Les protocoles de communication pour vos objets connectés

[IceCream]

Dans le monde de la domotique, il est souvent fait référence aux protocoles de communication. Cela peut être confus et on ne sait pas toujours à quoi ces protocoles correspondent. Dans ce topique, sont présentés brièvement une partie des protocoles de communication les plus répandus. 

 

 

LES PROTOCOLES À COURTE PORTÉE :

 

Z-wave:

Z-wave est un protocole de communication dédié à la domotique. Ce protocole sans fil est facile à installer et offre une portée de 30 mètres. Z-Wave est un réseau maillé, impliquant que tous les objets connectés au système émettent des données et peut relayer celles émises par ses voisins. Le réseau maillé va permettre d’élargir la portée des appareils. Le Z-Wave est une technologie bidirectionnelle à retour d’état permettant de garantir la bonne exécution des ordres. Très rapide et beaucoup plus sûre par l’utilisation d’un code sur 32 bits qui bloque tout équipement ne disposant pas du bon code.

Z-Wave utilise une technologie radio de faible puissance dans la bande de fréquence de 868,42 MHz.

 

Ce protocole permet de connecter jusqu’à 232 appareils. Le Z-Wave est utilisé par un large éventail de produit et permet d’équiper sa maison pour un budget bien inférieur à certaines technologies filaires tout en garantissant fiabilité et sécurité. De plus, Z-wave utilise un protocole bien plus simple que les autres permettant un développement plus simple et plus rapide.

 

Sans doute le protocole le plus en développement du moment offrant grand nombre de périphériques.

 

Zig bee:

Comme le Z-wave, Zigbee est un réseau maillé. Zigbee permet de transférer un nombre de donné plus important que le Z-wave et est moins chère et plus facile d’utilisation pour les fabricants d’objet connecté que le Z-wave ou Bluetooth. Cependant, la portée moyenne pour le Zigbee n’est que de 100 mètres.

 

Zigbee est basé sur le protocole IEEE802.15.4, un réseau sans fil industriel qui opère à 2.4Hz ciblant les applications qui reçoivent une faible quantité de données sur une zone limitée comme une maison ou un bâtiment.

 

Zigbee présente de nombreux avantages tel qu’un fonctionnement basse consommation, sécurité, robustesse, une grande évolutivité et se retrouve en bonne position pour les systèmes machine to machine et applications IoT.

 

Wi-Fi:

Universel, le Wi-Fi permet de transférer rapidement un grand nombre de données. Le Wi-Fi est une technologie de transmission haut-débit sans fil qui utilise les ondes radio. Il s'agit de la dénomination de la norme IEEE 802.11 qui est le standard international décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans fil (WLAN). Le protocole 802.11b autorise un débit de 11 Mbits à 22 Mbits par seconde, alors que le protocole 802.11g permet d'atteindre un débit théorique de 54 Mbits/s. La technologie utilise la radio fréquence pour permettre à deux appareils de communiquer entre eux. Cette technologie est communément utilisée pour connecter des routeurs aux ordinateurs, tablettes et smartphones. Le Wi-Fi peut également être utilisé pour connecter des objets. La technologie Wi-Fi est la technologie la plus répandue. Cette technologie utilise une large bande passante et requiert une importante quantité d’énergie. Cette solution consomme donc beaucoup d’énergie et les composants nécessaires sont coûteux ce qui fait que la plupart des concepteurs d’objets connectés évitent cette technologie.

 

Bluetooth:

Le Bluetooth établit une connexion sécurisée de proximité. L’unique problème de cette technologie est que les objets connectés doivent être proche et à distance réduite. Cependant, le fait que la connexion se fasse sur une courte distance va réduire les risques d’interception du signal.

 

Le système Bluetooth opère dans les bandes de fréquences ISM* (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 GHz dont l’exploitation ne nécessite pas de licence vu la faible puissance d’émission et le risque faible d’interférences. Cette bande de fréquences est comprise entre 2 400 et 2 483,5 MHz.

