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.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d'Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d'un avion ou d'un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d'apporter des avantages tels qu'une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n'avons travaillé que sur l'application aéronautique. Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d'énergie, un système de stockage de l'énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu'il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l'épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm. Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d'énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l'architecture pour la gestion de l'énergie (vue d'ensemble des panneaux photovoltaïques, d'un circuit MPPT, des super condensateurs, et d'un régulateur) est présentée.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d’Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d’un avion ou d’un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d’apporter des avantages tels qu’une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n’avons travaillé que sur l’application aéronautique.Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d’énergie, un système de stockage de l’énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu’il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l’épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm.Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d’énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l’architecture pour la gestion de l’énergie (vue d’ensemble des panneaux photovoltaïques, d’un circuit MPPT, des super condensateurs, et d’un régulateur) est présentée / Flight tests of a commercial aircraft consist in gathering data during flight to validate aircraft design. However they are very expensive for various reasons. One of them is that most of the sensors implemented to collect data are wired. As an example, for the sole system that monitors the vibrations onboard a large (more than 100 seats) aircraft, more than 100 sensors may be deployed. Such networks are complex to implement, mainly because of the required wiring. A wireless solution is therefore of great interest; however, such a cable-less implementation implies both wireless transmission of data together with energy autonomy.The purpose of this work is therefore to describe a design of a power generation system, focusing on photovoltaic, together with the associated management strategies for an autonomous wireless sensor network deployed for large aircraft in-flight tests. This work is a part of SACER project. The main requirements are related to the thickness of the system (less than 3,2mm in order not to disturb the aerodynamic air flow) and the output power (3 W per sensor node in order to power the sensor, data processing and transmission system). In addition, the system has to properly work at extremely high and low temperature (-50 to 100°C). Our system consists of three primary components to consider: Energy Harvesting system, Energy storage device and Energy management system.In this work, we firstly present the comparison of the performance of different photovoltaic technologies at different temperatures concerning their availability and achievable power density in aircraft applications. Secondly, we will investigate the possibility of using batteries and supercapacitor. Finally the power management system, composed by a photovoltaic panel, a power conditioning (MPPT function), supercapacitors and a DC/DC regulator, is presented

Les progrès technologiques permettent aujourd'hui l’intégration à bas coût d'objets multi-capteurs hétérogènes communicants sans fil notamment pour la surveillance dans les environnements considérés à risques ou non accessibles. Le but de ces travaux de thèse est de contribuer à la sécurisation des personnes et de leur environnement de vie par la mise en réseau de dispositifs multi-capteurs de mesures sans fil. Ceux-ci doivent être spécifiés et configurés pour rendre par exemple l'environnement qu'ils surveillent intelligent et sécurisé. Le travail effectué porte sur la conception et le prototypage réel d’un réseau composé de dispositifs hétérogènes autonomes en énergie. Nos contributions comportent trois volets essentiels :Le premier volet concerne la conception d’un modèle de réseau ambiant adapté : nous avons proposé un modèle qui repose sur une architecture multi-niveaux caractérisée par des nœuds hétérogènes dont le captage (détection), le traitement et le stockage des données sont distribués par niveau. Cette architecture hiérarchique offre plusieurs avantages par rapport aux architectures linéaires classiques en termes d’évolutivité, de faible coût, de meilleure couverture, de hautes fonctionnalités et de fiabilité. Nous avons défini le comportement adapté pour chaque nœud dans le modèle et montré l’avantage de la solution par la simulation.Le deuxième volet concerne la proposition originale d’un protocole d’accès au médium efficace en énergie nommé « T-TMAC » et adapté à l’application, permettant d'organiser les échanges des messages dans l’architecture du réseau retenu. L’originalité du protocole est qu’il est composé de mécanismes de maintenance performants permettant la gestion de la mobilité et la reconfiguration du réseau (ajout et suppression d’un capteur). Pour cela, une adaptation et un paramétrage du standard IEEE 802.15.4 sont proposés.Le dernier volet présente l’évaluation et l’analyse de performances du protocole développé dans le cadre de scénarios de tests. Nous avons étudié en particulier l’impact de la taille des données et la périodicité de transfert sur l’énergie et le délai. Le protocole est validé à l’aide d’un modèle analytique dont les résultats ont été comparés à ceux obtenus par prototypage matériel. / Today