L’émergence de petites caméras CMOS et de microphones MEMS, à coût et puissance réduits, a contribué au développement d’une technologie permettant la transmission de flux multimédia (audio, image, vidéo) : les réseaux de capteurs multimédia. Cette technologie, offrant de nouvelles perspectives d’applications potentielles où la collecte d’informations visuelles et/ou acoustiques apporte une plus- value certaine, suscite un intérêt manifeste. Avec des données multimédia, la qualité de service devient désormais une exigence fondamentale pour la transmission dans un environnement contraint en ressources. Dans le contexte spécifique de cette thèse, nous considérons un déploiement par voie aérienne d’une grande quantité de capteurs image pour des applications critiques de surveillance telles que la détection d’intrusion ou des opérations de recherche et sauvetage. La prise en compte de la criticité des applications constitue un aspect important de cette thèse, novateur par rapport aux contributions déjà effectuées dans le domaine. Nos travaux se fondent sur une méthode d’ordonnancement adaptatif de l’activité des capteurs image qui fournit, pour chacun d’entre eux, son ensemble de cover-sets. La détection d’un événement dans le réseau déclenche la transmission d’une large quantité d’informations visuelles, émanant de plusieurs sources pour résoudre les ambiguïtés. L’objectif de cette thèse est d’optimiser cette transmission simultanée d’images causant des désagréments sur le réseau. Nous avons tout d’abord proposé une stratégie de sélection des cover-sets pertinents à activer pour une transmission efficace des images capturées. Cette stratégie, basée sur des critères d’état et de voisinage, assure un compromis entre autonomie et criticité. Une extension multi-chemin de GPSR assure la remontée des images émises des sources sélectionnées au puits. Une seconde contribution, également une approche de sélection, se fonde sur les informations de chemins à 2 sauts pour la sélection des cover-sets. Contrairement à la précédente, elle accorde une priorité à la criticité par rapport à la préservation de l’énergie, même si cette préservation est faite de manière indirecte. Un protocole de routage multi-chemin T-GPSR essentiellement basé sur les informations à 2 sauts est associé à la seconde approche de sélection. Une étude de performances de la mobilité du puits sur les propositions basées sur les informations à 2 sauts constitue notre troisième contribution. / Recent advances of inexpensive and low-power CMOS cameras and MEMS mi- crophones have led to the emergence of Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs). WMSNs promise a wide spectrum of potential applications which require to ubiquitously capture multimedia content (visual and audio information). To support the transmission of multimedia content in a resource constrained environment, WMSNs may require a certain level of quality of service (QoS) in terms of delay, bandwidth, jitter, reliability, quality level etc. In this thesis, we consider Wireless Image Sensor Networks (WISNs) where sensor nodes equipped with miniaturized visual cameras to provide accurate information in various geographical parts of an area of interest can be thrown in mass for mission-critical applications such as intrusion detection or search & rescue. An innovative and important aspect of this thesis is to take into account the criticality of applications. The network adopts an adaptive scheduling of image sensor node’s activity based on the application criticality level, where each node computes its cover-sets. So, event detection triggers the simulataneous transmission of a large volume of visual data from multiples sources to the Sink. The main objective of this thesis is to optimize this simultaneous transmission of images that can degrade network performance. With this goal in mind, we first proposed a multi-criteria approach to select the suitable cover-sets to be activated for reliable transmission of images in mission-critical applications. The proposed approach takes into account various parameters that affect the image quality at the Sink in a multi-hop transmission network and guarantees a compromise between autonomy and criticality. A modified version of GPSR routing protocol supporting the transmission of multimedia streams ensures the transfer of images from selected sources to the Sink. The second contribution consists in an optimized selection strategy based on 2-hop neighborhood information to determine the most relevant cover-sets to be activated to increase reliability for image transmission. This selection approach prioritizes the application’s criticality. A multipath extension of GPSR, called T-GPSR, wherein routing decisions are based 2-hop neighborhood information is also proposed. A performance study of the sink mobility on proposals based on 2-hop information is our third contribution.

