Testing the performance of sensors for ozone pollution monitoring in a citizen science approach

Tropospheric ozone (O3) is an environmental pollutant of growing concern, especially in suburban and rural areas where the density of air quality monitoring stations is not high. In this type of areas citizen science strategies can be useful tools for awareness raising, but sensor technologies must be validated before sensor data are communicated to the public. In this work, the performance under field conditions of two custom-made types of ozone sensing devices, based on metal-oxide and electrochemical sensors, was tested. A large array of 132 metal-oxide (Sensortech MICS 2614) and 11 electrochemical (Alphasense) ozone sensors, built into 44 sensing devices, was co-located at reference stations in Italy (4 stations) and Spain (5). Mean R2 between sensor and reference data was 0.88 (0.78–0.96) and 0.89 (0.73–0.96) for Captor (metal-oxide) and Raptor (electrochemical) nodes. The metal-oxide sensors showed an upper limit (approximately 170 µg/m3) implying that these sensors may be useful to communicate mean ozone concentrations but not peak episodes. The uncertainty of the nodes was 10% between 100 and 150 µg/m3 and 20% between 150 and 200 µg/m3, for Captors, and 10% for >100 µg/m3 for Raptors. Operating both types of nodes up to 5 months did not evidence any clear influence of drifts. The use of these sensors in citizen science can be a useful tool for awareness raising. However, significant data processing efforts are required to ensure high data quality, and thus machine learning strategies are advisable. Relative uncertainties should always be reported when communicating ozone concentration data from sensing nodes.Peer ReviewedPostprint (published version

Les concepts clés pour la réalisation d'un Holter intégré sur puce

En dépit du développement rapide de la médecine, les maladies cardiovasculaires restent la première cause de mortalité dans le monde. En France, chaque année, plus de 50 000 personnes meurent subitement en raison d'arythmies cardiaques. L'identification des patients à risque élevé de décès soudain est toujours un défi. Pour détecter les arythmies cardiaques, actuellement Holter est généralement utilisé pour enregistrer les signaux électrocardiogramme (ECG) à 1~3 dérivations pendant 24h à 72h. Cependant l'utilisation de Holter est limitée parmi la population en raison de son encombrement (pas convivial) et de son coût. Un Holter mono puce portable nommé SoC-Holter qui permet d'enregistrer 1 à 4 dérivations est introduit. Le déploiement d'un réseau de capteurs sans fil exige que chaque SoC-Holter soit peu encombrant et peu cher, et consomme peu d énergie. Afin de minimiser la consommation d'énergie et le coût du système, la technologie Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) (0.35 m) est utilisée pour la première implémentation de SoC-Holter. Puis une nouvelle méthode de détection basée sur Acquisition Comprimée (CS) est introduite pour résoudre les problèmes de consommation d'énergie et de capacité de stockage de SoC-Holter. Le principe premier de cette plate-forme est d'échantillonner les signaux ECG sous la fréquence de Nyquist sub-Nyquist et par la suite de classer directement les mesures compressées en états normal et anormal. Minimiser le nombre de fils qui relient les électrodes à la plate-forme peut rendre l utilisateur de SoC-Holter plus confortable, car deux électrodes sont très proches sur la surface du corps. La différence ECG enregistrée est analysée à l'aide de Vectocardiogramme (VCG). Les résultats expérimentaux montrent qu'une approche intégrée, à faible coût et de faible encombrement (SoC-Holter) est faisable. Le SoC-Holter consomme moins de 10mW en fonctionnement. L'estimation des paramètres du signal acquis est effectuée directement à partir de mesures compressées, éliminant ainsi l'étape de la reconstruction et réduisant la complexité et le volume des calculs. En outre, le système fournit les signaux ECG compressés sans perte d'information, de ce fait il réduit significativement la consommation d'énergie pour l'envoi de message et l espace de stockage mémoire. L'effet de placement des électrodes est évalué sur la QRS complexe lorsqu'il a enregistré avec deux électrodes adjacentes. La méthode est basée sur l'algorithme de QRS-VCG loop alignment . La méthode moindre carré est utilisée pour estimer la corrélation entre une boucle VCG observée et une boucle de référence en respectant les transformations de rotation et la synchronisation du temps. Les emplacements d'électrodes les moins sensibles aux interférences sont étudiés.According to the figures released by World Health Organization (WHO), cardiovascular disease is the number one cause of death in the world. In France every year more than 50,000 people die suddenly due cardiac arrhythmias. Identification of high risk sudden death patients is still a challenge. To detect cardiac arrhythmias, currently Holter is generally used to record 1~4 leads electrocardiogram (ECG) signals during 24h to 72h. However the use of Holter is limited among the population due to its form factor (not user-friendly) and cost. An integrated single chip wearable Holter named SoC-Holter that enables to record 1 to 4 leads ECG is introduced. Deployment of wireless sensor network requires each SoC-Holter with less power consumption, low-cost charging system and less die area.To minimize energy consumption and system cost, Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology (0.35 m) is used to prototype the first implementation of SoC-Holter. Then a novel method based on Compressed Sensing (CS) technique is introduced for solving the problems of power consumption and storage capacity of SoC-Holter. The main principle underlying this framework is to sample analog signals at sub-Nyquist rate and to classify directly compressed measurement into normal and abnormal state. Minimizing the wire connected electrodes to the platform can make the carrier more comfortable because two electrodes are attached closely on the surface of the body. Recording difference ECG is analyzed using Vectorcardiogram (VCG) theory. Experimental results show that an integrated, low cost, and user-friendly SoC-Holter is feasible. SoC-Holter consumes less than 10mW while the device is operating. It takes advantage of estimating parameters directly from compressed measurements, thereby eliminating the reconstruction stage and reducing the computational complexity on the platform. In addition, the framework provides compressed ECG signals without loss of information, reducing significantly the power consumption for message sending and memory storage space. The effect of electrode placement is evaluated by estimating QRS complex in recorded ECG signals by two adjacent electrodes. The method is based on the QRS-VCG loop alignment algorithm that estimates Least Square (LS) between an observed VCG loop and a reference loop with respect to the transformations of rotation and time synchronization. The electrode location with less sensitive to interference is investigated.CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF

Supervision de réseaux d'objets intelligents communicants sans fil

Les évolutions technologiques des dernières années ont premis de mettre en évidence un nouveau domaine de recherche : les Réseaux de Capteurs Sans Fil ( RCSFs). Les RCSFs sont basés sur des systèmes embarqués à fortes contraintes de ressources telles que l'énergie, la puissance de calcul et la mémoire. Leurs domaines d'application sont vastes allant notamment de la collecte de données environnementales à la surveillance d'infrastructures en passant par l'aide aux personnes. Une application type contient de quelques dizaines à plusieurs milliers de capteurs sans fil (noeuds). Le challenge que cette thèse se propose de relever est de fournir des méthodes simples et peu intrusives pour administrer ces réseaux. L'objectif est de répondre à ce besoin en minimisant l'impact sur le fonctionnement des noeuds ainsi que le coût énergétique. La solution proposée -LiveNode Non Invasive, Context aware, and Modular management (LiveNCM)- fournit des méthodes permettant de connaître l'état des noeuds et d'interagir avec eux en prenant en compte le contexte applicatif et en utilisant des estimateurs pour minimiser les échanges. Déployé sur une application de collecte de données environnementales, LiveNCm propose un outil de supervision basé sur une extesion du protocole SNMP. Les résultats obtenus notamment sur les gains énergétiques sont importants avec une autonomie du réseau augmentée de plus de 50% pour certaines grandeurs physiques observées dans un contexte spécifique. De plus, en minimisant les échanges dans le réseau, LiveNCM limite les collisions et les goulots d'étranglement qui peuvent apparaître sur le serveur de collecte des données et entre les noeudsCLERMONT FD-BCIU Sci.et Tech. (630142101) / SudocSudocFranceF

