ZigBee comparé au Bluetooth

Bluetooth et ZigBee sont des concurrents plus proches car ils sont tous deux utilisés pour les réseaux personnels et fonctionnent à la fréquence 2,4 GHz. Ils sont également tous deux de faible puissance. La norme de mise en réseau Bluetooth IEEE 802.15.1 diffère de la norme 802.15.4 qui couvre ZigBee de plusieurs façons.

Bluetooth est certainement plus reconnu que ZigBee et son protocole dans une large gamme d'appareils, ce qui le rend facile et pratique à utiliser. Bien que la consommation d'énergie du Bluetooth soit faible, il est conçu pour être utilisé dans des appareils fréquemment rechargés. Les batteries des appareils utilisant la technologie ZigBee peuvent fonctionner pendant des années avec une seule charge parce que leur consommation d'énergie est si faible. Cela rend le protocole ZigBee particulièrement recherché pour les applications IOT.

Le Bluetooth a une couverture inférieure à celle du ZigBee, avec des distances qui ne sont souvent que de quelques mètres selon les conditions. Dans des conditions optimales, ZigBee peut fonctionner sur des distances allant jusqu'à 100 mètres, soit environ 10 fois la portée du Bluetooth. Il a également une plus grande pénétration - Bluetooth n'est pas efficace pour pénétrer les murs, ce qui est une limitation pour les applications de maison intelligente. Mais lorsqu'il est utilisé pour un réseau strictement personnel, les taux de transfert de données sont plus rapides pour Bluetooth avec un débit binaire de 345 kbps contre seulement 250 kbps pour ZigBee.

Les techniques de modulation varient également avec Bluetooth utilisant l'incrustation par décalage de fréquence gaussienne et ZigBee dépendant de l'incrustation par décalage de phase en quadrature décalée (OQPSK) à 2,4 GHz et de l'ultra large bande à faible énergie. La simplicité de ZigBee le rend remarquablement évolutif avec un nombre maximum de nœuds de cellules, des unités individuelles de connectivité, pour un réseau supérieur à 60 000, contre seulement 8 pour le réseau maillé point à multipoint de Bluetooth. Cette différence d'échelle montre vraiment comment ces deux technologies varient dans leur application; Bluetooth est mieux adapté à une utilisation personnelle sans câble et offre une meilleure mobilité, tandis que ZigBee peut être utilisé pour des réseaux plus étendus basés sur l'automatisation où les appareils intégrés sont contrôlés à distance.

ZigBee comparé au WiFi pour l'IoT

Bien que ZigBee et WiFi puissent fonctionner dans la même bande de fréquences, il s'agit de deux types distincts de communication sans fil et sont généralement utilisés à des fins différentes.

Les avantages et les inconvénients du Wifi sont éclipsés par les performances démontrables de ZigBee en tant que technologie de réseau personnel sans fil (WPAN) et lorsqu'il est bien aligné sur une application, il peut dépasser le WiFi dans un certain nombre de domaines.

ZigBee est conçu pour les applications de surveillance et de contrôle qui nécessitent le déplacement de beaucoup moins de données sur des distances beaucoup plus courtes que le WiFi. Cela se reflète dans le débit binaire plus faible de ZigBee (250 kbps), sa bande passante (d'un peu plus de 1 MHz) et les courtes distances sur lesquelles il opère.

La norme de réseau maillé de ZigBee diffère du WiFi, une technologie WLAN qui a une topologie en étoile, chaque appareil en réseau étant connecté à un point d'accès central ou à un routeur. Le WiFi est donc capable de traiter beaucoup plus de données à une vitesse plus élevée et prend donc généralement en charge des réseaux et des calculs plus complexes. L'interconnectivité accrue entre les appareils signifie que ZigBee est hautement évolutif et ne dépend pas d'un seul point d'accès que le WiFi, mais l'ajout et la suppression d'appareils en réseau sont moins simples qu'avec le WiFi. Les distances plus courtes et les débits de données plus faibles signifient que la consommation d'énergie de ZigBee est bien inférieure à celle du WiFi, ce qui le rend potentiellement utilisable dans les applications de l'Internet des objets, comme nous le verrons ci-dessous. En fait, ses faibles besoins en énergie sont tels que les objets déployés ou les appareils en réseau M2M qui utilisent ZigBee peuvent être laissés pendant des mois sans recharger la batterie.

