Les objets connectés ont aujourd’hui pénétré les foyers et, poussés par une société tournée de plus en plus vers le bien-être, ces capteurs mesurent et proposent dorénavant une grande variété de données physiologiques. L’arrivée à maturité des technologies de la réalité virtuelle, couplée avec l’avènement des objets connectés, permet et favorise dès lors de nouvelles perspectives dans la proposition d’expériences immersives enrichies. De nombreux travaux dans le domaine de la réalité virtuelle rapportent l’exploitation des signaux physiologiques. Ceux-ci se basent principalement sur du matériel médical, qui possède des contraintes d’utilisation forte, reste souvent encombrant et limite de fait la mobilité des utilisateurs. Pour tenter de pallier ces limites, nos travaux se concentrent donc sur l’utilisation originale des wearables (objets connectés portés) comme substituts aux capteurs physiologiques traditionnels dans le cadre d’applications immersives. Ce travail de thèse se positionne à mi-chemin entre une étude de faisabilité technologique et une étude fondamentale sur l’expérience utilisateur (UX).Dans ce contexte, l’objectif de nos recherches est de contribuer à la connaissance concernant l’impact de l’utilisation des données physiologiques dans des environnements virtuels immersifs. Nous étudierons en particulier l’influence d’un biofeedback cardiaque, via des capteurs connectés grand public, sur l’engagement utilisateur et le sentiment d’agentivité. Nous avons ainsi mené deux expérimentations nous permettant d’étudier l’impact des différentes modalités de biofeedback sur l’expérience utilisateur. Notre première expérimentation met en place un biofeedback cardiaque dans un jeu d’horreur en réalité virtuelle, permettant d’augmenter le sentiment de peur. Les résultats de cette expérimentationconfortent l’intérêt de l’utilisation de capteurs connectés comme moyen de captation physiologique dans des expériences de réalité virtuelle immersive. Ils mettent également en avant l’impact positif de ce biofeedback sur la dimension d’engagement de l’expérience utilisateur. La deuxième expérience porte sur l’utilisation de l’activité cardiaque comme une mécanique d’interaction obligatoire. Elle est découpée en deux parties, la première permettant de quantifier le niveau de compétence des participants dans le contrôle de leur activité cardiaque et la seconde les plongeant dans une suite de tâches en réalité virtuelle ; le contrôle cardiaque est de fait nécessaire pour les réussir. Les résultats de cette expérience démontrent la possibilité d’utiliser la dite mécanique pour des expériences virtuelles immersives et indiquent un impact positif sur le sentiment d’agentivité, lié au niveau de compétence des participants. Sur un plan théorique, cette thèse propose une synthèse des modèles de l’expérience utilisateur en environnement virtuel et soumet par ailleurs les bases d’un modèle que nous nommons « l’immersion physiologique ». / The internet of things has now entered every home and, with a society more and more focused towards wellness, these sensors measure and offer henceforth a wide variety of physiological data. Virtual reality technologies reaching maturity, coupled with the advent of the internet of things, allow consequently new opportunities to propose improved immersive experiences. If we identify nowadays many virtual reality studies reporting the usage of physiological data, they mainly use medical equipment, which poses strong usability constraints, is often cumbersome and limits mobility. In an attempt to overcome these limitations, this study therefore focuses on the original usage of smart wearables as substitutes for traditional sensors in immersive applications. Thus, this thesis is positioned halfway between a technological feasibility study and a fundamental user experience study.In this context, the objective of our study is to contribute to knowledge about the impact of the use of physiological data in immersive virtual environments. More precisely, the impact of biofeedback, via off-the-shelf smart wearables, on user engagement and the sense of agency. We have thus carried out two experiments allowing us to study the impacts of the different biofeedback modalities on user experience. Our first experiment implements a biofeedback based on heart rate in a virtual reality horror game, allowing to enhance the feeling of fear. The results of this experiment confirm the interest of using smart wearables to capture physiological data for immersive virtual reality experiences. They also highlight the positive impact of this biofeedback on user engagement. The second experiment focuses on the use of cardiac activity as a mandatory interaction mechanism. This experiment is divided into two parts, the first one quantifying the participants’ level of competency in heartrate control and the second one immersing them in a series of tasks in virtual reality ; heartrate control is necessary to complete the different steps of the experience. The results of this experiment demonstrate the possibility of using the said interaction mechanic for virtual reality experiences and indicate a positive impact on the sense of agency, linked with the level of competency of the participants. On a theoretical level, this thesis proposes a synthesis of user experience models in virtual environment and submit the foundations of a model that we call "physiological immersion".

