Ces dernières années, les réseaux de capteurs sans fil ont vu leurs champs d'applications s'élargir pour toucher plusieurs domaines dont celui de surveillance. En parallèle, le domaine à vocation médicale pour l'assistance aux personnes n’a pas manqué de s'intéresser lui aussi à cette technologie émergente face aux nombreux attraits qu'elle représente. C'est dans ce contexte que se situe notre travail de thèse. Nous nous intéressons à l'utilisation des réseaux de capteurs de type vidéo non intrusif pour la surveillance continue de personnes âgées évoluant dans leur environnement naturel. L’objectif est la proposition d’un système associant capteur vidéo et analyse intelligente locale, à un système de communication sans fil permettant la surveillance de personnes dans son habitat ou en milieu spécialisé. Nous désirons avant tout être capable d’identifier la personne surveillée et détecter son comportement, ses actions, ses mouvements afin d’agir sur son environnement via un système de communication sans fil et domotique, détecter une chute et émettre une alerte à travers le réseau. Une telle proposition, représente une solution avantageuse pour plusieurs raisons. Sur le plan économique, surveiller une personne âgée tout en la gardant dans son environnement normal permettrait de diminuer les charges d'assistance aux personnes en les traitant par un personnel spécialisé à l'hôpital ou à une maison de retraite. Un apport non négligeable est celui lié aux aspects psychiques et sociaux de la personne âgée, à qui cette surveillance discrète et imperceptible lui assure à la fois le sentiment de sécurité, de respect de la vie privée et d'autonomie. / In recent years, wireless sensor networks have seen their fields of application expand to affect several areas, including monitoring. In parallel, the field medical projects to assist people did not fail to be interested in this emerging technology thanks to the attractions it represents. It is in this context that our thesis is subscribed. We are interested in the use of a non-intrusive video sensors network to monitor elderly people continuously in their natural environment. The objective is the proposal of a video sensor system combining local and intelligent analysis, a wireless communication system for monitoring people in their habitat or specialized environment. We want above all, to be able to identify and detect the monitored person's behavior as well as his actions and his movements to act on his environment via a wireless communication system and home automation. Then we aim to detect a fall and communicate an alert through the network. This proposal represents an advantageous solution for several reasons. Economically, monitor an elderly person while keeping it in his normal environment would reduce the charges of assistance to people by treating them with specialized staff at the hospital or a nursing home. A significant contribution is the one related to the psychological and social aspects of the elderly, to whom this discreet and invisible monitoring ensures both the feeling of security, respect for privacy and autonomy.