Les réseaux de capteurs sans fil qui conviennent pour vaste domaine d’applications, constituent une solution prometteuse qui répond à toute exigence de surveillance continue. L’autonomie énergétique des nœuds constitue un facteur de vulnérabilité qui influe directement leur longévité et la capacité du réseau à assurer longuement la couverture d’une zone géographique d’intérêt. La gestion de consommation énergétique représente la seule approche pour accroître la durée de vie de ces réseaux et leur conférer une autonomie raisonnable. Des solutions logicielles proposées à travers les protocoles MAC, apportent des améliorations significatives à la minimisation de la dépense énergétique des nœuds. Elles permettent de réduire les périodes d’écoute du canal qui, représente l’opération la plus coûteuse en termes d’énergie dans le fonctionnement des nœuds de capteurs sans fil. Néanmoins, se limiter à ces solutions n’est pas suffisant pour garantir une longévité acceptable. La seule méthode pour optimiser la conservation d’énergie dans les RCSFs est de mettre chaque nœud constamment en mode faible puissance et d’utiliser un mécanisme de télé-réveil à travers des signaux de réveil. Cela implique, l’utilisation de circuits de réveil de faible consommation qui assurent la surveillance de canal et qui déclenchent le réveil des nœuds uniquement à chaque fois qu’événement d’intérêt se produit. Dans ce contexte, une quantité importante de travaux ont proposés l’utilisation d’un mécanisme d’adressage (adresses MAC ou d’autres informations binaires), pour permettre aux nœuds non concernés de retourner rapidement dans son état de sommeil. Cette démarche est intéressante, mais implique toutefois une dépense énergétique non négligeable, liée à la réception et au traitement des informations d’adresse au niveau de tous les nœuds. La solution la plus efficace énergétiquement serait l’utilisation d’une autre forme d’adresse. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de minimisation de la consommation énergétique des RCSFs par la mise en œuvre d’un adressage qui permet aux nœuds de recevoir et de traiter les signaux de réveil, sans allumer leur module de communication principal. Il s’agit pour nous de supprimer la dépense énergétique liée à l’allumage du module RF et à la réception de paquets d’adresse, en se tournant vers l’exploitation de la durée des signaux de réveils. Notre solution se repose sur les caractéristiques matérielles du microcontrôleur (IRQ, Timer/Counter) des nœuds de capteurs. Elle permet de réduire les complexités liées aux conditionnements des signaux de réveils. Notre solution est implémentée sur un réseau de petite taille. Elle est évaluée expérimentalement et ses performances énergétiques sont comparées à celles d’un schéma classique de télé-réveil sans mécanisme d’adressage et à celles d’un schéma classique basé sur le duty-cycling. / Wireless sensor networks that are suitable for a wide range of applications, represent a promising solution that meets any requirement for continuous monitoring. The energy autonomy of sensor nodes constitutes a vulnerability factor that directly affects their longevity and the capacity of the network to ensure long coverage of the geographical area of interest. Energy consumption management is the only way to increase the lifespan of these networks and to give them a reasonable autonomy. Software solutions proposed through MAC protocols, bring significant improvements to the minimization of the energy expenditure of sensor nodes. They reduce the idle-listening periods which represents the most expensive operation in terms of energy, in the operation of the wireless sensor nodes. However, Focusing lonely on these solutions is not enough to guarantee acceptable longevity. The only way to optimize energy conservation in the WSN is to constantly put each node in low power mode and use a wakeup mechanism through wake-up signals. This involves the use of low-power wake-up circuits that provide channel monitoring, and trigger node wake-up only whenever event of interest occurs. In this context, a significant amount of work has proposed the use of an addressing mechanism (MAC addresses or other binary informations), to allow non-concerned nodes to quickly return to their sleep state. This approach is interesting, but involves a significant energy expenditure, related to address information’s reception and processing at all nodes. The most energy efficient solution would be the use of another type of address. This thesis is part of the context of minimizing the energy consumption of the WSN, using an addressing system that allows sensor nodes to receive and process the wake-up signals, without turning on their main communication module. It is to eliminate the energy expenditure related to the RF module’s activation and the reception of address packets, by exploiting wakeup signals duration. Our solution is based on the hardware characteristics of the microcontroller (IRQ, Timer/Counter) of sensor nodes. It reduces the complexities related to wakeup signals conditioning. Our solution is implemented on a small network. Its evaluations were done experimentally and its energy performance is compared to a conventional wake-up mechanism without addressing,and a conventional scheme based on duty-cycling.