 

Le Bluetooth est une technologie utilisée pour envoyer des informations sur de courte distances. Cette technologie est en général utilisée sur des appareils connectés aux téléphone et tablette. Le Bluetooth Low energy utilise lui moins d’énergie que le Bluetooth standard et est utilisé en général sur des objets connectés dans le but de transmettre des données sans compromettre la batterie. Le Bluetooth Low energy est très largement utilisé dans le monde. Pratiquement tous les smartphones sont équipés de cette technologie qui offre une portée d’environ 60 mètres et qui consomme moins d’énergie que le Wifi. Aujourd’hui le Bluetooth low energy, appelé Bluetooth Smart, est supporté par la majorité des smartphones, ordinateurs et systèmes d’exploitation. Cela lui offre un avantage notable dans le cadre des objets connectés étant donné son intégration répandue dans les smartphones et autres appareils mobile.

 

LES PROTOCOLES À LONGUE PORTÉE:

 

LoRa:

Lora est un protocole basse consommation, à faible coût et qui permet un transfert des données sur des distances de 2 à 5 kilomètres en milieu urbain et jusqu’à 45 kilomètres en milieu rural.

Lora cible une large gamme d’applications et est conçu pour offrir une connexion de faible puissance avec des caractéristiques favorables pour supporter une communication bidirectionnelle sécurisée mobile pour les objets connectés, le machine 2 machine et autres. Lora est optimisé pour une faible consommation et supporte de larges réseaux avec des millions d’appareils et de données. Ce réseau est intéressant pour faire transférer une faible quantité de données mais ne peut faire transiter que 0,3 à 0,5 kilobits par secondes.

 

Sigfox:

Sigfox en termes de portée se positionne entre La Wi-Fi et la connexion cellulaire. En ville, Sigfox à une portée de 10Km et peut atteindre jusqu’à 50km en campagne. Il utilise des bandes ISM, lesquelles sont libres d’utilisation, pour transmettre des données d’un spectre très étroit à ou depuis des objets connectés. Avec une grande quantité d‘applications machine to machine qui fonctionnent avec une batterie faible et qui ne peuvent faire transiter qu’un faible volume de données Sigfox apparait comme une solution intéressante. En effet, la portée de la Wi-Fi est trop courte, la technologie cellulaire trop chère et les deux consomment trop d’énergie. Sigfox utilise une technologie appelée Ultra Narrow Band et est uniquement conçu pour gérer une faible vitesse de transfert des données. Il consomme seulement 50 microwatts comparé à 5000 microwatts pour la communication cellulaire. En contrepartie de sa faible consommation d'énergie, Sigfox ne permet de transporter que de très faibles quantités de données, entre 10 et 100 bits par seconde maximum (bps). Monodirectionnel au départ, il permet désormais d'envoyer des informations à ses objets connectés, même s'il est impossible de réaliser rapidement d'importantes mises à jour. Déjà déployé dans plus de 10 000 objets connectés, ce réseau est utilisé dans les principales villes d’Europe. Ce réseau est robuste et peu communiquer avec des millions d’appareils fonctionnant sur batteries sur des distances de plusieurs kilomètres carré, en faisant un réseau intéressant pour les applications machine to machine.

 

Cellulaire:

Le principal avantage des réseaux cellulaires est qu'ils permettent de transférer d'importantes quantités de données. Très gourmands en énergie ces réseaux sont à réserver à des appareils branchés au secteur. Le prix des abonnements (qui dépend de l'opérateur choisi) est nettement plus élevé que ceux de Sigfox et Lora.

