Towards an application of Wireless Sensors Network in wildfire : Modeling, Simulation and experimental platform.
Vers une application d'un réseau de capteurs sans fil dans la problématique des feux de forêt : Modélisation, Simulation et Plate-forme expérimentale
Résumé
The fight against forest fires is a key issue at the beginning of the twenty-first century. the beyond the stated process of global warming, the survival of our environmental system is obviously the point of connection of many researches. The fire problem is one of the lines of research of the University of Corsica, in particular that of the laboratory of Scicences Physics for the Environment (SPE), of the Joint Research Unit CNRS 6134. Seen the catastrophes of this last decade, whether in Portugal or the United States, but also in Corsica with the disastrous season 2003, the emergency services admit the need to have effective means of preventing, detecting and controlling forest fires. We want to join in this perspective by providing a study on a new monitoring tool against forest fires: wireless sensor networks. Advances in the development of Hardware supports and the definition of architectures enabled the realization of small entities, consuming little energy and cost. The nodes of this type of networks consist of a large number of micro-sensors capable to harvest and transmit environmental data in an autonomous way. They are scattered across a geographical area defining the terrain of interest for the phenomenon captured. Captured data is routed through multi-hop routing, close routing in the near, to a node considered as a "collection point", called node well or station of based. The collected data is then analyzed by a user. However to effectively help the emergency services, the use of a network of sensors Wireless must be able to meet three objectives :
1. predict the conditions favorable to the outbreak of a fire,
2. detect the birth of a fire
3. and allow the monitoring of this fire. In reality, it is naturally not conceivable to deploy several sensors in a fire real and to study the behavior. The solution is to simulate a network under the conditions of a fire and analyze the behavior. Our work focused on five specific sub-objectives:
- Proposal of a sensor model according to a description of the different components by DEVS discrete event formalism;
- Implementation of a new tool: DEVS-WSN;
- Study of the routing protocol families specific to the sensor network domain wireless in the forest fire problem thanks to the DEVS-WSN tool;
- Proposition of the VOX routing algorithm based on a triple metric aiming increasing the lifetime of the network and comparing it compared to
GBR and Xmesh protocols using discrete event simulation;
- Analysis of deployment strategies in the forest fire problem and classification according to the criteria of completeness of implementation and reliability of the information transmitted;
- Real-world test of a MICA2 sensor network and a protection structure on an experimental platform.
La lutte contre les feux de forêts est un enjeu primordial en ce début de XXIime siècle. Au delà du processus affirmé du rechauffement climatique, la survie de notre système environnemental est évidemment le point de liaison de nombreuses recherches. La problématique feu est l’un des axes de recherches de l’Université de Corse, en particulier celle du laboratoire des Sciences Physiques pour l’Environnement (SPE), de l’Unité Mixte de Recherche CNRS 6134. Vu les catastrophes de cette dernière décennie, que ce soit au Portugal, aux Etats-Unis mais également en Corse avec la désastreuse saison 2003, les services de secours avouent la nécéssité de disposer de moyens efficaces de prévention, de détection et de lutte contre les feux de forêt. Nous voulons nous inscrire dans cette optique en fournissant une étude sur un nouvel outil de surveillance contre les feux de forêt : les réseaux de capteurs sans fil. Les avancées dans le dévelopement des supports matériels et de la définition des architectures ont permis la réalisation d’entités de petite taille, consommant peu d’énergie et de faible coût. Les noeuds de ce type de réseaux consistent en un grand nombre de micro-capteurs capables de récolter et de transmettre des données environnementales d’une manière autonome. Ils sont dispersés à travers une zone géographique définissant le terrain d’intérêt pour le phénomène capté. Les données captées sont acheminées grâce à un routage multi-saut, routage de proche en proche, à un noeud considéré comme un "point de collecte", appelé noeud puit ou station de base. Les données collectées sont ensuite analysées par un utilisateur.
