Balises are transponders installed in railways. These devices are nowadays powered by means of a radiofrequency signal emitted by each running train that passes above them. It is only during this moment that the health state of the balises is checked. Hence, there is currently no way to check whether the balises are properly working before the train passes by them. With the aim of executing regular health checks to the balises, an additional source of energy to monitor the balises should be contemplated. Energy harvesting is observed as a suitable solution for this issue. However, a lack of suitability studies is contemplated which englobes the available energy harvesting solutions in railway environments. Therefore, this thesis presents an exploratory work that uses the health monitoring of the balises as a test case for the study of the compatibility of different energy harvesters in diverse railway environments. Hazardous and remote areas are identified as locations of interest for the implementation of the technology, as cabling in those areas is costly and health checks to balises that are not constantly active are of outmost interest. Thus, the addition of wireless communication networks is also studied, due to the need of sending the information obtained in the health checks to monitoring control units. After an initial research study is performed, requirements in railway environments are defined, and three railway scenarios are selected for a suitability study. Then, the investigated energy harvesters and wireless communication networks are compared analytically, and possible technologies for the storage of the harvested energy are presented. It is found that no energy harvester exists that suits all the environments and shows a sufficient power output to make constant checks in remote areas. Nonetheless, piezoelectric and wind harvesters are proposed, because of the commercial availability of the former and the potential of the latter. In terms of wireless communication networks, LoRaWAN shows a low power consumption, while it offers a wide communication range and global coverage. It is, therefore, proposed as the best framework for the wireless communication networks. / Baliser är transpondrar installerade i järnvägar. Dessa enheter drivs numera med hjälp av en radiofrekvenssignal som sänds ut av varje tåg som passerar ovanför baliserna. Det är först i detta ögonblick som balises hälsotillstånd kontrolleras. Därför finns det för närvarande inget sätt att kontrollera om baliserna fungerar korrekt innan tåget passerar dem. I syfte att utföra regelbundna hälsokontroller på baliserna bör en ytterligare kraftkälla för att övervaka baliserna övervägas. Energy harvesting observeras som en lämplig lösning för denna fråga. Det råder dock brist på lämplighetsstudier som förenar de tillgängliga energy harvesting lösningarna i järnvägsmiljöer. Därför presenterar denna avhandling ett undersökande arbete som använder hälsoövervakningen av baliserna som ett testfall för att studera kompatibiliteten hos olika energiskördare i olika järnvägsmiljöer. Farliga och avlägsna områden identifieras som platser av intresse för genomförandet av tekniken, eftersom kablar i dessa områden är kostsamma och hälsokontroller till baliser som inte ständigt är aktiva är av yttersta intresse. Således studeras också tillägget av trådlösa kommunikationsnätverk på grund av behovet av att skicka den information som erhållits vid hälsokontrollerna till övervakningskontrollområdena. Efter att en inledande forskningsstudie genomförts definieras krav i järnvägsmiljöer och tre järnvägsscenarier väljs ut för en lämplighetsstudie. Sedan jämförs de undersökta energiskördarna och trådlösa kommunikationsnätverk analytiskt, och eventuell teknik för lagring av den skördade energin presenteras. Det konstateras att det inte finns någon energiskördare som passar alla miljöer och visar en tillräckligt effekt för att göra konstanta kontroller i avlägsna områden. Ändå föreslås piezoelektriska och vindskördare på grund av den förstnämnda kommersiella tillgänglighet och den senare potentialen. När det gäller trådlösa kommunikationsnätverk visar LoRaWAN en låg strömförbrukning, medan det erbjuder ett brett kommunikationssortiment och global täckning. Det föreslås därför som den bästa ramen för de trådlösa kommunikationsnäten.

