Les réseaux de capteurs ont créé un domaine de recherche très intéressant avec un champs d'applications très large. L'assistance aux personnes est notamment une des nombreux champs potentiels. Les contraintes de ce type de réseaux sont nombreuses et nécessitent des mécanismes spécifiques. Les problématiques de consommation d'énergie et de sécurité sont particulièrement importantes et ont fait l'objet de travaux spécifiques. La thématique de l'assistance aux personnes impose notamment des contraintes de robustesse et de fiabilité des communications. Le but de ces travaux de recherche est de définir diverses solutions permettant de répondre à ces problématiques. Ces travaux se décomposent en trois parties. Dans un premier temps, une plate-forme de communications basée sur les réseaux personnels PAN a été définie. Cette plate-forme a été développée et intégrée dans une station de métro Parisienne. Une modélisation de cette plate-forme ainsi qu'une analyse des observations et des résultats issus de cette intégration nous ont permis d'identifier les faiblesses de l'architecture et des technologies mises en œuvre. Dans un deuxième temps, nous avons développé diverses solutions permettant de fiabiliser cette plate-forme. En particulier, nous avons conçu un algorithme d'ordonnancement permettant de réduire la consommation d'énergie dans les réseaux capteurs par l'utilisation d'une analyse sémantique des données. Nous avons ensuite proposé une architecture de sécurité, Tiny 3-TLS, qui permet de sécurisé les communications entre un capteur et une entité située sur un réseau disjoint. Enfin, nous nous sommes intéressés aux communications entre cette plate-forme et les terminaux mobiles. L'aspect fiabilité a en particulier fait l'objet de travaux spécifiques. C'est pourquoi dans un troisième temps, nous avons proposé une solution de routage définissant une nouvelle métrique. Nous avons ensuite proposé un protocole coopératif permettant un apport de fiabilité dans les communications / Wireless Sensors Networks is a very active research area with a very large scope of possible application. In particular, assistance to person is one of the promising applications. The constraints in this kind of networks are strong and needs of specifics mechanisms. Energy consumption and security are particularly important and are subject of several works. Assistance to person set some robustness constraints and communications reliability. The goal of these works is to define several solutions to answer to these problematic. This work has been split in three different parts. First, a communication platform based on Personal Network techniques was defined. This platform was design, develop and install in a Paris metro station. We made an analytical model of our platform to perform an analysis of its performances. This analysis and the results from the platform installation itself allow us to clearly define the architecture weaknesses and the technologies drawbacks. Second, we developed several solutions to bring reliability to the platform. First, we designed a scheduling algorithm allowing to reduce the bandwidth utilization. This algorithm uses a semantic data analysis to help the data scheduling. Then, we define a solution bringing security to the communications between a sensor node and a remote monitoring terminal. This solution allows to establish a secure end-to-end tunnel between two entities in an heterogeneous network. At last, we were interested to the communications between the platform and the mobile terminal. We focus our work on the reliability aspect of the communications. So, in the last part of this thesis, we suggest a routing protocol using a metric based on the RSSI. Then, we define a cooperative protocol bringing more reliability to the communications

Les réseaux de capteurs sans-fil sont une nouvelle technologie qui permet de déployer des capteurs hétérogènes et de les faire communiquer sans fil et de façon autonome. Cette capacité nouvelle à surveiller ou instrumenter le monde qui nous entoure ouvre la voie à de nouvelles applications innovantes ou à une évolution majeure d’applications déjà existantes.D’une dizaine de nœuds à plusieurs milliers, les réseaux de capteurs sans fil commencent à conquérir le monde industriel et notre vie quotidienne. Leurs besoins en communications, gestion, génération et stockage de l’énergie, miniaturisation et réduction des coûts ne nécessitent pas seulement de perfectionner les technologies actuelles mais bien d’en inventer de nouvelles. Parmi toutes les applications révolutionnaires