Dissertations / Theses on the topic 'Réseaux de capteurs (technologie) – Alimentation en énergie'

La quantité d'énergie disponible dans les batteries et le nombre limité de cycles de recharge compliquent singulièrement la conception de réseaux de capteurs sans fil (WSN) autonomes. La récupération d'énergie dans l'environnement direct des nœuds et un stockage d'énergie à base de supercondensateurs sont aujourd'hui considérés comme solutions potentielles pour atteindre une durée de vie du réseau théoriquement infinie. Un gestionnaire d'énergie (PM pour ''Power Manager'') est embarqué dans chaque nœud afin de permettre un fonctionnement en neutralité énergétique (ENO), ce qui veut dire que les énergies récupérées et consommées par un nœud sont équivalentes sur le long terme. Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux PMs qui adaptent dynamiquement l'intervalle de réveil des nœuds en fonction de l'énergie récupérée. La faible complexité de nos PMs, leur indépendance vis-à-vis du type de source d'énergie récupérée et leur faible empreinte mémoire facilitent leur implantation sur une plate-forme réelle de réseaux de capteurs sans fil. Par ailleurs, lorsque l'on considère un réseau multi-sauts, une variation trop fréquente de l'intervalle de réveil peut s'avérer pénalisante pour l'établissement de rendez-vous entre les nœuds et risque de fortement dégrader la qualité de services globale. Nous proposons donc un gestionnaire d'énergie (WVR-PM) qui limite autant que possible ces variations et qui permet d'améliorer le débit de près de 60% par rapport aux PMs de l'état de l'art tout en diminuant de 45% l'énergie consommée par une communication réussie
The limited energy and recharge cycles of batteries are crippling the design of autonomous Wireless Sensor Networks (WSNs). To overcome this issue, everlasting harvested energy and supercapacitor-based energy storage are considered as potential solutions to achieve a theoretically infinite lifetime. A Power Manager (PM) is embedded in each WSN node to respect the Energy Neutral Operation condition (ENO), which means harvested energy is equal to consumed energy for a long period. In this thesis, a set of PMs are proposed for energy harvesting WSN nodes to adapt their average consumed energy by changing the wake-up interval according to the available harvested energy. Our PMs are low complexity, independent of energy sources, small memory footprint and therefore, can be easily implemented on a real EH-WSN node. Another issue addressed in this thesis when considering a multi-hop EH-WSN is the effect of wake-up interval variations to the global QoS. Due to its low harvested energy, a relay node is impractical to synchronize with a transmitter if its wake-up interval regularly changes, therefore degrading the global QoS. A new power manager, named Wake-up Variation Reduction power manager (WVR-PM) is proposed to reduce the variations of the wake-up interval. By using WVR-PM, the throughput of a multi-hop EH-WSN can be improved up to 59% compare to state-of-the-art PMs while the average consumed energy for one successful communication is reduced by 45%

L'intérêt pour l'alimentation en énergie électrique des différents composants de l'infrastructure ferroviaire est devenu un sujet de recherche intéressant avec le gain de popularité des systèmes ferroviaires. Pour développer un système ferroviaire intelligent, fiable, et autonome, notamment avec l'essor de différentes technologies telles que les dispositifs de l'Internet des objets et les nœuds de capteurs sans fil , l'alimentation électrique est nécessaire pour que les dispositifs soient mis en œuvre de manière fiable et autonome. Les technologies de collecte d'énergie et de transfert d'énergie sans fil peuvent être un élément clé pour l'alimentation de ces dispositifs, afin de construire un système suffisant et pratique. Il a été démontré qu'un niveau élevé d'énergie électromagnétique existe jusqu'à la région des micro-ondes à fort potentielL'objectif de ce travail est de développer de nouveaux concepts basés sur les métasurfaces, afin d'améliorer le potentiel et la performance de la récolte d'énergie EM et des technologies WPT qui peuvent être compatibles avec l'application dans l'environnement ferroviaire. Le principal défi consiste à concevoir un dispositif efficace et compact, en particulier pour les basses fréquences MHz, où les systèmes rectenna être insuffisants.Nous proposons tout d'abord un nouveau concept pour améliorer l'efficacité des systèmes conventionnels EM ou des systèmes de rectenna commercialisés sur étagère. Ce concept est basé sur la focalisation des ondes EM ambiantes dans une zone où elles peuvent être captées par un système de rectenna. La conception d'une métasurface de focalisation basée sur le profil hyperboloïde de la loi de phase généralisée est proposée : l'énergie électromagnétique ambiante incidente dans le champ lointain est concentrée en un point appelé point focal à une distance donnée de la conception de la métasurface. La métasurface est simulée et des validations expérimentales en champ proche et en champ lointain sont proposées. Des mesures ont été effectuées dans la chambre anéchoïque pour valider le concept en utilisant un système de rectenna commercialisé et la conception de la métasurface de focalisation à 900 MHz. Les résultats ont montré que, lors de la mise en œuvre du système rectenna à côté de la métasurface de focalisation, la puissance reçue est améliorée d'un facteur 5. Des essais sur le terrain ont ensuite été réalisés : le système a été mis en œuvre dans l'environnement ferroviaire en présence d'une station de base GSM-R. Les résultats ont montré que, lorsque la métasurface est mise en œuvre à côté du dispositif à antenne rectangulaire, une puissance reçue de -20 dBm est obtenue, ce qui peut être suffisant pour réveiller des dispositifs à faible puissance d'entrée tels que des capteurs sans fil, que le dispositif à antenne rectangulaire seul a donné de mauvais résultats avec une puissance reçue d'environ -40 dBm.Une solution alternative pour l'alimentation électrique sans fil dans le système ferroviaire est le WPT. l'un des principaux défis pour ces technologies dans ce cas peut être la ligne de vue avec des problèmes de mobilité : un meilleur suivi et un angle de détection plus large du dispositif alimenté sont nécessaires. Dans ce cas, la conception de métasurfaces rétrodirectives multi-angles basée sur différents concepts tels que la mise en cascade de diverses conceptions de super-cellules métamatérielles et la modulation d'impédance de surface est proposée. Ces conceptions peuvent être mises en œuvre à côté du dispositif alimenté , afin d'améliorer la localisation et le suivi du dispositif alimenté au-delà des limites communes de la ligne de signal atteignant des angles d'incidence obliques extrêmes. D'autres solutions pour l'amélioration de l'efficacité et la miniaturisation des systèmes de récolte d'énergie EM basés sur des métasurfaces absorbantes sont proposées aux basses fréquences micro-ondes
The interest for electric energy power supply to different components in the railway infrastructure, has become an interesting research topic with the gain of popularity for railway systems. To develop a smart, reliable, safe and autonomous railway system, specially with the rise of different technologies such as Internet of things (IoT) devices and wireless sensor nodes (WSN), electric power supply is needed for such that devices are implemented in a reliable and autonomous manner. Energy harvesting and wireless power transfer (WPT) technologies can be a key element for power supply to such devices, to build a sufficient and convenient system. A high level of EM energy has been shown to exist up to the microwave region and which can have a high potential for EM energy harvesting.The aim of this work is to develop novel concepts based on metasurfaces, to enhance the potential and performance of EM energy harvesting and WPT technologies which can be compatible for the application in the railway environment. The main challenge is to design an efficient and compact device specially at low MHz frequencies where conventional rectenna systems can be insufficient.We first propose a novel concept to enhance the efficiency of EM conventional or off-the-shelf commercialized rectenna systems. It is based on the focusing of the ambient EM waves in an area where it can be harvested by a rectenna system. The design of focusing metasurface based on the hyperboloidal profile of the generalized phase law is proposed: the incident ambient EM energy in the far-field, is concentrated at a point known as the focal point at a given distance from the metasurface design. The metasurface designed is simulated and experimental validations in both near field and far field are proposed. Measurements have been carried in the anechoic chamber to validate the concept using a commercialized rectenna system and the focusing metasurface design at 900 MHz. The results have shown that, when implementing the rectenna system along side the focusing metasurface, the received power is enhanced by a factor of 5. Field tests were then conducted: the system was then implemented in the railway environment in the presence of a GSM-R base station, where the results have shown that, when implementing the metasurface along side the rectenna device, -20 dBm of received power was achieved which can be sufficent to wake up low-input-power devices such as wireless sensors, whereas the rectenna device (commercial energy harvester) alone showed poor results of received power around -40 dBm.An alternative solution for wireless electric power supply in the railway system is WPT. However, one of the main challenges for such technologies in this case can be line of sight with mobilty issues: better tracking and wider detection angle of the fed device is required. In this case, the design of multi-angle retrodirective metasurfaces based on different concepts such as cascading of various metamaterial super-cell designs, and surface impedance modulation are proposed. These designs can be implemented along side the fed device (IoT or WSN), in order to enhance the localization and tracking of the fed device beyond the common line-of-signt limitations reaching extreme oblique incident angles. Other solutions for efficiency enhancement and miniaturization for EM energy harvesting systems based on absorbing metasurfaces are proposed at low microwave frequencies

Les réseaux de capteurs sans fil sont constitués de noeuds capteurs, capables de récolter des données, de les analyser et de les transmettre. Ces réseaux ont plusieurs applications, en fonction de la zone où ils sont déployés. Application militaire ou de sauvetage dans des zones pouvant être inaccessibles aux humains ; application sanitaire avec des capteurs déployés sur et dans le corps humain ; application de surveillance avec des capteurs sur les voitures d'un ville, ou les arbres d'une forêt. Les noeuds sont autonomes en énergie et il est primordial d'assurer leur longévité sans retarder la récolte des données. La tache principale réalisée par les réseaux de capteurs sans fils consiste à effectuer des mesures et à envoyer ces données jusqu'à un noeud coordinateur. Cette tache d'agrégation est effectuée régulièrement, ce qui en fait la plus consommatrice d'énergie. L'étude approfondie de la consommation d'énergie des capteurs, qui au centre de ma thèse, peut se traduire de différentes manières. Premièrement, nous avons étudié la complexité du problème de l'agrégation de données en utilisant un modèle simplifié pour représenter un réseau de capteurs sans fils. Secondement, nous nous sommes concentrés sur l'estimation de cette durée de vie. Nous présentons WiSeBat, un modèle de batterie et de consommation d'énergie optimisé pour les réseaux de capteurs, implémenté dans le simulateur WSNET. Après validation, nous l'utilisons pour comparer les performances des algorithmes de broadcast efficaces en énergie
A wireless sensor network is an ad-hoc network connecting small devices equipped with sensors. Such networks are self-organized and independent of any infrastructure. The deployment of a WSN is possible in areas inaccessible to humans, or for applications with a long lifetime requirement. Indeed, devices in a wireless sensor network are usually battery-powered, tolerate failure, and may use their own communication protocols, allowing them to optimize the energy consumption. The main application of WSNs it to sense the environment at different locations and aggregate all the data to a specific node that logs it and can send alerts if necessary. This task of data aggregation is performed regularly, making it the most energy consuming. As reducing the energy consumed by sensor is the leading challenge to ensure sustainable applications, we tackle in this thesis the problem of aggregating efficiently the data of the network. Then, we study lifetime evaluation techniques and apply it to benchmark existing energy-centric protocols

