De nombreux travaux de recherche actuels s'intéressent aux réseaux de capteurs sans fil (RCSF) et à leurs différentes problématiques. L'une d'entre elles est la gestion des données présentes au sein du RCSF. Généralement, les deux grands types de données manipulées sont soit celles collectées à l'aide d'un dispositif de mesure, soit celles gérées par le système d'exploitation. L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions à cette problématique. Un microsystème de fichier a ainsi été conçu en prenant comme support un noyau temps réel au fonctionnement hybride à la fois multitâche et basé sur les événements. Ce noyau utilise un concept permettant d'offrir un niveau d'abstraction pour la gestion des processus ou des événements. Ce concept a été repris, au niveau du microsystème de fichiers, dans le cadre de l'accès aux données. L'autre caractéristique principale de ce microsystème de fichiers, par rapport aux systèmes existants, est de réunir, au sein d'un même système, des fonctionnalités de gestion de mémoire et d'interrogation de données. Ces deux éléments, que sont le microsystème de fichiers et le noyau temps réel, associés à un capteur sans fil multi-composant constituent une plateforme adaptative permettant la mise en place d'applications d'acquisition de données environnementales.

L'objectif de cette thèse était de développer un capteur de température passif sans fil à transduction électromagnétique utilisant un couplage électromagnétique - fluide. Le principe de ce type de capteur est basé sur la dilation thermique d'un fluide dans un micro-canal qui modifie les propriétés électromagnétiques d'un dispositif aux fréquences millimétriques. Deux types de capteurs de température qui utilisent la transduction électromagnétique et la micro-fluidique ont été étudiés. Le premier est constitué d'une capacité planaire variable à l'aide d'un fluide diélectrique (eau distillée). La capacité est constituée par des électrodes en cuivre déposées sur un substrat en verre. La variation d'impédance, obtenue lors de la progression du front d'eau dans le micro-canal, permet de modifier l'impédance de charge d'une antenne et module ainsi le niveau de l'écho RADAR. Le second capteur utilise un fluide conducteur (Galinstan) qui court-circuite les deux brins d'une antenne dipôle lorsque le liquide se dilate. La structure utilisée est constituée d'un réseau d'antenne dont les deux brins sont court-circuités progressivement pour des températures différentes. On obtient ainsi une modulation de l'écho RADAR.

L'Internet des Objets ou en anglais the Internet of Things (IoT) représente aujourd'hui une partie majeure de notre vie quotidienne. Des milliards d'objets intelligents et autonomes, à travers le monde sont connectés et communiquent entre eux. Ce paradigme révolutionnaire crée une nouvelle dimension qui enlèveles frontières entre le monde réel et le monde virtuel. Son succès est dû à l’évolution des équipements matériels et des technologies de communication notamment sans fil. L’IoT est le fruit du développement et de la combinaison de différentes technologies. Il englobe presque tous les domaines de la technologie d’information (Information Technology (IT)) actuels.Les réseaux de capteurs sans fil représentent une pièce maîtresse du succès de l'IoT. Car en utilisant des petits objets qui sont généralement limités en terme de capacité de calcul, de mémorisation et en énergie, des environnements industriels, médicaux, agricoles, et autres peuvent être couverts et gérés automatiquement.La grande puissance de l’IoT repose sur le fait que ses objets communiquent, analysent, traitent et gèrent des données d’une manière autonome et sans aucune intervention humaine. Cependant, les problèmes liés à la sécurité freinent considérablement l’évolution et le déploiement rapide de cette haute echnologie. L'usurpation d’identité, le vols d’information et la modification des données représentent un vrai danger pour ce système des systèmes.Le sujet de ma thèse consiste en la création d'un système de sécurité permettant d’assurer les services d’authentification des objets connectés, d’intégrité des données échangées entres ces derniers et de confidentialité des informations. Cette approche doit prendre en considération les contraintes des objets et des technologies de communication utilisées. / Internet of Things becomes a part of our everyday lives. Billions of smart and autonomous things around the world are connected and communicate with each other. This revolutionary paradigm creates a new dimension that removes boundaries between the real and the virtual worlds. Its success is due to the evolution of hardware and communication technologies, especially wireless ones. IoT is the result of the development and combination of different technologies. Today, it covers almost all areas of information technology (IT).Wireless sensor networks are a cornerstone of IoT's success. Using constrained things, industrial, medical, agricultural, and other environments can be automatically covered and managed.Things can communicate, analyze, process and manage data without any human intervention. However, security issues prevent the rapid evolution and deployment of this high technology. Identity usurpation, information theft, and data modification represent a real danger for this system of systems.The subject of my thesis is the creation of a security system that provides services for the authentication of connected things, the integrity of their exchanged data and the confidentiality of information. This approach must take into account the things and communication technologies constraints.

