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Eco-conception de Réseaux de Capteurs Environnementaux Capteurs, Instrumentation pour l'Environnement & les Géosciences Polytech Orléans 27/09/2011 Alan Lelah Laboratoire G-SCOP, Université de Grenoble

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Eco-conceptionde Réseaux de Capteurs

Environnementaux

Capteurs, Instrumentation pour l'Environnement & les GéosciencesPolytech Orléans

27/09/2011

Alan LelahLaboratoire G-SCOP, Université de Grenoble

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ContexteTIC et Capteurs Environnementaux

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TIC et Développement Durable

• Les TIC influencent nos vies et notre environnement

• Elles modifient notre conception de nos territoires

• Elles ouvrent une multitude de nouvelles usages

une

équilibre

juste

Environmental

Protection

Justice

Sociale et

Economique

Efficacité

Economique

Globale

Protection de

l’Environnement

Conflit de

Propriété

Conflit de

Développement

Conflit de

Ressources

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Réseaux de Capteurs Sans Fils

Potentiellement, cela concernent des centaines de milliards de machines

La question est de savoir si les Réseaux de Capteurs– Respectent l’environnement et économisent les ressources ?– Améliorent les conditions de vie de de travail ?– Améliorent la qualité des produits et services ? 4

• Les objets sont devenus– Intelligents : c’est-à-dire ils communiquent

(smart objects / objets communicants)– Sensibles : associés à un capteur

• L’association des TIC et des capteurs permet de construire des Réseaux de Capteurs sans fils (Wireless Sensor Networks)

• Les Réseaux de Capteurs offrent un support pour de nombreuses services

• Les services peuvent servir une cause environnementale ou non

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Eco-Conception de Réseaux de CapteursTerrain d’Etudes

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Terrain d’Etudes

• Méthode / Outils – Analyse de Cycle de Vie :

• Logiciel EIME• Evaluation des impacts

environnementaux

– Analyse de la recylabilité :• Logiciel

• Taux de recyclage et de valorisation

– Confrontations d’experts :• capteurs / environnement

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• Deux terrains d’étude :– Expérimentation « collecte de verre » de France Télécom (2006)

– Projet SensCity (2009 – 2011)

• Deux volets d’Eco-conception :– Eco-conception des équipements utilisés dans les réseaux

– Eco-conception du système de mis en œuvre

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La Collecte de Verre

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Expérimentation au Pays Voironnais(Voiron - 2006)

• Monitoring des niveaux de

remplissage dans les colonnes

de collecte de verre

• Optimisation des tournées de

collecte

• Points clés

– 25% de gains de productivité

– Moins d’utilisation de

ressources (camions)

– Moins de perturbations et de

bruit

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Tournées de Ramassage

GSM

Platform M2M

Internet

Monitoring des niveaux de

remplissage

Internet

Colonne Enterrée

Point d’Apport Volontaire

Capteur

Module deRadiocommunication

Passerelle

Lien Capillaire

Energie Solaire

Principe de fonctionnement

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Evaluation EnvironnementaleUnité fonctionnelleFrontières du SystèmeCatégories d’ImpactRésultats ACV

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Unité Fonctionnelle

Fonctionnement pendant une année dans le Pays Voironnais• Mesures journalières des niveaux de remplissage

Parc de Capteurs• Points d’Apport Volontaire 200• Capteurs (verres colorées et claires) 400• Passerelles 150• Communication : passerelle vers le réseau télécom GSM• Communication à travers le réseau télécom IP• Platform de services serveur• Terminal de consultation PC

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Frontières du Système

ElémentParamètres Pris en Compte Phases du Cycle de Vie

matériaux énergie combustible infrastructure fabrication transport usage

Capteur O O NP NP O O O

Passerelle O O NP NP O O O

GSM N O NP O N N O

Internet N O NP O N N O

Platform de services

N ONP NP O O O

O O

Internet N O NP O N N O

PC N O NP NP O O O

Installation N N O NP N O N

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Choix des Catégories d’Impact