Les réseaux de capteurs peuvent être utilisés pour développer des applications de surveillance efficaces. Cependant, ces réseaux, sont souvent constitués de capteurs alimentés par batterie ayant par définition une capacité limitée, et pour lesquels le remplacement d ces batteries peut dans certains cas ne pas être possible. Cette thèse étudie des techniques en vue de la diffusion de données à délai minimum et efficace en énergie pour une application de gestion de catastrophes au sein d’un bâtiment. Cette application fait apparaître deux types de réseaux. Le premier effectue la surveillance de valeurs physiques telles que la température, la pression et l’humidité à l’intérieur du bâtiment, et le deuxième réalise la surveillance par vidéo au sein du réseau. Une première contribution de cette thèse concerne une architecture virtuelle d’un réseau pour la diffusion de données en vue de collecter des valeurs physiques suivant une approche optimisée en énergie. Dans une deuxième contribution, des métriques sont proposées pour le routage des données à délai minimum, et efficace en énergie, pour une application opérant sur des flux vidéo dans un bâtiment. Une troisième contribution explore l’utilisation de techniques de communication multicanaux dans des réseaux de capteurs. Ces mécanismes cherchent à réduire les interférences dans les communications entre les nœuds afin d’augmenter le débit supporté par le réseau. La première contribution se réfère à la partie de réseau relative à la surveillance de valeurs physiques, alors que les deux dernières contributions concernent la partie de réseau dédiée à la surveillance vidéo. Enfin, dans la dernière partie de la thèse la technique d’allocation de canal et celle de diffusion de données sous contrainte de qualité de service sont combinées dans une application de type cas d’étude
The sensor networks are considered to have the potential to create efficient monitoring applications. A typical wireless sensor node comprises of sensing, computing and networking capabilities. These devices are cooperatively networked to gather process and forward the data towards the interested users. They have limited battery capacity and sometimes the battery replacement is not considered to be a practical option. In case of video monitoring applications, they have to forward the multimedia packets having real-time deadlines. Thus, there is a need to have an energy efficient and minimum delay data dissemination design techniques based on the application requirement. Keeping in mind the processing capabilities of these devices, it is considered a challenging task. This thesis presents an energy efficient and minimum delay data dissemination design for a disaster management application installed inside a building. In this application, a building is considered to be a disastrous situation such at on fire. Based on the data forwarded by the installed sensor network, the first responders decide the rescue and first extinguishing strategy. There exists two class of network associated with the application. On considers the monitoring of physical parameters such as temperature, pressure and humidity inside the building and the second one performs the task of video surveillance inside the network. Sensing physical parameters do not need large processing capabilities due to less amount of data communication. Thus, the main research interest is to optimize the energy consumption due to date transmission. On the other hand, video surveillance application has to forward a large amount of video streaming packets. There is a need to not only minimize the energy consumption but also to minimize the packet delivery delay it orders to meet the application layer deadlines. Thus, we focus on the efficient delivery of data for these two network classes. The first contribution of the thesis talks about the virtual data dissemination architecture for collecting the data in an energy efficient manner. The considered network collects the physical parameters such as temperature, pressure and humidity inside the building. The second contribution focuses on the energy efficient minimum delay routing metrics for the video streaming application operating inside the building. It minimizes the delay so that the application layer deadlines are fulfilled with minimum energy consumption. The third contribution explores the usage of multichannel design in the sensor network. The centralized and distributed channel allocation mechanisms are described that tries to minimize the interference between communicating nodes in order to increase the network throughput. The first contribution targets the physical parameters monitoring network and second and third contribution focuses on video surveillance network. The efficiency of the proposed approaches are evaluated through simulations in Network Simulator NS-2

Les capteurs sans fil ont un avenir prometteur c’est pourquoi leur développement est àl’origine de nombreuses recherches. Leur autonomie reste cependant un problème à résoudre.Les travaux de cette thèse se concentrent précisément sur cette problématique : trouverune stratégie permettant aux capteurs d’être autonomes en énergie.L’énergie nécessaire à l’alimentation du capteur, quel que soit son mode de fonctionnement,doit en effet être récupérée de l’environnement dans lequel le capteur se trouve. Deplus, en cas d’absence ou d’insuffisance d’énergie environnante, le fonctionnement du capteurdoit pouvoir perdurer. À cela s’ajoute la nécessité de connaitre à tout instant la quantitéd’énergie disponible afin de pouvoir maintenir un niveau de charge constant et ainsi prolongerla vie du capteur. Enfin, toute cette gestion de l’énergie doit pouvoir garantir le meilleurrendement possible.Cette étude a conduit à la conception et au test d’un circuit en technologie CMOS 90nm.Ce même circuit a été intégré dans les capteurs sans fil d’un réseau en cours de développement.Et enfin, une méthode permettant de connaitre le niveau d’énergie embarquée a étémise au point et pourra permettre à l’avenir la conception d’un nouveau circuit de power managementpour capteurs autonomes en énergie
Wireless sensors have a bright future so their development is causing a lot of research.However, their autonomy is still an issue.This work focuses on this problem : find a strategy for the sensors to be autonomous.The energy required to power the sensor, whatever its working mode, must indeed be harvestedfrom the environment wherein the sensor is located. Moreover, in case of absence ora lack of available energy, the sensor has to keep working. Additionnaly the state-of-chargehas to be known in real time in order to extend the sensor lifetime. Finally, the energy managementhas to give the highest efficiency.This study led to the design and the test of a circuit in CMOS 90nm technology. Thiscircuit was integrated in wireless sensors for networks under development. Finally, a methodto estimate the level of energy in the sensor has been developed and will allow to design anew circuit of power management for wireless sensor network

L'amélioration de l'autonomie énergétique des systèmes communicants constitue aujourd'hui une des préoccupations majeures pour leur déploiement massif dans notre environnement. On souhaite rendre complètement autonome ces dispositifs électroniques (on pense entre autres aux capteurs et réseaux de capteurs) en s'affranchissant des sources d'énergie embarquées qui nécessitent des opérations de remplacement ou de recharge périodiques. Parmi les sources d'énergie disponibles qui peuvent être exploitées, on trouve les ondes électromagnétiques. Le dispositif qui permet de capter cette énergie et la convertir en puissance continue utile est dénommé Rectenna (Rectifying antenna) qui associe une antenne de captation à un circuit de rectification à base de diodes. Les rectennae ont fait l'objet d'un nombre important de communications dans la littérature ces dernières années avec pour fil conducteur, la recherche de performances optimales compte tenu de l'atténuation des ondes électromagnétiques et des faibles niveaux de champ récupérés. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse dont le financement a été assuré par un contrat ANR (REC-EM).Dans ce travail, on s'est attaché à développer, à concevoir et à caractériser expérimentalement des structures planaires qui présentent des propriétés intéressantes :- En terme de polarisations orthogonales, ceci de façon à s'affranchir de l'orientation arbitraire de l'onde incidente à la rectenna. Une rectenna à double polarisation circulaire à 2.45 GHz et à double accès sera réalisée pour, de plus, s'affranchir de la perte de 3 dB lorsque l'onde récupérée est à polarisation linéaire à orientation arbitraire.- En termes de résonances multiples, ceci pour augmenter le niveau de puissance récupérée par l'antenne et optimiser la puissance continue convertie. Une rectenna à double fréquence (1.8 et 2.45 GHz) et à accès unique sera conçue ainsi qu'une rectenna constituée d'un réseau de deux antennes double fréquence.- En terme de réduction de taille en s'affranchissant de l'utilisation du filtre HF entre l'antenne et le circuit de conversion ceci pour l'ensemble des structures rectennae développées dans ce travail. Dans tous les cas, il sera nécessaire de développer le circuit de rectification le plus adapté à la topologie de l'antenne de captation et évaluer la technique de recombinaison optimale coté DC pour s'affranchir au mieux des déséquilibres qui peuvent apparaître entre les voies d'accès de l'antenne. Pour contenir les dimensions de la structure globale, des circuits mono diode seront dimensionnés et réalisés pour chacune des structures. Enfin, on exploitera l'antenne à double polarisation circulaire double accès, dont on cherchera à diminuer les dimensions, pour alimenter un capteur de température à affichage LCD. Pour augmenter le niveau de tension nécessaire au fonctionnement du capteur, nous associerons entre la rectenna et le capteur un convertisseur DC-DC. Il s'agit, dans ce cas, d'un dispositif de gestion d'énergie adapté pour les faibles puissances. Deux convertisseurs seront employés dont celui développé par les laboratoires Ampère de l'Ecole Centrale de Lyon et SATIE à l'ENS Cachan. Ce convertisseur a fait l'objet d'une thèse également financée par l'ANR dans le cadre de ce contrat REC-EM
Improving energy autonomy of communication systems constitutes one of the major concerns for their massive deployment in our environment. We want to make these electronic devices (sensors and sensor networks) completely autonomous, avoiding the embedded energy sources that require replacement operations or periodic charging. Among the available energy sources that can be harvested, there are electromagnetic waves. The device that can capture this energy and convert it into useful DC power is called Rectenna (Rectifying antenna), combining antenna with diode-based rectifier. In recent few years, rectennas have reached a significant number of papers in the literature. The main challenge consists in improving performances in term of efficiency, in an attempt to overcome the electromagnetic wave attenuation and the low available field level. According to this context, this PhD work supported by the ANR project REC-EM has taken place. In this study, we have developed, designed and characterized planar structures that have interesting properties:- In term of orthogonal polarizations, so energy harvesting becomes feasable regardless the arbitrary orientation of the incident wave on the rectenna. A dual-circularly polarized rectenna at 2.45 GHz with dual-access will be set up to overcome the 3 dB power loss in the case of linearly-polarized incident wave with unknown orientation.- In term of multiple resonances, so the amount of total RF power collected by the antenna can be increased and consequently the converted DC power level can also be improved. A dual-frequency rectenna (1.8 and 2.45 GHz) with single access will be designed, as well as a rectenna based upon a dual-frequency antenna array.- In term of size compactness by avoiding the use of the HF filter between the antenna and the rectifier for all developed rectenna structures during this work. In all cases, it will be necessary to define the most suitable rectifier topology to each antenna and select, if it is appropriated, the optimum DC recombination technique to overcome the effects of RF power imbalance that may occur between the different antenna accesses. Besides, single-diode circuits will be designed and fulfilled for each structure. Finally, we will miniaturize the dual-circularly polarized dual-access antenna, and exploit it to power a LCD display temperature sensor. To enhance the DC voltage level required to activate the sensor, a DC-DC converter is inserted between the rectenna and the sensor. Such energy management device should be able to operate under low delivered DC power. Two converters will be used. The first one is developed by Ampere Lab at Ecole Centrale de Lyon and SATIE Lab at ENS Cachan. This converter was the subject of another dissertation also supported by the ANR under the REC-EM project

Un réseau de capteur sans fil est un ensemble de noeuds communicants, généralement miniatures et capables de fonctionner avec peu d'énergie. Certaines applications imposent à ces réseaux de capteurs sans fil d'être économes en énergie pour prolonger la durée de vie du réseau, d'autres nécessitent un comportement déterministe qui se traduit généralement par des délais de traversée du réseau bornés et/ou un taux de trames perdues inférieur à un seuil critique. Pour économiser significativement de l'énergie, une entité doit se mettre en mode sommeil. Durant cette période, elle sera inactive donc incapable de participer à l'ativité du réseau. L'usage de périodes de sommeil est un handicap pour l'aspect déterministe et pour le respect de contraintes temporelles. Le travail de cette thèse est centré sur les spécifications, le dévelopement et l'évaluation sous différentes formes d'une méthode d'accès au medium adaptée au déterminisme et aux exigences de qualité de service telles que l'absence de collisions et la garantie d'un délai borné de bout-en-bout, tout en conservant une faible consommation énergétique. La solution proposée repose sur la segmentation temporelle des activités, une synchronisation multi-sauts et une différentiation de services basée sur des stratégies de routage adaptées.

Un Réseau de Capteurs Sans Fil (RCSF) est composé d’un ensemble de noeuds alimentés par batterie, associant des capteurs à une unité de traitement et à un émetteur-récepteur sans fil. De nos jours, les RCSF font l’objet de nombreux travaux de recherche et développement. En effet, ces réseaux constituent une solution intéressante afin d’apporter une réponse à différents enjeux sociaux, sociétaux et économiques tels que le déploiement des Smart Grids ou la supervision à distance de la santé de personnes dans un contexte de vieillissement de la population. Ces RCSF ont la capacité d'être déployé dans des environnements contraints, tels que les forêts, les volcans et les bâtiments, pour atteindre divers objectifs : la localisation d’objets et d’individus mais aussi la surveillance de phénomènes physiques, comme les signaux physiologiques de patients ou la température ambiante d’un bâtiment.Cependant, le déploiement de ces RCSF est souvent rendu critique en raison des contraintes imposées par l'environnement d’application, par exemple, les températures pouvant être subies lors de la supervision d’un volcan, ou la difficulté d’accès aux noeuds lorsque ceux-ci sont utilisés pour la surveillance de l'état structurel d'une autoroute ou d'un bâtiment. Par conséquent, les chercheurs et développeurs de ce type de réseau ont besoin d'outils pour tester et évaluer, dans le cadre du processus de conception d'un RCSF, les performances des noeuds et du réseau avant de le déployer dans un environnement réel.Dans ce contexte, les outils de simulation peuvent apporter une solution permettant un gain de temps, une limitation des coûts et des efforts avant le déploiement d’un tel réseau dans son environnement d’utilisation. Ces outils sont donc aujourd’hui largement répandus et utilisés pour évaluer les performances d’un RCSF mais aussi les propositions issues de travaux de recherche relatifs à ce type de réseau. Néanmoins, la conception d'un RCSF, dédié à une application, doit tenir compte de sa structure multi-niveau : topologie, noeuds et circuits. Ainsi, pour aborder les principaux défis liés au RCSF, tels que la problématique d’autonomie énergétique des noeuds, la modélisation de ces réseaux est considérée comme une tâche complexe car l'approche de modélisation utilisée doit considérer sa structure multi-niveau afin de fournir des résultats exploitables provenant simultanément de niveaux d’abstraction différents.Dans cette thèse, nous définissons, proposons et implémentons un modèle trans-niveaux orienté énergie dédié au RCSF permettant de considérer simultanément différents niveaux d'abstraction : topologie, noeuds et circuits. Ce modèle est capable de tracer la consommation énergétique à partir de différents points de vue : l'activité spécifique d'un circuit, les activités d'un circuit ou d'un noeud, ainsi que son impact sur la durée de vie du RCSF. Notre modèle est ensuite implémenté dans un simulateur de RCSF dédié afin, en considérant différents scénarios, de comparer les résultats obtenus avec un simulateur existant et des noeuds réels dans le but de valider la pertinence de notre approche
Wireless Sensor Network (WSN) is a set of battery-powered nodes that include sensors coupled with processing units and wireless transceivers. Nowadays, WSN is a major topic in the research and development domain. Indeed, it constitutes an interesting solution to give an answer to different situations related to social, societal and economic issues such as the need to manage the Smart Grids or to supervise patient’s health in the context of the aging population. This kind of network has the capacity to be simply deployed in harsh environments, such as forests, volcanoes and buildings, to achieve various goals, like tracking targets, animals or human beings for example, or monitoring physical phenomena, such as patient physiological signals or ambient temperature in a building.However, the deployment of WSNs can be critical because of the difficult conditions imposed by the application environment, for example, the high temperatures in the case of volcano activity supervision, or the impossibility of reaching the nodes after deployment, when the WSN must be used to structural health monitoring of a highway or a building. Therefore, researchers and developers need tools to test and evaluate, in the design process of a WSN, node and network performances before deploying it in real surroundings.In this context, simulation can provide a solution that can save time, cost, and effort before deploying a WSN application in its real environment. This explains that simulation tools are widely used in WSN designing stages and for research works evaluation related to this kind of network. Nevertheless, designing a WSN, dedicated to a specific application, needs to address its multilevel structure: topology, nodes and circuits. Thus, to handle the main challenges of WSN design such as energy issues, WSN modelling is considered a complex task because the adopted modelling approach has to take into account the WSN multilevel structure in order to provide exploitable results from different points of view at the same time.In this thesis, we define, propose and implement a cross-level energy-aware model for WSN that allows considering different levels of abstraction at the same time: circuits, nodes and topology. This energy-oriented model is able to trace the energy consumption from multiple points of view: a specific circuit's activity, circuit or node activities, as well as the impact on the WSN lifetime. The proposed model is implemented in a dedicated WSN simulator, which is used, defining different scenarios, to compare obtained results with a well-known simulator and physical WSN nodes with the aim to validate the relevance of our approach

Les réseaux de capteurs sans fil sont constitués de nœuds de petite taille équipée d’une unité de calcul, de capteurs et d’une unité de communication sans fil qui rend possible la communication entre les nœuds. La consommation d’énergie est en général le paramètre à optimiser à tous les niveaux de la conception d’un nœud de réseau de capteurs sans fil car ces dispositifs sont généralement alimentés par des batteries de petite taille. Pour prolonger l’autonomie d’un nœud, il est nécessaire d’utiliser un système permettant de récupérer une partie de l’énergie disponible dans l’environnement. L’objectif de cette thèse est de proposer un environnement de simulation et une bibliothèque de modèles pour l’analyse de nœuds d’un réseau de capteurs avec récupération d’énergie, avec une attention particulière pour les politiques de gestion de la consommation d’énergie
Wireless Sensor Networks are composed of nodes equipped with a computational unit, sensors and a radio transceiver. Energy consumption is a major challenge in the WSN domain, and energy efficient solutions are required because the nodes carry a limited amount of power. Energy harvesting technologies can be used to scavenge energy from the environment, thus prolonging the lifespan of a WSN node. The goal of this thesis is on power management techniques

Comme le firent Internet et les communications sans fil il y a de cela quelques décennies, l'avènement des réseaux de capteurs s'apprête à révolutionner notre mode de vie. Mais avant de voir ces réseaux atteindre un degré de démocratisation identique à celui des téléphones portables par exemple, un certain nombre de problématiques doit être résolu. Aux contraintes traditionnelles des réseaux ad hoc s'ajoutent les limites très strictes liées aux caractéristiques matérielles des capteurs telles que la puissance de calcul, la mémoire et surtout l'alimentation en énergie, rendant les algorithmes existants inadaptés. Cette thèse aborde deux problématiques : celle de la localisation et celle du routage. Concernant la localisation, une famille de trois méthodes est proposée pour estimer les positions des capteurs en y associant des bornes d'erreur, à partir de localisations exactes connues pour certains d'entre eux et en fonction de leurs capacités de mesures. Cette famille est ensuite étendue aux réseaux de capteurs mobiles. Vient alors le problème du routage permettant l'acheminement d'un message d'un capteur vers une station de base lorsqu'il détecte un événement. Les stratégies de routage dit géographique s'appuient sur les positions des capteurs qui sont considérées comme exactes. Or, dans la pratique, ces positions sont rarement précises. Cette thèse propose deux algorithmes de routage destinés respectivement aux réseaux de capteurs statiques et mobiles en considérant des positions estimées, rendant ainsi ces méthodes compatibles avec les algorithmes de localisation.

Une grande partie des nouvelles générations d'objets connectés ne pourra se développer que s'il est possible de les rendre entièrement autonomes sur le plan énergétique. Même si l'utilisation de batteries ou de piles résout une partie de ce problème en assurant une autonomie qui peut-être importante avec des coûts relativement faibles, elle introduit non seulement des contraintes de maintenance incompatibles avec certaines applications, mais aussi des problèmes de pollution. La récupération de l'énergie thermique, mécanique, électromagnétique, solaire ou éolienne est une solution très prometteuse. Dans ce cas, la vie de l'objet connecté peut-être prolongée. Cependant, l'énergie récupérée dépend fortement des conditions au voisinage du dispositif et peut donc varier de façon périodique ou aléatoire. Il parait alors important d'adapter le système (mesure et transmission de données) aux contraintes de la récupération d'énergie. L'objectif de la thèse est de proposer une solution de capteur autonome basée sur un système de récupération et de gestion multisources d'énergies (solaire et éolienne) et pouvant-être mis en oeuvre dans différentes classes d'applications IoT. On s'intéresse, dans un premier temps, à la modélisation de la consommation du noeud capteur. Ensuite, on modélise le système de récupération multisources. Puis, on se focalise sur le management de puissance du système autonome. Ce management est basé sur des prédictions de l'énergie disponible et de celle consommée. Enfin, le travail de modélisation et d'optimisation est validé par des expérimentations afin d’avoir un démonstrateur de Capteur Communicant Autonome en Énergie pour les applications IoT
Researchers aim to develop entirely autonomous sensors. By ensuring an important autonomy, the use of batteries solves part of the energy problem with relatively low costs. However, batteries introduce different problems such as maintenance and environmental pollution. Harvesting thermal, mechanical, electromagnetic, solar or wind energy present in the environment is an attractive solution. Using harvested energy from their surroundings, wireless sensor nodes can significantly increase their typical lifetime. Nevertheless, the harvested energy depends on the surrounding conditions of the device and can vary periodically or randomly. It seems important to adapt the system (measurement and data transmission) to the harvesting energy constraints. The thesis objective is to provide an autonomous sensor solution based on a multisources energy harvesting and management system (solar and wind energies), which can be used in different IoT applications. First, we are interested in modeling and optimizing the sensor node energy consumption. Then, the multiple harvesting system is modeled according to the energy needs of the sensor node. Besides, we focus on the power management of the autonomous system. This management part is based on predictions of both available and consumed energies. Finally, the proposed modeling and optimization studies are validated with experimental works in order to develop an Autonomous Communicating Sensor platform for IoT applications

