Les réseaux de capteurs sans fil sont une collection de nœuds non connectés qui sont installés pour la détection de certains phénomènes intéressants. Après avoir pris des mesures un capteur sans fil retransmet ces mesures à la station de base. La station de base collecte les données de tous les capteurs et les analyse. Pour économiser l’énergie il est souvent utilise de grouper les capteurs en clusters, chaque cluster ayant une tête de cluster qui communique avec la station de base. Au début, on commence par analyser la simulation des réseaux Zigbee où il y a quelques nœuds qui transmettent avec différentes puissances. Les résultats montrent que dans les réseaux de capteurs mobiles et hétérogènes et à cause du phénomène d’isolation des nœuds et du coût très élevé du routage et la maintenance, les performances sont moins bonnes que celles des réseaux homogènes. Le but principal de cette thèse est de faire une analyse empirique des réseaux de capteurs. A cause de leurs ressources limitées les réseaux de capteurs doivent faire face à plusieurs défis techniques. Beaucoup de protocoles fonctionnent très bien dans les simulateurs mais pas aussi bien en implémentation réelle. Par exemple, les capteurs déposés sur un objet élevé subissent moins d’atténuation que les autres capteurs placés sur le sol. Dans cette thèse, on montre qu’il y a un impact des liens asymétriques sur la topologie des réseaux de capteurs sans fil et que la qualité des liens (LQI) varie en permanence. On propose deux méthodes pour améliorer les performances des algorithmes basés sur la qualité des liens des réseaux de capteurs avec des liens asymétriques. Dans la première méthode, le réseau n’a pas d’autre choix que d’avoir des nœuds qui transmettent à des grandes distances et deviennent des clusters Head. Le nombre de clusters Head peut être donné par Matérn Hard-core process. Dans la seconde méthode, on propose HybridLQI qui améliore les algorithmes basés sur LQI sans ajouter des entêtes au réseau. Ensuite, on applique les approches de clustérisassions théoriques sur le réseau de capteurs réel. On applique Matérn Hard Core process et Max-Min heuristique de formation des clusters sur des nœuds «Tmote » dans des réseaux denses et des réseaux de faible densité. Les résultats empiriques ont montré la supériorité de Matérn sur Max-Min dans les besoins d’espace mémoire, la simplicité de l’implémentation et le nombre de messages de signalisation. Enfin, en utilisant les chaînes de Markov absorbantes et des mesures, on étudie les performances des techniques de la distribution de charge dans des réseaux de capteurs réels / Wireless sensor networks are the collection of wireless nodes that are deployed to monitor certain phenomena of interest. Once the node takes measurements it transmits to a base station over a wireless channel. The base station collects data from all the nodes and do further analysis. To save energy, it is often useful to build clusters, and the head of each cluster communicates with the base station. Initially, we do the simulation analysis of the Zigbee networks where few nodes are more powerful than the other nodes. The results show that in the mobile heterogeneous sensor networks, due to phenomenon orphaning and high cost of route discovery and maintenance, the performance of the network degrades with respect to the homogeneous network. The core of this thesis is to empirically analyze the sensor network. Due to its resource constraints, low power wireless sensor networks face several technical challenges. Many protocols work well on simulators but do not act as we expect in the actual deployments. For example, sensors physically placed at the top of the heap experience Free Space propagation model, while the sensors which are at the bottom of the heap have sharp fading channel characteristics. In this thesis, we show that impact of asymmetric links in the wireless sensor network topology and that link quality between sensors varies consistently. We propose two ways to improve the performance of Link Quality Indicator (LQI) based algorithms in the real asymmetric link sensor networks. In the first way, network has no choice but to have some sensors which can transmit over the larger distance and become cluster heads. The number of cluster heads can be given by Matérn Hard-Core process. In the second solution, we propose HybridLQI which improves the performance of LQI based algorithm without adding any overhead on the network. Later, we apply theoretical clustering approaches in sensor network to real world. We deploy Matérn Hard Core Process and Max-Min cluster Formation heuristic on real Tmote nodes in sparse as well as highly dense networks. Empirical results show clustering process based on Matérn Hard Core Process outperforms Max-Min Cluster formation in terms of the memory requirement, ease of implementation and number of messages needed for clustering. Finally, using Absorbing Markov chain and measurements we study the performance of load balancing techniques in real sensor networks.

