Système d'exploitation pour capteur en réseau

Les systèmes d’exploitation pour réseau de capteurs sans fil (notés également WSN) sont des interfaces informatiques spécifiques, destinées au fonctionnement de capteurs en réseau. Un capteur en réseau (généralement appelé mote en anglais) est un ensemble d’éléments électroniques de taille réduite, composé essentiellement d'un détecteur, d'un microcontrôleur, d’une batterie et d'une antenne.

Un capteur assure 3 fonctions : capter une donnée, la traiter et renvoyer une information relative à la donnée au gestionnaire du réseau.

Les données sont des grandeurs physiques de l'environnement dans lequel se trouve le capteur.

L'intérêt de la configuration en réseau est de capter un grand nombre de données afin d'alimenter une application. L'application réagit en fonction des données remontées par les capteurs et informe sur un changement d'état de l'environnement surveillé.

Un capteur a une durée de vie limitée par sa batterie. Le réseau de capteurs doit être résilient pour compenser la fin de vie de chaque capteur.

Les systèmes d'exploitation pour capteurs en réseau sont spécifiquement conçus pour optimiser l'usage des ressources matérielles limitées dont ils disposent : peu de mémoire RAM, une vitesse de traitement processeur faible et peu d'énergie électrique. De nombreux systèmes d'exploitation spécialisés existent, parmi lesquels :

Contiki, ERIKA Enterprise, Nano-RK, SOS, TinyOS, MantisOS, RETOS, Senses, Cormos, LiteOS, NanoQplus.

Contexte technologique

Le capteur constitue la partie matérielle que doit gérer le système d’exploitation. Un capteur ou nœud est composé de plusieurs éléments ou modules correspondant chacun à une tâche particulière d’acquisition, de traitement, de stockage ou de transmission de données. Il comprend également une source d’énergie.

Schéma d'architecture d'un capteur

Les éléments constitutif du capteur sont les suivants :

un détecteur

Le détecteur est l'élément qui capte la grandeur physique de l'environnement dans lequel a été placé le capteur.

un convertisseur analogique numérique

Le convertisseur analogique transforme le signal capté en signal numérique, compatible avec que le micro-contrôleur.

un micro-contrôleur

Le micro-contrôleur traite les données reçues du convertisseur analogique-numérique et transmet les données utiles à l'émetteur-récepteur.

une mémoire

La mémoire stocke le système d'exploitation.

un transmetteur radio

L'émetteur-récepteur assure 2 fonctions : transmettre des signaux (émetteur) et recevoir des signaux (récepteur).

1. L'émetteur envoie les données vers le monde extérieur. Le monde extérieur est le réseau de capteur, dont le rôle est de router l'information vers l'utilisateur final.
2. Le récepteur reçoit les informations du réseau : d'une part les mises à jours logicielles, d'autre part les mises informations d'autre capteurs à relayer vers l'utilisateur final.

une alimentation

L'alimentation fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement du capteur.

Rôle du système

Abraham Silberschatz et Peter Baer Galvin donnent la définition suivante :

"Operating System : a program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware.", un programme qui agit comme intermédiaire entre un utilisateur d'un ordinateur et la partie matérielle de l'ordinateur.

Le système d'exploitation est un gestionnaire de ressources pour les systèmes complexes. Dans un système typique, ces ressources comprennent un ou plusieurs processeurs, de la mémoire, un timer , des disques de stockage, des interfaces utilisateur tels que souris, clavier imptimantes et écrans, et une ou plusieurs interfaces réseau, etc. Le travail (rôle ?) du système d'exploitation est de gérer l'allocation de ces ressources aux utilisateurs d'une manière ordonnée et contrôlée.

Un réseau de capteur consiste en un grand nombre de nœuds de capteur de petite taille alimentés par une batterie. Ils sont limités par la capacité de la batterie, la puissance du processeur et la capacité de communication. Le rôle du système d’exploitation pour capteur en réseau est d’être l’interface entre des ressources matérielles limitées et des applications distribuées (en anglais Distributed applications). Il doit fournir une variété de services systèmes basiques comme gérer l’allocation de ressource sur les périphériques de matériels divers, interrompre la gestion et la planification de tâche, gérer le réseau support. Le but est de faciliter la programmation des applications, mais aussi d’optimiser les utilisations de ressource.

Les systèmes d'exploitation pour réseau de capteurs sans fil tel que TinyOS, Contiki, SOS, MantisOS, Nano-RKsont conçu pour répondre à ces contraintes. Les possibilités matérielles des capteurs sont limitées en mémoire, en puissance de calcul et en autonomie énergétique (batterie). Les systèmes d’exploitation doivent avoir une « faible empreinte mémoire » afin d'être embarqués dans la mémoire flash des capteurs. Malgré ces limites matérielles, les capteurs doivent intégrer les fonctionnalités de base d'un système d’exploitation telles que :

• l’allocation de mémoire (RAM, EEPROM) ;
• le système de fichiers ;
• le contrôle d'exécution de code ;
• le chargement, le lancement et la gestion des applications ;
• la transmission de données ;
• la gestion de l’énergie.

