La représentation par complexes simpliciaux fournit une description mathématique de la topologie d’un réseau de capteurs, c’est-à-dire sa connectivité et sa couverture. Dans ces réseaux, les capteurs sont déployés aléatoirement en grand nombre afin d’assurer une connectivité et une couverture parfaite. Nous proposons un algorithme qui permet de déterminer quels capteurs mettre en veille, sans modification de topologie, afin de réduire la consommation d’énergie. Notre algorithme de réduction peut être appliqué à tous les types de complexes simpliciaux, et atteint un résultat optimal. Pour les complexes simpliciaux aléatoires géométriques, nous obtenons des bornes pour le nombre de sommets retirés, et trouvons des propriétés mathématiques pour le complexe simplicial obtenu. En cherchant la complexité de notre algorithme, nous sommes réduits à calculer le comportement asymptotique de la taille de la plus grande clique dans un graphe géométrique aléatoire. Nous donnons le comportement presque sûr de la taille de la plus grande clique pour les trois régimes de percolation du graphe géométrique. Dans la deuxième partie, nous appliquons la représentation par complexes simpliciaux aux réseaux cellulaires, et améliorons notre algorithme de réduction pour répondre à de nouvelles demandes. Tout d’abord, nous donnons un algorithme pour la planification automatique de fréquences, pour la configuration automatique des réseaux cellulaires de la nouvelle génération bénéficiant de la technologie SON. Puis, nous proposons un algorithme d’économie d’énergie pour l’optimisation des réseaux sans fil. Enfin, nous présentons un algorithme pour le rétablissement des réseaux sans fil endommagés après une catastrophe. Dans ce dernier chapitre, nous introduisons la simulation des processus ponctuelsdéterminantaux dans les réseaux sans fil. / Simplicial complex representation gives a mathematical description of the topology of a wireless sensor network, i.e., its connectivity and coverage. In these networks, sensors are randomly deployed in bulk in order to ensure perfect connectivity and coverage. We propose an algorithm to discover which sensors are to be switched off, without modification of the topology, in order to reduce energy consumption. Our reduction algorithm can be applied to any type of simplicial complex and reaches an optimum solution. For random geometric simplicial complexes, we find boundaries for the number of removed vertices, as well as mathematical properties for the resulting simplicial complex. The complexity of our reduction algorithm boils down to the computation of the asymptotical behavior of the clique number of a random geometric graph. We provide almost sure asymptotical behavior for the clique number in all three percolation regimes of the geometric graph. In the second part, we apply the simplicial complex representation to cellular networks and improve our reduction algorithm to fit new purposes. First, we provide a frequency auto-planning algorithm for self-configuration of SON in future cellular networks. Then, we propose an energy conservation fot the self-optimization of wireless networks. Finally, we present a disaster recovery algorithm for any type of damaged wireless network. In this last chapter, we also introduce the simulation of determinantal point processes in wireless networks.Simplicial complex representation gives a mathematical description of the topology of a wireless sensor network, i.e., its connectivity and coverage. In these networks, sensors are randomly deployed in bulk in order to ensure perfect connectivity and coverage. We propose an algorithm to discover which sensors are to be switched off, without modification of the topology, in order to reduce energy consumption. Our reduction algorithm can be applied to any type of simplicial complex and reaches an optimum solution. For random geometric simplicial complexes, we find boundaries for the number of removed vertices, as well as mathematical properties for the resulting simplicial complex. The complexity of our reduction algorithm boils down to the computation of the asymptotical behavior of the clique number of a random geometric graph. We provide almost sure asymptotical behavior for the clique number in all three percolation regimes of the geometric graph. In the second part, we apply the simplicial complex representation to cellular networks and improve our reduction algorithm to fit new purposes. First, we provide a frequency auto-planning algorithm for self-configuration of SON in future cellular networks. Then, we propose an energy conservation fot the self-optimization of wireless networks. Finally, we present a disaster recovery algorithm for any type of damaged wireless network. In this last chapter, we also introduce the simulation of determinantal point processes in wireless networks.

