Le vieillissement rapide de la population implique une évolution du système de soins pour prendre en charge les personnes dépendantes dont la proportion ne cesse de croître. Une option possible est de développer et de mettre en œuvre une technologie d'assistance à domicile. Ce travail de thèse consiste à concevoir et à expérimenter des solutions de " surveillance " multicapteurs : déploiement de capteurs dans l'environnement réel du patient, fusion multisensorielle et algorithmes de diagnostics automatiques, afin d'assurer la sécurité des personnes mais également d'aider les professionnels de santé à maintenir la qualité du suivi et des soins. Ce manuscrit présente à travers une étude bibliographique, un état des connaissances et des pratiques sur les systèmes d'analyse des activités des personnes âgées. Ensuite, il détaille l'étape de conception du système de surveillance retenu et selon une approche fonctionnelle présente l'architecture matérielle et logicielle mise en œuvre pour répondre aux spécifications établies. Deux projets sont issus de ce travail : 1) Le projet Homecare qui vise à expérimenter et à qualifier, au niveau opérationnel, un système complet de Télésurveillance pour les personnes âgées atteintes de la maladie d'Alzheimer. 2) Le projet BéA qui est plutôt orienté sur la surveillance " outdoor " pour des personnes valides mais fragiles : Notre contribution a concerné la mise en place d'une architecture système qui intègre un algorithme auto-adaptatif de détection et de modélisation des déambulations par tranche horaire. Enfin, les pistes d'un modèle économique qui définit les options offertes, aujourd'hui, au déploiement de ce type de systèmes sont discutées.

Les réseaux de capteurs sans fils se définissent comme un ensemble de petits appareils autonomes et interconnectés. Ces capteurs sont déployés dans une zone d'intérêt dans le but de collecter des informations de l'environnement comme la température ou la qualité de l'air, suivant l'application envisagée. L'évolution de ces dispositifs de capture vers le multimédia ouvre l'accès à une plus large palette d'applications et de services pour une meilleure maitrise de notre environnement. Dans cette thèse nous nous intéressons au suivi de cible mobile dans les réseaux de capteurs sans fils, certains de ces capteurs pouvant collecter des images. Le suivi de cible (Tracking) consiste à détecter et à localiser sur l'ensemble de sa trajectoire une cible traversant une zone d'intérêt. Cette application peut s'avérer très utile, par exemple, pour détecter et enregistrer les déplacements d'un intrus dans une zone sensible ou encore pour suivre les déplacements d'une personne assistée et munie d'un appareil avec interface radio. Contrairement aux systèmes de surveillance classiques qui nécessitent une infrastructure fixe, les réseaux de capteurs sans fils sont aussi faciles à installer qu'à désinstaller. De plus, grâce à leur polyvalence, ils peuvent être utilisés dans de nombreux environnements hostiles et inaccessibles pour l'être humain. Toutefois, étant restreints en énergie, ils ne peuvent rester actifs en permanence au risque de limiter considérablement leur durée de vie. Afin de résoudre ce problème, l'idée est d'activer uniquement les capteurs qui sont sur la trajectoire de la cible au moment ou cette dernière est à leur portée radio ou visuelle. La question est donc : comment et sur quels critères activer ces capteurs afin d'obtenir à tout moment le meilleur compromis entre la précision du suivi et la préservation des ressources énergétiques ? C'est à cette question que nous essayerons de répondre tout au long de cette thèse. Dans un premier temps nous nous intéressons aux cibles communicantes qui ont la faculté d'émettre des signaux et donc de faciliter grandement le processus de suivi. Le défi ici est de relayer l'information entre les différents capteurs concernés. Nous utilisons pour cela un algorithme de déploiement basé sur le concept de forces virtuelles (VFA : Virtual Forces Algorithm) associé à un algorithme de suivi collaboratif et distribué implémenté sur un réseau organisé en clusters. Ensuite, nous traitons le cas, plus complexe et plus fréquent, des cibles non communicantes. L'objectif est de détecter la présence de la cible uniquement à l'aide de capteurs de présence. Pour cela nous proposons le déploiement d'un réseau de capteurs sans fil hétérogènes composé decapteurs de mouvement en charge de la partie détection de la cible et de capteurs vidéo en charge de la partie localisation. Lorsqu'une cible est détectée par un capteur de mouvement, l'information est communiquée aux capteurs vidéo voisins qui décident d'activer ou non leurs caméras en se basant sur des critères prédéfinis tenant compte de l'angle d'orientation des caméras. Enfin, dans une dernière contribution nous nous intéressons plus spécifique mentaux modèles de mobilité de la cible. Ces modèles nous permettent d'anticiper ses déplacements et d'affiner le processus d'activation des capteurs qui sont sur sa trajectoire. Nous utilisons pour cela le filtre de Kalman étendu combiné à un mécanisme de détection de changements de direction nommé CuSum (Cumulative Summuray). Ce mécanisme nous permet de calculer efficacement les futures coordonnées de la cible et de réveiller les capteurs en conséquence / Wireless Sensor Networks (WSN) are a set of tiny autonomous and interconnected devices. These Sensors are scattered in a region of interest to collect information about the surrounding environment depending on the intended application. Nowadays, sensors allow handling more complex data such as