Un réseau de capteurs sans fil, souvent abrégé en WSN (wireless sensor network), est un ensemble de capteurs répartis sur une zone qui mesurent une grandeur physique (température, vibration, niveau d’eau, qualité de l’air, ouverture d’une porte) et envoient leurs mesures par radio à un point de collecte, qui les transmet à un logiciel où des personnes peuvent les consulter et réagir. Aucun câble ne va jusqu’aux capteurs. La plupart fonctionnent des années sur batterie.

Le terme recouvre deux réalités assez différentes, ce qui explique pourquoi les recherches à son sujet donnent des résultats si disparates. Les cours universitaires décrivent des réseaux de nœuds minuscules qui relaient les messages les uns des autres, de saut en saut. La plupart des déploiements commerciaux réalisés aujourd’hui sont différents : des milliers de capteurs qui communiquent directement avec quelques récepteurs longue portée. La bonne architecture dépend du site, et ce choix détermine le coût, l’autonomie des batteries et la capacité du réseau à s’étendre.

L’essentiel

  • Un réseau de capteurs sans fil relie par radio des capteurs sur batterie à un logiciel, sans câble jusqu’à chaque point de mesure.
  • Ses briques de base sont les nœuds capteurs, les passerelles ou stations de base, un serveur de réseau et une application.
  • Les réseaux maillés relaient les messages de nœud en nœud, tandis que les réseaux en étoile envoient chaque mesure directement à une passerelle, sur une longue portée.
  • Pour les grands déploiements industriels et environnementaux, les radios longue portée comme LoRaWAN et mioty sont le choix habituel.

Topologie d’un réseau de capteurs sans fil

Tout réseau de capteurs sans fil comporte les quatre mêmes couches, quelle que soit sa radio :

  • Les nœuds capteurs mesurent et émettent. Un nœud réunit un capteur, un petit microcontrôleur, une radio et une batterie dans un même boîtier.
  • Les passerelles ou stations de base reçoivent les signaux radio et les transmettent par Ethernet, Wi-Fi ou une connexion mobile.
  • Un serveur de réseau vérifie, déchiffre et dédoublonne les messages, et tient la liste des appareils qui font partie du réseau.
  • Une application stocke les mesures, trace les graphiques et décide de ce qui doit se passer quand une valeur sort de sa plage.

La topologie décrit la façon dont les deux premières couches communiquent entre elles, et il en existe trois formes courantes.

Dans une topologie maillée, les nœuds se passent les messages de voisin en voisin jusqu’à ce qu’un message atteigne la passerelle. Zigbee, Thread et la norme industrielle WirelessHART fonctionnent ainsi. Le maillage contourne bien les murs à l’intérieur d’un bâtiment, car aucun nœud n’a besoin de porter loin. Le prix à payer, c’est la consommation : un nœud qui relaie le trafic des autres doit écouter souvent, si bien que les nœuds relais sont généralement alimentés sur secteur, tandis que les nœuds sur batterie se trouvent en bordure du réseau.

Dans une topologie en étoile, chaque nœud communique directement avec une passerelle. L’IoT cellulaire et les radios longue portée comme LoRaWAN et mioty utilisent cette forme. Les nœuds ne se réveillent que pour émettre, ce qui garantit une longue autonomie, et une seule passerelle peut couvrir des kilomètres au lieu de quelques mètres.

LoRaWAN utilise une variante souvent appelée étoile d’étoiles : un même message de capteur peut être capté par plusieurs passerelles à la fois, et le serveur de réseau en garde une copie et supprime les doublons. Ce recouvrement est utile, car un nœud situé en limite de portée d’une passerelle se trouve souvent bien à l’intérieur de la zone d’une autre.

Les topologies en arbre ou en grappes (clusters), où des groupes de nœuds remontent leurs données à une tête locale qui les transmet plus haut, se rencontrent surtout dans la recherche et dans certains systèmes industriels propriétaires.

Protocoles pour réseaux de capteurs sans fil

Le choix du protocole découle de la portée. Les protocoles courte portée couvrent une pièce ou un étage : Bluetooth Low Energy pour les objets portés et les balises, Zigbee et Thread pour les bâtiments et les logements, et le Wi-Fi quand l’alimentation est disponible et que les volumes de données sont élevés. Les protocoles longue portée, regroupés sous le nom de LPWAN (réseaux étendus basse consommation), couvrent un campus, un quartier ou une exploitation agricole.

Trois familles de LPWAN dominent. NB-IoT et LTE-M fonctionnent sur les réseaux des opérateurs mobiles et nécessitent un abonnement par appareil. LoRaWAN utilise des bandes sub-GHz sans licence, avec des passerelles que vous installez vous-même ou qu’un fournisseur installe, et dispose du plus large catalogue de capteurs prêts à l’emploi. mioty, normalisé par l’ETSI sous la référence TS 103 357, utilise lui aussi des bandes sub-GHz sans licence, mais découpe chaque message en de nombreuses salves radio courtes envoyées sur des fréquences et à des instants différents. La station de base peut reconstituer un message même quand une partie de ces salves est perdue, ce qui fait la force de mioty là où des milliers de capteurs se partagent une bande encombrée.

