Le paradigme d'Internet des objets (IdO) envisage d'augmenter l'Internet actuel avec un grand nombre de dispositifs intelligents communicants. Les réseaux de capteurs sans fil (RCsF) déploient les appareils fonctionnant sur les approvisionnements énergétiques maigres et mesurent les phénomènes environnementaux (comme la température, la radioactivité, ou CO2). Les applications populaires de réseaux de capteurs sans fil comprennent la surveillance, la télémétrie et la prévention des catastrophes naturelles. Les majeurs défis de réseaux de capteurs consistent à: comment obtenir l'efficacité énergétique? Comment surmonter les déficiences de support sans fil? et comment les faire fonctionner d'une manière auto-organisée? L'intégration de réseaux de capteurs dans IoD s'appuiera sur un ensemble de standards ouverts qui s'efforcent d'offrir le passage à l'échelle, la fiabilité dans une variété des conditions, et les scénarios d'exploitation. Néanmoins, les standards dans leur état actuel ont des problèmes d'interopérabilité et peuvent bénéficier de nouvelles améliorations. Les contributions de la thèse sont les suivantes: * Nous avons mené une analyse expérimentale et identifié les caractéristiques d'un environnement de réseau de capteurs. Notre analyse a porté sur la modélisation des liens et la dynamique du réseau, ainsi que la corrélation des liens avec les paramètres environnementaux. L'étude analytique nous a permis d'identifier les principales faiblesses de l'environnement du RCsF et a permis aussi d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique de lien radio et le voisinage des nœuds. * Nous avons confrontés la question de l'interopérabilité des deux principaux standards - IEEE 802.15.4 dans la couche de contrôle d'accès au medium, et RPL dans la couche de transport. Nous proposons d'adapter la structure originale de cluster tree et de construire un framework élégant, qui permettra le fonctionnement conjoint de l'IEEE 802.15.4 et RPL sans l'apparition des collisions. En outre, nous évaluons à travers de nombreuses simulations les deux algorithmes distribués d'attribution de slots. Ces algorithmes permettront d'atteindre un fonctionnement presque sans collisions. * Nous proposons une solution inter-couche distribuée dans le but de construire une topologie afin que IEEE 802.15.4 et RPL puissent fonctionner ensemble. Notre algorithme auto-organisé obtient une structure topologique obéissante aux recommandations globales, cela, par la seule utilisation des métriques mesurées localement. De nombreuses simulations démontrent les avantages de la structure résultante en termes de convergence de temps, de stabilité, et d'efficacité énergétique dans le long terme. Les simulations démontrent aussi un impact positif sur les performances de routage. * Nous proposons un ensemble de nouveaux mécanismes qui permettront d'améliorer les performances de RPL et d'utiliser la Qualité de Service pour gérer les problèmes de trafic sensible. Notre extension de routage opportuniste et multi-chemin contribue à améliorer la livraison des paquets avant une date limite, tout en minimisant le surcout et la consommation d'énergie par rapport à la version de base de RPL.

