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

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

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

Le déploiement des réseaux de senseurs sans fil (WSN : Wireless Sensor Network) soulève un certain nombre de défis liés à la configuration des senseurs, la gestion des ressources et à l'implémentation d'applications. Les travaux récents ont montré la nécessité d'utiliser ces réseaux pour la détection des incendies. Toutefois, pour signaler la présence de ces derniers, il faut s'assurer de mesurer les bons indices, tels que la température, l'humidité et l'intensité lumineuse. Ce mémoire présente la mise en place d'un WSN capable de recueillir et de traiter des informations provenant de l'environnement, comme la température. Dans ce contexte, nous caractérisons d'abord les applications des WSNs. Ensuite, nous identifions les principaux paramètres sur lesquels se basent les applications des WSNs pour détecter les incendies. Finalement, afin d'évaluer l'impact du vent sur les températures recueillies, nous présentons les différentes étapes de la mise en {\oe}uvre d'un WSN pour la détection d'un incendie, ainsi que les expériences réalisées et les résultats obtenus. L'analyse des résultats montre que la vitesse et la direction du vent ont un impact important sur les températures recueillies par le WSN. Il est donc important d'en tenir compte pour pouvoir détecter à temps un incendie. / The deployment of wireless sensor networks (WSN: Wireless Sensor Network) raises a number of challenges related to the configuration of sensors, resource management and implementation of applications. Recent researches proved the necessary use of these networks to detect fires. However, to indicate their presence, make sure to measure the right indicators, such as temperature, humidity and light intensity. This report presents the setting of a WSN that can collect and process information from the environment such as temperature. In this context, we characterize the first; applications of WSNs. Then we identify the main parameters on which the applications of WSNs are based to detect fires. Finally, to assess the impact of wind on temperature gathered, we present the different stages of the setting of a WSN for detecting a fire, including the experiences and results. Analysis of the results shows that the speed of wind and its direction have both a significant impact on temperatures collected by the WSN. It is therefore important to take in account the wind for detecting fire in time.

Les changements climatiques affectent grandement le climat partout sur la planète, mais plus particulièrement dans les zones nordiques, là où le pergélisol dégèle tranquillement. Les chercheurs tentent donc de suivre ces changements dans les zones à l'aide de collecteurs échantillonnant et sauvegardant les données. Cependant, la récupération de ces données est très coûteuse en déplacement et en temps étant donné l'isolement des villages où ces collecteurs se situent. Les réseaux sans fil de nœuds de capteurs sont une solution à ce problème. L'idée est donc de faire parvenir ces données automatiquement aux chercheurs en utilisant des moyens de communication. En 2017, un premier réseau sans fil de nœuds de capteurs a été installé dans le village de Salluit, au nord du Québec en utilisant des stations de collecte déjà existantes. Celui-ci a connu plusieurs problèmes de transfert des données et de collecte depuis son déploiement. Dans ce mémoire, nous examinons ces problèmes. Leurs causes ont été difficiles à déterminer puisque la conception des nœuds de collectes ne permet pas un bon suivi de l'état des nœuds. Les causes des problèmes ont tout de même été déterminées, mais sans certitude, ce qui est en soi un problème. C'est donc ce dernier problème qui nous a menés à proposer une architecture différente permettant de mieux diagnostiquer les problèmes des nœuds de collecte. Cette architecture déplace différentes fonctions effectuées par le collecteur dans le réseau de Salluit vers l'interface sans fil pour permettre un diagnostic plus individualisé de l'interface sans fil et du collecteur. Ce mémoire commence donc par détailler le fonctionnement des réseaux de collecte de données. Par la suite, il présente les installations de Salluit et procède à une analyse des capacités énergétiques des nœuds de collecte du réseau. Ensuite, il propose une architecture permettant de répondre aux lacunes du réseau de Salluit. Puis, le mémoire détaille une implémentation du nœud de collecte de cette architecture proposée. / Climate change greatly affects the climate all over the planet, but especially in northern areas, where permafrost is slowly thawing. Researchers are therefore trying to track changes in these areas using sampling sensors and saving the data locally. However, retrieving this data is very costly in travel and time given the isolation of the villages where these sensors are located. Wireless networks of sensor nodes are a possible solution to this problem. The idea is therefore to send this data automatically to researchers at Université Laval. In 2017, a first wireless network of sensor nodes was installed in the village of Salluit, in Northern Quebec, using already existing collection stations. The installation experienced several data transfer and collection issues since its deployment. In this thesis, we examine these failures in connectivity. Their origins have been difficult to determine since the nodes does not allow good monitoring of their state. This led to some uncertainty in our determination of all causes of failure. For this reason, we also propose a new architecture to better diagnose any future problems of the sensor nodes. This architecture shifts various functions currently performed by the sensor in Salluit's network to the wireless interface to allow more individualized diagnosis of the wireless interface and the sensor. This thesis therefore begins by detailing the operation of data collection networks. It then presents the Salluit facilities and analyze the energy capacities of the network's collection nodes. Thereafter, it proposes an architecture able to respond to the shortcomings of the Salluit network. Then, the thesis details an implementation of the collection node of this proposed architecture.

