Dans les réseaux de capteurs urbains, les nœuds émettent des signaux en utilisant plusieurs protocoles de communication qui coexistent. Ces protocoles étant en évolution permanente, une approche orientée radio logicielle semble être la meilleure manière d’intégrer tous les protocoles sur la passerelle collectant les données. Tous les signaux sont donc numérisés en une fois. La grande plage dynamique des signaux reçus est alors le principal problème : ceux-ci peuvent être reçus avec une puissance très variable selon les conditions de propagation. Dans le cas d’une réception simultanée, le Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) doit être capable d’absorber une telle dynamique. Une première étude est menée afin d’établir les caractéristiques requises du CAN sur une passerelle d’un tel réseau de capteurs. La résolution minimale de 21 bits obtenue s’avérant trop importante pour être atteinte au vu de l’état de l’art actuel, deux approches différentes sont explorées pour réduire la plage dynamique des signaux avant la numérisation. La première approche s’appuie sur la technique du companding. Des lois de compression connues sont explorées afin d’étudier leur viabilité dans le cas de la numérisation de signaux multiples, et deux nouvelles implémentations sont proposées pour la plus performante d’entre elles. La deuxième technique proposée consiste en une nouvelle architecture de réception utilisant deux voies de réception. La première d’entre elles est dédiée au signal le plus fort sur la bande : celui-ci est démodulé et sa fréquence d’émission est mesurée. À partir de cette mesure, la seconde branche est reconfigurée de manière à atténuer ce signal fort, en réduisant ainsi la plage dynamique. Les autres signaux sont ensuite numérisés sur cette branche avec une résolution du CAN réduite. Cette deuxième approche semblant plus prometteuse, elle est testée en expérimentation. Sa viabilité est démontrée avec des scénarios de réception de signaux prédéfinis représentant les pires cas possibles. / In this thesis, a receiver architecture for a gateway in a urban sensors network was designed. To embed the multiple protocols coexisting in this environment, the best approach seems to use a reconfigurable architecture, following the scheme of the Software-Defined Radio (SDR). All the received signals should be digitized at once by the Analog-to-Digital Converter (ADC) in order to sustain the reconfigurability of the architecture: then all the signal processing will be able to be digitally performed. The main complication comes from the heterogeneity of the propagation conditions: from the urban environment and from the diversity of the covered applications, the signals can be received on the gateway with widely varying powers. Then the gateway must be able to deal with the high dynamic range of these signals. This constraint applies strongly on the ADC whose resolution usually depends on the reachable digitized frequency band. A first study is led to evaluate the required ADC resolution to cope with the dynamic range. For this the dynamic range of the signals is first evaluated, then the required resolution to digitize the signals is found theoretically and with simulations. For a 100~dB power ratio between strong and weak signals, we showed that the ADC resolution needed 21 bits which is far too high to be reached with existing ADCs. Two different approaches are explored to reduce analogically the signals' dynamic range. The first one uses the companding technique, this technique being commonly used in analog dynamic range reduction in practice (\emph{e.g.} in audio signals acquisition), its relevance in multiple signal digitization is studied. Three existing compression laws are explored and two implementations are proposed for the most efficient of them. The feasibility of these implementations is also discussed. In the second approach we propose to use a two-antennas receiver architecture to decrease the dynamic range. In this architecture two digitization paths are employed: the first one digitizes only the strongest signal on the band. Using the information we get on this signal we reconfigure the second branch of the architecture in order to attenuate the strong signal. The dynamic range being reduced, the signals can be digitized with an ADC with a lower resolution. We show in this work that the ADC resolution can de decreased from 21 to 16 bits using this receiver architecture. Finally, the promising two-antennas architecture is tested in experimentation to demonstrate its efficiency with dynamic signals (\emph{i.e.} with appearing and disappearing signals).