La récente émergence des smartphones et des objets connectés a révolutionné le mode de vie des utilisateurs. Ces dispositifs ubiquitaires et équipés de plusieurs interfaces sans fil de communication, sont rapidement devenus indispensables dans la vie quotidienne des utilisateurs avec une utilisation intensive. Les interfaces sans fil de ces objets connectés émettent périodiquement des informations, certaines sont spécifiques aux utilisateurs et permettent par effet de bord d’identifier et de suivre leur déplacements. Le suivi des utilisateurs via les informations fortuitement émises par leurs périphériques sans fil se nomme le Wireless Physical Tracking. Les possibilités offertes par le Wireless Physical Tracking ont suscité un fort intérêt. Plusieurs applications se sont développés et ont permis d’apporter de l’innovation dans plusieurs domaines. Des sociétés de marketing l’utilisent afin de proposer à leurs clients de la publicité ciblée en fonction de leurs parcours dans leur zone d’activité. À une échelle plus grande, les villes intelligentes, ou smart-cities analysent le mouvement des utilisateurs afin d’apporter des services pour le confort des habitants. Enfin, dans le domaine de la recherche, les réseaux Ad-Hoc mobiles et autres DTN nécessitent de s’intéresser à cette pratique car l’étude de la mobilité des utilisateurs représentent un élément clé pour améliorer les performances de ce type de réseau. Cependant, la collecte de ces informations sans le consentement des utilisateurs ou sans qu’elles soient correctement protégées représentent un risque réel pour leur vie privée. C’est autour de ce contexte que s’articule cette thèse divisée en deux parties. La première présente les technologies PAN et WAN, l’état de l’art des méthodes de Wireless Physical Tracking et les contre mesures adoptés. La deuxième partie présentent les contributions de la thèse qui visent à proposer de nouvelles méthodes de suivi, analyser les performances de celles-ci face aux méthodes existantes et dans le cas particulier de l’application de crowd-localisation, à proposer des méthodes de suivi respectueuse de la vie privée. / The recent rise of smart-phones and connected objects has a deep impact its users lifestyle. In 2017, more than a billion and a half smart-phones were sold around the world. These ubiquitous devices, equipped with several wireless communication interfaces, have quickly become essential in the daily life of users with an intensive use. The wireless interfaces of these connected objects periodically transmit information on the network, some of which are user-specific and allow to identify and track their mobility. Tracking users by collecting the information generated by their wireless devices is called Wireless Physical Tracking. The opportunities offered by the Wireless Physical Tracking raised a lot of interest. Several applications have been developed and have brought innovation in several areas. Marketing companies use it to offer to their customers targeted advertising based on their movements in their area of activity. On a larger scale, Smart Cities or smart-cities analyse the movement of users in order to provide services for their inhabitants. Finally, in the field of research in mobile Ad-Hoc networks and DTNs, users mobility is a key element which need to be collected and analysed. However, the collection of this information without the consent of the users or without being properly protected induce a real risk to their privacy. It is around this context that this thesis is focused on. It’s divided into two parts. The first presents the PAN and WAN technologies, the state of the art of Wireless Physical Tracking methods and the adopted counter measures. The second part presents the contributions of the thesis which aims at developing new methods for Physical Tracking and analysing their performances compared to the existing methods. We first present an evaluate BPM, a bluetooth passive monitoring that allows to track the users of Classic Bluetooth device with a detection delay significantly lower than the methods previously used. We then focus on Bluetooth Low Energy and propose the use of a BLEB, a botnet of users tracking BLE objects with their smart-phones. Finally, we also focus on preserving users privacy through the proposal of PPCL, a privacy preserving crowdlocalisation method which allow to track users assets without being trackable.

