On vous explique les protocoles pour les objets connectés : Zigbee, Z-Wave, EnOcean, DIO…

Il existe de très nombreux protocoles utilisés en domotique, chacun avec ses particularités et, bien évidemment, généralement sans compatibilité entre eux (ce serait trop simple). Voici un tour d’horizon avec les principales caractéristiques, avantages et inconvénients de chacun d’entre eux.

Contrairement au Wi-Fi et au Bluetooth qui sont des protocoles généralistes, ceux dédiés à la domotique – Zigbee, Z-Wave, EnOcean, ULE, DomusRF, Sigfox, LoRa, LTE-M et NB-IoT… – sont avant tout pensés pour deux aspects : des communications sur une grande distance (dans la mesure du possible) et une très faible consommation.

Dans ce dernier cas, le but est à la fois de réduire la facture énergétique pour les produits (dont le nombre ne cesse d’augmenter) directement reliés à votre réseau électrique, mais aussi d’augmenter l’autonomie de ceux fonctionnant sur batterie. Signalons le cas particulier des objets EnOcean qui peuvent fonctionner sans pile ni fil (nous y reviendrons).

ZigBee joue la carte de l’ouverture

Puisqu’il faut bien attaquer quelque part, commençons avec Zigbee, dont la première version du protocole a été finalisée fin 2004 par la Zigbee Alliance. Cette dernière n’est pas partie de zéro puisqu’elle s’appuie sur la norme 802.15.4 de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

La dernière mouture en date – Zigbee 3.0 – a été ratifiée fin 2015, mais elle est le fruit de presque deux ans de travaux. Fin 2016, huit sociétés avaient obtenu la certification Zigbee 3.0 pour une vingtaine de plateformes. Cela permet de faire jouer la concurrence et laisse le choix aux partenaires pour fabriquer des produits exploitant Zigbee. C’était alors une des grandes différences avec Z-Wave.

Cette version 3.0 est importante puisqu’elle « ouvre la porte à une nouvelle ère de communication et d’interopérabilité améliorées entre les produits utilisés dans des applications allant de la maison connectée, des bâtiments intelligents et des villes intelligentes à l’éclairage, l’efficacité énergétique et d’autres applications ». Dans le même temps, la Zigbee Alliance annonçait un partenariat avec EnOcean, un protocole sans pile ni fil misant sur la récupération de l’énergie.

But de l’opération : pouvoir développer des produits Zigbee fonctionnant de manière autonome (des interrupteurs ou des capteurs par exemple). Comme bon nombre de ses concurrents, Zigbee exploite des bandes de fréquence sans licence, ce qui ne signifie pas qu’il n’existe aucune règle, bien au contraire. Alors qu‘il est souvent question des 2,4 GHz, ce protocole fonctionne également sur les 868 MHz en Europe et 915 MHz aux États-Unis.

Il s’agit d’un réseau mesh (maillé) où chaque objet connecté peut se comporter comme un relai afin de transmettre le signal et ainsi étendre la couverture de proche en proche. La Zigbee Alliance indique qu’il est « auto-cicatrisant », signifiant qu’il fonctionne même si un des éléments tombe en panne, une route alternative est alors prise par le signal pour remonter au « serveur » central.

Un réseau Zigbee peut comprendre jusqu’à 65 000 objets connectés ou nœuds. Legrand précise dans ses documentations que le signal ne doit pas passer par plus de « 30 routeurs Zigbee » avant d’arriver à destination. Dans le cas d’une installation domotique résidentielle, cela ne devrait pas poser le moindre problème.

Selon la Zigbee Alliance, les débits peuvent atteindre 250 kb/s sur les 2,4 GHz et 100 kb/s sur les 868 MHz. Elle ajoute que « les distances de transmission varient de 10 à 100 m, en fonction de la puissance de sortie et des caractéristiques environnementales. La transmission des canaux sous GHz s’étend jusqu’à 1 km ». Les données peuvent être chiffrées en AES-128.

Afin de limiter les risques d’interférence, chaque produit Zigbee a accès à seize blocs de fréquences de 5 MHz dans la bande des 2,4 GHz, dont plusieurs ne chevauchent pas les fréquences utilisées par le Wi-Fi en Europe et aux États-Unis. Zigbee intègre également le protocole CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) de la norme 802.15.4 afin de réduire les risques d’interférer avec d’autres produits. Pour simplifier, un émetteur va d’abord « écouter » la fréquence afin de s’assurer qu’elle est disponible avant de commencer à transmettre.