La thèse porte sur le déploiement d'un réseau de capteurs pour le diagnostic énergétique d'un bâtiment universitaire. Elle s'inscrit dans la thématique Bâtiment intelligent et durable de l'Université de Limoges. Il s'agit au cours de cette thèse, dans un premier temps, d'optimiser l'architecture d'un réseau de capteurs Zigbee ainsi que les méthodes d'interrogation de ces capteurs, pour minimiser la consommation énergétique des nœuds du réseau. On s'appuiera notamment sur des concepts de "compressive sensing" pour augmenter la durée de vie des nœuds autonomes qui pourra être éventuellement renforcée par des organes de récupération d'énergie
This thesis deals with the roll out of Wireless Sensor Network for the energetic monitoring of an existing building of the University. This work wil be incorporated in the framework of the smart building program of the University of Limoges. The work aims to optimize the architecture of a Zigbee network as well as data collection methods to minimize the energy consumption of the network's nodes. Methods based on the compressive sensing concepts will be investigated to reduce the number of nodes and to extend the lifetime of the nodes. Those methods will eventually be complemented with energy harvesting techniques

La désignation sous le terme d'Internet des Objets regroupe un ensemble vaste de systèmes connectés différents.Un nombre significatif de ces objets ne disposent pas d'une alimentation continue et sont alimentés grâce à des batteries. Par ailleurs, il existe de nombreux cas d'utilisation où le rechargement de cette dernière se trouve être difficile voire impossible (e.g. objet enfoui dans le béton pour la surveillance de structures). De ce fait, l'aspect énergétique représente une contrainte primordiale à prendre en compte par les développeurs lors de la conception de l'application embarquée sur l'objet. La problématique de nos travaux consiste à placer l'énergie comme ressource de premier ordre lors du développement en fournissant une aide et une assistance aux développeurs face à la complexité de gestion de cette ressource. Nous proposons comme solution une méthodologie et des outils pour soutenir les activités du développeur embarqué dans un environnement contraint en énergie. En outre, nous affirmons que la capacité de mesurer et de suivre finement la consommation énergétique des objets connectés, puis de la corréler au logiciel sous-jacent permet d'améliorer l'efficacité énergétique globale en mettant en œuvre des bonnes pratiques liées à l'utilisation des différents composants matériels.Pour arriver à cela, nous basons nos travaux sur une méthode de mesure énergétique matérielle capable de fournir des chiffres de consommation précis. Nous construisons ainsi un framework de profilage et de cartographie énergétique d'un logiciel embarqué permettant d'aider le développeur dans la compréhension du comportement énergétique de son application
The designation under the term Internet of Things brings together a vast array of different connected systems.A significant number of these objects do not have a continuous power supply and are therefore supplied with batteries. In addition, we can list multiple use cases where the recharging of the battery is difficult or impossible (e.g. a buried object for structures monitoring). As a result, the energetic aspect represents a primary constraint to be taken into account by the developers when designing the embedded application on the object. The work issue consists in placing energy as a hard resource during the development phase by providing assistance and help to the developers in the management of this complex resource. We propose as a solution a methodology and tools to support the activities of the embedded developer in a constrained energy environment. We assert that the ability to accurately measure and track the energy consumption of a connected object and then correlate it to the underlying software can improve overall energy efficiency by implementing best practices related to use of the different hardware components. To achieve this goal, we base our work on a hardware energy measurement method able of providing accurate consumption figures. We than build an energy profiling and cartography framework of embedded software to help the developer understand the energy behavior of his application

Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of tiny sensor nodes, which are cable of sensing and processing data from inaccessible environments and communicating them to the end-user for further analysis. WSNs are characterized by the limited capacity of sensor node batteries, which makes energy-efficiency a critical issue. Once a WSN is deployed, sensor nodes must self-organize and live as long as possible, based only on their initial amount of energy. Consequently, techniques minimizing energy consumption are required to improve network lifetime. In such a way, this thesis deals with the development of various energy-saving mechanisms. Our research revolves around three main areas: 1) in-network processing, 2) clustering, and 3) radio diversity. Concerning in-network processing, we proposed a Smart AGgregation technique (SAG) that controls energy consumption, while adjusting user error. On the same subject, we integrate a compression mechanism within a cluster-based architecture to develop a Compression Cluster-based scheme in a Spatial Correlated Region protocol (CC\_SCR), to further decrease energy consumption. Moving on to clustering, our research leds to the development of an ADaptive Energy-Efficient Clustering protocol (ADEEC), resulting in better network organization and decreased in energy consumption. In the field of diversity direction, we explored how to minimize energy consumption when using multiple radios for routing in WSNs. We first proposed a novel metric that uses a minimum-energy radio when routing, then we proposed another metric that allows energy balancing inside a network in order to extend its lifetime, and finally we proposed a delay-sensitive metric that adapts routing packets with different priorities. The validation of our contributions were carried out with deep analytical analysis and simulation using TOSSIM
Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF) sont composés de capteurs de petites tailles, qui ont la capacité de prélever et de calcul des données dans un environnement inaccessible pour ensuite les communiquer à un utilisateur final. Ces capteurs ont une capacité limitée en batteries, et donc l'énergie devient un problème critique pour leur conception. Cette thèse se focalise sur le développement de divers techniques d'économie d'énergie. Ainsi, nos directions de recherche tournent autour de trois axes principaux: 1) l'intégration du calcul: l'agrégation et la compression, au sein d'un RCSF, 2) le groupement de capteurs, et 3) diversité de radios. Premièrement, nous avons proposé une technique d'aggregation, appelée Smart AGgregation (SAG)}, qui contrôle la consommation d'énergie de capteurs en s'adaptant à l'erreur des données tolérée par l'utilisateur. En plus de l'agrégation, nous avons intégré un mécanisme de compression de données dans une architecture à base de groupement des capteurs, pour développer un protocole appelé Compression Cluster-based scheme in a Spatial Correlated Region CC_SCR, pour assurer une plus grande économie d'énergie. Deuxièmement, notre recherche rapporte au développement du protocole de groupement des capteurs, appelé ADaptive Energy-Efficient Clustering protocole ADEEC, en vue de réaliser à la fois une meilleure organisation de réseau et une meilleure consommation d'énergie. Finalement, nous avons exploré l'apport d'utilisation de multiples radios lors du routage. Par conséquent, nous avons d'abord proposé une nouvelle métrique qui permet de choisir une radio à energie minimale pour le routage. Ensuite, nous avons proposé une autre métrique qui équilibre la consommation d'énergie au sein d'un RCSF pour prolonger la durée de vie. Enfin, nous avons proposé une métrique sensible au délai, qui s'adapte aux priorités des paquets lors du routage. La validation de nos contributions est effectuée analytiquement et par simulation avec l'outil TOSSIM

Les réseaux de capteurs sont des réseaux particuliers composés d'objets contraints en ressources. Ils possèdent une faible puissance de calcul, une faible puissance de transmission, une faible bande passante, une mémoire de stockage limitée ainsi qu'une batterie à durée de vie limitée. Afin d'intégrer de tels réseaux dans l'internet des objects, de nouveaux protocoles ont été standardisés. Parmi ces protocoles, le protocole RPL (pour Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). Ce protocole est destiné a construire une topologie logique de routage appelée DODAG. Dans cette thèse, nous abordons l'aspect acheminement de données qui considère une topologie de routage arborescente. L'acheminement des données se fait donc de saut en saut d'un enfant à son parent (ou d'un parent à son enfant). Optimiser la construction du DODAG revient donc à construire un arbre couvrant selon une contrainte donnée. Un arbre couvrant est une structure communicante qui permet de maintenir un unique chemin entre toutes paires de noeuds tout en minimisant le nombre de liens de communication utilisés. De plus, nous considérons les contraintes des réseaux de capteurs telles qu'une batterie déchargée et la variabilité du lien radio comme des fautes transitoires. Ceci nous conduit par conséquent à construire une structure couvrante tolérante aux fautes transitoires. L'auto-stabilisation est une branche de l'algorithmique distribuée qui assure qu'à la suite d'une ou de plusieurs fautes transitoires, le système va retrouver de lui-même un comportement correcte au bout d'un temps fini. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes auto-stabilisants dédiés aux réseaux de capteurs
Spanning Trees from theory to practiceSelf-Stabilizing algorithms and sensor networksAbstract : Sensor networks are composed of ressources constrained equipments. They have low computing power, low transmission power, low bandwidth, limited storage memory and limited battery life.In order to integrate such networks in the Internet of things, new protocols were standardized such as RPL protocol (for Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). This protocol is intended to build a logical routing topology called DODAG (for Destination Oriented Directed Acyclic Graph). In this thesis, we discuss the data routing aspect by considering a tree routing topology. Thus, the routing of data is hop by hop from a child to its parent (or from a parent to its child). Optimize the construction of the DODAG is therefore to build a spanning tree in a given constraint. A spanning tree is a connecting structure that maintains a unique path between all pairs of nodes while minimizing the number of used communication links. Furthermore, we consider the constraints of sensor networks, such as a dead battery and the variability of the radio link as transient faults. This leads us to build a covering structure tolerant to transient faults. The self-stabilization is a branch of distributed algorithms that ensures that following one or more transient faults, the system will find itself a correct behavior after a finite time.The objective of this thesis is to propose self-stabilizing algorithms dedicated to sensor networks. The contributions of this thesis are:In the first part of the thesis, we proposed a self-stabilizing algorithm for the construction of a minimum diameter spanning tree.This construction is natural when we want to minimize the communication delay between a root and all other network nodes. Our algorithm has several advantages. First, our algorithm is limited to memory occupation of O(log n) bits per node, reducing the previous result of an n factor while maintaining a polynomial convergence time. Then, our algorithm is the first algorithm for minimum diameter spanning tree that works as an unfair distribution demon. In other words, we make no restriction on the asynchronous network behavior. In the second part of the thesis, we are interested in the unstable topology built by RPL protocol (DODAG). Our solution is to place an additional constraint on the number of children a node can accept during the construction of the DODAG. This constraint has the effect of reducing the rate of parent change and consequently to improve the protocol performance in terms of packet delivery rate, delay of communication and power consumption. In addition, we implemented a mechanism to update the information of the downward routes in RPL. Furthermore, our solution has the advantage of not generating overhead because we use existing control messages provided by RPL to implement it. Finally, this contribution is twofold since we validated our solution both by simulations and experiments