Avec les applications grand public et dans le cadre domestique, le WiFi est une concurrence plus rude car il est beaucoup plus facile à configurer. ZigBee a eu un avantage sur le marché de la maison intelligente parce qu'il a été conçu et commercialisé pour la connectivité à courte portée et le traitement local (non cloud) requis par une gamme d'applications domestiques. Mais contrairement à ZigBee,  les normes WiFi 802.11ne nécessitent pas de hub ou de passerelle spécifique pour fonctionner et le WiFi n'a pas les problèmes d'interopérabilité et de compatibilité que l'on peut rencontrer avec ZigBee. Si un hub intelligent est indispensable, Google Assistant et Alexa ont fait leur entrée sur le marché pour fournir une organisation et une gestion de la maison intelligente compatibles WiFi. Le prix des produits intelligents WiFi peut souvent être plus bas. Cependant, le WiFi peut rapidement être surchargé et sujet à des interférences si plusieurs appareils sont empilés sur un seul réseau

Antennes ZigBee pour l'Internet industriel des objets

Une antenne ZigBee est une antenne radiofréquence qui peut envoyer ou recevoir des ondes radio conformément à la norme technologique ZigBee 802.15.4. Ils jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement du réseau personnel sans fil à faible consommation d'énergie fourni par ZigBee.

Fréquences des antennes ZigBee

ZigBee est conçu pour fonctionner à des fréquences comprises entre 2,4 et 2,48 GHz, une bande de fréquences sans licence initialement réservée à des fins industrielles, scientifiques et médicales (ISM). Des bandes ISM inférieures avec des fréquences comprises entre 868 et 868,6 MHz et 902 à 928 MHz peuvent également être utilisées. ZigBee utilise 16 canaux qui ont chacun une bande passante de 2 MHz pour le transfert de données. L'étalement du spectre en séquence directe (DSSS) est le type de modulation utilisé pour transférer des données à un débit fixe de 250 kbps conformément à la norme IEEE 802.15.4 qui fournit des spécifications pour la couche physique de ZigBee. Toutes les transmissions de données sont sécurisées à l'aide d'un cryptage symétrique de 128 bits.

Antennes ZigBeepeut être internalisé dans des appareils ou des contrôleurs compatibles ZigBee, ou installé en externe pour l'amélioration ou le routage du signal. Unantennerésonne généralement à 2,4 GHzfréquence, bien que dans certaines régions, ZigBee fonctionne de 902 à 928 MHz ou de 868 à 868,6 MHz. Les antennes ZigBee partagent l'utilisation de la fréquence 2,4 GHz avecAntennes WiFietAntennes Bluetooth, bien qu'il utilise cette bande d'une manière différente des réseaux IEEE 802.11. Par conséquent, à condition de prendre soin d'éviter les interférences, une antenne générique de 2,4 GHz est plus que suffisante pour les réseaux ZigBee.

Qu'est-ce que ZigBee?

ZigBee est un protocole de communication de haut niveau pour la création de réseaux personnels sans fil à faible débit (LR WPAN) dans une variété de contextes. Il est connu pour sa faible consommation et sa portée plus longue et sa meilleure pénétration que certains de ses concurrents, ce qui le rend avantageux pour les applications qui nécessitent une connectivité embarquée à long terme.

Le nom ZigBee vient d'une danse particulière des abeilles, observée lors de leur retour à leur ruche. Cette danse en zigzag n'est pas sans rappeler le mode de fonctionnement du réseau ZigBee.

Il a été conçu pour la première fois à la fin des années 1990 avec le développement continu et la publication des premières normes en 2002 par la ZigBee Alliance. Cet organisme est composé de plus de 500 organisations et leaders de l'industrie qui coopèrent pour publier et maintenir les normes ZigBee et comprennent des entreprises telles qu'Amazon, Samsung et IKEA. Les normes et protocoles publiés, qui incluent les variantes ZigBee PRO et ZigBee Smart Energy, peuvent être utilisés par les fabricants OEM pour produire des produits compatibles ZigBee. Le marché de l'électroménager intelligent pour ZigBee est vaste avec une gamme d'appareils et de solutions disponibles pour la vie connectée, comme expliqué en détail plus loin.