L’Intelligence Ambiamte (AmI) est un domaine de recherche investigant les techniques d’intelligence artificielle pour créer des environnements réactifs. Les réseaux de capteurs et effecteurs sans-fils sont les supports de communication entre les appareils ménagers, les services installés et les interfaces homme-machine. Cette thèse s’intéresse à la conception d’Environements Réactifs avec des propriétés autonomiques i.e. des systèmes qui ont la capacité de se gérer eux-même. De tels environements sont ouverts, à grande échelle, dynamique et hétérogène, ce qui induit certains problèmes pour leur gestion par des systèmes monolithiques. L’approche proposée est bio-inspirée en considérant chacune des plate-formes comme une cellule indépendente formant un organisme intelligent distribué. Chaque cellule est programmée par un processus ADN-RNA décrit par des règles réactives décrivant leur comportement interne et externe. Ces règles sont modelées par des agents mobiles ayant des capacités d’auto-réécriture et offrant ainsi des possibilités de reprogrammation dynamique. Le framework EMMA est composé d’un middleware modulaire avec une architecture orientée ressource basée sur la technologie 6LoWPAN et d’une architecture MAPE-K pour concevoir des AmI à plusieurs échelles. Les différentes relations entre les problèmes techniques et les besoins théoriques sont discutées dans cette thèse depuis les plate-formes, le réseau, le middleware, les agents mobiles, le déploiement des applications jusqu’au système intelligent. Deux algorithmes pour AmI sont proposés : un modèle de contrôleur neuronal artificiel pour le contrôle automatique des appareils ménagers avec des processus d’apprentissage ainsi qu’une procédure de vote distribuée pour synchroniser les décisions de plusieurs composants systèmes. / AThe Ambient Intelligence (AmI) is a research area investigating AI techniques to create Responsive Environments (RE). Wireless Sensor and Actor Network (WSAN) are the supports for communications between the appliances, the deployed services and Human Computer Interface (HCI). This thesis focuses on the design of RE with autonomic properties i.e. system that have the ability to manage themselves. Such environments are open, large scale, dynamic and heterogeneous which induce some difficulties in their management by monolithic system. The bio-inspired proposal considers all devices like independent cells forming an intelligent distributed organism. Each cell is programmed by a DNA-RNA process composed of reactive rules describing its internal and external behaviour. These rules are modelled by reactive agents with self-rewriting features offering dynamic reprogramming abilities. The EMMA framework is composed of a modular Resource Oriented Architecture (ROA) Middleware based on IPv6 LoW Power Wireless Area Networks (6LoWPAN) technology and a MAPE-K architecture to design multi-scale AmI. The different relations between technical issues and theoretical requirements are discussed through the platforms, the network, the middleware, the mobile agents, the application deployment to the intelligent system. Two algorithms for AmI are proposed: an Artificial Neural Controller (ANC) model for automatic control of appliances with learning processes and a distributed Voting Procedures (VP) to synchronize the decisions of several system components over the WSAN.

L'un des défis majeurs du monde de ces dernières décennies a été l'augmentation continue de la population des personnes âgées dans les pays développés. D’où la nécessité de fournir des soins de qualité à une population en croissance rapide, tout en réduisant les coûts des soins de santé. Dans ce contexte, de nombreux travaux de recherche portent sur l’utilisation des réseaux de capteurs sans fil dans les systèmes WBAN (Wireless Body Area Network), pour faciliter et améliorer la qualité du soin et de surveillance médicale à distance. Ces réseaux WBAN soulèvent de nouveaux défis technologiques en termes de sécurité et de protection contre les anomalies et les attaques. Le mode de communication sans fil utilisé entre ces capteurs et l’unité de traitement accentue ces vulnérabilités. En effet les vulnérabilités dans un système WBAN se décomposent en deux parties principales. La première partie se compose des attaques possibles sur le réseau des capteurs médicaux et sur le médium de communications sans fils entre ces capteurs et l’unité de traitement. La deuxième partie se compose des attaques possibles sur les communications à haut débit entre le système WBAN et le serveur médical. L’objectif de cette thèse est de répondre en partie aux problèmes de détection des attaques dans un système WBAN de surveillance médicale à distance. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé un algorithme pour détecter les attaques de brouillage radio (jamming attack) qui visent le médium de communications sans fils entre les capteurs et l’unité de traitement. Ainsi nous avons proposé une méthode de mesure de divergence pour détecter les attaques de type flooding qui visent les communications à haut débit entre le système WBAN et le serveur médical. / One of the major challenges of the world in recent decades is the continued increase in the elderly population in developed countries. Hence the need to provide quality care to a rapidly growing population while reducing the costs of health care is becoming a strategic challenge. In this context, many researches focus on the use of wireless sensor networks in WBAN (Wireless Body Area Network) systems to facilitate and improve the quality of medical care and remote monitoring. These WBAN systems pose new technological challenges in terms of security and protection against faults and attacks. The wireless communication mode used between the sensors and the collection node accentuates these vulnerabilities. Indeed vulnerabilities in a WBAN system are divided into two main parts. The first part consists of the possible attacks on the network of medical sensors and on the wireless communications medium between the sensors and the processing unit. The second part consists of possible attacks on high-speed communications between the WBAN system and the medical server. The objective of this thesis is to meet some of the problems of detecting attacks in a WBAN system for remote medical monitoring. To achieve this goal, we propose an algorithm to detect the jamming attacks targeting the wireless communications medium between the sensors and the processing unit. In addition we propose a method of measuring divergence to detect the flooding attacks targeting the high-speed communications between the WBAN system and the medical server.

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont très largement utilisés dans divers domaines d'applications civiles et militaires, comme la surveillance de champs de bataille, la détection de phénomène environnementaux, ou encore les bâtiments intelligents. Cependant, les réseaux de capteurs sans fil sont caractérisés par de fortes limitations au niveau de l'énergie disponible et des communications radio. Les travaux réalisés dans cette thèse visent à proposer des solutions garantissant une certaine qualité de service dans le contexte des réseaux de capteurs sans fil. La première partie concerne la couche liaison de données avec l'objectif d'augmenter la durée de vie du réseau. L'accès au médium sans fil est analysé et modélisé sous la forme d'un problème d'ordonnancement des liens de communication, tenant compte des collisions. Nous étudions alors la complexité de ce problème. Une approche distribuée et tolérante aux défaillances avec garantie de performance est proposée (SS-DD2EC) pour résoudre ce problème. La seconde partie de la thèse concerne le routage des messages à l'aide du protocle IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Network (RPL). Tout d'abord, un comparatif entre les différentes métriques de routage existantes pour l'optimisation de l'énergie consommée a été mené. En plus de la durée de vie, les critères de fiabilité et de latence de bout-en-bout sont considérés pour évaluer ces métriques. Enfin, deux nouvelles métriques (R_MinMax et R_Delai) ont été proposées pour RPL permettant d'atteindre des gains significatifs par rapport à l'état de l'art. La première ne tient compte que des critères de consommation d'énergie et de fiabilité, alors que la seconde intègre en plus la latence de bout-en-bout. / Wireless sensor networks (RCSF) is a technology that has a wide range of civil or military applications, including battlefield monitoring, environmental monitoring or smart city. However, WSN are characterized by high limitations in terms of energy (battery-operated nodes) and wireless links (low power and lossy links). The work done in this PhD thesis aims to provide solutions that guarantee a certain quality of service in the context of wireless sensor networks. The first part of this work concerns the medium access control layer with the aim of increasing the lifetime of the network. The access to the wireless medium is analyzed and modeled as a link scheduling problem, taking into account collisions. First, a study of the complexity of this problem is carried out, then a distributed and fault-tolerant approach with guaranteed performance is proposed (SS-DD2EC) to solve this problem. The second part is about message routing with the IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Network (RPL). First of all, a comparison between the various existing routing metrics for the optimization of the energy consumed has been carried out. In addition of lifetime, the reliability and end-to-end latency criteria are considered for evaluating these metrics. Then, two new RPL metrics (R_MinMax and R_Delai) were proposed, achieving significant gains over the state of the art. The first one only considers the energy consumption and reliability, while the second one takes also into account the end-to-end latency.

