYCLIQUE %

Projet fin d’étude

44
IV. La validation des résultats dé veloppés en simulation par des
essais pratique :

Après cette étude technologique du matériel pour la
consommation , nous allons montrer dans cette partie
l’utilité de notre modèle en effectuant plusieurs
mesures . Après avoir fai t la simulation d’un nœud
capteur sans fil avec M atlab Simulink nous avons
prendre des mesures des différentes éléments qui le
constitue réellement , dans un premier temps avec un
seul capteur de température et d’humidité , et dans un
deux ième temps avec trois capteur , un capteur de gaz
et un capteur de flamme et le capteur de température
et d’humidité , et nous avons utilisé un arduino nano
(qui utilise le microcontrôleur ATmega328 ) comme
unité de traitement ,
Figure 43 : image d’après les mesures e ffectuées
et un NRF24l01+ comme unité de communication, et l’unité d’alimentation est une batterie 9V.
(Ces mesures ont été effectuées sur une infrastructure de réseaux de capteur réalisé au
laboratoire de Génie électrique dans le cadre de PFE)
Les résulta ts obtenus sont regroupé dans le tableau 6 :

Nom du composant Ion (mA) un seul capteur Ion (mA) trois capteur
capteur 12 36
microcontrôleur 41.74 82.7
Module RF 53 104
Tableau 6 : tableau de valeurs mesurées
Le graphe suivan t décrit bien ses résultats :

Figure 44 : la consommation des éléments du nœud avec un seul capteur et avec trois capteurs
020406080100120
unité de captage l'unité de traitement module RF
trois capteur un capteur

Projet fin d’étude

45
D’après ces résultat nous avons remarqué qu’il y’a une légère augmentation de ses résultats par
rapport a u résultat obtenu par simul ation ce qui est normal, mais le plus important dans ce projet
est de savoir le pourcentage de consommation de chaque éléments pour bien comparé les
résultats et connaitre l’élément qui a la part la plus prépondérante sur la cons ommation du nœud
et donc sur l’autonomie du système . Pour cela nous avons fait les graphes suivants :
La figure 45 présente la répartition de la consommation en f onction des différents éléments du
nœud avec un seul capteur :

Figure 45 : répartition de la consommation en fonction des éléments du nœud avec un seul capteur
La figure 46 présente la répartition de la consommation du nœud avec trois capteurs en fonction
des différents éléments :

Figure 46 : répartition de la consommation en fonction d es éléments du nœud avec trois capteurs

capteur
14%
l'unité de traitement
39%module RF
47%
capteur l'unité de traitement module RF
7%6%
6%
36%45%
capteur 1 capteur 2 capteur 3 l'unité de traitement module RF

Projet fin d’étude

46
D’après ces graphes nous avons confirmé les premiers résultats de simulation et malgré la petite
différence du pourcentage il est bien évident que l’élément qui consomme la grande partie
d’énergie dans le nœud est le module radio fréquence, donc il est très important de s’intéresser
sur cet élément soit pour le choix entre les différentes unités de communication qui existe ou
pour étudier ses caractéristiques et son impac t sur la consommation globale du nœud et donc
sur l’autonomie . Sans oublier que l’unité de traitement a aussi un pourcentage intéressant de la
consommation globale du nœud.
En fin malgré que la part de consommation de l’unité de captage est moins importan t mais il
n’est pas négligeable et nous avons remarqué que le nombre des capteurs influe directement sur
la consommation d’énergie.

V. Les solutions globales adoptées par les chercheurs au niveau
consommation :
Il est bien clair maintenant que le grand prob lème du RCSF est la consommation d’énergie,
plusieurs facteurs intervenants pour provoquer telle que l’ état du module radio (émission ,
réception…), La retransmission, L’écoute active, La sur écoute , La taille des paquets…
Nous présentons dans ce qui suit l es différentes techniques utilisées par les chercheurs pour
minimiser la consommation :
1. L’unité de captage
 La seule solution apportée pour la minimisation de la consommation d’énergie au
niveau de la capture consiste à réduire les durées de captures.
2. L’unité de traitement :
L’énergie de calcul peut être optimisée en utilisant deux techniques :
 ajuster de manière adaptative la tension d’alimentation et la fréquence de
microprocesseur pour économiser la puissance de calcul sans dégradation des
performances. [15]
 transférer un calcul vers une station de base qui n’a pas de contraintes énergétiques et
qui possède une grande capacité de calcul [16]
3. L’unité de transmission
 réduire le nombre d’émission/ réception des messages . [17]
 Le contrôle de la puissance de transmission . [14]
 profite de la densité élevée des capteurs déployés pour se permettre d’e ndormir certains
d’entre eux , afin que tous les capteurs ne soient pas actifs en même temps . [13]

Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons établi une étude des différentes composant qui peut être choisie
pour concevoir un nœud capteur notamment les élémen t qui consomme beaucoup d’énergie
d’après le chapitre précédent l’unité de transmission et l’unité de traitement , en mettant l’ accent
sur la partie consommation d’énergie sans oublier les performances nécessaire pour bien
implémenter le nœud dans sans envi ronnement . Ainsi nous fait des essais pratique et en fin
nous avons donné les solutions adoptées par les chercheur pour la consommation.

