Lors du développement d’un nouvel avion, la phase précédant l’obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. Dans le domaine spatial, le lancement est l’une des phases les plus critiques pour les systèmes et des essais au sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagéeDes milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont ainsi utilisés par les industriels du secteur pour ce type d’essais. Mais tous ces éléments sont aujourd’hui connectés par des fils, ce qui engendre des contraintes de temps, de coût et de limitation du nombre de capteurs. Leur remplacement par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente qui permet également d’augmenter le nombre de points de mesure. Cependant, il n’existe aujourd’hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l’aéronautique et du spatial. Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d’un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d’émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Un prototype de couche physique basée sur un système OFDM ultra large bande a été réalisé, testé et validé, et permet d’atteindre un débit de plus de 200 Mbits/s. / To evaluate a system's compliance with its specified requirements, Hardware System Testing is conducted on the complete and integrated system. This phase is essential in all industry branches, especially in the very regulated and critical aerospace world. In the final phase of the development of an airplane, flight test equipment gathers and analyzes data during flight to evaluate the flight characteristics of the aircraft and validate its design, including safety aspects. One of the most critical tests is the measure of the pressure around the wings during flight. All new aircrafts are computer designed with the use of virtual wind tunnels. So very accurate measures have to be done on the aircraft to validate the model before the aircraft can be industrially produced. In the case of satellites, vibration and mechanical stress are two critical phenomena a satellite endures during launch. This is leading to the necessity for accurate ground tests using strain gauges or thermal sensors before allowing a launch. All such systems used by aircraft and satellite manufacturers today are wired systems. Sensors put around the wings or inside the satellite compartments are wired to a concentrator inside the cabin or the operator’s room. Although good performances are observed in terms of measurement accuracy, these systems have strong drawbacks. The two most important ones are the weight and the cost of both the systems and their installation. An additional drawback concerning its use on aircrafts is due to the installation of a system that increases the weight of the aircraft and immobilizes it during many weeks due to the routing of every cable inside the wings. The cost and the complexity of such systems don’t allow a great number of measurement points. The replacement of conventional measurement networks by wireless sensor networks is not an obvious solution. Despite the great interest in wireless sensor networks in the recent years, the technological barriers are still very numerous and there is currently no protocol to meet the expectations and needs of aviation professionals. The work presented in this thesis aims to meet the needs of a high-speed, low power consumption, low emission and reliable communication layer. Measurements have been performed in real conditions using commercial devices based on the protocol MB-OFDM/Wimedia, the most common standard that approach the need expressed, and have served to define the basis of the study and have helped to select best development tracks. Measurements have demonstrated also the specificity of the propagation channel. In order to reduce the time between the choice of algorithms and their testing in real conditions, it became necessary to use a design flow called Specification - Exploration – Improvement based on automatic synthesis tools. This development cycle has identified specific material needs for the design of the demonstrator.The physical layer is based on an OFDM system and UWB to achieve a data rate of over 150 Mb/s. A fully functional demonstrator, implemented on FPGA and composed of four communicating nodes was presented and has been used to validate the physical layer. Finally first steps to develop a digital ASIC are presented to achieve the goal of low power consumption

Les métaheuristiques sont des algorithmes génériques, souvent inspirés de la nature, conçues pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes. Parmi les métaheuristiques les plus récentes, nous retenons celle basée sur la théorie de la biogéographie insulaire: Biogeography-based optimization (BBO).Dans cette thèse, nous considérons à la fois les problèmes d'optimisation globale à variables continues avec et sans contraintes. De nouvelles versions hybrides de BBO sont proposées comme des solutions très prometteuses pour résoudre les problèmes considérés. Les méthodes proposées visent à pallier les inconvénients de la convergence lente et du manque de diversité de l'algorithme BBO. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons la méthode que nous avons développée, issue d'une hybridation de BBO avec l'évolution différentielle (DE) pour résoudre des problèmes d'optimisation sans contraintes. Nous montrons que les résultats de l'algorithme proposé sont plus précis, notamment pour des problèmes multimodaux, qui sont parmi les problèmes les plus difficiles pour de nombreux algorithmes d'optimisation. Pour résoudre des problèmes d'optimisation sous contraintes, nous proposons trois nouvelles variantes de BBO. Des expérimentations ont été menées pour rendre compte de l'utilité des méthodes proposées. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'étude des capacités des méthodes proposées à résoudre des problèmes d'optimisation, issus du monde réel. Nous nous proposons d'abord de résoudre le problème d'allocation optimale de puissance pour la détection décentralisée d'un signal déterministe dans un réseau de capteurs sans fil, compte tenu des fortes contraintes en ressources énergétiques et en bande passante des noeuds répartis. L'objectif est de minimiser la puissance totale allouée aux capteurs, tout en gardant la probabilité d'erreur de détection au dessous d'un seuil requis. Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la segmentation d'images en niveaux de gris par seuillage multi-niveaux. Les seuils sont déterminés de manière à maximiser l'entropie floue. Ce problème d'optimisation est résolu en appliquant une variante de BBO (DBBO-Fuzzy) que nous avons développée. Nous montrons l'efficacité de la méthode proposée aux travers de résultats expérimentaux / Metaheuristics are general algorithmic frameworks, often nature-inspired, designed to solve complex optimization problems. Among representative metaheuristics, Biogeography-based optimization (BBO) has been recently proposed as a viable stochastic optimization algorithm. In this PhD thesis, both unconstrained and constrained global optimization problems in a continuous space are considered. New hybrid versions of BBO are proposed as promising solvers for the considered problems. The proposed methods aim to overcome the drawbacks of slow convergence and the lack of diversity of the BBO algorithm. In the first part of this thesis, we present the method we developed, based on an hybridization of BBO with the differential evolution (DE) algorithm, to solve unconstrained optimization problems. We show that the results of the proposed algorithm are more accurate, especially for multimodal problems, which are amongst the most difficult-to-handle class of problems for many optimization algorithms. To solve constrained optimization problems, we propose three new variations of BBO. Our extensive experimentations successfully demonstrate the usefulness of all these modifications proposed for the BBO algorithm. In the second part, we focus on the applications of the proposed algorithms to solve real-world optimization problems. We first address the problem of optimal power scheduling for the decentralized detection of a deterministic signal in a wireless sensor network, with power and bandwidth constrained distributed nodes. The objective is to minimize the total power spent by the whole sensor network while keeping the detection error probability below a required threshold. In a second time, image segmentation of gray-level images is performed by multilevel thresholding. The optimal thresholds for this purpose are found by maximizing the fuzzy entropy. The optimization is conducted by a newly-developed BBO variants (DBBO-Fuzzy). We show the efficiency of the proposed method through experimental results

Les réseaux de capteurs sans fils sont composés de noeuds capteurs capables de mesurer certains paramètres de l’environnement, traiter l’information recueillie, et communiquer par radio sans aucune autre infrastructure. La communication avec les autres noeuds consomme le plus d’énergie. Les protocoles de collecte des données des réseaux de capteurs sans fils doit donc avoir comme premier objectif de minimiser les communications. Une technique souvent utilisée pour ce faire est l’agrégation des données. Les réseaux de capteurs sans fils sont souvent déployés dans des environnements ouverts, et sont donc vulnérables aux attaques de sécurité. Cette thèse est une contribution à la conception de protocoles sécurisés pour réseaux de capteurs sans fils. Nous faisons une classification des principaux protocoles d’agrégation de données ayant des propriétés de sécurité. Nous proposons un nouveau protocole d’agrégation (ESPPA). ESPPA est basé sur la construction d’un arbre recouvrant sûr et utilise une technique de brouillage pour assurer la confidentialité et le respect de la vie privée. Notre algorithme de construction (et re-construction) de l’arbre recouvrant sûr tient compte des éventuelles pannes des noeuds capteurs. Les résultats de nos simulations montrent que ESPPA assure la sécurité en terme de confidentialité et de respect de la vie privée, et génère moins de communications que SMART. Finalement, nous proposons une extension du schéma de construction de l’arbre recouvrant sûr qui identifie les noeuds redondants en terme de couverture de captage et les met en veille. Les résultats de nos simulations montrent l’efficacité de l’extension proposée. / WSNs are formed by sensor nodes that have the ability to sense the environment, process the sensed information, and communicate via radio without any additional prior backbone infrastructure. In WSNs, communication with other nodes is the most energy consuming task. Hence, the primary objective in designing protocols for WSNs is to minimize communication overhead. This is often achieved using in-network data aggregation. As WSNs are often deployed in open environments, they are vulnerable to security attacks. This thesis contributes toward the design of energy efficient secure and privacy preserving data aggregation protocol for WSNs. First, we classify the main existing secure and privacy-preserving data aggregation protocols for WSNs in the literature. We then propose an energy-efficient secure and privacy-preserving data aggregation (ESPPA) scheme for WSNs. ESPPA scheme is tree-based and achieves confidentiality and privacy based on shuffling technique. We propose a secure tree construction (ST) and tree-reconstruction scheme. Simulation results show that ESPPA scheme effectively preserve privacy, confidentiality, and has less communication overhead than SMART. Finally we propose an extension of ST scheme, called secure coverage tree (SCT) construction scheme. SCT applies sleep scheduling. Through simulations, we show the efficacy and efficiency of the SCT scheme. Beside the work on secure and privacy preserving data aggregation, during my research period, we have also worked on another interesting topic (i.e., composite event detection for WSNs). Appendix B presents a complementary work on composite event detection for WSNs.