De nos jours, une forte croissance des objets connectés est constatée, dépassant même la population mondiale. Devant l'ampleur de ce phénoméne, l'efficacité énergétique des objets communicants est une sérieuse problématique. La maximisation de leur durée de vie est requise pour assurer une qualité de service. Dans cette optique, les travaux de cette thèse visent à optimiser la consommation énergétique des communications sans fil dans un réseau de capteurs. Le télé-réveil, un concept imaginé depuis une dizaine d'années, consiste au déclenchement du réveil du noeud communicant par un signal radio à distance. Par défaut, le noeud reste en mode veille de façon permanente à très basse consommation. Au besoin, il peut être réveillé à la demande par un signal radio spécifique. Ainsi, la consommation énergétique du module radio est grandement réduite par l'écoute passive du canal en mode veille. Ce principe de télé-réveil nécessite toutefois le développement de nouvelles architectures matérielles associées à des protocoles de communication adaptés et innovants. Malgré les propositions récentes, le niveau de maturité technologique n'a pas encore été atteint sur ce sujet. Par conséquent, un système de télé-réveil est proposé dans cette thèse, en incluant une caractérisation théorique de ses performances. Le récepteur de télé-réveil consomme 363 nW en mode veille contre 49,8 µW en mode de réception. De plus, deux nouveaux protocoles de télé-réveil DoRa et DC-DoRa sont proposés avec une évaluation de leurs performances par simulation. Les résultats obtenus montrent que ces protocoles de télé-réveil diminuent fortement l'énergie consommée par le module radio, en comparaison des protocoles MAC actuellement utilisés dans les réseaux de capteur. Enfin, la mise en œuvre expérimentale du système et des protocoles de télé-réveil a permis de mesurer les performances réelles de notre approche dans un environnement de surécoute et d'interférence. / Nowadays, a significant growth of connected things is observed, exceeding even the worldpopulation. Given the magnitude of this phenomenon, the energy efficiency of communicatingobjects is a crucial issue. Maximizing their lifetime is necessary to ensure a qualityof service. In this regard, the aim of this thesis is to optimize the energy consumption ofwireless communications in a wireless sensor network.The concept of wake-up radio was created a decade ago, which consists of waking up thecommunicating node by a remote radio signal. By default, the node remains in sleepingmode at a very low power consumption. If needed, the node can be woken up on demandthrough a specific radio signal. Thus, the energy consumption of the radio module is greatlyreduced by idle listening to the channel in sleeping mode. However, this wake-up radioprinciple requires the development of new hardware architectures associated with adaptedand innovative communication protocols. Despite recent proposals, the level of technologymaturity has not yet been reached on this subject.Therefore, a wake-up radio system is proposed in this thesis, including a theoreticalcharacterization of its performances. The wake-up receiver consumes 363 nW in sleepingmode and 49.8 µW in receiving mode. Moreover, two new protocols called DoRa and DC-DoRaare proposed with an evaluation of their performances by simulation. The resultsshow that these wake-up radio protocols greatly reduce the energy consumed by the radiomodule, compared to the MAC protocols currently used in wireless sensor networks. Finally,the experimental implementation of the wake-up radio system and protocols enabled thereal performance measurement of our approach in an environment with overhearing andinterference.