Cette thèse a pour objectif de développer des techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. La première approche développée dans cette thèse concerne la phase de transport des produits alimentaires. Les protocoles proposés VBS, WaS et eVBS s'adressent à la problématique posée par l'absence de station de base permanente au sein du petit réseau déployé dans un camion où les nœuds sont en visibilité directe. Ces méthodes ont le triple avantage de présenter un faible overhead, d'accroître l'ergonomie de l'application et l'intérêt économique du réseau. Dans l'état de l'art, il n'existe pas de déploiement de très grands réseaux de capteurs sans fil destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. Le cœur de cette thèse se positionne ainsi autour de la problématique du passage à l'échelle, en proposant plusieurs approches permettant d'améliorer l'efficacité énergétique du réseau. Ainsi des optimisations du routage et des techniques de formation de clusters multi-sauts sont proposées grâce à quelques idées originales d'utilisation de l'indicateur de la qualité de lien. Le protocole L2RP de routage par répartition de charge, le mécanisme SNCR de réduction des clusters singletons ainsi que le protocole LQI-DCP d'optimisation du positionnement des chefs de clusters sont des contributions de cette thèse exploitant le LQI afin d'accroître l'efficacité énergétique du réseau. De plus, nous avons montré que l'heuristique MaxMin de formation de clusters multi-sauts n'est pas compatible avec la topologie de déploiement en grille qui est la plus fréquente dans les architectures de réseaux de capteurs.

La complexité des nouveaux systèmes ne cesse de grandir, en terme d'intégration de multiples technologies, de nombre de composants, ainsi qu'en terme de performances attendues. De plus, leur phase de conception doit également garantir la tenue de délais stricts pour un coût maîtrisé. Beaucoup de ces systèmes doivent notamment fournir des performances élevées en terme de Sûreté de Fonctionnement (SdF). Les analyses de SdF à mener dans ces cas doivent concilier temps et qualité d'étude, être réalisées à des niveaux de description parfois peu élevés et être capables de traiter de multiples technologies. C'est pourquoi nous avons cherché durant cette thèse à décrire une méthode d'analyse de la SdF des systèmes complexes, intégrée aux méthodes d'Ingénierie Système (IS) utilisées, que nous avons nommé MéDISIS. Les travaux de cette thèse s'attachent donc à rendre plus efficaces les analyses de SdF au cours du processus d'IS, en créant des outils et méthodes intégrés aux outils actuels de conception et proposant un support efficace pour les études SdF. Les méthodes d'Ingénierie Système Basée sur les Modèles sont les plus efficaces pour la création de tels systèmes. Nous plaçons donc ces travaux dans un référentiel utilisant un modèle central, que nous supposons écrit en SysML. Nous avons alors approfondi 3 axes de recherches : Utiliser le langage SysML comme point d'ancrage du processus d'IS intégrant les analyses de SdF, Extraire des diagrammes SysML fonctionnels les informations nécessaires aux études de risques et Exploiter les représentations SysML pour les études formelles de SdF. Dans ce contexte, nous illustrons l'emploi de MéDISIS sur la problématique du projet CAPTHOM, dont l'objectif est de bâtir une solution innovante pour la détection de présence humaine. Cette recherche nous conduit à la réalisation d'un simulateur de réseau de capteurs capable d'évaluer la réponse à des scénarios de stimulation et d'optimiser le placement des capteurs.