Techniques d'estimation de la bande passante disponible de réseaux sans fil

L'IEEE 802.11 (Wi-Fi) est le standard de WLAN (Wireless Local Area Network). En conséquence, le marché des produits dotés de la technologie réseau Wi-Fi est en plein essor et a provoqué une véritable révolution dans le monde de l'informatique. Cependant, la communication utilisant le Wi-Fi ne présente pas, pour autant, que des avantages. La grande différence entre le débit théorique et le débit effectif dépend de nombreux paramètres. Il est, par exemple, difficile de faire du streaming vidéo haute définition en utilisant un réseau IEEE 802.11g, alors que le débit théorique le permet parfaitement. La technologie WLAN souffre d'autres contraintes, comme la nature vulnérable du médium sans fil (interférences électromagnétiques, multi-trajet...), l'accès indéterministe au médium, la limitation de la bande passante...Les applications utilisant les réseaux Ad Hoc deviennent de plus en plus complexes et offrent de nouveaux services qui exigent des performances réseau de plus en plus élevées. De ce fait, la Qualié de Service (QdS) dans les réseaux Ad Hoc est un sujet de recherche ouvert. La bande passante est un indicateur très important pour la garantie de la QdS. Dans notre travail de thèse, nous avons étudié l'un des aspects de la QdS qui est la Bande Passante Disponible (BPD) dans les réseaux Ad Hoc basés sur la norme IEEE 802.11. Particulièrement, nous nous sommes intéressés aux différentes techniques d'estimation de la BPD et avons évalué les performances de ces techniques du point de vue temps de réponse et précision des estimations. Ces techniques peuvent être utilisées dans d'autres types de réseaux sans fil ou filaire. Nos contributions sont, essentiellement , le développement de deux nouvelles techniques d'estimation de la bande passante SLOT (SLOps-Topp) et TOPP-NET (TOPP-Non invasive Estimation Technique). Ces deux techniques sont le résultat d'améliorations successives des techniques d'estimation qui existent dans la littérature (TOPP : Trains of Packet Pairs, SLoPS : Self-Loading Periodic Streams et NIMBE : Non Invasive Manet Bandwith Estimation) en mettant l'accent sur la précision et le délai de sondage des techniques d'estimation. Notre troisième contribution est une nouvelle méthode de filtrage adaptatif des estimations nommée ZONE-FILTER ( Filtrage par Zone). Cette méthode combine les filtres EWMA et la mèthode statistique SPC (Statistical Process Control)CLERMONT FD-BCIU Sci.et Tech. (630142101) / SudocSudocFranceF

Réseau de capteurs sans fil (étude en vue de la réalisation d'un récepteur GPS différentiel à faible coût)

Les travaux menés dans cette thèse visent à améliorer la précision du GPS en s'inspirant du mode différentiel (DGPS, Differential GPS). Mais à l'inverse de la solution RTK (RTK, Real-Time Kinematic) qui utilise une grande station de base et qui est difficile à installer et surtout très onéreuse, la solution originale proposée dans cette thèse (LCD-GPS, Low Cost Differential GPS, Local Cooperative DGPS) est basée sur l'utilisation d'un Réseau de Capteurs Sans Fil (RCSF) équipés de récepteurs standarts à faible coût. Ces travaux incluent l'utilisation d'une carte numérique (Map matching), la différence simple, la différence intelligente le filtrage la correction globale ...Afin d'évaluer cette solution, une plateforme matérielle et logiciel a été développée, elle consiste en un réseau de capteurs appelés LiveNodes (LIMOS Versatile Embedded Node). La partie logicielle est composée notamment d'un système d'exploitation embarqué appelé LIMOS (Lighweight Multi-thtreading Operating System) et d'un protocole de communication sans fil appelé CIVIC (Communication Inter Vehicule Intelligente et Coopérative) et enfin les traitements propres à la solution LCD-GPSCLERMONT FD-BCIU Sci.et Tech. (630142101) / SudocSudocFranceF