des réseaux de capteurs sans fil comme dans la santé, l’environnement, l’industrie et le militaire, l’une des applications les plus transformatrices est la surveillance de structure. La surveillance de structure est l’art de surveiller tout ce qui peut s’abimer, s’user ou tomber en panne. Elle est particulièrement importante dans les domaines des transports et du bâtiment, étant donné que la sécurité des personnes est en jeu. En plaçant aux endroits stratégiques des capteurs sans-fil, il sera possible de prévoir et de prévenir la défaillance d’un pont, l’usure d’un avion ou d’un train ou la déformation d’un bâtiment. La surveillance de structure permet de prévenir les pannes et les défaillances, de réduire les coûts de maintenance et d’améliorer les performances. C’est un processus complexe qui implique plusieurs technologies : des capteurs, la transmission de l’information et l’analyse des données. La nature (accéléromètre, gyroscope, jauge de contrainte, température, pression, fuite, givre, etc. . .), la position ainsi que le nombre de capteurs sont dictés et dépendants des besoins de l’analyse de la structure qui doit être effectuée. De ce fait, les contraintes imposées au système de transmission de données sans fil, afin d’offrir une couverture suffisante de la structure de l’appareil avec plusieurs centaines voire plusieurs milliers de capteurs que leur localisation rendra difficile d’accès, nécessitent des nouvelles innovations en matière d’efficacité énergétique et de performance de communication. Ce travail s’intéresse à la conception et l’implémentation d’un système de transmission de données dans un réseau de capteurs sans-fil. Après une présentation des exigences du système de surveillance de structure aéronautique, l’architecture générale du système de surveillance est décrite. Une couche physique spécifique à haute efficacité énergétique basée sur l’Impulse-Radio UltraWide Band a été conçue. Les designs complets de l’émetteur et du récepteur IR-UWB sont présentés ainsi que l'optimisation du codage canal par rapport à la consommation énergétique. Une couche MAC spécifique permettant un nombre important de nœuds et une efficacité énergétique élevée basée sur du TDMA reconfigurable a été conçue. Plusieurs prototypes ont été implémentés pour valider la conception et démontrer les performances. Ces implémentation utilise des techniques avancées d’optimisation de la consommation énergétique et de reconfigurabilité afin de répondre aux exigences des réseaux de capteurs sans-fil. Des simulations ASIC permettent également de prévoir que ce système permettra de supporter des débits applicatifs de plusieurs centaines de mégabits par seconde, tout en permettant à plusieurs dizaines de nœuds de communiquer. Les performances énergétiques de ce système de communication sont aujourd’hui à l’état de l’art. Enfin, cette technologie de communication sans-fil a été intégrée dans un système complet de deux nœuds capteurs et d’un routeur dans un démonstrateur FPGA / Wireless Sensor Networks (WSN) is an emerging technology which allows deploying wireless communicating autonomous heterogenous sensors. This monitoring capability paves the way for new innovative applications or breakthrough evolution of existing ones. WSN have started to change the industry and our daily lives. Their communication, energy, miniaturization and cost requirements cannot be met by evolutions of current technologies but will require new innovations.Among health, environment, industrial and military applications for WSN, one of the most revolutionary is Structural Health Monitoring (SHM). SHM is the art of monitoring anything which can wear, break down or be damaged. It is of utmost importance in safety sensitive domains such as the transport and construction industries.By placing sensors in carefully chosen locations, SHM will allow failure prediction, cost reduction and improved performance of bridges, planes, building or engines.The tens to thousands of sensors and the huge amount of data generated places a strong burden on the wireless communication of the nodes, which cannot be satisfied with today’s technology. This work presents the design and implementation works such a wireless communication system.Following a presentation of the context and requirement of this work, a general description of the SHM system is given. A specific highly energy efficient physical layer based on Impulse-Radio UltraWide Band (IR-UWB) has been designed.The complete IR-UWB transmitter and receiver are detailed, including the energy efficiency optimized channel coding. A specific Medium Access Control (MAC) layer allowing a large number of communicating nodes based on reconfigurableTime Division Multiple Access (TDMA) was designed. Several prototypes of this system have been implemented to prove feasibility and performance. These implementations employ advanced energy consumption reduction and reconfigurability techniques to answer WSN communication challenges. An ASIC implementation simulation has demonstrated hundreds of megabits per second data rate at state of the art energy efficiency

