Smarthome : trois solutions dans la bande des 2,4 GHz

La connectivité en Smarthome progresse par bonds. Les solutions de communication entre les objets connectés en Smarthome, voire en bureaux, s’orientent nettement vers des protocoles de communication sans fil. Trois d’entre eux – ZigBee 3.0, Bluetooth Mesh et Thread – sont à la fois en rapide développement et partagent une même bande de fréquences : 2,4 GHz partout dans le monde. Ce qui facilite considérablement les efforts de développements d’objets connectés.

Pour aller encore plus loin, le français NodOn, que l’on connaît depuis plusieurs années pour ses boutons sans fils et sans pile, a développé une plateforme hardware (matérielle) unique pour ces trois protocoles de communication de manière à accélérer le développement d’objets connectés pour des clients OEM.

NodOn maîtrise plusieurs protocoles de communication sans fil, dont Thread, Bluetooth Mesh et Zigbee. ©NodOn

La bande des 2,4 GHz est encombrée, mais c’est normal

La bande des 2,4 GHz est libre d’utilisation. Contrairement à la téléphonie, les fréquences de la bande des 2,4 GHz ne sont pas louées à des exploitants et tout fabricant peut les utiliser librement dans le monde entier. La bande des 2,4 GHz est divisée en au moins 26 « channels » de largeurs différentes. ZigBee, Thread et Bluetooth Mesh utilisent les channels 11 à 26 de 2 MHz de largeur, chacun espacé des autres de 5 MHz. Par exemple, la fréquence centrale pour le channel 11 est de 2,405 GHz, … jusqu’à une fréquence centrale de 2,480 GHz pour le channel 26.

La WiFi utilise aussi la bande des 2,4 GHz avec des channels de 22 MHz de largeur. ZigBee, Thread et Bluetooth Mesh transmettent très peu de données et la puissance de leurs émetteurs est réduite. Il est peu probable qu’ils brouillent les émissions d’un réseau WiFi. Le risque se situe plutôt dans l’autre sens. Il existe de nombreux articles scientifiques sur le thème de l’interférence entre WiFi d’une part, ZigBee et Bluetooth Mesh d’autre part.

Un article scientifique de trois chercheurs de Schneider Electrique établit qu’un réseau ZigBee déployé dans un environnement domestique fonctionne correctement, même en présence d’un réseau WiFi occupant les mêmes fréquences. Tout au plus ont-ils noté un ralentissement de la transmission des paquets de données ZigBee lorsque le WiFi est utilisé en continu pour du streaming vidéo.

D’autres articles suggèrent que, pour être prudents tout de même, il convient de limiter à 50 les objets connectés en ZigBee sur un même channel. ZigBee, Bluetooth Mesh et Thread sont tous trois conformes à la norme internationale IEE 802.15.4 et permettent en principe le raccordement de dizaines de milliers d’objets (nodes) sur un même réseau. Un réseau pouvant être composé de plusieurs channels dans la bande des 2,4 GHz : 35 000 pour Bluetooth Mesh, 65 000 pour ZigBee, etc.

Un seul hardware, 3 protocoles différents, voire deux protocoles simultanément, c’est la promesse de la plateforme 2,4 GHz de NodOn. ©NodOn

La Plateforme 2,4 GHz de NodOn

NodOn, une entreprise française, connue pour son maniement expert de trois protocoles ZigBee, Bluetooth Mesh et Thread, s’est donc lancée la production d’une plateforme matériel commune. L’idée est, à partir de composants identiques, de produire rapidement pour ses clients industriels des objets connectés fonctionnant en ZigBee, en Bluetooth Mesh ou en Thread, voire même en ZigBee et en Bluetooth Mesh en même temps sur le même produit.

Ce hardware commun est pré-approuvé et certifié par la ZigBee Alliance, dont NodOn est devenu membre depuis un an, par le Bluetooth SIG et par le Thread Group. Le but est, grâce à cette plateforme commune, de proposer un temps de développement de quelques mois pour un coût de quelques dizaines de milliers d’Euros, au lieu d’un an et demi et de centaines de milliers d’Euros si un industriel voulait se lancer seul, sans base de départ.

