La réglementation mondiale, pour des appareils de courte portée, permet l’utilisation sans licence de plusieurs Gigahertz de bande autour de 60 GHz. La bande des 60 GHz répond aux besoins des applications telles que les réseaux de capteurs très haut débit autonome en énergie,ou les transmissions à plusieurs Gbit/s avec des contraintes de consommation d’énergie. Il y a encore peu de temps, les interfaces radios fonctionnant dans la bande millimétrique n’étaient réalisables qu’en utilisant des technologies III-V couteuses. Aujourd’hui, les avancées des technologies CMOS nanométriques permettent la conception et la production en masse des circuits intégrées radiofréquences (RFIC) à faible coût.Cette thèse s’inscrit dans des travaux de recherches dédiés à la réalisation d’un système dans un boîtier (SiP, System in Package) à 60 GHz contenant à la fois l’interface radio (bande de base et circuits RF) ainsi qu’un réseau d’antennes. La première partie de cette thèse est dédiée la conception de la tête RF de l’émetteur-récepteur à faible consommation pour l’interface radio. Les blocs clefs de cette tête RF (amplificateurs, mélangeurs et un oscillateur commandé en tension) sont conçus, réalisés et mesurés en utilisant la technologie CMOS 65 nm de ST Microelectronics. Des éléments actifs et passifs sont développés spécifiquement pour l’utilisation au sein de ces blocs. Une étape importante vers l’intégration de la tête RF complète de l’émetteur-récepteur est l’assemblage de ces blocs de base afin de réaliser une puce émetteur et une puce récepteur. A ce but, une tête RF pour le récepteur a été réalisée. Ce circuit présent une consommation et un encombrement plus réduit que l’état de l’art.La deuxième partie de cette thèse présente le développement des modèles comportementaux des blocs de base conçus. Ces modèles au niveau système sont nécessaires afin de simuler le comportement du SIP, qui devient trop complexe si des modèles détaillés du niveau circuitsont utilisés. Dans cette thèse, une nouvelle technique modélisant le comportement en régime transitoire et régime permanent ainsi que le bruit de phase des oscillateurs commandés en tension est proposée. Ce modèle est implémenté dans le langage de description de matérielVHDL-AMS. La technique proposée utilise des réseaux de neurones artificiels pour approximer la caractéristique non linéaire du circuit. La dynamique est décrite dans l’espace d’état. Grâce à ce modèle, il est possible de réduire d’une façon drastique le temps de calcul des simulations système tout en conservant une excellente précision / Worldwide regulations for short range communication devices allow the unlicensed use of several Gigahertz of bandwidth in the frequency band around 60GHz. This 60GHz band is ideally suited for applications like very high data rate, energy-autonomous wireless sensor networks or Gbit/s multimedia links with low power constraints. Not long ago, radio interfaces that operate in the millimeter-wave frequency range could only be realized using expensive compound semiconductor technologies. Today, the latest sub-micron CMOS technologies can be used to design 60GHz radio frequency integrated circuits (RFICs)at very low cost in mass production. This thesis is part of an effort to realize a low power System in Package (SiP) including both the radio interface (with baseband and RF circuitry) and an antenna array to directly transmit and receive a 60GHz signal. The first part of this thesis deals with the design of the low power RF transceiver front-end for the radio interface. The key building blocks of this RF front-end (amplifiers, mixers and a voltage controlled oscillator (VCO)) are designed, realized and measured using the 65nm CMOS technology of ST Microelectronics. Full custom active and passive devices are developed for the use within these building blocks. An important step towards the full integration of the RF transceiver front-end is the assembly of these building blocks to form basic transmitter and receiver chips. Circuits with small chip size and low power consumption compared to the state of the art have been accomplished.The second part of this thesis concerns the development of behavioral models for the designed building blocks. These system level models are necessary to simulate the behavior of the entire SiP, which becomes too complex when using detailed circuit level models. In particular, a novel technique to model the transient, steady state and phase noise behavior of the VCO in the hardware description language VHDL-AMS is proposed and implemented. The model uses a state space description to describe the dynamic behavior of the VCO. Its nonlinearity is approximated by artificial neural networks. A drastic reduction of simulation time with respect to the circuit level model has been achieved, while at the same time maintaining a very high level of accuracy

[EN] The study, monitoring and control of environmental phenomena such as the air pollution, climate control or homogenization temperature and humidity indoors, or understanding and extinguishing forest fires pose a constant challenge to the personnel responsible and especially to the researchers. Compete this problematic economic sectors where greenhouse crops, post-harvest cameras, chillers tractor ruminant farms, smart buildings, urban environmental studies, among many others used. In all of them there is a concern for consistency in production, for energy efficiency and environmental impact generated. It is for this homogenization, dispersion and stratification of climate variables and gases, closely related to the ventilation of outdoor spaces and venues of interest. For the understanding of physical phenomena that are generated and subsequent improvement in the structural design and automatic systems, we need a modeling and energy analysis, there are currently several methods: tracer gas techniques, intensive data collection accompanied with box-empirical modeling Black and resolution simulation of physical laws that govern the behavior of study spaces. Previous techniques independently are insufficient to provide practical solutions and are costly or highly particularized to the case study. That is why the technique Fluid Dynamics Computer (CFD), as a tool that is used to numerically solve the equations of continuity and momentum that govern energy exchange system in order to obtain the fields of speed and direction airflow, the distribution of temperature, humidity and specific gases, becomes viable for later models were used with advanced control systems. However, the CFD technique requires a validation of the results