Domotique : à la découverte du protocole Zigbee

Zigbee est un protocole ouvert qui a su se démarquer au fil des années dans le petit monde de la domotique. Les passerelles et objets connectés l'exploitant sont de plus en plus nombreux et accessibles, l'interopérabilité étant favorisée par sa révision 3.0. Voici tout ce qu'il faut savoir à son sujet.

Comme nous l'avons détaillé au sein du dossier sur la domotique de notre second magazine, il existe de nombreux protocoles pour les objets connectés. Dans le domaine du grand public, Zigbee est l'un des plus connus.

Créée au début des années 2000, il repose comme tant d'autres sur la norme IEEE 802.15.4. Il s'agit d'un protocole ouvert et n'importe qui peut donc l'utiliser, ce qui n'est pas sans conséquence sur la compatibilité des produits entre eux. Sur le sujet, c'est la Zigbee Alliance qui veille au grain. La révision 3.0, ratifiée fin 2015 améliore d'ailleurs ce point.

L'Alliance est composée de nombreux acteurs du secteur. Fin 2019, une société de poids faisait son entrée à son conseil d'administration : Ikea. Le suédois prenait ainsi place à côté d’autres géants comme Amazon, Legrand, Signify (Philips Lightning), Silicon Labs, SmartThings (Samsung), Somfy... 

Comme ses homologues, Zigbee permet de développer des objets connectés à faible coût, avec une consommation électrique minimale, parfois même sans pile. Il s'agit d'un réseau maillé, permettant à chaque élément de répéter le signal pour renforcer la couverture. Pour un accès IP, il nécessite un « pont » à relier à votre réseau local.

De nombreux atouts qui explique son succès. Mais celui-ci est aussi dû au fait que ce protocole ait été choisi par Signify comme base à la majorité des produits de sa gamme Philips Hue.

Zigbee : rappel des bases techniques

Il est souvent expliqué que Zigbee repose sur la bande des 2,4 GHz. Ce n'est qu'en partie vrai. Souvent utilisée, elle permet d'atteindre des débits de 250 kb/s. Mais ce protocole peut aussi exploiter la bande des 868 MHZ jusqu'à 100 kb/s. La distance « varie de 10 à 100 m, en fonction de la puissance de sortie et des caractéristiques environnementales », avec du chiffrement AES sur 128 bits. En pratique, on constate souvent quelques dizaines de mètres.

Mais Zigbee a un avantage de taille sur ce point : il s’agit d’un réseau maillé, permettant à certains modules Zigbee de servir de point de relai pour les autres. Il est auto-cicatrisant, signifiant que le réseau s’adapte automatiquement en cas de défaillance d’un des objets. Vous pouvez ainsi ajouter ou enlever des produits sans que cela ne remette fondamentalement en question votre installation domotique. Elle s'adapte constamment aux conditions.

Des avantages et des inconvénients

Comme nous l'avons déjà précisé, les spécifications du protocole Zigbee sont librement accessibles, tout le monde peut donc en profiter… mais aussi les modifier à sa guise. Certains acteurs essaient ainsi de se démarquer en ajoutant des fonctionnalités utiles et différentes de la concurrence, comme le « One Tap pairing » de la passerelle ZigBee de Sonoff qui permet de détecter automatiquement et d'ajouter en une seule fois jusqu’à 32 objets.

D'autres comme Philips Hue et TRÅDFRI d'Ikea assuraient surtout une compatibilité avec leur propre écosystème, sans trop se préoccuper de la concurrence. De quoi pousser les utilisateurs à des contorsions pour faire fonctionner des produits de marques différentes ensemble, ce qui n'est pas l'idéal alors que le protocole est commun.

C'était l'un des principaux problèmes de ce protocole ouvert. Mais les choses s'améliorent depuis Zigbee 3.0 qui renforce la sécurité (notamment dans la phase d'appairage) mais introduit surtout une base commune que tout appareil doit partager, unifiant les profils existants précédemment. Avec support de l'appairage simplifié TouchLink.