Dans le cadre des systèmes de transport intelligents (ITS), cette thèse concerne la conception d'une méthodologie de prédiction, en temps réel et pour différents horizons, du temps de parcours à partir des données de vitesse et de débit d'une route instrumentée. Pour atteindre cet objectif, deux approches sont considérées dans cette thèse. La première approche, dite « sans modèle », utilise exclusivement des mesures de vitesse. Grâce à l'utilisation astucieuse des données historiques, nous avons résolu le problème de prédiction comme étant un problème de filtrage. Pour ce faire, des données historiques sont utilisées pour construire des pseudo-observations qui alimentent un filtre de Kalman adaptatif (AKF). Sous une hypothèse de Gaussianité, les statistiques du bruit de processus sont estimées en temps-réel, tandis que les statistiques du pseudo-bruit d'observation sont déduites des données historiques adéquatement classées. La seconde approche, dite ‘'basée-modèle'', utilise principalement des mesures de débit et de vitesse. Contrairement à la précédente approche où la résolution spatiale est fixée par l'emplacement des capteurs, une discrétisation spatiale plus fine est considérée. Celle-ci s'avère possible grâce à l'utilisation du modèle CTM (Cell Transmission Model). Un observateur d'état commuté, de type Luenberger, permet d'estimer les états internes (densités des cellules). En utilisant uniquement les prédictions des débits des conditions frontières via une approche de type AKF similaire à celle développée dans la première approche, le modèle CTM contraint permet de prédire les densités des cellules et d'en déduire les vitesses et le temps de parcours. Les méthodes développées ont été validées expérimentalement en considérant la rocade sud grenobloise comme cas d'étude. Les résultats montrent que les deux méthodes présentent de bonnes performances de prédiction. Les méthodes proposées performent mieux que celles basées sur une utilisation directe des moyennes historiques. Pour l'ensemble des données considérées, l'étude a également montré que l'approche ‘'basée modèle‘' est plus adaptée pour des horizons de prédictions de moins de 30 min. / This dissertation falls within the domain of the Intelligent Transportation Systems (ITS). In particular, it is concerned with the design of a methodology for the real-time multi-step ahead travel time forecasting using flow and speed measurements from a instrumented freeway. To achieve this objective this thesis develops two main methodologies. The first one, a model-free, uses only speed measurements collected from the freeway, where a mean speed is assumed between two consecutive collection points. The travel time is forecasted using a noise Adaptive Kalman Filter (AKF) approach. The process noise statistics are computed using an online unbiased estimator, while the observations and their noise statistics are computed using the clustered historical traffic data. Forecasting problems are reformulated as filtering ones through the use of pseudo-observations built from historical data. The second one, a model-based, uses mainly traffic flow measurements. Its main appealing is the use of a mathematical model in order to reconstruct the internal state (density) in small road portions, and consequently exploits the relation between density and speed to forecast the travel time. The methodology uses only boundary conditions as inputs to a switched Luenberger state observer, based on the ``Cell Transmission Model'' (CTM), to estimate the road initial states. The boundary conditions are then forecasted using the AKF developed above. Consequently, the CTM model is run using the initial conditions and the forecasted boundaries in order to obtain the future evolution of densities, speeds, and finally travel time. The added innovation in this approach is the space discretization achieved: indeed, portions of the road, called ``cells'', can be chosen as small as desired and thus allow obtaining a finer tracking of speed variations. In order to validate experimentally the developed methodologies, this thesis uses as study case the Grenoble South Ring. This freeway, enclosing the southern part of the city from A41 to A480, consists of two carriageways with two lanes. For this study only the direction east-west was considered. With a length of about 10.5 km, this direction has 10 on-ramps, 7 off-ramps, and is monitored through the Grenoble Traffic Lab (GTL) that is able to provide reliable traffic data every 15 s, which makes it possible for the forecasting strategies to be validated in real-time. The results show that both methods present strong capabilities for travel time forecasting: considering the entire freeway, in 90% of the cases it was obtained a maximum forecasting error of 25% up to a forecasting horizon of 45 min. Furthermore, both methods perform as good as, or better than, the average historical. In particular, it is obtained that for horizons larger than 45 min, the forecasting depended exclusively on the historical data. For the dataset considered, the assessment study also showed that the model-based approach was more suitable for horizons shorter than 30 min.

Nous proposons un système dedétection et de suivi des personnes enmouvement dans des grands espaces. Notresolution repose sur un réseau de camérasintelligentes pour l'extraction desinformations spatio-temporelles despersonnes. Les caméras sont composées d'uncapteur 3D, d'un système embarqué et decommunication. Nous avons montrél'efficacité du placement des capteurs 3D enposition zénithale par rapport auxoccultations et variations d’échelle.Nous garantissons l'exécution des traitementsen temps-réel (~20 fps), permettantde détecter des déplacements rapides avecune précision jusqu’à 99 %, et capable d’unfiltrage paramétrique des cibles non désiréescomme les enfants ou les caddies.Nous avons réalisé une étude sur la viabilitétechnologique des résultats pour de grandsespaces, rendant la solution industrialisable / We propose a detection and trackingsystem of people moving in large spacessystem. Our solution is based on a network ofsmart cameras capable of retrievingspatiotemporal information from the observedpeople. These smart cameras are composed bya 3d sensor, an onboard system and acommunication and power supply system. Weexposed the efficacy of the overhead positionto decreasing the occlusion and the scale'svariation.Finally, we carried out a study on the use ofspace, and a global trajectories analysis ofrecovered information by our and otherssystems, able to track people in large andcomplex spaces.

