Lancer le réseau de capteurs sans fil

Je ne le savais pas avant, mais les plantes ont des relations sexuelles, dit Kevin Delin. Il fait un geste vers deux énormes cycadées, des fugitifs ressemblant à des palmiers de l'ère des dinosaures poussant dans un coin des jardins botaniques de Huntington, un sanctuaire pour 15 000 espèces de plantes rares à Saint-Marin, en Californie. L'ignorance de Delin en botanique est excusable. C'est un ingénieur du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, situé à proximité, et ce qui l'intéresse vraiment, ce ne sont pas les cycadales mâles et femelles, mais la paire de gousses en toile de capteurs logées dans le sol sous les plantes. Chaque pod a la taille d'un ordinateur de poche et contient un processeur, une batterie, une cellule solaire, une radio, une mémoire et des capteurs pour surveiller la chaleur, l'humidité et l'humidité du sol. Les gousses sont les yeux, les oreilles et même le cerveau de substitution des conservateurs du jardin, gardant une trace de la quantité de soleil et de pluie que les plantes deviennent des facteurs critiques pour les cycadales, qui ont besoin de conditions spécifiques pour se reproduire.

Les capteurs ne sont pas nouveaux. Une voiture, par exemple, en utilise des dizaines pour surveiller des facteurs tels que l'état du moteur. Mais les capteurs dans les automobiles, les usines et les immeubles de bureaux d'aujourd'hui sont, pour la plupart, stupides. Ils n'ont pas l'intelligence d'analyser ou d'agir sur leurs découvertes ; au lieu de cela, ils renvoient les mesures à un processeur central. La plupart des capteurs actuels sont également bloqués en place, tout déplacement nécessitant un recâblage coûteux. Les cosses de Delin sont différentes. Ils communiquent sans fil entre eux et avec 18 autres pods dans le jardin, formant leur propre réseau intelligent. Toutes les quelques minutes, les pods se mettent à jour sur leurs dernières lectures, traitent ensemble les informations dans une image globale de la température et des conditions du sol, et envoient cette analyse aux conservateurs. C'est comme si un ordinateur autonome et hautement conscient était réparti sur 40 hectares de paysage.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2003

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Il s'agit de synthétiser à la volée les connaissances mondiales à partir de données brutes, explique Delin. Ses modules prédisaient un avenir où des capteurs intelligents aspiraient de grandes quantités de données vitales, par exemple des contraintes mécaniques sur les poutres d'un pont ou le grondement d'un convoi ennemi par une nuit sans lune dans le désert, qui ne sont actuellement pas enregistrées. Sans fil et alimentés par batterie, ces capteurs seront accessibles à distance et placés là où il ne serait pas pratique de chaîner des données et des lignes électriques. Petits et bon marché, ils seront largement distribués et rapprochés, produisant des images fines de phénomènes tels que le climat qui ne sont actuellement cartographiés qu'à grande échelle. Et parce qu'ils agiront en coopération - s'organisant eux-mêmes et partageant les calculs à travers le maillage - ils fourniront aux gens des morceaux utilisables d'informations prédigérées plutôt qu'un mélange de nombres déroutant.

En effet, les réseaux de capteurs sans fil sont l'un des premiers exemples concrets d'informatique omniprésente, l'idée que des dispositifs de détection et de calcul petits, intelligents et bon marché finiront par imprégner l'environnement. Cette notion s'est propagée dans les cercles des technologies de l'information depuis plus d'une décennie. Mais maintenant, après plusieurs années d'investissements dans la recherche par la Defense Advanced Research Projects Agency des États-Unis, la National Science Foundation et une poignée de géants de la haute technologie comme Intel, le matériel et les logiciels fondamentaux pour l'informatique omniprésente sont en train d'émerger.

Bien que la technologie en soit encore à ses débuts, la gamme d'applications potentielles est époustouflante ( voir Sentir le potentiel ). Des scientifiques d'Intel et de l'Université de Californie à Berkeley ont développé un châssis sans fil de la taille d'un téléavertisseur qui peut être personnalisé avec de nombreux types de capteurs. Les chercheurs utilisent les appareils pour suivre les microclimats et les parasites dans les vignobles, surveiller les habitudes de nidification des oiseaux marins rares et contrôler les systèmes de chauffage et de ventilation. Et à 600 kilomètres plus loin, à l'Université de Californie à Los Angeles, d'autres chercheurs déploient des capteurs sans fil pour obtenir des mesures détaillées des effets des ondes sismiques sur les bâtiments. D'autres encore travaillent sur des moyens de permettre aux entreprises de surveiller et de contrôler leurs espaces de travail, des bureaux locaux aux chaînes de montage à un demi-continent. Les candidatures sont partout , déclare David Culler, un chercheur de premier plan en détection en réseau à l'UC Berkeley.