La présente étude se situe dans l'optique de permettre à chacun de pratiquer la cuisine en toute sécurité . Les statistiques à ce sujet montrent que la cuisine est le deuxième endroit le plus dangereux d'une maison après la salle de bain, et que la plupart des sources de dangers se situent au niveau de la cuisinière . Des moyens pour sécuriser l'utilisation d'une cuisinière existent, mais peuvent être améliorés. En premier lieu, la qualité de vie de l'utilisateur n'est pas prise en compte (par exemple, les détecteurs de fumée qui produisent beaucoup de fausses alarmes). L'appareil de sécurité devient inutile puisque l'utilisateur finira par le débrancher. De plus, il n'existe pas de solutions de sécurité qui protège l'utilisateur de tous les dangers possibles. Les améliorations à apporter se situent tout d'abord sur l'approche générale, qui est souvent la détection, c'est-à-dire de détecter le plus rapidement possible le problème pour minimiser le temps de réaction des secours. Si l'approche est la prévention de dangers, les blessures et dégâts matériels sont évités. Dans cette optique, la connaissance de l'environnement, faite à partir de capteurs, doit être améliorée. Si les informations surveillées sont bien choisies, la situation courante est mieux décrite, et les performances générales seront meilleurs [i.e. meilleures](moins de fausses alarmes, meilleure réaction aux dangers potentiels). Le souci de préserver le confort de l'utilisateur passe aussi par l'intégration de la technologie dans l'environnement de la cuisinière. Les capteurs, actionneurs, cartes ne doivent pas chambouler les habitudes de cuisine et de vie de la personne. Le présent projet s'est réalisé dans une optique de prévention de tous les dangers existants autour d'une cuisinière (incendies, intoxication et brûlure). Des capteurs, intégrés à une chaîne d'acquisition, ont été choisis en ce sens. Ils ont été testés un par un, tests qui ont permis l'acquisition de connaissances sur les limites mêmes des capteurs, sur les situations normales, sur les situations limites, sur l'influence des ustensiles. Ces informations ont mené au développement d'un système général de prévention des dangers, à base de règles fixes. Les résultats obtenus sont prometteurs, et constituent une base de travail pour des travaux futurs. L'attention s'est aussi portée sur l'intégration du matériel dans l'environnement de la cuisinière. Les capteurs sont branchés sur une même carte, installée dans la hotte. Ils sont reliés par un câble plat facilement dissimulable aux dispositifs informatiques responsables du traitement des données, qui ne pouvaient être déployés dans la hotte à cause des conditions hostiles (humidité, température ou gaz).

Quoique plusieurs travaux de recherche aient été entrepris durant les deux dernières décennies afin d'améliorer les méthodologies de conception de capteurs à jauges, aucune approche systématique de conception et d'évaluation de la performance, basée sur des considérations pratiques, n'a été développée. Compte tenu de ce constat, l'objectif principal de cette thèse de doctorat est d'élaborer une méthode systématique de conception de capteurs à jauges permettant au concepteur de faire un choix éclairé dans la sélection de la solution finale. Pour répondre à cet objectif, l'auteur propose une méthode systématique basée sur la résolution d'un problème d'optimisation multi-objectif. Cette méthode se déroule en trois temps : les étapes préliminaires, le processus itératif de résolution du problème d'optimisation et le traitement des résultats. La représentation graphique des résultats dans l'espace des objectifs du problème d'optimisation constitue le principal résultat de la méthode systématique développée dans le cadre de cette thèse. La méthode systématique est mise en oeuvre numériquement et illustrée par deux études de cas. Les résultats montrent l'efficacité de la méthode et son utilité pour le concepteur. Les deux études permettent également de constater l'applicabilité de la méthode systématique pour différentes topologies de capteurs à jauges : en plus de pouvoir être utilisée pour l'optimisation de diverses topologies, la méthode proposée constitue un excellent moyen de déterminer la topologie la plus performante pour une application spécifique.