This work is concerned with the design design full functional nodes and to evaluate an application in wireless sensor network. The resulting designed product could form a reliable support for transferring data between nodes and a computer. MaxStream XBee ZNet 2.5 modules are chosen as the radio platform and LabVIEW as the virtual instrument for user interface.

Cette thèse a pour objectif de développer des techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. La première approche développée dans cette thèse concerne la phase de transport des produits alimentaires. Les protocoles proposés VBS, WaS et eVBS s'adressent à la problématique posée par l'absence de station de base permanente au sein du petit réseau déployé dans un camion où les nœuds sont en visibilité directe. Ces méthodes ont le triple avantage de présenter un faible overhead, d'accroître l'ergonomie de l'application et l'intérêt économique du réseau. Dans l'état de l'art, il n'existe pas de déploiement de très grands réseaux de capteurs sans fil destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. Le cœur de cette thèse se positionne ainsi autour de la problématique du passage à l'échelle, en proposant plusieurs approches permettant d'améliorer l'efficacité énergétique du réseau. Ainsi des optimisations du routage et des techniques de formation de clusters multi-sauts sont proposées grâce à quelques idées originales d'utilisation de l'indicateur de la qualité de lien. Le protocole L2RP de routage par répartition de charge, le mécanisme SNCR de réduction des clusters singletons ainsi que le protocole LQI-DCP d'optimisation du positionnement des chefs de clusters sont des contributions de cette thèse exploitant le LQI afin d'accroître l'efficacité énergétique du réseau. De plus, nous avons montré que l'heuristique MaxMin de formation de clusters multi-sauts n'est pas compatible avec la topologie de déploiement en grille qui est la plus fréquente dans les architectures de réseaux de capteurs.

L'autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d'énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l'utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l'énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l'usage de l'énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d'une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s'adapte à l'énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l'une de capacité faible et l'autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d'interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d'abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l'architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d'un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d'énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d'efficacité d'usage de l'énergie, elles permettent d'atteindre jusqu'à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs. / Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultra-capacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.

Cette thèse a pour objectif de développer des techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. La première approche développée dans cette thèse concerne la phase de transport des produits alimentaires. Les protocoles proposés VBS, WaS et eVBS s'adressent à la problématique posée par l'absence de station de base permanente au sein du petit réseau déployé dans un camion où les nœuds sont en visibilité directe. Ces méthodes ont le triple avantage de présenter un faible overhead, d'accroître l'ergonomie de l'application et l'intérêt économique du réseau. Dans l'état de l'art, il n'existe pas de déploiement de très grands réseaux de capteurs sans fil destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. Le cœur de cette thèse se positionne ainsi autour de la problématique du passage à l'échelle, en proposant plusieurs approches permettant d'améliorer l'efficacité énergétique du réseau. Ainsi des optimisations du routage et des techniques de formation de clusters multi-sauts sont proposées grâce à quelques idées originales d'utilisation de l'indicateur de la qualité de lien. Le protocole L2RP de routage par répartition de charge, le mécanisme SNCR de réduction des clusters singletons ainsi que le protocole LQI-DCP d'optimisation du positionnement des chefs de clusters sont des contributions de cette thèse exploitant le LQI afin d'accroître l'efficacité énergétique du réseau. De plus, nous avons montré que l'heuristique MaxMin de formation de clusters multi-sauts n'est pas compatible avec la topologie de déploiement en grille qui est la plus fréquente dans les architectures de réseaux de capteurs. / Wireless Sensor Networks (WSN) are used today in many applications that differ in their own objectives and specific constraints. However the common challenge in designing WSN applications comes from the specific constraints of micro-sensors because of their limited physical resources such as limited battery lifetime, weak computational capability and small memory capacity. This thesis aims to develop techniques to improve the energy efficiency of wireless sensor networks intended to a cold chain monitoring application. In such area, existing solutions consist of walled temperature recorders in warehouses and transport vehicles, which essentially control the room storage temperature which is not necessarily the product one. By integrating wireless micro-sensor devices with pallets and trays, one allows full real-time tracking of the cold chain originating from factories to the shelves of retailers. The first approach developed in this thesis concerns the phase of transporting food. The proposed VBS, WaS and eVBS protocols address the main issue resulting from the absence of a permanent base station in the small network deployed in a truck where nodes are generally in the same transmission range. These methods have the triple advantages of having a low overhead, increasing the ergonomics of the application and enhancing the economic interest of the network. In the state of art, there is no very large scale deployment of WSN for a cold chain monitoring system. Thus, the core of this thesis addresses the scalability issues by offering several ways to improve overall energy efficiency of the network. So, routing techniques improvement and efficient multi-hop clustering protocols are proposed through some original ideas using the Link Quality Indicator (LQI) provided by the MAC sublayer. The LQI is defined in the IEEE 802.15.4 standard in which its context of use is not specified. The link reliability based routing protocol (L2RP) which load balances the traffic between nodes, the single-node cluster reduction mechanism (SNCR) and the LQI-DCP multi-hop clusters formation protocol which improves clusterhead locations are some of contributions of this thesis which exploit the LQI to, significantly, increase the WSN efficiency. We also show that the MaxMin d-cluster formation heuristic does not support the grid deployment topology which is the more often used in WSN architectures.