technological advances allow low-cost deployment of wireless heterogeneous sensors in specific environments such as those considered risky or not accessible. The aim of this thesis is to contribute to the application of Wireless Sensor Networks (WSN) for health-care monitoring. Currently the integrated sensors must be specified and configured to make the monitored environment intelligent and secured. Our work focuses on the design of this network and the prototyping of the real devices that constitute it. Our contributions include three key components:The first part concerns the design of an ambient adapted network: we proposed a model based on a network architecture characterized by multiple tiers with heterogeneous nodes distributed: sensing, processing and data storage. This architecture offers more advantages than classical single tier architecture in terms of scalability, low cost, coverage, functionality and reliability. We have defined the appropriate behavior for each node in this network model and we showed the advantages of our solution through simulation.The second part deals with the proposition of an energy efficient medium access protocol named "T-TMAC": the protocol is adapted to the application requirements. It permits to organize the data exchange in the chosen network architecture. The originality of this protocol is that it includes efficient maintenance mechanisms that allow managing mobility and network reconfiguration (addition of a sensor, removing a sensor). In this way an adaptation and a parameterization of the IEEE 802.15.4 Standard are proposed.The final part of this work presents the performance evaluation and analysis of the proposed MAC protocol in use cases. We studied the impact of packets size and dissemination interval parameters on energy and delay. The protocol is validated by an analytical model. We proposed a reel evaluation by prototyping. A comparison of results obtained from the different approaches is finally presented.

Les travaux réalisés dans cette thèse se situent dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks), déployés en environnement urbain et se focalisent sur la sécurité des protocoles de routage multi-sauts. Les capteurs sont souvent déployés dans des environnements ouverts et accessibles permettant aux éventuels attaquants de les détruire ou de les capturer afin d'en extraire les données sensibles (clés de chiffrement, identité, adresse, etc.). Les méthodes traditionnelles, basées sur la cryptographie, permettent d'obtenir une sécurité de base (authentification, confidentialité, intégrité, non répudiation etc.), mais ne permettent pas toujours de se prémunir contre les attaques dues à la compromission des nœuds (réplication des nœuds, Sybil, Selective forwarding, Blackhole, Sinkhole, Wormhole etc.). Dans le but d'apporter des solutions algorithmiques complémentaires aux solutions cryptographiques, nous étudions la résilience des protocoles de communication en présence d'adversaires internes visant à perturber l'acheminement de l'information à travers le réseau. Dans un premier temps, nous introduisons la notion de résilience et une métrique quantitative doublée d'une représentation qualitative pour mieux l'appréhender. Nous étudions les principaux protocoles de routage de la littérature selon notre métrique pour montrer leur capacité d'être résilients. Cette étude nous permet de proposer trois mécanismes visant à développer la résilience: (i) l'introduction de comportements aléatoires, (ii) la limitation de la longueur des routes et (iii) la réplication de paquets. Nous appliquons ces mécanismes aux protocoles classiques et nous les étudions selon notre métrique. Pour confirmer les résultats de simulations, nous proposons enfin un travail théorique pour mesurer analytiquement la résilience en nous basant sur le modèle des marches aléatoires biaisées. / This thesis focuses on the security issues of multi-hop routing protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs). The rapid deployment capabilities, due to the lack of infrastructure, as well as the self organized and potentially fault-tolerant nature of WSNs make them attractive for multiple applications spanning from environmental monitoring (temperature, pollution, etc.) to building industrial automation (electricity/gas/water metering, event detection, home automation etc). Security is particularly challenging in WSNs. Because of their open and unattended deployment, in possibly hostile environments, powerful adversaries can easily launch Denial-of-Service (Dos) attacks, cause physical damage to sensors, or even capture them to extract sensitive information (encryption keys, identities, addresses etc.). After node compromise, an adversary can seek to disrupt the functionality of network layer by launching attacks such as node replication, Sybil, Selective forwarding, Sinkhole, Wormhole etc. To cope with these "insider" attacks, stemming from node compromise, "beyond cryptography" algorithmic solutions must be envisaged to complement the traditional cryptographic solutions. Firstly, we propose the resiliency concept including our definition and a new metric to compare routing protocols. This method allows to aggregate meaningfully several parameters (quantitative information) and makes it easier to visually discern various tradeoffs (qualitative information), thus greatly simplifying the process of protocol comparison. Secondly, we propose the protocol behaviors enhancing resiliency. Our proposition consists in three strategies: (i) introduce random behaviors (ii) limit route length (iii) introduce data replication. These mechanisms are applied to several well known routing protocols to study their resiliency. Finally, a theoretical study of resiliency is introduced. We present an analytical study of biased random walks under attacks to confirm the results obtained through simulations.

