Gestion de l'énergie dans un réseau de capteurs au niveau application

Energy management of a wireless sensor network at application level

• Auteur / Autrice : Olesia Mokrenko
• Direction : Carolina Albea-Sánchez, Suzanne Lesecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 20/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information

Mots clés

Mots clés contrôlés

Consommation d'énergie

Conservation de l'énergie

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Gestion de l'énergie

Contrôle prédictif

Contrôle hybride

Wireless sensor network

Energy management

Model predictive control

Hybrid dynamic system

Résumé

L'énergie est une ressource clé dans les réseaux de capteurs sans fil (WSNs), en particulier lorsque les nœuds capteurs sont alimentés par des batteries. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la réduction de la consommation de l'énergie d'un réseau de capteurs au niveau application construite au-dessus de ce réseau, grâce à des stratégies de contrôle, en temps réel et de façon dynamique. La première stratégie de gestion de l'énergie considérée s'appuie sur le contrôle prédictif (MPC). Le choix de MPC est motivé par les objectifs globaux qui sont de réduire la consommation d'énergie de l'ensemble des nœuds capteurs tout en assurant un service donné, nommé mission, pour le réseau de capteurs. En outre, un ensemble de contraintes sur les variables de contrôle binaires et sur les nœuds capteur doit être rempli. La deuxième stratégie de gestion de l'énergie au niveau de l'application utilise une approche de contrôle hybride (HDS). Ce choix est motivé par la nature inhérente du système WSN qui est par essence hybride, en particulier lorsque l'on s'intéresse à la gestion de l'énergie. La nature hybride vient essentiellement de la combinaison de processus physiques continus tels la charge et décharge des batteries des nœuds; tandis que la partie discrète est liée à la modification des modes de fonctionnement et l'état Inaccessible des nœuds. Les stratégies proposées sont évaluées et comparées en simulation sur des différents scenarios réalistes. Elles ont aussi \'et\'e mises en œuvre sur un banc d'essai réel et les résultats obtenus ont été discutés.

Energy is a key resource in Wireless Sensor Networks (WSNs), especially when sensor nodes are powered by batteries. This thesis is investigates how to save energy of the whole WSN, at the application level, thanks to control strategies, in real time and in a dynamic way. The first energy management strategy investigated is based on Model Predictive Control (MPC). The choice of MPC is motivated by the global objectives that are to reduce the energy consumption of the set of sensor nodes while ensuring a given service, named mission, for the sensor network. Moreover, a set of constraints on the binary control variables and on the sensor modes must be fulfilled. The second energy management strategy at the application level is based on a Hybrid Dynamical System (HDS) approach. This choice is motivated by the hybrid inherent nature of the WSN system when energy management is considered. The hybrid nature basically comes from the combination of continuous physical processes, namely, the charge / discharge of the node batteries; while the discrete part is related to the change in the functioning modes and the Unreachable condition of the nodes. The proposed strategies are evaluated and compared in simulation on a realistic test-case. Lastly, they have been implemented on a real test-bench and the results obtained have been discussed.