Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Réseaux de capteurs (technologie) – Applications industrielles“

Le vieillissement de la population mondiale conduit à une augmentation des maladies liées à la vieillesse, aggravant la fragilité et donc réduisant l’autonomie des personnes âgées. Les réseaux de capteurs corporels sans fil font partie des solutions étudiées depuis plusieurs années pour surveiller et ainsi prévenir la santé des personnes âgées. La plupart des dispositifs existants proposent des communications sans fil basées sur des technologies radio fréquences (RF). Cependant les interférences électromagnétiques et les risques pour la santé des ondes radio constituent un frein au déploiement. Ainsi, une alternative originale dans ce contexte est l'utilisation des technologies de communication optique sans fil.L’équipe Sycomor du laboratoire XLIM travaille depuis plusieurs années sur cette technologie, en particulier la modélisation du canal et l’évaluation des performances pour les réseaux de capteurs corporels et collabore sur le sujet avec le laboratoire HAVAE de l’Université de Limoges, le CHU de Limoges, La Fondation partenariale de l’université et le centre de transfert de technologie CISTEME sur différents volets applicatifs. Parmi les applications, on retrouve les environnements où les ondes radios sont à limiter, principalement pour des raisons de santé ou de sécurité des informations transmises. Les ondes radios sont déconseillées pour les nourrissons et peuvent poser des problèmes de compatibilité et d’interférence pour des personnes portant des dispositifs électroniques implantés. Ainsi, les travaux menés par l’équipe portent aussi bien sur la surveillance du jeune enfant que sur celle de la personne âgée ou fragile.

Le travail presente dans ce memoire a pour but l'etude, la conception et la realisation d'un radar ultrasonore. Son principe est base sur celui des reseaux ultrasonores, que nous avons developpe en utilisant un modele simple pour simuler le fonctionnement d'un des emetteurs. Un reseau lineaire constitue de 16 emetteurs tangents, nous a permis de repondre a certaines specifications du radar grande portee (10m), resolution laterale fine de quelques degres. Le radar ainsi constitue possede cependant un faible champ de vision 8. L'utilisation d'une ponderation en amplitude a l'emission, qui a pour effet principal d'eliminer pratiquement l'influence des lobes secondaires nous a permis d'accroitre ce champ de vision a 14. Cette valeur reste cependant relativement faible en l'absence du balayage mecanique. Nous avons finalement resolu ce probleme en disposant les 16 emetteurs sur le bord d'une couronne de rayon adequat. Le champ pratique de vision obtenu a alors ete de 40 par rapport a la bissectrice de la couronne utilisee et differents obstacles de formes et matieres diverses ont pu etre parfaitement reperes par notre systeme. En conclusion nous avons realise un radar ultrasonore de grande portee de resolution laterale voisine de 2 et possedant un large champ de vision (80). Il est de faible cout, il utilise des emetteurs courants et peut servir au guidage des robots mobiles