Cette thèse s'inscrit dans le projet FUI-2011 BELOCOPA (Bouée Éjectable pour la LOcalisation et la COllecte des Paramètres de vol d'un Aéronef abîmé en mer). Il s'agissait de concevoir et de développer un équipement embarqué, extractible et autonome pour localiser rapidement et avec précision un aéronef abîmé en mer et récupérer par liaisons radio les principales données de vol à partir d'un patrouilleur maritime. Le but de cette thèse, au sein de l'Institut Fresnel, concernait l'étude et la réalisation de l'antenne principale de la balise. Cette antenne devait être très flexible et de petites dimensions pour être pliée et insérée dans un espace réduit de la balise et résistante lors son déploiement après son éjection de l'avion. La première partie du travail a eu pour objectif de caractériser en terme de permittivité les différents matériaux diélectriques entrant dans la constitution de la balise, à savoir les substrats sur lesquels sont fixées les antennes et le radôme. La deuxième partie de la thèse porte sur la conception d'antennes multi-bandes fonctionnant en modes dipolaires sur le plan de fréquences du cahier des charges du projet. Ces antennes ont la particularité d'être extrêmement souples. Cette souplesse a été obtenue en réalisant des motifs métalliques rayonnants sur une toile polyamide. Plusieurs motifs ont été étudiés et testés pour converger vers une antenne méandre fonctionnant à trois fréquences distinctes. A l'issue de cette étude, un prototype de l'antenne finale positionnée dans son radôme constitue le dernier maillon du prototype de la balise de détresse du projet BELOCOPA. / This thesis is part of the BELOCOPA project FUI-2011 (BELOCOPA means Ejected Buoy to LOcalize and COllect the data of a crashed plane in sea). It was about designing and developing an on-board, removable and autonomous, equipment to localize quickly and precisely an aircraft crashed in the sea, and to collect by telecommunication the main flight data from a patrol boat. The aim of this thesis, in the Fresnel Institute, was the study and the realization of the main antenna of the beacon. This antenna had to be very flexible with small dimensions to be folded and integrated in a reduced space of the beacon, and had to be strong during its deployment after the ejection of the plane. The aim of the first part of the work was to characterize in term of permittivity the different dielectric materials included in the composition of the beacon, namely the substrates of the antennas and the radome. The second part of the thesis was on the design of multi-band antennas working in dipolar modes on the frequency plan of the specification of the project. The characteristic of these antennas is to be very flexible. This flexibility was obtained realizing metal radiating pattern on a polyamide material. Several patterns have been studied and tested to get the final antenna with meander working at three different resonance frequencies. Following this study, a prototype of the final antenna integrated in the radome is the last link of the prototype of the distress beacon BELOCOPA.

Le développement des technologies de réseaux de capteurs incite les industries à envisager des alternatives réduisant les coûts et la complexité tout en améliorant la fiabilité. Parmi les solutions sans fil actuelles, la technologie LP-WPAN IEEE 802.15.4/ZigBee dispose des mécanismes et des garanties nécessaires pour une utilisation industrielle. Nous proposons des mécanismes de synchronisation entièrement déterministe permettant l'utilisation du standard IEEE 802.15.4 en mode balisé dans un réseau maillé, ainsi qu'une méthode de routage adaptative « AODV en » pour les messages transmis dans un réseau étendu. En premier lieu, nous analysons la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee, plus particulièrement sa capacité à conserver son comportement déterministe et économe en énergie dans une architecture de réseau maillé. Cette étude met en évidence plusieurs insuffisances du standard. Notre contribution consiste à palier à ces manques par une synchronisation centralisée réactive aux changements de topologie, esquivant les collisions de balises et de GTS. Ces modifications seront apportées au niveau de la sous-couche MAC. En second lieu, aucun des protocoles de routage (couche 3 du modèle ISO) actuellement les plus utilisés, ne prennent en compte simultanément les critères indispensables au contexte des communications dans un environnement industriel à fortes contraintes sur la consommation et sur le temps. Nous proposons un mécanisme de routage réactif adaptatif recherchant les routes optimisant la durée de vie des noeuds du réseau contraints énergétiquement, et basé sur l'optimisation conjointe du délai et de la consommation. Pour cela, nous avons analysé et évalué la consommation de chacun des noeuds sans fil autonomes utilisant le standard. Nous avons ainsi proposé des informations de délai et de niveau de charge de la batterie de chacun des noeuds, prises en considération dans notre mécanisme de routage adaptatif. L'ensemble de nos propositions sont validées en utilisant diverses méthodes dont les réseaux de Petri temporisés, la simulation et le prototypage. Les résultats obtenus sont exposés à la suite de chacune de nos contributions.