Cette thèse s’intéresse au problème d’estimation et d’optimisation distribuée dans les réseaux asynchrones, c’est à dire en n’utilisant que des communication locales et asynchrones. A partir de multiples applications allant de l’apprentissage automatique aux réseaux de capteurs sans-fils, nous concevons et analysons théoriquement de nouveaux algorithmes résolvant trois problèmes de nature très différentes : la propagation de la plus grande des valeurs initiales, l’estimation de leur moyenne et enfin l’optimisation distribuée. / This thesis addresses the distributed estimation and optimization of a global value of interest over a network using only local and asynchronous (sometimes wireless) communications. Motivated by many different applications ranging from cloud computing to wireless sensor networks via machine learning, we design new algorithms and theoretically study three problems of very different nature : the propagation of the maximal initial value, the estimation of their average and finally distributed optimization.

Afin d'accélérer ce processus de conception des systèmes embarqués, un environnement de simulation rapide et performant peut s’avérer indispensable. Pour la rendre performante, les modèles comportementaux des composants élémentaires du système doivent être capables de remplacer les éléments réels dans leurs influences et réponses à tous les phénomènes influents: perturbations, affaiblissements, retards...Nos travaux de thèse visent à contribuer à cette approche méthodologique : ils traitent le développement d’un émulateur des RCSFs. Pour ce faire deux types de simulateurs ont été étudiés:• le premier est un simulateur « software » basé sur la création de modèles comportementaux, décrits en langage VHDL-AMS.• le deuxième est un simulateur hardware basé sur la création des modèles logiques comportementaux, décrits en langage VHDL synthétisable. La simulation s’effectuera sur un composant FPGA cible. Des modifications peuvent être faites sur l’architecture de manière dynamique / To accelerate the design process of embedded systems, a fast and efficient simulation environment is needed. To make it efficient, the behavioral models of the elementary components of the system must be able to replace the real elements in their influences and responses to all the influential phenomena: disruptions, attenuation, delays...Our thesis work aims to contribute to this methodological approach: we treat the development of an emulator for WSNs. To do, two types of simulators have been studied:• The first is a software simulator based on the creation of behavioral models, described in VHDL-AMS.• The second is a hardware simulator based on the creation of behavioral logic models, described in synthesizable VHDL. The simulation will be done on an FPGA target. Changes may be made on the architecture dynamically

La présente étude porte sur la capacité d'améliorer la détection des Activités de la Vie Quotidienne, AVQ (ou ADL :"Activity of Daily Life") par l'utilisation de capteur [i.e. capteurs] de mouvements portés par l'occupant d'un habitat intelligent. Les données provenant de ces capteurs devraient fusionner avec les informations issues de l'appartement pour donner une information plus pertinente par le principe de synergie [21]. La solution choisie pour le dispositif porté par la personne est l'innovation principale du projet : un réseau de capteurs disposés à plusieurs endroits sur le corps, communicant sans fil entre eux et avec le contrôle de l'appartement. Les données extraites sont le mouvement relatif du corps, et plus spécifiquement des mains et du tronc, par rapport à la verticale. De par les propriétés de ces éléments - nécessairement petits, discrets - des MEMS seront utilisés pour satisfaire ces critères. Le projet repose sur la conception des dispositifs embarqués sur l'occupant dans l'optique d'en étendre les fonctionnalités à d'autres analyses tels [i.e. telles] que le son, la position dans l'environnement, le statut médical, etc. Pour prouver la faisabilité, des capteurs externes seront ajoutés pour compléter les informations de base et donc étendre la qualité des inférences sur les activités en cours. Le mouvement est une donnée facilement détectable de par sa relative simplicité de mise en oeuvre et il fournit une bonne base de travail pour étudier de façon systématique les différents points clés de l'étude : la communication, la synergie des informations, l'analyse des activités, etc.