with intensive shooting (space-time) data. Most published studies refer in their conclusions to the need for such validation of the data produced and how it is done. This document, by means of case studies, seeks to address the complexity of some environmental phenomena using models with the technique of CFD, whose validation also requires a protocol systematically executed a System Data Acquisition (DAS) spatially distributed and temporally controlled, which is achieved with the design and installation of a Wireless Sensor Network (WSN). Then it finds a first justification case where having the need to study the homogenization of the microclimate of a greenhouse, a DAS is created through the integration of different technologies wired. It shows in addition to extensive technical development, an urgent need to move to a non-wired technology to achieve the spatial coverage required in rooms or spaces with greater volume. It is followed by a case study in the laboratory, which seeks to understand the distribution and stratification of a gas in a chamber with controlled ventilation. Using a CFD model, which in turn feeds and validated with a database generated from a gas sensor WSN becomes. Then, a case study where space analysis moves to a real environment and highly complex, as it is a street in the city of Valencia, Spain. / [ES] El estudio, monitoreo y control de fenómenos ambientales como lo es la contaminación atmosférica, el control del clima o la homogenización de la temperatura y la humedad en recintos cerrados, o el entendimiento y extinción de incendios forestales, plantean un reto constante a el personal responsable y especialmente a los investigadores. Compete esta problemática a sectores económicos donde se utilice cultivos bajo invernadero, cámaras de pos-cosecha, cámaras de refrigeración de tractores, explotaciones de rumiantes, edificaciones inteligentes, estudios ambientales urbanos, entre muchos otros. En todas ellas existe una preocupación por la uniformidad en la producción, por una eficiencia energética y por el impacto ambiental que se genera. Se encuentra pues dicha homogenización, dispersión y estratificación de las variables climáticas y de los gases, íntimamente relacionada con la ventilación de los espacios exteriores y los recintos de interés. Para la comprensión de los fenómenos físicos que se generan y posterior mejora del diseño estructural y de los sistemas automáticos, es necesario un modelado y estudio energético, existiendo actualmente varias metodologías: Técnicas con gas trazador, toma intensiva de datos acompañada con modelado empírico tipo caja negra, y simulación por resolución de las leyes físicas que gobiernan el comportamiento de los espacios de estudio. Las anteriores técnicas de forma independiente resultan insuficientes para dar soluciones prácticas, y resultan costosas o altamente particularizadas al caso de estudio. Es por ello que la técnica de Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD), como herramienta que se emplea para resolver numéricamente las ecuaciones de continuidad y de momento que rigen los intercambios energéticos de un sistema con el fin de obtener los campos de velocidad y de dirección del flujo de aire, la distribución de la temperatura, de la humedad y de gases específicos, se hace viable para obtener los modelos que posteriormente se utilizaran con sistemas de control avanzado. Sin embargo, la técnica CFD requiere de una validación de los resultados con una toma (espacio-tiempo) intensiva de datos. La mayoría de los trabajos publicados hacen referencia en sus conclusiones a la necesidad de dicha validación de los datos arrojados y la forma en la que se hace. El presente documento, por medio de unos casos de estudio, busca abordar la complejidad de algunos fenómenos ambientales haciendo uso de modelos con dicha técnica de CFD, cuya validación exige además de un protocolo sistemáticamente ejecutado, un Sistema de Adquisición de Datos (DAS) espacialmente distribuido y temporalmente controlado, lo cual se alcanza con el diseño e instalación de una Red Inalámbrica de Sensores (WSN). Se encuentra entonces un primer caso justificativo, donde teniendo la necesidad del estudio de la homogenización del microclima de un invernadero, se genera un DAS gracias a la integración de diferentes tecnologías cableadas. Demuestra además de un extenso desarrollo técnico, una imperiosa necesidad de pasar a una tecnología no cableada para lograr la cobertura espacial requerida en recintos o espacios con mayor volumen. Le sigue un caso de estudio a nivel de laboratorio, donde se busca entender la distribución y estratificación de un gas en un recinto con ventilación controlada. Se hace uso de un modelo con CFD, que a su vez se alimenta y valida con un banco de datos generado gracias a una WSN con sensores de gases. Luego, un caso de estudio donde el espacio de análisis se traslada a un ambiente real y con alta complejidad, como lo es una calle de la ciudad de Valencia, España. / [CAT] L'estudi, monitoratge i control de fenòmens ambientals com és la contaminació atmosfèrica, el control del clima o l'homogeneïtzació de la temperatura i la humitat en recintes tancats, o l'enteniment i extinció d'incendis forestals, plantegen un repte constant al personal responsable i especialment als investigadors. Competeix aquesta problemàtica a sectors econòmics on s'utilitza cultius sota hivernacle, càmeres de pos-collita, cambres de refrigeració de tractors, explotacions de remugants, edificacions intel ligents, estudis ambientals urbans, entre molts altres. En totes elles hi ha una preocupació per la uniformitat en la producció, per una eficiència energètica i per l'impacte ambiental que es genera. Es troba doncs aquesta homogeneïtzació, dispersió i estratificació de les variables climàtiques i dels gasos, íntimament relacionada amb la ventilació dels espais exteriors i els recintes d'interès. Per a la comprensió dels fenòmens físics que es generen i posterior millora del disseny estructural i dels sistemes automàtics, cal un modelatge i estudi energètic, existint actualment diverses metodologies: Tècniques amb gas traçador, presa intensiva de dades acompanyada amb modelatge empíric tipus caixa negra, i simulació per resolució de les lleis físiques que governen el comportament dels espais d'estudi. Les anteriors tècniques de forma independent resulten insuficients per donar solucions pràctiques, i resulten costoses o altament particularitzades al cas d'estudi. És per això que la tècnica de dinàmica de fluids Computacionals (CFD), com a eina que s'uilitilza per resoldre numèricament les