Les réseaux ZigBee sont ad hoc, ce qui signifie qu'au lieu de s'appuyer sur un routeur ou un point d'accès spécifique, ils utilisent un système de nœuds. Les nœuds contiennent un microcontrôleur, une antenne et un émetteur-récepteur. Dans cet arrangement décentralisé, les nœuds transmettront les données à d'autres nœuds, ce qui permettra d'obtenir un réseau fluide et hautement réactif. Les réseaux maillés ZigBee sont également à faible consommation d'énergie et ont de faibles débits de données, ce qui signifie qu'ils peuvent être déployés sur de grandes distances et utiliser des batteries qui durent des mois, voire des années. Des dizaines de milliers de nœuds peuvent être opérationnels de manière synchrone dans un réseau pris en charge par ZigBee. Le signal se déplace en passant d'un appareil à l'autre pour obtenir une couverture significative.

Types d'antennes ZigBee

Il existe une large gamme d'antennes ZigBee internes et externes qui ont une résonance appropriée à 2,4 GHz. Comme pour toute antenne, la sélection doit être faite sur la base de la fréquence, de la directivité, du gain, de l'impédance, ainsi que de la conception structurelle et du montage requis. Voici les types courants d'antennes ZigBee qui peuvent être facilement installés dans des environnements domestiques et commerciaux.

[A] Les antennes ZigBee omnidirectionnelles transmettent et reçoivent le signal ZigBee dans toutes les directions entourant l'axe longitudinal de l'antenne. Ils sont idéaux pour fournir une connectivité complète et sont facilement montés au plafond pour couvrir une pièce entière. Ces antennes 2,4 GHz sont particulièrement utiles dans les applications IoT décrites ci-dessous. Ils sont disponibles dans une gamme de modèles, y compris des antennes en caoutchouc, canard et fouet pour les antennes ZigBee ou Puck ZigBee.

[B] Les antennes directionnelles ZigBee sont conçues pour focaliser les signaux de radiofréquence dans une direction spécifique et ont souvent un gain élevé. Ils sont les mieux adaptés aux installations où vous souhaitez amplifier et concentrer le signal ZigBee dans une zone spécifique. Les antennes directionnelles peuvent  être facilement fixées au mur.

[C] Antennes ZigBee à puce Ces antennes ZigBee miniatures, montées sur circuit imprimé, sont généralement intégrées dans des appareils et des nœuds compatibles et d'autres appareils ZigBee. En raison de leur petite taille, leur portée est limitée, mais les antennes à puce en céramique sont résistantes et polyvalentes.

[D] Les antennes Trace ZigBee sont un autre type d'antenne PCB couramment utilisé avec ZigBee. Les antennes Trace sont extrêmement discrètes car le composant de l'antenne est fabriqué à partir d'une feuille imprimée directement sur le circuit imprimé de l'appareil dans un motif géométrique spécifique qui fournit la résonance nécessaire. Les conceptions d'antennes peuvent être répétées pour augmenter le gain. Grâce à ces caractéristiques, ils apparaissent comme une option hautement préférée qui peut répondre aux exigences de montage d'antenne exigeantes.

Les antennes ZigBee peuvent être modifiées pour être compatibles avec une gamme de connecteurs et d'adaptateurs tels que  les adaptateurs UFL vers RP-SMA en queue de cochon ou les adaptateurs SMA qui peuvent être utilisés pour externaliser des antennes ou fixer des antennes de remplacement mieux adaptées à vos besoins. Des rallonges d'antennes telles que des rallonges SMA ou  des rallonges RP-SMA peuvent également être fixées afin que ces antennes puissent être installées de manière appropriée dans le cadre de votre réseau ZigBee.

Pourquoi les antennes ZigBee sont-elles importantes?

Les antennes peuvent être trouvées ou attachées à tous les principaux types d'appareils ZigBee, qui peuvent ensuite être disposés dans des topologies de réseau en arbre d'étoiles ou maillées. Les trois principaux types d'appareils sont les suivants:

1. Les coordinateurs ZigBee (ZC) forment la plaque tournante ou le point d'accès du réseau ZigBee et détiennent les données de gestion critiques (telles que les clés de sécurité, l'adresse MAC 64 bits et le centre de confidentialité) pour faire fonctionner le réseau conformément à sa programmation. Ils sont également connus sous le nom de coordinateurs PAN.
2. Les routeurs ZigBee (ZR) dirigent le signal de radiofréquence, recevant et transmettant les données du contrôleur et des appareils participants. Ils ne sont généralement pas nécessaires dans les réseaux de base, mais deviennent nécessaires pour des arrangements de plus en plus complexes tels que ceux requis pour l'IOT.
3. Les terminaux ZigBee (ZED), également connus sous le nom de terminaux normaux, ont le moins de fonctionnalités, ne s'adressant qu'à un routeur ou à un coordinateur. La mémoire et la consommation d'énergie des ZED sont limitées, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie. Ils peuvent recevoir des données d'autres appareils, mais ne peuvent pas les transmettre. Lorsqu'ils ne reçoivent pas de données, ils deviennent inactifs, en « veille », ce qui permet de réduire leur consommation d'énergie.