multimedia flow. Thus, we observe the emergence of Wireless Multimedia Sensor Networks opening a wider range of applications. In this work, we focus on tracking moving target in these kinds of networks. Target tracking is defined as a two-stage application: detection and localization of the target through its evolution inside an area of interest. This application can be very useful. For example, the presence of an intruder can be detected and its position inside a sensitive area reported, elderly or sick persons carrying sensors can be tracked anytime and so on. Unlike classical monitoring systems, WSN are more flexible and more easy to set up. Moreover, due to their versatility and autonomy they can be used in hostile regions, inaccessible for human. However, these kinds of networks have some limitations: wireless links are not reliable and data processing and transmission are greedy processes in term of energy. To overcome the energy constraint, only the sensors located in target pathway should be activated. Thus, the question is : how to select these sensors to obtain the best compromise between the tracking precision and the energy consumption? This is the question we are trying to answer in this dissertation. Firstly, we focus on communicating targets which have the ability to transmit signals and greatly facilitate the tracking process. The challenge here is to relay the information between the concerned sensors. In order to deal with this challenge, we use a deployment strategy based on virtual forces (VFA: Virtual Forces Algorithm) associated to a distributed tracking algorithm implemented in a cluster-based network. Secondly, we handle a more complex and more frequent case of non-communicating targets. The objective is to detect the presence of such target using movement sensors. We propose the deployment of an heterogeneous wireless sensor networks composed of movement sensors used to detect the target and camera sensors used to locate it. When the target is detected the information is sent to the camera sensors which decide whether to activate or not their cameras based on probabilistic criteria which include the camera orientation angle. Finally, as our last contribution, we specifically focus on target mobility models. These models help us to predict target behaviour and refine the sensor activation process. We use the Extended Kalamn filter as prediction model combined with a change detection mechanism named CuSum (Cumulative Summuray). This mechanism allows to efficiently compute the future target coordinates, and to select which sensors to activate

La collecte de données par des réseaux de capteurs autonomes mobiles peut être couplée à l’utilisation de drones qui constituent une solution de backahauling facilement déployable à faible coût. Ces moyens de collecte peuvent servir lors de l’organisation d’évènements temporaires (sportifs ou culturels) ou encore pour mener des opérations dans des terrains difficiles d’accès ou hostiles. L’objectif de cette thèse est de proposer des solutions efficaces pour la communication à la fois entre capteurs mobiles au sol et sur la liaison bord-sol. A ces fins, nous nous intéressons à l’ordonnancement des communications, au routage et au contrôle de l’accès sur la liaison capteurs/drone, le collecteur mobile. Nous proposons une architecture répondant aux contraintes du réseau. Les principales sont l’intermittence des liens et donc le manque de connexité pour lesquelles des solutions adaptées aux réseaux tolérants aux délais sont adoptées. Vu la limitation des opportunités de communication avec le drone et la variation importante du débit physique, nous avons proposés des solutions d’ordonnancement qui tiennent compte à la fois des durées de contact que du débit physique. Le routage opportuniste est également fondé sur ces deux critères à la fois pour la sélection des nœuds relais que pour la gestion des files d’attente. Nous avons souhaité limiter l’overhead et proposer des solutions efficaces et équitables entre capteurs mobiles au sol. Les solutions proposées ont montré leur supériorité par rapport aux solutions d’ordonnancement et de routage classiques. Nous avons enfin, proposé une méthode d’accès combinant un accès aléatoire avec contention ainsi qu’un accès avec réservation tenant compte des critères précédemment cités. Cette solution flexible permet à un réseau de capteurs mobiles denses de se rapprocher des performances obtenues dans un mode oracle. Les solutions proposées peuvent être mises en œuvre et appliquées dans différents contextes applicatifs pour lesquels les nœuds au sol sont mobiles ou aisément adaptées au cas où les nœuds sont statiques. / Data collection by autonomous mobile sensor arrays can be coupled with the use of drones which provide a low-cost, easily deployable backhauling solution. These means of collection can be used to organize temporary events (sporting or cultural) or to carry out operations in difficult or hostile terrain. The aim of this thesis is to propose effective solutions for communication between both mobile sensors on the ground and on the edge-to-ground link. For this purpose, we are interested in scheduling communications, routing and access control on the sensor / drone link, the mobile collector. We propose an architecture that meets the constraints of the network. The main ones are the intermittence of the links and therefore the lack of connectivity for which solutions adapted to the networks tolerant to the deadlines are adopted. Given the limited opportunities for communication with the drone and the significant variation in the