A wireless sensor network (WSN) consists of a large number of sensor nodes that are capable of detecting many types of information from the environment, including temperature, light, humidity, radiation and seismic vibrations. Current applications of WSNs include: physical security, air traffic control, video surveillance, environment and building monitoring. Such applications require that each sensor node knows its exact location. In this context, the received signal strength indicator (RSSI) is often used for distance measurements between the sensor nodes. This thesis presents a method for the evaluation of the RSSI properties in application to node localization in WSN. More specifically, a WSN application is implemented for collecting RSSI measurement in different conditions. The application consists of two parts: an experiment control script which runs on a computer, and an experiment mote firmware which runs on each WSN node. Statistical analysis of variance (ANOVA) was performed to determine the factors affecting the RSSI measurements. Result analysis shows that: the relation between RSSI values and distances depends on the environment; the used WSN motes are manufactured with enough precision, as the differences between the motes are insignificant; even if the RSSI measurements have significant variation, the mean RSSI values correlate with the distances; using different transmission power levels can provide additional information about the distances.

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.

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.

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.