Ce mémoire présente les algorithmes et le matériel utilisé dans le cadre de ce projet de localisation de sources sonores affectées par de la distorsion. Le système d’acquisition conçu est un réseau linéaire de capteurs acoustiques. Il permet l’enregistrement de données empiriques et offre une flexibilité dans le choix des paramètres, entre autres l’emploi d’un maximum de 12 capteurs, un espacement flexible entre ceux-ci et une amplification à gain variable. La propagation de l’onde sonore dans l’air est affectée par l’inhomogénéité du milieu, ce qui provoque la distorsion des fronts d’onde. Des algorithmes classiques, qui ne tiennent pas compte de la distorsion, et d’autres récupérant les fronts distordus sont utilisés pour localiser les sources. L’effet de cette distorsion sur la localisation est ainsi observé. Les signaux monochromatiques, utilisant les différences de phase, comme ceux d’impacts, exploitant les différences des temps d’arrivée, sont localisés. / In this project, we present the algorithms and the hardware used to locate acoustic sources affected by distortion. The designed acquisition system is a linear array of acoustic sensors. It allows the recording of experimental data and is flexible for the choice of its parameters. Among others, the system uses up to 12 sensors, a variable spacing between them and variable gain amplification. The propagation of the sound waves in air is affected by the environment inhomogeneity, which causes wavefront distortion. Classical algorithms, which don’t take into account the distortion, and other algorithms, recovering distorted wavefronts, are used to locate sources. The effects of wavefront distortion are then observed. Monochromatic signals, using the phase differences, and impact signals, using time difference of arrivals, are both located.

La culture cellulaire in vitro a toujours motivé les scientifiques pour découvrir de nouveaux médicaments, explorer de nouvelles thérapies et pour mieux comprendre la biologie cellulaire. Cependant, la culture cellulaire requiert un environnement très bien contrôlé, d'où l'émergence des incubateurs cellulaires commerciaux. Ceci dit, la recherche scientifique requiert l'observation en continu du développement cellulaire dans un environnement contrôlé. Bien que plusieurs approches soient disponibles afin de miniaturiser des instruments pour les intégrer dans un incubateur, peu d'approches ont été abordées avec succès pour miniaturiser un micro-incubateur et l'intégrer dans des systèmes de contrôle. Ainsi, le parallélisme présent dans un système à base de FPGA ajouté à la puissance de calcul des processeurs motive l'intégration d'un système de contrôle de micro-incubateur sur une même puce. La volonté de miniaturiser et d'intégrer plusieurs sous-systèmes de contrôle dans un même système embarqué motive d'autant plus l'utilisation d'une architecture Zynq UltraScale+. Ces travaux de recherche permettent d'intégrer le contrôle d'un micro-incubateur sur une architecture Zynq UltraScale+, de développer une interface graphique conviviale permettant l'observation et le contrôle d'un système de micro-incubateur et, finalement, de tester et valider le fonctionnement de l'implémentation des différents sous-systèmes de contrôle du micro-incubateur. Le développement des éléments de contrôle du micro-incubateur s'effectue à l'aide des outils de Xilinx. Ceux-ci permettent de développer le code VHDL, le code des processeurs temps réels et de compiler un système d'exploitation Linux personnalisé. L'interface graphique est développée avec l'outil QtCreator et intégrée sur le système d'exploitation Linux. Une carte de développement Ultra96 et des cartes électroniques connexes permettent de valider le fonctionnement de l'implémentation du contrôle du micro-incubateur. Toutes les composantes du contrôle du micro-incubateur sont validées en simulation VHDL, intégrées sur la carte Ultra96 et testées. L'interface graphique développée sur le système d'exploitation Linux communique de manière efficace avec les processeurs temps réels afin de permettre le contrôle et l'observation des différents sous-systèmes. / The in vitro cell culture has always motivated scientists to discover new drugs, explore new therapies or for a better understanding of cell biology. However, cell culture requires a very well controlled environment, hence the emergence of commercial cell incubators. Thus, research in this field requires the continuous observation of cell development in a controlled environment, among others. Although several approaches were available to miniaturize tools used in biological research to be integrated into an incubator, few approaches have been successfully addressed to miniaturize a micro-incubator to be integrated into a biological sensor. Thus, the parallelism of an FPGA-based system in addition to the computing performances were key elements for the integration of a micro-incubator control system on the same FPGA. In addition, the miniaturization and integration of several control subsystems in a single on-board systems were a key element to use a Zynq UltraScale + architecture. In this research work we aim to integrate the control system of a micro-incubator on a Zynq UltraScale + architecture and to develop a user-friendly graphical interface to observe and to control of a micro-incubator system. Finally, we aim to test and validate our implementations of the various micro-incubator control subsystems. The development of the micro-incubator's control elements is carried out using Xilinx tools. These allow to develop the VHDL code, the code for real-time processors and to compile a custom Linux operating system. The graphical interface was developed with the QtCreator tool and integrated into the Linux operating system. An Ultra96 development board and related electronic boards were used to validate the operation of the micro-incubator control implementation. All the micro-incubator control components were validated in VHDL simulation, integrated in the Ultra96 card and tested. The graphical interface developed on the Linux operating system communicates with the real-time processors in order to control and to observe various subsystems' behavior.