Selon NodOn, outre le fait qu’ils partagent les mêmes fréquences pour communiquer, ces trois protocoles offrent d’autres similitudes et quelques différences. Tous trois sont des protocoles dits maillés ou Mesh. Ce qui signifie que les produits dessinent un réseau sans fil en toile d’araignée, chaque point étant à la fois récepteur, émetteur et ré-émetteur. Ce qui confère une grande fiabilité aux réseaux. Si une information doit parvenir de A à C, elle peut transiter par divers points – B, D, E, … - jusqu’à parvenir à sa destination. Cette structure maillée revient aussi à étendre la portée des réseaux, sans ré-émetteurs spécialisés puisque chaque point du réseau assume ce rôle par nature.

Les trois réseaux requièrent également une très faible puissance électrique, de l’ordre de 5 à 10 mA dans chaque point. Ce qui ouvre la possibilité de pratiquer la récolte d’énergie pour alimenter les points du réseau et donc de constituer des réseaux composés largement de points sans piles et non-raccordés au réseau électrique du bâtiment. Il existe déjà une spécification pour cela dans ZigBee, baptisée Green Power.

La structure maillée des trois protocoles Thread, ZigBee et Bluetooth Mesh confère une grande fiabilité aux réseaux de transmission sans fil qui exploitent ces protocoles. ©Bluetooth SIG

Trois différences entre les protocoles BLE Mesh, ZigBee et Thread

Côté différences, NodOn estime que la certification des produits est très rigoureuse en ZigBee, moins pour Bluetooth Mesh et à peine démarrée pour Thread. Ce qui signifie que l’interopérabilité entre les produits utilisant ZigBee 3.0 est assurée. Tandis qu’il peut survenir des incompatibilités entre des produits Thread ou Bluetooth Mesh issus de différents fabricants.

Ensuite, un réseau ZigBee a besoin d’un coordinateur, un automate qui, au moment où le réseau est mis en service, va scanner les channels disponibles, rechercher les points (Nodes) ZigBee présents autour de lui et leur affecter un ou plusieurs channels. Les nodes de leur côté font de l’advertising, proclamant leur existence, jusqu’à ce que le coordonnateur les découvre. Cette allocation de channels est modifiable, au cas, par exemple, où un trop puissant réseau WiFi viendrait perturber le réseau ZigBee. Mais la modification n’est pas nécessairement simple.

Bluetooth Mesh, pour sa part, n’a pas besoin de coordinateur pour des application simples comme le contrôle de la lumière, l’actionnement des volets roulants, etc. Chaque point peut être accessible à partir d’un smartphone. Les smartphones sont en effet toujours équipés d’une communication Bluetooth désormais. Il faut juste l’application requise pour piloter les points Bluetooth Mesh du bâtiment. Un coordonnateur est nécessaire dans un réseau Bluetooth Mesh seulement si l’on veut accéder à ce réseau depuis internet. Le coordonnateur jouera le rôle de passerelle vers internet.

Transport de données et couches applicatives

Enfin, dans le vocabulaire de NodOn, ZigBee et Bluetooth Mesh sont des « réseaux complets ». Ils gèrent à la fois la transmission des données et la couche application. Dans ZigBee 3.0, couche de communication et couche applicatives sont séparées, mais la couche applicative contient désormais la description de plus d’une centaine de « devices » (fonctions) et clusters (associations de fonctions).

Ce qui permet théoriquement d’utiliser un réseau ZigBee Pro pour transporter une couche applicative différente de ZigBee 3.0. Par exemple, le groupe qui développe le protocole DALI en éclairage, met au point une couche applicative qui pourrait être transportée sur d’autres protocoles.

Bluetooth Mesh, quant à lui, ne permet pas de dissocier transport des données et couches applicative. Thread, enfin, se cantonne au transport sécurisé des données, sans proposer de couche applicative. Une nouvelle alliance développe en revanche une couche applicative universelle, baptisée CHIP pour Connected Home over IP. Ce sera l’objet de notre prochain article.