Indicateur Acronyme Unité Impact

Potentiel d’effet de serre GWP g eq. CO2 Contribution à l’effet de serre

Epuisement des

Ressources Energétiques

ED MJ Consommation de l’énergie et

l’énergie latente du matériaux

Toxicité de l’Air AT m3 Volume d’air nécessaire pour

diluer l’air contaminé

Toxicité de l’Eau WT dm3 Volume d’air nécessaire pour

diluer l’eau contaminée

Epuisement des Matières

Premières

RMD Année-1 Cuivre, or, argent

• Industrie Microélectronique

• Potentiel de l’effet de serre : CO2, SF6

• Déplétion minéraux et ressources énergétiques

• Eau : rejets métalliques ; phosphates, nitrates ; consommation d’eau

• Air : SO2, NO2, méthane

• Zone Urbaine

• Qualité de l’air, de l’eau

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Résultats ACV(expérimentation Voiron)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Energy Depletion

Global Warming

Air Toxicity Water Toxicity Raw Material Depletion

PC terrminal

Internet

M2M platform

GSM

sensor

gateway

installation

Impacts

Rela

tifs

Indicateurs d’Impact

Terminal PC

Internet

Platform de Services

GSM

Capteur

Passerelle

Installation

ED(énergie)

GWP(effet

de serre)

AT(air)

WT(eau)

RMD(matières

premières)

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Préconisations pour l’Eco-conceptionEquipements dans les Réseaux de Capteurs

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Préconisations :Fabrication

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• les pièces mécaniques(Résine, fixations, …)– conception de ces pièces dès le début du projet– optimisation (masse, choix des matériaux, …)– réduction de la quantité de résine (ou son élimination totale) – intégration de la recyclabilité du produit

• l’électronique(chimie de la production, ressources minéraux, eau, …)– conformité RoHS de toute la chaine de production– surface des cartes électroniques– boitiers compacts– connaissance du supply-chain

(application des normes, choix de localitésde production en fonction de l’eau, …)

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Préconisations :Transport

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• le transport(des fournisseurs de composants jusqu’aux clients)– rationalisation des circuits de fabrication (localisation)– modes de transport plus doux

(international : bateau préféré à l’avion ; national : train préféré à la route)

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Préconisations :Installation et Maintenance

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• les phases d’installation, de déploiement et de maintenance des équipements– optimisation des pièces mécaniques pour la fixation

– intégration directement dans produits plus larges, pour mutualiser transport et installation.

– représentants et distributeurs sur place

• la réparation des équipements

– conception modulaire

– prise en compte de la réparation / réutilisation dès la conception

– utilisation des pièces standardisées

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Préconisations :Usage

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• l’énergie consommée en phase d’utilisation– identification des modes de fonctionnement les plus consommateurs d’énergie– amélioration de l'efficacité pour les modes qui consomment le plus d'énergie– prise en compte des sollicitations de capteurs avoisinants– vérification des consommations sur des prototypes

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Préconisations :Fin-de-Vie

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• le désassemblage et la dépollution des matériels– réduction du nombre / poids des polluants– accessibilité et marquage des polluants (batterie, carte, etc.)– regroupement de polluants– préparation d’un profile de recyclage (notice de traitement de fin-de-vie)

à communiquer aux sites de traitement– réduction (ou élimination) de la résine– Design for Disassembly des batteries et cartes électroniques

(faciliter leur extraction pendant le démontage destructive)

• la recyclabilite du produit– suivi, plan de démontage– séparation pile / carte / résine (marquage)– consultation avec les recycleurs dès les phases de conception

• la collecte et le stockage des matériels en fin-de-vie

– conservation de la responsabilité de la maintenance du réseau afin de simplifier la logistique nécessaire à la collecte systématique des équipements, lors de la maintenance ou du démantèlement définitif du réseau

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Eco-conceptionOrganisation de la Collecte

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Solution Classique / Réseau de Capteurs(expérimentation Voiron)

Service Classique

• Relevés terrains de 2 tournées types pendant 6 quinzaines

Zones urbaines

Zones rurales

• Ramassage si niveau de remplissage > 60 %

Service avec Réseau de Capteurs

• Connaissance a priori du niveau de remplissage

• Passage du camion si niveau de remplissage > 75 %

Trajet potentiel annuel économisé du camion = 840 km

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Impacts Carburant / Réseau de Capteurs(expérimentation Voiron)

