Parmi les nombreuses applications potentielles des réseaux de capteurs sans fil, celles utilisant des capteurs d'image sont appréciables pour tout ce qui concerne la détection, la reconnaissance et la localisation d'objets par la vision. Des capteurs de petite taille, peu gourmands en énergie et dotés d'une caméra existent déjà au stade de prototype, mais des algorithmes de traitement et de compression de données, ainsi que des protocoles de communication de faible complexité et peu coûteux en énergie doivent être développés pour que ces applications puissent être envisagées en pratique. La contribution de cette thèse porte principalement sur deux aspects. Premièrement, nous avons proposé un protocole de transmission d'images semi-fiable pour réduire la consommation d'énergie des noeuds relayant les paquets jusqu'au collecteur. Les économies d'énergie sont obtenues en préparant à la source des paquets de différences priorités, grâce à une transformée en ondelettes de l'image, puis en conditionnant l'acheminement des paquets, saut par saut, suivant leur priorité et l'état de charge des batteries. Deuxièmement, nous avons étudié plus profondément les aspects de traitement et codage d'images à la source, et nous avons proposé un nouvel algorithme de compression d'images de faible complexité, combiné avec une technique d'entrelacement de pixels basée sur les automorphismes toriques. Des expérimentations sur une plate-forme réelle de réseau de capteurs d'images ont été réalisées afin de démontrer la validité de nos propositions, en mesurant des aspects telles que la quantité de mémoire requise pour l'implantation logicielle de nos algorithmes, leur consommation d'énergie et leur temps d'exécution, ainsi que la qualité des images reconstituées au récepteur en présence de pertes de paquets. / Among the many potential applications of wireless sensor networks, those using image sensors are valuable for everything concerning the detection, recognition and locating objects by sight. Sensors small, less energy and with a camera already exist in prototype stage, but processing algorithms and data compression and communication protocols of low complexity and low expensive energy should be developed for these applications can be envisaged in practice. The contribution of this thesis focuses on two aspects. First, we have proposed a protocol for transmitting images semi-reliable to reduce energy consumption nodes relaying packets until collector. Energy savings are achieved in preparing for the source of differences in priorities, with a wavelet transform of the image, then a condition for delivery of packages, jump by jump, according to their priority and status charging batteries. Secondly, we looked deeper aspects of processing and image coding to the source, and we have proposed a new compression algorithm of images of low complexity, combined with a technique of interlacing of pixels based on automorphism rings . Experiments on a platform of real network image sensors have been conducted to demonstrate the validity of our proposals, by measuring aspects such as the amount of memory required for the implementation of our software algorithms, their consumption energy and their execution time, and the quality of reconstructed images to a receiver in the presence of lost packages.

Les réseaux de capteurs sont formés d’un ensemble de dispositifs capables de prendre individuellement des mesures d’un environnement particulier et d’échanger de l’information afin d’obtenir une représentation de haut niveau sur les activités en cours dans la zone d’intérêt. Une telle détection distribuée, avec de nombreux appareils situés à proximité des phénomènes d’intérêt, est pertinente dans des domaines tels que la surveillance, l’agriculture, l’observation environnementale, la surveillance industrielle, etc. Nous proposons dans cette thèse plusieurs approches pour effectuer l’optimisation des opérations spatio-temporelles de ces dispositifs, en déterminant où les placer dans l’environnement et comment les contrôler au fil du temps afin de détecter les cibles mobiles d’intérêt. La première nouveauté consiste en un modèle de détection réaliste représentant la couverture d’un réseau de capteurs dans son environnement. Nous proposons pour cela un modèle 3D probabiliste de la capacité de détection d’un capteur sur ses abords. Ce modèle inègre également de l’information sur l’environnement grâce à l’évaluation de la visibilité selon le champ de vision. À partir de ce modèle de détection, l’optimisation spatiale est effectuée par la recherche du meilleur emplacement et l’orientation de chaque capteur du réseau. Pour ce faire, nous proposons un nouvel algorithme basé sur la descente du gradient qui a été favorablement comparée avec d’autres méthodes génériques d’optimisation «boites noires» sous l’aspect de la couverture du terrain, tout en étant plus efficace en terme de calculs. Une fois que les capteurs placés dans l’environnement, l’optimisation temporelle consiste à bien couvrir un groupe de cibles mobiles dans l’environnement. D’abord, on effectue la prédiction de la position future des cibles mobiles détectées par les capteurs. La prédiction se fait soit à l’aide de l’historique des autres cibles qui ont traversé le même environnement (prédiction à long terme), ou seulement en utilisant les déplacements précédents de la même cible (prédiction à court terme). Nous proposons de nouveaux algorithmes dans chaque catégorie qui performent mieux ou produits des résultats comparables par rapport