A resource-aware embedded commucation system for highly dynamic networks

Chaque année en Europe, 1.300.000 accidents de la route ont comme conséquence 1.700.000 blessés. Le coût financier d accidents de la route est évalué à 160 milliards d euros (approximativement le même coût aux Etats-Unis). VANET (Vehicular Ad-hoc NETwork) est une des technologies clés qui peut permettre de réduire d une façon significative le nombre d accidents de la route (e.g. message d urgence signalant la présence d un obstacle ou d un véhicule en cas de brouillard). En plus de l amélioration de la sécurité et du confort des conducteurs et des passagers, VANET peut contribuer à beaucoup d applications potentielles telles que la prévision et la détection d embouteillages, la gestion d infrastructure de système de transport urbain (e.g. système de transport intelligent multimodal) etc. Dans cette thèse, je présenterai un système embarqué dédié à la communication inter-véhicule particulièrement pour les applications sécuritaires de passagers et de conducteurs. Nos efforts de recherche et de développement sont centrés sur deux principaux objectifs : minimiser le temps de latence intra-noeud et le délai de communication inter-véhicule en prenant en compte le changement dynamique du VANET. De ce fait pour atteindre ces objectifs, des nouvelles approches (e.g. inter-couche Cross-layering ) ont été explorées pour respecter les contraintes de ressource (QoS, mémoire, CPU et énergie de la communication inter-véhicule) d un système embarqué à faible coût. Le système de communication embarqué proposé comporte deux composants logiciels principaux : un protocole de communication dénommé CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) et un système d exploitation temps réel appelé HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). CIVIC est un protocole de communication géographique à faible consommation énergétique et à faible temps de latence (délai de communication). HEROS gère contextuellement l ensemble du système (matériel et logiciel) en minimisant le temps de latence et la consommation des ressources (CPU et mémoire). En outre, le protocole de communication CIVIC est équipé d un système de localisation LCD-GPS (Low Cost Differential GPS). Pour tester et valider les différentes techniques et théories, la plateforme matérielle LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE) a été utilisée. En effet, la plateforme LiveNode permet de développer et de prototyper rapidement des applications dans différents domaines. Le protocole de communication CIVIC est basé sur la technique de broadcast à un saut ; de ce fait il est indépendant de la spécificité du réseau. Pour les expérimentations, seule la norme d IEEE 802.15.4 (ZigBee) a été choisie comme médium d accès sans fil. Il est à noter que le médium d accès sans fil ZigBee a été adopté comme le médium standard pour les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) et le standard 6LoWPAN ; car il est peu coûteux et peu gourmand en énergie. Bien que le protocole de communication à l origine soit conçu pour répondre aux exigences de VANET, ses domaines d application ne sont pas limités à VANET. Par exemple il a été utilisé dans différents projets tels que MOBI+ (système de transport urbain intelligent) et NeT-ADDED (projet européen FP6 : agriculture de précision). Les VANETs et les RCSFs sont les réseaux fortement dynamiques, mais les causes de changement topologique de réseau sont différentes : dans le réseau VANET, il est dû à la mobilité des véhicules, et dans le RCSF, il est dû aux pannes des noeuds sans fil. Il est à noter que le VANET et le RCSF sont généralement considérés comme un sous-ensemble du réseau MANET (réseau ad-hoc mobile). Cependant, ils sont réellement tout à fait différents du MANET classique, et leurs similitudes et différences seront expliquées en détail dans la thèse. La contribution principale de mes travaux est le protocole CIVIC, qui échange des messages en basant sur l information géographique des noeuds (position). Les travaux relatifs de la thèse se concentreront sur les techniques, les problèmes et les solutions de routage géographique, mais d autres techniques de routage seront également adressées. Quelques projets relatifs au protocole de communication ont été étudiés mais leur implémentation et les aspects d expérimentation n ont pas été détaillés. Enfin la thèse ne présente pas simplement les techniques et concepts adoptés, et les résultats de simulation, mais en outre, elle expliquera les aspects techniques importants pour la réalisation et l expérimentation des différentes applications ainsi que les résultats concrets obtenus.Each year in Europe, 1,300,000 vehicle accidents result in 1,700,000 personal injuries. The financial cost of vehicle accidents is evaluated at 160 billion Euros (approximately the same cost in the USA). VANET (Vehicular Ad-Hoc NETwork) is a key technology that can enable hazard alarming applications to reduce the accident number. In addition to improve the safety for drivers and passengers, VANET can contribute to many potential applications such as detecting and predicting traffic jams, auto-optimizing the traffic flow, and helping disabled passengers to access public transports.This thesis will present an embedded communication system dedicated to VANET especially for the safety-related applications. Our design mainly tries to achieve two requirements: as one can imagine, the embedded communication system for VANET requires extra effort to deal with the highly dynamic network topology caused by moving vehicles, thus to shorten the intra-node system latency and inter-node network delay is essential requirement for such embedded communication system. Besides, a fundamental requirement for any practical embedded system is resource-awareness. Although the embedded communication system on vehicles may gain better hardware supports, the characteristics of embedded hardware still have to cope with resource constraints in terms of QoS, memory, CPU and energy. The embedded communication system involves two major software components: a routing protocol called CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) and an embedded operating system called HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). The former is a quick reaction and low resource consumption geographic protocol for inter-vehicle message transmissions; and the latter controls the whole system and assures intra-node resource awareness. In addition, the system can use a localization software solution called LCD-GPS (Low Cost Differential GPS) to improve the accuracy of locations. The hardware platform is LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE), which is a versatile wireless sensor node enabling to implement rapidly a prototype for different application domains. The communication system is based on the one-hop broadcast, thus it does not have a strict limitation on network specification. For the experiments only, the IEEE 802.15.4 standard is chosen as the underlying wireless access medium. The standard is well known as a low-power consumption standard requiring low-cost devices. Notice that the IEEE 802.15.4 standard is also the wireless access medium of 6LoWPAN. Although the embedded communication system is originally designed to meet the requirements of VANET, but its application domains are not limited to VANET. For example, another network which can use the embedded communication system is WSN (Wireless Sensor Network). CIVIC was used to implement different real-world projects such MOBI+ (intelligent urban transportation system) and EU-FP6 NeT-ADDED (precision agriculture). Both VANET and WSN are highly dynamic networks, but the causes of changing network topology are different: the former is because of the high-mobility feature of vehicles, and the latter is because of the fault of wireless sensors. Note that, although VANET and WSN are both commonly considered as the subset of MANET (Mobile Ad-hoc NETwork), they are actually quite different from the classical MANET, and the similarities and differences will be further explained in the thesis. The major contribution of my works relates to the CIVIC protocol, which routes messages based on the geographic information. The related works of the thesis will focus on the geographic routing techniques, problems and solutions, but other related techniques will also be addressed. Note that, although some related projects were investigated but their implementation and experiment aspects were not detailed. Finally, the thesis will not only introduce the system design and provide simulation results, but also explain some of the important implementation issues, give the theoretical evaluation results and provide the real-world experiment results.CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF

Développement d un capteur multicoeur sans fil à énergie efficient, robuste et modulaire

Le réseau de capteurs sans fil est une technologie clé du 21ème siècle car ses applications sont nombreuses et diverses. Cependant le réseau de capteurs sans fil est un système à très forte contrainte de ressources. En conséquence, les techniques utilisées pour le développement des systèmes embarqués classiques ne peuvent être appliquées. Aujourd hui les capteurs sans fil ont été réalisés en utilisant une architecture monoprocesseur. Cette approche ne permet pas de réaliser un capteur sans fil robuste et à énergie efficiente pour les applications telles que agriculture de précision (en extérieur) et télémédecine. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont pour but de développer une nouvelle approche pour la réalisation d un capteur sans fil en utilisant une architecture multicoeur pour permettre à la fois d augmenter sa robustesse et sa durée de vie (minimiser sa consommation énergétique).The wireless sensor network is a key technology in the 21st century because it has multitude applications and it becomes the new way of interaction between physical environment and computer system. Moreover, the wireless sensor network is a high resource constraint system. Consequently, the techniques used for the development of traditional embedded systems cannot be directly applied. Today wireless sensor nodes were implemented by using only one single processor architecture. This approach does not achieve a robust and efficient energy wireless sensor network for applications such as precision agriculture (outdoor) and telemedicine. The aim of this thesis is to develop a new approach for the realization of a wireless sensor network node using multicore architecture to enable to increase both its robustness and lifetime (reduce energy consumption).CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF