Thématique 4 : mise en œuvre d'un protocole déterministe et économe en énergie pour la surveillance d'un réseau industriel

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(English version)

Contexte

Saumons remontant une rivière

(Image obtenue sur http://nanimoland.blogspot.com/)

La surveillance de grands édifices industriels est une étape nécessaire pour s'assurer du bon fonctionnement de l'installation et de son adéquation aux conditions de sécurité. Cependant, cette surveillance pose de nombreux problèmes à l'heure actuelle. En général, la surveillance ne peut pas être réalisée au moyen de capteurs fonctionnant sur un réseau filaire, puisque les installations ne sont pas prévues pour supporter un réseau ; c'est par exemple le cas pour un barrage hydraulique. La surveillance doit donc être faite par un réseau sans fil, mais les installations industrielles sont souvent constitutées de matériaux métalliques qui perturbent beaucoup les communications radio. La plupart des protocoles réseau ne sont pas adaptés à des conditions de propagation aussi mauvaises.

Un autre facteur contraignant est le déploiement et la maintenance des capteurs. D'une part, la position des capteurs ne peut pas être choisie arbitrairement. Elle doit correspondre à une zone accessible qui ne gêne pas le fonctionnement de l'installation. De plus, la maintenance des capteurs doit être aussi peu fréquente que possible. En reprenant l'exemple du barrage hydraulique, on remarque qu'il n'est pas réaliste de faire changer les piles des capteurs chaque mois.

Objectifs et réalisations

Le projet OCARI

Le sigle OCARI correspond à l'« Optimisation des Communications Ad-hoc pour les Réseaux Industriels ». Le but de ce projet est de proposer un mécanisme applicable en milieu industriel permettant la surveillance d'installation industrielles.

Le projet OCARI est un projet subventionné par l'ANR (agence nationale de la recherche), regroupant quatre partenaires académiques, à savoir l'INRIA, le LATTIS, le LIMOS et le LRI, et trois partenaires industriels, à savoir la DCNS, ÉDF R&D (Électricité de France Recherche et Développement) et OneRF Technology.

Le rôle de l'équipe dans OCARI est de proposer un protocole MAC à la fois déterministe et économe en énergie. Le déterminisme sert à garantir que des informations générées (que cela soit des données périodiques ou des alarmes) puissent traverser le réseau en un temps borné, en minimisant la probabilité de perte. L'économie d'énergie sert à s'assurer que les éléments n'auront pas à être remplacés fréquemment.

Le protocole MaCARI

Cycle global de MaCARI

Le cycle global de MaCARI avec les trois périodes.

Le protocole MaCARI est issu du projet OCARI. Ce protocole découpe le temps en un cycle global composé de trois périodes : une période de synchronisation, une période d'activités ordonnancées et une période d'activités non ordonnancées. Pendant la période de synchronisation, toutes les stations du réseau sont synchronisées au moyen d'une balise transmise en cascade selon un ordre imposé par un coordinateur de réseau. Pendant la période d'activités ordonnancées, le réseau est considéré comme un arbre et chaque ensemble de stations se voit attribuer un intervalle de temps pour effectuer des communications locales ou des communications arborescentes. Finalement, la période d'activités non ordonnancées permet aux stations à portée radio de communiquer (sans nécessairement utiliser les liens de l'arbre).

MaCARI intègre des fonctionnalités permettant des communications de bout en bout. Ces communications peuvent être assimilées à la remontée des rivières par les saumons (cf la photo en haut de page). Lorsqu'ils remontent la rivière, les saumons doivent parfois remonter des cascades. Lorsque ces cascades sont trop hautes, on peut mettre en place des « échelles à saumons », dispositifs souvent plus longs mais plus faciles à remonter que les cascades. Ainsi, les saumons ont le choix entre essayer de remonter la cascade, ou emprunter la rivière. De la même manière, les stations ont la possibilité d'essayer de communiquer directement de proche en proche pendant la période d'activités non ordonnancées, période pendant laquelle les compétitions pour le canal radio peuvent être difficiles. La possibilité de secours pour communiquer est d'utiliser les liens de l'arbre, ce qui augmente la route suivie par les paquets, mais pour lesquels des intervalles de temps sont réservés.

