Une gestion intelligente du bétail nécessite de détecter le comportement des animaux au pâturage et de collecter des informations telles que leur parcours et leur localisation. Le système d'Internet des objets (IoT) dédié aux pâturages permet d'obtenir ces informations. L’architecture du système, basée sur des réseaux de capteurs sans fil, permet de répondre aux besoins de communication entre les différents nœuds d’échantillonnage. Cependant, en raison de l’éloignement géographique des ranchs et de la complexité de l’environnement réseau, des problèmes tels que les coupures de connexion et la perte de paquets surviennent fréquemment lors de la connexion à Internet. L’utilisation de méthodes de connexion réseau traditionnelles peut entraîner d’importantes pertes de données. Afin de réduire la perte de données échantillonnées en cas d’interruption de la connexion à Internet, un schéma de transmission de données IoT pour les ranchs basé sur des réseaux opportunistes est proposé, et la communication entre les capteurs dans l’environnement du ranch est analysée. L’état de la communication ainsi que les trois modes de communication entre les capteurs sont résumés, puis modélisés et analysés respectivement. Compte tenu de la capacité de stockage limitée des capteurs, en s'appuyant sur le principe des réseaux opportunistes, une méthode de calcul de la densité des points d’accès est proposée, et la relation intrinsèque entre la vitesse de déplacement du bétail, la capacité de stockage des nœuds capteurs et le taux de perte de paquets lors de la transmission de données est mise en évidence, garantissant ainsi que la perte de données du système reste dans les limites admissibles prévues lors de la conception. La validité de la méthode est démontrée par des expériences qui évaluent et vérifient les résultats théoriques de la méthode proposée.
Avec la généralisation des technologies de l'Internet des objets dans le secteur agricole [1], les méthodes informatiques sont progressivement mises en œuvre dans la production animale [2]. La surveillance du comportement du bétail dans les pâturages constitue une condition fondamentale pour une gestion intensive et intelligente de l'élevage.
La surveillance du comportement du bétail peut être mise en œuvre efficacement grâce à la technologie de l’Internet des objets [3-6]. En général, les ranchs sont situés dans des zones relativement isolées, et l’IoT des ranchs se trouve souvent à la périphérie de la zone de couverture du réseau, voire en dehors de celle-ci. Les capacités de communication des nœuds capteurs sont limitées. Dans l'environnement d'un ranch, la connexion ne peut se faire qu'avec la station de base la plus proche via un réseau public sans fil [7-11]. En raison des problèmes de transmission des informations, les données de surveillance IoT en continu ne peuvent souvent pas être transmises via le réseau, ce qui entraîne des anomalies réseau telles que des interruptions de signal.
Les réseaux opportunistes (ON) [12-14] constituent un type de réseau auto-organisé, spécialement conçu pour les situations où les liaisons réseau sans fil sont souvent interrompues et où il se peut qu’il n’y ait pas de liaison complète entre le nœud source et le nœud cible, en tirant parti du déplacement des nœuds. L'échange de données a lieu lorsque les nœuds pénètrent dans la zone de couverture de communication mutuelle afin d'établir la communication. C'est pourquoi les réseaux opportunistes sont souvent utilisés pour résoudre des problèmes tels que la surveillance de la faune sauvage [15-16] et l'accès au réseau dans les zones reculées [17-18].
Cet article analyse l'environnement de transmission des données de l'Internet des objets dans le contexte particulier d'un ranch et s'appuie sur les caractéristiques de la technologie des réseaux opportunistes pour concevoir un système de transmission de données destiné à l'Internet des objets dans le secteur de l'élevage, afin que la transmission des données de l'Internet des objets dans les pâturages puisse s'adapter aux interruptions fréquentes du réseau de capteurs dans cet environnement. Il propose une solution efficace pour résoudre le problème des interruptions de transmission de données de l'Internet des objets dans les exploitations d'élevage.
1 Analyse d'un système agricole basé sur l'Internet des objets
1.1 Structure du système « Internet des objets » pour les pâturages Le système « Internet des objets » pour les pâturages permet de collecter et de traiter les informations relatives au comportement du bétail. Le système recueille des informations physiques (telles que la localisation du bétail, la température corporelle, les mouvements, etc.) à l’aide de capteurs, puis utilise le réseau (2G/3G/4G et autres réseaux publics sans fil) pour transmettre ces informations au serveur d’application en vue de leur traitement. La figure 1 présente un schéma structurel d’un système « Internet des objets » de surveillance des informations sur le bétail dans un pâturage. Les capteurs intelligents de la couche de perception disposent de certaines capacités de stockage, de calcul et de communication. Les données collectées par les capteurs utilisent des réseaux de capteurs pour la transmission de données à courte distance, tels que des réseaux basés sur des protocoles comme ZigBee. Parallèlement, les nœuds utilisent une technologie d’accès au réseau étendu, généralement par des moyens sans fil, tels que les réseaux GPRS, pour transmettre les données collectées par les capteurs vers Internet. Cette partie de l’organisation du réseau constitue la couche réseau du système d’Internet des objets du ranch.