Actuellement, des descriptions basées sur de simples schémas XML sont utilisées pour décrire un capteur/actuateur et les données qu’il mesure et fournit. Ces schémas sont généralement formalisés en utilisant le langage SensorML (Sensor Model Language), ne permettant qu’une description hiérarchique basique des attributs des objets sans aucune notion de liens sémantiques, de concepts et de relations entre concepts. Nous pensons au contraire que des descriptions sémantiques des capteurs/actuateurs sont nécessaires au design et à la mise en œuvre de mécanismes efficaces d’inférence, de fusion et de composition de données. Cette ontologie sémantique permettra de masquer l’hétérogénéité des données collectées et facilitera leur fusion et leur composition au sein d’un environnement de gestion de capteur similaire à celui d’une architecture ouverte orientée services. La première partie des travaux de cette thèse porte donc sur la conception et la validation d’une ontologie sémantique légère, extensible et générique de description des données fournies par un capteur/actuateur. Cette description ontologique de données brutes devra être conçue : • d’une manière extensible et légère afin d’être applicable à des équipements embarqués hétérogènes, • comme sous élément d’une ontologie de plus haut niveau (upper level ontology) utilisée pour modéliser les capteurs et actuateurs (en tant qu’équipements et non plus de données fournies), ainsi que les informations mesurées (information veut dire ici donnée de plus haut niveau issue du traitement et de la fusion des données brutes). La seconde partie des travaux de cette thèse portera sur la spécification et la qualification : • d’une architecture générique orientée service (SOA) permettant la découverte et la gestion d’un capteur/actuateur, et des données qu’il fournit (incluant leurs agrégation et fusion en s’appuyant sur les mécanismes de composition de services de l’architecture SOA), à l’identique d’un service composite de plus haut niveau, • d’un mécanisme amélioré de collecte de données à grande échelle, au dessus de cette ontologie descriptive. L’objectif des travaux de la thèse est de fournir des facilitateurs permettant une mise en œuvre de mécanismes efficaces de collecte, de fusion et d’agrégation de données, et par extension de prise de décisions. L’ontologie de haut niveau proposée sera quant à elle pourvue de tous les attributs permettant une représentation, une gestion et une composition des ‘capteurs, actuateurs et objets’ basées sur des architectures orientées services (Service Oriented Architecture ou SOA). Cette ontologie devrait aussi permettre la prise en compte de l’information transporter (sémantique) dans les mécanismes de routage (i.e. routage basé information). Les aspects liés à l’optimisation et à la modélisation constitueront aussi une des composantes fortes de cette thèse. Les problématiques à résoudre pourraient être notamment : • La proposition du langage de description le mieux adapté (compromis entre richesse, complexité et flexibilité), • La définition de la structure optimum de l’architecture de découverte et de gestion d’un capteur/actuateur, • L’identification d’une solution optimum au problème de la collecte à grande échelle des données de capteurs/actuateurs / The constant evolution of technology in terms of inexpensive and embedded wireless interfaces and powerful chipsets has leads to the massive usage and development of wireless sensor networks (WSNs). This potentially affects all aspects of our lives ranging from home automation (e.g. Smart Buildings), passing through e-Health applications, environmental observations and broadcasting, food sustainability, energy management and Smart Grids, military services to many other applications. WSNs are formed of an increasing number of sensor/actuator/relay/sink devices, generally self-organized in clusters and domain dedicated, that are provided by an increasing number of manufacturers, which leads to interoperability problems (e.g., heterogeneous interfaces and/or grounding, heterogeneous descriptions, profiles, models …). Moreover, these networks are generally implemented as vertical solutions not able to interoperate with each other. The data provided by these WSNs are also very heterogeneous because they are coming from sensing nodes with various abilities (e.g., different sensing ranges, formats, coding schemes …). To tackle this heterogeneity and interoperability problems, these WSNs’ nodes, as well as the data sensed and/or transmitted, need to be consistently and formally represented and managed through suitable abstraction techniques and generic information models. Therefore, an explicit semantic to every terminology should be assigned and an open data model dedicated for WSNs should be introduced. SensorML, proposed by OGC in 2010, has been considered an essential step toward data modeling