Le paradigme d'Internet des objets (IdO) envisage d'augmenter l'Internet actuel avec un grand nombre de dispositifs intelligents communicants. Les réseaux de capteurs sans fil (RCsF) déploient les appareils fonctionnant sur les approvisionnements énergétiques maigres et mesurent les phénomènes environnementaux (comme la température, la radioactivité, ou CO2). Les applications populaires de réseaux de capteurs sans fil comprennent la surveillance, la télémétrie et la prévention des catastrophes naturelles. Les majeurs défis de réseaux de capteurs consistent à: comment obtenir l'efficacité énergétique? Comment surmonter les déficiences de support sans fil? et comment les faire fonctionner d'une manière auto-organisée? L'intégration de réseaux de capteurs dans IoD s'appuiera sur un ensemble de standards ouverts qui s'efforcent d'offrir le passage à l'échelle, la fiabilité dans une variété des conditions, et les scénarios d'exploitation. Néanmoins, les standards dans leur état actuel ont des problèmes d'interopérabilité et peuvent bénéficier de nouvelles améliorations. Les contributions de la thèse sont les suivantes: • Nous avons mené une analyse expérimentale et identifié les caractéristiques d'un environnement de réseau de capteurs. Notre analyse a porté sur la modélisation des liens et la dynamique du réseau, ainsi que la corrélation des liens avec les paramètres environnementaux. L'étude analytique nous a permis d'identifier les principales faiblesses de l'environnement du RCsF et a permis aussi d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique de lien radio et le voisinage des nœuds. • Nous avons confrontés la question de l'interopérabilité des deux principaux standards - IEEE 802.15.4 dans la couche de contrôle d'accès au medium, et RPL dans la couche de transport. Nous proposons d'adapter la structure originale de cluster tree et de construire un framework élégant, qui permettra le fonctionnement conjoint de l'IEEE 802.15.4 et RPL sans l'apparition des collisions. En outre, nous évaluons à travers de nombreuses simulations les deux algorithmes distribués d'attribution de slots. Ces algorithmes permettront d'atteindre un fonctionnement presque sans collisions. • Nous proposons une solution inter-couche distribuée dans le but de construire une topologie afin que IEEE 802.15.4 et RPL puissent fonctionner ensemble. Notre algorithme auto-organisé obtient une structure topologique obéissante aux recommandations globales, cela, par la seule utilisation des métriques mesurées localement. De nombreuses simulations démontrent les avantages de la structure résultante en termes de convergence de temps, de stabilité, et d'efficacité énergétique dans le long terme. Les simulations démontrent aussi un impact positif sur les performances de routage. • Nous proposons un ensemble de nouveaux mécanismes qui permettront d'améliorer les performances de RPL et d'utiliser la Qualité de Service pour gérer les problèmes de trafic sensible. Notre extension de routage opportuniste et multi-chemin contribue à améliorer la livraison des paquets avant une date limite, tout en minimisant le surcout et la consommation d'énergie par rapport à la version de base de RPL. / Internet of Things (IoT) paradigm envisages expanding the current Internet with a huge number of the intelligent communicating devices. Wireless Sensor Networks (WSN) deploys the devices running on the meager energy supplies, and measuring environmental phenomena (like temperature, radioactivity, or CO2). WSN popular applications include monitoring, telemetry, and natural disaster prevention. Major WSN challenges are how to allow energy efficiency, overcome impairments of wireless medium, and operate in the self-organized manner. The WSN integrating IoT will rely on a set of the open standards striving to offer scalability, reliability in a variety of the operating scenarios and conditions. Nevertheless, the current state of the standards has interoperability issues and can benefit from further improvements. The contributions of the thesis work are: • We conducted an experimental analysis and characterization of a WSN environment. Our analysis included the link characterization, correlation with environmental parameters as well as network dynamics. Analytical study allowed us to identify key weaknesses of the WSN environment as well a get a better understanding of the dynamics—both link and node neighborhood related. • We confront the interoperability issue of the leading IEEE 802.15.4 standard on the Medium Access Control layer and RPL standard on the transport layer. We propose to accommodate the original cluster-tree structure and to build an elegant framework for collision free multi-hop operation of the IEEE 802.15.4 that will allow RPL to run on top of it. Furthermore, we evaluate through extensive simulations two distributed schemes that achieve near collision free self-organization of the nodes. • We propose a distributed cross-layer convergecast topology construction within the joint IEEE 802.15.4 and RPL framework. Self-organization scheme obtains a topological structure obeying the global recommendations by the sole use of locally measured metrics. Extensive simulations demonstrate the advantages of the resulting structure in terms of convergence time, stability, and energy efficiency in long term and a positive impact on the routing performances. • We propose a set of new mechanisms that will improve RPL performances and enable Quality of Service operation that will handle delay sensitive traffic. Our multi-path opportunistic routing extension helps to improve packet delivery before a deadline, while minimizing overhead and energy consumption compared to the basic version of RPL.STAR