L'utilisation des réseaux de capteurs sans fil (RCSF) croît dans plusieurs domaines, dont celui des espaces intelligents. Dans un espace intelligent, les RCSF sont utilisés puisque les noeuds qui les composent se dissimulent dans l'environnement et consomment très peu d'énergie. Pour l'installation, la maintenance et la gestion des contextes, il est nécessaire de pouvoir reprogrammer un, noeud sans avoir à le redémarrer. Ce projet de recherche vise l'amélioration de la reprogrammation des RCSF en utilisant l'ingénierie logicielle basée sur les composants (ILBC). En utilisant un cadriciel hybride de composants et un format exécutable allégé, les composants dynamiques deviennent utilisables à moindres coûts. Les résultats obtenus lors de ces travaux ont été publiés dans un article de journal. Les travaux de ce projet se divisent en deux volets. Le premier volet est l'optimisation des cadriciels dynamiques de composants. Le problème est que ces derniers demandent trop de ressources et ne sont pas envisageables pour les RCSF. Afin de diminuer la surcharge en taille de l'utilisation de composants dynamiques, un concept de cadriciel hybride de composants' est proposé. Pour valider ce concept, le cadriciel NodeCom est créé et requiert aussi peu de mémoire que Contiki. NodeCom possède un noyau minimal qui est statique alors que les autres composants peuvent être statiques ou dynamiques. Le deuxième volet est l'optimisation de la reprogrammation adaptée aux RCSF avec l'ILBC. C'est en compressant. le format de fichiers exécutable qui contint les composants que la reprogrammation est optimisée. Le chargement dynamique utilisé est accéléré et la consommation énergétique du transfert de composants est diminuée. C'est le format ELF qui est modifié pour partager les composants dynamiques. Pour réduire sa taille, plusieurs sections et symboles peuvent être supprimés en raison des contraintes imposées par l'utilisation de l'ILBC. Puisque les RCSF utilisent majoritairement des microcontrôleurs 8 bits ou 16 bits, les métadonnées 32 bits du format ELF sont converties. La résultante de ces modifications est le format de composants ComELF qui permet d'obtenir des compressions de près de 50 %. À ce format, une description des composants est finalement ajoutée pour permettre une gestion automatique du chargement dynamique.

Dans cette thèse, il s'agit de proposer un protocole MAC qui prend en compte certaines spécificités des réseaux de capteurs sans fil linéaires. Ce protocole MAC est basé sur des jetons circulants qui donnent aux noeuds le droit d’accès au canal de transmission. Nous évaluons à partir de ce protocole l’impact des interférences et de la connectivité sur un réseau linéaire. Cette évaluation nous permet de proposer des techniques de clustering dans un réseau de capteurs sans fil linéaire. Nous supposons d’abord un clustering basé sur une exploitation logique du voisinage des noeuds capteurs. Nous considérons dans ce cas, un modèle de propagation déterministe qui ne tient pas en compte la complexité du milieu. Ensuite, nous considérons une technique de clustering dans laquelle le modèle de propagation prend en compte les fluctuations qui rendent le milieu complexe. / In this thesis, we propose a MAC protocol that takes into account the specific characteristics of LSNs. This MAC protocol is based on tokens circulating that give the right to nodes to access to the transmission channel. We evaluate from this protocol the impact of interference and connectivity in the LSN. This evaluation allows us to propose clustering techniques in a LSN. We assume first a clustering based on a logical exploitation of the vicinity of the sensor nodes. In this case, we assume that a deterministic propagation model that does not take into account the complexity of the environment. Next, we consider a clustering technique wherein the propagation model takes into account the fluctuations that make complex the medium.