L'électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l'électronique numérique et l'intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l'informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d'objets multiples, ont permis le développement d'un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l'expansion des applications liées à l'Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s'appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : * Flexibilité dans le choix de l'emplacement. Ils permettent l'accès à des zones dangereuses ou difficiles d'accès. * Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. * Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité...) * Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n'assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l'accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d'approvisionner l'énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L'intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d'autres techniques en termes d'apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil (TESF). En effet, l'énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l'utiliser donc comme source d'énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d'énergie électromagnétique est appelé " Rectenna ", ce mot est l'association de deux entités qui sont " antenne " et " rectifier " qui désigne en anglais le " redresseur ". L'antenne permet de récupérer l'énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l'UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu'aux bandes Ku et Ka. / The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: * The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. * The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. * The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability...) * The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called "Rectenna" in order to supply energy to low power wireless sensors. The term "rectenna" is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

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. / Nowadays, most of wireless sensor networks use CSMA/CA protocol. Providing quality of service (QoS) support in such networks is a difficult problem because of the network dynamics and the high constraints in terms of resources like energy and memory. In this thesis and without changing the basic access protocol, CSMA/CA, we developed auto-adaptive mechanisms for best-effort QoS targeted to applications requiring differentiation services. Three mechanisms are proposed; CoSenS for "Collecting then Sending burst Scheme" which enhances the performances of CSMA/CA, P-CoSenS for "Priority CoSenS" which adds priority management to CoSenS and S-CoSenS for "S-CoSenS" which tackles energy efficiency using CoSenS. We emphasize that CoSenS mechanism not only enhances the performance of CSMA/CA in terms of throughput, end-to-end delay and successful transmission rates but enables also the implementation of scheduling policies; since the router collects and queues paquets before retransmitting them, it has a complete knowledge about them and can then schedule them efficiently (P-CoSenS). S-CoSenS tackles the energy/throughput tradeoff. In fact, the state of a network varies according to the monitored environment. The network may be at some times lightly loaded with non urgent traffic and at other times highly loaded with urgent traffic generated by nodes in order to monitor a happening phenomenon more closely and hence take the best decision. In the former case, the network must save energy. In the latter case, it must provide bandwidth. S-CoSenS auto-adapts its sleeping and active periods according the incoming traffic. Our propositions are validated by simulations and CoSenS is implemented on a wireless sensor platform

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. / This thesis is dedicated to the deployment of fountain codes and network coding in a wireless sensor network (WSN). A WSN is composed of sensor nodes with restricted capacities : memory, energy and computational power. The nodes are usually randomly scattered across the monitored area and the environment may vary. In the presence of fading, outage and node failures, fountain codes are a promising solution to guaranty reliability and improve transmission robustness. The benefits of fountain codes are explored based on an event-driven WSNet simulator considering realistic implementation based on standard IEEE802.15.4. Fountain codes are rateless and capable of adapting their rate to the channel on the fly using a limited feedback channel. In this thesis, we highlight the benefits brought by fountain code in terms of energy consumption and transmission delay. In addition to the traditional transmission with fountain code, we propose in this thesis to study the network coding transmission scheme where nodes are allowed to process the information before forwarding it to their neighbors. By this means, we can say that packet diversity is exploited as each individual packet is unique and contains different representations of binary data. Redundancy is thus optimized since repetitions are avoided and replaced with diversified information. This can further lead to an overall improved performance in cooperative communication where nodes are allowed to assist in relaying packets from the source the destination. We highlight in this thesis the benefits of fountain code combined to network coding and show that it leads to a reduction in transmission delay and energy consumption. The latter is vital to the life duration of any wireless sensor network.