Certaines applications industrielles nécessitent des délais de collecte déterministes et bornés, nous nous concentrons sur l'allocation conjointe de slots temporels et de canaux sans conflit qui minimisent la durée de collecte. Cette allocation permet aux noeuds de dormir dans n'importe quel slot où ils ne sont pas impliqués dans des transmissions. Nous calculons le nombre minimal de slots temporels nécessaire pour compléter la collecte de données brute pour un puits équipé de plusieurs interfaces radio et des demandes de trafic hétérogènes. Nous donnons également des ordonnancements optimaux qui permettent d'atteindre ces bornes optimales. Nous proposons ensuite MODESA, un algorithme centralisé d'allocation conjointe de slots et de canaux. Nous montrons l'optimalité de MODESA dans des topologies particulières. Par les simulations, nous montrons que MODESA surpasse TMCP , un ordonnancement centralisé à base de sous-arbre. Nous améliorons MODESA avec différentes stratégies d'allocation de canaux. En outre , nous montrons que le recours à un routage multi-chemins réduit le délai de collecte.Néanmoins, l'allocation conjointe de slot et de canaux doit être capable de s'adapter aux changements des demandes des noeuds (des alarmes, des demandes de trafic supplémentaires temporaires). Nous proposons AMSA , une solution d'assignation conjointe de slots et de canaux basée sur une technique incrémentale. Pour aborder la question du passage à l'échelle, nous proposons, WAVE , une solution d'allocation conjointe de slots et de canaux qui fonctionne en mode centralisé ou distribué. Nous montrons l'équivalence des ordonnancements fournis par les deux modes
Some industrial applications require deterministic and bounded gathering delays. We focus on the joint time slots and channel assignment that minimizes the time of data collection and provides conflict-free schedules. This assignment allows nodes to sleep in any slot where they are not involved in transmissions. Hence, these schedules save the energy budjet of sensors. We calculate the minimum number of time slots needed to complete raw data convergecast for a sink equipped with multiple radio interfaces and heterogeneous nodes traffic. We also give optimal schedules that achieve the optimal bounds. We then propose MODESA, a centralized joint slots and channels assignment algorithm. We prove the optimality of MODESA in specific topologies. Through simulations, we show that MODESA is better than TMCP, a centralized subtree based scheduling algorithm. We improve MODESA with different strategies for channels allocation. In addition, we show that the use of a multi-path routing reduces the time of data collection .Nevertheless, the joint time slot and channels assignment must be able to adapt to changing traffic demands of the nodes (alarms, additional requests for temporary traffic) . We propose AMSA , an adaptive joint time slots and channel assignment based on incremental technical solution. To address the issue of scalability, we propose, WAVE, a distributed scheduling algorithm for convergecat that operates in centralized or distributed mode. We show the equivalence of schedules provided by the two modes

Les reseaux de capteurs a fibre optique sont particulierement avantageux pour des applications dans des milieux explosifs tels que les sites de production et de stockage et les installations de transport gaziers et petroliers. Jusqu'a present, la detection de gaz par voie optique est dans la majorite des cas realisee par spectroscopie d'absorption. Les capteurs extrinseques utilisant cette technique presentent des pertes d'insertion importantes, ce qui limite leur utilisation sur des grandes distances. Cette these etudie une autre technique utilisant un polymere specifique dont l'indice de refraction varie en presence de gaz hydrocarbures. La gaine optique de la fibre est remplacee par ce polymere. Les capteurs intrinseques comportant un miroir fibre ou un reseau de bragg faiblement reflectif sont interroges par reflectometre optique temporel (otdr). Le rapport contient des simulations numeriques, des details sur la fabrication et des resultats experimentaux concernant le comportement des capteurs et du reseau de capteurs ainsi realises

En fonction de leur application, les réseaux ad hoc de capteurs peuvent être composés d’un nombre plus ou moins important de nœuds avec des contraintes sur leur taille, coûts, consommation énergétique et par corollaire sur tout un ensemble d’autres paramètres. Ces contraintes caractéristiques se traduisent par le besoin d’une utilisation de méthodes distribuées d’auto-organisation et de traitement des données. En particulier, la classe des algorithmes de consensus de moyenne (ACM) initialement conçue pour le calcul de la valeur moyenne d’un jeu de paramètres distribués, est une brique de base amenée à jouer un rôle important pour des protocoles/algorithmes applicatifs complexes. L’objectif de cette thèse est de fournir des éléments d’amélioration et d’application de cette catégorie d’algorithme. La thèse s’est focalisée dans un premier temps sur des méthodes de caractérisation et d’optimisation des ACM de l’état de l’art. Dans un second temps, deux nouveaux algorithmes sont proposés afin de réduire le coût énergétique. Le premier se place dans un cadre d’estimation et vise à prendre en compte de nouvelles informations plus rapidement. Le second permet d’utiliser la nature diffusante du canal radio et présente l’avantage de ne pas nécessiter de mécanismes contrôle (acquittements). Enfin, des applications à la synchronisation fine d’horloge (couche physique) et à la cartographie paramétrique (couche application) sont décrites et apportent une concrétisation du besoin
Depending on their applications, sensor networks may be composed of a varying number of nodes having severe constraints on their size, cost, energetic consumption, and as a consequence on a large set of related parameters. These characteristics involve the need of distributed methods for organization and data processing. In particular, the class of average consensus algorithms (ACA), initially designed for computing the empirical mean of a set of input parameters, is a building block which is about to play an important role for complex applicative algorithms/protocols. The goal of this thesis is to provide elements for improving this category of algorithms, and validating them on some applications. In a first time, it focuses on characterization and optimization methods applied to ACA from the state of the art. Then, two new algorithms are proposed in order to reduce the energetic cost. The first one takes place in an estimation framework and aims at taking quickly account of fresh information. The second algorithm focuses on reducing the communication cost by exploiting the diffusive nature of wireless communications and requiring no transmission control mechanism (such as acknowledgements or synchronization). To finish with, applications to fine synchronization of clocks (physical layer) and to parametric cartography (application layer) are given