equacions de continuïtat i de moment que regeixen els intercanvis energètics d'un sistema per tal d'obtindre els camps de velocitat i de direcció del flux d'aire, la distribució de la temperatura, de la humitat i de gasos específics, es fa viable per obtindre els models que posteriorment s'utilitzaran amb sistemes de control avançat. No obstant això, la tècnica CFD requereix d'una validació dels resultats amb una presa (espai-temps) intensiva de dades. La majoria dels treballs publicats fan referència en les seves conclusions a la necessitat d'aquesta validació de les dades llançats i la forma en què es fa. El present document, per mitjà d'uns casos d'estudi, busca abordar la complexitat d'alguns fenòmens ambientals fent ús de models amb aquesta tècnica de CFD, la validació exigeix a més d'un protocol sistemàticament executat, un Sistema d'Adquisició de Dades (DAS) espacialment distribuït i temporalment controlat, la qual cosa s'aconsegueix amb el disseny i instal lació d'una Xarxa Sense fil de Sensors (WSN). Es troba llavors un primer cas justificatiu, on tenint la necessitat de l'estudi de l'homogeneïtzació del microclima d'un hivernacle, es genera un DAS gràcies a la integració de diferents tecnologies cablejades. Demostra a més d'un extens desenvolupament tècnic, una imperiosa necessitat de passar a una tecnologia no cablejada per aconseguir la cobertura espacial requerida en recintes o espais amb més volum. El segueix un cas d'estudi a nivell de laboratori, on es busca entendre la distribució i estratificació d'un gas en un recinte amb ventilació controlada. Es fa ús d'un model amb CFD, que al seu torn s'alimenta i valida amb un banc de dades generat gràcies a una WSN amb sensors de gasos. Després, un cas d'estudi on l'espai d'anàlisi es trasllada a un ambient real i amb alta complexitat, com ho és un carrer de la ciutat de València, Espanya. / Marulanda Tobón, A. (2016). MODELOS EN DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL PARA APLICACIONES AMBIENTALES Y SU VALIDACIÓN CON SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS BASADOS EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63461 / TESIS

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont des réseaux ad hoc généralement constitués d’entités autonomes miniaturisées appelés noeuds capteurs pouvant communiquer entre eux par liaison radio. Les RCSF ont suscité beaucoup d’engouement dans la recherche scientifique en raison notamment des nouveaux problèmes de routage sous forte contrainte de durée de vie du réseau et de faibles capacités des noeuds.Ce type de réseau diffère des réseaux filaires par ses caractéristiques et limitations qui ont motivé le développement d’une nouvelle approche de conception cross-layer ignorant certains paradigmes de l’approche classique permettant l’échange mutuel d’informations même entre couches non adjacentes. Cette approche qui n’est pas encore standardisée, a démontré son intérêt à travers plusieurs travaux visant un meilleur compromis entre consommation d’énergie et une certaine qualité de service.Nos contributions peuvent être classées en deux catégories suivant la stratégie de routage à savoir le routage ad-hoc et le routage suivant la technique de clustering.Dans la première partie, nous proposons une architecture cross-layer, modulaire, adaptable et extensible nommée XL-AODV (cross layer AODV) basée sur l'échange du SNR (Signal-to-Noise-Ratio) entre la couche réseau et la couche physique qui a été modélisée par la distribution K. Nous évaluons sous le simulateur NS2 les performances de notre approche XL-AODV. Une analyse comparative avec AODV, a montré pour différentes configurations de réseaux, l’efficacité de notre proposition en termes de gains énergétiques et de latence de bout en bout.Pour la deuxième partie, nous proposons une première approche XL-LEACH qui constitue une amélioration de la version originale de LEACH, en l'adaptant aux réseaux de capteurs denses et à grande échelle tout en tenant compte des caractéristiques de la couche physique modélisée par la distribution K. Dans une troisième partie, nous introduisons une amélioration de XL-LEACH par l'approche dite, XL-CLEACH (XL Cooperative LEACH) en intégrant la communication coopérative au niveau MAC. Nous avons prouvé par une étude analytique qui a été validée par les simulations, le gain apporté en termes de consommation d’énergie, de la durée de vie du réseau et du TES (Taux d'Erreur Symbol). Les architectures XL-LEACH et XL-CLEACH ont été implémentées sous MATLAB. / Wireless sensor networks (WSN) can be defined as an ad hoc network consisting of miniaturized autonomous entities, called sensor nodes which communicate with each other over a radio link. WSNs is a research topic which has gained a lot of interest due, in particular, to new routing problems under low node capacity and high network lifetime constraints.WSNs differ from wired networks in their characteristics and limitations which have motivated the development of a new cross-layer design that ignores certain paradigms of the classical approach allowing the mutual exchange of information even between non-adjacent layers. This approach, which is not yet standardized, has gained a lot of attention through several works aiming to energy consumption minimization under a required QoS (Quality of Service).In this thesis, our contributions can be classified are twofold according to the considered routing strategy namely the ad-hoc routing and clustering based routing.In the first part, we propose a new adaptable and extensible cross-layer design called XL-AODV (Cross Layer AODV) based on the exchange of the SNR (Signal-to-Noise-Ratio) between the network and the physical layer which has been modelled by the K distribution.We evaluate under the NS2 simulator, the performance of XL-AODV. A comparative analysis with AODV, showed for different network configurations, the efficiency of our proposition in terms of energy saving and end-to-end latency.In the second part, we propose an XL-LEACH approach which is an improvement of the original version of LEACH by its adapting to dense and large scale sensor networks. We have also taken into account the characteristics of the physical layer modelled by the K distribution.In a third part, XL-CLEACH (XL Cooperative LEACH) approach is introduced to improve XL-LEACH by integrating the cooperative communication at the MAC layer.We have proved through an analytical study and validated by simulations, the gain in terms of energy consumption, network lifetime and SER (Symbol Error Rate). The XL-LEACH and XL-CLEACH architecture were implemented under MATLAB.