Cependant pour aider efficacement les services de secours, l’utilisation d’un réseau de capteurs sans fil doit être capable de répondre à trois objectifs :
1. prévoir les conditions favorables à l’éclosion d’un feu,
2. détecter la naissance d’un feu
3. et permettre le suivi de cet incendie. Dans la réalité, il n’est naturellement pas concevable de déployer plusieurs capteurs dans un feu
réel et d’en étudier le comportement. La solution est de simuler un réseau dans les conditions d’un incendie et d’analyser le comportement.
Nous ne trouvons pas, dans l’inventaire réalisé sur les différentes approches, le moyen d’étudier un réseau de capteurs dans la problématique des feux de forêt. Il nous apparaît donc nécéssaire de créer un outil en respectant certaines fonctionnalités indentifées, définissant un cadre de
conception. Une définition complète de tous les composants, la possibilité de pouvoir étudier différents phénomènes environnementaux, ’analyser de la consommation énergétique doivent être offerte par l’outil. De plus cet utilitaire, doit être facilement modifiable, modulaire et générique. Pour modéliser un réseau de capteurs sans fil, il est possible d’utiliser différents formalismes. Mais souvent ces travaux sont incomplets car ils ne présentent que de manière partielle le comportement d’un réseau. De manière générale, ils traîtent le routage et la consommation énergétique. Il n’y a pas de réelles définitions des composants d’un capteur sans fil ou d’études sur les interactions Environnementales. Ces aspects sont importants pour étudier le comportement fonctionnel d’un capteur dans le cadre de notre problématique. Cependant nous allons nous intérésser plus particulièrement à DEVS car c’est un formalisme trés élaboré et dont le laboratoire SPE à L’expérience. De plus nous avions pu découvrir et apprécier les capacités de DEVS dans le cadre de travaux de modélisation et de simulation en bioinformatique. Le formalisme DEVS semble idéal pour décrire la nature asynchrone des événements se déroulant dans les réseaux de capteurs sans fil. Le formalisme DEVS est utilisé pour sa modularité, sa réusabilité et la propriété de pouvoir fournir automatiquement un simulateur à chaque modèle créé. Ces avantages représentent une base sérieuse dans notre réflexion sur définition d’un nouvel outil de modélisation et de simulation d’un réseau de capteurs sans fil.
DEVS-WSN se base sur la définition des composants d’un capteur sans fil. Nous y proposons une approche de modélisation originale par la définition de tous les composants matériels et par la caractérisation d’un modèle environnemental pour la génération de scénario feu de forêt.
Ces modèles sont intégrés au sein de notre application modulaire DEVS-WSN. Nous nous sommes attachés à définir une structure indépendante du matériel offrant un aspect générique. De plus, nous fournissons des éléments pour autoriser l’évolution de notre application, notamment avec le MA “Flash” dans un souci de personnalisation de l’application. Nous avons également ajouté à ces travaux, l’introduction d’un nouvel algorithme de routage par le biais de l’algorithme VOX, variante du protocole Xmesh. Ce protocole se base sur trois paramètres : le nombre de sauts, la qualité des liens et la ressource énergétique. Le protocole VOX tend à optimiser des protocoles issus de la famille des protocoles dits “plats”, que nous avons identifiés comme les plus efficaces dans le cadre de la problématique des feux de forêt. Ce constat nous autorise à penser que VOX est un protocole de routage optimisé dans un contexte de feux de forêt. Nous présentons les différents résultats de simulation. Nous avons procédé premièrement à une comparaison des protocoles de routage GBR, Xmesh et VOX selon des