Enfin, dernier point et pas des moindres : les caractéristiques techniques de Zigbee étant disponibles librement, n’importe qui peut développer des produits basés dessus, y compris en apportant des modifications. Il existe bien un programme de certification, mais en dehors de celui-ci, des produits Zigbee ne sont pas forcément interopérables.

En juin 2017, la Zigbee Alliance a annoncé une déclinaison « PRO 2017 » de sa norme, avec une principale nouveauté : la possibilité de prendre « en charge simultanément les bandes de fréquences sous-GHz et 2,4 GHz ».

Z-Wave s’ouvre depuis peu à des fabricants tiers

Passons à Z-Wave, un autre protocole radio pensé pour les objets connectés. Proche de Zigbee, cette technologie se différenciait jusqu’à récemment sur un point crucial : la Z-Wave Alliance gardait la mainmise sur ce protocole. Pour obtenir des puces Z-Wave, il fallait ainsi se tourner vers le seul fournisseur qui était disponible sur le marché : Silicon Labs.

Pour la petite histoire, ce dernier a croqué Sigma Design fin 2017 qui avait lui-même racheté Zen-Sys – la société qui a initialement développé Z-Wave – en 2008. La situation a évolué fin 2019 avec l’annonce de l’ouverture des caractéristiques techniques – pour la partie radio (ITU.G9959 PHY/MAC), la couche applicative, la couche réseau et le protocole de communication – mais aussi de la fabrication de puces Z-Wave par d’autres sociétés. Les fabricants de semi-conducteurs et les développeurs d’applications pourront ainsi rejoindre l’écosystème Z-Wave et participer activement à ses futures évolutions.

Avant de passer à la suite, rappelons que le contexte de cette annonce était tout aussi important que son contenu. Elle a été faite quelques heures seulement après l’annonce de Connected Home over IP (CHIP), un groupe de travail composé d’Amazon, d’Apple, de Google et de la Zigbee Alliance.

But de l’opération : « développer et promouvoir l’adoption d’un nouveau standard gratuit afin d’augmenter la compatibilité entre les objets connectés de la maison, avec la sécurité comme principe fondateur ». La version finale de la norme est attendue pour 2021, mais certains membres s’activent. Notamment Apple avec son HomePod mini qui gère le protocole Thread via sa solution HomeKit, ce qui devrait lui permettre de basculer sur CHIP dès sa mise sur le marché. Tous deux s’appuient sur le protocole IP devant faciliter leur mise en œuvre.

Pour rappel, Google avait présenté Thread en 2014, mais la mayonnaise n’a jamais vraiment pris. CHIP devrait néanmoins relancer le projet. Il y est présent aux côtés d’autres technologies comme le Wi-Fi 6 (802.11ax), le Bluetooth 4.0 et 5, Ethernet et le cellulaire (xG). Il est encore trop tôt pour dire si cette alliance a de l’avenir, ou si elle finira comme les précédentes tentatives d’unification. [NDLR : on sait depuis que CHIP est devenu Matter et que les premiers produits doivent sortir avant la fin de l'année].

En Z-Wave, un maillage plus limité qu’avec ZigBee

Alors que les produits Zigbee utilisent principalement la bande des 2,4 GHz (notamment les ampoules Hue), Z-Wave est sur les 868 MHz en France. Il n’y aura donc pas d’interférence avec le Bluetooth et le Wi-Fi, mais il s’agit encore d’une bande ouverte qui peut être utilisée par n’importe qui, avec autant de sources potentielles d’interférences.

Il s’agit là encore d’un réseau maillé : les objets connectés Z-Wave peuvent servir de relais pour le signal si besoin. La Z-Wave Alliance précise par contre qu’il ne peut y avoir que quatre sauts maximum avant d’arriver à destination. Ce n’est pas la seule différence avec Zigbee : le nombre maximum d’objets dans un réseau Z-Wave est de 232. Cela ne devrait pas poser de problème aujourd’hui pour une maison connectée, mais dans le cas de plus grosses constructions ces limitations pourraient être alors problématiques.

En septembre 2020, l’annonce du Z-Wave Long Range vient améliorer ces deux points. Cette version de la norme ne devrait pas débarquer dans des produits commerciaux avant début 2021, mais promet des changements importants. Tout d’abord, la portée est multipliée par quatre, limitant au passage le besoin de passer par des répéteurs et/ou de multiplier les sauts pour arriver à la box.