La complexité des nouveaux systèmes ne cesse de grandir, en terme d’intégration de multiples technologies, de nombre de composants, ainsi qu’en terme de performances attendues. De plus, leur phase de conception doit également garantir la tenue de délais stricts pour un coût maîtrisé. Beaucoup de ces systèmes doivent notamment fournir des performances élevées en terme de Sûreté de Fonctionnement (SdF). Les analyses de SdF à mener dans ces cas doivent concilier temps et qualité d’étude, être réalisées à des niveaux de description parfois peu élevés et être capables de traiter de multiples technologies. C’est pourquoi nous avons cherché durant cette thèse à décrire une méthode d’analyse de la SdF des systèmes complexes, intégrée aux méthodes d’Ingénierie Système (IS) utilisées, que nous avons nommé MéDISIS. Les travaux de cette thèse s’attachent donc à rendre plus efficaces les analyses de SdF au cours du processus d’IS, en créant des outils et méthodes intégrés aux outils actuels de conception et proposant un support efficace pour les études SdF. Les méthodes d’Ingénierie Système Basée sur les Modèles sont les plus efficaces pour la création de tels systèmes. Nous plaçons donc ces travaux dans un référentiel utilisant un modèle central, que nous supposons écrit en SysML. Nous avons alors approfondi 3 axes de recherches : Utiliser le langage SysML comme point d’ancrage du processus d’IS intégrant les analyses de SdF, Extraire des diagrammes SysML fonctionnels les informations nécessaires aux études de risques et Exploiter les représentations SysML pour les études formelles de SdF. Dans ce contexte, nous illustrons l’emploi de MéDISIS sur la problématique du projet CAPTHOM, dont l’objectif est de bâtir une solution innovante pour la détection de présence humaine. Cette recherche nous conduit à la réalisation d’un simulateur de réseau de capteurs capable d’évaluer la réponse à des scénarios de stimulation et d’optimiser le placement des capteurs. / The design processes of new innovative systems must be able to master the increasing complexity brought by the need of integrating multiple technologies, utilized by even more components with high awaited performances. Moreover, stakeholders impose strict delays and costs on their development phase. Many of those systems are intended to possess strong reliability performances. This kind of system must include in their design phase complicated reliability analysis, within a limited time and with limited resources. Therefore, we tackle in this thesis the construction of a methodology, named MéDISIS, for integrating reliability analysis in the design processes using Model-Based System Engineering techniques. The main goal of this work is to make the reliability analysis more efficient during the engineering process, by creating methods and tools using or being included in the current design softwares utilised by system engineers. As we assume that SysML is the best language for Model-Based System Engineering, we developed 3 axes: Using SysML as the language used for the central model of all developments. Extracting the needed information on the dysfunctional behaviour, from functional SysML description studied with classic FMEA-like techniques. Setting translations between SysML descriptions and formal models for reliability studies. Finally, the use of MéDISIS is exemplified on the CAPTHOM project, aiming at developing a new human presence sensor. This study leads us to create a simulation and optimisation software for sensor networks design.

Cette thèse a pour objectif de développer des techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. La première approche développée dans cette thèse concerne la phase de transport des produits alimentaires. Les protocoles proposés VBS, WaS et eVBS s'adressent à la problématique posée par l'absence de station de base permanente au sein du petit réseau déployé dans un camion où les nœuds sont en visibilité directe. Ces méthodes ont le triple avantage de présenter un faible overhead, d'accroître l'ergonomie de l'application et l'intérêt économique du réseau. Dans l'état de l'art, il n'existe pas de déploiement de très grands réseaux de capteurs sans fil destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. Le cœur de cette thèse se positionne ainsi autour de la problématique du passage à l'échelle, en proposant plusieurs approches permettant d'améliorer l'efficacité énergétique du réseau. Ainsi des optimisations du routage et des techniques de formation de clusters multi-sauts sont proposées grâce à quelques idées originales d'utilisation de l'indicateur de la qualité de lien. Le protocole L2RP de routage par répartition de charge, le mécanisme SNCR de réduction des clusters singletons ainsi que le protocole LQI-DCP d'optimisation du positionnement des chefs de clusters sont des contributions de cette thèse exploitant le LQI afin d'accroître l'efficacité énergétique du réseau. De plus, nous avons montré que l'heuristique MaxMin de formation de clusters multi-sauts n'est pas compatible avec la topologie de déploiement en grille qui est la plus fréquente dans les architectures de réseaux de capteurs. / Wireless Sensor Networks (WSN) are used today in many applications that differ in their own objectives and specific constraints. However the common challenge in designing WSN applications comes from the specific constraints of micro-sensors because of their limited physical resources such as limited battery lifetime, weak computational capability and small memory capacity. This thesis aims to develop techniques to improve the energy efficiency of wireless sensor networks intended to a cold chain monitoring application. In such area, existing solutions consist of walled temperature recorders in warehouses and transport vehicles, which essentially control the room storage temperature which is not necessarily the product one. By integrating wireless micro-sensor devices with pallets and trays, one allows full real-time tracking of the cold chain originating from factories to the shelves of retailers. The first approach developed in this thesis concerns the phase of transporting food. The proposed VBS, WaS and eVBS protocols address the main issue resulting from the absence of a permanent base station in the small network deployed in a truck where nodes are generally in the same transmission range. These methods have the triple advantages of having a low overhead, increasing the ergonomics of the application and enhancing the economic interest of the network. In the state of art, there is no very large scale deployment of WSN for a cold chain monitoring system. Thus, the core of this thesis addresses the scalability issues by offering several ways to improve overall energy efficiency of the network. So, routing techniques improvement and efficient multi-hop clustering protocols are proposed through some original ideas using the Link Quality Indicator (LQI) provided by the MAC sublayer. The LQI is defined in the IEEE 802.15.4 standard in which its context of use is not specified. The link reliability based routing protocol (L2RP) which load balances the traffic between nodes, the single-node cluster reduction mechanism (SNCR) and the LQI-DCP multi-hop clusters formation protocol which improves clusterhead locations are some of contributions of this thesis which exploit the LQI to, significantly, increase the WSN efficiency. We also show that the MaxMin d-cluster formation heuristic does not support the grid deployment topology which is the more often used in WSN architectures.

Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par le style de conception asynchrone (sans horloge) pour implémenter les traitements numériques de réception des signaux radio impulsionnelle à ultra large bande (UWB), dans le contexte applicatif des réseaux de capteurs. D'une part, des oscillateurs numériques asynchrones ont été étudiés pour réaliser l'implémentation de la base de temps nécessaire aux traitements de réception des signaux radio impulsionnelle, et d'autre part, des algorithmes et des architectures asynchrones de réception de ces signaux radio ont été proposés et validés. Ces différents travaux ont permis de démontrer la pertinence de l'approche asynchrone pour l'implémentation de ce type de traitements, notamment sur le critère de faible consommation. Elles ouvrent ainsi la voie au concept de réseau de capteurs entièrement asynchrones.

Les transports terrestres occupent une place majeure dans notre société, notamment en ville où les ralentissements aux heures de pointe peuvent avoir un impact notable sur l'organisation des activités, l'économie ou encore l'écologie. Les infrastructures routières sont généralement coordonnées par un centre de contrôle, responsable du maintien des équipements, de leurs réglages initiaux et de la gestion des incidents (matériels ou humains). Les nouvelles technologies de l'information et de la communication ont permis, en l'espace de quelques années, de mettre en œuvre des systèmes de transport intelligents. À l'aide de multiples points de mesures répartis sur le territoire, un opérateur peut dénombrer les usagers et en déduire la charge du réseau. Toutefois, centraliser les informations présente de nombreuses limites. Cette thèse vise à étudier l'emploi de systèmes distribués afin de mettre en œuvre des systèmes de transport intelligents grâce à un réseau de capteurs sans fil. Couplés à une unité de détection (p. ex., un magnétomètre), les capteurs communicants peuvent réagir au passage d'un véhicule en étant déployés, par exemple, sur les voies. Ils sont également capables de coopérer et de s'affranchir d'une entité centrale, rendant tout ou partie d'une zone urbaine totalement indépendante. D'autre part, ces réseaux peuvent fonctionner de manière autonome et tolèrent mieux les pannes, car aucun élément n'est indispensable au fonctionnement global du système. Enfin, les éléments de ces réseaux sont petits, peu coûteux, et communiquent en sans fil, ce qui leur permet d'être déployés et redéployés rapidement et de manière dense. / Road traffic has a significant effect on metropolitan activities, especially during peak hours when it impacts on areas such as the economy and the environment. Road infrastructure is typically coordinated from a control centre that is responsible for maintaining not only its equipment but also their initial settings and incident management (both material and human). During the past few years, new technologies in the fields of information and communication have led to the introduction of intelligent transportation systems. Using multiple measurement points distributed across a country, an operator can count road users and calculate the network load. However, the centralization of information has a number of drawbacks. The aim of this thesis is to study the use of distributed systems in order to implement intelligent transportation systems via a wireless sensor network. Coupled to a detection unit (e.g., a magnetometer), the interconnected sensors can respond to the passage of a vehicle when deployed, for example, along the road. They can also work together without recourse to a central entity - rendering all or part of an urban area totally independent. Furthermore, these networks can operate autonomously and are less susceptible to breadown, because the overall running of the system is not affected by the failure of individual components. Finally, components are small and cheap, and they operate wirelessly, which means they can be deployed and redeployed both rapidly and densely.

