Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee et la domotique

Cet article présente quelques protocoles de communication utilisés dans la domotique ayant pour mode de transmission les ondes radio hertziennes.

Wi-Fi

Description

Le Wi-Fi, bien connu, n’est pas un protocole couramment utilisé dans la domotique. Cependant, il est important d’en parler si on veut aborder les protocoles de communication sans fils. De plus, son usage s’étant imposé aujourd’hui dans la plupart des domiciles, le futur proche de la domotique pourrait passer par le développement de produits l’utilisant : le modem pourrait être le coordinateur des objets M2M de la maison : volets automatiques, arrosage, chauffage et autres, et pourrait lui-même être contrôlé par un des ordinateurs de la maison, authentifié comme pour accéder à internet, avec une clé WEP, WPA2, ou autre.

Wi-Fi, ou Wireless Fidelity est un ensemble de protocoles de communication sans fil. Ce protocole est maintenu par la Wi-Fi Alliance, permet de mettre en place des réseaux locaux sans fils à haut débit (11Mbps ou supérieur), reliant tout type de périphériques capables de s’y connecter, avec une portée de plusieurs dizaines de mètres.

Logo de la certification Wi-Fi à la norme IEEE 802.11

Le nom Wi-Fi est souvent utilisé à tort pour parler d’un réseau de type WLAN (réseau local sans fil), répondant à la norme IEEE 802.11. En effet, Wi-Fi est le nom de la certification qu’un matériel répond à la norme IEEE 802.11.

Description de la norme

Cette norme, qui définit le protocole utilisé, définit aussi les deux couches basses (couches matérielles) du modèle OSI (http://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_OSI) pour une liaison sans fil utilisant des ondes électromagnétiques. C’est-à-dire que la norme régit les techniques de transmission, le codage de l’information, le format des trames, etc. Sur ce protocole, peuvent alors se greffer les protocoles de type IP, TCP et autres.

Pour la couche physique, la norme 802.11 définit plusieurs techniques de transmission :

  • La technique de l’étalement de spectre à saut de fréquence (utilisée dans le Bluetooth et décrite ci-dessous) ;
  • La technique de l’étalement de spectre à séquence directe (sur chaque bit envoyé, on ajoute un bruit pseudo-aléatoire) ;

Signal avant/après ajout du bruit

  • La technologie infrarouge ;

La couche liaison est composée de la couche de contrôle de la liaison logique, et de la couche de contrôle d’accès au support (Media Access Control : MAC).

  • La couche de contrôle d’accès support, plus connue par sa fameuse adresse MAC, sert d’interface en la partie logicielle et la partie physique à travers le protocole MAC.
  • La partie logicielle est ici la couche de contrôle d’accès de la liaison logique : Logical Link Control, LLC. Elle permet de fiabiliser le protocole MAC par un contrôle d’erreur (détecter les erreurs de transmission) et un contrôle de flux (éviter les embouteillages de requêtes entre les machines à débit différent).

Différentes versions et variantes

Après plusieurs améliorations, la norme IEEE 802.11 a évolué de 802.11a (débit de 54 Mbit/s, portée de 10m) au 802.11g (débit de 54 Mbit/s, portée de 100m), utilisée très couramment aujourd’hui, en passant par le 802.11b, la plus utilisée de nos jours. Néanmoins, les autres variantes peuvent être utilisées pour des usages plus spécifiques :

  • 802.11i pour une meilleure sécurité de la transmission, avec un chiffrement intégré ;
  • 802.11IR, abandonnée depuis, devait utiliser des signaux infra-rouges ;
  • 802.11u pour faciliter le transfert d’informations en provenance d’autres réseaux ;
  • Et de nombreuses autres ;

Bluetooth

Introduction

Bluetooth est un protocole de communication entre appareils électroniques par ondes radios. Son rayon d’action varie de 10 à 100m pour les appareils les plus puissants. Bluetooth utilise des fréquences comprises entre 2,402 et 2,480 GHz, et permet un débit d’environ 1 Mb/s.

Structure d’un réseau Bluetooth

Bluetooth utilise un mode de fonctionnement maître/esclave. Un maître peut être connecté simultanément à 7 esclaves actifs et 255 esclaves inactifs (dits « parked », c’est-à-dire qu’ils n’ont pas d’adresse sur le réseau). Ceci est appelé un picoréseau (piconet).

