Добірка наукової літератури з теми "Internet des objets – Alimentation en énergie"

L’avènement de l’Internet des Objets a fait de la récupération d’énergie ambiante un enjeu majeur dans le but d’alimenter les microsystèmes communicants. Dans ce contexte, les travaux réalisés dans cette thèse portent sur le développement d'un micro-générateur piézoélectrique flexible, capable de convertir l’énergie mécanique de faibles flux d’air. L’objectif est de rendre certains microsystèmes autonomes en énergie, ou du moins de permettre de prolonger leur durée d’utilisation avec la récupération d'énergie. Les micro-générateurs flexibles sont fabriqués à partir de films minces de zircono-titanate de plomb (PZT) de 3 μm d’épaisseur encapsulés entre des films de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET). Le procédé de fabrication des micro-générateurs a été optimisé afin d’accroître leur rendement. Ainsi, l’optimisation de la structure d’électrodes et de la géométrie du générateur a permis de multiplier par 625 la puissance maximale récupérée. Dans cette étude, les micro-générateurs ont été soumis à différents types de sollicitations mécaniques (pot-vibrant, système de traction/compression et soufflerie) de manière à évaluer leur aptitude à la récupération d’énergie. Ainsi, les essais en soufflerie ont montré qu’il était possible de récupérer une puissance de 38 μW à 10 Hz lorsqu‘un générateur était soumis à un faible courant d'air (6 m/s). Ce générateur a permis d’alimenter un capteur de température communicant durant plusieurs cycles de mesures/envoi des données
The advent of the Internet of Things has rendered the ambient energy harvesting a major issue for powering communicating microsystems. In this context, this work focuses on the development of a flexible piezoelectric micro-generator able to convert the mechanical energy from low airflows. The objective is to develop autonomous microsystems, or at least to extend their lifespan with energy harvesting. To harvest ambient energy, the flexible micro-generators are made of 3 μm-thick lead zirconate titanate (PZT) thin films encapsulated between polyethylene terephthalate (PET) films. The manufacturing process of the micro-generators has been optimized in order to increase their energy efficiency. Both the optimization of the electrode structure and the geometry of the generator made the maximum harvested power increase by a factor of 625. In this work, to characterize the energy harvesting, the micro-generators were excited with different systems (shaker, traction/compression system and wind tunnel). Thus, wind tunnel tests have shown that it was possible to harvest a power of 38 μW at 10 Hz when the generator was subjected to a low airflow (6 m/s). This generator allowed to power a communicating temperature sensor during several measurement/data transmission cycles

L’essor considérable des applications liées aux récents progrès de l’internet des objets (IoT) nécessite de développer de nouvelles solutions de collecte de l’énergie environnante pour alimenter les microsystèmes. L’abondance de la chaleur dans notre environnement permet aux dispositifs de récupération de l’énergie thermique d’être une des solutions. Dans ce travail, nous avons développé une famille de micro-générateurs thermoélectriques planaires (µTEG), intégrant une topologie originale de thermopile en 2.5D périodiquement repliée et distribuée sur multi-membrane, capable de convertir de manière directe la chaleur en énergie électrique utile. Cette thermopile, à grande densité d’intégration, emploie des thermocouples à base de matériaux thermoélectriques métalliques (Chromel et Constantan), associés électriquement soit en série, soit en parallèle, permettant de réduire drastiquement la résistance électrique interne de ces µTEGs, à quelques dizaines de Ohms. Pour obtenir de ces modules une puissance de sortie maximale, des modélisations numériques 3D sous COMSOL Multiphysics®, au niveau thermique, ont permis d’optimiser leur dimensionnement. La fabrication de ces dispositifs a été réalisée par des procédés compatibles CMOS, à faible coût, utilisant des matériaux non polluants, abondants, et respectueux de l’environnement. Elle a employé la technique de gravure profonde DRIE de wafers de Silicium pour libérer des membranes de longueurs ajustables permettant d’adapter la résistance thermique des µTEGs à leur environnement. Les dispositifs réalisés en centrale de technologie ont été caractérisés à l’aide de bancs de mesure spécifiques développés à cette fin. La récupération d’un Watt de chaleur permet d’atteindre des puissances électriques thermogénérées de quelques centaines de microwatts. Cela classe ces nouveaux µTEG 2.5D parmi les meilleurs µ-modules de l’état de l’art utilisant des thermoélectriques métalliques