Dans l'esprit de beaucoup, c'est une technologie qui pourrait s'avérer aussi importante qu'Internet : tout comme Internet permet aux ordinateurs d'exploiter les informations numériques, peu importe où elles sont stockées, les réseaux de capteurs étendront la capacité des gens à interagir à distance avec le monde physique. Culler appelle les appareils une nouvelle classe de systèmes informatiques, se distinguant du matériel du passé par leur ubiquité et leur capacité d'analyse collective. Au cours de cette décennie, prédit-il, la détection et l'informatique distribuées se glisseront dans chaque maison, bâtiment, bureau, usine, voiture, rue et ferme.

Sans surprise, il y a beaucoup de défis avant que cela ne se produise. À bien des égards, les réseaux de capteurs sans fil sont aussi avancés qu'Internet dans les années 1970, lorsque le réseau reliait moins de 200 universités et laboratoires militaires, et que les chercheurs expérimentaient encore des protocoles de communication et des schémas d'adressage. Aujourd'hui, la plupart des réseaux de capteurs sans fil connectent moins de 100 points ou nœuds ; plus et les lignes de communication s'emmêlent tellement qu'elles s'effondrent. Le coût du nœud moyen est proche de 100 $, tandis que la durée de vie de la batterie se mesure, au mieux, en mois. Et personne ne sait exactement quelle application transformera la technologie en une aubaine commerciale. Tout le monde, ainsi que leur tante et leur oncle, sont intéressés, déclare Deborah Estrin, directrice du Center for Embedded Networked Sensing de l'UCLA. Mais c'est une lutte pour trouver le modèle d'affaires.

Les chercheurs disent qu'aucun de ces problèmes n'est susceptible d'être prohibitif. Certains capteurs sans fil sont déjà sur le marché et des produits dotés de nouvelles capacités intéressantes pourraient être disponibles d'ici quelques années. Sensoria à San Diego, par exemple, développe des capteurs qui pourraient transformer les voitures en nœuds de déplacement dans les réseaux sans fil urbains, permettant à des groupes de véhicules d'assembler automatiquement des images en temps réel du trafic local ou de partager des tâches de communication lors de l'accès à des informations sur des destinations locales. William Kaiser, ingénieur électricien de l'UCLA et fondateur de Sensoria, affirme : Internet a changé notre façon de faire des affaires avec les ordinateurs. Cela changera notre façon de vivre au quotidien.

Industrie du débranchement

De retour dans les jardins de Huntington, Delin entre dans une salle de conférence avec une mallette en aluminium, le genre d'agents gouvernementaux à la télévision qu'utilisent pour transporter des gadgets top-secrets. Il sort quatre de ses derniers capteurs et en retire le couvercle ; en dessous se trouvent des circuits imprimés contenant les entrailles du pod, y compris le microprocesseur et l'émetteur-récepteur radio qui lui permet de communiquer avec ses compagnons. Il répartit les gousses dans la pièce et en quelques secondes, elles se localisent et s'auto-organisent en un réseau sans fil qui surveille la température et l'humidité, entre autres. Un pod à proximité, bien que l'un d'eux transmette les informations du réseau à l'ordinateur portable de Delin pour affichage. Pour montrer comment le réseau réagit à son environnement, Delin déconnecte l'un des appareils. L'écran de l'ordinateur portable affiche les pods restants en compensant en acheminant les données autour du pod manquant. Il attache un ventilateur électrique à une nacelle, puis tient une autre nacelle dans sa main ; le réseau détecte la chaleur corporelle de Delin et allume le ventilateur.

La capacité des modules à communiquer par radio, explique Delin, signifie qu'ils peuvent être dispersés dans des zones que les lignes téléphoniques et électriques n'atteignent pas et se déplacer à volonté. Mais pour que les données circulent, les nœuds doivent trouver leurs voisins automatiquement et établir des connexions radio. Ces connexions peuvent changer rapidement, explique Delin, donc le partage de données sur le réseau est un acte de jonglerie. Un logiciel exécuté sur tous les pods coordonne lesquels d'entre eux se parlent et quand. Les nœuds capteurs s'écoutent mutuellement et configurent des heures pour partager des données, tandis qu'une horloge réseau maintient les nœuds synchronisés. Le réseau ressemble à un maillage plutôt qu'à l'agencement en étoile utilisé pour les téléphones portables ; au lieu de relier chaque capteur directement à un point de communication central, les nœuds envoient des données uniquement aux voisins à portée radio, économisant ainsi de l'énergie.