specification in WSNs. Nevertheless, it is based on XML schema only permitting basic hierarchical description of the data, hence neglecting any semantic representation. Furthermore, most of the researches that have used semantic techniques for developing their data models are only focused on modeling merely sensors and actuators (this is e.g. the case of SSN-XG). Other researches dealt with data provided by WSNs, but without modelling the data type, quality and states (like e.g. OntoSensor). That is why the main aim of this thesis is to specify and formalize an open data model for WSNs in order to mask the aforementioned heterogeneity and interoperability between different systems and applications. This model will also facilitate the data fusion and aggregation through an open management architecture like environment as, for example, a service oriented one. This thesis can thus be split into two main objectives: 1)To formalize a semantic open data model for generically describing a WSN, sensors/actuators and their corresponding data. This model should be light enough to respect the low power and thus low energy limitation of such network, generic for enabling the description of the wide variety of WSNs, and extensible in a way that it can be modified and adapted based on the application. 2)To propose an upper service model and standardized enablers for enhancing sensor/actuator discovery, data fusion, data aggregation and WSN control and management. These service layer enablers will be used for improving the data collection in a large scale network and will facilitate the implementation of more efficient routing protocols, as well as decision making mechanisms in WSNs

Les zones blanches étendues sont de vastes espaces géographiques (forêts, déserts), sans ou ayant très peu d’infrastructures telles que les routes, les réseaux électriques ou de télécommunication. Cependant, très souvent, dans ces zones se développent de nombreuses activités économiques ou environnementales telles que le monitoring de l’environnement, la surveillance d’une frontière ou d’une installation de pipeline, ou encore la prévention des feux de forêt. Grâce aux techniques de télédétection et de communication, une fonction clé de ces activités repose sur la collecte d’informations issues de capteurs qui sont transmises à un centre d’analyse distant. Nous proposons des solutions réseau afin d’effectuer la collecte de ces données dans les zones blanches étendues grâce à des technologies de communication longue distance et faible énergie, de type LoRaWAN. Pour le problème du déploiement du réseau de capteurs sans fil dans ces zones difficiles, nous avons proposé une heuristique inspirée de la croissance biologique d’un champignon, le physarum. Le physarum est capable de créer un corps complexe de liens pour trouver de la nourriture nécessaire à sa survie tout en optimisant ses propres ressources corporelles lors des périodes de disette. Ce principe d’optimisation a été adapté au domaine des réseaux pour déployer un réseau tolérant aux fautes, tout en minimisant le nombre de ressources ou relais à placer sur la zone d’intérêt. Nous nous sommes ensuite intéressés à la collecte opportuniste de données dans les zones blanches afin de pouvoir collecter l’information des nœuds trop éloignés d’une station relais. Nous avons développé une méthode de collecte basée sur les avions de ligne qui survole le territoire. Durant une fenêtre de communication, l’avion est à portée d’un capteur et peut ainsi collecter les données stockées qui seront livrées au serveur à l’atterrissage de l’avion. Notre dernière contribution utilise conjointement les deux méthodes précédentes, pour permettre à la fois le déploiement du réseau et la collecte des capteurs isolés. / Although wide white areas are not equipped or sparsely equipped with any infrastructure (energy, roads ...), strategic human activities are being carried out such as mines, forest, pipeline... To tackle the problem of deploying sensor networks in a very large area where few infrastructures are available, we propose a network deployment algorithm which aims at efficiently linking sparse points of interest in a very wide white area. The originality of the proposed method is that it mimics the evolution of a type of mold called physarum. Secondly, we aim at overcoming the deployment problem in wide white areas by using long range communication between an aircraft and earth. The new data collection scheme he proposes is based on the use of commercial flights to collect data while they cross over an area of interest. It investigates the feasibility of such a scheme by determining the collection capacity of commercial aircraft in different locations of the desert. Finally, we mixed both solutions do repatriate data from sensors not covered by any flight to a covered data sink that relays data to the aircraft.