Dans le système de l’Internet des objets dédié à l’élevage, les capteurs sont en mouvement pendant le processus de collecte d’informations, et les nœuds de collecte changent en permanence de position dans l’espace. Cette évolution de la topologie spatiale distingue l’Internet des objets dédié à l’élevage d’autres domaines de l’agriculture sous abri qui font actuellement l’objet de nombreux débats, tels que les systèmes intelligents de l’Internet des objets appliqués aux serres ; au niveau de la couche réseau, lors du processus de communication des données entre les nœuds capteurs et Internet, en raison de la mobilité des nœuds eux-mêmes, et lorsque ceux-ci utilisent des méthodes de communication sans fil, la distance entre les nœuds et la station de base dépasse souvent la portée de cette dernière, ce qui entraîne de fréquentes interruptions du réseau.
1.2 Analyse de l'état des communications du système d'Internet des objets dans un ranch Dans un environnement de ranch, la transmission réseau s'appuie principalement sur des réseaux sans fil pour échanger des données entre les stations de base et les nœuds de communication. On distingue trois cas de figure : les nœuds du réseau de capteurs sont tous répartis dans la zone de couverture de la station de base ; une partie des nœuds du réseau de capteurs est répartie dans la zone de couverture de la station de base ; les nœuds du réseau de capteurs sont tous répartis en dehors de la zone de couverture de la station de base.
Utilisez des ensembles pour représenter les trois situations ci-dessus : A = {a1, a2, a3}. Il existe également trois cas de figure concernant l’organisation de la communication au sein d’un réseau de capteurs : tous les nœuds du réseau de capteurs peuvent communiquer directement avec la station de base, et les nœuds du réseau de capteurs ne peuvent pas communiquer entre eux ; certains nœuds du réseau de capteurs peuvent communiquer avec la station de base, et les nœuds du réseau de capteurs peuvent communiquer entre eux ; tous les nœuds du réseau de capteurs peuvent communiquer entre eux. Les nœuds du réseau de capteurs peuvent communiquer avec la station de base et être également connectés les uns aux autres.
Exprimé sous forme d'ensemble : B = {b1, b2, b3}. Par conséquent, dans le scénario du pâturage, la transmission réseau possible est C = A × B = {a1, a2, a3} ×{b₁, b₂, b₃} = {(a₁, b₁), (a₁, b₂), (a₁, b₃), (a₂, b₁), (a₂, b₂), (a₂, b₃), (a₃, b₁), (a3, b2), (a3, b3)} ; parmi ceux-ci, dans les trois cas (a1, b1), (a1, b2) et (a1, b3), tous les nœuds du capteur peuvent transmettre directement des données vers Internet. Dans ce cas, il n’y a pas d’interruption du réseau, etc., et le modèle de traitement de la connexion est conforme à la méthode de traitement d’Internet ; (a3, b1), (a3, b2), (a3, b3), le réseau est complètement interrompu ; par conséquent, les questions abordées dans cet article se concentrent sur les trois situations suivantes : (a2, b1), (a2, b2), (a2, b3).
2 Modélisation de l'Internet des objets « Ranch » basée sur des réseaux opportunistes
Compte tenu des spécificités de la communication de données de l’Internet des objets dans le domaine de l’élevage et des pâturages, sur la base d’une analyse de l’architecture du système de l’Internet des objets en élevage et en s’appuyant sur les principes des réseaux opportunistes, nous proposons un cadre de référence pour la conception du système selon ces principes lors de sa mise en œuvre. modèle, permettant ainsi de résoudre des problèmes tels que l’instabilité des connexions et les changements fréquents de localisation spatiale des nœuds capteurs lors de la transmission de données de l’Internet des objets dans le secteur de l’élevage.