The tremendous growth of applications related to recent advances in the Internet of Things (IoT) requires the development of new solutions for harvesting/scavenging the environmental energy to power microsystems. The abundance of heat in our environment allows thermal energy harvesting devices to be one of the solutions. In this work, we have developed a family of planar micro-thermoelectric generators (µTEG), integrating a novel 2.5D thermopile topology periodically folded and distributed on multi-membrane, capable of converting heat directly into useful electrical energy. This thermopile, with high integration density, uses thermocouples based on metallic thermoelectric materials (Chromel and Constantan), electrically associated either in series or in parallel, allowing to reduce drastically the internal electrical resistance of these µTEGs to a few tens of Ohms. A 3D thermal modelling in COMSOL Multiphysics® was used to design the optimal dimensions of the modules so they would deliver the maximum output power. The fabrication of these devices is made by low-cost CMOS-compatible processes, using non-polluting, abundant and environmentally friendly materials. Deep reactive ionic etching (DRIE) of Silicon wafers is used to release membranes with adjustable lengths allowing to adapt the thermal resistance of these µTEGs to their environment. The devices realized in IEMN clean room, have been characterized using specific measurement benches developed for this purpose. The harvesting of one Watt of heat leads to thermo-generated electrical powers of a few hundred microwatts. This ranks these new 2.5D µTEGs among the best state-of-the-art µ-modules using metallic thermoelectrics

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

L'essor de l'Internet des Objets amène une multiplication des objets connectés, mais leur alimentation pose problème. Les batteries traditionnelles, limitées et peu durables, impactent l'environnement. La récupération d'énergie environnementale, notamment l'énergie vibratoire via la piézoélectricité, se présente comme une solution. Cette thèse se concentre sur des algorithmes MPPT pour optimiser cette conversion énergétique, tenant compte des fluctuations des sources vibratoires. Un modèle système optimisé réduit les ressources de simulation, et une approche FOCV améliorée diminue les composants. Les résultats expérimentaux confirment la précision du modèle, tandis qu'un nouvel algorithme, l'AFOCV, démontre une efficacité remarquable, même à faible tension, améliorant significativement les performances des systèmes piézoélectriques
The rise of the Internet of Things leads to an increase in interconnected objects, but their power supply poses a challenge. Conventional batteries, limited and not long-lasting, have environmental implications. Environmental energy harvesting, specifically vibrational energy through piezoelectricity, emerges as a solution. This thesis focuses on MPPT algorithms to optimize this energy conversion, considering fluctuations in vibrational sources. An optimized system model reduces simulation resources, and an enhanced FOCV approach decreases components. Experimental results validate the model's accuracy, while a new algorithm, AFOCV, demonstrates remarkable efficiency, even at low voltage, significantly enhancing piezoelectric system performance

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

La prolifération des réseaux ad hoc mobiles, pair-à-pair et de capteurs ont encouragé le développement des concepts d'une informatique autonome avec potentiellement un large éventail d'applications. Or, la vulnérabilité inhérente de ces réseaux autonomes introduit de nouveaux challenges de sécurité, telles que des attaques internes menées par des entités malveillantes. Plusieurs de ces attaques sont difficiles à détecter et à contrarier en raison de leur comportement asymptotique au comportement de processus légitimes des systèmes en interaction. Par ailleurs, la limitation des ressources de certains réseaux autonomes (réseaux de capteurs sans fil, réseaux mobiles ad hoc) constitue un autre grand challenge pour leur robustesse qui englobe à la fois la tolérance aux défaillances et la sécurité. Dans ce contexte, nos travaux se sont articulés autour de deux axes de recherche qui se situent à deux limites de la connaissance contemporaine sur la sécurité des systèmes : la sécurité collaborative des systèmes complexes en interaction et la sécurité des systèmes à fortes contraintes de ressources. Nous nous sommes fixés comme objectif le développement de solutions algorithmiques aptes à satisfaire les besoins des utilisateurs en termes de performance et de robustesse tout en leur