Les capteurs distribués qui font appel à des réseaux de Bragg inscrits dans des fibres optiques multicœurs sont de plus en plus utilisés pour mesurer différents paramètres physiques délocalisés. En utilisant l'information qui provient de chacun des cœurs de la fibre, il est possible de reconstruire sa forme tridimensionnelle, ce qui trouve actuellement de nombreuses applications innovantes, notamment en robotique et dans le domaine médical. Dans le cadre du programme Sentinelle Nord, le principal objectif de mon projet de maîtrise était de développer de tels capteurs pour le suivi des impacts du dégel du pergélisol dans les régions nordiques. Deux applications avaient initialement été ciblées. La première application consistait à mesurer la vitesse (et la direction) des écoulements d'eau souterraine qui jouent un rôle important dans la transmission de chaleur et qui doivent être considérés dans la modélisation numérique des processus physiques pour simuler la dynamique du pergélisol. La deuxième application consistait à suivre les tassements au dégel du pergélisol en reconstruisant le profil 3D d'un capteur à fibre optique qui y serait enfouie. Un modèle théorique de leur sensibilité à un écoulement d'eau a été développé et a permis de conclure que la vitesse des écoulements d'eau souterraine typiques était beaucoup trop faible pour être mesurée. Afin de s'attaquer à la seconde application, nous avons développé une nouvelle technologie de fibre multicœur où 3 fibres optiques ont été assemblées dans une préforme microstructurée en polycarbonate en l'étirant directement sur une tour à fibre. La caractérisation des réseaux de Bragg de cette fibre hybride verre-polymère a montré qu'elle est 7 fois plus sensible que les fibres optiques multicœurs traditionnelles. Les développements réalisés pour cette seconde application ont fait l'objet d'une publication d'un article scientifique dans le journal Optics Express. Dans le cadre de ce projet, et en parallèle à ces travaux, une méthode flexible d'inscription de réseaux de Bragg distribués sur une fibre optique avec un seul masque de phase uniforme a été développée. Grâce à cette méthode, une accordabilité record de 70 nm, soit plus de 15 fois supérieure à tout ce qui a été obtenu auparavant, a été atteinte. / Fiber Bragg gratings distributed sensors in multicore fibers are gaining popularity for remote sensing of physical parameters. By measuring the information from each of its cores, its shape can be reconstructed which has numerous novel applications in robotic and the medical field. As part of the Sentinel North program, the principal goal of my research project was to develop such distributed sensors to monitor the impacts of permafrost degradation in Northern Quebec. Two applications were targeted : 1) the measurement of groundwater flow and its direction which play a major role in heat transfer and need to be considered in numerical modelling of permafrost dynamics and 2) the monitoring of thaw settlement of degrading ice rich permafrost using buried optical fiber with distributed fiber Bragg gratings. A theoretical model of the sensitivity of these sensors to measure groundwater flow was developed and led to the conclusion that the groundwater flow is too small to be detected with a multicore fiber. For the second application, a novel multicore fiber was developed where 3 optical fibers are assembled inside a microstructured polycarbonate preform by drawing it on a draw tower. The characterization of the resulting hybrid glass-polymer multicore fiber showed a sensitivity 7 times higher than standard multicore fibers. These findings were published in the journal Optics Express. In this research project, at the same time, a flexible method to write distributed arrays of fiber Bragg gratings with a single uniform phase mask was developed. A 70 nm accordability, which is more than 15 times higher than anything previously reported, was achieved with this method.

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données.

Au cours des dernières années, les réseaux de capteurs ont été de plus en plus utilisés dans différents contextes d’application allant de la surveillance de l’environnement au suivi des objets en mouvement, au développement des villes intelligentes et aux systèmes de transport intelligent, etc. Un réseau de capteurs est généralement constitué de nombreux dispositifs sans fil déployés dans une région d'intérêt. Une question fondamentale dans un réseau de capteurs est l'optimisation de sa couverture spatiale. La complexité de l'environnement de détection avec la présence de divers obstacles empêche la couverture optimale de plusieurs zones. Par conséquent, la position du capteur affecte la façon dont une région est couverte ainsi que le coût de construction du réseau. Pour un déploiement efficace d'un réseau de capteurs, plusieurs algorithmes d'optimisation ont été développés et appliqués au cours des dernières années. La plupart de ces algorithmes reposent souvent sur des modèles de capteurs et de réseaux simplifiés. En outre, ils ne considèrent pas certaines informations spatiales de l'environnement comme les modèles numériques de terrain, les infrastructures construites humaines et la présence de divers obstacles dans le processus d'optimisation. L'objectif global de cette thèse est d'améliorer les processus de déploiement des capteurs en intégrant des informations et des connaissances géospatiales dans les algorithmes d'optimisation. Pour ce faire, trois objectifs spécifiques sont définis. Tout d'abord, un cadre conceptuel est développé pour l'intégration de l'information contextuelle dans les processus de déploiement des réseaux de capteurs. Ensuite, sur la base du cadre proposé, un algorithme d'optimisation sensible au contexte local est développé. L'approche élargie est un algorithme local générique pour le déploiement du capteur qui a la capacité de prendre en considération de l'information spatiale, temporelle et thématique dans différents contextes d'applications. Ensuite, l'analyse de l'évaluation de la précision et de la propagation d'erreurs est effectuée afin de déterminer l'impact de l'exactitude des informations contextuelles sur la méthode d'optimisation du réseau de capteurs proposée. Dans cette thèse, l'information contextuelle a été intégrée aux méthodes d'optimisation locales pour le déploiement de réseaux de capteurs. L'algorithme développé est basé sur le diagramme de Voronoï pour la modélisation et la représentation de la structure géométrique des réseaux de capteurs. Dans l'approche proposée, les capteurs change leur emplacement en fonction des informations contextuelles locales (l'environnement physique, les informations de réseau et les caractéristiques des capteurs) visant à améliorer la couverture du réseau. La méthode proposée est implémentée dans MATLAB et est testée avec plusieurs jeux de données obtenus à partir des bases de données spatiales de la ville de Québec. Les résultats obtenus à partir de différentes études de cas montrent l'efficacité de notre approche. / In recent years, sensor networks have been increasingly used for different applications ranging from environmental monitoring, tracking of moving objects, development of smart cities and smart transportation system, etc. A sensor network usually consists of numerous wireless devices deployed in a region of interest. A fundamental issue in a sensor network is the optimization of its spatial coverage. The complexity of the sensing environment with the presence of diverse obstacles results in several uncovered areas. Consequently, sensor placement affects how well a region is covered by sensors as well as the cost for constructing the network. For efficient deployment of a sensor network, several optimization algorithms are developed and applied in recent years. Most of these algorithms often rely on oversimplified sensor and network models. In addition, they do not consider spatial environmental information such as terrain models, human built infrastructures, and the presence of diverse obstacles in the optimization process. The global objective of this thesis is to improve sensor deployment processes by integrating geospatial information and knowledge in optimization algorithms. To achieve this objective three specific objectives are defined. First, a conceptual framework is developed for the integration of contextual information in sensor network deployment processes. Then, a local context-aware optimization algorithm is developed based on the proposed framework. The extended approach is a generic local algorithm for sensor deployment, which accepts spatial, temporal, and thematic contextual information in different situations. Next, an accuracy assessment and error propagation analysis is conducted to determine the impact of the accuracy of contextual information on the proposed sensor network optimization method. In this thesis, the contextual information has been integrated in to the local optimization methods for sensor network deployment. The extended algorithm is developed based on point Voronoi diagram in order to represent geometrical structure of sensor networks. In the proposed approach sensors change their location based on local contextual information (physical environment, network information and sensor characteristics) aiming to enhance the network coverage. The proposed method is implemented in MATLAB and tested with several data sets obtained from Quebec City spatial database. Obtained results from different case studies show the effectiveness of our approach.

Les changements climatiques affectent grandement le climat partout sur la planète, mais plus particulièrement dans les zones nordiques, là où le pergélisol dégèle tranquillement. Les chercheurs tentent donc de suivre ces changements dans les zones à l'aide de collecteurs échantillonnant et sauvegardant les données. Cependant, la récupération de ces données est très coûteuse en déplacement et en temps étant donné l'isolement des villages où ces collecteurs se situent. Les réseaux sans fil de nœuds de capteurs sont une solution à ce problème. L'idée est donc de faire parvenir ces données automatiquement aux chercheurs en utilisant des moyens de communication. En 2017, un premier réseau sans fil de nœuds de capteurs a été installé dans le village de Salluit, au nord du Québec en utilisant des stations de collecte déjà existantes. Celui-ci a connu plusieurs problèmes de transfert des données et de collecte depuis son déploiement. Dans ce mémoire, nous examinons ces problèmes. Leurs causes ont été difficiles à déterminer puisque la conception des nœuds de collectes ne permet pas un bon suivi de l'état des nœuds. Les causes des problèmes ont tout de même été déterminées, mais sans certitude, ce qui est en soi un problème. C'est donc ce dernier problème qui nous a menés à proposer une architecture différente permettant de mieux diagnostiquer les problèmes des nœuds de collecte. Cette architecture déplace différentes fonctions effectuées par le collecteur dans le réseau de Salluit vers l'interface sans fil pour permettre un diagnostic plus individualisé de l'interface sans fil et du collecteur. Ce mémoire commence donc par détailler le fonctionnement des réseaux de collecte de données. Par la suite, il présente les installations de Salluit et procède à une analyse des capacités énergétiques des nœuds de collecte du réseau. Ensuite, il propose une architecture permettant de répondre aux lacunes du réseau de Salluit. Puis, le mémoire détaille une implémentation du nœud de collecte de cette architecture proposée. / Climate change greatly affects the climate all over the planet, but especially in northern areas, where permafrost is slowly thawing. Researchers are therefore trying to track changes in these areas using sampling sensors and saving the data locally. However, retrieving this data is very costly in travel and time given the isolation of the villages where these sensors are located. Wireless networks of sensor nodes are a possible solution to this problem. The idea is therefore to send this data automatically to researchers at Université Laval. In 2017, a first wireless network of sensor nodes was installed in the village of Salluit, in Northern Quebec, using already existing collection stations. The installation experienced several data transfer and collection issues since its deployment. In this thesis, we examine these failures in connectivity. Their origins have been difficult to determine since the nodes does not allow good monitoring of their state. This led to some uncertainty in our determination of all causes of failure. For this reason, we also propose a new architecture to better diagnose any future problems of the sensor nodes. This architecture shifts various functions currently performed by the sensor in Salluit's network to the wireless interface to allow more individualized diagnosis of the wireless interface and the sensor. This thesis therefore begins by detailing the operation of data collection networks. It then presents the Salluit facilities and analyze the energy capacities of the network's collection nodes. Thereafter, it proposes an architecture able to respond to the shortcomings of the Salluit network. Then, the thesis details an implementation of the collection node of this proposed architecture.