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie basée sur les modèles pour gérer la complexité de la conception des systèmes autonomiques cognitifs intégrant des objets connectés. Cette méthodologie englobe un ensemble de patrons de conception dont nous avons défini pour modéliser la coordination dynamique des processus autonomiques pour gérer l’évolution des besoins du système, et pour enrichir les systèmes avec des propriétés cognitives qui permettent de comprendre les données et de générer des nouvelles connaissances. De plus, pour gérer les problèmes reliés à la gestion des big data et à la scalabilité du système lors du déploiement des processus, nous proposons une plate-forme sémantique supportant le traitement des grandes quantités de données afin d’intégrer des sources de données distribuées et hétérogènes déployées sur le cloud pour générer des connaissances qui seront exposées en tant que service (KaaS). Comme application de nos contributions, nous proposons un système cognitif prescriptif pour la gestion du plan de traitement du patient. Ainsi, nous élaborons des modèles ontologiques décrivant les capteurs et le contexte du patient, ainsi que la connaissance médicale pour la prise de décision. Le système proposé est évalué de point de vue clinique en collaborant avec des experts médicaux, et de point de vue performance en proposant des différentes configurations dans le KaaS. / In this thesis, we propose a collaborative model driven methodology for designing Autonomic Cognitive IoT systems to deal with IoT design complexity. We defined within this methodology a set of autonomic cognitive design patterns that aim at (1) delineating the dynamic coordination of the autonomic processes to deal with the system's context changeability and requirements evolution at run-time, and (2) adding cognitive abilities to IoT systems to understand big data and generate new insights. To address challenges related to big data and scalability, we propose a generic semantic big data platform that aims at integrating heterogeneous distributed data sources deployed on the cloud and generating knowledge that will be exposed as a service (Knowledge as a Service--KaaS). As an application of the proposed contributions, we instantiated and combined a set of patterns for the development of prescriptive cognitive system for the patient treatment management. Thus, we elaborated two ontological models describing the wearable devices and the patient context as well as the medical knowledge for decision-making. The proposed system is evaluated from the clinical prescriptive through collaborating with medical experts, and from the performance perspective through deploying the system within the KaaS following different configurations

Nous présentons dans cette thèse les évolutions apportées au solveur Galerkin Discontinu Teta-CLAC, issu de la collaboration IRMA-AxesSim, au cours du projet HOROCH (2015-2018). Ce solveur permet de résoudre les équations de Maxwell en 3D, en parallèle sur un grand nombre d'accélérateurs OpenCL. L'objectif du projet HOROCH était d'effectuer des simulations de grande envergure sur un modèle numérique complet de corps humain. Ce modèle comporte 24 millions de mailles hexaédriques pour des calculs dans la bande de fréquences des objets connectés allant de 1 à 3 GHz (Bluetooth). Les applications sont nombreuses : téléphonie et accessoires, sport (maillots connectés), médecine (sondes : gélules, patchs), etc. Les évolutions ainsi apportées comprennent, entre autres : l'optimisation des kernels OpenCL à destination des CPU dans le but d'utiliser au mieux les architectures hybrides ; l'expérimentation du runtime StarPU ; le design d'un schéma d'intégration à pas de temps local ; et bon nombre d'optimisations permettant au solveur de traiter des simulations de plusieurs millions de mailles. / In this thesis, we present the evolutions made to the Discontinuous Galerkin solver Teta-CLAC – resulting from the IRMA-AxesSim collaboration – during the HOROCH project (2015-2018). This solver allows to solve the Maxwell equations in 3D and in parallel on a large amount of OpenCL accelerators. The goal of the HOROCH project was to perform large-scale simulations on a complete digital human body model. This model is composed of 24 million hexahedral cells in order to perform calculations in the frequency band of connected objects going from 1 to 3 GHz (Bluetooth). The applications are numerous: telephony and accessories, sport (connected shirts), medicine (probes: capsules, patches), etc. The changes thus made include, among others: optimization of OpenCL kernels for CPUs in order to make the best use of hybrid architectures; StarPU runtime experimentation; the design of an integration scheme using local time steps; and many optimizations allowing the solver to process simulations of several millions of cells.

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