Les réseaux de capteurs-actuateurs sans fils (WSANs) sont une technologie émergente dans divers domaines d'application tels que la surveillance, le contrôle du trafic, la domotique, etc. La conception et le développement d'applications utilisant ces technologies restent, cependant, une tâche difficile. En effet, la découverte des capteurs et actuateurs pertinents, et leur combinaison de manière appropriée pour atteindre un objectif spécifique n'est pas une tâche facile et nécessite plusieurs compétences détenues par différents acteurs. De plus, les environnements de capteurs/actuateurs sont par nature très dynamiques. En outre, les applications actuelles sont en général étroitement couplées à l'infrastructure sous-jacente, ce qui entrave leur réutilisation et la flexibilité aux changements.Dans cette thèse, nous présentons une approche orientée processus métier et services afin de permettre le développement des applications adaptables. Notre approche découple la logique de l'application et sa mise en œuvre : Un modèle est d'abord spécifié dans la phase de conception, comme un flux d'activités, et est ensuite déployé dans un environnement particulier. Découpler la logique d'une application et sa mise en œuvre permet d'une part d'apporter la réutilisation au niveau d'application et d'autre part d'adapter la même application à différents environnements et situations. Pour aider les concepteurs à spécifier des nouvelles applications WSANs, nous proposons deux méthodes: 1) la réutilisation d'activité et d'orchestration par le biais des flux de données, et 2) la recommandation d'activité par le biais des flux de contrôle. En outre, la même technique de recommandation fournit la tolérance de panne permettant à une application WSAN de s'adapter aux changements dus aux défaillances des capteurs ou/et actuateurs ou à des violations des contraintes. Notre approche a été validée par des cas d'utilisation réalistes mis en œuvre dans le cadre de la plateforme européenne de VITRO et la plate-forme ZODIANET. / Wireless Sensor and Actuator Networks (WSANs) is an emergent technology for various application areas such as security and surveillance applications, traffic control, energy control, etc. Designing and developing applications using these technologies remain, however, a challenging task. Indeed, finding the relevant sensors and actuators, and combining them in a proper way in order to achieve a specific goal is not an easy task and requires several skills detained by different stakeholders. Moreover, sensor/actuator environments are inherently highly dynamic. Furthermore, current applications are in general tightly coupled to the underlying infrastructure which hampers their reuse and flexibility to changes.In this thesis, we present a process-oriented and service-based approach for supporting the development of adaptive WSAN applications. Our approach decouples between the application logic and its implementation. A design-time model is first specified, as a flow of activities, which is then deployed in a particular environment. Decoupling the application logic from its implementation enables on one hand to foster the reuse at the application level and on the other hand to adapt the same application to different environments and situations. To assist designers in specifying new WSAN applications, we propose two methods: 1)activity and orchestration reuse through data flows, and 2)activity recommendation through control flows. Moreover, the same recommendation technique enables providing fault-tolerant mechanism enabling a WSAN application to adapt to changes due to sensor failures or constraints violation. Our approach has been validated by realistic use cases that have been implemented in the context of the European project VITRO platform and the Zodianet platform.