L’émergence de l’Internet des Objets révolutionne les réseaux locaux sans fil et inspirent de nombreuses applications. L’une des problématiques majeures pour les réseaux locaux sans fil est l’accès et le partage du médium radio sans fil. Plusieurs protocoles MAC mono-canal ont été proposés et abordent cette problématique avec des solutions intéressantes. Néanmoins, certains problèmes majeurs liés à l’accès au canal (nœud caché, synchronisation, propagation des RDV…) pour un contexte de transmission multi-saut, persistent encore et font toujours l’objet d’intenses études de la communauté scientifique, surtout lorsqu’il s’agit de réseaux de capteurs sans fil distribués sur des topologies étendues. Certains travaux de recherches ont proposé des protocoles MAC multi-canal, traitant souvent le cas idéal, où tous les nœuds dans le réseau sont à portée les uns des autres. Les émissions et réceptions des trames de données sont généralement précédées de trames des contrôles pour l’établissement de Rendez-vous (RDV) entre les nœuds concernés. Nous constatons que les RDV ne garantissent pas la réservation des canaux de façon déterministe sans conflit entre les nœuds dans le réseau, et peuvent rendre difficile les transmissions en multi-saut. Une solution complexe serait de propager ces RDV vers les voisins du nœud récepteur au-delà de 2 sauts. C’est face à cette complexité de gestion de RDV multi-sauts que s’inscrit notre contribution. Il s’agit pour nous de proposer une méthode d’accès multi-canal aléatoire sans RDV, en topologie multi-saut. Notre solution est implémentée sur un testbedréel constitué de nœuds WiNo mono-interface, elle est basée sur la méthode ALOHA slottée améliorée pour notre contexte multi-canal, dont nous évaluons les performances qui sont comparées au cas mono-canal. Un modèle analytique lié au contexte multi-canal sans RDV a été développé également, et comparé aux résultats de notre testbed. / The emergence of the Internet of Thingsrevolutionizeswireless local area networks and inspiringnumerous applications. One of the main issues for wirelessLANsis the access and sharing of the wireless radio medium. Several single-channel MAC protocols have been proposed and addressthis issue withinteresting solutions. However, some major problemsrelated to the channelaccess (hiddennode, synchronization, propagation of RDV) for a multi-hop transmission context, persist and are still the subject of intensive studies by the scientificcommunity, especiallywhenitcomes to a distributedwirelesssensors networks over extended topologies. Someresearch has proposed multi-channel MAC protocols, oftenaddressingthe ideal case, where all nodes in the network are within range of eachother. The transmissions and receptions of the data frames aregenerallypreceded by controls frames for the establishment of Rendez-Vous (RDV) among the nodesconcerned. Wefindthat the RDVs do not guarantee the channelsreservation in a deterministicwaywithoutconflictamong the nodes in the network, and maymakeitdifficult the multi-hop transmissions. A complex solution wouldbe to propagatetheseRDVs to the neighbors of the receivernodebeyond 2 hops. Facedwiththiscomplexity of multi-hop RDV management thatmakesour contribution. It is important for us to propose arandom multi-channelaccessmethodwithout RDV, in multi-hop topology. Our solution isimplemented on a real testbed made of multi-channel single-interface “WiNo” nodes, of whichweevaluate the performance that are compared to the single-channel case. An analytical model related to the multi-channelcontextwithout RDV wasalsodeveloped, and compared to the results of ourtestbed.