Cette thèse aborde la performance du protocole KNX-RF utilisé dans les applications domotiques en termes de robustesse Radio Fréquences dans un environnement multi-protocoles potentiellement sujet aux interférences. Dans ces travaux, le but est d’évaluer les problématiques d’interférences rencontrées par KNX-RF en utilisant des modèles de simulation qui permettraient d’augmenter à sa fiabilité radio. Ainsi, un premier modèle a été développé sur MATLAB/Simulink et a permis de connaître les performances et les limitations de ce protocole au niveau de la couche physique dans un scénario d’interférence se produisant à l’intérieur d’une box/gateway domotique multi-protocoles. Ces simulations ont été complétées par des essais expérimentaux sur le terrain qui ont permis de vérifier les résultats obtenus. Un deuxième modèle a été développé pour évaluer les mécanismes de la couche MAC, cette fois-ci, grâce au simulateur OMNet++/MiXiM. Ce modèle reprend tous les mécanismes d’accès au canal et d’agilité en fréquence spécifiés par la norme KNX. Un scénario de collisions de trames a été simulé et plusieurs propositions d’améliorations sont discutées dans ce manuscrit. Les modèles développés permettent d’analyser et de prédire en avance de phase le comportement de KNX-RF dans un environnement radio contraignant. / This thesis addresses the performance of the KNX-RF protocol used for home automation applications in terms of radiofrequency robustness in a multi-protocol environment that is potentially subject to interferences. In this work, the aim is to assess the interference problems encountered by KNX-RF using simulation models that would increase its RF reliability. Thus, a first model was developed on MATLAB / Simulink and allowed to investigate the performance and limitations of this protocol at its physical layer in an interference scenario occurring inside a multiprotocol home and building automation box/gateway. These simulations were followed by field experimental tests in an indoor environment (house) to verify the results. A second model was developed to evaluate the MAC layer mechanisms of KNX-RF through the discrete event simulator OMNeT ++/Mixim. This model includes all the mechanisms of channel access and frequency agility specified by KNX-RF standard. A frame collision scenario was simulated and several improvement proposals are discussed in this manuscript. The developed models can be used to analyze and predict in advance phase the behavior of KNX-RF in a radio-constrained environment.

L'Internet des objets (IoT) est annoncé comme la prochaine grande révolution technologique où des milliards d'appareils s'interconnecteront en utilisant les technologies d’Internet et permettront aux utilisateurs d'interagir avec le monde physique, permettant Smart Home, Smart Cities, tout intelligent. Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) sont cruciales pour tourner la vision de l'IoT dans une réalité, mais pour que cela devienne réalité, beaucoup de ces dispositifs doivent être autonomes en énergie. Par conséquent, un défi majeur est de fournir une durée de vie de plusieurs années tout en alimentant les nœuds par batteries ou en utilisant l'énergie récoltée. Bluetooth Low Energy (BLE) a montré une efficacité énergétique et une robustesse supérieures à celles d'autres protocoles WSN bien connus, ce qui fait BLE un candidat solide pour la mise en œuvre dans des scénarios IoT. En outre, BLE est présent dans presque tous les smartphones, ce qui en fait une télécommande universelle omniprésente pour les maisons intelligentes, les bâtiments ou les villes. Néanmoins, l'amélioration de la performance BLE pour les cas typiques d'utilisation de l'IoT, où la durée de vie de la batterie de nombreuses années, est toujours nécessaire.Dans ce travail, nous avons évalué les performances de BLE en termes de latence et de consommation d'énergie sur la base de modèles analytiques afin d'optimiser ses performances et d'obtenir son niveau maximal d'efficacité énergétique sans modification de la spécification en premier lieu. À cette fin, nous avons proposé une classification des scénarios ainsi que des modes de fonctionnement pour chaque scénario. L'efficacité énergétique est atteinte pour chaque mode de fonctionnement en optimisant les paramètres qui sont affectés aux nœuds BLE pendant la phase de découverte du voisin. Cette optimisation des paramètres a été réalisée à partir d'un modèle énergétique extrait de l'état de la technique. Le modèle, à son tour, a été optimisé pour obtenir une latence et une consommation d'énergie quel que soit le comportement des nœuds à différents niveaux: application et communication. Puisqu'un nœud peut être le périphérique central à un niveau, alors qu'il peut être le périphérique à l'autre niveau en même temps, ce qui affecte la performance finale des nœuds.En outre, un nouveau modèle d'estimation de la durée de vie de la batterie a été présenté pour montrer l'impact réel de l'optimisation