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.

Problème : Dans un contexte de guerre urbaine qui relève du domaine militaire ou plutôt dans un contexte de surveillance et/ou de sécurité, il importe d'avoir les meilleures informations possibles avant de prendre et d'appliquer une décision sur la procédure d'intervention. En ayant des capteurs hétérogènes à faibles coûts, on est en mesure d'apporter davantage de renseignements sur un changement de l'environnement étudié. Par contre, le fait d'avoir des capteurs différents accentue la complexité du traitement des signaux provenant de chaque capteur. Cette complexité vient de la nature intrinsèque du capteur car on doit acquérir l'information qui nous permet, dans toutes les conditions et en tout temps, de discriminer l'objet A de l'objet B. Il faudra donc porter une attention particulière aux algorithmes choisis. En greffant au système MONNET de nouveaux capteurs, on diminuera le nombre de fausses alarmes ce qui améliorera le modèle des objets détectés. Motivation : Ce travail s'ajoute au projet MONNET en y ajoutant des capteurs sonores, de pression, binaires, etc.. pour augmenter l'efficacité de celui-ci. L'approche employée sera d'intégrer un système gérant les différents capteurs avec MONNET et d'extraire le maximum d'informations utiles pour un traitement afin de vérifier la viabilité et le rendement que peut engendrer l'ajout de ces capteurs. Ensuite, on affichera les résultants de façon graphique. Défis : L'un des défis majeur du projet est l'extraction de données pertinentes provenant des capteurs et leur traitement par des algorithmes pertinents pour perfectionner les modèles des objets dans MONNET. Prenons par exemple le cas d'un capteur sonore. Il faudra juger quel contenu fréquentiel doit être retenu pour apparier l'objet X aux fréquences Y. Applications : On peut facilement penser aux applications possibles suite à l'implantation des capteurs à chaque nœud MONNET. Premièrement, d'un point de vue militaire, on améliore l'assistance au soldat du futur en lui donnant des informations sur l'environnement où il évolue. Sur le plan civil, la surveillance/sécurité est la principale avenue d'application. Approche : La méthodologie de recherche consistera à effectuer une revue de littérature sur les systèmes comparables. La construction d'un prototype (application indépendante) sera faite pour démontrer les capacités de ces capteurs. Ensuite, le développement et l'implantation d'une architecture faite pour le système MONNET en langage C++ sera produite. Finalement, le système MONNET « rehaussé » avec les modules gérant les capteurs sera testé dans un environnement réel. / Problem : In the context of an urban military war or more commonly in the context of surveillance and/or security, it is imperative to have the best possible information before making decisions concerning intervention procedures and their application in a given situation. Affordable heterogeneous sensors will result in an increase in the information obtained concerning a change in the environment studied. However, having different sensors will accentuate the complexity of the treatment of signals originating from each sensor. This complexity arises from the intrinsic nature of the sensor since one must acquire information which will enable, in ail conditions and at ail times, a discrimination between objects A and B. Careful attention must be devoted to the choice of algorithms. The addition of new sensors to the MONNET System will reduce the number of false alarms and improve the model of the detected objects. Motivation : This research strives to further improve the MONNET project through the addition of heterogeneous sensors of the following nature: sound, pressure, binary, etc.. to increase the efficiency of MONNET. The approach will involve the integration of a System in Monnet which manages various sensors and objects and to extract the maximum amount of useful information for a treatment so as to verify the viability and results which the addition of these captors could provide. Challenges : One of the main challenges of this project is the extraction of relevant data provided by the sensors and the treatment of this data by relevant algorithms to perfect the models of the objects in MONNET. For example, in the case of a sound sensor, one must determine which frequency content must be retained to match object X with Y frequencies. Applications : There are several possible applications for the MONNET System once sensors have been implemented in each node. First, from a military point of view, the System will then improve the assistance provided to the soldier of the future by providing him with information on the environment surrounding him. From a civil point of view, surveillance/security is the main avenue of application. Approach : The research methodology consists in carrying out a literature survey on comparable Systems. The construction of a prototype (stand-alone application) will be made to demonstrate the sensors capability. Then, the development and implementation of an architecture made for the MONNET System using the C++ language will be created. Finally, the «improved » MONNET System with modules managing the sensors will be tested in a real environment.

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.

