Hardware and protocol architecture for wireless sensor networks adapted to environmental monitoring

Les réseaux de capteurs sans fils disposent aujourd’hui d’une technologie arrivée à maturité qui leur permet d’être déployés dans de très nombreux domaines applicatifs y compris celui de la surveillance environnementale. Les contraintes énergétiques de ce type de réseaux ont fait émerger deux grandes classes de solutions : celles privilégiant le débit au détriment de la portée des liens radio et celles visant une collecte de données sur de grandes étendues mais avec des débits faibles et contraints. Il existe néanmoins un domaine applicatif pour lequel la collecte de données est à la fois exigeante en portée des liens radio et en débit supporté. Cette thèse s’adresse à ce domaine, à l’interface des classes de solutions existantes, pour satisfaire des applications nécessitant une collecte fréquente de données devant respecter une contrainte de fraîcheur. Dans cette optique, notre recherche est centrée sur l’usage d’une antenne à faisceau commutable équipant le point de collecte ou puits d’un réseau de capteurs sans fils, permettant d’émuler une topologie en étoile. Chaque nœud autour du point de collecte peut être atteint par au moins une des orientations permises du lobe d’une telle antenne. L’usage de ce type d’antenne a des incidences fortes sur les couches basses (physique et liaison notamment) de la pile protocolaire de cette nouvelle classe de solution. Cette antenne permet en effet d’augmenter la portée radio, d’être plus robuste face aux interférences et aux obstacles sur le trajet du signal, mais cela au détriment de l’intermittence de la connectivité des nœuds de l’étoile. Un nœud est à portée du puits de collecte dans au moins une des topologies partielles induites par l’orientation du lobe de l’antenne, ce point a une incidence forte sur les spécifications de la couche MAC d’un tel réseau. Les deux principales contributions de cette thèse sont de spécifier d’une part la phase de découverte du voisinage du puits qui doit s’exécuter dans un délai acceptable, et d’autre part de procéder à une collecte fréquente de données contraintes par une date de péremption. Différentes variantes de ces spécifications sont proposées, elles s’inspirent d’un polling selecting groupé (grouped polling). Elles ont été validées partiellement par une approche théorique et plus globalement par une simulation via Cooja/Contiki OS. Les résultats obtenus font la preuve de l’incidence des mécanismes proposés sur la fréquence de la collecte et la fraîcheur des données récoltées.Wireless sensor networks are now a mature technology that can be deployed in a wide range of applications, including environmental monitoring. The energy constraints of this type of network have led to the emergence of two main classes of solutions: those that prioritize throughput at the expense of the range of radio links and those that aim to collect data over large areas but with low and constrained throughputs. Nevertheless, there is an application domain for which data collection is both demanding in terms of radio link range and supported data rate. This thesis addresses this domain, at the interface of existing solution classes, to satisfy applications requiring frequent data collection that must respect a freshness constraint. In this context, our research focuses on the use of a switchable beam antenna equipping the collection point or sink of a wireless sensor network, allowing to emulate a star topology. Each node around the collection point can be reached by at least one of the allowed lobe orientations of such an antenna. The use of this type of antenna has strong impacts on the lower layers (physical and link in particular) of the protocol stack of this new class of solution. This antenna indeed allows to increase the radio range, to be more robust against interferences and obstacles on the signal path, but this at the expense of the intermittence of the connectivity of the nodes of the star. A node is within range of the sink in at least one of the partial topologies induced by the antenna lobe orientation, this point has a strong impact on the MAC layer specifications of such a network. The two main contributions of this thesis are to specify on the one hand the discovery phase of the sink neighborhood which must be executed within an acceptable time frame, and on the other hand to proceed to a frequent data collection constrained by an expiration date. Different variants of these specifications are proposed, based on a grouped polling selecting. They have been partially validated by a theoretical approach and more globally by a simulation via Cooja/Contiki OS. The results obtained show the impact of the proposed mechanisms on the frequency of collection and the freshness of the collected data