L’intégration de l’environnement et des systèmes d’information progresse très vite depuis 10 ans. Cette intégration permet de suivre des évolutions naturelles, physiques, sociétales ; de les mesurer, de les comprendre ; quelquefois de les contrôler. On peut assimiler cette intégration à des besoins, tels que les changements climatiques ou les économies de ressources ; mais aussi à des progrès technologiques dans les domaines des systèmes miniatures, des communications sans fil et des capteurs.Dans ce contexte, nous avons d’abord effectué un apprentissage technologique, en réalisant plusieurs petits systèmes et des logiciels applicatifs de bas et de haut niveau. Nous nous sommes attaqués à la partie frontale des chaînes logicielles, celle qui permet de passer des bases de données pour Systèmes d’Information Géographique à l’implantation et l’exploitation de systèmes distribués de capteurs. QuickMap est ainsi un logiciel de navigation multi-services, incluant OpenStreetMap, construit pour le placement des capteurs et la spécification de systèmes de cellules physiques.Sur la plateforme NetGen, nous avons réalisé un simulateur concurrent associant un ou plusieurs mobiles à un ou plusieurs champs de capteurs. Une application est l’étude des interactions entre satellite en orbites basses, réseaux de capteurs lointains et stations de contrôle.Le séquencement par le temps permet d’associer plusieurs activités aériennes et au sol, en bénéficiant de hautes performances.Enfin, les questionnements méthodologiques ont amené à considérer la possibilité de virtualisation, à la fois du capteur, en le recouvrant d’une machine virtuelle, et à la fois du système d’observation distribué, en utilisant la plateforme NetGen.Nous avons maquetté un capteur et son interface radio en termes de processus communicants, en cherchant à réduire la complexité et la diversité de la programmation des petits systèmes matériels.Plusieurs de nos réalisations sont effectives et servent à des projets de recherche actifs.Cette thèse a été réalisée à l’Université de Brest, laboratoire Lab-STICC, grâce à une allocation de la communauté brestoise BMO. / The integration of environment and information systems is progressing quickly since 10 years. This allows to monitor natural, physical or societal evolutions; to capture their logic and sometimes to control their effects. This integration is feasible thanks to many technical and scientific progresses: sensors, wireless communications, system on chips, batteries, distributed systems and geo-localization. The benefits are important for climate change monitoring and resource savings.In this context, we have firstly achieved a learning of technologies and several practical system realizations. We have produced a navigation software (QuickMap) allowing to interface gis databases and tile servers similar to OpenStreetMap, taking care of sensor locations and outputs. QuickMap is also a nice frontend to produce cellular systems oriented to physical simulations.Using the NetGen platform, we have produced a simulation framework allowing to schedule mobile moves with sensor field activities. A case study was leo satellites visiting remote sensor systems, with investigations on two algorithms suitable for data collection and control.Finally we have addressed the question of observation system virtualization by using an high level, process oriented virtual machine (tvm) to control the wireless link, a step forward to make the distributed and local behaviours homogeneous in terms of programming and simulation.Many of our developments are currently involved in active projects.This thesis was funded by a grant of Brest Metropole Oceane (BMO) and was achieved in a wireless research group at University of Brest, Lab-STICC laboratory.

In today’s world, the applications of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) systems are leaping by extending their scope from military applications on to commercial and medical sectors as well. Owing to this commercialization, the need to append external hardware with UAV systems becomes inevitable. This external hardware could aid in enabling wireless data transfer between the UAV system and remote Wireless Sensor Networks (WSN) using low powered architecture like Thread, BLE (Bluetooth Low Energy). The data is being transmitted from the flight controller to the ground control station using a MAVlink (Micro Air Vehicle Link) protocol. But this radio transmission method is not secure, which may lead to data leakage problems. The ideal aim of this research is to address the issues of integrating different hardware with the flight controller of the UAV system using a light-weight protocol called UAVCAN (Unmanned Aerial Vehicle Controller Area Network). This would result in reduced wiring and would harness the problem of integrating multiple systems to UAV. At the same time, data security is addressed by deploying an encryption chip into the UAV system to encrypt the data transfer using ECC (Elliptic curve cryptography) and transmitting it to cloud platforms instead of radio transmission.