Les réseaux de capteurs sans fil d'images sont utilisés aujourd'hui dans de nombreuses applications qui diffèrent par leurs objectifs et leurs contraintes individuelles. Toutefois, le dénominateur commun de toutes les applications de réseaux de capteurs reste la vulnérabilité des noeuds-capteurs en raison de leurs ressources matérielles limitées dont la plus contraignante est l'énergie. En effet, les technologies sans fil disponibles dans ce type de réseaux sont généralement à faible portée, et les ressources matérielles (CPU, batterie) sont également de faible puissance. Il faut donc répondre à un double objectif : l'efficacité d'une solution tout en offrant une bonne qualité d'image à la réception. La contribution de cette thèse porte principalement sur l'étude des méthodes de traitement et de compression d'images au noeud-caméra, nous avons proposé une nouvelle méthode de compression d'images qui permet d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs sans fil. 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. Nous présentons aussi, les résultats de synthèse de la chaine de compression proposée sur des systèmes à puce FPGA et ASIC / The increasing development of Wireless Camera Sensor Networks today allows a wide variety of applications with different objectives and constraints. However, the common problem of all the applications of sensor networks remains the vulnerability of sensors nodes because of their limitation in material resources, the most restricting being energy. Indeed, the available wireless technologies in this type of networks are usually a low-power, short-range wireless technology and low power hardware resources (CPU, battery). So we should meet a twofold objective: an efficient solution while delivering outstanding image quality on reception. This thesis concentrates mainly on the study and evaluation of compression methods dedicated to transmission over wireless camera sensor networks. We have suggested a new image compression method which decreases the energy consumption of sensors and thus maintains a long network lifetime. We evaluate its hardware implementation using experiments on real camera sensor platforms in order to show the validity of our propositions, by measuring aspects such as the quantity of memory required for the implantation program of our algorithms, the energy consumption and the execution time. We then focus on the study of the hardware features of our proposed method of synthesis of the compression circuit when implemented on a FPGA and ASIC chip prototype

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs), sont composés d'un ensemble de nœuds avec des capteurs, transmetteur/récepteur, d'un système de traitement et d'une réserve d'énergie. Au regard d'applications, de travaux de recherche sont développés sur l'utilisation de ce réseau leur performance, fiabilité ou durée de vie. La durée de vie RCSFs correspond à la période à travers laquelle le RCSF fonctionne parfaitement. Cette durée de vie est très affectée par de nombreux facteurs comme la quantité d'énergie disponible, la probabilité de défaillance et les dégradations des composants. L'énergie disponible devient le facteur prépondérant dans les cas d'applications avec des composants difficilement rechargeables ou non renouvelables. Différents algorithmes, stratégies et techniques d'optimisation ont été élaborées et mises en œuvre à cet effet sur la possibilité d'activer un sous-ensemble de capteurs qui satisfont à la contrainte de surveillance et de garder les autres capteurs en mode veille pour pouvoir être mis en œuvre ultérieurement. Ainsi, c'est un problème de type NP complet de maximisation qui peut être résolu en considérant des Ensembles Disjoints de capteurs de Couverture (EDC). Mais la solution obtenue à l'aide des EDCs ne conduit pas toujours à une extension significative de la durée de vie des RCSFs. Le présent travail vise à rechercher une meilleure solution basée sur des capteurs regroupés dans des ensembles nondisjoints de couverture (ECND). Cette approche permet à un capteur de participer à une ou plusieurs ensembles de capteurs de couvertures. Nous avons alors étudié un modèle de représentation binaire des ECNDs pour déterminer un ordonnancement optimum permettant de maximiser la vie d'un RCSF. De plus, nous avons développé une heuristique basée sur un algorithme génétique, pour trouver une solution proche de l'optimal dans un délai raisonnable. Ainsi, pour un ensemble de m capteurs utilisés pour surveiller un ensemble de n cibles, cette heuristique permet construire un nombre maximum q d'ensembles ECNDs. Des efforts supplémentaires sont donc nécessaires pour trouver le meilleur ordonnancement pour la mise en œuvre des ECNDs, qui maximise la durée de vie globale du RCSF, compte tenu de l'énergie initialement disponible dans chaque capteur. Ce problème est formulé à l'aide d'un modèle mathématique de programmation linéaire en nombres entiers (PLE). La fonction objective de ce problème est la somme de toutes les périodes de surveillance pour les q ECNDs programmés, et la contrainte est la