permettant de faire abstraction de la complexité sous-jacente. Nous avons démontré à travers nos travaux que l'interaction robuste et sécurisée entre ces systèmes atypiques est possible. Elle est possible grâce à une nouvelle appréhension de la sécurité basée sur la collaboration de processus de confiance, et la prévention à base de mécanismes proactifs de tolérance aux disfonctionnements. Nous avons mené une recherche à la fois scientifique, technologique et intégrative dans le cadre de projets pluridisciplinaires, qui s'inscrivent dans des domaines aussi variés que la santé, l'agriculture, la gestion du trafic urbain, les systèmes embarqués, les réseaux et la sécurité des échanges. L'évolution de nos axes de recherche est principalement motivée par la prise en compte de nouvelles évolutions technologiques et de leur usage, pour lesquelles nous proposerons des solutions algorithmiques de sécurité tout en optimisant les coûts inhérents. En l'occurrence, une évolution majeure qui s'inscrit dans la continuité des développements récents des technologies de l'information et de la communication et des systèmes embarqués, est " l'internet des objets (IdO)". Cette évolution technologique sera accompagnée d'une évolution des usages et de l'écosystème technologique environnant dans toute sa complexité. Nous allons montrer que cette nouvelle " technologie de rupture " à enjeux socioéconomiques importants suscite ses propres challenges de sécurité et de " privacy ". Nous présenterons une évolution de la thématique de sécurité de l'IdO en trois phases : la sécurité efficace pour une informatique embarquée miniaturisée, la sécurité et " privacy " centrée sur l'utilisateur selon le contexte, et une approche cognitive et systémique de la sécurité de l'IdO. En effet, nous montrerons que l'évolution des objets vers plus d'autonomie à percevoir et à agir sur l'environnement, accentuera les enjeux de la sécurité et de la " privacy ". En conséquence, la sécurité de l'Internet des objets devrait aussi évoluer vers plus d'autonomie perceptive et actionnelle en se basant sur une approche cognitive et systémique centrée sur les objets intelligents.

L'avènement de l'Internet of Things (IoT) soulève diverses problématiques, tant au niveau du développement que du déploiement des applications IoT dans les infrastructures de calculs. Par ailleurs, l'infrastructure de calcul la plus répandue de nos jours est celle du Cloud Computing reposant sur des centres de données centralisés communicants entre eux et avec les utilisateurs par le biais d'équipements réseau monolithiques et peu flexibles. L'importance de revoir ce schéma a été mise en avant dans le but de faire face aux défis d'un environnement IoT, hétérogène, mobile et générant une grande quantité de données exigeant des temps de traitements quasi-instantanés. Le modèle classique de l'IoT amenant les objets IoT à envoyer des informations via leurs passerelles au Cloud, qui ensuite fournit les services aux applications trouve des extensions dans l'approche Fog ou Edge permettant de rapprocher les services des usagers en s'appuyant notamment sur des équipements de calcul et de communication intermédiaires entre les utilisateurs et les centres de données. L'architecture Fog Computing est considérée comme étant l'un des schémas permettant d'exploiter la capacité de calcul et de stockage de l'infrastructure réseau en plus de celle du Cloud pour le déploiement des services IoT au plus près des objets IoT. Cependant, les équipements réseau sont hétérogènes et à faible capacité de calcul, ils couvrent une large zone géographique et doivent faire face à la mobilité des utilisateurs IoT. Tout ceci complexifie le problème du placement et de l'ordonnancement des services dans le but d'optimiser divers paramètres tels que l'énergie consommée, les différents coûts liés au placement et l'amélioration de la qualité de service des applications. L'objectif de notre thèse est de proposer des stratégies de placement de services IoT dans une architecture Fog tout en prenant en compte la nature dynamique de l'environnement apportée par la mobilité des objets IoT, le coût énergétique des infrastructures de calcul et les exigences en qualité de service des applications déployées