aux méthodes existantes. Une fois que les futurs emplacements de cibles sont prédits, les paramètres des capteurs sont optimisés afin que les cibles soient correctement couvertes pendant un certain temps, selon les prédictions. À cet effet, nous proposons une méthode heuristique pour faire un contrôle de capteurs, qui se base sur les prévisions probabilistes de trajectoire des cibles et également sur la couverture probabiliste des capteurs des cibles. Et pour terminer, les méthodes d’optimisation spatiales et temporelles proposées ont été intégrées et appliquées avec succès, ce qui démontre une approche complète et efficace pour l’optimisation spatio-temporelle des réseaux de capteurs. / Sensor networks consist in a set of devices able to individually capture information on a given environment and to exchange information in order to obtain a higher level representation on the activities going on in the area of interest. Such a distributed sensing with many devices close to the phenomena of interest is of great interest in domains such as surveillance, agriculture, environmental monitoring, industrial monitoring, etc. We are proposing in this thesis several approaches to achieve spatiotemporal optimization of the operations of these devices, by determining where to place them in the environment and how to control them over time in order to sense the moving targets of interest. The first novelty consists in a realistic sensing model representing the coverage of a sensor network in its environment. We are proposing for that a probabilistic 3D model of sensing capacity of a sensor over its surrounding area. This model also includes information on the environment through the evaluation of line-of-sight visibility. From this sensing model, spatial optimization is conducted by searching for the best location and direction of each sensor making a network. For that purpose, we are proposing a new algorithm based on gradient descent, which has been favourably compared to other generic black box optimization methods in term of performance, while being more effective when considering processing requirements. Once the sensors are placed in the environment, the temporal optimization consists in covering well a group of moving targets in the environment. That starts by predicting the future location of the mobile targets detected by the sensors. The prediction is done either by using the history of other targets who traversed the same environment (long term prediction), or only by using the previous displacements of the same target (short term prediction). We are proposing new algorithms under each category which outperformed or produced comparable results when compared to existing methods. Once future locations of targets are predicted, the parameters of the sensors are optimized so that targets are properly covered in some future time according to the predictions. For that purpose, we are proposing a heuristics for making such sensor control, which deals with both the probabilistic targets trajectory predictions and probabilistic coverage of sensors over the targets. In the final stage, both spatial and temporal optimization method have been successfully integrated and applied, demonstrating a complete and effective pipeline for spatiotemporal optimization of sensor networks.

Les capteurs à fibre optique distribués (DFS) tirant parti des mécanismes de diffusion se produisant dans l’élément détecteur de fibre, à savoir la diffusion de Rayleigh, Raman et Brillouin, ont été un sujet de recherche intense au cours des trois dernières décennies. Ils offrent de nombreuses applications pratiques classées en raison des avantages inhérents, tels que la petite taille, le poids léger, la sensibilité élevée, les performances excellentes, la durabilité intrinsèque dans des environnements difficiles, l’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), etc. En particulier, le DFS basé sur le processus de diffusion stimulée de Brillouin (SBS), appelé analyse temporelle optique de domaine de Brillouin (BOTDA), présente la capacité potentielle de réaliser la télédétection sur de longues distances, typiquement des dizaines de kilomètres et des centaines de kilomètres récemment. La fibre optique servant non seulement d’élément de détection, mais également de moyen de guidage de la lumière, est capable de détecter divers paramètres physiques d’intérêt, tels que la température, les contraintes, les pressions et les champs acoustiques. Ces measurandes peuvent être détectés directement ou indirectement le long de la fibre entière. Les systèmes de pergélisol dans le Nord canadien sont fortement perturbés par les changements climatiques dus au réchauffement de la planète; le dégel du pergélisol affecte à son tour les environnements et les communautés. Afin de réaliser une surveillance en temps réel de la stabilité des infrastructures, un réseau de détection BOTDA doté d'un nouveau transducteur à fibre optique est proposé pour surveiller les modifications physiques, notamment les pressions interstitielles, la température et le déplacement dans le pergélisol. Le principal défi consiste à mesurer simultanément les pressions d’eau interstitielle positive et négative, et à faire la distinction entre ces measurandes au sein d’un même transducteur. Lors de la première tentative, un polymère d'hydrogel est utilisé pour construire le transducteur, qui peut se dilater ou se contracter du fait de l'absorption ou de la libération d'eau par le matériau afin de détecter les pressions positives et négatives