Le développement des réseaux de capteurs sans fil fait que chaque utilisateur ou organisation est déjà connecté à un nombre important de nœuds. Ces nœuds génèrent une quantité importante de données, rendant la gestion de ces données non évident. De plus, ces données peuvent contenir des informations concernant la vie privée. Les travaux de la thèse attaquent ces problématiques. Premièrement, nous avons conçu un middleware qui communique avec les capteurs physiques pour collecter, stocker, traduire, indexer, analyser et générer des alertes sur les données des capteurs. Ce middleware est basé sur la notion de composants et de composites. Chaque nœud physique communique avec un composite du middleware via une interface RESTFul. Ce middleware a été testé et utilisé dans le cadre du projet Européen Mobesens dans le but de gérer les données d'un réseau de capteurs pour la surveillance de la qualité de l'eau. Deuxièmement, nous avons conçu un protocole hybride d'authentification et d'établissement de clés de paires et de groupes. Considérant qu'il existe une différence de performance entre les noeuds capteur, la passerelle et le middleware, nous avons utilisé l'authentification basé sur la cryptographie basée sur les identités entre la passerelle et le serveur de stockage et une cryptographie symétrique entre les capteurs et les deux autres parties. Ensuite, le middleware a été généralisé dans la troisième partie de la thèse pour que chaque organisation ou individu puisse avoir son propre espace pour gérer les données de ses capteurs en utilisant le cloud computing. Ensuite, nous avons portail social sécurisé pour le partage des données des réseaux de capteurs / Nowadays, each user or organization is already connected to a large number of sensor nodes which generate a substantial amount of data, making their management not an obvious issue. In addition, these data can be confidential. For these reasons, developing a secure system managing the data from heterogeneous sensor nodes is a real need. In the first part, we developed a composite-based middleware for wireless sensor networks to communicate with the physical sensors for storing, processing, indexing, analyzing and generating alerts on those sensors data. Each composite is connected to a physical node or used to aggregate data from different composites. Each physical node communicating with the middleware is setup as a composite. The middleware has been used in the context of the European project Mobesens in order to manage data from a sensor network for monitoring water quality. In the second part of the thesis, we proposed a new hybrid authentication and key establishment scheme between senor nodes (SN), gateways (MN) and the middleware (SS). It is based on two protocols. The first protocol intent is the mutual authentication between SS and MN, on providing an asymmetric pair of keys for MN, and on establishing a pairwise key between them. The second protocol aims at authenticating them, and establishing a group key and pairwise keys between SN and the two others. The middleware has been generalized in the third part in order to provide a private space for multi-organization or -user to manage his sensors data using cloud computing. Next, we expanded the composite with gadgets to share securely sensor data in order to provide a secure social sensor network

Des Réseaux de Capteurs Sans Fil (RdCSF) deviennent omniprésents et sont utilisés dans diverses applications domaines. Ils sont les pierres angulaires de l'émergence de l'Internet des Objets (IdO) paradigme. Déploiements traditionnels de réseaux de capteurs sont spécifiques à un domaine, avec des applications généralement incrustés dans le RdCSF, excluant la ré-utilisation de l'infrastructure par d'autres applications. Maintenant, avec l'avènement de l'IdO, cette approche est de moins en moins viable. Une solution possible réside dans le partage d'une même RdCSF par de plusieurs applications et services, y compris même les applications et services qui ne sont pas envisagées lors du déploiement de RdCSF. Deux principaux développements majeurs ont conduit à cette solution potentielle. Premièrement, comme les nœuds de RdCSF sont de plus en plus puissants, il devient de plus en plus pertinent de rechercher comment pourrait plusieurs applications partager les mêmes déploiements WSN. La deuxième évolution est le Cloud Computing paradigme qui promeut des ressources et de la rentabilité en appliquant le concept de virtualisation les ressources physiques disponibles. Grâce à ces développements de cette thèse fait les contributions suivantes. Tout d'abord, un vaste état de la revue d'art est présenté qui présente les principes de base de RdCSF la virtualisation et sa pertinence avec précaution motive les scénarios sélectionnés. Les travaux existants sont présentés en détail et évaluées de manière critique en utilisant un ensemble d'exigences provenant du scénario. Cette contribution améliore sensiblement les critiques actuelles sur l'état de l'art en termes de portée, de la motivation, de détails, et les questions de recherche futures. La deuxième contribution se compose de deux parties: la première partie est une nouvelle architecture de virtualization RdCSF multicouche permet l'approvisionnement de plusieurs applications et services au cours du même déploiement de RdCSF. Il est mis en œuvre et évaluée en utilisant un prototype basé sur un scénario de preuve de concept en utilisant le kit Java SunSpot. La deuxième partie de cette contribution est l'architecture étendue qui permet à l’infrastructure virtualisée RdCSF d'interagir avec un RdCSF Platform-as-a-Service (PaaS) à un niveau d'abstraction plus élevé. Grâce à ces améliorations RdCSF PaaS peut provisionner des applications et des services RdCSF aux utilisateurs finaux que Software-as-a-Service (SaaS). Les premiers résultats