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Synthèse de haut-niveau de contrôleurs ultra-faible consommation ...

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tel-00553143, version 1

tel-00553143, version 1 - 6 Jan 2011 2 Résumé étendu Sensor Subsystem Sensor MCU Power Supply Computation Subsystem Power Subsystem Communication Subsystem Figure 1: Architecture générale d’un nœud de capteur. tels que les téléphones cellulaires et autres “smartphones”, réduisent leur consommation d’énergie en utilisant des composants matériels spécialisés – ou Application Specific Integrated Circuits (ASIC) – qui procurent des implémentations faible consommation des protocoles de communications et algorithmes de traitement nécessaires. A ce jour, une des forces des réseaux de capteurs est leur supposées flexibilité et universalité. Cependant, si on observe de façon plus précise leur conception actuelle, le besoin de flexibilité et de programmabilité est essentiellement poussé vers les couches hautes et applicatives, ce qui de plus ne représente qu’une faible fraction de la charge de calcul du nœud, alors que la plus grosse partie de celle-ci est dédiée à la pile de protocole de communication, en particulier vers les couches basses. Notre opinion est donc qu’il est intéressant d’explorer une approche de spécialisation du matériel dans la conception d’un nœud du réseau, de façon à respecter les exigences de très faible énergie. Afin de réduire cette consommation dans un dispositif, nous devons tout d’abord étudier son architecture générique et rechercher ses “points chauds”. L’architecture générique d’un nœud de capteur est discutée dans la prochaine section. 0.1.1 Architecture d’un nœud de capteur Les nœuds de capteur sont des dispositifs à faible consommation fortement embarqués constitués de blocs de calcul et de mémorisation (e.g. un microcontrôleur (MCU) connecté à une mémoire RAM et/ou flash) associés à des composants de communication sans-fil (RF transceiver) et à des capteurs/actionneurs. Comme les nœuds doivent être de taille et de coût limités, il doivent comporter une capacité limitée d’énergie [138]. Dans la plupart des cas, ils s’appuient donc sur des sources d’énergie non rechargeables (e.g. piles) ou récupérées dans l’environnement (e.g. cellules photovoltaïques). La figure 1 présente l’architecture d’un nœud de capteur générique. Il est constitué de quatre sous-systèmes: alimentation, communication, contrôle et calcul, et capteurs. Le sous-système d’alimentation est constitué d’une batterie (ou d’une pile) et d’un convertisseur DC-DC. Le sous-système de communication constitué d’un émetteurrécepteur radio pour les communications sans-fil entre objets. La plupart des plateformes utilise une antenne unique omnidirectionnelle, cependant des techniques de Tx Rx

tel-00553143, version 1 - 6 Jan 2011 Réseaux de capteurs sans fil 3 coopération MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) peuvent également être déployées [99]. Le sous-système de calcul est typiquement composé de mémoire permettant de stocker le programme ou les données, et d’un microcontrôleur pour contrôler le système et traiter les données. Le dernier sous-système lie le nœud avec le monde physique et dispose d’un ensemble de capteurs et/ou d’actionneurs dépendant de l’application considérée. Il contient également des convertisseurs analogique-numérique pour convertir les signaux captés en données numériques utilisables pas le calculateur. Pour concevoir de tels dispositifs avec des ressources fortement limitées, les concepteurs d’architecture doivent faire face à des contraintes difficiles qui seront discutées dans la prochaine section. 0.1.2 Contraintes de conception d’un nœud de capteur Concevoir ces nœuds de capteur est un réel challenge, car plusieurs fortes contraintes sont imposées qui, de plus, sont souvent étroitement liées. Les principales métriques utiles à cette conception sont décrites ci dessous. � La consommation d’énergie (ou de puissance) est le plus grand challenge à atteindre car le réseau doit pouvoir fonctionner sans intervention pendant une très longue durée (des mois voire des années). � La robustesse est également un critère important pour les réseaux de capteurs car elle permet de garantir le fonctionnement correct du r´eseau dans son ensemble. Chaque nœud doit donc être conçu pour être le plus robuste possible afin de tolérer et donc de s’adapter à des pannes de nœuds voisins. � La sécurité au niveau de l’application est une autre métrique à considérer et les dispositifs doivent souvent embarquer des algorithmes relativement complexes d’authentification ou de chiffrement des données. � Les débits et portées de communication sont des éléments clés dans la conception des nœuds. Augmenter la portée et le débit a cependant un impact significatif sur la consommation de puissance des partie radio et calcul. � La charge de calcul est une autre métrique clé qui influence directement la consommation d’énergie du dispositif. Cependant, augmenter la puissance de calcul peut aussi permettre de réduire l’énergie du sous-système radio. � Le coût et la taille de chaque nœud a un impact direct et significatif sur la facilité et le coût du déploiement du réseau de capteurs complet ainsi que sur la capacité de la source d’énergie disponible sur les dispositifs. Comme discuté précédemment, les réseaux de capteurs sont déployés en général en grand nombre et ils doivent donc être petits et peu coûteux. Dans le même temps, comme il n’est pas possible de les équiper avec de grande sources d’énergie voire d’accéder à un rechargement de cette source, la très faible consommation est donc

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