dans la plage cible de -100 kPa à +100 kPa le long d'un pergélisol système. Une fibre multi-cœur (MCF) bien conçue, incorporée dans le transducteur polymère, sera développée dans le but ultime de disposer de fonctionnalités de détection simultanée de plusieurs paramètres. / Distributed optical fibre sensors (DOFS) taking advantage of the scattering mechanisms occurring within the fibre sensing element, i.e. Rayleigh, Raman and Brillouin scattering, have been an intense research subject over the last three decades. They offer widespread practical in-filed applications due to the inherent advantages possessed, such as small size, light weight, high sensitivity, excellent performance, intrinsic durability to harsh environment, immunity to electromagnetic interference (EMI), and so on. Particularly, the one based on stimulated Brillouin scattering (SBS) process, so-called Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), presents the potential capability to perform remote sensing over long distance, typically tens of kilometres and extended to hundreds of kilometres recently. Optical fibre acting as not only a sensing element but also as a light guidance medium is able to detect a variety of physical parameters of interest, such as temperature, strain, pressure and acoustic fields to name a few. These measurands can be sensed either by directly or indirectly along the whole fibre. Permafrost systems in Northern Canada are strongly disturbed by the climate changes due to global warming; the thawing permafrost is in turn affecting the environments and communities. In order to achieve real-time surveillance of the stability of infrastructures, a BOTDA sensing network with novel fibre transducer is proposed to monitor the physical changes including positive/negative pore water pressures, temperature and displacement along permafrost environments. The main challenge is to measure simultaneously the positive and negative pore water pressures and to discriminate among those measurands within a single transducer. As an initial attempt, a hydrogel polymer is deployed to build the transducer, which can expand or shrink due to water absorption or release by the material to detect positive and negative pressures in the target range of -100 kPa to +100 kilopascal along a permafrost system. A well-designed multi-core fibre (MCF) incorporated into the polymer trans

Une nouvelle technique pour étudier le trafic routier, est la détection des véhicules par un réseau de capteurs sans fil installés dans la chaussée. Cette technologie se distingue de la plupart des systèmes classiques de détection de véhicules par son faible coût, son niveau élevé de flexibilité dans la configuration, sa multifonctionnalité par l'ajout d'autres modalités de détection et sa capacité à transmettre les informations via un réseau sans fil. Cependant, quand un capteur sans fil effectue l'acquisition du signal de champ magnétique terrestre dans l'optique de détecter le passage des véhicules, il l'échantillonne à une certaine fréquence, afin de ne pas rater le passage d'un véhicule. Lorsque la séquence de mesure dure plusieurs heures et qu'on a des dizaines ou des centaines de capteurs sans fil installés dans la chaussée, on se retrouve rapidement avec des données à stocker et à traiter qui peuvent être de taille importante. En outre, les communications sans fil de ces données sont très coûteuses en énergie et réduisent ainsi la durée de vie du capteur sans fil qui dispose des ressources limitées en énergie. Le compressive sensing (échantillonnage compressif), nouvelle méthode d'échantillonnage des signaux, tente justement de donner des solutions à ces problèmes, en réduisant significativement le nombre de mesures nécessaires et en utilisant par la suite des algorithmes d'optimisation convexe pour reconstruire tout le signal sans trop de perte perceptuel [i.e. perceptuelle]. À travers des simulations effectuées sur des signaux enregistrés par les capteurs sans fil de la compagnie allemande Coalesenses , nous montrons dans ce projet de recherche que l'échantillonnage compressif peut contribuer à maximiser considérablement la durée de vie d'un réseau de capteurs sans fil.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse a pour objectif le développement d’un système multi-capteurs de gaz permettant une évaluation en continu et en temps réel des différentes types de pollution atmosphérique en zone urbain, en classifiant notamment les pollutions de type urbaine, photochimique, ou encore liée au trafic. Le projet se base sur l’utilisation de différents capteurs de gaz de type semi-conducteur disponibles dans le commerce qui sont intégrés dans un dispositif autonome et portable, afin qu’il puisse fonctionner sur site.Dans un premier temps, et en grande partie à Saint-Etienne, différents types de capteurs sont sélectionnés puis leurs performances sont testées sur un banc simulant les atmosphères polluées et développé pour l’occasion. Afin de pallier aux problèmes de non répétabilité et de dérive de la ligne de base et de la sensibilité, des procédures de prétraitement de standardisation sont mises au point.Dans un deuxième temps, et en grande partie à Douai, différents sites de tests sont identifiés et leurs historiques de pollution sont étudiés. Plusieurs campagnes en stations de mesure d’une semaine, recouvrant les différentes saisons et les différents types de sites, sont alors menées. Il y est collecté conjointement les signaux des capteurs et des analyseurs de gaz réglementés. Des méthodes basées sur les réseaux de neurones sont alors appliquées afin d’obtenir conjointement, à partir des signaux des capteurs, une classification parmi 3 types de pollutions (urbaine, trafic et photochimique) ainsi qu’un indicateur global de qualité de l’air. Ces méthodes utilisent une approche basée sur la logique floue afin d’éviter les problèmes d’effet de bord. / No english abstract