de la consommation énergétique sur la durée de vie des nœuds, de façon rapide (en termes de temps de simulation) et réaliste (en tenant compte des données empiriques). Les résultats de performance ont été obtenus dans notre simulateur Matlab basé sur le paradigme OOP, à travers l'utilisation de plusieurs cas de test IoT. En outre, le modèle de latence utilisé pour notre étude a été validé expérimentalement ainsi que l'optimisation des paramètres proposée, montrant une grande précision.Après avoir obtenu les meilleures performances possibles de BLE sans modification de la spécification, nous avons évalué les performances du protocole en implémentant le concept de Wake-Up radio (WuR), qui est un récepteur d’ultra-faible consommation et qui est en charge de détecter le canal de communication, en attente d'un signal adressé au nœud, puis réveiller la radio principale. Ainsi, la radio principale, qui consomme beaucoup plus d'énergie, peut rester en mode veille pendant de longues périodes et passer en mode actif uniquement pour la réception de paquets, économisant ainsi une quantité d'énergie considérable. Nous avons démontré que la durée de vie de BLE peut être significativement augmentée en implémentant une WuR et nous proposons une modification du protocole afin de rendre ce protocole compatible avec un mode de fonctionnement qui inclut une WuR. Pour cela, nous avons étudié l'état de l'art de la WuR et évalué la durée de vie des périphériques BLE lorsqu'une WuR sélectionnée est implémentée du côté master. / The Internet of Things (IoT) is announced as the next big technological revolution where billions of devices will interconnect using Internet technologies and let users interact with the physical world, allowing Smart Home, Smart Cities, smart everything. Wireless Sensor Network (WSN) are crucial for turning the vision of IoT into a reality, but for this to come true, many of these devices need to be autonomous in energy. Hence, one major challenge is to provide multi-year lifetime while powered on batteries or using harvested energy. Bluetooth Low Energy (BLE) has shown higher energy efficiency and robustness than other well known WSN protocols, making it a strong candidate for implementation in IoT scenarios. Additionally, BLE is present in almost every smartphone, turning it into perfect ubiquitous remote control for smart homes, buildings or cities. Nevertheless, BLE performance improvement for typical IoT use cases, where battery lifetime should reach many years, is still necessary.In this work we evaluated BLE performance in terms of latency and energy consumption based on analytical models in order to optimize its performance and obtain its maximum level of energy efficiency without modification of the specification in a first place. For this purpose, we proposed a scenarios classification as well as modes of operation for each scenario. Energy efficiency is achieved for each mode of operation by optimizing the parameters that are assigned to the BLE nodes during the neighbor discovery phase. This optimization of the parameters was made based on an energy model extracted from the state of the art. The model, in turn, has been optimized to obtain latency and energy consumption regardless of the behavior of the nodes at different levels: application and communication. Since a node can be the central device at one level, while it can be the peripheral device at the other level at the same time, which affects the final performance of the nodes.In addition, a novel battery lifetime estimation model was presented to show the actual impact that energy consumption optimization have on nodes lifetime in a fast (in terms of simulation time) and realistic way (by taking into account empirical data). Performance results were obtained in our Matlab based simulator based on OOP paradigm, through the use of several IoT test cases. In addition, the latency model used for our investigation was experimentally validated as well as the proposed parameter optimization, showing a high accuracy.After obtaining the best performance possible of BLE without modification of the specification, we evaluated the protocol performance when implementing the concept of Wake-Up radio, which is an ultra low power receiver in charge on sensing the communication channel, waiting for a signal addressed to the node and then wake the main radio up. Thus, the main radio which consumes higher energy, can remain in sleep mode for long periods of time and switch to an active mode only for packet reception, therefore saving considerable amount of energy. We demonstrated that BLE lifetime can be significantly increased by implementing a Wake-Up radio and we propose a modification of the protocol in order to render this protocol compatible with an operating mode which includes a Wake-Up radio. For this, we studied the Wake-Up radio state of the art and evaluated BLE devices lifetime when a selected Wake-Up radio is implemented at the master side.