Nos travaux portent sur l’étude d’un capteur flou adapté à l’identification couleur d’avivés. La méthode proposée a pour objectif notamment de prendre en compte la subjectivité de la perception des couleurs par l’être humain et de délivrer ses résultats dans le vocabulaire de l’utilisateur. Le domaine d’applications (industrie du bois) impose certaines contraintes. En effet, les classes de couleurs ne sont pas disjointes (frontières non strictes) et sont représentées par peu d’échantillons. Il en résulte alors des imprécisions et incertitudes dans la définition des classes de sortie. Après un état de l’art sur les techniques de traitement d’images, de reconnaissance de formes et sur la structure des capteurs intelligents, nos travaux sont exposés suivant deux axes : du capteur aux mesures, et des mesures à la décision. Tout d’abord, nous avons évalué et corrigé les perturbations lié à l’environnement ambiant du capteur (température, vieillissement, …). Ensuite, nous avons déterminé l’espace colorimétrique le plus discriminant,et élaboré le vecteur caractéristique composé d’attributs interprétables permettant d’identifier les couleurs. A partir de ces données, nous avons développé le Fuzzy Reasoning Classifier basé sur un mécanisme de règles linguistiques floues agrégeant des règles conjonctives suivant le modèle de Larsen. Enfin, un opérateur flou de fusion de données est utilisé pour des systèmes multi-capteurs. L’exploitation de ce capteur flou a montré le bon comportement du système face aux contraintes temps-réel industrielles ainsi qu’une amélioration des taux de reconnaissance d’environ 10%. / Our works concern the study of a fuzzy sensor adapted to the color identification on wooden boards. The proposed method aims particularly to take into account the human subjectivity concerning the color perception and to provide results in the user vocabulary. The application field (timber industry) imposes certain constraints. Indeed, the color classes are not separated (non-strict boundaries) and are represented with few samples. Then, it results from it, imprecisions and uncertainties in the output class definition. After a state of the art on the techniques of image processing, of pattern recognition, and on the structure of intelligent sensors, our works are exposed along two axes: from the sensors to the measurements, and from the measurements to the decision. Firstly, we have evaluated and corrected the perturbations linked to the environment of the sensor (temperature, ageing, …). Then, we have determined the most discriminating colorimetric space, and generated the characteristic vector composed of interpretable attributes allowing to identify the colors. From these data, we have developed the Fuzzy Reasoning Classifier based on a fuzzy linguistic rule mechanism aggregating conjunctive rules according to the Larsen model. Finally, for the multi-sensor systems, a fuzzy operator of data merging is used. The use of this fuzzy sensor has shown the good behaviour of the system compared to the real-time industrial constraints, and an improvement of 10% of the recognition rates.

L'objectif de cette thèse est une étude théorique et expérimentale dun concept original de détection. Le principe de détection, qui était développé dans le manuscrit, consiste à exploiter leffet de résonance de plasmons de surface (SPR) pour contrôler un mouvement mécanique induit dans un transducteur primaire par un stimulus à détecter.