consommation d'énergie de tous les capteurs constituant les ECNDs. La possibilité de trouver la solution à ce problème par PLE dans une période de temps donnée dépend de la complexité du modèle et des instances utilisées. Pour trouver la solution dans un délai raisonnable, nous avons développé un algorithme génétique (AG) basé sur les ECNDs. Les solutions potentielles sont représentées dans des chromosomes composés d'un certain nombre de gènes correspondant aux ECNDs, et chaque gène est caractérisé par la période de surveillance d'un ECND. Nous avons ensuite développé un AG qui combine quatre opérateurs de croisement et quatre opérateurs de mutation. La méthode basée cet AG a été codée dans le langage de programmation C pour obtenir une solution satisfaisante et le logiciel Cplex a été utilisé de déterminer la solution exacte correspondant. Une comparaison des solutions obtenues sur de petites instances en utilisant la PLE par rapport aux solutions obtenues par notre AG montre que la méthode basée sur les AG peut trouver une solution proche de l'optimale dans un délai raisonnable. Ensuite, en comparant les solutions en utilisant l'AG ECNDs à l'AG EDCs de la littérature, nous montrons que l'AG avec ECND peut prolonger la durée de vie des RCSFs plus que les AG avec EDCs pour les mêmes instances. Notre approche combine ainsi les principes d'ordonnancement et les techniques d'optimisation pour maximiser la durée de vie des RCSFs / Wireless sensor networks (WSNs), as a collection of sensing nodes with limited processing, limited energy reserve and radio communication capabilities, are widely implemented in many areas of applications such as industry, environment, healthcare, etc. Regarding this large range of applications, many research issues are introduced including the applications, performance, reliability, lifetime, etc. The WSNs lifetime considered in this work is the period of time through which theWSN is perfectly completing its function. This lifetime is affected by many factors including the amount of energy available, failure probability and components degradation. The amount of energy available become the most important factor in case of non renewable components applications. Different algorithms, strategies and optimization techniques were developed and implemented for this purpose based on the possibility of activating a subset of sensors that satisfied the monitoring constraint, while keeping the others in sleep mode to be implemented later. This is an NP complete maximization problem that can be solved using disjoint set covers (DSCs). But the solution obtained using DSCs does not extend always significantly the WSNs lifetime. So, the present work aims to search for a better solution using non-disjoint set covers (NDSCs). This approach gives the opportunity for a sensor to be implemented in one or more subset covers. For that purpose, we studied a binary representation based model to maximize the number of NDSCs. Also, we developed a genetic algorithm based heuristic based on this model to find out the maximum number of NDSCs in a reasonable time. Thus, for a set of m sensors used to monitor a set of n targets or a field, this heuristic allows to construct a maximum number q of NDSCs. Additional effort is required to find the best scheduling for implementing the NDSCs so as to maximize the lifetime of the sensors involved in the WSNs, considering their limited available energy. This problem is formulated using integer linear programming (ILP) mathematical model. The objective function of this problem is the sum of all monitoring seasons on which all q NDSCs scheduled, and the constraint is the energy consumption in all sensors included in all NDSCs. Solving this problem using ILP in a period of time depends on the complexity of the model and the instances used. To find the solution in reasonable time, we have developed a NDSCs based genetic algorithm (NDSC-GA). The candidate solutions are represented in chromosomes composed of a number of genes equal to the number q of NDSCs, and each gene is the number of monitoring seasons on which a NDSC is scheduled. We have then developed a GA that combines the four crossover operators and four mutation operators. The GA based methods are coded in C programming language to obtain a satisfying solution and the Cplex software was used to obtain the corresponding exact solution. Comparing the optimal solution obtained using the ILP on small instances, to the solutions obtained using our GA based method explained that our methods can find a solution near the optimal in reasonable time. Then, comparing the solution obtained using our NDSCs GA based methods, to the DSCs GA based method in the literature, we showed that the NDSCs GA can prolong the WSNs lifetime better than DSCs GA for the same instances. Our approach combines together the scheduling principles and the optimization techniques to maximizing the WSNs lifetime

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.

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.

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.