La version actuelle du protocole MaCARI est décrite sur ce document (en anglais).

Mots-clefs : déterminisme, économie d'énergie, IEEE 802.15.4, TDMA, MaCARI, WPAN.

Moyens

Le soutien de l'ANR pour ce projet permet le financement de la thèse de doctorat de Gérard Chalhoub, qui travaille sur le protocole MaCARI (de sa réalisation à son implémentation, en passant par sa validation et la mesure de ses performances). Ce travail conduit à l'étude de protocoles MAC tels que IEEE 802.15.4, et notamment l'algorithme slotted CSMA/CA.

Collaborations

Comme nous l'avons dit au préalable, cette thématique est l'objet d'une collaboration avec la DCNS, ÉDF R&D, l'INRIA, le LATTIS, le LRI, OneRF Technology.

Participants actuels

Michel MissonProfesseur
François DelobelMaître de conférences
Antonio FreitasMaître de conférences
Frédérique JacquetMaître de conférences
Gérard ChalhoubATER

Correspondant scientifique : Michel Misson.

Publications

AuteursTitreConférence ou revueDateThématiqueDivers
Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, François Delobel, Michel MissonImplementation details for the lower layers of an LP-WPAN simulation frameworkIJWCS (International Journal of Wireless Communication and Simulation)À paraîtreTH 4revue
Khaldoun Al Agha, Marc-Henry Bertin, Tuan Dang, Alexandre Guitton, Pascale Minet, Thierry Val, Jean-Baptiste ViolletWhich wireless technology for industrial wireless sensor networks? The development of OCARI technologyTIE (IEEE Transactions on Industrial Electronics)À paraîtreTH 4revue
Gérard Chalhoub, Erwan Livolant, Alexandre Guitton, Adrien van den Bossche, Michel Misson, Thierry ValSpecifications and evaluation of a MAC protocol for a LP-WPANAHSWN (Ad Hoc & Sensor Wireless Networks -- An International Journal)2009TH 4revue (numéros 1-2, volume 7)
Khaldoun Al Agha, Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Erwan Livolant, Saoucène Mahfoudh, Pascale Minet, Michel Misson, Joseph Rahmé, Thierry Val, Adrien Van Den BosscheCross layering in an industrial wireless sensor network: case study of OCARIJNW (Journal of Networks), special issue on Wireless sensor network: theory and practiceDécembre 2009TH 4revue (volume 6)
Gérard Chalhoub, Nassima Hadid, Alexandre Guitton, Michel MissonDeference mechanisms significantly increase the MAC delay of slotted CSMA/CAICC (International Conference on Communications)Juin 2009TH 4 et TH 5
Marc-Henry Bertin, Gérard Chalhoub, Tuan Dang, Saoucène Mahfoudh, Joseph Rahmé, Adrien van den Bossche, Jean-Baptiste ViolletOCARI for industrial wireless sensor networksWireless Days (IFIP Wireless Days)Novembre 2008TH 4papier invité
Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Frédérique Jacquet, Antonio Freitas, Michel MissonMedium Access Control for a Tree-Based Wireless Sensor Network: Synchronization ManagementWireless Days (IFIP Wireless Days)Novembre 2008TH 4
Gérard Chalhoub, Alexandre Guitton, Michel MissonMAC specifications for a WPAN allowing both energy saving and guaranteed delay - Part A: MaCARI: a synchronized tree-based MAC protocolWSAN (IFIP Conference on Wireless Sensor and Actor Networks)Juillet 2008TH 4
papier collaboratifOCARI: Optimization of Communication for Ad hoc Reliable Industrial networksINDIN (IEEE International Conference on Industrial Informatics)Juillet 2008TH 4prix de la meilleure présentation

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