Pour les grands déploiements, tout se joue en pratique entre l’offre d’appareils et la densité. LoRaWAN propose davantage de modèles de capteurs pour presque toutes les mesures. mioty est conçu pour un très grand nombre d’appareils par station de base et pour les environnements radio bruyants. Beaucoup de projets n’ont pas à choisir, car les deux peuvent fonctionner côte à côte.

Quel que soit le protocole, l’autonomie de la batterie dépend du temps d’émission. Un capteur ne consomme presque rien quand il dort et dépense l’essentiel de son énergie quand sa radio émet : les questions qui comptent sont donc la fréquence de ses envois, le nombre d’octets qu’il transmet et la durée de chaque émission. Une longue portée à faible débit signifie des émissions plus longues. En LoRaWAN, un capteur éloigné de la passerelle utilise un facteur d’étalement (spreading factor) plus élevé, qui porte plus loin mais garde la radio allumée beaucoup plus longtemps pour un même message. Les réseaux utilisent le débit adaptatif (ADR) pour faire passer les capteurs proches d’une passerelle à des émissions plus courtes et moins coûteuses en énergie. Ajouter une passerelle près d’un groupe de capteurs éloignés peut prolonger leur autonomie tout en améliorant leur signal.

Sur Kilo, un serveur de réseau LoRaWAN est intégré à la plateforme, et mioty fonctionne soit via le Kilo mioty Service Center open source que vous hébergez vous-même, soit via mioty intégré à Kilo Cloud, où vous ajoutez un connecteur mioty et reliez vos stations de base sans aucun serveur de réseau à exploiter vous-même. Les mesures des deux alimentent les mêmes tableaux de bord, règles et alarmes : un détecteur de fuite LoRaWAN et un compteur mioty de la même organisation apparaissent donc côte à côte. Si votre réseau doit mélanger plusieurs radios, vérifiez chaque famille de capteurs par rapport aux connexions d’appareils prises en charge par Kilo avant d’arrêter le plan d’implantation des passerelles.

Qu’est-ce qu’un réseau de capteurs industriel ?

Un réseau de capteurs industriel surveille des machines et des procédés : vibrations et température des moteurs et des pompes, pression dans les conduites, niveaux dans les cuves, état des vannes. L’idée n’est pas nouvelle. Les usines de process utilisent depuis des décennies des signaux câblés 4–20 mA, et deux normes sans fil, WirelessHART (IEC 62591) et ISA100.11a, ont été développées spécifiquement pour l’automatisation des procédés, avec des réseaux maillés dans la bande des 2,4 GHz.

Ce qui a changé, c’est le rééquipement de l’existant. Tirer de nouveaux câbles dans une usine en fonctionnement coûte cher et demande souvent un arrêt : beaucoup d’usines ajoutent donc des capteurs sans fil sur batterie à des équipements qui n’ont jamais été surveillés, comme les centaines de petits moteurs, ventilateurs et pompes qu’il n’a jamais valu la peine de câbler.

Les sites industriels sont plus difficiles pour la radio que les bureaux. Les structures métalliques réfléchissent et bloquent les signaux, les variateurs de fréquence et les postes de soudage produisent du bruit électrique, et la bande des 2,4 GHz est souvent encombrée par le Wi-Fi et le Bluetooth. Les radios sub-GHz comme LoRaWAN et mioty ont des longueurs d’onde plus grandes, qui contournent mieux les obstacles que les signaux à 2,4 GHz. Les zones dangereuses ajoutent une exigence : les capteurs utilisés en atmosphère explosive ont besoin d’une certification comme ATEX en Europe ou IECEx à l’international, et cette certification est propre à l’appareil, pas au protocole radio.

Un réseau de capteurs industriel remonte généralement des valeurs de synthèse plutôt que des signaux bruts. Un capteur de vibration peut envoyer une valeur de vitesse vibratoire et une température toutes les 15 minutes, ce qui suffit pour repérer une machine qui sort de sa plage habituelle sans épuiser la batterie.

Voici ce que cela donne en chiffres, à titre d’exemple. Une usine qui compte 300 petits moteurs, chacun équipé d’un capteur de vibration qui émet toutes les 15 minutes, produit 28 800 mesures par jour. C’est une charge modeste pour une seule passerelle ou station de base longue portée. L’essentiel de la préparation porte sur autre chose : quelle valeur est considérée comme anormale pour chaque type de machine, qui est prévenu quand un moteur dérive, et qui remplace un capteur dont la batterie est à plat.