Zigbee 3.0 permet l'envol

Fin 2016, une vingtaine de plateformes de huit sociétés étaient certifiées par la Zigbee Alliance. Farnell, une boutique spécialisée dans l’électronique explique que cela favorise la « concurrence entre les produits […] car les fabricants sont en concurrence sur l'innovation, la qualité et le choix. Des sources multiples pour la construction d'écosystèmes interopérables existent, sans dépendance fournisseur vis-à-vis de fabricants de silicium ». 

Peu à peu, les produits Zigbee 3.0 se multiplient chez les fabricants, surtout depuis deux ans. On peut par exemple citer Xiaomi qui s’est lancé dans l’aventure en juillet 2019, Sonoff pour certaines de ses références comme le ZBMINI ou Lidl qui vient tout juste d’annoncer sa gamme Smart home Zigbee 3.0.

Mais on trouve également de nombreux appareils sous des marques diverses et variées qui disposent d'une telle certification et qui doivent donc, en théorie, fonctionner parfaitement les uns avec les autres.

Un réseau maillé Zigbee, ça fonctionne comment ?

Pour disposer d’une installation Zigbee chez soi, et pouvoir piloter les objets depuis un smartphone, des enceintes connectées ou autre, il faut disposer d'une passerelle (ou pont), qui servira de tour de contrôle, gérera les scénarios, etc. Parfois cette fonctionnalité est intégrée, certains Echo d'Amazon faisant office de pont Zigbee.

Une fois la passerelle installée, vous pouvez ajouter des objets connectés à votre réseau... dans la limite de 65 000 selon la Zigbee Alliance, autant dire que vous avez de la marge. Ceux branchés sur secteur (interrupteurs, variateurs, etc.) peuvent servir de relai – les fabricants utilisent aussi le terme de routeur – pour permettre à un objet trop éloigné de communiquer avec la passerelle et vice-versa. 

On distingue en fait trois familles d’objets dans un réseau Zigbee, comme le détaille Legrand : 

• Coordinateur : « Forme la racine d'un réseau ZigBee et peut servir de pont entre plusieurs réseaux. Chaque réseau peut avoir un seul coordinateur. Il peut enregistrer des informations sur son réseau et agir comme dépôt pour les clés de sécurité ». Dans le cadre d’une installation domotique classique, c’est la passerelle.
• Routeur : « Appareils agissant en tant que routeurs intermédiaires et qui transmettent les données de et vers d'autres appareils ». Cela comprend les appareils raccordés au secteur : interrupteur (de volets), variateur…
• Appareil terminal : « Appareils exécutant uniquement les fonctions de base, en dialoguant avec le coordinateur et le routeur, mais qui ne peuvent pas transmettre les données venant d'autres appareils », des télécommandes et des capteurs par exemple.

Nous reviendrons dans un prochain article sur la mise en place pratique de ces différents éléments.

Green Power pour des objets sans fils ni pile, Zigbee PRO 2017

Parmi les possibilités de Zigbee, signalons Green Power, « qui permet d'utiliser des technologies de récupération d'énergie directement » dans des objets connectés. Selon l’Alliance, la consommation des produits Green Power est 100 fois plus petite que celle d’un objet Zigbee classique, qui est elle-même 100 000 fois inférieure au Wi-Fi.

Elle a notamment été réalisée grâce à un rapprochement avec EnOcean, un protocole sans fil ni pile pour des produits qui « collectent l’énergie nécessaire à leur fonctionnement depuis leur environnement : mouvement d’un “rocker“, lumière de panneaux solaires, variation de chaleur dans la valve d’un radiateur, tout est possible ».

Il est ainsi possible de proposer des interrupteurs, capteurs et autres actionneurs autonomes. Il suffit de les poser dans un coin et ils utilisent leur environnement pour grappiller l’énergie dont ils ont besoin.

• Comment certains objets connectés « grappillent » de l’énergie ambiante pour être autonomes

Sachez enfin qu’il existe une version « PRO 2017 » du protocole Zigbee, avec comme principale nouveauté la possibilité de prendre « en charge simultanément les bandes de fréquences sous-GHz et 2.4 GHz ». Comme son nom l’indique, elle n’a pas grand intérêt pour le grand public.