physical data rate, we proposed scheduling solutions that take account of both the contact time and the physical flow rate. Opportunistic routing is also based on these two criteria both for the selection of relay nodes and for the management of queues. We wanted to limit the overhead and propose efficient and fair solutions between mobile sensors on the ground. The proposed solutions have proved superior to conventional scheduling and routing solutions. Finally, we proposed a method of access combining a random access with contention as well as an access with reservation taking into account the aforementioned criteria. This flexible solution allows a network of dense mobile sensors to get closer to the performance obtained in an oracle mode. The proposed solutions can be implemented and applied in different application contexts for which the ground nodes are mobile or easily adapted to the case where the nodes are static.

Les progrès de la technologie des capteurs, des communications sans fil et de l'Internet des Objets ont favorisé le développement des réseaux de capteurs multimédias. Ces derniers sont composés de capteurs interconnectés capables de fournir de façon omniprésente un suivi fin d’un espace connecté. Grâce à leurs propriétés, les réseaux de capteurs multimédias ont suscité un intérêt croissant ces dernières années des secteurs académiques et industriels et ont été adoptés dans de nombreux domaines d'application (tels que la maison intelligente, le bureau intelligent, ou la ville intelligente). L'un des avantages de l'adoption des réseaux de capteurs multimédias est le fait que les données collectées (vidéos, audios, images, etc.) à partir de capteurs connexes contiennent des informations sémantiques riches (en comparaison avec des capteurs uniquement scalaires) qui permettent de détecter des événements complexes et de mieux gérer les exigences du domaine d'application. Toutefois, la modélisation et la détection des événements dans les reséaux de capteurs multimédias restent une tâche difficile à réaliser, car la traduction de toutes les données multimédias collectées en événements n'est pas simple.Dans cette thèse, un framework complet pour le traitement des événements complexes dans les réseaux de capteurs multimédias est proposé pour éviter les algorithmes codés en dur et pour permettre une meilleure adaptation aux évolution des besoins d’un domaine d'application. Le Framework est appelé CEMiD et composé de :• MSSN-Onto: une ontologie nouvellement proposée pour la modélisation des réseaux de capteurs,• CEMiD-Language: un langage original pour la modélisation des réseaux de capteurs multimédias et des événements à détecter, et• GST-CEMiD: un moteur de traitement d'événement complexe basé sur un pipeline sémantique.Le framework CEMiD aide les utilisateurs à modéliser leur propre infrastructure de réseau de capteurs et les événements à détecter via le langage CEMiD. Le moteur de détection du framework prend en entrée le modèle fourni par les utilisateurs pour initier un pipeline de détection d'événements afin d'extraire des données multimédias correspondantes, de traduire des informations sémantiques et de les traduire automatiquement en événements. Notre framework est validé par des prototypes et des simulations. Les résultats montrent que notre framework peut détecter correctement les événements multimédias complexes dans un scénario de charge de travail élevée (avec une latence de détection moyenne inférieure à une seconde). / The dramatic advancement of low-cost hardware technology, wireless communications, and digital electronics have fostered the development of multifunctional (wireless) Multimedia Sensor Networks (MSNs). Those latter are composed of interconnected devices able to ubiquitously sense multimedia content (video, image, audio, etc.) from the environment. Thanks to their interesting features, MSNs have gained increasing attention in recent years from both academic and industrial sectors and have been adopted in wide range of application domains (such as smart home, smart office, smart city, to mention a few). One of the advantages of adopting MSNs is the fact that data gathered from related sensors contains rich semantic information (in comparison with using solely scalar sensors) which allows to detect complex events and copes better with application domain requirements. However, modeling and detecting events in MSNs remain a difficult task to carry out because translating all gathered multimedia data into events is not straightforward and challenging.In this thesis, a full-fledged framework for processing complex events in MSNs is proposed to avoid hard-coded algorithms. The framework is called Complex Event Modeling and Detection (CEMiD) framework. Core components of the framework are:• MSSN-Onto: a newly proposed ontology for modeling MSNs,• CEMiD-Language: an original language for modeling multimedia sensor networks and events to be detected, and• GST-CEMiD: a semantic pipelining-based complex event processing engine.CEMiD framework helps users model their own sensor network infrastructure and events to be detected through CEMiD language. The detection engine of the framework takes all the model provided by users to initiate an event detection pipeline for extracting multimedia data feature, translating semantic information, and interpret into events automatically. Our framework is validated by means of prototyping and simulations. The results show that our framework can properly detect complex multimedia events in a high work-load scenario (with average detection latency for less than one second).