Cette thèse est composée de deux parties. La première partie utilise l’analyse stochastique pour fournir des bornes pour la probabilité de surcharge de différents systèmes grâce aux inégalités de concentration. Bien qu’ils soient généraux, nous appliquons ces résultats à des réseaux sans-fil réels tels que le WiMax et le traffic utilisateur multi-classe dans un système OFDMA. Dans la seconde partie, nous trouvons des liens entre la topologie de la couverture dans un réseau de capteur et celle du complexe simplicial correspondant. Cette analogie met en valeur de nouvelles facettes des certains objets mathématiques comme les nombres de Betti, le nombre de k-simplexes, et la caractéristique d’Euler. Puis, nous utilisons conjointement la topologie algébrique et l’analyse stochastique, en considérant que les positions des capteurs sont une réalisation d’un processus ponctuel de Poisson. Nous en déduisons les statistiques du nombre de k-simplexe et de la caractéristique d’Euler, ainsi que des bornes supérieures pour la distribution des nombres de Betti, le tout en d dimen- sions. Nous démontrons aussi que le nombre de k-simplexes converge vers une distribution Gaussienne quand la densité de capteurs tend vers l’infini à une vitesse de convergence connue. Enfin, nous nous limitons au cas unidimensionnel. Dans ce cas, le problème devient équivalent à résoudre une file M/M/1/1 préemptive. Nous obtenons ainsi des résultats analytiques pour des quantités telles que la distribution du nombre de composantes connexes et la probabilité de couverture totale
This thesis has two main parts. Part I uses stochastic anlysis to provide bounds for the overload probability of different systems thanks to concentration inequalities. Although the results are general, we apply them to real wireless network systems such as WiMax and mutliclass user traffic in an OFDMA system. In part I I, we find more connections between the topology of the coverage of a sensor network and the topology of its corresponding simplicial complex. These connections highlight new aspects of Betti numbers, the number of k-simplices, and Euler characteristic. Then, we use algebraic topology in conjunction with stochastic analysis, after assuming that the positions of the sensors are points of a Point point process. As a consequence we obtain, in d dimensions, the statistics of the number of k-simplices and of Euler characteristic, as well as upper bounds for the distribution of Betti numbers. We also prove that the number of k-simplices tends to a Gaussian distribution as the density of sensors grows, and we specify the convergence rate. Finally, we restrict ourselves to one dimension. In this case, the problem becomes equivalent to solving a M/M/1/1 preemptive queue. We obtain analytical results for quantites such as the distribution of the number of connected components and the probability of complete coverage