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0%

100%

200%

300%

400%

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700%

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900%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

M2M

Truck GainIndicateurs d’Impact

Imp

act

Réla

tif

RMDED GW AT WTED(énergie)

GWP(effet

de serre)

AT(air)

WT(eau)

RMD(matières

premières)

Réseau de Capteurs

Carburant

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Eco-ConceptionChoix de la Fréquence des Emissions

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0%

20%

40%

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100%

120%

140%

160%

180%

Energy Depletion

Global Warming

Air Toxicity Water Toxicity Raw Material Depletion

Hazardous Waste

Production

Imp

act R

ela

tif

Indicateurs

24 Emissions par Jour

PC terrminalInternetM2M platform

GSM

gatewaysensorinstallation

Influence de la Fréquence des Emissions(expérimentation Voiron)

25Indicateurs d’Impact

100%

20%

40%

60%

80%

120%

140%

160%

Terminal PC

Internet

Platform de services

GSM

Passerelle

Capteur

Installation

ED(énergie)

GWP(effet

de serre)

AT(air)

WT(eau)

RMD(matières

premières)

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Eco-ConceptionMutualisation de l’Infrastructure

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Institution Locale

Citoyens

Service 1

PME1

High-tech

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Infrastructure Globale pour Services

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Institution Locale

Citoyens

Service 1

Service 2

Service n

PME2

High-tech

PMEn

High-tech

PME1

High-tech

28

Infrastructure Globale pour Services

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Institution Locale

Citoyens

1 2 n

PME2

High-tech

PMEn

High-tech

Infrastructure Globale

PME1

High-tech

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Infrastructure Globale pour Services

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Institution Locale

Citoyens

1 2 n

PME2

High-tech

PMEn

High-tech

Infrastructure Globale

PME1

High-tech

opérateur

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Infrastructure Globale pour Services

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Installation

Infrastructure Télécom TraditionnelleInfrastructure Locale

Capteurs

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Benefices de la Mutualisation(expérimentation Voiron)

31Indicateurs d’Impact

Imp

act

Réla

tif

ED(énergie)

GWP(effet

de serre)

AT(air)

WT(eau)

RMD(matières

premières)

Hypothèse : 10 services identiques

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Application Industrielle

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Projet SensCity

Créer une infrastructure de télécommunication

• Pour la provision de services urbaines

• S’appuyant sur des réseaux de capteurs

Contribuer au Développement Durable

• Particulièrement à travers les considérations environnementales 33

Projet FUI2009-2011

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Passerelles

Réseau Telecom

Equipments, capteurs:

- Comteurs

- Environnement

- Déchets

- Transport…

Platform de Services Urbain

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Réseau de Capteurs Urbain

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Platform Urbain de Collecte et de Commande

Collecte et Contrôle

Médiation etCourtage

RéseauTélécom

RéseauTélécom

RéseauTélécom

Platformde Service

Mairie,Fournisseurde Service

Utilisateur-final

Paserelle

Communication

Capteur

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Architecture

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Conclusions

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Conclusions

• Les réseaux de capteurs permettent de soutenir et améliorer les services classiques et d’en proposer de nouveaux.

• Le réseau de capteurs induit un impact environnemental qu’il faut prendre en compte.

• Certains services peuvent favoriser le développement durable et la préservation de l’environnement.

• Dans tous les cas il faut éco-concevoir les équipements et les services.

• L’éco-conception couvre des aspects traditionnels de l’éco-conception de produits.

• Des gains environnementaux importants peuvent aussi être obtenus dans l’organisation des services.

• Le projet SensCity permet de faire une étude environnementale sur un réseau de capteurs complet comprenant les infrastructures globales et locales.

• L’étude démontre la nécessité de prendre en compte : toutes les phases du cycle de vie,

l’impact de l’infrastructure,

les différentes catégories d’impact.

• Les limites de l’étude dépendent des hypothèses du système et la qualité des données. 38

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Merci

Remerciements particuliers à :BH Environnement (Capteurs pour le ramassage de déchets, éclairage urbain)Azimut Monitoring (Capteurs de bruit, pollution et météo)Orange Labs (Intégrateur d’infrastructure de services)