La propagation des ondes acoustiques ou élastiques dans un milieu fini à faible atténuation se traduit par des signaux mesurés de longue durée (réverbération). Dans les techniques de contrôle non destructif et imagerie conventionnelles, seuls les premiers paquets d’ondes sont ordinairement exploités et l’information potentiellement contenue dans les codas de réverbération est alors perdue. Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d’exploiter le comportement d’ensemble des codas enregistrées dans des structures de type plaques, afin d’extraire le maximum d’information à partir d’un nombre limité de capteurs et traitement simple. Nous avons développé des modèles statistiques permettant de prévoir le comportement des ondes acoustiques réverbérantes dans une plaque (sous la forme de moyennes d’ensemble), à partir d’un ensemble limité de paramètres accessibles expérimentalement. Ainsi, il est montré que les moyennes des enveloppes, des corrélations ou de l’intégrale dite de Schroeder des signaux de réverbération reçus par quelques points contiennent des informations potentiellement utiles sur les propriétés structurelles du milieu, des sources ou des défauts. Après une validation numérique et expérimentale des modèles, des applications potentielles sont présentées telles que l’estimation de propriétés structurelles d’une plaque ou la localisation d’une source. La particularité de ces estimations est qu’elles ne nécessitent pas de mesure de temps, ni de synchronisation entre les capteurs, ce qui pourrait autoriser une implémentation avec peu de ressources embarquées. Ce type de méthode pourrait également être utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, de façon éventuellement complémentaire aux techniques classiques de CND et contrôle-santé de structures. / The propagation of acoustic and elastic waves in a finite media with low attenuation leads to measured signals of long durations (reverberation). In conventional techniques for non-destructive testing and imaging, only the first wave packets are usually exploited, and the information potentially contained in reverberation codas is lost. The work presented in this thesis aims to exploit the overall behavior of codas recorded in plate-like structures, in order to extract the maximum information from a limited number of sensors and simple processing. We have developed statistical models to predict the behavior of reverberant acoustic waves in a plate (in the form of ensemble-averages), from a limited set of experimentally accessible parameters. Thus, it is shown that theoretical expressions for the mathematical expectations of the envelopes, the correlation functions or the so-called Schroeder’s integral of reverberant signals received at some points contain potentially useful information about the structural properties of the medium, the sources or the defects. After numerical and experimental validation, potential applications are presented, such as the estimate of structural properties of a plate or source location. In addition, these techniques do not require any time measurement or even trigger synchronization between the input channels of instrumentation, thus implying low hardware constraints. Such methods could also be used to characterize a defect in a reverberant structure and can be considered as complementary to conventional NDT techniques and structural health monitoring.