Ils doivent en plus gérer les spécificités propres aux systèmes d'exploitation pour capteur en réseau :

• Gestion efficace de l’énergie ;
• Fiabilité du système d'exploitation ;
• Faible empreinte mémoire ;
• Reconfiguration du système d'exploitation ;
• Support de protocole de routage optimisé(µIP, Rime, µIPv6) ;
• Support Temps-réel.

µIPv6 permet de réduire la consommation d’énergie dans le processus de routage par rapport au protocole IPv4.

Principes architecturaux

principes architecturaux des systèmes d'exploitation pour capteurs

Architecture

• Monolithic
• Modulaire ou composant
• Machine virtuelle

Modèle d’exécution

• Événementiel (Event-based)
• multi Thread (Thread-based)
• Hybrid

Reprogrammation

• niveau applicatif
• niveau modulaire ou composant
• niveau d'instruction
• niveau variable

Ordonnancement

• temps reel
• non real-time

Gestion de l'alimentation

Historique

Origine

Un état de l'art de mai 2010 recense les principaux systèmes d'exploitation pour capteur en réseau. Un autre article de mai 2007 permet de compléter la liste des systèmes d'exploitation pour capteurs en réseau.

TinyOS

TinyOS est un système principalement développé et soutenu par l'université américaine de Berkeley. La version 0.6.1 apparaît en mai 2002.

Contiki

Contiki, est un système développé et soutenu par l'Institut d'Informatique Suédoise. Adam Dunkels est l'initiateur du projet.

SOS

SOS, est un système développé par l'Université de Californie et supporté conjointement par l'Université de Los Angeles. Possède un outils de débogage du code avec gdb.

Mantis OS

Mantis, est un système principalement développé et soutenu par l'université américaine de Colorado. La version 0.9.5 apparait en juillet 2005. La version 1.0 beta apparaît en octobre 2007.

Nano-RK

RETOS

RETOS est un système développé par l'Université Yonsei en Corée. La version 1.1.0 apparaît en juin 2007.

LiteOS

LiteOS est un système développé et soutenu par l'Université américaine de l'Illinois à Urbana-Champaign. La version 0.3 apparaît en janvier 2008.

SenOS

EYES/PEEROS

Autres Systèmes d'exploitation :

t-Kernel

DCOS

MagnetOS

kOS

Évolution

Contiki

La version 2.3 apparaît en juin 2011. Le développement de Contiki reste actif, puisque de nombreuses améliorations apparaissent avec cette nouvelle version. La première mise en avant est la pile µIPv6, annoncée en Octobre dernier conjointement par Cisco, Atmel et l'équipe de Contiki, mais fraîchement intégrée au système. Contiki fait donc enfin partie des systèmes dits "IPv6 ready".

LiteOS

La version 2.1 apparaît en octobre 2011. Il fournit un mécanisme de virtualisation de l'énergie (Virtual Batterie ) et un système de débogage à distance (déclarativePoints de trace ).

Systèmes existants

Taxonomie

Les systèmes sont classés selon les caractéristiques suivantes :

• Statique / Dynamique.

Dans un système statique le programmeur doit allouer toutes les ressources lors de la conception. Par-contre, dans un système dynamique le programmeur alloue les ressources lors de l'exécution. Les systèmes dynamiques sont plus souples, et sont plus adaptés aux environnements à évolution dynamique. Cependant, ils ne sont pas fiables et une application boguée peut facilement entraîner le blocage du système.

• Event-driven / Multi-threaded

Un système "Event-driven" est en dormance et réagit à l'arrivée d'un évènement. Un système "Multi-Threads" est un système qui accomplit les tâches en parallèle.

• Monolithique / Modulaire

Un système est monolithique lorsque le système d'exploitation et l'application sont compilés en un seul bloc. A l'opposé, un système est modulaire si l’application est séparé du système d'exploitation. Dans ce cas le système d'exploitation est contenu dans un noyau.

• Réseau

Par conception un capteur dispose d'une couche applicative réseau. TCP/IP est la norme. protocoles réseau utilisés : µIP, µIPv6, RIME[1], Active Message, Three-layer architecture.

• Temps Réel

Le capteur peut être doté d'une synchronisation de référence en fonction des besoins applicatifs.

• Langage

Le système d'exploitation peut être codé dans différents langage : nesC, LiteC++, C, C++, java

• Système de fichiers

• Reprogrammation

Le capteur est susceptible d'être reprogrammé à distance, en fonction de l'évolution de l'application.

• Dépannage à distance

Le capteur doit pouvoir être analysé à distance, ou au minimum être capable de remonter des informations sur son état au gestionnaire du réseau.