Cela semble compliqué, et ça l'est. Mais les réseaux sans fil décentralisés comme celui de Delin sont déjà rentables pour l'industrie lourde : Ember à Boston, MA, a vendu une technologie similaire à des clients frustrés par les capteurs filaires conventionnels dans leurs équipements de fabrication ou de chauffage et de ventilation. Un client avait l'habitude de revêtir les tuyaux de son usine de traitement - où le pétrole et le gaz sont séparés des eaux usées - de capteurs de température câblés coûteux, fixés à des réchauffeurs qui empêchent le fluide à l'intérieur de devenir trop épais. Si un capteur fonctionnait mal, un réservoir pourrait éclater, forçant l'usine à fermer à un coût de 100 000 $ par heure, explique Robert Poor, cofondateur et directeur de la technologie d'Ember. Avec un réseau sans fil, davantage de capteurs peuvent être installés à un prix abordable, offrant une redondance et fournissant des informations plus fiables. Le silicium est bon marché. Le câblage ne l'est pas, dit Poor. (Pour en savoir plus sur les réflexions de Poor sur la technologie, voir Sensors of the World, Unite! ).

Cependant, plusieurs problèmes restants entravent une large application commerciale de la technologie. Le premier est sa forte consommation d'énergie. Les échanges périodiques entre les nœuds, en particulier, épuisent les batteries. Chaque bit transmis rapproche un nœud de capteur de la mort, explique Greg Pottie, cofondateur de Sensoria.

Un problème connexe est que les radios des nœuds de capteurs ont une portée limitée, généralement de quelques dizaines de mètres. Ainsi, la mise en réseau d'un plus grand espace, disons une grande usine, prend beaucoup de nœuds. De nombreux nœuds envoyant beaucoup de données créent des opportunités de pannes localisées qui pourraient laisser des parties du réseau isolées, explique Rick Kriss, PDG de Xsilogy, basé à San Diego. Il n'y a pas de réseau fiable, à moins que vous ne fassiez une gestion de réseau très agressive, dit Kriss. Ainsi, les nœuds de Xsilogy diffusent périodiquement leur état, informant le réseau si leurs batteries sont faibles ou si leur réception s'estompe. Ensuite, le réseau peut compenser en acheminant autour des points de défaillance et en alertant l'utilisateur des problèmes imminents.

Mais il y a un autre problème qui est plus difficile à contourner, et c'est le prix. Dans un processus qui est à l'opposé de la production de masse, la plupart des fabricants de réseaux de capteurs concoctent encore des pièces standard à la main, augmentant le coût de chaque nœud dans la fourchette de 80 $ à 100 $. Ce prix doit descendre en dessous de 20 $ pour que les réseaux de capteurs décollent commercialement, explique David Tennenhouse, directeur de la recherche chez Intel.

La normalisation pourrait aider. Le fait d'avoir des normes ouvertes et de nombreux groupes désintéressés qui testent des approches concurrentes va absolument faire ou défaire si cela devient largement utilisé, déclare Culler de l'UC Berkeley. Mais avec autant d'entreprises et de laboratoires universitaires développant leurs propres prototypes, les normes de conception pour les capteurs sans fil et les protocoles de réseau ne font que commencer à émerger. Une conception potentiellement dominante s'appelle un mote ; son système d'exploitation, TinyOS, a été développé par le groupe Culler à Berkeley et est en cours de perfectionnement chez Intel and Crossbow Technology à San Jose, en Californie. Les motes de Berkeley, qui ont été testés par des centaines de groupes de recherche à travers le monde, sont plus petits et consomment moins d'énergie que la plupart des capteurs sans fil commerciaux. Le compromis est qu'ils ne peuvent pas traiter autant de données. Mais de nombreux chercheurs affirment que leur adaptabilité - il est facile d'installer des capteurs de lumière, de son, de température ou de mouvement - en fait l'équivalent du monde des capteurs en réseau d'un PC Windows.