Les progrès réalisés en systèmes micro-électro-mécaniques couplés avec leur convergence vers les systèmes de communication sans fil, ont permis l'émergence des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Les contraintes de ces réseaux font que tous les efforts soient fournis pour proposer des solutions économes en énergie. Avec les récents développements des technologies CMOS, des capteurs d'images à faible coût ont été développés. En conséquence, un nouveau dérivé des RCSF, qui sont les Réseaux de Capteurs Vidéo Sans Fil (RCVSF), a été proposé. La particularité des données vidéo ainsi que les contraintes inhérentes aux nœuds ont introduit de nouveaux défis. Dans cette thèse, nous proposons deux solutions basées sur l'approche inter-couches pour la livraison de la vidéo sur les RCVSF. La première solution propose un nouveau schéma de compression vidéo adaptatif, efficace en énergie et basé sur la norme de compression vidéo H.264/AVC. Le flux vidéo est ensuite géré par une version améliorée du protocole MMSPEED que nous proposons et notons EQBSA-MMSPEED. Les résultats des simulations montrent que la durée de vie du réseau est étendue de 33%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 12%. Dans la deuxième solution, nous enrichissons le schéma de compression de modèles mathématiques pour prévoir la consommation d'énergie et la distorsion de l'image lors des phases d'encodage et de transmission. Le flux vidéo est géré par un nouveau protocole de routage efficace en énergie et à fiabilité améliorée noté ERMM. Comparée à une approche basique, cette solution réalise une extension de la durée de vie du réseau de 15%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 35%. / Thanks to the valuable advances in Micro Electro-Mechanical Systems coupled with their convergence to wireless communication systems, the Wireless Sensor Networks (WSN). In the WSN context, all the efforts are made in order to propose energy-efficient solutions. With the recent developments in CMOS technology, low-cost imaging sensors have been developed. As a result, a new derivative of the WSN, which is the Wireless Video Sensor Network (WVSN), has been proposed. The particularities of the video data as well as the inherent constraints of the nodes have introduced new challenges. In this thesis, we propose two cross-layer based solutions for video delivery over the WVSN. The first solution proposes a new energy efficient and adaptive video compression scheme dedicated to the WVSNs, based on the H.264/AVC video compression standard. The video stream is then handled by an enhanced version of MMSPEED protocol, that we propose and note EQBSA-MMSPEED. Performance evaluation shows that the lifetime of the network is extended by 33%, while improving the video quality of the received stream by 12%. In the second solution, we enrich our compression scheme with mathematical models to predict the energy consumption and the video distortion during the encoding and the transmission phases. The video stream is then handled by a novel energy efficient and improved reliability routing protocol, that we note ERMM. Compared to a basic approach, this solution is extending the network lifetime by 15%, while improving the quality of the received video stream by 35%.

Qu’il s’agisse de suivre des patients à domicile, ou de prévenir l’isolement ou la vulnérabilité de personnes âgées, les systèmes de suivi et d'assistance électroniques qui émergent offrent des opportunités sans précédents. L’enjeu est considérable, et on assiste à un développement technologique important qui permet désormais aux particuliers ou aux établissements hospitaliers ou médico-sociaux d’assurer le diagnostic, la prévention, le contrôle, voire le traitement de patients à distance (mesures de paramètres physiologiques, administration de médicaments, détection de chutes, etc.). Ce suivi à distance est en particulier devenu possible et performant avec l’avènement des objets connectés. On peut ainsi envisager d’exploiter un réseau de capteurs embarqué sur un patient pour mesurer à distance et en temps réel la température, le rythme cardiaque ou la tension artérielle d’un patient. Les données sont transmises (et/ou stockées) au praticien pour réaliser le diagnostic et définir les traitements. Pour autant la conception optimale (choix des technologies de transmission, de stockage, etc.) ainsi que la problématique de la gestion d’énergie constituent des verrous à leur adoption. Le travail proposé dans cette thèse consiste donc à développer un outil d’aide à la conception de réseaux de capteurs médicaux communicants embarqués sur la personne. Il s’agit en particulier de fournir une information sur la faisabilité au plus tôt dans le cycle de conception, et garantir l’obtention d’un circuit « correcte par construction ». L’accent est porté sur la maîtrise (voire la réduction) de la consommation d’énergie Dans ce sens, une simulation fiable et précise permet de contrôler, dès le début du flot de conception, la consommation en énergie du réseau. Elle assure par la suite une meilleure gestion de l’énergie disponible et éventuellement une autonomie plus importante. L’outil, centré sur l’optimisation de la consommation d’énergie, est implémenté dans un environnement Matlab. Basé sur une modélisation de la consommation en énergie d’un nœud de capteur, il se veut générique aussi bien que précis. Il assure une implémentation simple de nouveaux composants à partir de fiches techniques. Ces composants sont construits sous la forme de blocs réutilisables permettant ainsi à l’utilisateur de créer sa propre librairie. En plus de l’estimation de la consommation, cet outil met en œuvre des algorithmes d’optimisation pour guider l’utilisateur vers une conception qui respecte les contraintes énergétiques et médicales de l’application (choix de composants, choix de source d’énergie, configuration du réseau, etc.). Une application est proposée d’abord au niveau d’un nœud de capteur de température corporelle communiquant par Bluetooth Low Energy. Ce même nœud est ensuite placé au sein d’un réseau de capteurs pour la surveillance de cinq paramètres physiologiques différents. Une validation expérimentale des résultats de simulation est également réalisée. / Whether