Un réseau de capteurs d'images sans fil (RCISF) est un réseau ad hoc formé d'un ensemble de noeuds autonomes dotés chacun d'une petite caméra, communiquant entre eux sans liaison filaire et sans l'utilisation d'une infrastructure établie, ni d'une gestion de réseau centralisée. Leur utilité semble majeure dans plusieurs domaines, notamment en médecine et en environnement. La conception d'une chaîne de compression et de transmission sans fil pour un RCISF pose de véritables défis. L'origine de ces derniers est liée principalement à la limitation des ressources des capteurs (batterie faible , capacité de traitement et mémoire limitées). L'objectif de cette thèse consiste à explorer des stratégies permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des RCISF, notamment lors de la compression et de la transmission des images. Inéluctablement, l'application des normes usuelles telles que JPEG ou JPEG2000 est éner- givore, et limite ainsi la longévité des RCISF. Cela nécessite leur adaptation aux contraintes imposées par les RCISF. Pour cela, nous avons analysé en premier lieu, la faisabilité d'adapter JPEG au contexte où les ressources énergétiques sont très limitées. Les travaux menés sur cet aspect nous permettent de proposer trois solutions. La première solution est basée sur la propriété de compactage de l'énergie de la Transformée en Cosinus Discrète (TCD). Cette propriété permet d'éliminer la redondance dans une image sans trop altérer sa qualité, tout en gagnant en énergie. La réduction de l'énergie par l'utilisation des régions d'intérêts représente la deuxième solution explorée dans cette thèse. Finalement, nous avons proposé un schéma basé sur la compression et la transmission progressive, permettant ainsi d'avoir une idée générale sur l'image cible sans envoyer son contenu entier. En outre, pour une transmission non énergivore, nous avons opté pour la solution suivante. N'envoyer fiablement que les basses fréquences et les régions d'intérêt d'une image. Les hautes fréquences et les régions de moindre intérêt sont envoyées""infiablement"", car leur pertes n'altèrent que légèrement la qualité de l'image. Pour cela, des modèles de priorisation ont été comparés puis adaptés à nos besoins. En second lieu, nous avons étudié l'approche par ondelettes (wavelets ). Plus précisément, nous avons analysé plusieurs filtres d'ondelettes et déterminé les ondelettes les plus adéquates pour assurer une faible consommation en énergie, tout en gardant une bonne qualité de l'image reconstruite à la station de base. Pour estimer l'énergie consommée par un capteur durant chaque étape de la 'compression, un modèle mathématique est développé pour chaque transformée (TCD ou ondelette). Ces modèles, qui ne tiennent pas compte de la complexité de l'implémentation, sont basés sur le nombre d'opérations de base exécutées à chaque étape de la compression.

Les métaheuristiques sont des algorithmes génériques, souvent inspirés de la nature, conçues pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes. Parmi les métaheuristiques les plus récentes, nous retenons celle basée sur la théorie de la biogéographie insulaire: Biogeography-based optimization (BBO).Dans cette thèse, nous considérons à la fois les problèmes d'optimisation globale à variables continues avec et sans contraintes. De nouvelles versions hybrides de BBO sont proposées comme des solutions très prometteuses pour résoudre les problèmes considérés. Les méthodes proposées visent à pallier les inconvénients de la convergence lente et du manque de diversité de l'algorithme BBO. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons la méthode que nous avons développée, issue d'une hybridation de BBO avec l'évolution différentielle (DE) pour résoudre des problèmes d'optimisation sans contraintes. Nous montrons que les résultats de l'algorithme proposé sont plus précis, notamment pour des problèmes multimodaux, qui sont parmi les problèmes les plus difficiles pour de nombreux algorithmes d'optimisation. Pour résoudre des problèmes d'optimisation sous contraintes, nous proposons trois nouvelles variantes de BBO. Des expérimentations ont été menées pour rendre compte de l'utilité des méthodes proposées. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'étude des capacités des méthodes proposées à résoudre des problèmes d'optimisation, issus du monde réel. Nous nous proposons d'abord de résoudre le problème d'allocation optimale de puissance pour la détection décentralisée d'un signal déterministe dans un réseau de capteurs sans fil, compte tenu des fortes contraintes en ressources énergétiques et en bande passante des noeuds répartis. L'objectif est de minimiser la puissance totale allouée aux capteurs, tout en gardant la probabilité d'erreur de détection au dessous d'un seuil requis. Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la segmentation d'images en niveaux de gris par seuillage multi-niveaux. Les seuils sont déterminés de manière à maximiser l'entropie floue. Ce problème d'optimisation est résolu en appliquant une variante de BBO (DBBO-Fuzzy) que nous avons développée. Nous montrons l'efficacité de la méthode proposée aux travers de résultats expérimentaux

Un nœud d'un réseau de capteurs sans fil traite dans ses unités de calcul les signaux issus de plusieurs types de capteurs et effectue différentes tâches liées aux protocoles de communication. Devant exécuter plusieurs types de contrôle, sa flexibilité est un paramètre très important. Les solutions à base de microcontrôleurs ou de FPGA ont été proposées pour aborder le besoin de flexibilité, mais au prix d'une efficacité énergétique réduite. Dans cette thèse, des contrôleurs flexibles à ultra-faible énergie basés sur un contexte de micro-tâches reconfigurables sont explorés comme alternative. Des architectures modulaires pour des machines d'états finis (FSM) et des chemins de données (DP) reconfigurables sont proposées. Les techniques de coupure de l'alimentation (PG pour power gating) sont utilisées pour adapter la consommation aux besoins et réduire la puissance statique. Dans un premier temps, des modèles pour l'estimation des paramètres clés d'un circuit avec PG sont proposés au niveau porte. Ensuite, les opportunités des techniques PG sont déterminées sur les FSM et DP reconfigurables pour en réduire l'énergie. Dans les chemins de données, la reconfiguration fait varier la précision des opérateurs et le PG permet d'éteindre les blocs logiques inutilisés. Une gestion de l'alimentation au niveau lookup table (LUT) est proposée pour réduire les courants de fuite en mode actif et en veille dans les FSM reconfigurables. Des résultats montrent les très bonnes performances des architectures proposées par rapport aux processeurs et FPGA. / A wireless sensor network (WSN) node may need to process signals from various sensors and perform different transceiver tasks apart from being able to change its functions dynamically. A controller in the node is therefore required to execute different control tasks to manage its resources implying that flexibility is a key concern. Microcontrollers and FPGAs have been proposed to address the need for flexibility at the cost of reduced energy efficiency. In this thesis, ultra-low power flexible controllers for WSN nodes based on reconfigurable microtasks are explored. A reconfigurable microtask is a digital control unit with a reconfigurable finite state machine (FSM) and datapath. Scalable architectures for reconfigurable FSMs along with variable precision adders in datapath are proposed for flexible controllers in this work. Power gating is considered for FSMs and adders for low power operation. First, the design issues in power gating are studied extensively. Models for estimation of key design parameters of power-gated circuits are derived at gate level. Next, power gating opportunities are determined in reconfigurable adders and FSMs proposed for microtasks. In adders, reconfigurability is used for varying the precision of operation and saving energy by power-gating unused logic. Power gating at the level of lookup table logic is proposed to achieve active leakage power reduction in reconfigurable FSMs. The proposed models are then applied to analyze energy savings in logic clusters due to power gating. Power estimation results show good performance of proposed architectures with respect to different metrics relative to others in the design space of controllers.