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré un grand intérêt dans la dernière décennie, et ont apporté des solutions dans un nombre croissant d’applications. Toutefois, certaines d’entre elles restent irréalisables en raison de forts points de blocage non résolus, comme un manque de synchronisation entre les prises de mesures, ainsi que des débits de données trop faibles. Ce travail apporte une solution à ces deux points majeurs via la conception d’un noeud communicant sans fil spécifique. Celle ci, basée sur la conception croisée, utilise les propriétés temporelles des modulations UltraLarge Bande (UWB) pour permettre une synchronisation très précise ainsi qu’un débit de données élevé. Notre démonstrateur ASIC basé sur ces travaux permet une précision de synchronisation de 2 ns pour une modulation IR-UWB sur une bande passante de 1,5 GHz. Cette thèse décrit le protocole de synchronisation WiDeCS et la conception de deux preuves de concept fonctionnelles sur FPGA et ASIC / Wireless Sensor Networks have attracted mutch interest in the last decade, opening a new range of applications such as large area monitoring. However, a range of possible applications is still not satisfied due to strong blocking points remaining unsolved such as the lack of synchronization between measurements and low attain- able data rates. This doctoral work aims at solving these two issues issue through the design of a Wireless Sensor node implementation. The proposed solution is based on cross-layer design and uses time-domain properties of UltraWide Band (UWB) to provide nanosecond-scale synchronization between nodes and high data- rate transmission. An ASIC implementation has been designed, and demonstrates a 2 ns synchronization error with IR-UWB modulation over a 1.5 GHz bandwidth. In this thesis, a cross-layer scheme named WiDeCS is proposed, and two proof of concept implementations are detailed.

A wireless sensor network (WSN) consists of a large number of sensor nodes that are capable of detecting many types of information from the environment, including temperature, light, humidity, radiation and seismic vibrations. Current applications of WSNs include: physical security, air traffic control, video surveillance, environment and building monitoring. Such applications require that each sensor node knows its exact location. In this context, the received signal strength indicator (RSSI) is often used for distance measurements between the sensor nodes. This thesis presents a method for the evaluation of the RSSI properties in application to node localization in WSN. More specifically, a WSN application is implemented for collecting RSSI measurement in different conditions. The application consists of two parts: an experiment control script which runs on a computer, and an experiment mote firmware which runs on each WSN node. Statistical analysis of variance (ANOVA) was performed to determine the factors affecting the RSSI measurements. Result analysis shows that: the relation between RSSI values and distances depends on the environment; the used WSN motes are manufactured with enough precision, as the differences between the motes are insignificant; even if the RSSI measurements have significant variation, the mean RSSI values correlate with the distances; using different transmission power levels can provide additional information about the distances.

La culture cellulaire in vitro a toujours motivé les scientifiques pour découvrir de nouveaux médicaments, explorer de nouvelles thérapies et pour mieux comprendre la biologie cellulaire. Cependant, la culture cellulaire requiert un environnement très bien contrôlé, d'où l'émergence des incubateurs cellulaires commerciaux. Ceci dit, la recherche scientifique requiert l'observation en continu du développement cellulaire dans un environnement contrôlé. Bien que plusieurs approches soient disponibles afin de miniaturiser des instruments pour les intégrer dans un incubateur, peu d'approches ont été abordées avec succès pour miniaturiser un micro-incubateur et l'intégrer dans des systèmes de contrôle. Ainsi, le parallélisme présent dans un système à base de FPGA ajouté à la puissance de calcul des processeurs motive l'intégration d'un système de contrôle de micro-incubateur sur une même puce. La volonté de miniaturiser et d'intégrer plusieurs sous-systèmes de contrôle dans un même système embarqué motive d'autant plus l'utilisation d'une architecture Zynq UltraScale+. Ces travaux de recherche permettent d'intégrer le contrôle d'un micro-incubateur sur une architecture Zynq UltraScale+, de développer une interface graphique conviviale permettant l'observation et le contrôle d'un système de micro-incubateur et, finalement, de tester et valider le fonctionnement de l'implémentation des différents sous-systèmes de contrôle du micro-incubateur. Le développement des éléments de contrôle du micro-incubateur s'effectue à l'aide des outils de Xilinx. Ceux-ci permettent de développer le code VHDL, le code des processeurs temps réels et de compiler un système d'exploitation Linux personnalisé. L'interface graphique est développée avec l'outil QtCreator et intégrée