it is to monitor patients at home, or to prevent the isolation and vulnerability of the elderly, the emerging electronic monitoring and assistance systems offer new opportunities. The technological development we have witnessed allows individuals, hospitals, or medical aid organizations to provide the diagnosis, prevention, control or even treatment of patients outside of conventional clinical settings (measurements of physiological parameters, drug administration, fall detection, etc.).Recent developments in connected objects made efficient remote patient monitoring possible. In other words, we are able to use a network of wearable or implantable sensors to remotely obtain real time measurements of a patient’s vital signs (temperature, heart rate, blood pressure, etc.). Data is transmitted (and / or stored) to medical personnel who are able to perform diagnosis and define treatments accordingly. An optimal design (transmission protocols, data storage, etc.) and energy management are the bottlenecks involved in the implementation of such systems. This work proposes to develop a tool to help in the design of medical sensor networks. It aims to provide information regarding feasibility during the early stages of the design thus ensuring that a "well-constructed" circuit is obtained. The emphasis is on the control (or even reduction) of energy consumption. In this regard, an efficient energy consumption simulation at the beginning of the design flow would enable the user to decide on system parameters. This will ensure an optimal management of the available energy and eventually a longer network lifetime. The proposed tool is centered on the optimization of the energy consumption using Matlab environment. It is built over a model of the energy consumption of wireless sensor nodes. It is intended to be generic and accurate. In fact, it enables fast creation of new component description based on the datasheets. These components are reusable thus producing a growing database. In addition to energy consumption estimation, the tool uses optimization routines to guide the user through an energy aware design (picking energy sources, components, network configuration, etc.) that complies with medical requirements. An application to a single Bluetooth Low Energy body temperature sensor is first proposed. The same sensor is then included in a physiological sensor network. A physical implementation is used in order to compare the results obtained through simulation with practical measurements.

Les réseaux de capteurs sans fil ont connu depuis quelques années un intérêt majeur dans tous les domaines d’activités. Une des informations attendue est la localisation des nœuds capteurs ; pourtant, compte-tenu des contraintes imposées aux capteurs en termes d’encombrement et d’énergie, il est peu envisageable d’équiper le capteur d’équipements spécifiques dédié à la localisation comme un récepteur GPS. Dès lors, localiser le capteur en exploitant le signal de communication est une option intéressante. A l’inverse des techniques Range-Free exploitant des hypothèses de connectivité du réseau, les techniques généralement connues pour atteindre une bonne précision de localisation par la radio sont de type Range-Based, et se basent, dans notre cas, sur la mesure du temps de vol du signal radio UWB. Nos contributions portent alors sur le choix d’une couche physique performante, sur la mise en place d’outils favorisant une bonne précision temporelle dans les échanges radio, et l’élaboration d’un protocole original d’évaluation de la distance. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent donc à aborder la problématique générale de la localisation d’intérieur dans les réseaux de capteurs sans fil, et en particulier la fonctionnalité de ranging qui est le mécanisme d’évaluation de la distance entre les nœuds. Dans un premier temps, nous implémentons puis évaluons les protocoles de référence rencontrés dans la littérature. Nous identifions et corrigeons par la suite, les erreurs susceptibles de biaiser la métrique du temps de vol. Nous proposons alors le protocole 2M-TWR (2 Messages – Two Way Ranging) comme une amélioration du protocole de référence TWR. Enfin, nous proposons et implémentons le protocole BB-TWR (Beacon Based –TWR), qui permet d’effectuer le ranging, de manière séquentielle et non séquentielle, en incluant les informations temporelles nécessaires dans tout trafic natif diffusé existant. Les preuves de concept ont été prototypées et évaluées sur un banc de test réel. / In recent years, Wireless Sensor Networks has gained an important interest in all fields of activity. One of the expected information is the sensor nodes localization; However, due to the sensors constraints in terms of memory and energy, it is not possible to equip the sensor with specific equipment dedicated to the localization as the GPS receiver. Thus, locating the sensor by using the communication signal is an interesting option. In contrast to Range-Free techniques which use assumptions of network connectivity, the Range-Based techniques are known to reach good localization accuracy and, in our case, they are based on the measurement of the time of flight of the radio signal UWB. Our contributions focus on the choice of an efficient physical layer, on the implementation of tools that promote a good temporal accuracy in radio exchanges, and the development of an original distance evaluation protocol. Research works presented in this manuscript aim to address the global general problem of indoor localization in wireless sensor networks, and particularly the ranging functionality which is the distance evaluation mechanism between nodes. At first we implemented and evaluated the well-known protocols encountered in the literature. Then, we identify and correct errors that may bias the Time of flight metric. We propose the 2M-TWR protocol (2 Messages - Two Way Ranging) as an improvement to the TWR reference protocol. Finally, we propose and implement the BB-TWR (Beacon Based-TWR) protocol, which is able to perform ranging, sequentially and non-sequentially, by including the necessary time information in any existing broadcast native traffic. The proofs of concept were prototyped and evaluated on a real testbed.

