SensLab, une plateforme d’expérimentation pour les réseaux de capteurs

Les réseaux de capteurs sans fil ont été conçus pour répondre aux besoins croissants d’observation et de contrôle de certains phénomènes physiques et biologiques. Pour surveiller l’environnement par exemple, on peut utiliser des capteurs de luminosité, de température, de mouvement, d’accélération, etc. Associés à un micro-contrôleur, à une puce radio et à une batterie, les capteurs positionnés au même endroit constituent un nœud-capteur capable de récolter et de transmettre des données environnementales de manière autonome. Organisé en réseau, l’ensemble de nœuds-capteurs permet de surveiller une zone déterminée, appelée zone de surveillance, et de faire remonter l’information par message radio, de proche en proche, jusqu’à une entité qui traitera cette information.

Mise en œuvre d’un réseau de capteurs pour la surveillance d’activité sismique ou volcanique.
Image © Harvard Sensor Networks Lab.

La diminution des coûts matériels, ainsi que l’élargissement de la gamme des capteurs disponibles, a permis d’étendre le champ d’application des réseaux de capteurs sans fil. Le domaine militaire a été un moteur initial dans le développement de ces technologies pour l’analyse de terrains dangereux ou la surveillance de mouvements. Les applications environnementales se sont ensuite multipliées, pour la détection de feux de forêts, la surveillance d’activité volcanique ou sismique, ou encore le suivi du déplacement d’animaux. On utilise aussi les réseaux de capteurs pour des applications médicales comme la veille épidémiologique, ou dans un but commercial, pour l’optimisation des processus de stockage ou la construction de maisons intelligentes par exemple.

Optimiser les performances des capteurs

Dans un tel contexte, les scientifiques doivent faire face à de nombreux défis, tant au niveau matériel que logiciel. L’une des principales difficultés est d’optimiser les performances des capteurs sans pour autant augmenter leur coût ni leur taille. Il s’agit alors de concevoir des capteurs ayant plus de capacités de stockage et de calcul, de produire des composants peu gourmands en énergie et d’étudier des batteries qui durent plus longtemps ou se rechargent automatiquement grâce à l’énergie mécanique produite par les vibrations présentes dans leur environnement. De nouveaux matériaux sont aussi à l’étude, notamment ceux ayant un faible impact sur l’environnement.

D’un point de vue logiciel, il est important de fournir au réseau de capteurs les moyens de fonctionner tout en préservant son énergie. C’est pourquoi les chercheurs s’intéressent à la conception d’algorithmes permettant à chaque capteur de découvrir son voisinage radio. Il s’agit de le rendre capable de repérer avec quels autres capteurs il peut communiquer directement. Il faut aussi acheminer efficacement les données vers une entité capable de les analyser, en optimisant les algorithmes de routage. Afin de prolonger au maximum la vie du réseau, les scientifiques s’attachent également à la conception d’algorithmes permettant « d’endormir » intelligemment les capteurs de façon temporaire, sans compromettre le fonctionnement du réseau. Les réseaux de capteurs nécessitent donc un nombre important d’algorithmes pour assurer le plus longtemps possible leur bon fonctionnement à grande échelle.

Pour évaluer et valider leurs solutions, les chercheurs disposent de simulateurs. Mais ces outils souffrent d’imperfections, puisque les simulations sont basées sur des hypothèses quant à la propagation des ondes, au trafic radio, aux modèles d’échec ou aux topologies. Il est donc primordial de procéder à des expérimentations in situ, afin de mieux comprendre et de corriger certains défauts. Or dès que l’expérimentation dépasse une douzaine de nœuds, elle devient difficile à mettre en place et très coûteuse en temps, car il faut manipuler chaque capteur individuellement. C’est pour répondre à ce besoin d’expérimentation à très grande échelle que la plateforme Senslab a été créée.

L’exemple de Senslab

À droite, la plateforme Senslab à l’Inria Grenoble – Rhône-Alpes.
© Inria / Photo Kaksonen.

La plateforme Senslab met à disposition 1024 nœuds-capteurs, répartis sur quatre sites en France : Grenoble, Lille, Rennes et Strasbourg. Chaque site a ses particularités au niveau du matériel et de la topologie du réseau. Les sites lillois et strasbourgeois par exemple disposent d’un certain nombre de nœuds embarqués dans des trains électriques, ce qui permet aux utilisateurs de tester des applications mettant en œuvre des nœuds mobiles.

Une application testée grâce à ce dispositif concerne la surveillance d’animaux dans un parc naturel. Les nœuds fixes de la plateforme représentent les nœuds-capteurs déployés dans la zone de surveillance, tandis que les nœuds mobiles jouent le rôle des nœuds-capteurs dont sont équipés les animaux. Le but est de localiser instantanément un animal, de retracer son déplacement et de savoir s’il a rencontré d’autres animaux également équipés. Le problème à résoudre en priorité dans ce type d’application est de gérer la mobilité qui modifie la topologie du réseau.

La plateforme Senslab au LSIIT à Strasbourg.

L’utilisation de cette plateforme s’appuie principalement sur un portail web permettant de configurer de nouvelles expériences. L’utilisateur choisit les ressources qu’il souhaite utiliser, fournit les programmes qui s’exécuteront sur les nœuds et peut paramétrer un relevé automatique de données qui lui permettront d’analyser le comportement de son application. Une fois sa nouvelle expérimentation planifiée, l’utilisateur n’a plus à intervenir. Le déploiement des programmes sur les nœuds-capteurs et leur configuration se font de manière automatique au démarrage de l’expérimentation. Durant cette phase, l’interaction avec l’application et les nœuds-capteurs est possible grâce aux outils fournis par la plateforme. À la fin de l’expérimentation, les programmes sont effacés pour assurer la confidentialité des expérimentations et les nœuds sont libérés. Les données relevées automatiquement restent toutefois disponibles a posteriori.

Une plateforme ouverte

La plateforme Senslab de l’Inria Lille Nord – Europe.
© Inria / Photo N. Fagot.

SensLab est à ce jour la seule plateforme à grande échelle et ouverte, au sens logiciel du terme, qui permet à tout utilisateur d’évaluer son algorithme en environnement réel, sans lui imposer aucun système de programmation, aucun protocole d’accès au médium, ni aucun langage de programmation. Aucun algorithme de couche radio ou système d’exploitation n’étant imposé, toutes sortes d’expérimentations peuvent être conduites sur la plateforme. Il est ainsi possible d’expérimenter et d’évaluer des algorithmes qui agissent à tout niveau de la pile de protocoles du réseau, qu’il s’agisse de protocoles d’acheminement de données ou d’endormissement des nœuds, etc. On peut également utiliser SensLab pour étudier le comportement du médium radio et le caractériser au travers d’une application de jeu de casino. À l’inverse, on peut s’en servir pour étudier les performances d’un algorithme en déployant par exemple une application de géolocalisation, comme ce fut le cas sur la plateforme de Lille.

Bien qu’elle ne soit pour l’instant ouverte qu’aux β-testeurs, cette initiative suscite un grand intérêt auprès de la communauté internationale. Les tutoriaux menés sur la plateforme connaissent une grande affluence. La plateforme Senslab comptabilise déjà 53 comptes utilisateurs, aussi bien des partenaires académiques — de nombreuses écoles et universités souhaitent réaliser des travaux pratiques sur la plateforme — que des industriels. Une affaire à suivre donc…