Ce manuscrit traite de la problématique de la surveillance des structures depuis la mesure en service jusqu'à la caractérisation des champs mécaniques. La technologie des systèmes de mesure est étudiée dans la première partie. Les spécifications d'un système de mesure embarqué sont identifiées à partir d'essais en service sur des structures et à partir des applications envisagées. Ces spécifications définissent les hypothèses de résolution du problème inverse lié à l'interprétation des mesures.La deuxième partie présente la formulation du problème inverse de surveillance des structures à partir des hypothèses précédemment énoncées. Le principe est de reconstruire les champs mécaniques à partir de l'identification des conditions aux limites. Seul le chargement est considéré et le principe de Saint-Venant permet de restreindre le nombre de paramètres nécessaires à sa modélisation. La difficulté réside alors dans le choix des bonnes bases de chargement et dans le positionnement des capteurs. Cette méthode est appliquée aux structures poutres dans la troisième partie. Les bases de chargement sont obtenues à partir d'une projection des solutions analytiques du problème de poutre sur les bords des structures. Le positionnement des capteurs est ensuite étudié sur des structures poutres élémentaires qui réduisent le problème inverse à une identification polynomiale. La décomposition des structures poutres complexes en structures élémentaires simplifie alors la définition des bases de chargement et le positionnement des capteurs. La dernière partie présente les résultats obtenus sur des structures plaques. Les bases de chargement sont construites par projection des solutions analytiques pour les domaines étoilés. L'extension à des domaines quelconques est faite en considérant seulement les bords chargés des structures pour se ramener à des domaines étoilés équivalents. Bien que ces bases ne soient plus complètes, les résultats obtenus sur des plaques trouées montrent leur intérêt. Ces résultats servent ensuite à la construction des bases de chargement et au positionnement des capteurs pour les structures complexes modélisées par des assemblages de plaques. / This thesis tackles the problem of structural monitoring from integrated measurements to full-field reconstruction.In a first part, the technology of measurement systems is studied. An integrated measurement system is specified from some structural tests in-service and its future applications. These specifications define the mechanical framework of structural monitoring.The inverse problem associated with structural monitoring is expressed in a second part. The mechanical hypothesis result from the previously defined framework. The boundary conditions are identified in order to reconstruct the mechanical fields. The loads are considered only and the Saint-Venant's principle allows to limit the number of the loading parameters. The main issue is then to find the right loading basis and then to optimize the sensor locations.This method for structural monitoring is applied to beams in the third part. The analytical solutions of the mechanical equations for beams are projected on the boundary of the structures in order to obtain the loading basis. The optimal sensor locations are then estimate from elementary structures, what reduces the inverse problem to a polynomial identification. The complex beam structures are then decomposed into elementary ones, what drastically simplifies the construction of the loading bases and the sensor locations.In a last part, plate structures are considered. The loading basis are firstly defined by the projection of the analytical solutions of star-shaped domain. These basis are then extended to any plate structures using some loaded boundaries only in order to design an equivalent star-shaped domain. Even if these loading basis are incomplete sets, the results are in good agreement. The same principle is used to obtain the loading basis for complex structures modeled by plate assemblies.

Dans cette thèse, on s'est intéressé à trois problématiques des réseaux de capteurs sans fil (WSN). Dans un premier temps nous avons analysé l'impact de la chute de tension dans la batterie du nœud sur la puissance du signal en réception. On propose alors une méthode pour compenser l'augmentation apparente de la distance calculée entre les nœuds due à la diminution de l'énergie de la batterie. Pour les nœuds passant par deux états principaux endormi et actif, on propose d'étudier, la relation entre la diminution de la tension de la batterie en fonction du temps passé par un nœud dans l'état actif. Ensuite, on calcule le rapport entre la RSS et la distance entre les nœuds connectés avec des batteries complètement chargées. Après on mesure la RSS en faisant varier la tension de la batterie du nœud émetteur et en gardant le nœud récepteur à une distance constante. Finalement, on propose une relation entre la RSS observée et la tension actuelle de la batterie du nœud émetteur. Cette fonction permet de calculer la valeur corrigée de la RSS qui correspond à la distance réelle entre les nœuds connectés. Ainsi l'efficacité des méthodes de la localisation basée sur la RSS se trouvent améliorées. Dans la deuxième partie de cette thèse on propose une méthode d'estimation des positions des nœuds dans un WSN. Dans l'algorithme de localisation proposé, on utilise des nœuds ancres comme des points de référence. On a utilisé une approche heuristique pour trouver la topologie relative avec l'aide de la matrice de distance. Le but de la matrice de distance est d'indiquer s'il existe une connexion entre une paire de nœuds donnée et en