Les dépenses de santé augmentent continuellement année après année et prennent une grande partie du budget d’un pays. Pendant les soins médicaux, les signes vitaux, tels que le rythme cardiaque et la respiration, sont des paramètres clés qui sont surveillés en permanence. La toux est un indicateur important de plusieurs problèmes comme la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC), et c’est aussi la principale raison pour laquelle les patients consultent un médecin. En fait, c’est un mécanisme de défense pulmonaire des voies respiratoires qui permet l’expulsion de substances indésirables et irritantes. Les capteurs de corps sans fil sont de plus en plus utilisés par les cliniciens et les chercheurs, dans un large éventail d’applications telles que le sport, l’ingénierie spatiale et la médecine. La surveillance des signes vitaux en temps réel peut considérablement augmenter la précision du diagnostic et peut permettre des méthodes de guérison automatiques, par exemple, la détection et l’arrêt des crises d’épilepsie ou de narcolepsie. Les paramètres respiratoires sont essentiels en oxygénothérapie, en milieu hospitalier et en surveillance ambulatoire, tandis que l’évaluation de la sévérité de la toux est essentielle pour traiter plusieurs maladies, comme la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Dans cette thèse, un système de surveillance respiratoire sans fil de faible puissance avec détection de la toux est présenté. Ce système utilise des capteurs multimodaux, portables et sans-fils, conçus à l’aide de composants conventionnels disponibles dans le commerce. Ces capteurs portables utilisent une unité de mesure inertielle à 9 axes de faible puissance pour mesurer la fréquence respiratoire, et un microphone MEMS pour effectuer la détection de la toux. L’architecture de chaque capteur sans fil est présentée. De plus, les résultats montrent que le capteur à petite taille de 26,67 x 65,53 mm² consomme environ 12 à 16,2 mA et peut durer au moins 6 heures avec une batterie lithium-ion miniature de 100 mA. L’unité d’acquisition, l’unité de communication sans fil et les algorithmes de traitement de données sont décrits. Les performances du réseau de capteurs sont présentées pour des tests expérimentaux en comparant avec la pléthysmographie d’inductance respiratoire. / Health care expenses are continuously increasing year after year and taking a large part of a country’s budget. During medical care, vital signs, such as heart and breathing rates, are key parameters that are continuously monitored. Coughing is a prominent indicator of several problems such as COPD, and it is also the main reason for why patients seek medical advice. In fact, it is a pulmonary defense mechanism of the respiratory tract that allows the expulsion of undesirable and irritating substances. Wireless body sensors are increasingly used by clinicians and researchers, in a wide range of applications such as sports, space engineering and medicine. Monitoring vital signs in real time can dramatically increase diagnosis accuracy and enable automatic curing procedures, e.g. detect and stop epilepsy or narcolepsy seizures. Breathing parameters are critical in oxygen therapy, hospital and ambulatory monitoring, while the assessment of cough severity is essential when dealing with several diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD). In this thesis, a low-power wireless respiratory monitoring system with cough detection is proposed to measure the breathing rate and the frequency of coughing. This system uses wearable wireless multimodal patch sensors, designed using off the shelf components. These wearable sensors use a low-power 9-axis inertial measurement unit to measure the respiratory frequency, and a MEMs microphone to perform cough detection. The architecture of each wireless patch-sensor is presented. In fact, the results show that the small 26.67 x 65.53 mm² patch-sensor consumes around 12 to 16.2 mA, and can last at least 6 hours with a miniature 100 mA lithium ion battery. The acquisition unit, the wireless communication unit and the data processing algorithms are described. The proposed network performance is presented for experimental tests with a freely behaving user in parallel with the gold standard respiratory inductance plethysmography

La présente thèse propose un système complet de placement de capteurs mobiles dans un environnement pleinement tridimensionnel et préalablement inconnu. Les capteurs mobiles sont des capteurs placés sur des unités robotiques autonomes, soit des véhicules possédant une unité de calcul et pouvant se déplacer dans l’environnement. Le placement de capteur est fondé sur une vue désirée par un utilisateur du système nommé vue virtuelle. La vue virtuelle est contrôlée à distance en changeant les paramètres intrinsèques et extrinsèques du capteur virtuel, soit sa position, sa résolution, son champ de vue, etc. Le capteur virtuel n’est alors soumis à aucune contrainte physique, par exemple il peut être placé à n’importe quelle hauteur dans l’environnement et avoir un champ de vue et une résolution arbitrairement grande. Les capteurs mobiles (réels) ont pour tâche de récupérer toute l’information contenue dans le point de vue virtuel. Ce n’est qu’en combinant leur capacité sensorielle que les capteurs mobiles pourront capter l’information demandée par l’utilisateur. Tout d’abord, cette thèse s’attaque au problème de placement de capteurs en définissant une fonction de visibilité servant à évaluer le positionnement d’un groupe de capteurs dans l’environnement. La fonction de visibilité développée est applicable aux environnements tridimensionnels et se base sur le principe de ligne de vue directe entre un capteur et la cible. De plus, la fonction prend en compte la densité