Le travail présenté ici s'inscrit dans la perspective du développement de modules électroniques à très faible coût et à très faible consommation pour les réseaux de capteurs sans fils (WSN). Il traite de la conception et du test d'une chaîne de réception RF compatible avec la norme IEEE 802.15.4 pour la bande ISM 2.4GHz. L'interface RF objet de notre étude inclue toutes les fonctions depuis l'antenne jusqu'au 1er étage du filtre analogique en bande de base, à partir duquel le gain devient suffisant pour masquer le bruit introduit par le reste de la chaîne de réception. Ce mémoire articulé autour de quatre chapitres, décrit toutes les étapes depuis la définition des spécifications de la chaîne de réception jusqu'à la présentation de ses performances, en passant par l'étude de son architecture et la conception de ses différents étages. Suite à l'étude de l'impact des interféreurs IEEE 802.15.4 et IEEE 802.11b présents dans la bande ISM 2.4GHz, une architecture utilisant une fréquence intermédiaire de 6MHz a été retenue. En outre, pour pouvoir répondre aux spécifications fixées, cette architecture est composée de plusieurs étages innovants ou originaux tels qu'un balun intégré trois accès, un amplificateur faible bruit sans inductance, un mélangeur passif piloté par un signal local (OL) à très faible rapport cyclique ainsi qu'un filtre bande de base optimisé en bruit et en linéarité. Intégré dans une technologie CMOS 90nm, ce récepteur occupe une surface de 0.07mm², ou 0.23mm² en incluant le balun intégré, qui représente une réduction de 70% par rapport à l'état de l'art des puces compatibles avec le standard IEEE 802.15.4. En prenant en compte la consommation dynamique de toute la chaîne de mise en forme du signal OL, la tête de réception précédemment décrite consomme seulement 4mA sous une tension d'alimentation de 1.35V. Enfin, en incluant le balun intégré, le gain est de 35dBv/dBm, le facteur de bruit de 7.5dB, l'IIP3 de -10dBm et la réjection d'image supérie ure à 32dB. Ces performances placent ce récepteur parmi les récepteurs RF les plus performants pour cette application. Les nombreux principes mis en Suvre sont par ailleurs transposables à d'autres bandes de fréquences et à d'autres standards de communication.

Abstract The Internet of Things (IoT) is already providing solutions to various tasks related to monitoring the environment and controlling devices over wired and wireless networks. It is estimated by several well-known research facilities that the number of IoT devices will be in the order of tens of billions by 2020. This inevitably brings challenges and costs in deployment, management, and maintenance of networks. The focus of this thesis is to provide solutions that mainly help in the deployment and maintenance of various wireless IoT networks. Different applications have different requirements for a wireless link coverage. It is important to utilize suitable radio technology for a particular application in order, e.g., to maximize the lifetime of a device. A wireless body area network (WBAN) typically consists of devices that are within couple of meters from each other. The WBAN is suitable for, e.g., measuring muscle activity and transferring data to a storage for processing. The wireless link can use air as a medium, or alternatively, an induced electric field to a body can be used. In this thesis, it is shown that a location of the electrodes in the body have impact to the attenuation. Home automation IoT applications are typically implemented with mid-range wireless technologies, known as wireless personal area networks (WPAN). In order to minimize and get rid of battery change operations, a wake-up receiver could be utilized in order to improve the device’s energy efficiency. The concept is introduced and performance of the current state-of-the-art works are presented. In addition, a control loop enabling a passive device to have control over an energy source is proposed. Applications that have low bandwidth requirements can be implemented with low-power wide area networks (LPWAN). One technology – LoRaWAN – is evaluated, and it is recommended as based on the results to use it in non-critical applications. / Tiivistelmä Esineiden internet (Internet of Things, IoT) mahdollistaa jo laajan kirjon erilaisia ratkaisuja ympäristön monitorointiin ja laitteiden hallintaan hyödyntäen sekä langattomia että langallisia verkkoja. Usea hyvin tunnettu tutkimusorganisaatio on arvioinut, että vuonna 2020 IoT laitteiden määrä tulee olemaan kymmenissä miljardeissa. Se luo väistämättä haasteita laitteiden sijoittamisessa, hallinnassa ja kunnossapidossa. Tämä väitöskirja keskittyy tarjoamaan ratkaisuja, jotka voivat helpottaa langattomien IoT laitteiden sijoittamisessa ja kunnossapidossa. IoT sovellusten laaja kirjo vaatii erilaisia langattomia radioteknologioita, jotta sovellukset voitaisiin toteuttaa, muun muassa, mahdollisimman energiatehokkaasti. Langattomassa kehoverkossa (wireless body area network, WBAN) käytetään usein hyvin lyhyitä langattomia linkkejä. WBAN on soveltuva esimerkiksi lihasten aktiivisuus mittauksessa ja mittaustiedon siirtämisessä talteen varastointia ja prosessointia varten. Linkki voidaan toteuttaa käyttäen ilmaa rajapintana, tai vaihtoehtoisesti, kehoa. Tässä työssä on näytetty, että käytettäessä kehoa siirtotienä, elektrodien sijainnilla on merkitystä signaalin vaimennuksen kannalta. Kotiautomaatio IoT sovellukset ovat tyypillisesti toteutettu käyttäen langatonta likiverkkoa, jossa linkin pituus sisätiloissa on alle 30 metriä. Jotta päästäisiin eroon pariston vaihto-operaatiosta tai ainakin vähennettyä niiden määrää, herätevastaanotinta käyttämällä olisi mahdollista parantaa laitteiden energiatehokkuutta. Herätevastaanotin konsepti ja tämänhetkistä huipputasoa edustavien vastaanottimien suorituskyky ovat esitetty. Lisäksi, on ehdotettu menetelmä joka takaa energian saannin passiiviselle IoT laitteelle. IoT sovellukset jotka tyytyvät vähäiseen kaistanleveyteen voidaan toteuttaa matalatehoisella laajan alueen verkolla (low-power wide area network, LPWAN). Yhden LPWAN teknologian, nimeltään LoRaWAN, suorituskykyä on evaluoitu. Tulosten perusteella suositus on hyödyntää kyseistä teknologiaa ei-kriittisissä sovelluksissa.