Les contraintes présentes dans les réseaux de capteurs impliquent l'introduction de techniques d'optimisation à différents niveaux de conception : du matériel au logiciel et dans la pile de communication. En effet, le déploiement des réseaux de capteurs, à faible consommation énergétique, exige une conception conjointe du matériel et du logiciel adaptée à l'application visée. Étant donné la nature évènementielle et multitâche des applications dans les réseaux de capteurs, nous pourrions penser à rajouter différentes unités de traitement qui coopèrent pour gérer les évènements et les tâches de manière optimale. Ainsi, la complexité des tâches accomplies par le processeur principal peut être réduite, ce qui contribue à atteindre l'efficacité énergétique. Dans cette thèse nous étudions un ensemble de protocoles qui facilitent l'implémentation des smart radios. L'idée principale des smart radios est l'introduction de l'intelligence dans la puce radio de manière à ce qu'elle soit capable de prendre des décisions ainsi que d'exécuter plusieurs tâches de manière autonome et sans l'intervention du processeur principal. Cette dernière sera responsable du bootstrap du réseau et, après qu'un état stable est atteint, le processeur peut rester inactif la plupart du temps, alors que la puce radio continue à fournir un ensemble de services. Le protocole proposé est appelé Wake on Idle et il fournit la maintenance de voisinage intégrée avec une méthode d'accès au canal. Ces services sont basés sur des transmissions analogiques qui sont codées dans le temps. De cette manière, dès que le réseau entre dans l'état stable (c.à.d. la topologie est formée et les noeuds sont associés et synchronisés), le traitement numérique de trames n'est pas nécessaire. Puisque Wake on Idle est basé sur des informations de bas niveau, il peut être facilement intégré dans la puce radio et fonctionner comme un coprocesseur qui fournit des services de haut niveau au processeur principal, comme la maintenance du voisinage et l'accès au canal. Grâce à une analyse théorique et une implémentation préliminaire, nous démontrons la faisabilité du protocole et nous montrons plusieurs caractéristiques intéressantes qui aident à atteindre l'efficacité énergétique et de bonnes performances. Ensuite, nous exploitons la signalisation analogique afin d'optimiser le duty-cycle des protocoles d'accès au canal existants. Nous proposons également un mécanisme appelé Sleep on Idle qui est basé sur l'échange de signaux analogiques ou busy tones. Sleep on Idle peut être intégré dans la radio et il peut décider quand le processeur doit être réveillé. Enfin, nous avons intégré le mécanisme de notification dans le standard IEEE802.15.4 et nous avons évalué ce mécanisme par des simulations et expérimentations. Les résultats montrent un gain important en termes de consommation en énergie et de réactivité du réseau. / The constraints of Wireless Sensor Networks scenarios require the introduction of optimization techniques at different design levels: from the hardware to the software and communication protocol stack. In fact, the design of energy efficient WSNs involves an appropriate hardware/software co-design oriented to the concerned application. Given the event driven and multitasking nature of WSNs applications, one could think of adding different processing units that cooperate to manage events and tasks in an optimal way. Then, the complexity of tasks performed by the main processing unit can be reduced and energy efficiency can be achieved. In this PhD thesis we study protocols that leverage the implementation of smart radios. The idea of smart radios is introducing intelligence into the radio chip; in this way, it will be able to take decisions and perform several tasks in an autonomous way and without any intervention of the main processing unit. The processing unit will be in charge of bootstrapping the network and, after a stable state is reached, it can remain inactive most of the time while the radio chip provides a given set of services. The proposed protocol is called Wake on Idle and it provides integrated neighborhood maintenance and low duty-cycle medium access control. These services are provided based on analog transmissions that are time encoded; then, as soon as the network enters the stable state (i.e. the topology is formed and nodes are associated and synchronized) digital processing of frames is not needed. Since it relies on low-level information, Wake on Idle can be easily implemented on hardware and integrated into the radio chip; then, it works as a coprocessor that provides high-level services (i.e. neighborhood maintenance and medium access) to the main processing unit. Through theoretical analysis and a preliminary implementation we demonstrate the feasibility of the protocol and we show several interesting characteristics that help achieving energy efficiency and good performance. Then, we further exploit analog signaling to optimize duty cycle of existing medium access control protocols. We propose a mechanism called Sleep on Idle and it is based on the exchange of analog busy tones. Sleep on Idle can also be integrated into the smart radio to take decisions about whether the main processing unit has to be woken up. We apply the decision mechanism to the slotted ieee802.15.4 standard and validate it through simulations and experimentations. The results show an important gain in terms of energy consumption and network reactivity.

