Eco-conception de Réseaux de Capteurs … · Capteur Module de Radiocommunication Passerelle Lien...
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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
ContexteTIC et Capteurs Environnementaux
2
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
3
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
Eco-Conception de Réseaux de CapteursTerrain d’Etudes
5
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
La Collecte de Verre
7
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
8
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
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
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
16
• 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, …)
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)
Préconisations :Installation et Maintenance
18
• 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
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
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
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%
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400%
500%
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700%
800%
900%
0%
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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
Eco-ConceptionChoix de la Fréquence des Emissions
24
0%
20%
40%
60%
80%
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)
Eco-ConceptionMutualisation de l’Infrastructure
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Institution Locale
Citoyens
Service 1
PME1
High-tech
27
Infrastructure Globale pour Services
Institution Locale
Citoyens
Service 1
Service 2
Service n
PME2
High-tech
PMEn
High-tech
PME1
High-tech
28
Infrastructure Globale pour Services
Institution Locale
Citoyens
1 2 n
PME2
High-tech
PMEn
High-tech
Infrastructure Globale
PME1
High-tech
29
Infrastructure Globale pour Services
Institution Locale
Citoyens
1 2 n
PME2
High-tech
PMEn
High-tech
Infrastructure Globale
PME1
High-tech
opérateur
30
Infrastructure Globale pour Services
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
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
Passerelles
Réseau Telecom
Equipments, capteurs:
- Comteurs
- Environnement
- Déchets
- Transport…
Platform de Services Urbain
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Réseau de Capteurs Urbain
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
Implémentation
36
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)