Avec l’émergence soutenue de capteurs et de dispositifs électrochimiques innovants, la spectroscopie d'impédance électrochimique est devenue l'un des outils les plus importants pour la caractérisation et la modélisation de la matière ionique et de l'interfaçage des capteurs. La capacité de détecter automatiquement, à l’aide de dispositifs électrochimiques peu couteux, les caractéristiques physiques et chimiques de la matière ionique ouvre une gamme d’application très variée pour la compréhension et l’optimisation des procédés ou interviennent les processus électrochimiques. Cette thèse décrit le développement d’une plate-forme microélectronique miniaturisée, connectée, multiplexée, et à faible coût pour la spectroscopie d'impédance diélectrique (SID) conçue pour les mesures électrochimiques in-situ et adaptée aux architectures de réseau sans fil. La plate-forme développée durant ce travail de maitrise a été testée et validée au sein d’une maille ZigBee et a été en mesure d'interfacer jusqu'à trois capteurs SID en même temps et de relayer l'information à travers le net Zigbee pour l'analyse de données et le stockage. Le système a été construit à partir de composants microélectroniques disponibles commercialement et bénéficie des avantages d'une calibration système on-the-fly qui effectue la calibration du capteur de manière aisée. Dans ce mémoire de maitrise, nous rapportons la modélisation et la caractérisation de senseurs électrochimiques de nitrate; notamment nous décrivons la conception microélectronique, la réponse d'impédance de Nyquist, la sensibilité et la précision de la mesure électrochimique, et les résultats de tests de la plate-forme pour les applications de spectroscopie d'impédance relatives à la détection du nitrate, de la détection de la qualité de l'eau, et des senseurs tactiles. / The emergence of the various applications of electrochemical sensors and devices, electrochemical impedance spectroscopy became one of the most important tools for characterizing and modeling of the material and interfacing the sensors. The ability to sense in an automatic manner enables a wide variety of processes to be better understood and optimized cost-effectively. This thesis describes the development of a low-cost, miniaturized, multiplexed, and connected platform for dielectric impedance spectroscopy (DIS) designed for in-situ measurements and adapted to wireless network architectures. The platform has been tested and used as a DIS sensor node on a ZigBee mesh and was able to interface up to three DIS sensors at the same time and relay the information through the Zigbee net for data analysis and storage. The system was built from commercial microelectronics components and benefits from an on-the-fly calibration system that makes sensor calibration easy. The thesis reports characterizing and modeling of two electro-chemical devices (i.e. nitrate sensor and optically-transparent electrically-conductive glasses) and also describes the microelectronics design, the Nyquist impedance response, the measurement sensitivity and accuracy, and the testing of the platform for in-situ dielectric impedance spectroscopy applications pertaining to fertilizer sensing, water quality sensing, and touch sensing.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020 / L’utilisation de données quantitatives afin de diminuer la prévalence des blessures musculosquelettiques liées au travail est souhaitée et le développement de systèmes portables permettant de mesurer l’amplitude articulaire (capteurs inertiels; IMU) et l’activité musculaire (électromyographie; EMG) pourrait permettre d’obtenir ce type de données. La revue systématique de la littérature sur la validité des capteurs inertiels effectuée dans le cadre de ce mémoire a permis d’identifier un manque d’évidence scientifique pour l’évaluation des mouvements complexes à l’épaule. L’objectif principal de ce mémoire est donc (1) d’évaluer la validité concourante d’IMU (Xsens) dans le calcul d’élévation du bras comparé à un système de capture de mouvements (Vicon) lors de mouvements simples et lors de tâches de manutention; et (2) d’établir la validité discriminante du système d’EMG (Trigno) pour évaluer l’activité musculaire. Méthodologie : Seize sujets ont participé à une séance d’évaluation demandant la réalisation de mouvements simples à l’épaule et de transport de charges (poids et hauteurs de transport variables). Le coefficient de corrélation et l’erreur de mesure (RMSE) ont été calculés afin de comparer les mesures d’amplitude articulaire obtenues à l’aide du Xsens et du Vicon et le root mean square (RMS) ainsi que le pic d’activité musculaire des deltoïdes (antérieurs et moyens) ont été calculés pour déterminer l’effet du poids et de la hauteur (ANOVA à mesures répétées). Résultats : Les coefficients de corrélation entre les amplitudes articulaires obtenues par le Xsens et le Vicon sont élevés (>0,84) et les RMSE sont bas (<11,5°). Un effet significatif du poids et de la hauteur, et un effet d’interaction poids x hauteur ont été observés pour le RMS du deltoïde antérieur (p<0,001) et moyen (p<0,03) et pour le pic d’activité du deltoïde antérieur (p<0,003). Conclusion : L’utilisation combinée du Xsens et du Trigno est un outil intéressant afin d’identifier le niveau de demande de l’emploi, puisqu’ils recueillent des données valides d’amplitude articulaire et d’activité musculaire. / Quantitative assessments of workplace settings are required to diminish the prevalence of work-related shoulder disorders. Recent development of wearable sensors to record muscle activity (electromyography [EMG]; Trigno, Delsys) as well as shoulder range of motion (inertial measurement unit; MVN, Xsens) could potentially be used for such workplace assessments. A systematic review on the validity and reliability of IMUs performed within this thesis identified a knowledge gap for shoulder joint movements during complex tasks. The primary objective of this thesis was therefore (1) to assess the concurrent validity of the Xsens system for assessment of shoulder range of motion compared to a motion capture system (Vicon) during simple movements and working tasks and (2) to establish the discriminative validity of the Trigno EMG system for the evaluation of muscle activity. Methodology: Sixteen subjects participated in one session in which they performed simple movements and work lifting tasks (different weights and lifting heights). The correlation coefficient (r) and the root mean square error (RMSE) were used to compare the data collected by the Xsens and the Vicon. The root mean square EMG envelope (RMS) and the peak EMG activity of anterior and middle deltoids were used to establish the effect of weight and height (repeated measure ANOVA). Results: The correlation coefficient between joint angles measured with the Xsens and the Vicon was high (>0.84) and the RMSE was low (<12.82°). A significant effect of weight, height and a weight x height interaction effect were observed for the RMS (anterior; p<0.001; middle: p<0.03) and the peak EMG activity (anterior; p<0.003). Conclusion: The combination of an inertial measurement unit system and a wireless EMG is a potentially useful tool to assess physical demand in real work context as it provides valid data on muscular activity and range of motion.

