ÉTUDE DES TECHNIQUES DE COMMUNICATION INTRACORPORELLE ET SOUS-MARINE POUR UN RÉSEAU DE CAPTEURS IMPLANTÉS DANS UN POISSON

Study of intrabody and underwater communication techniques for sensor network implanted in a fish

• Auteur / Autrice : Stephane Pitou
• Direction : Serge Bernard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Microélectronique

Mots clés

Mots clés libres

Conception électronique

Télécommunication

Réseau de capteur

Biologie marine

Communication intra-corporelle

Electronics design

Telecommunication

Sensor network

Marine biology

Intrabody communication

Résumé

Cette thèse se place dans le cadre d'un nouveau projet à long terme ayant pour objectif le développement du premier réseau de capteurs implantés pour le suivi holistique de l'état de santé de poissons. Cette approche repose sur le besoin de mesurer des paramètres physiologiques à des endroits particuliers pour collecter des informations utiles sur différents processus biologiques. Par exemple, un capteur de pH ou de température dans l'estomac pour identifier les évènements d'alimentation, un capteur dans les zones de stockage des graisses afin de connaître l'énergie disponible pour une période de jeûne ou un capteur dans les gonades pour identifier le cycle de développement ovocytaire sont des solutions utiles qui doivent être mises en réseau pour collecter un maximum d'informations sur l'individu. Dans le cas de poissons vivant dans l'eau salée, un problème majeur lié au déploiement d'un tel réseau de capteurs est la communication nécessaire pour la récupération des données. Le tissu biologique est un milieu contraignant pour la mise en place de communications. De plus l'eau salée a pour particularité de très fortement atténuer l'amplitude des ondes électromagnétiques et donc de limiter la portée de communications radiofréquences (RF) généralement utilisées pour la mise en place de réseaux de capteurs. Dans le cadre de l'aquaculture, le déploiement de réseaux de capteurs se limite à des capteurs environnementaux (température, pH…) pour la gestion de l'infrastructure d'élevage [1,2]. Dans le cas de l'étude des poissons en milieu naturel, les seuls dispositifs implantables communicants sont des marques utilisant la communication acoustique [3]. Les communications ont une portée limitée, limitant le cadre exploratoire de ces dispositifs à des études d'espèces aux déplacements connues ou à des études d'une durée limitée au temps pendant lequel on peut suivre l'animal. Il existe également des marques communicantes pour l'étude des mammifères marins et des tortues [4,5,6]. Ces dispositifs profitent du fait que ces animaux remontent en surface pour communiquer, ce qui n'est malheureusement pas le cas des poissons. Afin de pouvoir mettre en place un tel réseau de capteurs implantés, le doctorant étudiera différentes techniques décrites dans l'état de l'art de la communication intracorporelle pour les applications médicales. Il devra ensuite définir et tester une ou plusieurs solutions ayant un bon compromis entre les performances (portée, consommation électrique) et les contraintes liées au contexte applicatif (faible volume, longue autonomie). Les tests seront réalisés sur table dans un premier temps puis en situation c'est à dire implantés dans des poissons.

This work is part of a long-term project aiming at developing the first implantable sensor network for holistic monitoring of fish state of health. This approach relies on the need for measuring several physiological parameters to gather useful information about various biological processes. For instance, a Ph or temperature sensor in stomach for feeding event identification, a sensor in fat storage to estimate the amount of available energy for a fasting period, a sensor in gonads to monitor oocyte cycle are interesting and useful solutions that should be set in a sensor network to provide useful dataset on the fish. Setting an implantable sensor network is of interest for every exploited animal species. Studying fishes in the context of aquaculture or fishing, is the targeted application. In the context of fishes living in salted water, a major issue for the deployment of such a sensor network is the wireless communication needed for data gathering. At first biological tissue is a very contraining environment for communication. In addition, salted water strongly attenuates electromagnetic signals, which limits the range of communications usually used for sensor networks. The objective of this PhD study is to set-up and test several intrabody communication techniques in order to evaluate their potential deployment in marine context. Intrabody communication techniques are mainly classified in two categories - Galvanic coupling, the biological tissue is used as a medium of the communication - RF transmission, the biological tissue is considered as the environment of the communication Preliminary results have shown that it is possible to setup an intrabody communication through immersed fishes using LoRa protocol with a range of at least 1m. As the application framework is the deployment in potentially small fishes for a long time (6 month – 1 year), the main criteria are the volume and the battery life. As a consequence, the design of the prototypes will focus on reducing the volume especially considering antenna and battery. The test objectives will be: - Validate the communication through fishes - Estimate the range limits according to the application environment. - Measure the systems consumption - Calculate a figure of merit relying on the power efficiency of the system under test in order to benchmark the different communication techniques and identify the one that will enable the longer battery life.