Conception de capteurs autonomes et intelligents sans fil pour un campus durable, responsable et fortement connecté

Abstract

Les réseaux de capteurs sont devenus omniprésents dans notre quotidien, que ce soitdans les milieux privés ou professionnels. Ils permettent de mesurer diverses grandeursphysiques selon un contexte applicatif. Dans le cadre des campus universitaires connectés,l’utilisation de réseaux de capteurs permet de superviser les coûts de fonctionnement desbâtiments, afin de réduire les différents impacts. Les mesures collectées et traitées permettentd’adresser des actionneurs afin d’améliorer la qualité de vie au sein d’un campus universitaire.La gestion énergétique des éléments constituant un réseau de capteurs est primordialeafin d’éviter une surconsommation des capteurs, et ainsi de garantir une autonomie suffisantedes capteurs. Concernant les échanges de données, différents types de communication sontpossibles. Elles peuvent être filaires en utilisant une infrastructure existante ou en déployantune infrastructure spécifique. Une alternative est l’utilisation de technologie sans fil, telque les réseaux WIFI ou Bluetooth, ou encore des technologies basse consommation, basdébit, mais longue portée telle que le réseau LORA. Afin de maximiser les performancesde ces capteurs, une adéquation matérielle et logicielle est également indispensable. Dansce contexte, l’objectif principal de cette thèse fût d’étudier la conception d’un réseau decapteurs autonomes pour le campus universitaire de de Bordeaux. Ce réseau doit avoirpour première fonctionalité le suivi des caractéristiques environnementales des bâtiments.L’objectif est de réduire au maximum les coûts d’infrastructure, de déploiement et demaintenance. Les capteurs doivent être autonomes en énergie avec une durée de vie suffi-sante. Différentes techniques existent pour favoriser l’autonomie des capteurs, mais le plussouvent ces dernières altèrent la qualité de service souhaitée. Des réponses et des choix sontapportés de façon spécifique à la fois aux niveaux matériel et logiciel. Pour ce faire, unmodèle architectural de capteurs est proposé, associant de la récupération d’énergie avecune technique de "Wake-Up" radio. L’idée est d’aboutir à un modèle pouvant être flexiblevis-à-vis de l’hétérogénéité géographique des bâtiments d’un campus.Puis, la seconde partie de cette thèse s’est focalisée sur la proposition de solutions visantà garantir une qualité de service du réseau de capteurs. Ainsi, un traitement supplémentairea été introduit. Ce dernier s’appuie sur des méthodes mathématiques d’estimation et deprédiction de séries temporelles. Les algorithmes développés permettent de compenser lespossibles pertes de données en utilisant l’historique disponible ainsi que les capteurs présentsdans le voisinage du capteur considéré afin de proposer une estimation avec une erreurlimitée. Cette approche permet d’aboutir à une qualité de service du réseau de capteursconforme aux attentes.Ces différentes contributions ont pu être implémentées et puis expérimentées à l’aidedu prototypage d’un réseau de capteurs. Ainsi, les différentes contributions de la thèse ontpu être validées dans un des bâtiments du campus de Bordeaux. Il en résulte un ensembled’expérimentations et de résultats qui sont décrits puis analysés dans ce manuscript dethèse.