La résolution du problème des vides dans le routage géographique dédié aux réseaux de capteurs sans fil (RCS), rencontrés lors de la remontée des informations vers les nœuds collecteurs à partir des nœuds du réseau, constitue un verrou technologique qui reste un problème ouvert encore aujourd'hui. Cette thèse, contrairement aux méthodes traditionnelles, propose une nouvelle approche pour la prise en charge de ces vides tout en optimisant l'efficacité énergétique des nœuds déployés dans un RCS faisant ainsi du routage proposé une solution adéquate pour l'acheminement des informations en temps réel. Celui-ci se base sur l'information géographique concernant le nœud courant, les vides voisins et le nœud destinataire du paquet. Notre proposition agit aussi sur des mécanismes assurant la découverte, l'annonce et la maintenance des vides d'un RCS. Le premier protocole proposé, appelé VT-SPEED, est construit sur la base d'une fonction évolutive intégrant un mécanisme d'évitement adaptatif des vides et considérant simultanément la charge des nœuds candidats au routage et leur information géographique de localisation. Afin d'optimiser l'efficacité énergétique de VT-SPEED, notre proposition inclut par ailleurs de nouvelles routines sur la base de fonctions paramétriques pour la prise en compte de l'énergie dans le routage : (a) suppression des paquets retardés sur la base de leur échéance et (b) équilibrage de charge dans le choix des sauts des paquets. Les résultats enregistrés par le protocole résultant, appelé VE-SPEED, montrent que l'approche proposée prend en compte les flux de type temps-réel, possède une grande tolérance aux vides, conserve mieux l'énergie des nœuds de bordure, assure un meilleur équilibrage de charge, et consomme de manière optimisée l'énergie des nœuds capteurs

Les progrès réalisés en systèmes micro-électro-mécaniques couplés avec leur convergence vers les systèmes de communication sans fil, ont permis l'émergence des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Les contraintes de ces réseaux font que tous les efforts soient fournis pour proposer des solutions économes en énergie. Avec les récents développements des technologies CMOS, des capteurs d'images à faible coût ont été développés. En conséquence, un nouveau dérivé des RCSF, qui sont les Réseaux de Capteurs Vidéo Sans Fil (RCVSF), a été proposé. La particularité des données vidéo ainsi que les contraintes inhérentes aux nœuds ont introduit de nouveaux défis. Dans cette thèse, nous proposons deux solutions basées sur l'approche inter-couches pour la livraison de la vidéo sur les RCVSF. La première solution propose un nouveau schéma de compression vidéo adaptatif, efficace en énergie et basé sur la norme de compression vidéo H.264/AVC. Le flux vidéo est ensuite géré par une version améliorée du protocole MMSPEED que nous proposons et notons EQBSA-MMSPEED. Les résultats des simulations montrent que la durée de vie du réseau est étendue de 33%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 12%. Dans la deuxième solution, nous enrichissons le schéma de compression de modèles mathématiques pour prévoir la consommation d'énergie et la distorsion de l'image lors des phases d'encodage et de transmission. Le flux vidéo est géré par un nouveau protocole de routage efficace en énergie et à fiabilité améliorée noté ERMM. Comparée à une approche basique, cette solution réalise une extension de la durée de vie du réseau de 15%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 35%
Thanks to the valuable advances in Micro Electro-Mechanical Systems coupled with their convergence to wireless communication systems, the Wireless Sensor Networks (WSN). In the WSN context, all the efforts are made in order to propose energy-efficient solutions. With the recent developments in CMOS technology, low-cost imaging sensors have been developed. As a result, a new derivative of the WSN, which is the Wireless Video Sensor Network (WVSN), has been proposed. The particularities of the video data as well as the inherent constraints of the nodes have introduced new challenges. In this thesis, we propose two cross-layer based solutions for video delivery over the WVSN. The first solution proposes a new energy efficient and adaptive video compression scheme dedicated to the WVSNs, based on the H.264/AVC video compression standard. The video stream is then handled by an enhanced version of MMSPEED protocol, that we propose and note EQBSA-MMSPEED. Performance evaluation shows that the lifetime of the network is extended by 33%, while improving the video quality of the received stream by 12%. In the second solution, we enrich our compression scheme with mathematical models to predict the energy consumption and the video distortion during the encoding and the transmission phases. The video stream is then handled by a novel energy efficient and improved reliability routing protocol, that we note ERMM. Compared to a basic approach, this solution is extending the network lifetime by 15%, while improving the quality of the received video stream by 35%

Composés d'appareils fortement limités en ressources (puissance de calcul, mémoire et énergie disponible) et qui communiquent par voie hertzienne, les réseaux de capteurs sans fil composent avec leurs faibles capacités pour déployer une architecture de communication de manière autonome, collecter des données sur leur environnement et les faire remonter jusqu'à l'utilisateur. Des « transports intelligents » à la surveillance du taux de pollution environnemental, en passant par la détection d'incendies ou encore l'« Internet des objets », ces réseaux sont aujourd'hui utilisés dans une multitude d'applications. Certaines d'entre elles, de nature médicale ou militaire par exemple, ont de fortes exigences en matière de sécurité. Les travaux de cette thèse se concentrent sur la protection contre les attaques dites par « déni de service », qui visent à perturber le fonctionnement normal du réseau. Ils sont basés sur l'utilisation de capteurs de surveillance, qui sont périodiquement renouvelés pour répartir la consommation en énergie. De nouveaux mécanismes sont introduits pour établir un processus de sélection efficace de ces capteurs, en optimisant la simplicité de déploiement (sélection aléatoire), la répartition de la charge énergétique (sélection selon l'énergie résiduelle) ou encore la sécurité du réseau (élection démocratique basée sur un score de réputation). Sont également fournis différents outils pour modéliser les systèmes obtenus sous forme de chaines de Markov à temps continu, de réseaux de Petri stochastiques (réutilisables pour des opérations de model checking) ou encore de jeux quantitatifs
Memory and little energy available), communicating through electromagnetic transmissions. In spite of these limitations, sensors are able to self-deploy and to auto-organize into a network collecting, gathering and forwarding data about their environment to the user. Today those networks are used for many purposes: “intelligent transportation”, monitoring pollution level in the environment, detecting fires, or the “Internet of things” are some example applications involving sensors. Some of them, such as applications from medical or military domains, have strong security requirements. The work of this thesis focuses on protection against “denial of service” attacks which are meant to harm the good functioning of the network. It relies on the use of monitoring sensors: these sentinels are periodically renewed so as to better balance the energy consumption. New mechanisms are introduced so as to establish an efficient selection process for those sensors: the first one favors the ease of deployment (random selection), while the second one promotes load balancing (selection based on residual energy) and the last one is about better security (democratic election based on reputation scores). Furthermore, some tools are provided to model the system as continuous-time Markov chains, as stochastic Petri networks (which are reusable for model checking operations) or even as quantitative games

Les progrès technologiques accomplis durant ces dernières décennies dans les domaines des microsystèmes et des radiocommunications nous permettent de réaliser des composants communicants miniaturisés à faible coût afin de constituer des réseaux de capteurs sans fil. Typiquement, chacun de ces composants intègre une ou plusieurs unités de mesures (capteur), une unité de traitement de données, une unité de communication radio et une batterie. De ce fait, un nouveau domaine de recherche s’est créé pour étudier le déploiement de ces réseaux afin d’offrir des solutions de surveillance et de contrôle à distance, notamment dans des environnements complexes ou inaccessibles. Les domaines d’application de ces capteurs sont très variés, allant de la domotique au militaire en passant par le médical et les infrastructures civiles. Souvent, ces applications impliquent des contraintes sévères en terme d’autonomie qui idéalement devrait atteindre plusieurs dizaines d’années. Pour atteindre cet objectif, il est à la fois nécessaire de réduire la consommation énergétique du nœud capteur et de trouver d’autres solutions d’alimentation en énergie pour le nœud. Pour adresser ce deuxième point, la récupération d’énergie à partir de l’environnement (solaire, vibratoire, thermique, etc.) semble représenter une solution idéale pour alimenter un nœud capteur, bien que celui-ci doive s’adapter aux faibles quantités d’énergie récupérées par ces systèmes, ainsi qu’à leurs variations et intermittences. Ces travaux de thèse s’intéressent donc à la problématique de la simulation et de la réduction de la consommation des nœuds de capteurs sans-fil et autonomes en énergie. Dans un premier temps, nous avons développé la plateforme HarvWSNet, un environnement de co-simulation alliant le simulateur de réseaux WSNet et Matlab permettant ainsi la modélisation précise et la simulation hétérogène des protocoles de communication (typiquement à événements discrets) et des systèmes de récupération d’énergie (qui possèdent typiquement un comportement à temps continu). Nous avons démontré que cette plateforme permet de réaliser très rapidement des études de pré-prototypage de scénarios applicatifs de déploiement et ainsi réduire le temps de conception de ces nouvelles technologies. Grâce à la modélisation précise des éléments du système de récupération d’énergie (batterie, supercapacité, etc.) permise par cette plateforme, nous avons étudié et évalué la durée de vie de déploiements à large échelle de réseaux de capteurs alimentés par des systèmes de récupération d’énergie (solaire et éolien). La deuxième contribution de cette thèse concerne l’étude et l’implémentation de stratégies de reconfiguration dans l’interface de communication radio, qui est souvent la principale source de consommation d’énergie d’un capteur, afin de permettre au nœud et/ou au réseau de minimiser sa consommation lorsque le bilan de liaison RF est favorable. A cette fin, nous avons proposé une approche originale grâce au développement d’un simulateur de réseau dédié, EnvAdapt (basé sur WSNet). Dans cette nouvelle plateforme, des modèles de consommation des différents blocs du transceiver radio et des algorithmes de reconfiguration ont été implémentés afin d’étudier l’impact de la reconfiguration des performances de la radio sur la qualité de service et l’autonomie d’un réseau de capteurs
Technological advances achieved over the past decade in the fields of microsystems and wireless communications have enabled the development of small size and low cost sensor nodes equipped with wireless communication capabilities able to establish a wireless sensor network (WSN). Each sensor node is typically equipped with one or several sensing unit, a data processing unit, a wireless communication interface and a battery. The challenges raised by WSNs has lead to the emergence of a new research domain which focuses on the study and deployment of such a networks in order to offer the required remote monitoring and control solutions for complex and unreachable environment. WSNs have found application in a wide range of different domains, including home and structural health monitoring, military surveillance, and biomedical health monitoring. These applications usually impose stringent constraints on the WSN lifetime which is expected to last several years. To reach this objective, it is necessary to reduce the overall energy consumption of the sensor node and to find an additional source of energy as well. To address the last point, energy harvesting from the environment seems to be a an efficient approach to sustain WSNs operations. However, energy harvesting devices, which must also be small, are usually unable to ensure a continuous operation of sensor nodes. Thus, it is necessary to adapt the WSN consumption and activity to the low and unpredictable energy scavenged. The work presented in this thesis focuses on the issue of simulation and power consumption of autonomous sensor nodes. We have first developed, HarvWSNet, a co-simulation framework combining WSNet and Matlab that provides adequate tools to accurately simulate heterogenous protocols (based on discrete-time events) and energy harvesting systems (based on continuous-time events). We have demonstrated that HarvWSNet allows a rapid evaluation of energy-harvesting WSNs deployment scenarios that may accelerate the time-to-market for these systems. Thanks to the accurate energy models (battery, supercapacitor, etc.) implemented in this platform, we have studied and evaluated a large scale deployment of solar and wind energy-harvesting WSNs. Our second contribution focuses on the implementation of energy-aware reconfiguration strategies in the radio transceiver which is usually considered as the most energy hungry component in a sensor node. These strategies are intended to reduce the excessive power consumption of the radio transceiver when the channel conditions are favorable. To this end, we have a new simulation framework called EnvAdapt (based also on WSNet) dedicated to the evaluation of reconfigurable radio transceivers for WSNs. In EnvAdapt, we have implemented the required radio transceiver behavioral and power consumption models that allows the evaluation of the impact of radio transceiver reconfiguration on the communication performance and lifetime of WSNs