Important sujet de recherche dans les télécommunications contemporaines, les réseaux de capteurs sont des réseaux sans fil constitués de plusieurs nœuds pouvant communiquer entre eux. Chaque capteur est autonome et possède une durée de vie limitée, liée à la taille de sa batterie. Dans ce contexte, l'énergie est une ressource critique qui peut être économisée en minimisant le nombre de paquets émis. De part la nature du médium radio, les données transmises subissent des pertes du canal. La fiabilisation de données dans ce contexte n'est pas simple et devient d'autant plus problématique lorsque la taille de réseau augmente. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui vise à fournir une technique de fiabilisation des transmissions dans un réseau de capteur. Pour cela, nous proposons de mettre en oeuvre un mécanisme de transmission qui exploite le code fontaine. Ce code est sans rendement et les symboles de redondance sont générés à la volée. Il permet de fiabiliser la transmission avec l'utilisation d'un canal de retour limité. Le code fontaine permet d'alléger le mécanisme de contrôle des transmissions tout en assurant un lien complètement fiable, ce qui permet de réduire la latence et la consommation énergétique d'une transmission. Afin d'optimiser la performance globale du réseau, nous étudions également dans cette thèse le cas où les nœuds sont autorisés à coopérer pour le relayage multi-sauts de paquets destinés à des nœuds distants. Nous montrons dans cette thèse que la technique de codage réseau permet d'introduire de la diversité d'information et ainsi d'améliorer la performance globale de transmissions multi-sauts mono-chemin. Ce résultat a été étendu à la transmission coopérative pour laquelle nous avons à la fois pu exploiter la diversité d'information et la diversité spatiale.

Les transports terrestres occupent une place majeure dans notre société, notamment en ville où les ralentissements aux heures de pointe peuvent avoir un impact notable sur l'organisation des activités, l'économie ou encore l'écologie. Les infrastructures routières sont généralement coordonnées par un centre de contrôle, responsable du maintien des équipements, de leurs réglages initiaux et de la gestion des incidents (matériels ou humains). Les nouvelles technologies de l'information et de la communication ont permis, en l'espace de quelques années, de mettre en œuvre des systèmes de transport intelligents. À l'aide de multiples points de mesures répartis sur le territoire, un opérateur peut dénombrer les usagers et en déduire la charge du réseau. Toutefois, centraliser les informations présente de nombreuses limites. Cette thèse vise à étudier l'emploi de systèmes distribués afin de mettre en œuvre des systèmes de transport intelligents grâce à un réseau de capteurs sans fil. Couplés à une unité de détection (p. ex., un magnétomètre), les capteurs communicants peuvent réagir au passage d'un véhicule en étant déployés, par exemple, sur les voies. Ils sont également capables de coopérer et de s'affranchir d'une entité centrale, rendant tout ou partie d'une zone urbaine totalement indépendante. D'autre part, ces réseaux peuvent fonctionner de manière autonome et tolèrent mieux les pannes, car aucun élément n'est indispensable au fonctionnement global du système. Enfin, les éléments de ces réseaux sont petits, peu coûteux, et communiquent en sans fil, ce qui leur permet d'être déployés et redéployés rapidement et de manière dense. / Road traffic has a significant effect on metropolitan activities, especially during peak hours when it impacts on areas such as the economy and the environment. Road infrastructure is typically coordinated from a control centre that is responsible for maintaining not only its equipment but also their initial settings and incident management (both material and human). During the past few years, new technologies in the fields of information and communication have led to the introduction of intelligent transportation systems. Using multiple measurement points distributed across a country, an operator can count road users and calculate the network load. However, the centralization of information has a number of drawbacks. The aim of this thesis is to study the use of distributed systems in order to implement intelligent transportation systems via a wireless sensor network. Coupled to a detection unit (e.g., a magnetometer), the interconnected sensors can respond to the passage of a vehicle when deployed, for example, along the road. They can also work together without recourse to a central entity - rendering all or part of an urban area totally independent. Furthermore, these networks can operate autonomously and are less susceptible to breadown, because the overall running of the system is not affected by the failure of individual components. Finally, components are small and cheap, and they operate wirelessly, which means they can be deployed and redeployed both rapidly and densely.