En fait, le choix éventuel d'une plate-forme de capteurs sans fil pourrait être tout aussi conséquent que l'émergence de Windows en tant que système d'exploitation grand public dominant - ou même, aux yeux d'un expert, que la normalisation de l'électricité. C'est un peu comme la bataille historique entre AC et DC, explique Larry Smarr, directeur du California Institute for Telecommunications and Information Technology à San Diego. Jusqu'à ce qu'il y ait un gagnant omniprésent, l'industrie des appareils électriques ne pouvait pas décoller.

Diviser et conquérir

Comme s'ils étaient prêts à décoller, une cinquantaine de mottes de la taille d'un papillon s'accrochent au plafond et aux murs du laboratoire de Deborah Estrin à l'UCLA, surveillant la température, la lumière et les mouvements. D'autres gisent démantelés sur des bureaux et des bancs. Quelques motes ont même des roues; ils roulent sur le sol sous leur propre propulsion, s'entraînant pendant une journée où ils se déplaceront pour trouver la meilleure réception radio ou recharger une batterie à un voisin défaillant. Voici une image de la connectivité, dit Estrin, tenant une feuille de papier avec un enchevêtrement incompréhensible de lignes dessus. Cela ressemble à une assiette de spaghetti : le nombre de voies de communication explose à mesure que de plus en plus de nœuds sont ajoutés, rendant le réseau de plus en plus sujet aux crashs.

La solution testée dans le laboratoire d'Estrin : diviser pour mieux régner. Considérez cela comme l'organisation d'un grand dîner, dit-elle. Des conversations significatives ne peuvent avoir lieu que si les gens parlent et écoutent à tour de rôle. Et la communication de haut niveau est plus efficace si les gens s'organisent en groupes et élisent une personne pour parler au nom de chaque groupe. Par conséquent, les nœuds se regroupent et s'ajustent à la volée, changeant de cluster de manière opportuniste pour optimiser à la fois la consommation d'énergie et le flux d'informations à travers le réseau.

Le prochain défi est simplement de savoir comment canaliser le flot de données. L'idée est de mettre le traitement dans chaque nœud, lui permettant de condenser les données brutes en modèles et de transmettre moins de bits qu'il n'en a reçu. Les grains au-dessus de la tête d'Estrin, par exemple, pourraient suivre ses mouvements et alerter leurs voisins, qui détermineront la direction dans laquelle elle marche et transmettront uniquement ces informations - et non l'intégralité de ses mouvements - à une base de données sur un nœud mère. Ce nœud peut recommander d'éteindre les lumières, par exemple, s'il décide qu'Estrin a quitté la pièce et qu'aucune autre personne n'est présente. Le traitement des données petit à petit à travers le réseau, explique Estrin, est une première étape vers la programmation du système pour aider à prendre des décisions intelligentes. Il permet également d'économiser l'énergie précieuse de la batterie.

Pour être vraiment utile, un réseau de capteurs ne doit envoyer aux utilisateurs que ses analyses d'événements intéressants, et non les éléments bruts eux-mêmes. Les gens veulent des réponses, pas des chiffres, souligne Steven Glaser, professeur de génie civil et environnemental à l'UC Berkeley dont le groupe utilise des réseaux de capteurs pour étudier l'activité sismique.

Parmi les réponses que veulent les ingénieurs et les sismologues comme Glaser : comment les tremblements de terre affectent-ils les composants individuels des bâtiments et comment les structures réagissent-elles aux variations localisées de la force d'un tremblement de terre ? Une équipe de l'UCLA dirigée par Paul Davis, géophysicien et chercheur principal au centre d'Estrin, déploie un réseau de capteurs sismiques à 50 nœuds à travers le campus dans le but d'apprendre une partie de la réponse. La première étape consiste simplement à accumuler les données, enregistrées depuis le sol à des intervalles de 100 mètres, une résolution bien supérieure à celle fournie par les capteurs sismiques actuels, qui sont espacés de kilomètres, explique Davis. Les chercheurs compareront ensuite les secousses du sol aux vibrations mesurées en même temps à l'intérieur d'un bâtiment du campus câblé par l'U.S. Geological Survey après le séisme de Northridge, en Californie, en 1994.

Détection sismique

Des chercheurs de l'UCLA déploient un réseau de capteurs à 50 nœuds pour surveiller l'activité sismique à une échelle plus fine que jamais. Sur cette carte du campus de l'UCLA se superposent les emplacements des capteurs de vibrations au sol (étoiles), espacés de 100 mètres.