L'avènement de l'Internet des Objets a permis de déployer de nombreux réseaux de capteurs sans-fil. Ces réseaux sont utilisés dans des domaines aussi variés que l'agriculture, l'industrie ou la ville intelligente, où ils permettent d'optimiser finement les processus. Ces appareils sont le plus souvent alimentés par des piles ou batteries, ce qui limite leur autonomie. De plus, il n'est pas toujours possible ou financièrement viable de changer ou recharger les batteries. Une solution possible est d'alimenter ces capteurs en récupérant l'énergie présente dans l'environnement alentour. Ces sources d'énergie sont cependant peu fiables, et le capteur doit être capable d'éviter de vider complètement sa réserve d'énergie. Afin de moduler sa consommation d'énergie, le capteur peut adapter sa qualité de service à ses capacités énergétiques. L'appareil peut ainsi fonctionner en continu sans interruption de service. Cette thèse présente les méthodes utilisées pour la conception d'un capteur entièrement autonome alimenté par récupération d'énergie ambiante, communiquant sur un réseau longue portée LoRa. Afin d'assurer l'alimentation électrique, une carte permettant de récupérer de l'énergie depuis plusieurs sources d'énergie simultanément a été conçue. Un module logiciel de gestion d'énergie a ensuite été développé afin de calculer un budget énergétique que le capteur peut dépenser, et choisir la meilleure manière de dépenser ce budget pour exécuter une ou plusieurs tâches. Ce travail a ainsi permis le développement d'un prototype de produit industriel entièrement autonome en énergie
The advent of the Internet of Things has enabled the roll-out of a multitude of Wireless Sensor Networks. These networks can be used in various fields, such as agriculture, industry or the smart city, where they facilitate fine optimization of processes. These devices are often powered by primary or rechargeable batteries, which limits their battery life. Moreover, it is sometimes not possible or financially viable to change and/or recharge these batteries. A possible solution is to harvest energy from the environment to power these sensors. But these energy sources are unreliable, and the sensor must be able to prevent the complete depletion of its energy storage. In order to adapt its energy consumption, the node can match its quality of service to its energetical capabilities. Thus, the device can continuously operate without any service interruption. This thesis presents the methods used for the conception of a completely autonomous sensor, powered by energy harvesting and communicating through a long range LoRa network. In order to ensure its power supply, a board has been designed to harvest energy from multiple energy sources simultaneously. A power management software module has then been developed to calculate an energy budget the sensor can use, and to choose the best way to spend this budget over one or multiple tasks. This work has enabled the development of an energy autonomous industrial sensor prototype

Dans le domaine des réseaux de capteurs sans-fil (dits « WSN »), les piles réseau spécialisées constituent un domaine de recherche très actif depuis maintenant de nombreuses années. Toutefois, beaucoup de ces études, notamment concernant les couches basses de ces piles réseau, n’ont pas dépassé le stade de la théorie. Leurs implantations n’ont sauf exception pas fait l’objet d’efforts poussés ou systématiques, surtout dans le cadre des systèmes d’exploitation spécialisés. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de nous focaliser sur l’analyse des interactions entre les protocoles des couches basses et les plates-formes logicielles dédiées, et de les optimiser, notamment au niveau de l’implantation. Nous passons d’abord en revue et évaluons les différents systèmes d’exploitation spécialisés, et choisissons celui offrant les fonctionnalités, notamment temps-réel, que nous estimons nécessaires pour implanter des protocoles MAC / RDC novateurs et performants. Nous entreprenons ensuite un effort d’étude, d’amélioration et d’optimisation de ces couches basses des piles spécialisées, et montrons, avec une implantation concrète d’un de nos protocoles MAC / RDC avancés, que nous pouvons amener des progrès notables dans la qualité de service (QdS) des WSN, notamment avec un trafic réseau intense. Nous examinons en outre des inexactitudes inattendues dans les simulations / émulations effectuées par Cooja / MSPSim, et analysons les problèmes de fiabilité posés par l’utilisation de cet outil pour effectuer des évaluations de performances, notamment temporelles, de WSN. Nous proposons enfin de nouvelles pistes pour de futures améliorations et optimisations de ces couches basses des piles réseau spécialisées, afin d’améliorer encore la fiabilité, les performances et la consommation énergétique des WSN
In the field of wireless sensors networks (WSN), specialized network stacks have been a very active research field for many years. However, most of this research, especially on lower layers of the network stacks, did not go beyond theory. Their implementations have generally not been the subject of deep or systematic effort, especially within the framework of dedicated operating systems. We thus propose, in this thesis, to focus on interaction analysis between lower layers’ protocols and dedicated software platforms, and to optimize them, especially at the implementation level. We first review and evaluate the various dedicated operating systems, and choose the one offering the necessary features to implement efficient and innovative MAC/RDC protocols. We then study, improve and optimize these lower layers of specialized stacks, and show, with an actual implementation of one of our advanced MAC/RDC protocols, that we can bring significant improvements in the quality of service (QoS) of WSNs, especially under heavy network traffic. We also report inaccuracies in Cooja/MSPSim simulations/emulations, and analyze the reliability issues caused by the use of this tool for performing evaluations (especially time-related) of WSNs. We finally propose some new leads for future enhancements and optimizations of the lower layers of these specialized network stacks, in order to further improve the liability, performances and energy consumption of WSNs

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.

Les réseaux de capteurs sans fil qui conviennent pour vaste domaine d’applications, constituent une solution prometteuse qui répond à toute exigence de surveillance continue. L’autonomie énergétique des nœuds constitue un facteur de vulnérabilité qui influe directement leur longévité et la capacité du réseau à assurer longuement la couverture d’une zone géographique d’intérêt. La gestion de consommation énergétique représente la seule approche pour accroître la durée de vie de ces réseaux et leur conférer une autonomie raisonnable. Des solutions logicielles proposées à travers les protocoles MAC, apportent des améliorations significatives à la minimisation de la dépense énergétique des nœuds. Elles permettent de réduire les périodes d’écoute du canal qui, représente l’opération la plus coûteuse en termes d’énergie dans le fonctionnement des nœuds de capteurs sans fil. Néanmoins, se limiter à ces solutions n’est pas suffisant pour garantir une longévité acceptable. La seule méthode pour optimiser la conservation d’énergie dans les RCSFs est de mettre chaque nœud constamment en mode faible puissance et d’utiliser un mécanisme de télé-réveil à travers des signaux de réveil. Cela implique, l’utilisation de circuits de réveil de faible consommation qui assurent la surveillance de canal et qui déclenchent le réveil des nœuds uniquement à chaque fois qu’événement d’intérêt se produit. Dans ce contexte, une quantité importante de travaux ont proposés l’utilisation d’un mécanisme d’adressage (adresses MAC ou d’autres informations binaires), pour permettre aux nœuds non concernés de retourner rapidement dans son état de sommeil. Cette démarche est intéressante, mais implique toutefois une dépense énergétique non négligeable, liée à la réception et au traitement des informations d’adresse au niveau de tous les nœuds. La solution la plus efficace énergétiquement serait l’utilisation d’une autre forme d’adresse. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de minimisation de la consommation énergétique des RCSFs par la mise en œuvre d’un adressage qui permet aux nœuds de recevoir et de traiter les signaux de réveil, sans allumer leur module de communication principal. Il s’agit pour nous de supprimer la dépense énergétique liée à l’allumage du module RF et à la réception de paquets d’adresse, en se tournant vers l’exploitation de la durée des signaux de réveils. Notre solution se repose sur les caractéristiques matérielles du microcontrôleur (IRQ, Timer/Counter) des nœuds de capteurs. Elle permet de réduire les complexités liées aux conditionnements des signaux de réveils. Notre solution est implémentée sur un réseau de petite taille. Elle est évaluée expérimentalement et ses performances énergétiques sont comparées à celles d’un schéma classique de télé-réveil sans mécanisme d’adressage et à celles d’un schéma classique basé sur le duty-cycling
Wireless sensor networks that are suitable for a wide range of applications, represent a promising solution that meets any requirement for continuous monitoring. The energy autonomy of sensor nodes constitutes a vulnerability factor that directly affects their longevity and the capacity of the network to ensure long coverage of the geographical area of interest. Energy consumption management is the only way to increase the lifespan of these networks and to give them a reasonable autonomy. Software solutions proposed through MAC protocols, bring significant improvements to the minimization of the energy expenditure of sensor nodes. They reduce the idle-listening periods which represents the most expensive operation in terms of energy, in the operation of the wireless sensor nodes. However, Focusing lonely on these solutions is not enough to guarantee acceptable longevity. The only way to optimize energy conservation in the WSN is to constantly put each node in low power mode and use a wakeup mechanism through wake-up signals. This involves the use of low-power wake-up circuits that provide channel monitoring, and trigger node wake-up only whenever event of interest occurs. In this context, a significant amount of work has proposed the use of an addressing mechanism (MAC addresses or other binary informations), to allow non-concerned nodes to quickly return to their sleep state. This approach is interesting, but involves a significant energy expenditure, related to address information’s reception and processing at all nodes. The most energy efficient solution would be the use of another type of address. This thesis is part of the context of minimizing the energy consumption of the WSN, using an addressing system that allows sensor nodes to receive and process the wake-up signals, without turning on their main communication module. It is to eliminate the energy expenditure related to the RF module’s activation and the reception of address packets, by exploiting wakeup signals duration. Our solution is based on the hardware characteristics of the microcontroller (IRQ, Timer/Counter) of sensor nodes. It reduces the complexities related to wakeup signals conditioning. Our solution is implemented on a small network. Its evaluations were done experimentally and its energy performance is compared to a conventional wake-up mechanism without addressing,and a conventional scheme based on duty-cycling