Cette thèse est une thèse CIFRE entre le LORIA et la société MEDETIC et porte sur la conception des systèmes de télésurveillance pour le maintien à domicile des personnes âgées.Le système est conçu aux personnes âgées qui veulent passer leur vieillesse dans leur propre maison, à cause de son potentiel pour augmenter l'indépendance et la qualité de la vie. Cela profiterait non seulement aux personnes âgées qui veulent vivre dans leur propre maison, mais aussi le système de santé publique en coupant des prix de façon significative.Mis à part la conception d'une architecture de télésurveillance « Vill’Âge® »basée sur des réseaux de capteurs hétérogènes (Domotique, IEEE802.15.4/Zigbee, Wifi, Bluetooth), la thèse a contribué essentiellement sur la proposition d'un protocole de clustering et de routage dans le réseau de capteurs sans fil avec une approche de la logique floue, et d'un middleware pour la collecte et le traitement des données des capteurs avec la gestion de la qualité de service comme particularité.Une première plateforme de test à été développée à Colmar (MEDETIC) et une seconde, plus complète et fait suite de cette thèse, est en cours de développement au LORIA (http://infositu.loria.fr/).Nous avons participé dans le concours de ministère de l'Enseignement supérieur et de la recherche avec un projet intitulé MPIGate: « Multi Protocol Interface and Gateway for telecare, environment Monitoring and Control » et nous avons gagné le prix de ce concours au niveau d’émergence. / This thesis is a thesis CIFRE between LORIA and the MEDETIC Company and focuses on the design of telehomecare system for the elderly.In addition to the design of a remote surveillance architecture “Vill’Âge ®” based on networks of heterogeneous sensor (home automation, IEEE802.15.4/Zigbee, Wifi, Bluetooth), thesis has contributed essentially on the proposal of a clustering and routing protocol in the network of wireless sensors with an approach to fuzzy logic, and of a middleware for the collection and processing of data from sensors with the management of the quality of service as a special feature.A first platform was developed at Colmar (MEDETIC) and a second who is more complete is under development at LORIA (http://infositu.loria.fr/).By using this system, MEDeTIC, offers a new concept of smart homes for the senior citizens, named in French “Maisons Vill’Âge”. The first housing schemes are being built in 2 departments of France. A flat is entirely equipped to act as a demonstrator and as laboratory of research and development.The system is designed for the elderly who wish to spend their old age in their own home, because of its potential to increase independence and quality of life. This would not only benefit the elderly who want to live in their own home, but also the national health care system by cutting costs significantly. Based on this PhD thesis, MPIGate, a “Multiprotocol Interface and Gateway for for telecare, environment”, has been developed. MPIGate was awarded in the competition of the Ministry of Higher Education and Research and OSEO 2010

Dans le domaine des réseaux de capteurs sans-fil (dits « WSN »), les piles réseau spécialisées constituent un domaine de recherche très actif depuis maintenant de nombreuses années. Toutefois, beaucoup de ces études, notamment concernant les couches basses de ces piles réseau, n’ont pas dépassé le stade de la théorie. Leurs implantations n’ont sauf exception pas fait l’objet d’efforts poussés ou systématiques, surtout dans le cadre des systèmes d’exploitation spécialisés. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de nous focaliser sur l’analyse des interactions entre les protocoles des couches basses et les plates-formes logicielles dédiées, et de les optimiser, notamment au niveau de l’implantation. Nous passons d’abord en revue et évaluons les différents systèmes d’exploitation spécialisés, et choisissons celui offrant les fonctionnalités, notamment temps-réel, que nous estimons nécessaires pour implanter des protocoles MAC / RDC novateurs et performants. Nous entreprenons ensuite un effort d’étude, d’amélioration et d’optimisation de ces couches basses des piles spécialisées, et montrons, avec une implantation concrète d’un de nos protocoles MAC / RDC avancés, que nous pouvons amener des progrès notables dans la qualité de service (QdS) des WSN, notamment avec un trafic réseau intense. Nous examinons en outre des inexactitudes inattendues dans les simulations / émulations effectuées par Cooja / MSPSim, et analysons les problèmes de fiabilité posés par l’utilisation de cet outil pour effectuer des évaluations de performances, notamment temporelles, de WSN. Nous proposons enfin de nouvelles pistes pour de futures améliorations et optimisations de ces couches basses des piles réseau spécialisées, afin d’améliorer encore la fiabilité, les performances et la consommation énergétique des WSN. / In the field of wireless sensors networks (WSN), specialized network stacks have been a very active research field for many years. However, most of this research, especially on lower layers of the network stacks, did not go beyond theory. Their implementations have generally not been the subject of deep or systematic effort, especially within the framework of dedicated operating systems. We thus propose, in this thesis, to focus on interaction analysis between lower layers’ protocols and dedicated software platforms, and to optimize them, especially at the implementation level. We first review and evaluate the various dedicated operating systems, and choose the one offering the necessary features to implement efficient and innovative MAC/RDC protocols. We then study, improve and optimize these lower layers of specialized stacks, and show, with an actual implementation of one of our advanced MAC/RDC protocols, that we can bring significant improvements in the quality of service (QoS) of WSNs, especially under heavy network traffic. We also report inaccuracies in Cooja/MSPSim simulations/emulations, and analyze the reliability issues caused by the use of this tool for performing evaluations (especially time-related) of WSNs. We finally propose some new leads for future enhancements and optimizations of the lower layers of these specialized network stacks, in order to further improve the liability, performances and energy consumption of WSNs.