La mesure par radiometrie microonde de la temperature d'un corps dissipatif donne une mesure volumique, non invasive et non destructive. L'etude porte sur la caracterisation des systemes de mesure (radiometre - capteur), sur la conception d'antennes-capteurs specifiques et sur la reconstruction de profils thermiques. Deux applications sont abordees. Nous rappelons le principe de fonctionnement des radiometres a une reference interne de temperature et a deux references internes de temperature. Une caracterisation approfondie de ce dernier est presentee. Des mesures de temperature, avec et sans contact, de milieux faiblement et fortement emissifs ont permis d'estimer la sensibilite du systeme et les fluctuations de la temperature radiometrique. Un procede simple de prise en compte d'un cable supplementaire est propose. La deuxieme partie porte sur une etude de faisabilite du controle de la temperature interne des nouveau-nes places en incubateur. Apres la conception de capteurs preliminaires, trois capteurs specifiques ont ete developpes et testes sur milieu fantome en laboratoire. Quelques essais en incubateur, sur milieu fantome, ont permis de completer ce travail. Il est maintenant envisage de tester les capteurs en situation reelle. La troisieme partie porte sur la determination de la temperature au sein d'un ecoulement de polymeres en phase d'extrusion. Un capteur optimise associe a un radiometre de premiere generation a ete developpe et teste en site industriel, sur extrudeuse. Un logiciel base sur un modele unidimensionnel, a ete developpe et a permis de reconstruire le profil thermique au sein du polymere. Le capteur et le nouveau radiometre ont ete testes en laboratoire et les resultats mettent en evidence l'interet de l'utilisation de ce systeme. Les performances du nouveau radiometre associe a un capteur adequat permettent actuellement de repondre efficacement a de nombreux problemes de controle de temperature, tant dans le domaine medical qu'industriel.

Les réseaux de capteurs sans fil apparaissent comme une des technologies majeures du 21éme siècle. Auto-organisés, ces appareillages à faible coût, et de faible capacité, permettent l'acquisition, le traitement, le routage et la dissémination de données contextuelles (e. G. , température ambiante, humidité, accélération) à des applications tierces. Ces capteurs supportent ainsi un déploiement sur le terrain de manière aléatoire et dense. Equipés de ces capacités de surveillance d'environnements physiques, les réseaux de capteurs sans fil sont très profitables aux applications industrielles, et ce dans de nombreux domaines métiers (e. G. , militaire, santé, agriculture). Ils confèrent aux applicatifs une aide précieuse pour leur optimisation fonctionnelle, mais également dans la prise de décision pour l'utilisateur final. De ce fait, les réseaux de capteurs sont un excellent médiateur entre le monde physique et le monde informatique. Cependant, et malgré l'intérêt croissant des industriels, il existe encore un fossé technique entre ces deux mondes. Dans cette thèse, nous tendons a combler ce fossé par une intégration sécurisée et fiable des réseaux de capteurs sans fil dans des applications industrielles. Or cette intégration soulève de nombreux défi s techniques et de sécurité. Ainsi, nous mettons en oeuvre une couche de médiation logicielle entre les réseaux de capteurs et les applicatifs. Notre objectif ici est de répondre aux attentes techniques concernant le traitement et la persistance de l'information. De plus, nous proposons un mécanisme de contrôle d'accès pour les données des capteurs. En fin nous enrichissons notre couche de médiation d'un mécanisme d'évaluation de confiance des informations en provenance des capteurs, de leur production jusqu'à leur réception par les applications tierces
Sensor networks appear to be one of the technologies of the 21st century. Empowered with short wireless communication capabilities, wireless sensor networks (WSNs) leverage traditional sensor networks by enabling random and dense deployment of smart and low-resource devices in different physical areas (e. G. Battle field, body). Self-organized, wireless network are composed of low-cost, low-power and heterogeneous sensor devices, which are capable of sensing, processing, routing and disseminating data towards special sensor nodes so-called sinks or gateways. Empowered with monitoring capabilities, WSNs are highly pro table for applications from different domains (e. G. Defense, healthcare, traffic control). To that respect, WSNs raise the awareness of business applications. Therefore, WSNs support them in their functional optimization and in the reduction of response time in decision making. Nevertheless, and despite of the interest of industrials, there is still a technical and security gap between business applications and WSN systems. The main contribution of this thesis lies in the integration of wireless sensor networks into business applications in a secure and trusted way. Hence the use of sensor data within business application comes along with strong security and trust requirements from industrials. In order to full technical requirements, we design a mediation layer between WSNs and business applications underlying mechanisms for acquisition, processing, persistence and delivery of sensor data. We enrich our mediation layers with two security and trust mechanisms tting resource restrictions on nodes. We propose a security mechanism for efficient access control to sensor data, and a trust mechanisms for the assessment of sensor data from their production on the nodes, to their delivery to business applications