Le contrôle de la santé des structures (SHM pour Structural Health Monitoring), discipline inventée par les hommes du génie aéronautique, est un sujet de recherche de plus en plus intense dans le domaine du génie civil. A l'image du système nerveux pour le corps humain, un réseau de capteur de plus en plus dense est utilisé pour détecter et évaluer l'endommagement de ces structures. A ce titre les capteurs à fibres optiques(CFO), ont profité de l'essor des télécommunications pour offrir des solutions novatrices aux industriels. Parmi eux, les CFO répartis, dont une simple fibre constitue l'élément sensible, apportent une véritable rupture technologique, en éliminant de facto toute zone morte inter-capteur et en offrant une capacité de multiplexage inédite. L'objet de ce travail, réalisé dans le cadre d'un partenariat entre EDF R&D, le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, et Télécom-Paristech, est l'étude des CFO répartis utilisant la diffusion Brillouin pour la mesure de température et de déformation, en vue de l'instrumentation de structures du génie civil. Les sujet s'étend de l'étude du phénomène physique dans la fibre optique jusqu'à celle de son introduction dans de grandes structures du génie civil (bâtiments, digues, ponts, etc.). Ces travaux théoriques et expérimentaux, concluent notamment sur la possibilité de séparer l'influence de la température de celle de la déformation dans ces capteurs grâce à une seule et même fibre. Enfin, des résultats obtenus lors d'expériences de terrain qui mettent en évidence les difficultés caractéristiques rencontrées avec ce type d'instrumentation.

L'émergence des nouvelles applications dans le domaine de la micro et nanotechnologie requière de faibles coûts de fabrication et la caractérisation de dispositifs électroniques ayant des propriétés telles que la flexibilité, la portabilité, la légèreté, et des matériaux de faibles coûts. Les méthodes traditionnelles de fabrication impliquent de longues étapes de production, et des procédés de fabrication impliquant des étapes avec des produits chimiques. Le but de cette thèse est d'étudier la conception et la caractérisation de capteurs d'ammoniac et d'ozone sur support souple fabriqués par des processus de photolithographie et de gravure laser. Le support flexible est composé de Kapton avec des électrodes interdigitées de Ti/Pt pour la détection de gaz et un microchauffage. Les motifs du circuit ont été réalisés par photolithographie et gravure laser. L'utilisation de gravure laser sur support souple permet de réduire les coûts liés au temps de fabrication, aussi représente une excellente alternative aux processus chimiques. Des nanoparticles de ZnO déposées par gouttes ont été utilisées comme matériaux sensibles en raison de leurs excellentes propriétés dans la détection de gaz. Les conditions de détection de gaz ont été étudiées pour différentes concentrations d'ozone et d'ammoniac. Afin de tester une méthode de dépôt utilisée dans la production industrielle à grande échelle, un dépôt par spray ultrasonique a été effectué. Les capteurs réalisés montrent une large gamme de détection de 5 ppb à 500 ppb à 200 °C pour l'ozone et de 5 ppm à 100 ppm à 300 °C pour l'ammoniac avec une bonne reproductibilité, stabilité et de rapides temps de réponse et de retourn. / Nowadays the emerging of new applications in the micro and nanotechnology field required to reduce fabrication costand to improve electronic devices with properties such as flexibility, portability, lightweight, and low cost. Traditional methods involve expensive and long production steps, and chemical vapor deposition. The purpose of this work is to present the conception and characterization of flexible ammonia and ozone sensors fabricated by photolithography and laser ablation processes. The flexible platform is composed of Kapton substrate with interdigitated Ti/Pt electrodes for gas detection and a micro-heater device. The circuit patterns were realized by photolithography and laser ablation. Photolithography is a well-known and reliable patterning process used on rigid substrate. The application of laser ablation process not only reduces fabrication time, but also represents an excellent viable alternative instead of chemical processes. ZnO thin films deposited by drop coating have been used as sensitive materials due to their excellent properties in the gas detection. The gas sensing condition and the performances of the devices are investigated for ozone and ammonia at different gas concentrations and different thin film thicknesses. In order to test a deposit methodology used in large scale industrial production, an ultrasonic spray deposition was done. The sensor provides a wide range of detection from 5 ppb to 500 ppb for ozone and from 5 ppm to 100 ppm for ammonia. Their best sensibilities were obtained at 200°C for ozone and 300 °C for ammoniac with good repeatability, stability and fast response/recovery time.