Les réseaux de capteurs sans fil est une technologie nouvelle dont les applications s'étendent sur plusieurs domaines: militaire, scientifique, médicale, industriel, etc. La collaboration entre les noeuds capteurs, caractérisés par des capacités minimales en termes de capture, de transmission, de traitement et d'énergie, est une nécessité pour réaliser des tâches aussi complexes que la collecte des données, le pistage des objets mobiles, la surveillance des zones sensibles, etc. La contrainte matérielle sur le développement des ressources énergétiques des noeuds capteurs est persistante. D'où la nécessité de l'optimisation logicielle dans les différentes couches de la pile protocolaire et du système d'exploitation des noeuds. Dans cette thèse, nous approchons le problème d'optimisation d'énergie pour les applications collaboratives via les méthodes de sélection des capteurs basées sur la prédiction et la corrélation des données issues du réseau lui-même. Nous élaborons plusieurs méthodes pour conserver les ressources énergétiques du réseau en utilisant la prédiction comme un moyen pour anticiper les actions des noeuds et leurs rôles afin de minimiser le nombre des noeuds impliqués dans la tâche en question. Nous prenons l'application de pistage d'objets mobiles comme un cas d'étude. Ceci, après avoir dresser un état de l'art des différentes méthodes et approches récentes utilisées dans ce contexte. Nous formalisons le problème à l'aide d'un programme linéaire à variables binaires dans le but de trouver une solution générale exacte. Nous modélisons ainsi le problème de minimisation de la consommation d'énergie des réseaux de capteurs sans fil, déployé pour des applications de collecte de données soumis à la contrainte de précision de données, appelé EMDP. Nous montrons que ce problème est NP-Complet. D'où la nécessité de solutions heuristiques. Comme solution approchée, nous proposons un algorithme de clustering dynamique, appelé CORAD, qui adapte la topologie du réseau à la dynamique des données capturées afin d'optimiser la consommation d'énergie en exploitant la corrélation qui pourrait exister entre les noeuds. Toutes ces méthodes ont été implémentées et testées via des simulations afin de montrer leur efficacité. / Wireless Sensor Networks is an emerging technology enabled by the recent advances in Micro-Electro-Mechanical Systems, that led to design tiny wireless sensor nodes characterized by small capacities of sensing, data processing and communication. To accomplish complex tasks such as target tracking, data collection and zone surveillance, these nodes need to collaborate between each others to overcome the lack of battery capacity. Since the development of the batteries hardware is very slow, the optimization effort should be inevitably focused on the software layers of the protocol stack of the nodes and their operating systems. In this thesis, we investigated the energy problem in the context of collaborative applications and proposed an approach based on node selection using predictions and data correlations, to meet the application requirements in terms of energy-efficiency and quality of data. First, we surveyed almost all the recent approaches proposed in the literature that treat the problem of energy-efficiency of prediction-based target tracking schemes, in order to extract the relevant recommendations. Next, we proposed a dynamic clustering protocol based on an enhanced version of the Distributed Kalman Filter used as a prediction algorithm, to design an energy-efficient target tracking scheme. Our proposed scheme use these predictions to anticipate the actions of the nodes and their roles to minimize their number in the tasks. Based on our findings issued from the simulation data, we generalized our approach to any data collection scheme that uses a geographic-based clustering algorithm. We formulated the problem of energy minimization under data precision constraints using a binary integer linear program to find its exact solution in the general context. We validated the model and proved some of its fundamental properties. Finally and given the complexity of the problem, we proposed and evaluated a heuristic solution consisting of a correlation-based adaptive clustering algorithm for data collection. We showed that, by relaxing some constraints of the problem, our heuristic solution achieves an acceptable level of energy-efficiency while preserving the quality of data.