sont présentés sur la base de l'implantation de l'architecture améliorée en utilisant le kit Java SunSpot. La troisième contribution est une nouvelle architecture d'annotation de données pour les applications sémantiques dans les environnements virtualisés les RdCSF. Il permet en réseau annotation de données et utilise des superpositions étant la pierre angulaire. Nous utilisons la base ontologie de domaine indépendant d'annoter les données du capteur. Un prototype de preuve de concept, basé sur un scénario, est développé et mis en œuvre en utilisant Java SunSpot, Kits AdvanticSys et Google App Engine. La quatrième et dernière contribution est l'amélioration à l'annotation de données proposée l'architecture sur deux fronts. L'un est l'extension à l'architecture proposée pour soutenir la création d'ontologie, de la distribution et la gestion. Le deuxième front est une heuristique génétique basée algorithme utilisé pour la sélection de noeuds capables de stocker l'ontologie de base. L'extension de la gestion d'ontologie est mise en oeuvre et évaluée à l'aide d'un prototype de validation de principe à l'aide de Java kit SunSpot, tandis que les résultats de la simulation de l'algorithme sont présentés / Wireless Sensor Networks (WSNs) are becoming ubiquitous and are used in diverse applications domains. Traditional deployments of WSNs are domain-specific, with applications usually embedded in the WSN, precluding the re-use of the infrastructure by other applications. This can lead to redundant deployments. Now with the advent of IoT, this approach is less and less viable. A potential solution lies in the sharing of a same WSN by multiple applications and services, to allow resource- and cost-efficiency. In this dissertation, three architectural solutions are proposed for this purpose. The first solution consists of two parts: the first part is a novel multilayer WSN virtualization architecture that allows the provisioning of multiple applications and services over the same WSN deployment. The second part of this contribution is the extended architecture that allows virtualized WSN infrastructure to interact with a WSN Platform-as-a-Service (PaaS) at a higher level of abstraction. Both these solutions are implemented and evaluated using two scenario-based proof-of-concept prototypes using Java SunSpot kit. The second architectural solution is a novel data annotation architecture for the provisioning of semantic applications in virtualized WSNs. It is capable of providing in-network, distributed, real-time annotation of raw sensor data and uses overlays as the cornerstone. This architecture is implemented and evaluated using Java SunSpot, AdvanticSys kits and Google App Engine. The third architectural solution is the enhancement to the data annotation architecture on two fronts. One is a heuristic-based genetic algorithm used for the selection of capable nodes for storing the base ontology. The second front is the extension to the proposed architecture to support ontology creation, distribution and management. The simulation results of the algorithm are presented and the ontology management extension is implemented and evaluated using a proof-of-concept prototype using Java SunSpot kit. As another contribution, an extensive state-of-the-art review is presented that introduces the basics of WSN virtualization and motivates its pertinence with carefully selected scenarios. This contribution substantially improves current state-of-the-art reviews in terms of the scope, motivation, details, and future research issues

Actuellement, des descriptions basées sur de simples schémas XML sont utilisées pour décrire un capteur/actuateur et les données qu’il mesure et fournit. Ces schémas sont généralement formalisés en utilisant le langage SensorML (Sensor Model Language), ne permettant qu’une description hiérarchique basique des attributs des objets sans aucune notion de liens sémantiques, de concepts et de relations entre concepts. Nous pensons au contraire que des descriptions sémantiques des capteurs/actuateurs sont nécessaires au design et à la mise en œuvre de mécanismes efficaces d’inférence, de fusion et de composition de données. Cette ontologie sémantique permettra de masquer l’hétérogénéité des données collectées et facilitera leur fusion et leur composition au sein d’un environnement de gestion de capteur similaire à celui d’une architecture ouverte orientée services. La première partie des travaux de cette thèse porte donc sur la conception et la validation d’une ontologie sémantique légère, extensible et générique de description des données fournies par un capteur/actuateur. Cette description ontologique de données brutes devra être conçue : • d’une manière extensible et légère afin d’être applicable à des équipements embarqués hétérogènes, • comme sous élément d’une ontologie de plus haut niveau (upper level ontology) utilisée pour modéliser les capteurs et actuateurs (en tant qu’équipements et non plus de données fournies), ainsi que les informations mesurées (information veut dire ici donnée de plus haut niveau issue du traitement et de la fusion des données brutes). La seconde partie des travaux de cette thèse portera sur la spécification et la qualification : • d’une architecture générique orientée service (SOA) permettant la découverte et la gestion d’un capteur/actuateur, et des données qu’il fournit (incluant leurs agrégation et fusion en s’appuyant sur les mécanismes de composition de services de l’architecture SOA), à l’identique d’un service composite de plus haut niveau, • d’un mécanisme amélioré de collecte de données à grande échelle, au dessus de cette ontologie descriptive. L’objectif des travaux de la thèse est de fournir des facilitateurs permettant une mise en œuvre de mécanismes efficaces de collecte, de fusion et d’agrégation de données, et par extension de