Le développement des technologies de réseaux de capteurs incite les industries à envisager des alternatives réduisant les coûts et la complexité tout en améliorant la fiabilité. Parmi les solutions sans fil actuelles, la technologie LP-WPAN IEEE 802.15.4/ZigBee dispose des mécanismes et des garanties nécessaires pour une utilisation industrielle. Nous proposons des mécanismes de synchronisation entièrement déterministe permettant l'utilisation du standard IEEE 802.15.4 en mode balisé dans un réseau maillé, ainsi qu'une méthode de routage adaptative « AODV en » pour les messages transmis dans un réseau étendu. En premier lieu, nous analysons la technologie IEEE 802.15.4/ZigBee, plus particulièrement sa capacité à conserver son comportement déterministe et économe en énergie dans une architecture de réseau maillé. Cette étude met en évidence plusieurs insuffisances du standard. Notre contribution consiste à palier à ces manques par une synchronisation centralisée réactive aux changements de topologie, esquivant les collisions de balises et de GTS. Ces modifications seront apportées au niveau de la sous-couche MAC. En second lieu, aucun des protocoles de routage (couche 3 du modèle ISO) actuellement les plus utilisés, ne prennent en compte simultanément les critères indispensables au contexte des communications dans un environnement industriel à fortes contraintes sur la consommation et sur le temps. Nous proposons un mécanisme de routage réactif adaptatif recherchant les routes optimisant la durée de vie des noeuds du réseau contraints énergétiquement, et basé sur l'optimisation conjointe du délai et de la consommation. Pour cela, nous avons analysé et évalué la consommation de chacun des noeuds sans fil autonomes utilisant le standard. Nous avons ainsi proposé des informations de délai et de niveau de charge de la batterie de chacun des noeuds, prises en considération dans notre mécanisme de routage adaptatif. L'ensemble de nos propositions sont validées en utilisant diverses méthodes dont les réseaux de Petri temporisés, la simulation et le prototypage. Les résultats obtenus sont exposés à la suite de chacune de nos contributions.

La plupart des réseaux de capteurs sans fill d'aujourd'hui fonctionne sur le protocole CSMA/CA. Fournir la qualité de service (QdS) dans un tel réseau est un problème difficile compte tenu de la dynamique du réseau et des contraintes en termes de ressources (énergie et mémoire). Dans cette thèse, sans changer le socle commun du CSMA/CA, nous avons proposé des mécanismes auto-adaptatifs qui permettent de gérer la QdS "best-effort" pour des applications nécessitant de la différenciation de services. Trois mécanismes sont proposés : CoSenS pour "Collecting then Sending burst Scheme", P-CoSenS qui a joute la gestion de priorités à CoSenS, et S-CoSenS qui a joute la dimension énergie à CoSenS. La dynamique du réseau est prise en compte grâce à l'auto-adaptation de périodes de collecte et de transmission en rafale. Il est à souligner que le mécanisme CoSenS permet non seulement d'améliorer les performances de CSMA/CA mais aussi de surmonter la difficulté d'ordonnancer les trafics entrant dans un nœud (routeur) car chaque paquet entrant est immédiatement retransmis vers la sortie. En effet, grâce à la pério de de collecte, les paquets entrants sont mis en file d'attente, rendant ainsi possible d'ordonnancer différemment les paquets selon leur priorité (P-CoSenS). Enfin, le compromis énergie/performance est pris en compte dans S-CoSenS. Selon l'état de l'environnement surveillé, le réseau peut se trouver dans une période où circule un trafic non urgent et souvent faible pendant laquelle il est judicieux de minimiser la consommation d'énergie et une pério de de trafic important pendant laquelle le réseau doit transporter des données urgentes pour suivre une situation alarmante de plus près. Comme CoSenS, S-CoSenS permet de s'auto-adapter dynamiquement en fonction de ces situations. L'ensemble de nos propositions est validé par simulations et CoSenS est implémenté sur une plateforme de réseau de capteurs.

