Architecture et Intégration d'un module de type Smart-Dust

Technological advances in the field of integration of functions in silicon technologies and their miniaturization have allowed the development smart electronic devices for public application. We are interested in this work in those structures commonly known as "wireless sensor" whose purpose is to capture information in their environment and then transmit it. These autonomous structures consist of a sensor, a digital part for data processing and management of the whole structure, a communication system and a power supply. To be discreet, this structure must be small. For this purpose it is necessary that all components be integrated in one chip. The antenna of the communicating part is an obstacle to integration because the frequencies used make its dimensions larger than other dimensions of the module, and even when integrated, its properties will be affected by the packaging of the device. Another parameter is, these antennas are omnidirectional, which in terms of energy saving is critical for these applications. In this context, the first part of this report presents the approaches and applications for networks of wireless sensors. A state of the art is presented to identify the different strategies used in the design of platforms for wireless sensors as well as academic and industrial applications. The synthesis showed that in this context, antennas have not been studied extensively. The second part deals with how to implement antenna arrays in wireless sensors networks. The idea is to use the network nodes as elements of the array, thus creating a network where elements are not physically linked. This prospect is explored through two characteristic scenarios of wireless sensors applications. Each application is tested and solutions are proposed and detailed thanks to the calculation tool Matlab. A final section discusses the limitations of use of antenna arrays in wireless sensors networks and our conclusion is that antennas arrays could be a good solution to optimize the link with the end user. The last part deals with the specific antenna design for wireless sensors for outdoor applications. A concept of antenna-package is introduced and developed on different architectures that use antennas body, therefore, in volume. Cubic and spherical structures are proposed, designed and simulated. We focus on the radiation pattern of package antennas, their robustness and their ability to keep their properties even placed in an environment and with components placed inside. Two structures, a cubic and a half-ball, have interesting profiles; the second is an antenna array. Smart, it can scan the entire upper half-space around him with good efficiency. Finally, a conclusive part shows the contribution and gives work perspectives in conjunction with the antennas and more generally with the communicating part and nodes architecture.Les progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'intégration de fonctions sur des surfaces de plus en plus petites a permis le développement de l'informatique diffuse, c'est-à-dire, intégrée dans notre espace et mise en œuvre par des objets du quotidien ou des structures spécifiques. Nous nous intéressons dans ce travail à ces structures couramment appelées " capteurs sans fil " car leur fonction est de capter des informations dans leur environnement et de les transmettre ensuite. Ces structures autonomes sont constituées d'un capteur, d'une partie numérique pour le traitement des données et la gestion de la structure, d'un système de communication et d'une alimentation. Afin d'être discrète, cette structure doit être de petite taille. Dans ce but, il est nécessaire que toutes ses composantes soient intégrées ensemble. L'antenne de la partie communicante est aujourd'hui un frein à cette intégration car les fréquences utilisées font qu'elle a des dimensions très supérieures à celles du reste de la structure et, même intégrée, ses propriétés vont être perturbées par le packaging de la structure. Autre point, ces antennes sont souvent omnidirectionnelles, ce qui, en termes d'économies d'énergie, cruciales dans ce domaine, n'est pas une solution optimale. Dans ce contexte, la première partie de ce rapport présente les applications envisagées et envisageables pour les réseaux de capteurs sans fil. Un historique puis un état de l'art sont ensuite proposés pour identifier les différentes stratégies mises en œuvre dans la conception de plates-formes ainsi que les acteurs académiques et industriels. Une synthèse vient justifier l'orientation à prendre dans le cadre de ce travail et clôt cette partie. La deuxième partie traite de la façon d'appliquer des réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. L'idée étant d'utiliser les nœuds du réseau comme éléments du réseau d'antenne, créant ainsi un réseau où les éléments ne sont pas liés physiquement. Cette perspective est étudiée par le biais de deux scénarios caractéristiques des applications des capteurs sans fil. Dans chacun son application est testée et des solutions sont proposées et détaillées grâce à l'outil de calcul Matlab. Une partie finale discute des limitations pour utiliser les réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. La dernière partie aborde la conception d'antennes spécifiques aux capteurs sans fil pour des applications en extérieur. Un concept d'antenne-package est présenté et développé sur différentes architectures d'antennes qui ont, de ce fait, des formes en volume. Des structures cubiques et sphériques sont proposées, conçues et simulées. L'attention se porte sur leur diagramme de rayonnement, leur robustesse et leur faculté à pouvoir garder leurs propriétés même placées dans un environnement et avec des composants placés à l'intérieur. Deux structures, une cubique et une demi-boule, présentent des profils intéressants, la deuxième étant un réseau d'antennes à elle-seule. Agile, elle permet de balayer tout le demi-espace supérieur qui l'entoure avec une bonne efficacité. Enfin, une partie conclusive montre la contribution apportée et propose des perspectives de travail en lien avec les antennes et plus généralement avec la partie communicante et l'architecture des nœuds