prise de décisions. L’ontologie de haut niveau proposée sera quant à elle pourvue de tous les attributs permettant une représentation, une gestion et une composition des ‘capteurs, actuateurs et objets’ basées sur des architectures orientées services (Service Oriented Architecture ou SOA). Cette ontologie devrait aussi permettre la prise en compte de l’information transporter (sémantique) dans les mécanismes de routage (i.e. routage basé information). Les aspects liés à l’optimisation et à la modélisation constitueront aussi une des composantes fortes de cette thèse. Les problématiques à résoudre pourraient être notamment : • La proposition du langage de description le mieux adapté (compromis entre richesse, complexité et flexibilité), • La définition de la structure optimum de l’architecture de découverte et de gestion d’un capteur/actuateur, • L’identification d’une solution optimum au problème de la collecte à grande échelle des données de capteurs/actuateurs / The constant evolution of technology in terms of inexpensive and embedded wireless interfaces and powerful chipsets has leads to the massive usage and development of wireless sensor networks (WSNs). This potentially affects all aspects of our lives ranging from home automation (e.g. Smart Buildings), passing through e-Health applications, environmental observations and broadcasting, food sustainability, energy management and Smart Grids, military services to many other applications. WSNs are formed of an increasing number of sensor/actuator/relay/sink devices, generally self-organized in clusters and domain dedicated, that are provided by an increasing number of manufacturers, which leads to interoperability problems (e.g., heterogeneous interfaces and/or grounding, heterogeneous descriptions, profiles, models …). Moreover, these networks are generally implemented as vertical solutions not able to interoperate with each other. The data provided by these WSNs are also very heterogeneous because they are coming from sensing nodes with various abilities (e.g., different sensing ranges, formats, coding schemes …). To tackle this heterogeneity and interoperability problems, these WSNs’ nodes, as well as the data sensed and/or transmitted, need to be consistently and formally represented and managed through suitable abstraction techniques and generic information models. Therefore, an explicit semantic to every terminology should be assigned and an open data model dedicated for WSNs should be introduced. SensorML, proposed by OGC in 2010, has been considered an essential step toward data modeling specification in WSNs. Nevertheless, it is based on XML schema only permitting basic hierarchical description of the data, hence neglecting any semantic representation. Furthermore, most of the researches that have used semantic techniques for developing their data models are only focused on modeling merely sensors and actuators (this is e.g. the case of SSN-XG). Other researches dealt with data provided by WSNs, but without modelling the data type, quality and states (like e.g. OntoSensor). That is why the main aim of this thesis is to specify and formalize an open data model for WSNs in order to mask the aforementioned heterogeneity and interoperability between different systems and applications. This model will also facilitate the data fusion and aggregation through an open management architecture like environment as, for example, a service oriented one. This thesis can thus be split into two main objectives: 1)To formalize a semantic open data model for generically describing a WSN, sensors/actuators and their corresponding data. This model should be light enough to respect the low power and thus low energy limitation of such network, generic for enabling the description of the wide variety of WSNs, and extensible in a way that it can be modified and adapted based on the application. 2)To propose an upper service model and standardized enablers for enhancing sensor/actuator discovery, data fusion, data aggregation and WSN control and management. These service layer enablers will be used for improving the data collection in a large scale network and will facilitate the implementation of more efficient routing protocols, as well as decision making mechanisms in WSNs

[ES] La industria se encuentra inmersa de pleno en la cuarta revolución industrial, y es gracias a la capacidad de digitalización y de procesamiento de grandes cantidades de datos, que se consigue mejorar y optimizar el rendimiento de los sistemas industriales actuales. Son muchos los paradigmas y conceptos que están dando forma a lo que se conoce como Industria 4.0, y uno de ellos ha sido el Internet de las Cosas (IoT: Internet of Things) o más concretamente el Internet Industrial de las Cosas (IIoT: Industrial Internet of Things), como se ha llamado al subconjunto con determinados requisitos orientados al sector industrial. Las redes de sensores inalámbricos (WSN: Wireless Sensor Networks) son tecnologías habilitadoras para estos sistemas IoT, ya que gracias a su fácil escalabilidad ofrecen gran capacidad de sensorización con un coste energético reducido. En el ámbito industrial, estas redes de sensores deben cumplir con requisitos estrictos de fiabilidad, y su aceptación está siendo lenta debido a que su robustez y facilidad de configuración no han podido rivalizar con las tecnologías clásicas. Con el desarrollo de esta tesis, se pretende hacer frente a determinados aspectos de mejora de las redes industriales de sensores inalámbricos. Para ello, se diseñan nuevos mecanismos para la sincronización, evaluando metodologías alternativas de enrutamiento y proponiendo modelos analíticos que permitan caracterizar fielmente el proceso de despliegue de estas redes, con el objetivo de cubrir aquellas lagunas que dejan los estándares y protocolos bajo estudio. Los mecanismos