d’échantillonnage des capteurs afin de reproduire la densité désirée indiquée par le capteur virtuel. Ensuite, ce travail propose l’utilisation d’un modèle de l’environnement pleinement tridimensionnel et pouvant être construit de manière incrémentale, rendant son utilisation possible dans un environnement tridimensionnel non convexe préalablement inconnu. Puis, un algorithme d’optimisation coopératif est présenté afin de trouver simultanément le nombre de capteurs et leur positionnement respectif afin d’acquérir l’information contenue dans la vue virtuelle. Finalement, la thèse démontre expérimentalement dans diverses conditions que le système proposé est supérieur à l’état de l’art pour le placement de capteurs dans le but d’observer une scène bidimensionnelle. Il est aussi établi expérimentalement en simulation et en réalité que les performances se transposent à l’observation d’environnements tridimensionnels non convexes préalablement inconnus. / This Thesis proposes a novel mobile sensor placement system working in initially unknown three dimensional environment. The mobile sensors are fix sensors placed on autonomous robots, which are ground and aerial vehicles equipped with computing units. The sensor placement is based on a user-defined view, named the virtual view. This view is manipulated through a virtual sensor intrinsic and extrinsic parameters, such as its position, orientation, field of view, resolution, etc. The virtual sensor is not subject to any physical constraint, for example it can be place where no sensor could be or it possess an arbitrary large field of view and resolution. The mobile (real) sensors have to acquire the entire information contained in this virtual view. It is only by combining the sensory capacity of an unknown number of sensors that they can acquire the necessary information. First, this Thesis addresses the sensor placement problem by defining a visibility function to qualify a group of sensor configurations in the environment. This function is applicable to three dimensional environments and is based on direct line of sight principle, where we compute the sensor sampling density in its visibility region. Then, this Thesis proposes the use of an incrementally built model of the environment containing all the information needed by the objective function. Next, a cooperative optimization algorithm is put forward to simultaneously find the number of sensors and their respective position required to capture all the information in the virtual view. Finally, the proposed system is experimentally shown to use less sensor to acquire the scene of interest at a higher resolution than state of the art methods in initially known two dimensional environments. It is also shown in simulation and practice that the performance of the system can be transposed to initially unknown non-convex three dimensional environments.

Pour suivre les effets du changement climatique et aider à la compréhension et la capacité de prédiction, des capteurs ont été installés dans le nord du Québec. Salluit à Nunavik est parmi les villages où un ensemble de capteurs a été installé. Cependant, la collecte de ces données est manuellement effectuée une fois par an par des scientifiques. Étant donné l’importance de ces informations, le chantier 1.5 du projet Sentinelle Nord vise à mesurer, enregistrer, et envoyer les données en temps réel. Notre projet a d’abord pour but l’installation d’un réseau sans fil permettant aux capteurs de transmettre les données tout au long de l’année, pour anticiper les risques et dommages. La conception du projet a été lancée en 2016 et les premiers travaux ont eu lieu en été 2017. Après une collecte de données réussie pendant les premiers mois suivants l’installation, des problèmes de réseau LTE sont survenus. La connexion LTE n’étant point fiable, les capteurs n’ont été visibles de l’université qu’entre 5 et 9% du temps, avant une perte totale du signal LTE à partir du mois de janvier 2017. Les conditions environnementales et météorologiques de la région ont confirmé les défis rencontrés de tels systèmes de collecte de données sans fil. Dans ce mémoire, nous détaillons les étapes prises pour déployer un tel réseau de capteurs dans des conditions extrêmes et inconnues. Nous expliquons aussi les défis, les problèmes et les limitations rencontrés lors du projet et donnons des recommandations et améliorations pour le futur. / To monitor the effects of climate change and to help the understanding and predictability, sensors have been installed in northern Québec. Salluit in Nunavik is among the villages of which a set of sensors has been installed. However, the collection of this data is manually done once a year by scientists. Given the importance of this information, Sentinel North project site 1.5 aims to measure, record, and send data in real time. Our project is primarily aimed at installing a wireless network that allows sensors to transmit data throughout the year, to anticipate risks and damages. The project design was launched in 2016, and the first work took place in summer 2017. After a successful data collection during the first months after installation, LTE network problems have occurred. Since the LTE connection is not reliable, the sensors were only visible from the university between 5% and 9% of the time, before a total loss of the LTE signal starting in January 2017. Environmental and meteorological conditions of the region have confirmed the challenges faced by such a system of wireless data collection. In this thesis, we detail the steps taken to deploy such a sensor network under extreme and unknown conditions. We also explain the challenges, problems and limitations encountered during the project and give recommendations and improvement for the future.