cas de connectivité, la distance estimée entre ces nœuds. En utilisant les informations de connectivité entre les nœuds et leurs distances, on obtient la topologie du réseau. La méthode proposée utilise la solution de l'intersection de deux cercles au lieu de la méthode classique de triangulation, où un système quadratique de trois équations avec deux variables est utilisé ce qui rend la complexité de calcul augmentée. Lorsque deux nœuds connectés ont un autre nœud en commun, puis en utilisant les informations de distances entre ces nœuds interconnectés, nous pouvons calculer deux positions possibles pour le troisième nœud. La présence ou l'absence d'un lien entre le troisième nœud et un quatrième nœud, permet de trouver la position précise. Ce processus est réitéré jusqu'à ce que toutes les positions des nœuds aient été obtenues. Une fois la topologie relative calculée, il faut trouver la symétrie, l'orientation et la position de cette topologie dans le plan. C'est à ce moment que la connaissance des positions des trois nœuds entre en action. La topologie donne les coordonnées temporaires des nœuds. En ayant une comparaison de certaines caractéristiques entre les coordonnées temporaires et les coordonnées exactes, on trouve d'abord la symétrie de la topologie relative qui correspondrait à la topologie originale. En d'autres termes on vérifie si oui ou non la topologie relative est une image miroir de la topologie originale. Des opérateurs géométriques sont alors utilisés pour corriger la topologie relative par rapport à la topologie réelle. Ainsi, on localise tous les nœuds dans un WSN en utilisant exactement trois ancres. Dans la dernière partie de cette thèse, on propose une méthode pour la détection de défauts dans un WSN. Il y a toujours une possibilité qu'un capteur d'un nœud ne donne pas toujours des mesures précises. On utilise des systèmes récurrents et non récurrents pour la modélisation et on prend comme variable d'entrée, en plus des variables du nœud en question, les informations des capteurs voisins. La différence entre la valeur estimée et celle mesurée est utilisée pour déterminer la possibilité de défaillance d'un nœud / In this thesis three themes related to wireless sensor networks (WSNs) are covered. The first one concerns the power loss in a node signal due to voltage droop in the battery of the node. In the first part of the thesis a method is proposed to compensate for the apparent increase in the calculated distance between the related nodes due to decrease in the energy of the signal sending node battery. A function is proposed whose arguments are the apparently observed RSS and the current voltage of the emitter node battery. The return of the function is the corrected RSS that corresponds to the actual distance amongst the connected nodes. Hence increasing the efficiency of the RSS based localization methods in WSNs. In the second part of the thesis a position estimation method for localization of nodes in a WSN is proposed. In the proposed localization algorithm anchor nodes are used as landmark points. The localization method proposed here does not require any constraint on the placement of the anchors; rather any three randomly chosen nodes can serve as anchors. A heuristic approach is used to find the relative topology with the help of distance matrix. The purpose of the distance matrix is to indicate whether or not a pair of nodes has a connection between them and in case of connectivity it gives the estimated distance between the nodes. By using the information of connectivity between the nodes and their respective distances the topology of the nodes is calculated. This method is heuristic because it uses the point solution from the intersection of two circles instead of conventional triangulation method, where a system of three quadratic equations in two variables is used whereby the computational complexity of the position estimation method is increased. When two connected nodes have another node in common, then by using the information of distances between these interconnected nodes, two possible positions are calculated for the third node. The presence or absence of a connection between the third node and a fourth node helps in finding the accurate possibility out of the two. This process is iterated till all the nodes have been relatively placed. Once the relative topology has been calculated, we need to find the exact symmetry, orientation, and position of this topology in the plane. It is at this moment the knowledge of three nodes positions comes into action. From the relative topology we know the temporary coordinates of the nodes. By having a comparison of certain characteristics between the temporary coordinates and the exact coordinates; first the symmetry of relative topology is obtained that would correspond to the original topology. In other words it tells whether or not the relative topology is a mirror image of the original topology. Some geometrical operators are used to correct the topology position and orientation. Thus, all the nodes in the WSN are localized using exactly three anchors. The last part of the thesis focuses on the detection of faults in a WSN. There is always a possibility that a sensor of a node is not giving accurate measurements all of the time. Therefore, it is necessary to find if a node has developed a faulty sensor. With the precise information about the sensor health, one can determine the extent of reliance on its sensor measurement. To equip a node with multiple sensors is not an economical solution. Thus the sensor measurements of a node are modeled with the help of the fuzzy inference system (FIS). For each node, both recurrent and non-recurrent systems are used to model its sensor measurement. An FIS for a particular node is trained with input variables as the actual sensor measurements of the neighbor nodes and with output variable as the real sensor measurements of that node. The difference between the FIS approximated value and the actual measurement of the sensor is used as an indication for whether or not to declare a node as faulty