propuestos por el estándar IEEE 802.15.4e, en concreto el método de acceso al medio mediante TSCH (Time-Slotted Channel Hopping), presentan las bases sobre las que construir una red WSN fiable y robusta, y mediante los desarrollos propuestos en esta tesis se facilita su implantación en sistemas de Industria 4.0. / [CA] La indústria es troba de ple en la quarta revolució industrial, i és gràcies a la capacitat de digitalització i de processament de grans quantitats de dades, que s'aconsegueix millorar i optimitzar el rendiment dels sistemes industrials actuals. Són moltes els paradigmes i conceptes que estan donant forma al que es coneix com a Indústria 4.0, i una d'elles ha sigut la Internet de les Coses (IoT: Internet of Things) o més concretament la Internet Industrial de les Coses (IIoT: Industrial Internet of Things), com s'ha anomenat al subconjunt amb determinats requisits orientats al sector industrial. Les xarxes de sensors sense fils (WSN: Wireless Sensor Networks) són tecnologies habilitadores per a sistemes IoT, ja que gràcies a la seua fàcil escalabilitat ofereixen gran capacitat de digitalització amb un cost energètic reduït. En l'àmbit industrial, aquestes xarxes de sensors han de complir amb requisits estrictes, i la seua acceptació està sent lenta a causa de factors que fan que aquests sistemes no substituïsquen a les tecnologies clàssiques. Amb el desenvolupament d'aquesta tesi, es pretén fer front a determinats aspectes de millora de les xarxes industrials de sensors sense fils. Per a això, es dissenyen nous mecanismes per a la sincronització, avaluant metodologies alternatives d'encaminament i proposant models analítics que permeten caracteritzar fidelment el procés de desplegament d'aquestes xarxes, amb l'objectiu de cobrir aquelles llacunes que deixa l'estàndard. Els mecanismes proposats per l'estàndard IEEE 802.15.4, en concret el mètode d'accés al mitjà TSCH, presenten les bases sobre les quals construir una xarxa WSN fiable i robusta, i mitjançant els desenvolupaments proposats en aquesta tesi es facilita la seua implantació en sistemes d'Indústria 4.0. / [EN] The industry is fully engaged in the fourth industrial revolution. Due to digital transformation and the processing of large amounts of data, it is possible to improve the value chain and provide a real-time optimization for the current industrial systems. There are many paradigms and concepts that that fall under the umbrella of Industry 4.0, and one of them is the Internet of Things (IoT) or more specifically the Industrial Internet of Things (IIoT), as the subset with certain industry-oriented requirements is known. Wireless Sensor Networks (WSN) are an enabling technology for IoT systems, since its easy scalability offers a great sensorization capacity with a reduced energy cost. In the industrial field, these sensor networks must meet strict reliability requirements, so growth in the industrial market is slow as these systems fail to replace legacy technologies. This thesis addresses different aspects of improving industrial wireless sensor networks. To that end, new mechanisms for synchronization have been designed, evaluating alternative routing methodologies and proposing analytical models that allow a comprehensive characterization of the deployment process of these networks, aiming of covering those gaps left by the standard. The mechanisms proposed by the IEEE 802.15.4 standard, specifically the medium access control method Time-Slotted Channel Hopping (TSCH), present the bases to deploy a reliable and robust WSN network, and through the developments proposed in the thesis, it is possible smooth the way for its implementation in Industry 4.0 systems. / Vera Pérez, J. (2021). Diseño y evaluación de mecanismos de optimización en redes de sensores inalámbricas industriales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179700 / TESIS

Efficient energy use is primarily for any sensor networks to function for a longer time period. There have been many efficient schemes with various progress levels proposed by many researchers. Yet, there still more improvements are needed. This thesis is an attempt to make wireless sensor networks with further efficient on energy usage in the network with respect to rate of delivery of the messages. In sensor network architecture radio, sensing and actuators have influence over the power consumption in the entire network. While listening as well as transmitting, energy is consumed by the radio. However, if by reducing listening times or by reducing the number of messages transmitting would reduce the energy consumption. But, in real time scenario with critical information sensing network leads to information loss. To overcome this an adaptive routing technique should be considered. So, that it focuses on saving energy in a much more sophisticated way without reducing the performance of the sensing network transmitting and receiving functionalities. This thesis tackles on parts of the energy efficiency problem in a wireless sensor network and improving delivery rate of messages. To achieve this a routing technique is proposed. In this method, switching between two routing paths are considered and the switching decision taken by the server based on messages delivered comparative previous time intervals. The goal is to get maximum network life time without degrading the number of messages at the server. In this work some conventional routing methods are considered for implementing an approach. This approach is by implementing a shortest path, Gradient based energy routing algorithm and an observer component to control switching between paths. Further, controlled switching done by observer compared to normal initial switch rule. Evaluations are done in a simulation environment and results show improvement in network lifetime in a much more balanced way.