paramètres énergétiques et selon l’activité du processeur. L’algorithme VOX, que nous avons proposé, est la technique de routage la plus efficace. Ce protocole augmente la durée de vie du réseau en favorisant un partage équitable des tâches entre les noeuds. Ses capacités et son appartenance à la famille des protocoles de routage “plat” font de l’algorithme VOX le protocole le plus approprié dans la problématique des feux de forêt. Nous avons proposé une étude théorique sur des stratégies déterministes de déploiement des réseaux de capteurs sans fil. Cette étude nous a apporté la certitude que la position et le nombre des noeuds dans un réseau étaient des facteurs essentiels dans la Détection et le suivi d’un feu de forêt. Nous avons également souligné le fait que la destruction de plusieurs capteurs pouvaient entrainer une défaillance du réseau et empêcher le suivi d’un feu de forêt. Nous proposons, dans le chapitre suivant, une expérience avec un réseau de capteurs sans fil dans le cadre d’un feu réel. Cette expérience aura pour but de proposer une structure de protection des capteurs et d’évaluer les capacités du réseau dans la détection et le suivi d’un feu. La partie expérimentale constitue un élément complémentaire indispensable à notre étude théorique. Les données recueillies autorisent un optimisme raisonnable quant à la future utilisation des réseaux de capteurs sans fil dans la lutte contre les feux de forêt. La qualité des informations, même si elles méritent d’être complétées, montrent que deux phénomènes physiques (déshydratation et combustion), propres au phénomène feu, sont détectés et parfaitement observables sur les courbes obtenues. Le sytème de protection pour les capteurs face au phénomène feu de forêt a montré ses capacités et représente une réelle avancée dans l’étude du phénomène. En protégeant naturellement les structures dans notre cadre expérimental, il améliore la qualité des données Mesurées. Cependant cette étude n’est qu’une ébauche. En effet, elle doit être complétée par le test d’un réseau de capteurs sans fil plus important, qui constitue l’une de nos perspectives majeures de recherche.
Nos travaux se sont axés sur cinq sous-objectifs précis :
– Proposition d’un modèle de capteur selon une description des différents composants par le biais du formalisme à événements discrets DEVS ;
– Implémentation d’un nouvel outil : DEVS-WSN ;
– Etude des familles de protocoles de routage propres au domaine des réseaux de capteurs sans fil dans la problématique des feux de forêt grâce à l’outil DEVS-WSN ;
– Proposition de l’algorithme de routage VOX basé sur une triple métrique ayant pour but l’augmentation de la durée de vie du réseau et la comparaison de ce dernier par rapport aux protocoles GBR et Xmesh à l’aide d’une simulation à événements discrets ;
– Analyse des stratégies de déploiement dans la problématique des feux de forêts et classification selon les critères de compléxité de mise en place et de fiabilité de l’information transmise ;
– Test en conditions réelles d’un réseau de capteurs MICA2 et d’une structure de protection sur une plate-forme expérimentale. Nous nous devions de répondre à trois questions majeures dans l’utilisation des réseaux de capteurs de fil dans le cas d’un incendie :
1. Est-il possible de prévoir l’éclosion d’un feu à l’aide d’un réseau de capteurs sans fil ? La réponse à cette question est Oui. En effet, les réseaux de capteurs sont capables, grâce à leur carte ”capteurs” de collecter des données environnementales. Un réseau déployé va transmettre les données du terrain jusqu’à un utliisateur par le biais d’une communication de proche en proche. La famille des protocoles de routage dits “plats”, protocoles que nous avons identifiés comme les plus robustes dans le cadre d’un incendie, ne se sont pas avérés économes en énergie. Cependant la durée de vie du réseau, pour une application sur une longue période, est dépendante des ressources énergetiques de chaque noeud. La proposition du protocole VOX augmente ce temps de vie en favorisant un partage plus équitable des tâches entre les entités. Les “noeuds VOX” permettent non seulement une communication fiable (qualité de lien prise en compte et chemin le plus court) mais de plus ils économisent les ressources énergétiques. Ce protocole, issu de la famille des protocoles dits “plats”, peut être onsidéré application-dépendant, car développé dans la problématique des feux.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...