Le besoin d'un capteur de gaz sensible,sélectif, stable et compact s'accentue en raison des préoccupations publiques et militaires. La détection photo-acoustique, variante de la spectroscopie par diode laser accordable est une solution prometteuse. Les dispositifs actuels commercialisés et en voie de développement sont encore encombrants et inadaptés pour être transportés par une personne afin de réaliser des mesures embarqués. Cette thèse a pour objectif d'étudier et de développer un micro-résonateur en silicium à transduction capacitive pour la réalisation d'un capteur de gaz par mesure photo-acoustique. Il s'agit d'une approche originale qui n'a jamais été proposée. Elle offre des perspectives nouvelles et une solution pour disposer d'un capteur de gaz à la fois très compact, sensible, sélectif et stable. Une étude théorique des micro-résonateurs capacitifs est tout d'abord menée pour mettre en place des outils de modélisations et déterminer les paramètres clés à optimiser. Les performances sont étroitement liées aux propriétés mécaniques et à l'amortissement visqueux. Un procédé technologique sur substrat SOI divisé en deux grandes étapes est ensuite développé pour permettre de les fabriquer. Nous démontrons ensuite la faisabilité de mesures stables et reproductibles de méthane et d'éthylène à faible concentration. Nous proposons finalement une nouvelle architecture de micro-résonateur adaptée à la spectroscopie photo-acoustique et qui s'affranchira des limites qu'impose la transduction capacitive. / The need of a sensitive, selective, stable and compact gas sensor is increasing due to public and military issues. Photoacoustic detection variant of tunable diode laser spectroscopy is a promosing solution. Current devices available on the market and developing are still cumbersome and unsuitable for being transported by a person. The goal of this thesis is to study and develop silicon capacitive micro-resonator in order to achieve a gas sensor based on photoacoustic spectroscpy. This original approach has never been proposed. It offers new perspectives and a solution to have very compact, sensitive, selective and stable gas sensor. First, theoretical study of capacitive micro resonators is done in order to set up modeling tools and determine the key optimization parameters. The performances are strictly linked to mechanical properties and viscous damping. A SOI process divided into two main steps is then developed in order to produce capacitive micro-resonator. Then, we demonstrate the approach by stable and reproducible methane and ethylene detection. Finally, we propose new micro-resonator adapted to photoacoustic spectroscopy without the constraints of capacitive transduction.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes.

Le mélanome est le plus agressif et le plus sévère des cancers cutanés du fait de son fort potentiel métastatique. Pourtant à ce jour, aucun biomarqueur pour la détection précoce du mélanome n'est unanimement reconnu. Notre groupe a récemment démontré que le métabolisme du céramide est fortement altéré dès les premiers stades de la maladie, conduisant à l'augmentation de la production d'un dérivé du céramide, la sphingosine 1-phosphate (S1P). La S1P est sécrétée par les cellules du mélanome et a été identifiée comme une molécule majeure du remodelage du microenvironnement tumoral, qui favorise la progression du cancer. De façon physiologique, la S1P circulante se trouve majoritairement sous forme liée aux protéines de haute densité (HDLs), aux protéines de basse et très basse densité (LDLs et VLDLs) ainsi qu'à l'albumine. Les cellules de mélanome pourraient produire de la S1P non liée qui pourrait rendre compte des effets produits par ce lysosphopholipide sur les cellules du microenvironnement tumoral suite à sa fixation sur les récepteurs S1PR présents à la surface des cellules stromales. Ainsi, cette forme libre de S1P pourrait représenter un nouveau biomarqueur pour la détection précoce du mélanome. Cependant, il n'existe à l'heure actuelle aucun moyen permettant de la quantifier. Le but de ce travail interdisciplinaire a été de développer un nouveau capteur basé sur un polymère à empreintes moléculaires (MIP) dans le but de quantifier la S1P libre dans le sang de patients atteints de mélanome. Cette étude a été réalisée entre