L'objectif est de développer un modèle de la façon dont l'activité sismique à petite échelle affecte différentes structures. Un tel modèle, programmé dans des réseaux de capteurs portables qui pourraient être déployés temporairement dans les quartiers de la ville, pourrait aider les urbanistes à savoir où les conditions géologiques ont tendance à amplifier les tremblements de terre et comment rendre les bâtiments dans ces zones plus sûrs. À l'avenir, des capteurs placés près des lignes de faille pourraient même détecter l'approche des ondes sismiques et déclencher des alarmes, donnant aux occupants du bâtiment de précieuses secondes pour se rendre dans des zones plus sûres. Mais, dit Davis, ce sont des trucs de ciel bleu.

Google pour le monde physique

Intelligent, autonome et conscient de soi : c'est la vision ultime pour les réseaux de capteurs. À bien des égards, c'est le ciel bleu. Mais deux projets industriels laissent entrevoir un avenir en réseau.

Il existe un danger que l'accès aux données collectées par les réseaux de capteurs soit comme boire dans une lance à incendie, mais en pire, déclare Feng Zhao, directeur du domaine de recherche sur l'informatique collaborative intégrée au Palo Alto Research Center en Californie. En d'autres termes, être inondé de trop de données peut être tout aussi paralysant que de ne pas en avoir assez. C'est un dilemme dont toute personne utilisant le Web est bien consciente. Et, dit Zhao, la solution pour les réseaux de capteurs peut être similaire. Dans un effort pour construire des interfaces conviviales pour les réseaux de capteurs, le groupe de Zhao expérimente une nouvelle génération de moteur de recherche qu'il décrit comme Google pour le monde physique.

Imaginez, explique Zhao, en vous connectant à Internet et en tapant, ma pelouse a-t-elle besoin de plus d'eau ? Le réseau traduirait la question en une requête de base de données standardisée, examinerait les chiffres des capteurs d'humidité autour de votre maison et renverrait une invite oui ou non. Des systèmes similaires pour la gestion et la sécurité de la chaîne d'approvisionnement pourraient être disponibles dans cinq à sept ans, selon Zhao. Dans les entrepôts, les responsables peuvent interroger les capteurs montés sur étagère sur les tendances des stocks, tandis que les gardes dans les installations sécurisées peuvent programmer des réseaux intelligents de capteurs de mouvement pour déclencher des alarmes lorsqu'ils remarquent des mouvements suspects.

Finalement, les réseaux de capteurs peuvent même sembler vivants. Dans une base de l'armée américaine à Fort Leonard Wood, MO, en avril dernier, les ingénieurs de Sensoria ont fait la démonstration d'un système d'auto-conscience troublant qui se réorganise physiquement en réponse à des conditions changeantes. Sous le regard de 80 spectateurs, un char de combat M1-A1 Abrams a traversé un champ en grondant avec une charrue attachée à son front, se frayant un chemin à travers un fourré de mines non armées de 12 centimètres de diamètre. Après que le char ait écrasé environ une demi-douzaine de mines et poursuivi son chemin, les mines restantes se sont redistribuées pour combler le vide derrière le char en sautant dans les airs avec des éclats de pétards émanant de minuscules propulseurs de fusée.

Les mines ont accompli cet exploit en émettant et en écoutant des impulsions acoustiques qui les ont aidées à localiser leurs voisins à quelques centimètres près, explique Kaiser. Une perturbation dans le réseau incite les mines à déterminer quels voisins ont été déplacés ou détruits et à calculer comment se redistribuer. Sur un vrai champ de bataille, de telles mines intelligentes pourraient vaincre les efforts de déminage ennemis, ou même s'écarter des forces amies, puis rétablir les défenses derrière elles.

Malgré ces démonstrations spectaculaires de la puissance des réseaux de capteurs sans fil, il est difficile de prédire si la défense, la fabrication ou un domaine encore inconnu accueillera leur application tueuse. C'est comme les PC au début des années 1980. Les gens pensaient qu'ils seraient principalement utilisés pour équilibrer les chéquiers, explique Delin. Quant au marché commercial à court terme, ce sera un environnement délicieusement désordonné pendant un certain temps, avec de nombreuses opportunités pour les nouveaux arrivants, prédit Ember's Poor. C'est parce que les applications potentielles sont partout autour de nous - n'importe où, des informations utiles peuvent être extraites de notre environnement. Lorsque la recherche d'aujourd'hui se traduit par des produits peu coûteux et résistants aux chocs, cela peut signifier rien de moins qu'une fusion entre le monde virtuel et le monde physique. Ça va arriver, dit Zhao. La question est, dans combien de temps ?

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