La gestion de l’énergie est une préoccupation majeure dans les réseaux de capteurs sans fil. Ces capteurs sont généralement alimentés par une batterie embarquant une quantité d’énergie finie. Par conséquent, le temps pendant lequel les capteurs peuvent surveiller une zone et communiquer par signaux radio peut être limitée lorsqu’il n’est pas possible de remplacer leur batterie. En outre, les réseaux de capteurs sont parfois déployés dans les zones difficiles d’accès ou dans des environnements hostiles dans lesquels le placement des capteurs peut être considéré comme aléatoire (c’est le cas par exemple lorsque les capteurs sont largués d’un avion ou d’un hélicoptère). Ainsi, l’emplacement des capteurs n’est pas connu a priori et les approches pour utiliser efficacement l’énergie sont nécessaires. Cette thèse explore l’utilisation de la génération colonnes pour optimiser l’utilisation de l’énergie dans les réseaux de capteurs sans fil. La génération de colonnes peut être vue comme un cadre général pour résoudre différents problèmes dans la conception et l’exploitation de ces réseaux. Plusieurs versions du problème et divers modèles sont proposés pour représenter leur fonctionnement,en utilisant notamment la génération de colonnes. Ces approches exploitent le caractère naturel de la génération de colonnes pour modéliser les différents aspects des réseaux de capteurs sans fil.Dans cette thèse, des contributions algorithmiques sont apportées afin de tirer le meilleur parti de la génération de colonnes au plan de l’efficacité computationnelle. Des stratégies hybrides combinant génération de colonnes et (méta)-heuristiques et donnant lieu à des méthodes exactes et approchées sont proposées et évaluées. Des tests numériques montrent l’efficacité des approches proposées et des bornes supérieures qui peuvent être employées pour évaluer l’efficacité des méthodes centralisées et distribuées. Enfin, des perspectives sont dégagées concernant les performances et la portabilité de la génération de colonnes pour aborder des problèmes plus réalistes et tenir compte des caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil du futur. / Energy is a major concern in wireless sensor networks (WSN). These devices are typically battery operated and provided with a limited amount of energy. As a consequence, the time during which sensors can monitor the interesting phenomena and communicate through wireless signals might be limited because of (sometimes) irreplaceable batteries. Additionally, it is very common for WSN to be usedin remote or hostile environments which possibly makes necessary a random placement strategy (by using an airplane, a drone or a helicopter). Hence, the sensors location is not known a priori and approaches to efficiently use the energy are needed to answer to network topologies only known after sensors deployment. This thesis explores the use of column generation to efficiently use the energy in WSN. It is shown that column generation can be used as a general framework to tackle different problems in WSN design. Several versions of the problem and models for the operation of the WNS are adapted to be solved through column generation. These approaches take advantage of the natural way that column generation offers to consider different features of the WSN operation. Additionally, some computational improvements are proposed to keep the column generation method operating as an efficient exact approach. Hybrid strategies combining column generation with (meta)heuristic and exact approaches are considered and evaluated. The computational experiments demonstrate the efficiency of the proposed approaches and provide practitioners on WSN research with strategies to compute upper bounds to evaluate heuristic centralized and decentralized approaches. Finally, some future directions of research are provided based on the performance and adaptability of column generation to consider more sophisticated models and characteristics newly introduced in sensor devices.