Dans le domaine des systèmes embarqués, les contraintes sont souvent liées à l’encombrement du dispositif et à l’énergie consommée par celui-ci. Les applications embarquées sont de plus en plus sensibles à la consommation d’énergie. De celle-ci dépend bien sûr l’autonomie de l’application, mais aussi les performances que l’on peut en attendre. Dès lors, la conception sous contraintes de consommation de systèmes embarqués représente un enjeu essentiel, et la prise en compte des contraintes de consommation d’énergie doit intervenir dès les premières étapes de spécification et de conception d’un produit. Les travaux de cette thèse se placent dans le domaine des réseaux de capteurs, pour lesquels il est nécessaire de définir des stratégies innovantes de conception afin de respecter les contraintes d’embarquabilité. Notre objectif est de contribuer à la définition de modèles et de méthodes pour l’aide à la conception des architectures logicielles et matérielles de systèmes embarqués en tenant compte de contraintes de consommation d’énergie. Les modèles proposés serviront à la simulation mais aussi au dimensionnement des architectures des systèmes
In the field of embedded systems, constraints are often related to the size and energy. Embedded applications are becoming more sensitive to energy consumption. In fact, this latter depends on the autonomy of the application, but also its performances. One must take into account the constraints of energy consumption in the early stages of the specification and the design of a product. Therefore, the design of embedded systems constrained consumption is a key issue facing the need to control energy costs. For example, in the field of sensor networks, this aspect is a major constraint for which it is necessary to define innovative design strategies touching on all aspects involved in these systems. Our goal is to contribute to the definition of models and hardware and software architectures design methods of embedded systems, taking into account the constraints of energy consumption. The proposed models will be used for simulation but also to the design of systems architectures

Cette thèse est composée de deux parties. La première partie utilise l’analyse stochastique pour fournir des bornes pour la probabilité de surcharge de différents systèmes grâce aux inégalités de concentration. Bien qu’ils soient généraux, nous appliquons ces résultats à des réseaux sans-fil réels tels que le WiMax et le traffic utilisateur multi-classe dans un système OFDMA. Dans la seconde partie, nous trouvons des liens entre la topologie de la couverture dans un réseau de capteur et celle du complexe simplicial correspondant. Cette analogie met en valeur de nouvelles facettes des certains objets mathématiques comme les nombres de Betti, le nombre de k-simplexes, et la caractéristique d’Euler. Puis, nous utilisons conjointement la topologie algébrique et l’analyse stochastique, en considérant que les positions des capteurs sont une réalisation d’un processus ponctuel de Poisson. Nous en déduisons les statistiques du nombre de k-simplexe et de la caractéristique d’Euler, ainsi que des bornes supérieures pour la distribution des nombres de Betti, le tout en d dimen- sions. Nous démontrons aussi que le nombre de k-simplexes converge vers une distribution Gaussienne quand la densité de capteurs tend vers l’infini à une vitesse de convergence connue. Enfin, nous nous limitons au cas unidimensionnel. Dans ce cas, le problème devient équivalent à résoudre une file M/M/1/1 préemptive. Nous obtenons ainsi des résultats analytiques pour des quantités telles que la distribution du nombre de composantes connexes et la probabilité de couverture totale
This thesis has two main parts. Part I uses stochastic anlysis to provide bounds for the overload probability of different systems thanks to concentration inequalities. Although the results are general, we apply them to real wireless network systems such as WiMax and mutliclass user traffic in an OFDMA system. In part I I, we find more connections between the topology of the coverage of a sensor network and the topology of its corresponding simplicial complex. These connections highlight new aspects of Betti numbers, the number of k-simplices, and Euler characteristic. Then, we use algebraic topology in conjunction with stochastic analysis, after assuming that the positions of the sensors are points of a Point point process. As a consequence we obtain, in d dimensions, the statistics of the number of k-simplices and of Euler characteristic, as well as upper bounds for the distribution of Betti numbers. We also prove that the number of k-simplices tends to a Gaussian distribution as the density of sensors grows, and we specify the convergence rate. Finally, we restrict ourselves to one dimension. In this case, the problem becomes equivalent to solving a M/M/1/1 preemptive queue. We obtain analytical results for quantites such as the distribution of the number of connected components and the probability of complete coverage