The advent of the Internet of Things (IoT) raises various issues, both in terms of the development and deployment of IoT applications in computing infrastructures. Cloud Computing is the most widespread computing infrastructure today. It is based on data centers that communicate with each other and with users via monolithic, inflexible network equipments. The importance of revising this schema has been highlighted in order to meet the challenges of an IoT environment that is heterogeneous, mobile and generates a large amount of data that requires rapid processing. The classic IoT model, in which IoT objects send information via their gateways to the Cloud, which then provides services to the applications, finds extensions in the Fog or Edge approach, which enables services to be brought closer to users by relying on intermediate computing and communication equipments between users and data centers. The Fog Computing architecture allows exploiting the computing and storage! capacities of the network infrastructure, in addition to that of the Cloud, for the deployment of IoT services and thus extending and bringing services closer to IoT objects. However, network equipments are heterogeneous and with low computing capacity, they cover a large geographical area and must cope with the mobility of IoT users. All this adds complexity to the problem of service placement and scheduling in order to optimize various parameters such as energy consumption, different costs related to placement and improving the applications quality of service requirements. The objective of our thesis is to propose IoT service placement strategies in a Fog infrastructure while taking into account the dynamic nature of the environment brought by user mobility, the energy cost of computing infrastructures and the QoS requirements of deployed applications

Les réseaux de capteurs visuels sans fil basés sur les réseaux maillés IEEE 802.11 sont des solutions efficaces et adaptées aux systèmes de vidéosurveillance pour surveiller les intrusions dans des zones sélectionnées. Les réseaux de capteurs visuels basés sur IEEE 802.11 offrent des transmissions vidéo à haut débit mais souffrent de problèmes d'inefficacité énergétique. De plus, la transmission vidéo dans les réseaux de capteurs visuels nécessite une qualité de service (QoS) stricte en termes de bande passante et de délai. En outre, il est difficile de réduire la consommation énergétique globale du réseau tout en garantissant une qualité de service garantie en termes de bande passante et de délai dans les réseaux de capteurs visuels sans fil à énergie limitée. La principale contribution de cette thèse est de fournir un réseau de vidéosurveillance économe en énergie sans compromettre l'exigence de qualité de service de la transmission vidéo. Premièrement, nous proposons une nouvelle architecture de réseau hybride IoT pour un système de vidéosurveillance qui détecte et suit un intrus dans la zone de surveillance. Le réseau IoT hybride intègre les réseaux de capteurs visuels multi-sauts basés sur IEEE 802.11 et le réseau LoRa pour fournir un système de vidéosurveillance autonome, économe en énergie et à haut débit. Tirant parti des caractéristiques du réseau LoRa, le réseau LoRa est utilisé comme un réseau toujours actif pour la détection et le suivi préliminaires des mouvements. De plus, le réseau LoRa décide également quels nœuds de capteurs visuels réveiller en fonction des informations de suivi. Le filtre de Kalman est étudié pour suivre la trajectoire de l'intrus à partir des mesures de bruit des capteurs de mouvement à faible puissance afin d'activer uniquement les nœuds de capteurs visuels le long de la trajectoire de l'intrus pour fournir une surveillance vidéo efficace. Nous avons montré par simulation que le filtre de Kalman estime et prédit la trajectoire de l'intrus avec une précision raisonnable. De plus, l'approche de réseau hybride IoT proposée réduit considérablement la consommation d'énergie par rapport à un réseau de capteurs visuels à un seul niveau de surveillance continue traditionnelle et toujours active. Ensuite, la contribution de cette thèse se concentre sur un mécanisme de routage sensible à l'énergie et QoS pour le réseau de capteurs visuels multi-sauts basé sur IEEE 802.11 du réseau hybride IoT. Nous proposons un algorithme de routage qui route un ensemble de flux vidéo vers la passerelle avec une QoS garantie en termes de bande passante et de délai tout en minimisant le nombre de nœuds capteurs visuels impliqués dans le routage. Cela maximise le nombre de nœuds pouvant être complètement désactivés pour optimiser la consommation énergétique globale du réseau sans compromettre les performances QoS. Le problème de routage proposé est formulé comme un programme linéaire entier (ILP) et résolu à l'aide d'un algorithme branch-and-bound. Grâce à la simulation informatique, les performances de l'approche proposée sont comparées aux algorithmes de routage de pointe existants dans la littérature. Les résultats montrent clairement que le mécanisme proposé permet d'économiser une quantité significative de la consommation d'énergie globale tout en garantissant la QoS en termes de bande passante et de délai