l'équipe " Ingénierie pour les sciences du vivant (ELiA) " du Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS), et l'équipe " Sphingolipides, métabolisme, mort cellulaire et progression tumorale " du Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (CRCT), en étroite collaboration avec l'équipe " Biomimétisme et structures bioinspirées " de l'Université Technologique de Compiègne (UTC). Dans un premier temps, nous avons synthétisé un nouveau MIP dirigé contre la S1P par une méthode de thermopolymérisation en masse. Nous avons caractérisé puis optimisé ce MIP en effectuant des mesures de spectrométrie de masse couplée à la chromatographie en phase liquide et des mesures de spectroscopie de fluorescence. Le MIP a été comparé à un NIP (Non Imprinted Polymer) et exposé à des analogues de la S1P afin d'évaluer sa sélectivité. Dans un second temps, en vue de l'utilisation d'un MIP en tant que couche sensible d'un futur capteur et pour anticiper son immobilisation et sa structuration sur le transducteur, nous avons mis au point un nouveau MIP photopolymérisable en 2D. Ce MIP a d'abord été structuré en motifs par photolithographie sur des surfaces de silicium puis validé par des mesures de microscopie de fluorescence. Le MIP a également été structuré sous la forme de couches minces sur les surfaces actives de capteurs de Microbalance à Cristal de Quartz (QCM) dans le but de le valider par cette méthode sans marquage. Enfin, nous avons exploré l'utilisation d'une fibre optique recouverte d'une couche de MIP photopolymérisé dans le but de détecter, par spectroscopie infrarouge, la liaison de la S1P avec le MIP à la surface de la fibre. / Melanoma is the most aggressive and severe form of cutaneous cancer due to its high metastatic potential. However, to date, no marker for the early detection of melanoma has been unanimously accepted. Our group has demonstrated that ceramide metabolism is strongly altered in melanoma, leading to the overproduction of sphingosine 1-phosphate (S1P), one of its derivatives. S1P is secreted by melanoma cells and has been identified as a critical molecule of tumor microenvironment remodeling that supports cancer progression. Physiologically, circulating S1P is predominantly linked to high density lipoproteins (HDLs), low and very low density lipoproteins (LDLs and VLDLs), as well as albumin. Melanoma cells produce unbound S1P that could be responsible for the effects induced by this lysophospholipid on the tumor microenvironment, as a result of its binding to S1PR receptors present on the surface of stromal cells. Thus, secreted tumor S1P could represent a new biomarker for the early detection of melanoma. However, there are currently no means to quantify it. The goal of this interdisciplinary work was to develop a new sensor based on a Molecularly Imprinted Polymer (MIP) in order to quantify unbound S1P present in the blood of melanoma patients. This study has been conducted between the "Engineering for Life science Applications (EliA)" group at the Laboratory for Analysis and Architecture of Systems (LAAS) and the "Sphingolipids, metabolism, cell death and tumor progression" group at the Cancer Research Center of Toulouse (CRCT), in strong collaboration with the team "Biomimetism and Bioinspired Structures" of the University of Technology of Compiègne (UTC). First, we synthesized a new MIP against S1P employing a bulk thermopolymerization approach. The resulting MIP was characterized and optimized by performing both mass spectrometry and fluorescence spectroscopy measurements. It was compared to a Non Imprinted Polymer (NIP) and exposed to S1P analogues to assess its selectivity. Second, in order to use the MIP as the sensitive layer of a future sensor and prepare its immobilization and structuration onto a transducer, we synthesized a new surface photopolymerizable MIP. This MIP was first structured by photolithography onto silicon substrates and validated by fluorescence microscopy measurements. The MIP was also structured as a thin layer onto Quartz Crystal Microbalance (QCM) chips in order to validate its binding capacities using this label-free method. Finally, the use of a MIP-coated optical fiber as an infrared sensor was explored, with the aim of detecting S1P in blood using Attenuated Total Reflectance (ATR) spectroscopy.