Les dispositifs thermoélectriques, basés sur la conversion d'énergie thermique, offrent des perspectives intéressantes pour le développement de systèmes autonomes. Les principaux défis pour le développement de telles technologies reposent sur l'obtention de dispositifs flexibles, écologiquement et économiquement viables pouvant alimenter des appareils électroniques à faible consommation d'énergie. Le but de cette thèse a donc été de proposer une méthodologie pour l'analyse globale de dispositifs thermoélectriques pour des applications à température ambiante. Dans un premier temps, une approche multi-échelle pour la modélisation de dispositifs thermoélectriques a été développée. A cet effet, trois niveaux d'abstraction ont été considérés. A l'échelle du système, un modèle compact a été développé afin d'évaluer les performances du dispositif dans son environnement. A l'échelle du dispositif, des prototypes virtuels de TEG ont été évalués par le biais de la simulation numérique. A l'échelle des matériaux, la DFT combinée à une approche semi-classique basée sur l'équation de transport de Boltzmann ont été utilisées afin de calculer les propriétés électroniques. La tétraédrite et la famatinite ont été sélectionnées en raison de leurs propriétés prometteuses à température ambiante ainsi que de leur abondance et faible coût. Dans un second temps, des travaux expérimentaux sur la synthèse de nanoparticules de Cu-Sb-S ont été menés. Des nanoparticules quasi-monodisperses avec des tailles inférieures à 50 nm ont été obtenues grâce à la mise au point d'un procédé basé sur la synthèse solvothermale avec surfactant, une méthode faible coût et facilement adaptable à grande échelle
Thermoelectric devices, capitalizing on waste heat conversion, offer good prospects for the development of autonomous systems. The main challenges for technology development are to obtain flexible, environmentally friendly and low-cost thermoelectric devices with performances sufficient enough to power small electronic devices. The aim of this thesis was thus to propose a methodology for the global analysis of thermoelectric devices for ambient temperature applications. The developed methodology enables the evaluation of key parameters impact on the global system. First, a multiscale approach for thermoelectric devices modelling is developed. In this scope, three parallel levels of modeling are addressed. At the system level, a compact model is developed in order to evaluate overall system efficiency as a function of the thermal environment. At the device level, virtual prototypes of printed devices are built and their performances are evaluated via a finite-element simulation tool. Low temperature gradient has to be dealt with by appropriate architecture design. At the material level, quantum DFT is used in conjunction with semi-classical approach using Boltzmann transport theory to calculate electronic properties. Tetrahedrite and famatinite compounds are chosen due to their promising thermoelectric properties at room temperature and their relative abundance and low cost. Secondly, an experimental work has been conducted on the synthesis of sulphide nanoparticles. Quasi-monodisperse nanoparticles with a size not exceeding 50 nm have successfully been fabricated via a low cost and easily scalable surfactant assisted solvothermal technique

Les Éoliennes à Entraînement Direct (ÉED) sont équipées de Générateurs Syn- chrones à Aimants Permanents (GSAP). Leurs trois plus courantes défaillances sont la dé- magnétisation, l’excentricité (statique, dynamique et mixte) et le court-circuit inter-tour. L’analyse de la signature du courant de la machine est souvent utilisée pour rechercher des problèmes du générateur, car ces altérations introduisent des harmoniques supplémen- taires dans les courants générés. La Transformée de Fourier Rapide (TFR) est utilisée pour calculer le spectre des courants. Cependant, la TFR permet de calculer l’ensemble du spec- tre, tandis que le nombre de défauts possible et le nombre d’harmoniques introduites sont faibles. L’algorithme de Goertzel, mis en oeuvre sous forme de filtre (le filtre de Goertzel), est présenté comme une alternative plus efficace au TFR. Le spectre des courants change avec la vitesse du vent, ce qui rend la détection plus difficile. Le Filtre de Kalman Étendu (FKÉ) est proposé comme solution. Le spectre de résidus, calcule entre les courants estimés et les courants générés, est constant, quelle que soit la vitesse du vent. Cependant, l’effet des défauts est visible dans leur spectre. Lors de l’utilisation de l’FKÉ, un défi consiste à estime la matrice de covariance pour le bruit du processus. Une nouvelle méthode était développée pour ça, qui n’utilise aucune de maîtrise du filtre. Les ÉED sont placés soit dans des zones éloignées, soit dans des villes. Pour la surveillance des ÉED, des dizaines ou des centaines de kilomètres de câbles sont nécessaires. Les Réseaux de Capteurs sans Fil (RCF) sont bien adaptés pour être utilisés dans l’infrastructure de communication des ÉED. RCF ont des coûts initiaux et d’entretien plus faibles et leurs installations sont rapides. De plus, ils peuvent compléter les réseaux câblés. Différentes technologies sans fil sont comparées : les technologies à grande surface, ainsi que les technologies à courte portée qui supportent des débits de données élevés
Direct Drive Wind Turbines (DDWTs) are equipped with Permanent Magnet Syn- chronous Generators (PMSGs). Their three most common failures are demagnetization, ec- centricity (static, dynamic and mixed) and inter-turn short circuit. Machine Current Signa- ture Analysis is often used to look for generator problems, as these impairments introduce additional harmonics into the generated currents. The Fast Fourier Transform (FFT) is utilized to compute the spectrum of the currents. However, the FFT calculates the whole spectrum, while the number of possible faults and the number of introduced harmonics is low. The Goertzel algorithm, implemented as a filter (the Goertzel filter), is presented as a more efficient alternative to the FFT. The spectrum of the currents changes with the wind speed, and thus the detection is made more difficult. The Extended Kalman Filter (EKF) is proposed as a solution. The spectrum of the residuals, computed between the estimated and the generated current, is constant, regardless of the wind speed. However, the effect of the faults is visible in the spectrum. When using the EKF, one challenge is to find out the covariance matrix of the process noise. A new method was developed in this regard, which does not use any of the matrices of the filter. DDWTs are either placed in remote areas or in cities. For the monitoring of a DDWT, tens or hundreds of kilometers of cables are necessary. Wireless Sensor Networks (WSNs) are suited to be used in the communication infrastructure of DDWTs. WSNs have lower initial and maintenance costs, and they are quickly installed. Moreover, they can complement wired networks. Different wireless technologies are com- pared - both wide area ones, as well as short range technologies which support high data rates

Depuis plusieurs années, l’agrégation de données sont considérés comme un domaine émergent et prometteur tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie. L’énergie et la capacité du réseau seront donc économisées car il y aura moins de transmissions de données. Le travail de cette thèse s’intéresse principalement aux fonctions d’agrégation Nous faisons quatre contributions principales. Tout d’abord, nous proposons deux nouvelles métriques pour évaluer les performances des fonctions d’agrégations vue au niveau réseau : le taux d’agrégation et le facteur d’accroissement de la taille des paquets. Le taux d’agrégation est utilisé pour mesurer le gain de paquets non transmis grâce à l’agrégation tandis que le facteur d’accroissement de la taille des paquets permet d’évaluer la variation de la taille des paquets en fonction des politiques d’agrégation. Ces métriques permettent de quantifier l’apport de l’agrégation dans l’économie d’énergie et de la capacité utilisée en fonction du protocole de routage considéré et de la couche MAC retenue. Deuxièmement, pour réduire l’impact des données brutes collectées par les capteurs, nous proposons une méthode d’agrégation de données indépendante de la mesure physique et basée sur les tendances d’évolution des données. Nous montrons que cette méthode permet de faire une agrégation spatiale efficace tout en améliorant la fidélité des données agrégées. En troisième lieu, et parce que dans la plupart des travaux de la littérature, une hypothèse sur le comportement de l’application et/ou la topologie du réseau est toujours sous-entendue, nous proposons une nouvelle fonction d’agrégation agnostique de l’application et des données devant être collectées. Cette fonction est capable de s’adapter aux données mesurées et à leurs évolutions dynamiques. Enfin, nous nous intéressons aux outils pour proposer une classification des fonctions d’agrégation. Autrement dit, considérant une application donnée et une précision cible, comment choisir les meilleures fonctions d’agrégations en termes de performances. Les métriques, que nous avons proposé, sont utilisées pour mesurer la performance de la fonction, et un processus de décision markovien est utilisé pour les mesurer. Comment caractériser un ensemble de données est également discuté. Une classification est proposée dans un cadre précis
Wireless Sensor Networks (WSNs) have been regarded as an emerging and promising field in both academia and industry. Currently, such networks are deployed due to their unique properties, such as self-organization and ease of deployment. However, there are still some technical challenges needed to be addressed, such as energy and network capacity constraints. Data aggregation, as a fundamental solution, processes information at sensor level as a useful digest, and only transmits the digest to the sink. The energy and capacity consumptions are reduced due to less data packets transmission. As a key category of data aggregation, aggregation function, solving how to aggregate information at sensor level, is investigated in this thesis. We make four main contributions: firstly, we propose two new networking-oriented metrics to evaluate the performance of aggregation function: aggregation ratio and packet size coefficient. Aggregation ratio is used to measure the energy saving by data aggregation, and packet size coefficient allows to evaluate the network capacity change due to data aggregation. Using these metrics, we confirm that data aggregation saves energy and capacity whatever the routing or MAC protocol is used. Secondly, to reduce the impact of sensitive raw data, we propose a data-independent aggregation method which benefits from similar data evolution and achieves better recovered fidelity. Thirdly, a property-independent aggregation function is proposed to adapt the dynamic data variations. Comparing to other functions, our proposal can fit the latest raw data better and achieve real adaptability without assumption about the application and the network topology. Finally, considering a given application, a target accuracy, we classify the forecasting aggregation functions by their performances. The networking-oriented metrics are used to measure the function performance, and a Markov Decision Process is used to compute them. Dataset characterization and classification framework are also presented to guide researcher and engineer to select an appropriate functions under specific requirements

Récepteurs récupérateurs d’énergie sans fil (WPR) détiennent un avenir prometteur pour la génération d'énergie électrique continue afin d’alimenter complètement ou partiellement les circuits compris dans les systèmes de communication sans fil. Applications importantes telles que l'identification par radiofréquence (RFID) et les réseaux de capteurs sans fils (WSN) fonctionnant aux bandes de fréquences UHF et SHF sont apparues, nécessitant un important effort sur la conception de WPRs d’haute efficacité pour étendre la distance de fonctionnement ou de la durée de vie de ces applications portables. Dans ce contexte, les redresseurs intégrés et les antennes sont d'un intérêt particulier, car ils sont responsables pour la tâche de conversion d'énergie. Ce travail de thèse vise à faire progresser l'étatde l'art à travers de la conception et réalisation de WPRs d’haute efficacité, dès l'antenne jusqu’au stockage de la puissance DC convertie, en explorant les défis d’interconnexion avec leur pleine intégration sur PCBs
Wireless Powered Receivers (WPR) hold a promising future for generating a small amount ofelectrical DC energy to drive full or partial circuits in wirelessly communicating electronic devices.Important applications such as RFIDs and WSNs operating at UHF and SHF bands have emerged,requiring a significant effort on the design of high efficient WPRs to extend the operating range or thelifetime of these portable applications. In this context, integrated rectifiers and antennas are of aparticular interest, since they are responsible for the energy conversion task. This thesis work aims tofurther the state-of-the-art throughout the design and realization of high efficient WPRs from the antennaup to the storage of the converted DC power, exploring the interfacing challenges with their fullyintegration into PCBs