Wireless visual sensor networks based on IEEE 802.11 mesh networks are effective and suitable solutions for video surveillance systems in monitoring intrusions in selected areas. The IEEE 802.11-based visual sensor networks offer high bit rate video transmissions but suffer from energy inefficiency issues. Moreover, the video transmission in the visual sensor networks requires strict quality of service (QoS) in terms of bandwidth and delay. Also, it is challenging to decrease the overall energy consumption of the network while assuring guaranteed QoS in terms of bandwidth and delay in energy-constrained wireless visual sensor networks. The main contribution of this dissertation is to provide an energy-efficient video surveillance network without compromising the QoS requirement of video transmission. First, we propose a new hybrid IoT network architecture for a video surveillance system that detects and tracks an intruder in the monitoring area. The hybrid IoT network integrates the IEEE 802.11-based multi-hop visual Sensor Networks and LoRa network to provide an autonomous, energy-efficient, high-bitrate video surveillance system. Leveraging the LoRa network characteristics, the LoRa network is utilized as an always-active network for preliminary motion detection and tracking. Moreover, the LoRa network also decides which visual sensor nodes to wake up depending on the tracking information. The Kalman filter is investigated to track the intruder's trajectory from noise measurements of low-power motion sensors to activate only the visual sensor nodes along the intruder's trajectory to provide effective video vigilance. We showed through simulation that Kalman filter estimates and predicts intruder trajectory with reasonable accuracy. Moreover, the proposed hybrid IoT network approach reduces energy consumption significantly compared with a traditional, always active continuous monitoring single-tier visual sensor network. Next, the contribution of this dissertation focuses on an energy-aware and QoS routing mechanism for the IEEE 802.11-based multi-hop visual sensor network of the hybrid IoT network. We propose a routing algorithm that routes a set of video streams to the gateway with guaranteed QoS in terms of bandwidth and delay while minimizing the number of visual sensor nodes that are involved in routing. This maximizes the number of nodes that can be turned off completely to optimize the overall energy consumption of the network without compromising QoS performance. The proposed routing problem is formulated as an Integer Linear Program (ILP) and solved using the branch-and-bound algorithm. Through computer simulation, the performance of the proposed approach is compared with the existing state-of-the-art routing algorithms from the literature. The results clearly show that the proposed mechanism saves a significant amount of the overall energy consumption while guaranteeing QoS in terms of bandwidth and delay

Les microcontrôleurs sont des ordinateurs embarqués miniatures. Leur faible consommation ainsi que leur équipement permettent d’interagir avec l’environnement et de communiquer via les ondes. Ainsi, pourquoi ne pas former un grand maillage, pour administrer une maison, un complexe industriel, ou une ville entière ? Ce passage à l’échelle est difficile, et même si des solutions existent pour gérer des réseaux maillés, les impératifs de robustesse et d’efficacité poussent à faire des compromis. Dans cette thèse, nous cherchons une méthode minimaliste permettant de construire des réseaux maillés à grande échelle, autonomes en énergie et autogérés sans coordinateur. Nous exécutons des applications distribuées en rondes synchrones, à la manière d’un automate cellulaire. La mise en en pratique nécessite de répondre à la problématique de la synchronisation : la différence de vitesse entre les nœuds crée un déphasage progressif. Or, il est nécessaire de garder localement les nœuds en phase. Nous proposons un algorithme de synchronisation minimaliste pour établir des rondes d’exécution synchrones. La nature partagée et la sensibilité du médium sans-fil aux perturbations ne permet pas une utilisation directe de l'algorithme. Ainsi, nous proposons un protocole qui fournit le cadre frugal à la synchronisation sans-fils. Nous avons ensuite voulu simplifier le déploiement en géolocalisant les nœuds. Nous proposons une technique exploitant le délai de propagation et les infimes différences de fréquences entre les horloges pour mesurer précisément des distances. Enfin, nous avons considéré l'interface centralisé vers distribué pour la diffusion de données via de multiples d’entrées