To allow monitoring and control of chemical processes, a sensor network has to be installed. It must allow the estimation of all important variables of the process. However, all measurements are erroneous, it is not possible to measure every variable and some types of sensors are expensive. Data reconciliation allows to correct the measurements, to estimate the values of unmeasured variables and to compute a posteriori uncertainties of all variables. However, a posteriori standard deviations are function of the number, the location and the precision of the measurement tools that are installed. A general method to design the cheapest sensor network able to estimate all process key variables within a prescribed accuracy in the case of steady-state processes has been developed. That method uses a posteriori variances estimation method based on the analysis of the sensitivity matrix. The goal function of the optimization problem depends on the annualized cost of the sensor network and on the accuracies that can be reached for the key variables. The problem is solved by means of a genetic algorithm. To reduce the computing time, two parallelization techniques using the message passing interface have been examined: the global parallelization and the distributed genetic algorithms. Both methods have been tested on several examples. To extend the method to dynamic processes, a dynamic data reconciliation method allowing to estimate a posteriori variances was necessary. Kalman filtering approach and orthogonal collocation-based moving horizon method have been compared. A posteriori variances computing has been developed using a similar method than the one used for the steady-state case. The method has been reconciled on several small examples. On the basis of the variances estimation an observability criterion has been defined for dynamic systems so that the sensor network design algorithm could be modified for the dynamic case. Another problem that sensor networks have to allow to solve is process faults detection and localisation. The method has been adapted to generate sensor networks that allow to detect and locate process faults among a list of faults in the case of steady-state processes./ Afin de permettre le suivi et le contrôle des procédés chimiques, un réseau de capteurs doit être installé. Il doit permettre l'estimation de toutes les variables importantes du procédé. Cependant, toutes les mesures sont entachées d'erreurs, toutes les variables ne peuvent pas être mesurées et certains types de capteurs sont onéreux. La réconciliation de données permet de corriger les mesures, d'estimer les valeurs des variables non mesurées et de calculer les incertitudes a posteriori de toutes les variables. Cependant, les écarts-types a posteriori sont fonction du nombre, de la position et de la précision des instruments de mesure qui sont installés. Une méthode générale pour réaliser le design du réseau de capteur le moins onéreux capable d'estimer toutes les variables clés avec une précision déterminée dans le cas des procédés stationnaires a été développée. Cette méthode utilise une technique d'estimation des variances a posteriori basée sur l'analyse de la matrice de sensibilité. La fonction objectif du problème d'optimisation dépend du coût annualisé du réseau de capteurs et des précisions qui peuvent être obtenues pour les variables clés. Le problème est résolu au moyen d'un algorithme génétique. Afin de réduire le temps de calcul, deux techniques de parallélisation utilisant une interface de passage de messages (MPI) ont été examinées: la parallélisation globale et les algorithmes génétiques distribués. Les deux méthodes ont été testées sur plusieurs exemples. Afin d'étendre la méthode aux procédés fonctionnant de manière dynamique, une méthode de réconciliation dynamique des données permettant le calcul des variances a posteriori est nécessaire. La méthode des filtres de Kalman et une technique de fenêtre mobile basée sur les collocations orthogonales ont été comparées. Le calcul des variances a posteriori a été développé grâce à une méthode similaire à celle utilisée dans le cas stationnaire. La méthode a été validée sur plusieurs petits exemples. Grâce à la méthode d'estimation des variances a posteriori, un critère d'observabilité a été défini pour les systèmes dynamiques de sorte que l'algorithme de design de réseaux de capteurs a pu être adapté aux systèmes dynamiques. Un autre problème que les réseaux de capteurs doivent permettre de résoudre est la détection et la localisation des erreurs de procédé. La méthode a été adaptée afin de générer des réseaux de capteurs permettant de détecter et de localiser les erreurs de procédé parmi une liste d'erreurs dans le cas des procédés fonctionnant de manière stationnaire.