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

Un réseau de capteur sans fil est un ensemble de noeuds communicants, généralement miniatures et capables de fonctionner avec peu d'énergie. Certaines applications imposent à ces réseaux de capteurs sans fil d'être économes en énergie pour prolonger la durée de vie du réseau, d'autres nécessitent un comportement déterministe qui se traduit généralement par des délais de traversée du réseau bornés et/ou un taux de trames perdues inférieur à un seuil critique. Pour économiser significativement de l'énergie, une entité doit se mettre en mode sommeil. Durant cette période, elle sera inactive donc incapable de participer à l'ativité du réseau. L'usage de périodes de sommeil est un handicap pour l'aspect déterministe et pour le respect de contraintes temporelles. Le travail de cette thèse est centré sur les spécifications, le dévelopement et l'évaluation sous différentes formes d'une méthode d'accès au medium adaptée au déterminisme et aux exigences de qualité de service telles que l'absence de collisions et la garantie d'un délai borné de bout-en-bout, tout en conservant une faible consommation énergétique. La solution proposée repose sur la segmentation temporelle des activités, une synchronisation multi-sauts et une différentiation de services basée sur des stratégies de routage adaptées.

Les évolutions technologiques des dernières années ont premis de mettre en évidence un nouveau domaine de recherche : les Réseaux de Capteurs Sans Fil ( RCSFs). Les RCSFs sont basés sur des systèmes embarqués à fortes contraintes de ressources telles que l'énergie, la puissance de calcul et la mémoire. Leurs domaines d'application sont vastes allant notamment de la collecte de données environnementales à la surveillance d'infrastructures en passant par l'aide aux personnes. Une application type contient de quelques dizaines à plusieurs milliers de capteurs sans fil (noeuds). Le challenge que cette thèse se propose de relever est de fournir des méthodes simples et peu intrusives pour administrer ces réseaux. L'objectif est de répondre à ce besoin en minimisant l'impact sur le fonctionnement des noeuds ainsi que le coût énergétique. La solution proposée -LiveNode Non Invasive, Context aware, and Modular management (LiveNCM)- fournit des méthodes permettant de connaître l'état des noeuds et d'interagir avec eux en prenant en compte le contexte applicatif et en utilisant des estimateurs pour minimiser les échanges. Déployé sur une application de collecte de données environnementales, LiveNCm propose un outil de supervision basé sur une extesion du protocole SNMP. Les résultats obtenus notamment sur les gains énergétiques sont importants avec une autonomie du réseau augmentée de plus de 50% pour certaines grandeurs physiques observées dans un contexte spécifique. De plus, en minimisant les échanges dans le réseau, LiveNCM limite les collisions et les goulots d'étranglement qui peuvent apparaître sur le serveur de collecte des données et entre les noeuds