2.1 Présentation générale des réseaux opportunistes Les réseaux opportunistes constituent un modèle d’organisation de réseau dans lequel il n’existe pas nécessairement de chemin complet pour la communication entre les nœuds du réseau. La solution d’architecture physique de ce modèle d’organisation de réseau provient du réseau DTN (Disruption Tolerant Network) [19-20]. Les réseaux opportunistes peuvent être considérés comme des réseaux DTN s'inscrivant dans le cadre d'un réseau sans fil auto-organisé. La démarche technique de leur architecture consiste à accomplir les tâches de communication selon le mécanisme de routage “ stockage-transfert ” (storage-carry-forward). La fonction de « transport » des paquets d'informations dans les réseaux opportunistes est assurée par l'ajout d'une couche de regroupement [14] à l'architecture du réseau. La figure 2 présente une comparaison entre une architecture de réseau opportuniste et une architecture de réseau TCP/IP classique. Grâce à la couche de regroupement, les réseaux opportunistes peuvent répondre aux exigences de transmission fiable des données dans des environnements particuliers, caractérisés par des retards et des interruptions fréquentes du réseau.
Cet article propose une solution technique pour la transmission de données dans les pâturages, basée sur des réseaux opportunistes. Afin de répondre aux exigences d'une large applicabilité et de la stabilité du système en conditions réelles d'exploitation, une stratégie d'envoi de données reposant sur une version simplifiée de l'algorithme de inondation est adoptée dans le mécanisme de transfert de données. L'aspect « mobilité » s'appuie sur les déplacements liés au processus d'alimentation dans le pâturage. Dans ces conditions, la relation entre la mémoire des équipements, la vitesse d’échantillonnage des données, le rayon d’alimentation et la vitesse de déplacement des animaux requise pour le projet est calculée, fournissant ainsi une base théorique et des méthodes de calcul de la mémoire, de la période d’échantillonnage des données, etc., nécessaires à la conception du système lors de la mise en œuvre du projet.
2.2 Analyse et modélisation des scénarios liés à l'Internet des objets dans le secteur agricole. La section 1.2 traite des situations de transmission de données dans trois environnements réseau : (a2, b1), (a2, b2) et (a2, b3) respectivement. La figure 3 illustre respectivement les scénarios 1, 2 et 3. Nous abordons ici les conditions de connexion du réseau opportuniste nécessaires à la transmission d’informations dans le cadre de l’Internet des objets dans les pâturages, dans ces trois situations. 2.2.1 Scénario 1 : relation de communication entre le nœud du réseau de capteurs et la station de base lorsque la connexion est (a2, b1). Certains nœuds du réseau de capteurs sont connectés à la station de base, tandis que d’autres ne le sont pas. Les nœuds du réseau de capteurs peuvent se déplacer ; en d’autres termes, une partie de leur zone de déplacement se trouve dans la zone de couverture du signal de la station de base. À ce moment-là, il n’y a pas de liaison de communication entre les capteurs. Dans ce cas, cela revient à former un réseau entre chaque nœud du réseau de capteurs et la station de base. Dans la configuration de réseau illustrée dans le scénario 1, chaque nœud de capteur n’a la possibilité de se connecter et de communiquer avec la station de base que lorsqu’il entre dans la zone de couverture du signal de celle-ci. La couverture du signal de la station de base et le rayon d’activité du bétail sont illustrés à la figure 4. Supposons que la zone d’activité du bétail soit une aire circulaire (pour faciliter l’explication, cela correspond à la forme du pâturage lors du pâturage réel), le rayon d’activité du bétail est r (m), qui correspond à la longueur du segment de droite A1O2 sur la figure, et la distance entre la station de base et le centre d’activité du bétail est D (m), c’est-à-dire la longueur de O1O2. La portée de couverture du signal de la station de base est R (m), ce qui correspond à la longueur de A1O1. La zone diagonale grise de la figure 4 correspondant à la station de base représente la zone d’instabilité du signal. Lorsque le nœud capteur transmet des signaux dans cette zone, il y a perte de paquets. La loi de perte de paquets obéit à la fonction φ. La fonction φ est une fonction liée à la distance entre le nœud et la station de base ainsi qu’à la limite de délai maximale du réseau. Cette fonction peut être définie en conséquence selon les différentes exigences de conception du système et les méthodes de transmission correspondantes. La largeur de la zone grise est de d (m). D’après la relation géométrique illustrée à la figure 4, l’angle formé par le centre d’activité du bétail et le point d’intersection des deux cercles peut être calculé comme ∠A1O2A2, ce qui s’exprime par α1 = 2arccos((r2 + D2 – R2) / (2rD)). L’angle entre les points d’intersection des cercles est ∠A1O1A2, exprimé par α2 = 2arccos((R² + D² – r²) / (2RD)). La zone où la couverture du signal de la station de base recoupe la zone d’activité du bétail est S1 = r²α₁/2 + R²α₂/2 - sin(α₁/2)rD
Mots-clés : Passerelle pour l'internet des objets