Microcontrollers are small computers that can make great things. With low power consumption, they are equipped to interact with the environment and give feedback using rf. With such abilities, we could build a mesh network, to monitor a house, an industrial facility, or a whole city. However, scalability of meshed networks is a complex topic, and numerous existing solutions for managing meshed network, submitted to robustness and performance constraints, make compromises. In this thesis, we contribute to an alternative solution following our own compromises. We propose a minimalistic method to build scalable meshed networks of energy-autonomous nodes, able to self-organize without central coordination. We run distributed applications using synchronous rounds. To put such a model in practice, we discuss the synchronization topic : two nodes never run at the same speed, so there is an increasing skew between clock values. But, we need to keep neighbors in phase with each others. We give a minimalistic algorithm to set synchronous execution rounds. The shared nature of the wireless medium and its sensitivity to disturbances make it unsuitable for our synchronization algorithm without tweaks. Thus, we present a protocol giving a necessary framework to run our synchronization algorithm on wireless nodes. Once we are able to run synchronous algorithms, we aim at simplifying the deployment of networks by adding geolocation with software only. We use tiny differences in clock speeds to measure precisely propagation delays of radio waves. Finally, we consider a way to interface centralized systems with our distributed networks allowing to broadcast data from several entry points

Les technologies de l'information et de la communication, adoptées par le Smart Grid, ont été utilisées pour améliorer le contrôle du système électrique. Aujourd'hui, les objectifs sont, entre autres, de permettre une intégration efficace des ressources énergétiques renouvelables (RES), de maintenir la sécurité de l'approvisionnement énergétique et d'encourager le futur marché de l'énergie. En conséquence, la mise en œuvre d'un tel système nécessite l'échange de données entre les applications de réseau intelligent existantes et nouvelles. Pour rendre cela possible, une plate-forme de communication polyvalente est nécessaire, de sorte que la principale question à laquelle cette thèse répond est : que serait une telle plate-forme ? L'objectif de ce travail est de concevoir, mettre en œuvre une plate-forme de passerelle de télémétrie à faible coût, open source et résiliente, capable d'intégrer les applications de réseau intelligent existantes et futures. Cette plate-forme est optimisée et testée à l'aide d'une variété d'outils de simulation, d'analyse, de mise en œuvre réelle et de prototypes. Dans notre cas, cette plate-forme est capable d'intégrer des compteurs d'énergie conformes DLMS /COSEM avec LoRaWAN, où une étude des performances LoRaWAN, dans un environnement réel est effectuée. LoRaWAN a été choisie comme une solution de dernier kilomètre à faible coût, longue portée et fiable pour le comptage intelligent de l'énergie dans les zones urbaines où une solution à courte portée peut ne pas être optimale, cependant, DLMS/COSEM a été choisi car il s'agit du protocole d'application standard mondial pour le comptage, le contrôle de l'énergie et il est largement accepté en Europe et aux États-Unis. La combinaison de ces deux protocoles présente des défis importants tels que la conception d'un module interopérable qui peut être facilement intégré dans l'infrastructure existante et capable de répondre aux exigences de transmission LoRaWAN et DLMS/COSEM en termes de temps de transmission et de taille des paquets. En outre, il y a toujours des défis de sécurité à considérer, par conséquent, nous proposons une approche basée sur la combinaison des technologies Secure Element (SE) et Blockchain pour fournir une plate-forme sécurisée de bout en bout. SE a été utilisé pour fournir aux nœuds IoT une certaine puissance de calcul et Blockchain a été utilisé pour améliorer l'intégrité et la sécurité. Blockchain est utilisé pour certifier les données transmises, les fournir aux applications distribuées (DApp) et pour conduire à la démocratisation du marché de l'énergie. Cette thèse est composée de 5 chapitres qui sont résumés ci-dessous : Le chapitre 1 vise à décrire l'évolution du réseau énergétique conventionnel en définissant et en décrivant le système AMI. Le chapitre 2 donne un aperçu des progrès actuels et à venir de l'IoE en Europe. Le système allemand a été discuté en détail car il a été utilisé comme architecture de référence de notre passerelle développée. Les chapitres 3 et 4 proposent la conception et le déploiement d'un système open-source, low-cost et modulaire basé sur la technologie de télécommunication LoRa pour les applications de comptage d'énergie. Le prototype conçu sera présenté en détail, en plus la mise en œuvre et les résultats des tests seront expliqués et discutés. Le chapitre 5 représente la passerelle énergétique développée pour le commerce d'énergie P2P de quartier. Notre hypothèse est que la passerelle développée permettra le marché local de l'énergie sans l'intervention des services publics où les petits prosommateurs peuvent participer ainsi un bon investissement des ressources énergétiques renouvelables. Ce manuscrit qui avait commencé par une introduction se termine par une conclusion générale sur cette étude et rappelant les résultats originaux obtenus à laquelle se rajoute une partie, perspectives que ce travail permet d'envisager. Des listes d'acronymes et de références sont également présentées
Information and communication technologies (ICTs), adopted by the Smart Grid (SG), have been used to improve the control of the power system beyond that implemented in the conventional grid. Todays the objectives are, among others, to enable efficient integration of the renewable energy resources (RES), to maintain security of energy supply and to encourage the future energy market. As a result, the implementation of such a system requires the exchange of data between legacy and new smart grid applications. To make this possible, a versatile communication platform is required, so the main question that is answered in this thesis is: what would such a platform be?The objective of this work is to design, implement and evaluate a low-cost, open-source, resilient telemetry gateway platform capable of integrating existing and future smart grid applications. This platform is optimized and tested using a variety of simulation, analysis, real implementation and prototypes tools.In our case this platform is capable to integrate DLMS / COSEM compliant energy meters with LoRaWAN, where a study of LoRaWAN performance, when transporting energy metering packets, in a real-world environment is performed. The LoRaWAN technology has been chosen as a low-cost, long-range, and reliable last-mile solution for smart energy metering in urban areas scenario where a short-range solution may not be the optimum one, however, DLMS / COSEM was chosen since it is the world standard application protocol for smart energy metering, control, and management and it is getting widely accepted in Europe and US. The combination of these two protocols presents significant challenges such as designing an interoperable module that can be easily integrated into the existing infrastructure and is able to meet both LoRaWAN and DLMS/ COSEM transmission requirements in terms of transmission time and packet size. In addition, there are always some security challenges to consider, since cyber-attacks can not only threaten the consumer's privacy but they can even lead to a compromised system with direct impact on the safety of individuals and the activities of society. Therefore, we propose an approach based on combining Secure Element and Blockchain technologies to provide an end to end IoT secure platform. Secure Element has been used to provide IoT nodes with some computational power where Blockchain has been used to enhance integrity, transparency, and security it is used to certify the transmitted energy metering data and to provide these data to Distributed Applications (DApp). In this way, producers and consumers will be able to trade energy (especially from distributed renewable energy sources) over the existing infrastructure, using Blockchain technology, thus leading to the democratization of the energy market.The manuscript of this thesis is composed of five chapters which are summarized below:Chapter 1 is intended to describe the evolution of the conventional energy grid by defining and describing the Advanced Metering Infrastructure (AMI) system.Chapter 2 gives an overview of the current and upcoming IoE advancements in Europe was.The German system was presented and discussed in details since it was used as reference architecture of our developed energy metering gateway.Chapters 3 and 4 present the designing and deployment of an open-source, low-cost, and modular system based on LoRa telecommunication technology for energy metering applications. The designed prototype will be presented in details, in addition the implementation and testing results will be explained and discussed.Chapter 5 represents the developed energy gateway as a use case for neighborhood P2P energy trading. Our assumption is that the developed gateway will enable the local energy market without the intervention of the utilities where small prosumers can participate thus a good investment RES. Lists of acronyms and references are also present in this manuscript