Ce travail de recherche vise à concevoir un système de vision à faible consommation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil. L'imageur en question doit respecter les contraintes spécifiques des applications multimédias pour les réseaux de capteurs de vision sans fil. En effet, de par sa nature, une application multimédia impose un traitement intensif au niveau du noeud et un nombre considérable de paquets à échanger à travers le lien radio, et par conséquent beaucoup d'énergie à consommer. Une solution évidente pour diminuer la quantité de données transmise, et donc la durée de vie du réseau, est de compresser les images avant de les transmettre. Néanmoins, les contraintes strictes des noeuds du réseau rendent inefficace en pratique l'exécution des algorithmes de compression standards (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Le système de vision à concevoir doit donc intégrer des techniques de compression d'image à la fois efficaces et à faible complexité. Une attention particulière doit être prise en compte en vue de satisfaire au mieux le compromis "Consommation énergétique - Qualité de Service (QoS)". / This research aims to develop a vision system with low energy consumption for Wireless Sensor Networks (WSNs). The imager in question must meet the specific requirements of multimedia applications for Wireless Vision Sensor Networks. Indeed, a multimedia application requires intensive computation at the node and a considerable number of packets to be exchanged through the transceiver, and therefore consumes a lot of energy. An obvious solution to reduce the amount of transmitted data is to compress the images before sending them over WSN nodes. However, the severe constraints of nodes make ineffective in practice the implementation of standard compression algorithms (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Desired vision system must integrate image compression techniques that are both effective and with low-complexity. Particular attention should be taken into consideration in order to best satisfy the compromise "Energy Consumption - Quality of Service (QoS)".

Les réseaux de capteurs sont composés d'une multitude de petits composants capables de recueillir des informations concernant leur environnement. Ces equipements sont à même de communiquer entre eux afin de s'organiser pour former un réseau. L'utilisation d'un réseau de capteurs permet de remplir de nombreuses tâches comme les services d'aide aux personnes âgées ou la surveillance des paramètres de santé de patients hospitalisés ou, dans un cadre plus large, nécessitant un suivi médical régulier. Les données collectées peuvent être d'ordre physiologiques ou environnementales. Cette opération s'ajoute aux visites d'un personnel soignant, pour effectuer un complément de suivi plus régulier et à long terme, en particulier pour des patients évoluant dans un contexte peu ou non médicalisé. Notre objectif est donc ici de fournir des solutions économes en énergies et fiables pour permettre aux capteurs de s'adapter automatiquement et dynamiquement à leur environnement. / Wireless sensor networks are composed many tiny devices able to retrieve informations about their physical environment. Those components are also able to communicate between them, in order to organize themselves into a network. Many tasks can benefit from the use of a wireless sensor network, such as elder home care and telemedicine. Collected data range from physiological to environmental readings. The wireless sensor network operation is complementary to medical personnel visitations and provide regular long-term patient monitoring. Our goal is to provide solutions that, in this context, adapt themselves automatically and dynamically to their environment.