Ces antennes constituent une partie essentielle de la couche physique (PHY) du réseau ZigBee tel qu'il est défini dans le protocole 802.15.4. La spécification ZigBee supervise:

• l'activation et la désactivation de l'émetteur-récepteur,
• l'indication de la qualité des liens,
• détection d'énergie,
• l'évaluation des liens et la sélection des chaînes,
• et les débits de données qui sont spécifiés par fréquence (250 kbps à 2,4 GHz).

Bien que des antennes génériques de 2,4 GHz puissent être utilisées pour ZigBee, elles doivent fonctionner conformément à ces spécifications. La norme 802.15.4 spécifie une sensibilité du récepteur de -85 dBm à la fréquence de 2,4 GHz. La portée atteinte par une antenne ZigBee sera déterminée par la sensibilité du récepteur et la puissance d'émission. La puissance d'émission maximale des antennes ZigBee doit être conforme aux réglementations régionales établies par des agences gouvernementales telles que la Federal Communications Commission (FCC).

Applications de ZigBee

ZigBee est une technologie idéale pour les applications embarquées qui ont un échange intermittent de petits paquets de données avec des capteurs en réseau ou des dispositifs de contrôle. La consommation d'énergie est maintenue au strict minimum pour le fonctionnement des réseaux ZigBee et les appareils certifiés peuvent généralement démontrer une autonomie de batterie allant jusqu'à deux ans.

Une fois mis en place, le réseau ZigBee n'est pas conçu pour une mobilité et un redéploiement répétés, mais plutôt la création d'un réseau de capteurs sans fil fixe qui peut être programmé en fonction de l'utilisation souhaitée. Les objets convenablement mis en réseau deviennent un Internet des objets, avec la possibilité de transférer des données entre eux, sans intervention humaine.

Les principales applications de ZigBee peuvent être largement divisées en domotique et contrôle industriel, où l'utilisation de l'Internet des objets (IoT) et   du M2M prédomine, mais les applications de sécurité et médicales sont également courantes. En voici quelques exemples clés.

Applications domotiques ZigBee

● Éclairage: L'éclairage domestique est une place de marché clé pour ZigBee qui permet aux utilisateurs de contrôler à distance et sans fil l'éclairage de leur maison. Les détecteurs de présence, les interrupteurs temporisés et les gradateurs sont des applications populaires car ils augmentent la commodité et économisent de l'énergie.

● Thermostats: Le contrôle automatisé du chauffage domestique a le potentiel d'économiser des quantités importantes d'énergie et de coûts. Il existe de nombreux thermostats compatibles ZigBee qui fournissent le zonage et la programmation pour le chauffage domestique, les ventilateurs intelligents et la climatisation via des capteurs et des commandes compatibles ZigBee.

● Sécurité domestique: Ce marché en expansion implique généralement l'utilisation d'un réseau maillé ZigBee crypté robuste. Un hub dédié surveille et communique avec des capteurs de mouvement et des porte-clés sans fil stratégiquement positionnés, et peut être connecté à l'éclairage de sécurité et aux serrures.

Applications industrielles et IOT ZigBee:

Au fil du temps, l'Alliance ZigBee a positionné cette technologie pour devenir la norme sans fil pour l'IoT. D'ici le milieu des années 2020, plus d'un milliard de ventes annuelles de puces ZigBee sont prévues, dont beaucoup pour des applications M2M industrielles. Les comparaisons avec le WiFi et le Bluetooth partagées ci-dessous montrent qu'il s'agit d'une technologie maillée avantageuse pour l'industrie avec des contrôleurs, des capteurs et des nœuds ZigBee opérationnels dans de nombreuses applications déjà déployées telles que:

• Éclairage public intelligent
• Surveillance des compteurs d'électricité
• Fabrication et usine intelligente
• Surveillance du commerce de détail
• Irrigation agricole

Foire aux questions

ZigBee est-il la même chose que Z-wave?

Bien qu'il s'agisse à la fois de technologies de maison et de bureau intelligentes pour des réseaux décentralisés et ad hoc dont le nom comporte un Z, ZigBee et Z-wave sont en fait très différents.