L’intégration du monde physique et des systèmes d’information est l’un des faits majeurs de la récente décennie. Cette intégration est rendue possible par les systèmes de communication, en particulier les systèmes sans fil, et par les recherches à l’interface physique dans le domaine des capteurs.L’usage de cette interface peut se concevoir de manière locale, par exemple le contrôle d’un objet, ou une aide dirigée vers une personne. Cette interface peut aussi exister au niveau distribué, en permettant la synthèse d’informations éparses et des prises de décisions concernant par exemple des économies de ressources : éteindre l’éclairage d’une rue, guider vers une place de parking libre.Les réseaux de capteurs sans fil contribuent à cette seconde catégorie et cette thèse s’est consacrée à la simulation de la propagation d’informations sonores en milieu urbain, avec une caractérisation distribuée.Le support décisif pour cette simulation est la représentation cellulaire de la ville et de ses zones : rues, jardins, rocades, bâtiments, rivières. Cette représentation cellulaire est produite par l’analyse d’imagesgéo-localisées et peut être complétée par la consultation de bases de données, pour l’élévation, par exemple. La représentation cellulaire est ensuite transformée en systèmes de processus interconnectés, à même de reproduire quantité de comportements collectifs, physiques ou numériques. / Physical world and information systems unification is a major achievement during this last decade. Communication systems, especially wireless technology, and research in physical sensors field have taken a major part in this integration.The interface between the physical word and a computer can be used in two ways. First, from a local perspective, where such a system can control for instance a single object or provide a personal assistance.Moreover, in a distributed system, this interface collects and analyses sparse data to make decisions, for instance about resource savings: to turn off streetlights, to guide to a parking spot.Wireless sensor networks are part of this second category. Thus, this thesis is focused on sound propagation simulation in urban environment, in a distributed manner.The key point of this work is a cellular representation of the city in order to model streets, gardens, ring roads, buildings, and rivers. Georeferenced image analysis, complemented by database consultation, for example to retrieve elevation data, generates this cellular model. Then, this model is converted into a system made of interconnected processes, that can reproduce many collective behaviors, whether physical or digital.We have developed a cellular automata that models sound propagation, including reflection and refraction, working on a graphics accelerator. Finally, we have produced a coupling method between observation systems by sensor networks and physical systems.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF ou Wireless Sensor Network - WSN) sont l'une des technologies les plus importantes du 21ème siècle. La plupart des chercheurs et les analystes estiment que, dans un proche avenir, ces micro-capteurs seront intégrés partout dans l’environnement de notre vie quotidienne. Ces dernières années, l'Internet des Objets (Internet of Things - IoT) est également une des technologies émergentes qui se développe rapidement. Deux nouveaux standards permettent de déployer des réseaux sans fil de faible consommation énergétique connectés à internet : le protocole 6LowPAN (Low power Wireless Personal Area Networks) qui permet notamment d’apporter l’adressage IPv6 aux capteurs grâce à l’encapsulation et la compression des données et le protocole de routage RPL (IPv6 routing protocol for low-power and lossy network) qui permet à l’information de circuler dans les WSN de proche en proche à un faible coût énergétique. Bien que le développement de ces techniques soit extrêmement rapide, plusieurs problèmes causés principalement par le manque de ressources des micro-capteurs (puissance limitée de traitement, problèmes de bande passante et de connexion des liens avec perte de données, problème de ressource énergétique limitée) demeurent et doivent être résolus, notamment pour les applications agro-environnementales. / The wireless sensor network (WSN) is one of the most important technologies of the 21st century. Most researchers and technical analysts believe that in the near future, these micro-sensors will be integrated into the environment of our daily lives. In recent years, the IoT (Internet of Things) and WoT (Web of Things) technologies also have great forwarding. Especially, the IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) protocol has allowed the use of IPv6 protocol stack in the field of WSN, thanks to its encapsulation and compression mechanisms in IPv6 packet header. Moreover, the RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Network) provides such a powerful routing function that can be applied for a variety of application scenarios. These two key standards of IoT and WoT technologies for WSN can be used in an IPv6 stack, and they will successfully achieve the connection between Internet and micro-sensors. Thus, due to the availability of IPv6 address (128-bit), all the communicating objects, such as smart device, sensor, and actuator, can be connected to the Internet. That is the greatest advantage brought by the IoT. Although the progress of these techniques is extremely fast, several issues caused by resource constraints of micro-sensor (limited processing power, bandwidth and lossy connection link, and energy), such as QoS, energy efficient, robustness and lifetime of WSN, and the most important, the special requirement of agricultural applications. Notice that Precision Agriculture is are still very challenging and waiting to be solved. Essentially, these open questions would dabble in the aspects like telemedicine, remote home automation, industrial control etc. Thus, the results obtained in this work will have a significant impact on both economic and scientific. Economically, it can offer a solution for WSN to support sustainable development in the field of agriculture automation. While scientifically, we will contribute to the routing protocol standardization of wireless micro-sensors in the domain of environmental monitoring.