Les réseaux de communication inter-machines font partie des grandes évolutions de l'informatique contemporaine. Ces réseaux évolutifs promettent une nouvelle gamme de services et une meilleure connaissance du monde qui nous entoure. Pourtant, ils subissent plusieurs limitations de par la nature même des nœuds qui les composent : un débit faible et une fiabilité réduite dues aux contraintes en termes de capacité de calcul et de mémoire, une durée de vie limitée, ainsi que des délais non bornés souvent causés par des taux de perte élevés. Ces mêmes problématiques constituent, depuis une quinzaine d'années, un frein au déploiement à large échelle des réseaux de capteurs dans le monde réel. De récents développements dans la théorie de l'information sont finalement en train de bouleverser l'ordre établi, donnant naissance à une nouvelle approche connue sous le nom de théorie du codage réseau. Cette nouvelle façon d'acheminer l'information transforme les méthodes d'exploitation, de gestion et même la compréhension des réseaux de communications actuels et futurs. C'est dans ce contexte, que nous proposons dans cette thèse d'étudier l'impact, les bénéfices et la faisabilité du codage réseau dans les réseaux de capteurs sans fil. L'objectif étant de montrer l'intérêt d'exploiter ses concepts pour les différents paradigmes propres aux réseaux inter-machines en général, et aux réseaux de capteurs en particulier. Il s'agit dans un premier temps d'évaluer les apports prospectifs du codage réseau, qu'il soit linéaire ou opportuniste, strictement en termes de performances (i.e., latence et débit). Dans une seconde partie, nous poursuivrons notre étude en traitant de l'impact du codage réseau sur la fiabilité des réseaux de capteurs, ces derniers étant caractérisés par l'absence de mécanismes de contrôle de flux de bout-en-bout. Dans une dernière contribution, nous explorons la faisabilité dans une plateforme réelle, d'un mécanisme de codage réseau contraint spécifiquement conçu pour les réseaux à faible débit. Ce code opportuniste, est centré sur l'optimisation mémoire et l'efficacité énergétique. Il permet à la fois, d'améliorer les performances du réseau mais aussi sa fiabilité. De manière plus générale, cette thèse se présente comme une réponse à la question : « Quel type de codage, pour quels réseaux de capteurs ? » Elle ne prétend pas être l'unique réponse, mais propose néanmoins des briques théoriques et technologiques qui illustrent à la fois, la faisabilité du codage réseau dans les réseaux contraints, mais aussi la nécessité de l'adapter à leurs critères / Today, it is likely that Machine-to-machine (M2M) architectures are the future of computer networks. These communication systems promise new strains of pervasive services and a better awareness of the world around us. However, they suffer several limitations caused by the very nature of their components: a low data-rate, unreliable transmissions, limited storage and processing capabilities, finite lifespan and unpredictable delays often caused by a high packet loss rate. These are the same issues that are still preventing, since the late eighties, the awaited large-scale deployment of wireless sensor networks in the world of telecommunications. Recent developments in the Information Theory are finally bringing a wind of change on the common ways of considering data communications, via a new concept known as the Network Coding Theory. This new data delivery approach is transforming the way we operate, manage and even understand existing and future communications networks. In this context, we propose in this thesis to study the impact, benefits and feasibility of network coding in wireless sensor networks. Our goal is to evaluate the cost/benefit value of its practical concepts for different M2M network paradigms in general, and for sensor networks in particular. Primarily, we assess the potential impact of opportunistic and linear network coding on sensor networks strictly in terms of performance (i.e., data rate and latency). Then we address the problem of reliable communications in coded sensor networks, since such systems are characterized by the absence of end-to-end flow control mechanisms. In the last chapter, we explore the feasibility of network coding in a real testbed. We investigate how an innovative coding technique specifically designed for low-power/low-rate networks can use opportunistic coding to enhance the performance and the reliability of the network. More broadly, this thesis presents one answer to the question: “Which network coding for what sensor network?” It does not claim to be the sole answer to this issue, but rather a series of theoretical and technological blocks that denote both the feasibility of network coding in constrained environments and also the need to adapt it to their particular criteria