Aujourd'hui, les technologies de réseaux sans fil (WLAN/WPAN) présentes sur le marché sont nombreuses et globalement complémentaires. Cependant, trop peu d'entre elles proposent de réelles garanties sur la remise de messages dans un temps borné alors que ces exigences sont fondamentales dans le cadre d'une utilisation de type industriel. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons une nouvelle couche MAC entièrement déterministe pour un réseau sans fil personnel basse consommation (LP-WPAN) IEEE 802.15.4 présentant des garanties sur le plan temporel.<br />Tout d'abord, un état de l'art est effectué sur les principaux réseaux sans fil existants, les mécanismes de gestion de la Qualité de Service et les méthodes d'accès généralement utilisées. Nous présentons ensuite la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee sur laquelle sont basés nos travaux. Cette étude approfondie nous a permis d'identifier certaines imperfections au niveau de la méthode d'accès par rapport aux contraintes temporelles. Nous proposons de combler ces lacunes par la création d'une couche MAC entièrement déterministe dont nous présentons les caractéristiques et les nouvelles fonctionnalités. Plusieurs méthodes complémentaires ont été utilisées pour valider nos propositions : Réseaux de Petri, simulation et prototypage réel. Les résultats obtenus et les analyses de ces trois études sont exposés.

Cette thèse a pour but d'évaluer la performance théorique des approches coopératives pour la fiabilisation des transmissions dans les réseaux autour du corps humain. Ces réseaux sont formés d'un nombre limité de capteurs communicants disposés sur et dans le corps. Les techniques de coopération dans les réseaux de cette taille sont extrêmement dépendantes de l'information disponible quand à la qualité des canaux de communication au moment de la transmission. Sous une hypothèse de connaissance de la valeur moyenne à moyen et long terme de l'affaiblissement de ces canaux, nous dérivons une approximation du taux d'erreur paquet de bout en bout pour des techniques de relayage. Nous présentons également, pour certains de ces modèles, une allocation de puissance asymptotiquement optimale, fournissant un gain sur une large plage des puissances d'émission. En supposant ensuite que les noeuds ont une connaissance parfaite de l'état du réseau, nous étudions la capacité de Shannon sur des canaux à relais, et des canaux comprenant deux émetteurs coopérant entre eux. Pour ces deux modèles, nous montrons que lorsque l'on cherche à optimiser la répartition de puissance totale disponible à l'émission, l'étude se réduit à celle d'un modèle de canal équivalent simplifiant grandement l'analyse de la capacité et fournissant des solutions analytiques aux problèmes d'allocation de ressources. Nous présentons enfin une plate-forme de mesures pour les réseaux autour du corps humain, permettant de relever de manière quasi-simultanée l'intégralité des affaiblissements des liens entre les nœuds du réseau. Cette plateforme nous permet de traiter de la stabilité de ces liens et de la validité de l'hypothèse de réciprocité. Nous évaluons également la corrélation spatiale de l'affaiblissement des liens et nous montrons en particulier que celle-ci varie fortement au cours du mouvement, mais de façon suffisamment lente pour être estimée au fil de l'eau.