Ce mémoire présente l'étude et la conception d'électroniques d'interrogation de capteurs passifs de grandeurs physiques à base d'ondes élastiques se propageant à la surface de matériaux (SAW) piézoélectriques mono-cristallins. L'objectif consiste à réaliser une électronique d'interrogation capable de sonder la réponse d'un résonateur SAW au travers d'une liaison radiofréquence (RF) sans fils pour en extraire une information de température. Les résonateurs dans la bande ISM centrée en 433,92 MHz sont développés dans le cadre du projet SAWHOT pour de la mesure haute température (650 oC). Les résonateurs à onde élastique emmagasinent de l'énergie sous forme d'onde élastique lorsqu'ils sont stimulés par un signal radio-fréquence à la fréquence de résonance. Celle-ci est restituée à la fin de son excitation. Les électroniques présentées dans ce manuscrit fonctionnent sur l'analyse de la puissance rétro-diffusée par le capteur en s'inspirant de l'architecture d'un analyseur de réseau à balayage de fréquence. Deux électroniques d'interrogation sont présentées. La première utilise une synthèse de fréquence directe. La souplesse de générer un signal RF pour exciter le résonateur a donnée naissance à divers algorithmes pour optimiser les performances de la mesure. La vitesse à laquelle le lecteur est capable de sonder le capteur permet l'interrogation de capteurs placés sur un support mobile (axe de moteur). La résolution de mesure obtenue atteint le dixième de degré Celsius. La seconde électronique vise à réaliser une électronique compacte dans le but de réduire le nombre et la consommation des composants en intégrant les chaînes d'émission et de réception. Cette électronique est construite autour d'un radio-modem : ce composant combinant fonctionnalités RF et numériques est détourné de sa fonction principale de communication numérique dans le but d'interroger un résonateur SAW. Les contraintes associées aux constantes de temps, à l'isolation nécessaire et à l'accès à l'étage de réception d'un radio-modem nécessittent une étude préalable approfondie. L'algorithme développé pour ce composant a nécessité l'utilisation de techniques de traitement RADAR pour obtenir la température résultante d'un capteur différentiel bi-résonateurs. Cette électronique a permis de mesurer une température à 1 oC et de communiquer le résultat au travers d'une liaison numérique sans fil.

Ce mémoire présente l’étude et la conception d’électroniques d’interrogation de capteurs passifs de grandeurs physiques à base d’ondes élastiques se propageant à la surface de matériaux (SAW) piézoélectriques mono-cristallins. L’objectif consiste à réaliser une électronique d’interrogation capable de sonder la réponse d’un résonateur SAW au travers d’une liaison radiofréquence (RF) sans fils pour en extraire une information de température. [...] Les électroniques présentées dans ce manuscrit fonctionnent sur l’analyse de la puissance rétro-diffusée par le capteur en s’inspirant de l’architecture d’un analyseur de réseau à balayage de fréquence. Deux électroniques d’interrogation sont présentées. La première utilise une synthèse de fréquence directe. La souplesse de générer un signal RF pour exciter le résonateur a donnée naissance à divers algorithmes pour optimiser les performances de la mesure. La vitesse à laquelle le lecteur est capable de sonder le capteur permet l’interrogation de capteurs placés sur un support mobile (axe de moteur). La résolution de mesure obtenue atteint le dixième de degré Celsius. La seconde électronique vise à réaliser une électronique compacte dans le but de réduire le nombre et la consommation des composants en intégrant les chaînes d’émission et de réception. Cette électronique est construite autour d’un radio-modem : ce composant combinant fonctionnalités RF et numériques est détourné de sa fonction principale de communication numérique dansle but d’interroger un résonateur SAW. Les contraintes associées aux constantes de temps,à l’isolation nécessaire et à l’accès à l’étage de réception d’un radio-modem nécessitent une étude préalable approfondie. L’algorithme développé pour ce composant a nécessité l’utilisation de techniques de traitement RADAR pour obtenir la température résultante d’un capteur différentiel bi -résonateurs. Cette électronique a permis de mesurer une température / This report deals with the study and design of interrogation electronics for probing surface acoustic wave (SAW) transducers used as passive wireless sensors of physical quantities.The basic principle is to develop hardware aimed at probing the response of SAW resonators through a radiofrequency wireless link in order to extract a temperature information. Resonators whose operating frequency is centered on the 433.92 MHz ISM band are developed as part oft he SAWHOT project aimed at measuring high (650 oC) temperatures. SAW resonators load energy when stimulated at resonance frequency. Upon stopping emission, this power is returned as a radiofrequency signal. The presented electronic systems operate on the analysis of thepower returned by the sensor, based on a frequency-sweep network analyzer architecture. Twointerrogation units are presented. The former is based on a Direct Digital Synthesis frequency source : the flexibility of this digital approach allows for probing resonating sensors followings everal algorithms meeting various constraints including measurement speed and resolution.Sub-millisecond interrogation resonance frequency identification is compatible with probingthe response of sensors located on mobile targets such as a rotating motor axis. The achieved resolution lies in the 0.1 oC range. The latter approach aims at designing a compact readerwith a reduced number of components, including all the elements of the interrogation chain,and hence a lower power consumption. This approach is based around integrated, single chip,radiomodems : this components combines radiofrequency and digital functionalities and is diverted from its original digital communication purpose for probing SAW sensors. Timing andisolation constraints as well as accessing the analog receiver stage require a dedicated analysis of the functionalities of the various available chips[...]