L’émergence des systèmes embarqués a permis le développement des réseaux de capteurs sans fil dans de nombreux domaines différents. Cependant, la sécurité reste un problème ouvert. La vulnérabilité des nœuds est principalement liée au manque de ressources. En effet, l’unité de traitement ne dispose pas d’assez de puissance et de mémoire pour gérer des mécanismes de sécurité très complexes.La cryptographie est une solution qui est largement utilisée pour sécuriser les réseaux. Par rapport à la cryptographie symétrique, la cryptographie asymétrique nécessite des calculs plus compliqués,mais elle offre une distribution de clés plus sophistiquée et la signature numérique. Dans cette thèse, nous essayons d’optimiser la performance d’ECC (Elliptic Curve Cryptography), un cryptosystème asymétrique qui est connu pour sa robustesse et son utilisation de clé plus courte par rapport à RSA. Nous proposons d’utiliser le parallélisme pour accélérer le calcul de la multiplication scalaire, qui est reconnue comme l’opération la plus coûteuse sur les courbes elliptiques. Les résultats de tests ont montré que notre solution offre un gain intéressant malgré une augmentation de la consommation d’énergie.La deuxième partie de la contribution concerne l’application de la tolérance aux pannes dans notre architecture de parallélisation. Nous utilisons les nœuds redondants pour la détection des pannes et la restauration du calcul. Ainsi, en utilisant l’ECC et la tolérance aux pannes, nous proposons une solution de sécurité efficace et sûre pour les systèmes embarqués. / The emergence of embedded systems has enabled the development of wireless sensor networks indifferent domains. However, the security remains an open problem. The vulnerability of sensor nodesis mainly due to the lack of resources. In fact, the processing unit doesn’t have enough power ormemory to handle complex security mechanisms.Cryptography is a widely used solution to secure networks. Compared with symmetric cryptography,the asymmetric cryptography requires more complicated computations, but it offers moresophisticated key distribution schemes and digital signature.In this thesis, we try to optimize the performance of ECC. An asymmetric cryptosystem which isknown for its robustness and the use of shorter keys than RSA. We propose to use parallelismtechniques to accelerate the computation of scalar multiplications, which is recognized as the mostcomputationally expensive operation on elliptic curves. The test results have shown that our solutionprovides a significant gain despite an increase in energy consumption.The 2nd part of our contribution is the application of fault tolerance in our parallelism architecture.We use redundant nodes for fault detection and computation recovery. Thus, by using ECC and faulttolerance, we propose an efficient and reliable security solution for embedded systems.

Le développement dans les micros systèmes électromécaniques (MEMS) combiné avec l'émergence des nouvelles technologies de l'information et de la communication a permis l'intégration des fonctionnalités de collecte, de traitement et de transmission des données dans un seul dispositif minuscule qui est le capteur sans fil. En voie de conséquence, les réseaux composés de ces capteurs offrent aujourd'hui une pléiade d'avantages par rapport aux réseaux traditionnels notamment en termes de simplicité et de coût de déploiement. Ceci a conduit au développement d'une gamme très variée d'applications des réseaux de capteurs sans fil dans les domaines de la santé, de l'environnement, de l'industrie, des infrastructures, des activités spatiales, ou encore des activités militaires et dans plusieurs autres domaines. Cependant, de nouveaux défis surgissent des caractéristiques particulières de ces réseaux. En réalité, de nombreuses applications de ces réseaux sont critiques et exigent qu'un fonctionnement correct du réseau soit maintenu le plus longtemps possible. Par contre, les environnements dans lesquels ces réseaux sont déployés rendent la mission de maintien en condition correcte de ces réseaux très compliquée et même parfois impossible ; d'où la nécessité d'intégrer des mécanismes d'auto-correction qui visent à surmonter les problèmes qui puissent surgir dans le réseau sans intervention humaine. Dans ce contexte, nous avons, dans cette thèse, concentré notre étude sur les techniques et les mécanismes mis en œuvre pour améliorer la propriété de tolérance aux pannes dans les réseaux de capteurs sans fil. Tout d'abord, nous avons proposé des approches centralisées et distribuées pour l'auto-rétablissement de la connectivité et la réallocation des canaux dans un contexte de réseaux de capteurs sans fil reposant sur des communications multi-canal après la panne d'un nœud critique. Après la formulation du problème sous la forme d'un problème d'optimisation multi-objectif, nous avons proposé des algorithmes basés sur des heuristiques de coloration de graphes et d'arbre de Steiner, très connus dans la théorie de graphes pour la résolution de ce type de problèmes. Dans une deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié un cas d'application particulier, l'agriculture de précision, et avons proposé une solution