Un périphérique Bluetooth peut être l’esclave de plusieurs maîtres, et peut éventuellement relayer des données en provenance du premier maître vers le second. On obtient ainsi un réseau élargi appelé réseau chaîné (scatternet). Ces réseaux chaînés sont toutefois peu implémentés, à cause des limitations imposées par les adresses réseaux.

Exemple de réseau chaîné ; M = maître, P = parked, E = esclave

Etablissement de la communication

Un périphérique est en général en mode passif : il est à l’écoute du réseau. Le périphérique maître envoie à tous les périphériques situés à portée une requête, à laquelle ceux-ci répondent par leur adresse : c’est la phase d’inquisition.

Le périphérique maître se choisit alors une adresse et synchronise l’horloge des périphériques avec la sienne, grâce à la technique de paging.

Le maître effectue ensuite une découverte des services des esclaves, puis il crée un canal de communication pour chacun d’entre eux. Pour certains périphériques, l’établissement d’un tel canal est subordonné à un pairage : un code PIN doit être envoyé au périphérique, éventuellement de façon chiffrée, pour autoriser les communications.

Protection contre les perturbations

Les communications par Bluetooth sont protégées contre d’éventuelles perturbations grâce au mécanisme de saut de fréquence. En voici le principe :

  • L’information est transmise sur une fréquence pendant un time-slot de 625 μs, puis l’émetteur passe sur la fréquence suivante (il y a donc 1600 sauts par seconde).
  • Les sauts en fréquence ont une amplitude minimum de 6 MHz et sont déterminés à partir de l’adresse du maître et de l’horloge ; ils sont donc aussi connus de l’esclave, qui change de fréquence en même temps que le maître.
  • Les éventuelles collisions sont gérées par retransmission du paquet ; les picoréseaux utilisant des successions de fréquence différentes, les risques de collisions sont toutefois faibles.

Exemple de sauts de fréquence pour deux picoréseaux

ZigBee

Zigbee est un protocole de communication de haut niveau par ondes hertziennes.

De faible consommation, faible portée, coût plus abordable, et technologie plus simple que ses concurrents, il se destine à un usage personnel, voire embarqué. Son faible débit (20 à 250kbits/s) le destine plus à des utilisations en domotique.

Faible consommation

Le protocole Zigbee utilise un mode appelé somnolence ou doze : il émet son message pendant quelques millisecondes, puis attend éventuellement une réponse, et se met en veille pendant une longue période : ce mode lui permet d’économiser énormément d’énergie.

Description du réseau

Un réseau Zigbee est composé de trois types d’objets simples :

  • Les objets de type end-device : objet simple avec une fonctionnalité : allumage d’une lampe, d’un appareil, détection, etc. ;
  • Les routeurs : permettent de transmettre des messages ;
  • Un coordinateur : unique, il connaît tous les objets du réseau, et coordonne les actions.

Le réseau Zigbee peut fonctionner :

  • En maillage : les routeurs communiquent directement entre eux et avec les end-devices associés ;
  • En étoile : les messages doivent tous passer par le coordinateur.

Schéma d’un réseau maillé Zigbee

Profils

La ZigBee Alliance, communauté industrielle développant le protocole ZigBee, propose un classement des objets en 5 types appelés profils :

  • ZigBee Smart Energy : gestion de l’énergie ;
  • ZigBee and RF4CE : télécommandes pour appareils électroniques ;
  • ZigBee Health Care : santé ;
  • ZigBee Building Automation : contrôle des immeubles ;
  • ZigBee Home Automation : contrôle de la maison, domotique ;

Récapitulatif

Ces protocoles ne sont pas tous utilisables pour la domotique, ou, du moins, certains y sont mieux préparés que d’autres. En effet, la portée du Zigbee et du Bluetooth, trop faible pour d’autres utilisations, est parfaite pour une maison. De la même manière, l’autonomie du Zigbee est nettement plus intéressante pour des objets domotiques tandis que son faible débit ne pose pas de problème pour la-plupart des utilisations sur le marché actuellement : allumer une lampe, lancer une cafetière, etc.

Cependant, comme dit plus haut, le Bluetooth, mais plus spécialement le Wi-fi ont de l’avenir dans la domotique, pour des utilisations à haut débit, et par le fait que de nombreux particuliers sont déjà équipés de tels réseaux.

Protocole

Zigbee

Bluetooth

Wi-Fi

Autonomie avec pile

Années

Jours

Heures

Vitesse de transfert

250 Kb/s

1 Mb/s

11-54-108-320 Mb/s

Portée

100 m

10-100 m

300 m

Sources :

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