sur le système d'exploitation Linux. Une carte de développement Ultra96 et des cartes électroniques connexes permettent de valider le fonctionnement de l'implémentation du contrôle du micro-incubateur. Toutes les composantes du contrôle du micro-incubateur sont validées en simulation VHDL, intégrées sur la carte Ultra96 et testées. L'interface graphique développée sur le système d'exploitation Linux communique de manière efficace avec les processeurs temps réels afin de permettre le contrôle et l'observation des différents sous-systèmes. / The in vitro cell culture has always motivated scientists to discover new drugs, explore new therapies or for a better understanding of cell biology. However, cell culture requires a very well controlled environment, hence the emergence of commercial cell incubators. Thus, research in this field requires the continuous observation of cell development in a controlled environment, among others. Although several approaches were available to miniaturize tools used in biological research to be integrated into an incubator, few approaches have been successfully addressed to miniaturize a micro-incubator to be integrated into a biological sensor. Thus, the parallelism of an FPGA-based system in addition to the computing performances were key elements for the integration of a micro-incubator control system on the same FPGA. In addition, the miniaturization and integration of several control subsystems in a single on-board systems were a key element to use a Zynq UltraScale + architecture. In this research work we aim to integrate the control system of a micro-incubator on a Zynq UltraScale + architecture and to develop a user-friendly graphical interface to observe and to control of a micro-incubator system. Finally, we aim to test and validate our implementations of the various micro-incubator control subsystems. The development of the micro-incubator's control elements is carried out using Xilinx tools. These allow to develop the VHDL code, the code for real-time processors and to compile a custom Linux operating system. The graphical interface was developed with the QtCreator tool and integrated into the Linux operating system. An Ultra96 development board and related electronic boards were used to validate the operation of the micro-incubator control implementation. All the micro-incubator control components were validated in VHDL simulation, integrated in the Ultra96 card and tested. The graphical interface developed on the Linux operating system communicates with the real-time processors in order to control and to observe various subsystems' behavior.

La nature des réseaux de capteurs sans fil comme ZigBee, permettant la communication entre différents types de nœuds du réseau, les rend très vulnérables à divers types de menaces. Dans différentes applications des technologies sans fil modernes comme SmartHome, les informations privées et sensibles produites par le réseau peuvent être transmises au monde extérieur par des moyens filaires ou sans fil. Outre les avantages offerts, cette intégration augmentera certainement les exigences en matière de protection des communications. Les nœuds capteurs du réseau étant souvent placés à proximité d'autres appareils, le réseau peut être plus vulnérable aux attaques potentielles. Cette recherche de doctorat a pour but d'utiliser les attributs natifs distincts de radiofréquence RF-DNA sécurisés produits par le processus d'empreinte numérique dans le but de fournir un support de communication sans fil sécurisé pour les communications de réseau ZigBee. Ici, nous visons à permettre une discrimination d'appareil en utilisant des préambules physiques (PHY) extraits des signaux émis pas de différents appareils. Grâce à cette procédure, nous pouvons établir une distinction entre différents appareils produits par différents fabricants ou par le même fabricant. Dans un tel cas, nous serons en mesure de fournir aux appareils des identifications physiques de niveau binaire non clonables qui empêchent l'accès non autorisé des appareils non autorisés au réseau par la falsification des identifications autorisées. / The nature of wireless networks like ZigBee sensors, being able to provide communication between different types of nodes in the network makes them very vulnerable to various types of threats. In different applications of modern wireless technologies like Smart Home, private and sensitive information produced by the network can be conveyed to the outside world through wired or wireless means. Besides the advantages, this integration will definitely increase the requirements in the security of communications. The sensor nodes of the network are often located in the accessible range of other devices, and in such cases, a network may face more vulnerability to potential attacks. This Ph.D. research aims to use the secure Radio Frequency Distinct Native Attributes (RF-DNA) produced by the fingerprinting process to provide a secure wireless communication media for ZigBee network device communications. Here, we aim to provide device discrimination using Physical (PHY) preambles extracted from the signal transmitted by different devices. Through this procedure, we are able to distinguish between different devices produced by different manufacturers, or by the same one. In such cases, we will be able to provide devices with unclonable physical bit-level identifications that prevent the unauthorized access of rogue devices to the network through the forgery of authorized devices' identifications.