Le système proposé dans le cadre de ce travail est une plate-forme de capteurs sans fil permettant de mesurer la croissance de cultures de micro-organismes dans leur habitat naturel tout en effectuant diverses mesures environnementales. L’évaluation de la croissance des micro-organismes dans les 96 puits individuels du système est réalisée à l’aide d’un système de mesure d’impédance puisqu’il est possible de relier l’impédance d’une colonie de microorganismes à sa population en fonction du temps. Ces différentes informations sont très utiles afin d’évaluer l’état de santé d’un milieu donné et en particulier d’un milieu nordique pour ce projet. Les mesures d’impédance effectuées permettent d’identifier les puits où une croissance s’est produit et donc de les isoler plus facilement pour analyse future, ce qui simplifie le processus. Ce système effectue des mesures à intervalles régulier et peut transmettre ces mesures par un système de communication sans fil à un récepteur proche en plus de sauvegarder localement les données. Le système présente une consommation électrique très faible ce qui lui permet une autonomie de plusieurs mois avec une batterie dans des régions isolées. La conception en plusieurs puits de culture permet d’isoler plusieurs échantillons et de prendre des mesures séparées sur chacun de ceux-ci. Le projet est effectué dans le cadre de la stratégie Sentinelle Nord de l’Université Laval qui vise à améliorer la compréhension de l’environnement nordique. Le système proposé est unique en son genre au moment d’écrire ce mémoire puisqu’il permet simultanément la culture de micro-organismes in situ et l’évaluation de la croissance de ces derniers. La plate-forme proposée offre ainsi plusieurs opportunités pour les chercheurs en biologie et en microbiologie d’obtenir des informations sur ces milieux isolés. Des essais sur le terrain dans la région du Nord-du-Québec à Kuujjuarapik et au Lac à l’Eau Claire ont d’ailleurs permis de valider le fonctionnement du dispositif dans les conditions d’utilisations désirées en plus de démontrer, suite à une analyse du contenu des puits de culture, qu’il est possible de faire prospérer des micro-organismes dans ces derniers. / The proposed system consist of a wireless multi-sensors platform that can measure the growth of multiples microorganism populations inside their natural habitat while also measuring various environmental parameters. An impedance measuring circuit is used to evaluate the growth of the microorganisms inside the 96 culture wells of the EcoChip. This method is used since the impedance of these colonies is directly related to the number of microorganisms in the growth medium. These impedance measurements over time are then used to evaluate if microbial growth is normal and this can be used to give an idea of the overall health state of a given environment, which for this project is a nordic one. These impedance measurements are also used to produce growth curves that can be used to isolate wells inside which there was an increase in microorganism concentration and then easily screen them for further analyses. The designed system is programmed to scan the culture wells at regular intervals and to transmit the results to a nearby base station via a wireless link. These data are also saved on the on-board memory to ensure that they can be recovered later when there are no nearby receivers. The multi-well conception of the system also allows to isolate multiple samples and to conduct individual measurements on each of them. Since the platform is autonomous and is powered with a battery, it is designed to have a very low power consumption which allows for a long lifetime while in an isolated location. This project is done as part of the Sentinel Nord Strategy of Université Laval which aims to improve our understanding of the northern environment. At the time of the redaction of this thesis, the proposed system is unique in its kind since it allows the culture of microorganisms in situ and the evaluation of the culture growth with an electronic system while in the wild. The platform offers many opportunities for scientists in biology and microbiology since it enables them to obtain information on various isolated places where environmental data and microorganism samples can be hard to get. Field tests at Kuujjuarapik and Clearwater Lake (Nord-du-Québec) with the device have proven that the system allows the growth of microorganism colonies in its wells while conducting successful impedance analyses.