distribuée pour le rétablissement du fonctionnement du réseau de capteurs sans fil / The development in Micro Electro-Mechanic Systems (MEMS) combined with the emergence of new information and communication technologies allowed the integration of the data sensing, processing and transmission in a single tiny device which is the wireless sensor. Consequently, the networks formed by these sensors offer a lot advantages compared with the traditional networks, in particular in terms of the deployment simplicity and cost. This led to the development of a wide range of Wireless Sensor Networks' applications in the domains of health, environment, industry, infrastructures, spatial activities, or even military activities and in many other domains. However, new challenges appear from the particular characteristics of these networks. In fact, many applications of this type of networks are critical and require that the correct functioning of the network is maintained as long as possible. However, the environments in which these networks are deployed return the mission of network maintenance very complicated or even impossible; hence, the necessity of integrating mechanisms of self-correction which aim to overcome the appeared problems without a human intervention. In this context, we focused our study on the techniques and mechanisms implemented to improve the property of fault tolerance in the wireless sensor networks. First, we proposed centralized and distributed approaches for the connectivity restoration and the channel reallocation in a multi-channel communication context after the failure of a critical node. After the formulation of the problem as a multi-objective optimization problem, we proposed some algorithms based on the heuristics of graphs coloring and Steiner tree, very known in the graph theory to solve this type of problems. In a second part in this thesis, we studied a particular application case, precision agriculture, and we proposed a distributed solution for the failure recovery in wireless sensor networks

Au cours de cette thèse, nous avons étudié le problème de déploiement des Réseaux de Capteurs Sans-Fil (RCSF) pour des applications indoor tel que le bâtiment intelligent. Le but de notre travail était de développer un outil de déploiement capable d'assister les concepteurs de RCSF lors de la phase de déploiement de ces derniers. Nous avons commencé cette thèse par la modélisation de tous les paramètres qui interviennent lors du déploiement des RCSF, à savoir : coût, connectivité, couverture et durée de vie. Par la suite, nous avons implémenté cinq algorithmes d'optimisation, dont trois multi-objectifs afin de résoudre le problème de déploiement. Deux cas d'études réelles (grande et petite instance) ont été identifiés afin de tester ces algorithmes. Les résultats obtenus ont montré que ces algorithmes sont efficaces quand il s'agit d'un petit bâtiment (petit espace). Par contre, dès que la surface du bâtiment augmente les performances des algorithmes étudiés se dégradent. Pour répondre à cela, nous avons développé et implémenté un algorithme d'optimisation multi-objectifs hybride. Cet algorithme se base sur des notions de clustering et d'analyse de données afin de limiter le nombre d'évaluations directes qu'entreprennent ces méthodes pendant chaque itération. Afin d'assurer cette limitation d'évaluation les fonctions de fitness sont approximées grâce aux réseaux de neurones et l'algorithme de classification K-means. Les résultats obtenus ont montré une très bonne performance sur les deux instances de tailles différentes. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus avec les méthodes classiques utilisées et sont compétitives et prometteuses. / In this thesis, we studied the Wireless Sensor Network deployment for indoor environments with a focus on smart building application. The goal of our work was to develop a WSN deployment tool which is able to assist network designers in the deployment phase. We begin this thesis with network modeling of all the deployment parameters and requirement, such as : cost, coverage, connectivity and network lifetime. Thereafter, we implement five optimisation methods, including three multi-objective optimization agorithms, to resolve WSN deployment problem. Then, two realistics study cases were identified to test the performances of the aforementioned algorithms. The obtained results shows that these algorithms are very efficient for deploying a small scale network in small buildings. However, when the building surface becomes more important the algorithms tends to converge to local optimum while consuming high processing time. To resolve this problem, we develop and implement a new Hybrid multi-objectif optimization algorithm wich limits the number of direct evaluation. This algorithm is based on data-mining methods (Artificial Neural Networks and K-means) and tries to approximate the fitness value of each individual in each generation. At every generation of the algorithm, the population is divided to K clusters and we evaluate only the closest individual to cluster centroide. The fitness value of the rest of population is approximated using a trained ANN. A comparative study was made and the obtained results show that our method outperformes others in the two sudy cases (small and big buildings).

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide band (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et à très basse consommation. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM). Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système. / This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.