Comment mettre en place un réseau de capteurs environnementaux

Un réseau de capteurs environnementaux mesure les conditions en extérieur ou sur une vaste zone : la qualité de l’air dans une ville, la pluviométrie et l’humidité du sol sur des terres agricoles, les niveaux d’eau le long d’une rivière, le bruit autour d’un chantier. Les capteurs sont clairsemés, souvent loin de toute alimentation et de tout bâtiment, ce qui fait de la radio longue portée sur batterie la solution naturelle.

Un déploiement type suit ces étapes :

  1. Mettez la question par écrit. « La rivière monte-t-elle plus vite que d’habitude en amont de la ville ? » ne conduit pas aux mêmes capteurs ni au même emplacement que « Quelle est la qualité de l’air moyenne dans le quartier ? »
  2. Choisissez les capteurs et un intervalle d’envoi. Un capteur de niveau de rivière qui émet toutes les 15 minutes envoie 96 mesures par jour ; un capteur qui émet toutes les heures tient nettement plus longtemps avec la même batterie.
  3. Étudiez la couverture radio. Parcourez la zone à pied ou en voiture avec un testeur de terrain avant de fixer quoi que ce soit, car les collines, les arbres et les bâtiments modifient fortement la portée.
  4. Installez les passerelles en hauteur. Une passerelle sur un château d’eau ou sur le toit d’un bâtiment municipal couvre bien plus de terrain qu’une passerelle au niveau de la rue. Là où il n’y a pas de réseau électrique, les passerelles peuvent fonctionner sur panneau solaire avec une batterie.
  5. Vérifiez la précision par rapport à une référence. Les capteurs de qualité de l’air bon marché dérivent et réagissent à l’humidité : les comparer à une station de mesure officielle proche montre jusqu’où leur faire confiance.
  6. Prévoyez la maintenance. En extérieur, les capteurs se salissent, prennent l’eau et se font parfois voler. Budgétez une visite annuelle de chaque site.

Prenons un réseau d’alerte crues de 12 capteurs de niveau d’eau répartis sur 20 km de rivière, chacun émettant toutes les 15 minutes. Cela représente 1 152 mesures par jour, et deux ou trois passerelles bien placées suffisent généralement à couvrir le tronçon, selon le relief. Les capteurs eux-mêmes mesurent le plus souvent la distance jusqu’à la surface de l’eau par radar ou par ultrasons ; Kilo Electronics propose des capteurs de niveau de ce type, et les capteurs de tout fournisseur compatible fonctionnent de la même façon.

FAQ sur les réseaux de capteurs sans fil

Quelle est la différence entre un réseau de capteurs et l’IoT ?

Un réseau de capteurs, c’est la partie qui mesure et transmet : les capteurs, la radio et les récepteurs. L’IoT, l’Internet des objets, est l’idée plus large de connecter des objets physiques à internet et à des logiciels, ce qui inclut des appareils qui agissent en plus de mesurer, comme les prises connectées, les vannes et les éclairages. Tout projet de surveillance IoT contient un réseau de capteurs, mais tout réseau de capteurs n’est pas connecté à internet.

D’où viennent les réseaux de capteurs sans fil ?

Une grande partie des premières recherches est issue de projets militaires et universitaires des années 1980 et 1990. L’un des plus connus est Smart Dust, à l’université de Californie à Berkeley, qui explorait des nœuds de mesure de l’ordre du millimètre. Les radios bon marché et basse consommation qui ont rendu les réseaux commerciaux praticables sont arrivées plus tard, avec la norme IEEE 802.15.4 en 2003 et les technologies LPWAN dans les années 2010.

Un réseau de capteurs sans fil est-il sécurisé ?

La sécurité dépend du protocole et de la gestion des clés. LoRaWAN chiffre le trafic en AES-128 et utilise des clés distinctes pour le réseau et pour l’application : l’opérateur du réseau peut ainsi acheminer un message sans en lire le contenu. Les points faibles sont généralement opérationnels : des clés par défaut jamais changées, des clés d’appareils stockées dans des tableurs partagés et des passerelles laissées avec leur mot de passe d’usine.

Quelle est la portée d’un réseau de capteurs sans fil ?

Cela dépend de la radio. Zigbee et Bluetooth couvrent généralement quelques dizaines de mètres par saut. Une passerelle LoRaWAN porte généralement à 2–5 km en ville et à 15 km ou plus en rase campagne. La portée diminue toujours à l’intérieur, en sous-sol et derrière du béton épais : les mesures sur le terrain valent mieux que les chiffres des fiches techniques.

Cinq capteurs de niveau d’eau autour d’un même site, une seule passerelle et un tableau de bord qui affiche les cinq forment un petit réseau environnemental à observer pendant quelques semaines. Ajoutez une règle qui envoie une alarme quand un niveau dépasse le repère qui vous importe, et laissez le tout tourner assez longtemps pour apprendre à quoi ressemble la normale avant de planifier plus grand. L’ensemble tient dans l’offre gratuite de Kilo.