Avec les avancées récentes en microélectronique, en traitement numérique et en technologie de communication, les noeuds de réseau de capteurs sans fil (noeud RCSF) deviennent de moins en moins encombrants et coûteux. De ce fait la technologie de RCSF est utilisée dans de larges domaines d’application. Comme les noeuds RCSF sont limités en taille et en coût, ils sont en général équipés d’un petit microcontrôleur de faible puissance de calcul et de mémoire etc. De plus ils sont alimentés par une batterie donc son énergie disponible est limitée. A cause de ces contraintes, la plateforme logicielle d’un RCSF doit consommer peu de mémoire, d’énergie, et doit être efficace en calcul. Toutes ces contraintes rendent les développements de logiciels dédiés au RCSF très compliqués. Aujourd’hui le développement d’un système d’exploitation dédié à la technologie RCSF est un sujet important. En effet avec un système d’exploitation efficient, les ressources matérielles d’une plateforme RCSF peuvent être utilisées efficacement. De plus, un ensemble de services système disponibles permet de simplifier le développement d’une application. Actuellement beaucoup de travaux de recherche ont été menés pour développer des systèmes d’exploitation pour le RCSF tels que TinyOS, Contiki, SOS, openWSN, mantisOS et simpleRTJ. Cependant plusieurs défis restent à relever dans le domaine de système d’exploitation pour le RCSF. Le premier des défis est le développement d’un système d’exploitation temps réel à faible empreinte mémoire dédié au RCSF. Le second défi est de développer un mécanisme permettant d’utiliser efficacement la mémoire et l’énergie disponible d’un RCSF. De plus, comment fournir un développement d’application pour le RCSF reste une question ouverte. Dans cette thèse, un nouveau système d’exploitation hybride, temps réel à énergie efficiente et à faible empreinte mémoire nommé MIROS dédié au RCSF a été développé. Dans MIROS, un ordonnanceur hybride a été adopté ; les deux ordonnanceurs évènementiel et multithread ont été implémentés. Avec cet ordonnanceur hybride, le nombre de threads de MIROS peut être diminué d’une façon importante. En conséquence, les avantages d’un système d’exploitation évènementiel qui consomme peu de ressource mémoire et la performance temps réel d’un système d’exploitation multithread ont été obtenues. De plus, l’allocation dynamique de la mémoire a été aussi réalisée dans MIROS. La technique d’allocation mémoire de MIROS permet l’augmentation de la zone mémoire allouée et le réassemblage des fragments de mémoire. De ce fait, l’allocation de mémoire de MIROS devient plus flexible et la ressource mémoire d’un noeud RCSF peut être utilisée efficacement. Comme l’énergie d’un noeud RCSF est une ressource à forte contrainte, le mécanisme de conservation d’énergie a été implanté dans MIROS. Contrairement aux autres systèmes d’exploitation pour RCSF où la conservation d’énergie a été prise en compte seulement en logiciel, dans MIROS la conservation d’énergie a été prise en compte à la fois en logiciel et en matériel. Enfin, pour fournir un environnement de développement convivial aux utilisateurs, un nouveau intergiciel nommé EMIDE a été développé et intégré dans MIROS. EMIDE permet le découplage d’une application de système. Donc le programme d’application est plus simple et la reprogrammation à distance est plus performante, car seulement les codes de l’application seront reprogrammés. Les évaluations de performance de MIROS montrent que MIROS est un système temps réel à faible empreinte mémoire et efficace pour son exécution. De ce fait, MIROS peut être utilisé dans plusieurs plateformes telles que BTnode, IMote, SenseNode, TelosB et T-Mote Sky. Enfin, MIROS peut être utilisé pour les plateformes RCSF à fortes contraintes de ressources
With the recent advances in microelectronic, computing and communication technologies, wireless sensor network (WSN) nodes have become physically smaller and more inexpensive. As a result, WSN technology has become increasingly popular in widespread application domains. Since WSN nodes are minimized in physical size and cost, they are mostly restricted to platform resources such as processor computation ability, memory resources and energy supply. The constrained platform resources and diverse application requirements make software development on the WSN platform complicated. On the one hand, the software running on the WSN platform should be small in the memory footprint, low in energy consumption and high in execution efficiency. On the other hand, the diverse application development requirements, such as the real-time guarantee and the high reprogramming performance, should be met by the WSN software. The operating system (OS) technology is significant for the WSN proliferation. An outstanding WSN OS can not only utilize the constrained WSN platform resources efficiently, but also serve the WSN applications soundly. Currently, a set of WSN OSes have been developed, such as the TinyOS, the Contiki, the SOS, the openWSN and the mantisOS. However, many OS development challenges still exist, such as the development of a WSN OS which is high in real-time performance yet low in memory footprint; the improvement of the utilization efficiency to the memory and energy resources on the WSN platforms, and the providing of a user-friendly application development environment to the WSN users. In this thesis, a new hybrid, real-time, energy-efficient, memory-efficient, fault-tolerant and user-friendly WSN OS MIROS is developed. MIROS uses the hybrid scheduling to combine the advantages of the event-driven system's low memory consumption and the multithreaded system's high real-time performance. By so doing, the real-time scheduling can be achieved on the severely resource-constrained WSN platforms. In addition to the hybrid scheduling, the dynamic memory allocators are also realized in MIROS. Differing from the other dynamic allocation approaches, the memory heap in MIROS can be extended and the memory fragments in the MIROS can be defragmented. As a result, MIROS allocators become flexible and the memory resources can be utilized more efficiently. Besides the above mechanisms, the energy conservation mechanism is also implemented in MIROS. Different from most other WSN OSes in which the energy resource is conserved only from the software aspect, the energy conservation in MIROS is achieved from both the software aspect and the multi-core hardware aspect. With this conservation mechanism, the energy cost reduced significantly, and the lifetime of the WSN nodes prolonged. Furthermore, MIROS implements the new middleware software EMIDE in order to provide a user-friendly application development environment to the WSN users. With EMIDE, the WSN application space can be decoupled from the low-level system space. Consequently, the application programming can be simplified as the users only need to focus on the application space. Moreover, the application reprogramming performance can be improved as only the application image other than the monolithic image needs to be updated during the reprogramming process. The performance evaluation works to the MIROS prove that MIROS is a real-time OS which has small memory footprint, low energy cost and high execution efficiency. Thus, it is suitable to be used on many WSN platforms including the BTnode, IMote, SenseNode, TelosB, T-Mote Sky, etc. The performance evaluation to EMIDE proves that EMIDE has less memory cost and low energy consumption. Moreover, it supports small-size application code. Therefore, it can be used on the high resource-constrained WSN platforms to provide a user-friendly development environment to the WSN users

Les dispositifs thermoélectriques, légers et flexibles, peuvent être particulièrement intéressants aujourd’hui dans le contexte de l’émergence de l’informatique ubiquitaire, ainsi que de la crise environnementale liée à la consommation d’énergie électrique. Cependant, beaucoup de problèmes doivent encore être résolus pour rendre les dispositifs de récupération de chaleur commercialement viables. Dans cette thèse nous avons élaboré une méthode de conception et de fabrication par impression jet d’encre de générateurs flexibles à base de semi-conducteurs organiques et hybrides. En premier lieu, les travaux ont été consacrés au développement de matériaux thermoélectriques efficaces, stables et synthétisés par voie liquide. Les stratégies d’optimisation employées reposent sur la modulation de la concentration de porteurs de charge et le contrôle de la morphologie microscopique du matériau. En second lieu, nous avons effectué un travail de conception et de modélisation de dispositifs thermoélectriques ainsi que de leurs paramètres géométriques en utilisant des outils numériques. La modélisation numérique a été réalisée par la méthode des éléments finis 3D et par couplage d’effets physiques multidimensionnels. L’aboutissement de notre projet a été la formulation des matériaux en encres pour la fabrication de générateurs thermoélectriques par la technique de dépôt par impression jet d’encre. Différentes structures et architectures ont été expérimentalement caractérisées et systématiquement comparées aux évaluations numériques. Ainsi, nous présentons une approche intégrale de conception et de fabrication de dispositifs thermoélectriques opérant à des températures proches de l’ambiant
Flexible lightweight printed thermoelectric devices can become particularly interesting with the advent of ubiquitous sensing and within the context of current energy and environmental issues. However, major drawbacks of state of the art thermoelectric materials must be addressed to make waste heat recovery devices commercially feasible. In this PhD thesis, we’ve elaborated and described a method to fabricate optimized, fully inkjetprinted flexible thermoelectric generators based on organic and hybrid semiconductors. This research project can be divided into three stages: First is the development of effective, stable and solution-processed p-type and n-type thermoelectric materials. Our effort in optimizing thermoelectric materials were based on modulation of charge carrier concentration and on control of morphology. Second, design and modeling of thermoelectric devices and their geometric parameters using numerical simulation methods. Numerical simulations were based on a 3D-finite element analysis and simulation software for coupled physical problems to model and design thermoelectric devices. Finally, formulation of materials into ink in order to produce thermoelectric generators by inkjet printing deposition. Various structures and architectures were experimentally characterized and systematically compared to numerical evaluations. Hence, we produced an extensive study on designing and producing thermoelectric devices operating at near ambient temperature and conditions

Due to size effects, the microtechnologies that are used to manufacture micro-sensors, allowed a drastic reduction of electrical power consumption. This feature contributed to the emergence of the concept of autonomous sensors, which have the ability to take the energy needed for their operation from the environment where they are located. Among the different energy sources, our choice was made on ambient mechanical vibrations. The electromechanical conversion is done within a transducer integrated with a micromechanical structure. In this work, we have designed and fabricated an electrostatic transducer based on silicon-glass technology, which required the development of a dedicated deep etching process. The device was tested experimentally and we have obtained a conversion of mechanical energy into electrical energy, corresponding to a power of 61 nW, with a device whose surface area is only 66 mm². This device is the first miniaturized silicon converter based on electrostatic transduction which does not use an electret

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la transmission d'énergie sans fil, appliquée à l'alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d'actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception, la caractérisation, et la mesure d'un circuit Rectenna (Rectifying antenna) à double polarisation circulaire à 2.45 GHz, compact et à rendement de conversion RF-DC optimisé. Un outil d'analyse globale basé sur la méthode itérative a été développé et exploité pour valider la faisabilité de cette analyse. La diode Schottky a été modélisée en utilisant une impédance de surface. La rectenna à double polarisation circulaire, réalisée en technologie micro-ruban, a été validée expérimentalement. Elle est caractérisée par la rejection de la 2ème harmonique et une possibilité de recevoir les deux sens de polarisation LHCP et RHCP par l'intermédiaire de 2 accès. Le rendement mesuré avec une densité de puissance de 0.525 mW/cm² est de l'ordre de 63%, tandis que la tension DC obtenue aux bornes d'une charge optimale de 1.6 kohm est de 2.82 V
The work presented in this thesis is within the subject of wireless power transmission, power applied to the remote sensors, networks of sensors and actuators with low power consumption. This study focuses on the design, characterization, and measurement of a rectenna circuit (rectifying antenna) with dual circular polarization at 2.45 GHz, and optimisation of the conversion efficiency. A global analysis tool, based on the iterative method was developed and used to validate the feasibility of this concept by this method. The Schottky diode was modeled using surface impedance. The dual circular polarization rectenna with microstrip technology has been optimized and characterized experimentally operating at 2.45 GHz. It includes the property of harmonic rejections. Two accesses can receive either direction LHCP or RHCP sense. The conversion efficiency of 63% has been measured with a power density of 0.525 mW/cm². A DC voltage of 2.82V was measured across an optimum load of 1.6 kohm