Etude d'un réseau de capteurs environnementaux en bande ISM

Study of an environmental sensor network using ISM band

• Auteur / Autrice : Anthony Millot
• Direction : Christophe Léger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 30/06/2010
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) - Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique et Energétique
• Jury : Président / Présidente : Gérard Jacquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Léger, Gérard Jacquet, Yves Lacroix, Jean-Philippe Ghestem, Christophe Alayrac, Rodolphe Weber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Jacquet, Yves Lacroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Réseaux de capteurs (technologie)

Eaux souterraines -- Qualité

Environnement -- Surveillance

Mots clés libres

Bande ISM

Interférences radiofréquences

ISM band

Radiofrequency interferences

Résumé

Cette thèse présente l’étude d’un réseau de capteurs pour la surveillance en temps réel de la qualité des eaux souterraines. L’objectif est de réussir à communiquer dans la bande de fréquences libre à 433MHz sur plusieurs dizaines de kilomètres. Le problème majeur des bandes libres est la présence de transmissions parasites (brouilleurs). Nous avons donc, en premier lieu, mis en évidence de la présence de ces brouilleurs et étudier leur impact sur les communications. Après analyse, il s’avère que les brouilleurs sont très nombreux et puissants mais que leur répartition dans la bande est inégale. Une étude spectrale de la bande semble nécessaire, avant la mise en place du réseau, afin de transmettre dans les canaux les moins pollués. Des communications nocturnes sont également à privilégier car les brouilleurs sont moins nombreux la nuit. Nous présentons ensuite une architecture réseau, adaptée au cahier des charges et à cette bande de fréquences. Nous avons également testé un composant RF dédié aux transmissions en bande ISM. Les résultats montrent que les performances de ce composant sont faibles pour des communications longues distances en présence de brouilleurs. Un récepteur radiofréquence simple ne permet donc pas de réaliser des communications fiables dans ces conditions. Le prototype complet du réseau, développé durant ces travaux, est ensuite décrit. Pour finir, nous proposons un nouveau concept de récepteur, utilisant un réseau d’antennes phasé et un détecteur cyclostationnaire, pour pallier au problème des brouilleurs. Le but est de stocker les signaux reçus pour les traiter en temps différé à l’aide d’algorithmes de filtrage spatial. Des simulations montrent l’efficacité de ce concept.

This thesis presents the study of a wireless sensor network for real-time monitoring of groundwater quality. The aim is to successfully communicate in the free 433MHz frequency band over tens of kilometers. The main issue of free bands is the presence of radio frequency interferences (RFI). First, we have studied the properties of these RFI and there impacts on communications. This analysis shows numerous and powerful jammers but with an irregular distribution in time and frequency. In consequence, the network set-up should be based on prior analysis of the time-frequency context. In particular, night communications should be preferred. Then, we present a network architecture adapted to the given industrial specifications and the mentioned frequency band constraint. We have also tested a RF component suitable for ISM band transmissions. Results show that the component performances are low for longue range communications with RFI. With a simple radio frequency receiver, reliable communications are not possible in these conditions. Then the complete network prototype, developed during this thesis, is described. Finally, to overcome the problem due to jammers, we propose a new receiver concept. It is based on a phased antenna array and a cyclostationary detector. The aim is to detect the signal of interest among RFI and to store it for further signal processing. In particular, off-line spatial filtering techniques can used to remove RFI. Simulations show the efficiency of this concept.