Le transport est devenu fondamental dans les villes pour le bon fonctionnement de l'économie et le bien-être de la population urbaine. Depuis plusieurs années, le transport est confronté à de nombreux problèmes tels que l'embouteillage, le taux élevé d'accidents, la vie malsaine due à la fumée et à la poussière, la pollution atmosphérique due aux émissions de carbone, etc. Pour faire face à ces problèmes, les recherches intègrent les technologies numériques au transport terrestre, connu sous le nom de système de transport intelligent (ITS). Les ITS peuvent détecter, analyser, collecter, contrôler et communiquer différentes données. Cette thèse étudie et propose un nouveau protocole pour les applications de collecte de données dans un environnement urbain. Nous faisons trois contributions principales. Tout d'abord, nous proposons un nouveau protocole dénommé le protocole "Internet of Bikes" IoB-DTN qui applique le paradigme DTN (Réseau tolérant aux délais) aux applications de l'Internet des objets (IoT) exécutant une application de collecte de données sur un système de partage de vélo urbain basé sur un réseau de capteurs. Le protocole est évalué sur un scénario réaliste en évaluant les politiques de gestion des buffers, le nombre de copies pulvérisé dans le réseau ainsi que le nombre des vélos utilisés. Deuxiément, une évaluation comparative des performances du protocole IoB-DTN multi-sauts avec une technologie de réseau étendu à basse consommation (LPWAN), de type LoRa/LoRaWAN est étudiée. LPWAN a été conçu pour fournir une connectivité à grande distance et rentable pour les applications IoT à faible débit: durée de vie de plusieurs années et une portée de multikilomètres pour les appareils mobiles alimentés par des batteries. Cette partie de notre travail vise à fournir aux concepteurs et aux managers de réseaux des idées sur la technologie la plus pertinente pour leurs applications urbaines pouvant fonctionner sur des systèmes de partage de vélos. Enfin, nous proposons un protocole efficace, IoB-DTN basé sur un mécanisme d’agrégation de données. Nous proposons trois variantes de IoB-DTN: IoB basé sur l'agrégation spatiale (IoB-SA), IoB basé sur l'agrégation temporelle (IoB-TA) et IoB basé sur l'agrégation spatio-temporelle (IoB-STA). Nous comparons les trois variantes avec le protocole multi-saut IoB-DTN sans agrégation et la technologie à faible puissance et longue portée, de type LoRa. Les résultats de la comparaison permettent de vérifier que les trois variantes de l’IoB-DTN basées sur l’agrégation de données améliorent plusieurs paramètres tels que le taux de livraison, la consommation d’énergie et le débit. / Transport has become fundamental in the cities to the well functioning of the economy and the welfare of the city population. For several years, transportation faces many issues such as traffic jamming, high accidents rate, unhealthy life due to smoke and dust, air pollution as a result of carbon emission, etc. To deal with these matters, researches integrate digital technologies to ground transportation which is known as Intelligent Transport System (ITS). ITS can sense, analyze, collect, control and communicate different data. This thesis investigates and proposes a new protocol for data collection applications in an urban environment. We make three main contributions: firstly, we propose a new protocol denoted the "Internet of Bikes" IoB-DTN protocol which applies Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) paradigm to the Internet of Things (IoT) applications running a data collection application on urban bike sharing system based sensor network. The protocol is evaluated on a realistic scenario by assessing the buffer management policies, the number of copies sprayed in the network as well as the number of bicycles used. Secondly, a comparative evaluation of the performance of the multi-hop IoB-DTN protocol with a low-power wide-area network (LPWAN) technology, LoRa/LoRaWAN type is investigated. LPWAN have been designed to provide cost-effective wide area connectivity for small throughput IoT applications: multiyear lifetime and multikilometer range for battery-operated mobile devices. This part of our work aims at providing network designers and managers insights on the most relevant technology for their urban applications that could run on bike sharing systems. Finally, we propose an efficient IoB-DTN protocol based on data aggregation mechanism. We propose three variants of IoB-DTN: IoB based on spatial aggregation (IoB-SA), IoB based on temporal aggregation (IoB-TA) and IoB based on spatio-temporal aggregation (IoB-STA). We compare the three variants with the multi-hop IoB-DTN protocol without aggregation and the low-power long-range technology, LoRa type. Comparison results verify that the three variants of IoB-DTN based on data aggregation improve several metrics such as the delivery rate, energy consumption and throughput.