Les réseaux de capteurs sans fils (RCSFs) suscitent un intérêt croissant depuis une vingtaine d'années. La première partie de cette thèse est consacré à l'étude de l'efficacité de compression de données corrélées provenant d'un RCSF et acheminées vers un point de collecte à l'aide du codage réseau linéaire aléatoire. Les conditions nécessaires et suffisantes sont obtenues pour récupérer parfaitement les données que les capteurs mesurent. Puis on considère les nœuds dans un RCSF collaborant afin d'exécuter une tâche donnée (acquisition, détection...), pour laquelle chaque nœud a potentiellement un niveau d'expertise différent. La seconde partie de cette thèse est dédiée à la conception et à l'analyse d'algorithmes d'auto-évaluation distribués (AED), qui permettent à chaque nœud d'auto-évaluer son niveau d’expert. Trois types de problèmes sont considérés: i) la détection distribuée des nœuds défaillants (DDD), qui permet d'identifier les nœuds équipés de capteurs défectueux dans un RCSF; ii) la DDD dans un réseau tolérant aux déconnections (RTD) dont la topologie est dynamique et le degré de connectivité très faible; iii) la AED avec interactions pair à pair. Les résultats théoriques sont utiles pour configurer les paramètres des algorithmes. / Wireless sensor networks (WSNs) have attracted much interests in the last decade. The first part of this thesis considers sparse random linear network coding is for data gathering and compression in WSNs. An information-theoretic approach is applied to demonstrate the necessary and sufficient conditions to realize the asymptotically perfect reconstruction under MAP estimation. The second part of the thesis concerns the distributed self-rating (DSR) problem, for WSNs with nodes that have different ability of performing some task (sensing, detection...). The main assumption is that each node does not know and needs to estimate its ability. Depending on the number of ability levels and the communication conditions, three sub-problems have been addressed: i) distributed faulty node detection (DFD) to identify the nodes equipped with defective sensors in dense WSNs; ii) DFD in delay tolerant networks (DTNs) with sparse and intermittent connectivity; iii) DSR using pairwise comparison. Distributed algorithms have been proposed and analyzed. Theoretical results assess the effectiveness of the proposed solution and give guidelines in the design of the algorithm.

Ce travail s’inscrit dans un projet consistant à développer un prototype de capteur RF autonome et intelligent permettant la réalisation d’un réseau de capteurs sans fil dans un environnement industriel. Cette thèse traite de l’étude, la conception et la réalisation de la partie radiofréquence de la chaîne d’émission sans fils du capteur RF dans la bande ISM 863-870 MHz en technologie CMOS AMS 0.35µm. Cette chaîne inclut toutes les fonctions depuis l’oscillateur local jusqu’à l’amplificateur de puissance. L’émetteur occupe une surface de 0.22mm² et consomme environ 27mA sous une tension d’alimentation de 3.3V. De nombreux principes innovants ont été mis en œuvre et validés. Tous ces principes peuvent être facilement transposés à d’autres standards de communication et dans d’autres bandes de fréquences. Les résultats de simulations du dessin des masques vérifient complètement les spécifications et confirment les simulations. Une caractérisation expérimentale partielle valide les nouvelles architectures proposées. / This work joins in a project consisting in developing prototype of an autonomous and smart RF sensor allowing the realization of a wireless sensor network in an industrial environment. This thesis deals with the study, the design and the realization of the radio-frequency part of the transmitter using the 863-870 MHz ISM band and the CMOS AMS 0.35µm technology. This transmitter includes all the functions from the local oscillator to the power amplifier. The integrated circuit occupies a surface of 0.22mm² and consumes approximately 27mA under a supply voltage of 3.3V. Numerous innovative principles were implemented and validated. All these principles can be easily transposed into other standards of communication and in other frequency bands. The results of the post-layout simulation completely satisfy the specifications and confirm the simulations. Partial experimental characterization validates new architectures proposed.