Les réseaux de capteurs sans-fil sont composés de dispositifs électroniques conçus pour mesurer une grandeur physique de l’environnement dans lequel ils sont déployés et pour acheminer ces mesures à un système d’information. Dans nos travaux, nous étudions les architectures de réseau et les protocoles de communication associés afin de déterminer les configurations adéquates à un scénario de réseau de capteurs pour la Ville Intelligente. Après avoir recensé les applications et leurs exigences de Qualité de Service attendue, nous avons construit des modèles analytiques permettant de comparer les différentes familles de protocoles MAC en terme de taux de livraison et de consommation d’énergie. Ces travaux permettent ainsi de motiver le choix d’un protocole synchrone ou asynchrone, à contention ou à accès direct, en fonction du scénario applicatif et du déploiement de réseau considéré : longue portée ou multi-sauts. Sur la base des résultats de cette étude, nous proposons ensuite un ensemble d’optimisation des protocoles de communication permettant d’améliorer la Qualité de Service et la dépense énergétique des compteurs. Nous proposons une méthode d’accès au médium de communication permettant l’allocation de plusieurs instants de transmission en une phase unique de tournoi. Cette optimisation vise à réduire le pôle de consommation majoritaire des réseaux multi-sauts, tel qu’identifié dans l’étude précédente. Le protocole résultant, CT-MAC, résout l’allocation de plusieurs instants de transmission en une unique phase de compétition et de manière distribuée. CT-MAC réduit ainsi la consommation d’énergie de l’arbitrage du médium. Nous proposons ensuite un mécanisme de relayage adaptatif pour l’architecture de réseau longue-portée. Le protocole, nommé SARI-MAC, est conçu de manière à pallier aux ‘trous’ de couverture que présentent les systèmes radio longue-portée lorsqu’ils sont déployés dans un habitat urbain dense. Pour cela, SARI-MAC propose d’exploiter certains nœuds du réseau, choisis pour leurs ressources en énergie, en tant que relais pour leurs voisins dont le bilan radio est insuffisant pour respecter les exigences de Qualité de Service de l’application. SARI-MAC est un protocole MAC asynchrone, initié récepteur dont les paramètres s’adaptent automatiquement aux conditions de trafic et aux contraintes de cycle d’activité imposées par la durée de vie souhaitée des nœuds capteurs et par la législation. Finalement, nous proposons un schéma de routage opportuniste appelé QOR. QOR est un protocole de routage qui tire profit des liens radio longue portée, opportunistes afin d’améliorer la fiabilité et la latence des transmissions de données dans un réseau de collecte. Pour cela, QOR propose une structure de routage combinée à un schéma d’adressage permettant d’identifier un ensemble de nœuds relais entre une source et la passerelle de collecte. / Wireless Sensors are small electronic devices made for measuring physical properties of their environment and communicating them wirelessly to an information system. In this thesis, we study existing network architectures and to devise the best-suited configuration for typical urban wireless Sensor Network use-cases. To that effect, we provide comprehensive analytical models to compare the different families of MAC protocols in terms of Delivery Rate and Energy Consumption, e.g. synchronous vs asynchronous, contention-based vs direct access etc. Headlines results a mathematical framework to devise the least energy-cost contention algorithm for a given Delivery Rate and closed-form expressions of the Energy Consumption and Delivery Rate for popular access control protocols. These results are then synthesised in a comparison study of the two prevailing urban sensors network architectures, i.e. long-range and multihop. We show that long-range sensor networks are best-suited for low-traffic and sparser network topologies while higher traffic loads and denser network topologies demand switching to a multihop network operating a synchronous MAC protocol on higher bitrate radios. Based on the analysis of the architectures best suited for each use-case scenario, i.e. low traffic loads/sparse network and high traffic loads/dense network, we identify suitable optimisations to improve the QoS performance and energy efficiency of said architectures. First, we improve on the energy efficiency of the arbitration of the medium access by defining a cascading tournament contention algorithm. This protocol, CT-MAC, resolves multiple timeslots allocation in a single, energy efficient contention tournament. Second, we propose an adaptive relaying scheme for the long-range network architecture named SARI-MAC. This scheme is an attempt to cope with coverage holes that occurs when using long-range in a dense urban habitat by letting sensor nodes relay communications of nodes whose link budgets are incompatible with the QoS requirements of the network. To that effect, we propose a receiver-initiated MAC protocol that self-adapts to the traffic condition so that the duty-cycle of relayers is kept as low as possible with respect to the load of frames to relay. Finally, we propose an opportunistic relaying scheme named QOR. QOR is a routing protocol that exploits long-range, opportunistic radio links to provide faster and more reliable transmissions. To that effect, QOR proposes a joint routing structure and addressing scheme that allows identifying a limited set of nodes than can become opportunistic relayers between a source sensor and the sink. Those nodes then follow an original cascaded acknowledgement mechanism that brings reliable acknowledgment and ensures a replication-free forwarding of the data frames.