Projet fin d’étude

47

Conclusion générale :

La durée de vie la plus longue possible tradui t l’exigence le plus importante de la p lupart des
applications. Par conséquent, pour atteindre cette autonomie, il est crucial de minimiser la
consommation moyenne des nœuds capteurs. Une des alternatives explorées aujourd’hui par
les chercheurs consiste à extraire l’énergie de l’environnement (énergie solaire, vibrations
mécaniques, bruit acoustique…). Ces techniques peuvent grandement améliorer la durée de vie,
mais comme la production d’énergie est très faible, une consommation d’énergie réduite des
nœuds capteurs reste de la plus haute impor tance.
Dans un réseau de capteurs, au niveau matériel, l’unité de transmission est la partie qui
consomme le plus d’ énergie , Il est donc important d’optimiser la consommation de cette unité ,
Cependant, il ne faut pas oublier la consommation du microcontrôl eur qui reste assez
consé quente, surtout si le volume de données échangées sur le réseau est important .
Ainsi après le choix des éléments du nœud et ses différentes fonctionnalités le type
d’alimentation choisi d’un nœud est aussi un facteur limite l’auton omie.
Enfin c e modèle simple validé par des simulations et des essais pratique nous permet de prendre
une idée claire sur l’orientation des recherches pour améliorer les réseaux de capteur sans fil.

Perspectives :

Les travaux présentés tout au long d e ce mémoire ont traité la modélisation d’un nœud capteur
sans fil pour appliquer à l’analyse de la consommation. Plusieurs perspectives peuvent être
envisag ées sur la base de ces travaux :

– Intéresser tout particulièrement au module radiofréquence du nœud capteur autonome
– Modéliser l’unité de traitement pour estimer la consommation de ces blocs
– Développer des nouvelles conceptions pour les unités de communication et de
traitement sous contrainte de consommation .
– Ajouter au nœud capteur des technologies d ’énergie renouvelable .
– Chercher des méthodes pour orienter les topologies des réseaux envers la topologie
arbre qui consomme moins d’ énergie sur une large distance.

Projet fin d’étude

48

Bibliographie :

[1] Etat de l’art sur les WSN, Malick GAYE, Juin 2014

[2] A. C erpa, J. Elson, M. Hamilton, J. Zhao, Habitat MONITORING: application driver for
wireless communications technology, ACM SIGCOMM’2000, Costa Rica,April 2001.

[3] Hill, Jason Lester. "System Architecture for Wireless Sensor Networks". Mémoire de
Thèse. University of California, Berkeley, 2003

[4] C. Sodini, A. Wang. "A Simple Energy Model for Wireless Microsensor Transceivers".

[5]I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci : Wireless sensor NETWORKS :
a survey, Broadband and Wireless Networki ng Laboratory, School of Electrical and Computer
Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA, 20 December 2001.

[6] évaluation de la consommation énergétique d’un nœud du hard au soft

[7] M. Badet, W. Bonneau. " Mise en place d’ une plateforme de test et d’expérimentation ",
Projet de Master Technologie de l’Internet Université Pau et des pays de l’Adour. 2006.

[8] les réseaux de capteur sans fil Etude bibliographique Master Recherche 2 en Informatique
IFSIC -Rennes 1 Année univers itaire 2007/2008

[9] Honeywell. Datasheet HMC105X.

[10] Microchip. Datasheet PIC16F6XX.

[11] nrf24l01 datasheet –sparkfun electronics

[12] Périphériq ues sans fil NRF24 : écoute des communications Alain Schneider

[13] W.Ye, J.Heidemann, and D. Estrin. "Medium access controle with coordinated adaptative
sleeping for wireless sensor networks". IEEE/ACM trans.Netw, vol. 12 .

[14] S.Narayanaswamy, V. Kawadia, R.S. Sreenivas, and P.R. Kumar. "Power control in ad –
hoc networks: Theory, architecture, algorithm and implementation of the Compowprotocol",
European Wireless Conference, 2006.

[15] Paolo Santi. "Topology Control in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks", Hardcover .

[16] S. Ziane and A. Mellouk. "A swarm intelligent scheme for routing in mobile ad
networks". Systems Communications, IEEE, Aug 2005.

[17] S. Kumar, D. Shepherd, and F. Zhao. "Collaborative signal and information processing in
micro -sensor networks". IEEE Signal Processing Magazine, March 2002.

Projet fin d’étude

49

Webographie:

https://www.carnetdumaker.net

http://www.mon -club-elec.fr/

http://www.electromonde.com/

http://www.ammo nit.com/