Les progrès réalisés dans les domaines des réseaux de capteurs disséminées, de l'identification radiofréquence ou des communications millimétriques présagent l'apparition de petits objets, intelligents, autonomes et communiquant par le biais de transmissions radiofréquences. Dans ce contexte, les orientations aléatoires et variables des dispositifs les uns par rapport aux autres engendrent de fortes variations du bilan de transmission en raison de l'anisotropie de rayonnement ainsi que des désadaptations de polarisation entre antennes. Il existe donc un besoin pour de petites antennes bas coût aux caractéristiques de rayonnement optimisées pour une transmission indépendante de leurs orientations relatives. La première partie de ce travail a consisté à proposer un nouveau critère, appelé fonction de couverture isotrope, permettant de caractériser rigoureusement les performances des antennes dans un tel contexte. Cette méthode a permis de comparer diverses antennes de la littérature et d'étudier les effets de leurs propriétés de rayonnement. L'influence de l'environnement de propagation a également été étudiée. La seconde partie a consisté à proposer deux nouvelles antennes répondant à cette problématique tout en prenant en compte les fortes contraintes d'intégration et de miniaturisation. Un prototype a été réalisé et valide l'approche de conception suivie. Finalement, un dernier développement envisage le cas des multi antennes. Une extension de la méthode de caractérisation est proposée. L'une des structures précédentes est développée en deux versions à deux accès et illustre le principe d'une antenne isotrope à double polarisation orthogonale aux performances optimales.

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.

La plupart des réseaux de capteurs sans fill d'aujourd'hui fonctionne sur le protocole CSMA/CA. Fournir la qualité de service (QdS) dans un tel réseau est un problème difficile compte tenu de la dynamique du réseau et des contraintes en termes de ressources (énergie et mémoire). Dans cette thèse, sans changer le socle commun du CSMA/CA, nous avons proposé des mécanismes auto-adaptatifs qui permettent de gérer la QdS "best-effort" pour des applications nécessitant de la différenciation de services. Trois mécanismes sont proposés : CoSenS pour "Collecting then Sending burst Scheme", P-CoSenS qui a joute la gestion de priorités à CoSenS, et S-CoSenS qui a joute la dimension énergie à CoSenS. La dynamique du réseau est prise en compte grâce à l'auto-adaptation de périodes de collecte et de transmission en rafale. Il est à souligner que le mécanisme CoSenS permet non seulement d'améliorer les performances de CSMA/CA mais aussi de surmonter la difficulté d'ordonnancer les trafics entrant dans un nœud (routeur) car chaque paquet entrant est immédiatement retransmis vers la sortie. En effet, grâce à la pério de de collecte, les paquets entrants sont mis en file d'attente, rendant ainsi possible d'ordonnancer différemment les paquets selon leur priorité (P-CoSenS). Enfin, le compromis énergie/performance est pris en compte dans S-CoSenS. Selon l'état de l'environnement surveillé, le réseau peut se trouver dans une période où circule un trafic non urgent et souvent faible pendant laquelle il est judicieux de minimiser la consommation d'énergie et une pério de de trafic important pendant laquelle le réseau doit transporter des données urgentes pour suivre une situation alarmante de plus près. Comme CoSenS, S-CoSenS permet de s'auto-adapter dynamiquement en fonction de ces situations. L'ensemble de nos propositions est validé par simulations et CoSenS est implémenté sur une plateforme de réseau de capteurs.