Grâce aux avancées conjointes des systèmes microélectroniques, des technologies sans fil et de la microélectronique embarquée, les réseaux de capteurs sans fil (RCsF) ont récemment pu voir le jour. Très sophistiqués et en interaction directe avec leur environnement, ces systèmes informatiques et électroniques communiquent principalement à travers des réseaux radio qui en font des objets communicants autonomes. Ils offrent l'opportunité de prendre en compte les évolutions temporelles et spatiales du monde physique environnant. Les RCsF se retrouvent donc au cœur de nombreuses applications couvrant des domaines aussi variés que la santé, la domotique, l'intelligence ambiante, les transports, la sécurité, l'agronomie et l'environnement. Ils connaissent un véritable essor et ce dans divers domaines des STIC : hardware, système d'exploitation, conception d'antenne, système d'information, protocoles réseaux, théorie des graphes, algorithmique distribuée, sécurité, etc. L’intérêt des communautés issues de la recherche et de l’industrie pour ces RCsF s’est accru par la potentielle fiabilité, précision, flexibilité, faible coût ainsi que la facilité de déploiement de ces systèmes. La spontanéité, l’adaptabilité du réseau et la dynamicité de sa topologie dans le déploiement des RCsF soulèvent néanmoins de nombreuses questions encore ouvertes. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux aspects liés à la problématique du routage dans un RCsF, l’objectif étant de proposer des approches algorithmiques permettant de faire du routage adaptatif multi critères dans un RCsF. Nous nous sommes concentrés sur deux critères principaux : la consommation d’énergie dans les capteurs et le délai d’acheminement des informations collectées par les capteurs. Nous avons proposé ainsi un nouveau protocole de routage, appelé EDEAR (Energy and Delay Efficient Adaptive Routing), qui se base sur un mécanisme d’apprentissage continu et distribué permettant de prendre en compte la dynamicité du réseau. Celui-ci utilise deux types d’agents explorateurs chargés de la collecte de l’information pour la mise à jour des tables de routage. Afin de réduire la consommation d’énergie et la surcharge du réseau, nous proposons également un processus d’exploration des routes basé sur une diffusion optimisée des messages de contrôle. Le protocole EDEAR calcule les routes qui minimisent simultanément l’énergie consommée et le délai d’acheminement des informations de bout en bout permettant ainsi de maximiser la durée de vie du réseau. L’apprentissage se faisant de manière continue, le routage se fait donc de façon évolutive et permet ainsi une réactivité aux différents évènements qui peuvent intervenir sur le réseau. Le protocole proposé est validé et comparé aux approches traditionnelles, son efficacité au niveau du routage adaptatif est mise particulièrement en évidence aussi bien dans le cas de capteurs fixes que de capteurs mobiles. En effet, celui-ci permet une meilleure prise en compte de l'état du réseau contrairement aux approches classiques / Through the joint advanced microelectronic systems, wireless technologies and embedded microelectronics, wireless sensor networks have recently been possible. Given the convergence of communications and the emergence of ubiquitous networks, sensor networks can be used in several applications and have a great impact on our everyday life. There is currently a real interest of research in wireless sensor networks; however, most of the existing routing protocols propose an optimization of energy consumption without taking into account other metrics of quality of service. In this thesis, we propose an adaptive routing protocol called "EDEAR" which takes into account both necessary criteria to the context of communications in sensor networks, which are energy and delay of data delivery. We are looking the routes for optimizing a nodes’ lifetime in the network, these paths are based on joint optimization of energy consumption and delay through a multi criteria cost function. The proposed algorithm is based on the use of the dynamic state-dependent policies which is implemented with a bio-inspired approach based on iterative trial/error paradigm. Our proposal is considered as a hybrid protocol: it combines on demand searching routes concept and proactive exploration concept. It uses also a multipoint relay mechanism for energy consumption in order to reduce the overhead generated by the exploration packets. Numerical results obtained with NS simulator for different static and mobility scenario show the efficiency of the adaptive approaches compared to traditional approaches and proves that such adaptive algorithms are very useful in tracking a phenomenon that evolves over time