 

Enocean:

Enocean est basée sur un protocole de communication demandant très peu d’énergie pour envoyer ses trames radio sans fil et sans pile. Enocean utilise la bande des 868MhZ. La technologie Enocean est autonome et puise l’énergie de son envrionnement pour émette un signal et communiquer avec d’autres produits Enocean. Il s’agit d’un protocole de communication sans fil et donc facile à installer. La maintenance des périphériques équipés d’un protocole Enocean est proche de zéro car ils n’utilisent aucune pile contrairement aux capteurs Z-wave, très gourmand en énergie. La durée de vie des objets connectés est donc rallongée Son principe de fonctionnement est extrêmement simple et ne nécessite pas obligatoirement de contrôleur domotique. EnOcean est 100% Standalone. Les nouveaux produits Enocean sont pour la plupart bidirectionnel et peuvent même faire office de répéteur wifi.

Il a une portée sans fil pouvant aller de 30 mètres en intérieur à 300 mètres en extérieur suivant l’environnement et les conditions d’emploi. Mais aussi et surtout, tout produit EnOcean est défini par un Profil d’Equipement « EEP » développé par l’Alliance EnOcean, une norme internationale entièrement ouverte et interopérable. Une sécurité des données renforcée avec le code de roulement (Rolling Code) et le cryptage AES 128. Contrairement au Wi-Fi ou GSM, la technologie EnOcean ne dialogue que très peu, pas d’émission radio en continu ce qui en fait également un atout pour les réticents aux ondes… Il ne subit pas d’interférences liées aux environnement Wi-Fi, 4G, DECT, ….

 

LTE-M:

Conçue pour l'IoT, la technologie LTE-M – "Long Term Evolution for Machines" – est une solution standardisée qui opère dans des bandes de fréquences licenciées allouées aux opérateurs mobiles pour la 4G. Elle bénéficie ainsi de ses fonctionnalités (sécurité avec authentification par Sim, connectivité en temps réel, itinérance à l'international), ce qui lui permet de faciliter les échanges de données enrichies, comme l'image ou la voix grâce à ses débits élevés, pouvant aller jusqu'à 10 Mb/s. Le LTE-M cible ainsi la télésurveillance ou les options combinant l'IoT et la voix. Orange Business Services a lancé en novembre 2018 en France la technologie LTE-M sur son réseau 4G. Cette offre, déjà compatibles avec les normes 5G, lui permet d'offrir une connexion au-delà des frontières. 

Le LTE-M est assez énergivore. Il a aussi pour caractéristique l'utilisation d'un modem réduit en performance par rapport aux modems LTE classiques.

 

 

NB-IoT:

Le NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) est aussi une solution standardisée se basant sur l'infrastructure de la 4G. Elle utilise une bande étroite de 180 KHz et assure une pénétration à l'intérieur des bâtiments ou en sous-sol, ce qui lui permet de répondre aux besoins de parcs importants d'appareils fixes nécessitant un faible volume de données, comme la télé-relève de compteurs d'eau ou de gaz. Vodafone et Huawei comptent parmi les principaux promoteurs du NB-IoT.   

Le débit de transmission de données du NB-IoT se limite à 150 Kbits/s et le déploiement de ce standard dépend des opérateurs mobiles et de leurs capacités à faire évoluer leurs stations de base.

 

Les réseaux propriétaires:

Installer un réseau type LoRa ou Sigfox ne coûte pas très cher, comparé à un réseau cellulaire, car le nombre d'antennes à installer est plus faible (Bouygues Telecom a déboursé plusieurs dizaines de millions d'euros pour installer le réseau LoRa en France, soit 10 fois moins que pour déployer ses antennes 4G). Certains grands groupes, qui ont les épaules assez larges pour supporter ce type d'investissement, et qui veulent déployer à grande échelle des appareils communicants, choisissent d'installer un réseau privé. La filiale de Veolia m2ocity a par exemple installé un réseau pour connecter ses compteurs d'eau intelligents. Ces firmes peuvent ensuite louer un droit de passage sur leurs antennes à des sociétés tierces.

 

RTS: utilisé exclusivement par Somfy au début mais qui aujourd’hui est un protocole plus ouvert.

 

IO Home control: protocole fermé propre à Somfy & Vélux

 

Ces protocoles sont les plus répandus mais de nombreux nouveaux protocoles vont certainement faire leur apparition avec l’engouement du marché pour les objets connectés.