De nouveaux protocoles ont été standardisés afin d'intégrer les réseaux de capteurs sans fil (WSN) dans l'Internet. Parmi eux, RPL pour la couche routage et IEEE 802.15.4 pour la couche MAC. L'objectif de cette thèse est d'améliorer ces protocoles en prenant compte des contraintes énergétiques des dispositifs du WSN. Tout d'abord, nous avons conçu une nouvelle méthode de diffusion dans la norme IEEE 802.15.4, afin d'assurer une livraison fiable des paquets de contrôle des couches supérieures. Ensuite, nous avons fourni une évaluation exhaustive de RPL, en soulignant un problème d'instabilité qui génère une surcharge d'énergie importante. Compte tenu que la durée de vie des WSN est très limitée, nous avons aussi proposé une nouvelle métrique de routage qui identifie les goulets d'étranglement énergétiques afin de maximiser la durée de vie du réseau. Enfin, en couplant cette mesure avec une version multiparent de RPL, nous avons résolu le problème d'instabilité souligné précédemment. / New protocols have been standardized in order to integrate Wireless Sensor Networks (WSN) in the Internet. Among them, the IEEE 802.15.4 MAC layer protocol, and RPL, the IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks. The goal of this thesis is to improve these protocols, considering the energy constraints of the devices that compose the WSN. First, we proposed a new MAC layer broadcast mechanism in IEEE 802.15.4, to ensure a reliable delivery of the control packets from the upper layers (especially from RPL). Then, we provided an exhaustive evaluation of RPL and highlighted an instability problem. This instability generates a large overhead, consuming a lot of energy. Since the lifetime of WSN is very limited, we proposed a new routing metric that identifies the energy bottlenecks and maximizes the lifetime of the network. Finally, by coupling this metric with a multipath version of RPL, we are able to solve the instability problem previously highlighted.

Avec l'émergence des nouvelles technologies, les communications sans fil n'ont cessé de croître afin de permettre aux utilisateurs un accès à l'information et aux services électroniques, et ceci indépendamment de leur position géographique. Les réseaux sans fil ont aussi trouvé leur place pour des applications spécifiques telles que les transmissions radio utilisées pour l'interconnexion de capteurs. Ce type de réseau peut être considéré comme un sous-ensemble des réseaux ad hoc. Des contraintes spécifiques s'appliquent alors aux utilisateurs de ces réseaux, telles que la difficulté d'accès pour la maintenance, les problèmes liés à la miniaturisation et au nombre élevé de capteurs. L'objectif de cette thèse est d'étudier les contraintes énergétiques liées à l'utilisation des batteries à capacité limitée pour l'alimentation des capteurs. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé de représenter les réseaux de capteurs à travers une image à échelle de gris : les zones claires correspondant aux zones riches en énergie, alors que les zones sombres représentent des régions avec une capacité énergétique faible. Des filtres issus du monde de traitement d'image sont alors appliqués à cette image représentant l'énergie. Ainsi, nous proposons des filtres de convolution de type Sobel ou de type filtre moyen pour nos algorithmes de routage et nous construisons une matrice énergétique pour chaque capteur. Cette matrice est alors utilisée avec le produit de convolution pour guider le routage. Les différents algorithmes proposés font ensuite l'objet de simulations avec le simulateur de réseaux OMNeT++. / With the emergence of new technologies, wireless communications have been developed in order to allow users an access to information and to electronic services, independently of their geographical position. Wireless networks have also been developed for specific applications such as radio transmissions used for interconnection of sensors. This type of network can be considered as a subset of ad hoc networks. On other side, this implies specific constraints on users, such as the problem of the access for maintenance, the problems of miniaturization, and the large number of sensors. The objective of this thesis is to focus on energy constraints related to the use of batteries with limited capacity for the supply of sensors. In our work, we propose routing algorithms to route information while controlling energy consumption. To achieve this goal, we have represented the sensor network as a grayscale image: light areas represent regions rich in energy, whereas dark areas represent regions with low energy capacity. Filters used in image processing are then applied to the image representing the energy. Thus, we propose convolution filters like Sobel or mean filter in our routing algorithms and we construct an energy matrix for each sensor. This matrix will be used with the convolution to find the best path. The proposed algorithms are verified by simulations performed with the network simulator OMNeT++.