Le protocole de réseau maillé Z-wave est une alternative à faible consommation d'énergie à ZigBee qui a été développée il y a plus de 20 ans par la société danoise Zensys qui a initialement utilisé la technologie pour un système d'éclairage domestique propriétaire. L'entreprise s'est finalement diversifiée et a créé un protocole SOC (System on a Chip). Cela permet de produire des milliers de produits de consommation compatibles Z-wave pour la maison et le bureau. Ce système domotique est généralement plus cher que ceux de ZigBee ou du WiFi. Les réseaux ZigBee et Z-wave ne sont ni compatibles ni interopérables. Comme ZigBee, tout appareil fonctionnant à l'aide de Z-wave doit être compatible et inclus dans le réseau en se couplant avec le contrôleur ou le hub. Il est également similaire en ce sens qu'il peut être utilisé pour créer des réseaux maillés évolutifs composés de plusieurs nœuds.

Une antenne WLAN 2,4 GHz ne sera pas adaptée à l'onde Z car elle fonctionne à une fréquence inférieure à celle de ZigBee: 800 à 900 MHz. Si vous évaluez Z-wave Vs ZigBee: Z-wave a une plus grande portée que ZigBee mais prend en charge moins de nœuds, un peu plus de 230, contre 65 000 pour ZigBee. Son débit de données est également plus faible à 100 kbps.

Comment puis-je réduire les interférences avec mon ZigBee Hub?

Étant donné que ZigBee fonctionne à la même fréquence que le WiFi, le Bluetooth et même votre micro-ondes, il peut être affecté par des interférences provenant d'autres appareils qui utilisent la bande de fréquence 2,4 GHz. De grandes quantités de « bruit » électromagnétique affecteront la portée de votre hub et sa connectivité avec vos appareils ZigBee. S'il s'agit d'un problème pour votre maison intelligente, voici quelques mesures que vous pouvez prendre pour remédier à la situation:

1. Changez votre fréquence WiFi: Le WiFi est entièrement utilisable aux fréquences 2,4 GHz et 5 GHz, donc si vous avez beaucoup de trafic sans fil à la fréquence 2,4 GHz, déplacer votre WiFi à 5 GHz devrait améliorer les choses.
2. Variez vos canaux WiFi et ZigBee: Modifier les canaux de fréquence radio ciblés par votre WiFi peut aider à prévenir le chevauchement qui peut provoquer des interférences. Les canaux WiFi 1, 6 et 11 sont partagés avec les canaux ZigBee, de sorte qu'une planification minutieuse des canaux lors de la configuration de la domotique basée sur ZigBee fera toute la différence pour minimiser ces effets indésirables.
3. Séparez votre manette ZigBee et votre routeur WiFi: L'emplacement de vos concentrateurs et routeurs affectera certainement les performances de ces deux réseaux sans fil. En éloignant votre manette ZigBee de votre routeur WiFi, vous réduirez les interférences électromagnétiques que les deux appareils rencontreront.
4. Procurez-vous un répéteur ZigBee avec une antenne externe: L'ajout de routeurs avec une antenne ZigBee externe de bonne qualité étendra la portée de votre réseau ZigBee. Cela fournit l'amplification du signal qui aidera à surmonter les retransmissions répétées, qui peuvent épuiser les appareils fonctionnant sur batterie. Il réduit également le trafic sur les autres nœuds participants du réseau, ce qui, espérons-le, conduit à de meilleures performances globales.

ZigBee et XBee sont-ils compatibles?

XBee est un module de connectivité sans fil propriétaire qui peut être intégré à la carte mère des appareils pour fournir une fonctionnalité de communication sans fil. Il est capable de fonctionner à 2,4 GHz conformément à la norme IEEE 802.15.4 et est donc compatible avec ZigBee, mais peut également être utilisé avec Bluetooth LE, LTE et NB-IoT.

Arrondi

L'approche simple et évolutive de ZigBee en matière de réseau sans fil en a fait une solution populaire pour la domotique. Sa faible consommation d'énergie, sa robustesse et son architecture maillée en ont également fait un candidat viable pour la prise en charge d'une gamme d'applications IOT. Une utilisation bien planifiée des antennes ZigBee peut considérablement améliorer la portée et l'utilité des appareils compatibles ZigBee et aider à tirer le meilleur parti de la bande de fréquence 2,4 GHz.