Vu les perspectives qu'ils offrent, les réseaux de capteur sans fil (RCSF) ont perçu un grand engouement de la part de la communauté de recherche ces dernières années. Les RCSF couvrent une large gamme d'applications variant du contrôle d'environnement, le pistage de cible aux applications de santé. Les RCSFs sont souvent déployés aléatoirement. Ce dispersement des capteurs nécessite que les protocoles de transmission utilisés soient résistants aux conditions environnementales (fortes chaleurs ou pluies par exemple) et aux limitations de ressources des nœuds capteurs. En effet, la perte de plusieurs nœuds capteurs peut engendrer la perte de communication entre les différentes entités. Ces limitations peuvent causer la perte des paquets transmis ce qui entrave l'activité du réseau. Par conséquent, il est important d'assurer la fiabilité des transmissions de données dans les RCSF d'autant plus pour les applications critiques comme la détection d'incendies. Dans cette thèse, nous proposons une solution complète de transmission de données dans les RCSF répondant aux exigences et contraintes de ce type de réseau. Dans un premier temps, nous étudions les contraintes et les challenges liés à la fiabilisation des transmissions dans les RCSFs et nous examinons les travaux proposés dans la littérature. Suite à cette étude nous proposons COMN2, une approche distribuée et scalable permettant de faire face à la défaillance des nœuds. Ensuite, nous proposons un mécanisme de contrôle d'erreur minimisant la perte de paquets et proposant un routage adaptatif en fonction de la qualité du lien. Cette solution est basée sur des acquittements implicites (overhearing) pour la détection des pertes des paquets. Nous proposons ensuite ARRP une variante de AJIA combinant les avantages des retransmissions, de la collaboration des nœuds et des FEC. Enfin, nous simulons ces différentes solutions et vérifions leurs performances par rapport à leurs concurrents de l'état de l'art. / Over the past decades, we have witnessed a proliferation of potential application domainsfor wireless sensor networks (WSN). A comprehensive number of new services such asenvironment monitoring, target tracking, military surveillance and healthcare applicationshave arisen. These networked sensors are usually deployed randomly and left unattendedto perform their mission properly and efficiently. Meanwhile, sensors have to operate ina constrained environment with functional and operational challenges mainly related toresource limitations (energy supply, scarce computational abilities...) and to the noisyreal world of deployment. This harsh environment can cause packet loss or node failurewhich hamper the network activity. Thus, continuous delivery of data requires reliabledata transmission and adaptability to the dynamic environment. Ensuring network reliabilityis consequently a key concern in WSNs and it is even more important in emergencyapplication such disaster management application where reliable data delivery is the keysuccess factor. The main objective of this thesis is to design a reliable end to end solution for data transmission fulfilling the requirements of the constrained WSNs. We tackle two design issues namely recovery from node failure and packet losses and propose solutions to enhance the network reliability. We start by studying WSNs features with a focus on technical challenges and techniques of reliability in order to identify the open issues. Based on this study, we propose a scalable and distributed approach for network recovery from nodefailures in WSNs called CoMN2. Then, we present a lightweight mechanism for packetloss recovery and route quality awareness in WSNs called AJIA. This protocol exploitsthe overhearing feature characterizing the wireless channels as an implicit acknowledgment(ACK) mechanism. In addition, the protocol allows for an adaptive selection of therouting path by achieving required retransmissions on the most reliable link. We provethat AJIA outperforms its competitor AODV in term of delivery ratio in different channelconditions. Thereafter, we present ARRP, a variant of AJIA, combining the strengthsof retransmissions, node collaboration and Forward Error Correction (FEC) in order toprovide a reliable packet loss recovery scheme. We verify the efficiency of ARRP throughextensive simulations which proved its high reliability in comparison to its competitor.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à cette gestion des données dans les réseaux de capteurs sans fil intégrés dans un contexte IoT. Plus précisément, nous aborderons la problématique du stockage des données au sein même du réseau de capteurs en se posant la question suivante : Comment stocker provisoirement les données dans le réseau de capteurs de sorte que ces données soient facilement accessible par les consommateurs tout en assurant le meilleur compromis entre la fiabilité de livraison des donnés et la préservation des ressources énergétiques des capteurs ?Il s'agit dans un premier temps de proposer un système fiable de stockage de données basé sur la théorie du codage réseau et sur le modèle de communication « Publish/Subscribe ». Le système proposé est adapté à l'architecture des réseaux de capteurs ainsi qu'aux besoins des applications et services IoT localisés. Pour démontrer la validité du système de stockage proposé, des évaluations de performances au travers d'une analyse mathématique et de simulations sont conduites. Celles-ci montrent clairement une augmentation de la fiabilité de la livraison des données aux consommateurs avec un taux de livraison des paquets de 80% en moyenne. Afin d'améliorer encore plus les performances du système de stockage de données, nous proposons, dans un second temps, l'optimisation du système afin que celui-ci puisse réaliser le stockage des données de manière adaptative et autonome, tout en assurant le meilleur compromis entre fiabilité et coût. Ce dernier se traduit par l'impact du système de stockage sur la consommation d'énergie du réseau de capteurs sans fil. À notre connaissance, notre système est le premier à proposer d'assurer la fiabilité du stockage des données en fonction des demandes des services et des conditions du réseau. L'évaluation des performances, par simulation, de notre système de stockage adaptatif et autonome montre que l'optimisation du stockage des données (formulée sous forme d'un processus de décision Markovien (MDP)) selon les conditions de fonctionnement du réseau permet l'accès à 70% de données en plus comparativement au système non-adaptatif proposé précédemment. Ce résultat est obtenu tout en augmentant la durée de vie du réseau de 43%.Après avoir travaillé sur l'aspect quantitatif des performances du réseau à travers une étude sur le compromis coût - consommation énergétique, nous nous intéresserons dans la troisième contribution de cette thèse à l'utilisation de notre système de stockage dans des réseaux de capteurs sans fil disposant de cycles de services (cycle d'endormissement-réveil) variables. Aujourd'hui, les réseaux de capteurs reposant sur le standard 802.15.4 peuvent utiliser des cycles de services variables et avoir recours à l'endormissement des nœuds dans le but d'économiser leur énergie. Dans une première partie de cette contribution, nous avons ainsi proposé une amélioration du mécanisme de gestion du cycle de service (duty cycle) du standard 802.15.4 afin de le rendre dynamique et adaptable au trafic réseau. L'évaluation des performances par simulations de l'amélioration proposée montre que celle-ci aboutit à une économie d'énergie très significative tout en permettant au réseau de capteurs sans fil de remplir sa mission de prise en charge du trafic généré. Dans une seconde partie de cette contribution, nous évaluons les performances de notre système de stockage de données dans le but d'évaluer si un tel mécanisme pourrait cohabiter positivement avec un mécanisme de cycle de service variable (condition d'exploitation réaliste du réseau). L'évaluation des performances montre que l'activation d'un cycle de service variable dans le réseau de capteurs n'apporte aucune amélioration au niveau de la consommation énergétique mais que le compromis optimal entre la fiabilité et la consommation énergétique obtenu par notre système de stockage adaptatif et autonome n'est pas non plus affecté, celui-ci est maintenu / Wireless Sensor Networks (WSN) are made up of small devices limited in terms of memory, processing and energy capacity. They work interconnected and autonomously in order to monitoring a region or an object of interest. The evolution in the development of devices more powerful (with new capability such as energy harvesting and acting) and less expensive made the WSNs a crucial element in the emergence of Internet of Things (IoT). Nonetheless, assuming the new applications and services offered in the IoT scenario, new issues arise in the data management performed in the WSNs. Indeed, in this new context, WSNs have to deal with a large amount of data, now consumed on-demand, while ensure a good trade-off between its reliability and retrievability, and the energy consumption. In the scope of this thesis, we are interested in the data management in the WSN in the context of IoT realm. Specifically, we approach the problem of in-network data storage by posing the following question: How to store data for a short term in the WSNs so that the data could be easily retrieved by the consumers while ensuring the best trade-off between data reliability and conservation of energy resources? Foremost, we propose a reliable data storage scheme based on coding network, and assuming a communication model defined by the Publish/Subscribe paradigm. We validate the efficiency of our proposal by a theoretical analyses that is corroborate by a simulation evaluation. The results show that our scheme achieves a reliability of 80% in data delivery with the best cost-benefit compared to other data storage scheme. Aiming to further improve the performance of the data storage scheme proposed in our first contribution, we propose its optimization (modeling it as a Markov Decision Process (MDP)) in order to store data with optimal trade-off between reliability and communication overhead (in this context, also seen as energy consumption), and in an autonomously and adaptive way. For the best of our knowledge, our optimized data storage scheme is the only to ensure data reliability while adapt itself according to the service requirements and network condition. In addition, we propose a generalization of the mathematical model used in our first contribution, and a system model that defines the integration of WSNs performing our data storage scheme in the context for which it was envisaged, the IoT realm. Our performance evaluation shows that our optimization allows the consumers to retrieve up to 70% more packets than a scheme without optimization whereas increase the network lifetime of 43%.Finally, after being interested in finding the best trade-off between reliability and cost, we now focus on an auxiliary way to reduce the energy consumption in the sensor nodes. As our third contribution, we propose a study, in two parts, to measure how much a node activity scheduling can save energy. First, we propose an improvement in the duty cycle mechanism defined in the 802.15.4. Then, we propose a duty cycle mechanism introduced into our data storage scheme aiming at saving energy in the storage nodes. The simulation results show that our solution to the duty cycle mechanism in 802.15.4 led in considerable saving in energy costs. However, regarding duty cycle in our data storage scheme, it did not end up in more energy saving. Actually, as our optimized scheme already saves as much resource energy as possible while ensuring high reliability, the duty cycle mechanism can not improve the energy saving without compromise the data reliability. Nonetheless, this result corroborates that our scheme, indeed, performs under the optimal trade-off between reliability and communication overhead (consumption energy)