Conception d'un réseau de capteurs sans fil, faible consommation, dédié au diagnostic in-situ des performances des bâtiments en exploitation

Design of a low consumption wireless sensor network, dedicated to the in-situ diagnostic of buildings performances in operation

• Auteur / Autrice : Denis Dessales
• Direction : Rodolphe Vauzelle, Anne-Marie Poussard, Noël Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optoélectronique, micro-ondes
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception cross-layer

Transmission numérique

Signal, Théorie du (télécommunications)

Consommation d'énergie

Réseaux de capteurs (technologie)

Résumé

Ce travail de thèse est le fruit d'une collaboration de recherche à travers une convention CIFRE entre le laboratoire XLIM-SIC de l'université de Poitiers et le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) de Grenoble. L'objectif principal de cette thèse concerne la conception et l'optimisation énergétique d'un réseau de capteurs sans fil capable de mesurer in-situ, pendant plusieurs années, les performances énergétiques d'un bâtiment (luminosité, acoustique, température. . . ). Dans ce but, les travaux de recherche se sont principalement portés sur l'optimisation énergétique des communications sans fil du réseau à travers les couches basses du modèle OSI. Sachant que les performances de la couche physique impactent directement l'efficacité des autres couches, l'approche développée a consisté à modéliser de façon réaliste la chaîne de transmission numérique à partir du développement d'un modèle de canal qui tient compte de l'influence des personnes sur la qualité de transmission. Ensuite, à partir de cette modélisation de la couche physique et d'un modèle d'énergie existant, la qualité des liens radio a été évaluée de façon à trouver le meilleur compromis entre la robustesse et l'efficacité énergétique des transmissions radio. Pour étendre notre raisonnement à l'échelle d'un réseau, la suite des travaux s'est portée sur l'étude de la couche MAC. En raison de l'interdépendance des paramètres affectant la consommation, la méthode choisie a consisté à évaluer par une approche "cross-layer" les performances énergétiques de différents protocoles MAC, en prenant en compte l'impact des performances de la couche physique dans l'évaluation. Cette étude a ensuite permis d'aboutir à la définition d'un protocole efficace pour l'application visée. Enfin, la dernière partie des travaux a été consacrée à la réalisation d'un démonstrateur expérimental fonctionnant sur les bandes ISM 433 et 868 MHz et a permis de valider les propos théoriques développés tout au long de la thèse.

This PhD thesis is the result of a collaborative research through a CIFRE agreement between the XLIM-SIC laboratory at the University of Poitiers and the Scientific and Technical Center Building (CSTB) at Grenoble. The main goal of this thesis concerns the design and the energy optimization of a wireless sensor network able to measure during several years, the building energy performances (lighting, acoustics, temperature. . . ). To this end, research was mainly focused on the energy optimization of radio communications, through the lower layers of the OSI model. Because the physical layer performances directly impact the efficiency of the other layers, the approach was to model realistically the digital transmission chain from the development of a channel model which takes into account the people moving on the transmission quality. Then, from this physical layer model and an existing energy model, the quality of radio links has been evaluated in order to find the best trade-off between the robustness and the energy efficiency of radio transmissions. To extend our reasoning to a network scale, the following work has focused on the MAC layer study. Because of the interdependence of the parameters affecting consumption, the method chosen was to assess with a "cross-layer" approach, the energy performances of different MAC protocols, by taking into account the impact of the physical layer performances in the assessment. This study then resulted in the definition of an efficient MAC protocol for the aimed application. The final part of the work was devoted to the experimental design of a demonstrator operating on 433 and 868 MHz ISM bands, and allowed us to validate the theory developed during the thesis.