Dans cette recherche, on a conçu et validé un nouveau noeud sans fil qui sera intégré dans un système automatique de contrôle des structures de génie civil. Le prototype est conçu à partir des dernières technologies dans le domaine des systèmes embarqués. Le prototype utilise la technologie développée pour les réseaux sans fil personnels WPAN (Wireless Personal Area Network) pour la transmission de données vers la centrale locale d'interrogation des données. Les capacités de calcul que le prototype possède nous permettent d'implémenter et d'exécuter plusieurs algorithmes de contrôle de l'état des structures. La transformée de Fourier rapide est utilisée comme algorithme illustratif dans le noeud sans fil. L'objectif de cette recherche est de mettre en place un réseau de capteurs sans fil qui supporte le calcul collaboratif en temps réel des dominées mesurées, pour l'identification des dommages potentiels dans la structure.

L'utilisation de réseaux de capteurs sans-fils (RCSF) se développe dans de nombreux domaines où l'informatique doit être intégrée au plus proche de l'environnement. Ce principe appelé informatique omniprésente se popularise par des applications dans de multiples domaines, de la domotique à l'étude d'environnements naturels en passant par la régulation des transports ou encore la surveillance de bâtiments à risques. Si les RCSF présentent de bonnes perspectives pour le domaine de l'informatique omniprésente, le matériel utilisé présente souvent des capacités très limitées et il est souvent compliqué de développer des applications ou de configurer de tels réseaux. Des travaux récemment réalisés au laboratoire DOMUS amènent la vision d'une informatique omniprésente autonome qui permettrait à plusieurs éléments d'un réseau de s'organiser entre eux pour limiter les interventions humaines. Dans cette vision, la reprogrammation dynamique des noeuds est utilisée pour simplifier et alléger le processus de reconfiguration du réseau. Le présent projet s'est donc intéressé à la problématique de la reprogrammation des noeuds du réseau dans une optique future d'informatique omniprésente autonome adaptée aux RCSF. Le présent projet de maîtrise a permis dans un premier temps de mettre en place un cadriciel de programmation par composants adapté aux ressources contraintes des RCSF. Ce système de programmation par composants (POC) appelé Nodecom se place comme une amélioration par rapport aux solutions de POC déjà existantes. En effet, Nodecom présente la première architecture hybride permettant à la fois de programmer en utilisant des composants statiques et à la fois de pouvoir charger de nouveaux composants de manière dynamique. Cette architecture hybride a permis d'alléger l'impact du système de programmation par composants tout en conservant la possibilité de reprogrammer dynamiquement certains composants. Dans un second temps, le projet a consisté à réaliser un dépôt distribué de composants qui permet à chaque noeud de charger dynamiquement n'importe quel composant publié à travers le réseau. Dans ce dépôt distribué, chaque noeud peut se voir attribuer le rôle de conserver une copie d'un fichier de composant dans sa mémoire locale. Pour ce faire, l'implémentation réalisée repose sur un algorithme de routage par clé inspiré des réseaux pair-à-pair traditionnels et adapté aux contraintes des plateformes utilisées. Les résultats de l'évaluation de ce système de composants distribué pour les réseaux de capteurs sans-fils sont encourageants puisqu'ils mettent en évidence les faibles besoins en mémoire du système. L'implémentation réalisée dans ce projet se place alors comme un bon support pour les travaux futurs qui chercheront à adapter la vision d'informatique omniprésente autonome au contexte des réseaux de capteurs sans-fils.

Les réseaux des capteurs sans fil sont considérés comme une alternative aux réseaux câblés afin de permettre l'installation dans des zones peu accessibles. Par conséquent, de nouveaux protocoles ont été conçus pour supporter le manque des ressources qui est spécifique à ce type de réseau. La communication entre les nœuds est réalisée par des protocoles spécifiques pour la gestion efficace de l'énergie. La gestion des données collectées par ces nœuds doit être également prise en compte car la communication entre les nœuds engendre un coût non négligeable en termes d'énergie. De plus, l'installation de ce type de réseau dans des régions lointaines facilite les attaques sur la structure des réseaux ainsi que sur les données collectées. Les mesures de sécurité envisagées amènent des coûts d'énergie supplémentaires. Un aspect souvent négligé concerne le cas où un nœud ne peut pas communiquer avec la station de base (sink node) qui collectionne et traite les données. Cependant, les nœuds continuent à accumuler des informations en suivant les plans de collection. Si la situation continue, l'espace de mémoire (storage) diminue à un point où la collection de nouvelles données n'est plus possible.Nous proposons des mécanismes pour la réduction contrôlée de données en considérant leur priorité relative. Les données sont divisées dans des unités auxquelles un niveau d'importance est alloué, en fonction des considérations d'utilité et de missions qui les utilisent. Nous proposons un ensemble de primitives (opérations) qui permettent la réduction d'espace de stockage nécessaire, tout en préservant un niveau raisonnable de résolution des informations collectées. Pour les larges réseaux à multiple nœuds, nous proposons des mécanismes pour le partage de données (data load sharing) ainsi que la redondance. Des algorithmes ont été proposés pour évaluer l'efficacité de ces techniques de gestion de données vis-à-vis de l'énergie nécessaire pour transférer les données.A travers des simulations, nous avons validé le fait que les résultats sont très utiles dans les cas à mémoire limitée (wireless nades) et pour les communications intermittentes.

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