Wireless sensor networks is a broad subject with many applications and interesting research areas, such as optimization within connectivity and energy efficiency. One problem is that most published articles in this field use customized simulation environments and do not provide source code of their implementation. By not including aspects of implementation, it becomes difficult to determine how the results are achieved, which questions the validity and reliability of the works. This thesis aims to reproduce one of these researched methods, an algorithm that balances battery life with efficient routing within a network using fuzzy logic, with the goal to increase the reliability of the methodology within its field. The research question constructed on the foundation of these premises is thus “Is reproducibility satisfactory in a research work on a multi-objective routing algorithm, using fuzzy logic, in wireless sensor networks?, a case study by Minhas et al”. Two additional research questions emerge from the first one: “How does the reproduced algorithm perform in comparison to a selection of dif erent routing algorithms?” and “Is the reproduced algorithm, as is, applicable to a less idealistic environment?” To answer the research questions a computer simulation method is used to build, execute, and analyze the output of the algorithms. The results show that the implemented algorithm performs noticeably better in both lifetime and ratio to the shortest path compared with the original implementation, hinting towards the implementation and reproducibility deviating from expected results. The reproduced algorithm is also compared to two other algorithms under a different simulation environment, where it performs better in lifetime and packet delivery rate whilst performing slightly worse in energy efficiency and total energy consumption. Due to the significant differences in performance against the reproduced article’s implementation the study concludes that the reproducibility is not satisfactory. Lastly, it concludes that it does not perform well in a less idealistic simulation environment, making it less applicable.

As the rapid progress in technology changes our daily life, it also changes how the Industry works. The new developments enable technologies such as the Internet of Moving Things (IoMT), and through these technologies, new challenges arise. IoMT adds one more vital issue, localization, to be solved in comparison to the Internet of Things (IoT). To enable IoMT in the manufacturing industry, there are still problems that need to be overcome. Critical statements such as power consumption, price, accuracy, data management, and size. In this thesis, an evaluation of a new sensor system for an air pneumatic grinder is conducted. The features of the sensor system are to report data from the grinder to the cloud and to localize the position of the grinder. The focus was to optimize the localization algorithm and power consumption of the system. The localization of the grinder was conducted with a new and improved algorithm, Ring Error Difference System (REDS), introduced in this thesis. The new algorithm increased the previous known iRingLA accuracy from 2.91 m to 2.33 m for Bluetooth Low Energy (BLE) and from 3.99 m to 2.84 for Wi-Fi, according to the experiments performed. The final system was able to estimate the operation runtime with an error of 24 s for an operational runtime of 905 s. The operational lifetime of the system was 242 h and 45 h, respectively, for BLE and Wi-Fi. An optimized software was introduced to decrease power consumption. The optimized version was estimated to have an operational lifetime of 1540 h for BLE, which did not reach the wanted lifetime of 3000 h set by Atlas Copco. Hence, I conclude that the hardware, Wemos ESP32, used in the thesis, is not feasible for this solution. Simpler hardware, than the Wemos ESP32, should be used to be able to reach the goal of 3000 h. / De stora framstegen inom dagens teknik förvandlar inte bara vårt dagliga liv det förändrar också tekniken inom industrin. Den nya tekniken möjliggör framsteg så som Internet of Moving Things (IOMT), vilket leder till nya utmaningar. IoMT jämfört med Internet of Things (IoT) lägger till ytterligare utmaningar att lösa så som lokalisering. För att kunna använda IoMT inom tillverkningsindustrin måste ett flertal problem hanteras så som strömförbrukning, pris och noggrannhet på lokaliseringen, datahantering och storlek på systemet. I denna masteruppsatts gör jag en utvärdering av ett nytt sensorsystem för luftdrivna slipmaskiner. Detta sensorsystem rapporterar data från slipmaskinen till molnet och rapporterar positionen av utrustningen. Fokuset på uppsatsen var att optimera lokaliseringsalgoritmen och minska strömförbrukningen för systemet. Lokaliseringen av slipmaskinen gjordes med en ny och förbättrad algoritm, Ring Error Difference System (REDS), som jag introducerar i avhandlingen. Algoritmen förbättrade den tidigare kända RSSI-baserade iRingLA från 2,91 m till 2,33 m med Bluetooth Low Energy (BLE) och från 3,99 m till 2,84 m för Wi-Fi. Det slutliga systemet kunde uppskatta drifttiden med en avvikelse på 24 s av den verkliga drifttiden, 905 s. Systemets operativa livslängd var 242 timmar och 45 timmar för BLE respektive Wi-Fi. Dessutom infördes en optimerad programvara för att minska strömförbrukningen. Den optimerade versionen beräknades ha en livslängd på 1540 timmar för BLE, vilket inte når den önskade livslängden på 3000 timmar satt av Atlas Copco. Ifrån mitt arbete drar jag slutsatsen att hårdvaran som används i uppsatsen, inte kan användas i en slutlig produkt. En enklare hårdvara än Wemos ESP32 bör användas för att kunna nå målet på 3000 timmar.