Taxonomie des systèmes d'exploitation pour capteur en réseau

	TinyOS	Contiki	SOS	Mantis	Nano-RK	RETOS	LiteOS
Publication (année)	ASPLOS (2000)	EmNets (2004)	MobiSys (2005)	MONET (2005)	RTSS (2005)	IPSN (2007)	IPSN (2008)
Statique/Dynamique	Statique	Dynamique	Dynamique	Dynamique	Statique	Dynamique	Dynamique
Événementiel/Thread	Event&Thread(TinyThread,TOSThreads)	Event&Threads&Protothreads	Event	Thread&Event(TinyMOS)	Thread	Thread	Thread&Event(through callback)
Monolithique/Modulaire	Monolithique	Modulaire	Modulaire	Modulaire	Monolithique	Modulaire	Modulaire
Réseau	Message Actif	uIP,uIPv6,Rime	Message	"comm"	Socket	Three-layer Architecture	File-Assisted
Support Temps réel	non	non	Non	Non	oui	POSIX 103.1b	non
Language Programmation	nesC	C	C	C	C	C	LiteC++
File System	Single level(&.x only)(ELF,Matchbox)	Coffee	non	non(sera en 1.1)	non		Hierarchical Unix-like)
Reconfiguration	oui(Deluge,FlexCup)	oui	oui (Modulaire)	no (sera en 1.1)	non	oui	oui
Débogage Distant	oui(Clairvoyant)	non	non	oui (NodeMD)	non	non	oui(DT)

Applications

Catégories d’applications

La classification des applications dépend du but pour lequel les capteurs en réseau sont utilisés. Ils peuvent être classés dans les catégories suivantes : (i) Contrôle, (ii) Détection/Classification/Dépistage et (iii) Direction. Ces applications sont utilisées dans des domaines différents, tels que :

• Contrôle Environnemental

Ce domaine d'applications est réparti entre un contrôle intérieur et extérieur. Des applications de contrôle intérieures incluent typiquement le contrôle de bâtiments et des bureaux. (Exemple : le contrôle de la température ambiante, de la lumière, de l'air conditionné, de la qualité de l'air). D'autres applications intérieures importantes sont la détection de fumée et de feu. La recherche en génie civil a montré que les capteurs en réseau peuvent aussi être utilisés afin de contrôler les structures civiles comme les ponts et les bâtiments contre les méfaits des vibrations. Les applications extérieures intéressantes de capteurs en réseau sont la détection de la dangerosité chimique, la surveillance des autoroutes, la prévision de tremblement de terre, d'éruption, de phénomène météorologique, la surveillance des rivières, la prévision d'inondation. Les nœuds (ou les réseaux ?)de capteur sont aussi présents dans l'agriculture. Ils peuvent être utilisés pour anticiper les premières gelées, prévoir les conditions climatiques, améliorer la gestion des cultures et réduire des coûts. Le contrôle de l'humidité du sol est encore une application des capteurs en réseau dans l'agriculture.

• Santé

Ce domaine d'applications concerne typiquement la surveillance de patients et l'alerte de docteurs. Les capteurs mesurent les actions récentes des patients et informent les médecins du comportement du patient. Une autre application pourrait être le traçage de l'utilisation des médicaments par les patients et les médecins dans les hôpitaux. Cet articledonne une vue d'ensemble des applications potentielles de capteur en réseau dans les services médicaux.

• Armée
• Industrie

Bibliographie

Livres

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Articles scientifiques

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Autres documents

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• (en) Daniela De Venuto, Weileun Fang et Jacob Abraham, « CALL FOR PAPERS IEEE Sensors Journal Special issue on Advances in Sensors and Interfaces », IEEE,‎ novembre 2011 (lire en ligne)

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Thèses

• Rahul Mangharam Barrère, Étude et proposition de services dans les réseaux mobiles militaires de type MANet, 2009, 30-35 p. (lire en ligne)

Liens externes

• (en) « Lien les capteurs en réseaux (conférence IEEE/ACM) »

• (en) « Lien sur le site RETOS »

• (en) « Page Web d'Adam Dunkels »
• (en) « Lien sur le site SiteDuZero »
• (en) « Le site la conférence IEEE Sensors Council »
• (en) « Manuel en ligne Contiki 2.1 »
• (en) « Le site la conférence EWSN »
• (en) « Le site la conférence SENSORCOMM »
• (en) « Le site la conférence ISSNIP »
• (en) « Le site de la conférence SenSys »
• (en) « Le site de TinyOS »
• (en) « Le site de Contiki »
• (en) « Introduction sur ERIKA Enterprise »
• (en) « Le site de LiteOS »
• (en) « Le site de SimpleOS »
• (en) « Le site de Nano-RK »
• (en) « Le site de NanoQplus »
• (en) « Le site de MantisOS »
• (en) « FORTH Institute of Computer Science »
• (en) « SENSES (Software Environment for Networks of Sensors and Embedded Systems) »
• (fr) « L’institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement »
• (en) « National Institute of Standards and Technology »