De plus, le nombre d’objets connectés dans un réseau est multiplié par quasiment dix, pour arriver à 2 000 (au lieu de 232). Sur l’autonomie, l’Alliance annonce jusqu’à 10 ans pour un capteur classique avec une pile bouton. Il existe une version « Plus » (évidemment rétrocompatible) qui, selon l’Alliance, propose un « haut niveau de sécurité » tout en étant « optimisé pour une configuration et une installation plus faciles ».

Hors Long Range, elle recommande de placer un objet connecté tous les 10 mètres environ pour assurer une efficacité maximale du réseau mesh, mais précise en même temps que la portée maximum peut atteindre une centaine de mètres (dans un champ).

Là encore, un chiffrement AES-128 peut ajouter une couche de sécurité. Les routeurs certifiés Z-Wave Plus doivent obligatoirement prendre en charge cette fonctionnalité. Enfin, les débits peuvent grimper jusqu’à 100 kb/s, mais qu’importe puisqu’on n’est clairement pas dans une course au débit en la matière.

EnOcean : sans fil et sans pile !

EnOcean (ISO/ CEI 14543-3-1X) est une norme créée par la société éponyme désormais gérée par l’EnOcean Alliance. Elle exploite la bande des 868 MHz en Europe et permet selon les responsables du projet un débit de 125 kb/s (via EnOcean Radio Protocol 2). La portée théorique est de 30 mètres dans les bâtiments, bien qu’elle soit souvent réduite aux alentours de 15 mètres dans des conditions réelles reconnaît l’Alliance.

Comme tous les protocoles exploitant les ondes radio, la portée sera différente d’un lien à un autre en fonction des matériaux, de la disposition, des autres équipements radio, etc. NodOn, un de ses membres, explique que ce protocole est « basé sur le principe de collecte de l’énergie physique naturelle (magnéto-résistive, photovoltaïque, effet Peltier, etc.), les produits EnOcean 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 ».

Cette récupération d’énergie ne se limite pas à EnOcean, des objets connectés avec d’autres protocoles peuvent également s’en servir ; plusieurs équipes de scientifiques planchent d’ailleurs sur des solutions. Il n’est pas question d’un réseau maillé dans le cas d’EnOcean ni de retour d’état : un objet connecté envoie un message comme on enverrait une bouteille à la mer. Il existe néanmoins des répéteurs permettant de récupérer, de contrôler et de réémettre à pleine puissance le signal.

Deux sauts maximum peuvent être mis en place. Un répéteur de niveau 1 ne fait le passe-plat que pour des données provenant directement des objets, tandis qu’un répéteur de niveau 2 fait de même avec les signaux des répéteurs de niveau 1 en plus… mais cette technique ne doit être utilisée que dans des « cas extrêmes » de l’aveu même l’Alliance. Certains produits EnOcean avec une batterie ou sur secteur peuvent aussi faire office de répéteur.

« L’ancêtre » 433 MHz avec RTS (Somfy) et DIO (Chacon)

Il y a une bande de fréquence que nous n’avons pas encore abordée : celle sur les 433 MHz. Les objets connectés l’exploitant sont généralement peu chers… mais aussi généralement peu sécurisés. Les plus connus sont certainement les produits compatibles RTS de Somfy et DiO.

Il n‘est là encore pas question d‘un réseau maillé : chaque objet connecté doit être capable de joindre directement sa box domotique. Avec les protocoles DiO et RTS, pas de retour d’information non plus et souvent pas de chiffrement, ce qui peut poser un problème de sécurité. D’ailleurs, pour ceux qui ne jurent que par les solutions filaires, il existe également des solutions comme KNX (Konnex) née au début des années 2000. De fait, elle n’est pas la plus populaire du marché mais compte néanmoins de nombreux adeptes.

La guerre des fréquences

Dans le petit monde des objets connectés, comme en téléphonie mobile, les fréquences ont une incidence sur la portée du signal (à puissance équivalente évidemment). Plus la fréquence est basse, plus le signal portera loin et se propagera à travers les bâtiments.

Ainsi, avec une puissance et une technologie identique, un objet connecté avec une fréquence de 433/868 MHz aura une portée plus grande que le même en 2,4 GHz. Chez les opérateurs, les bandes sous le GHz sont appelées fréquences en « or ».

Domusurf : protocole maison « ouvert » de Free

Avec sa Freebox Delta, Iliad a décidé de miser sur les objets connectés, mais avec un protocole maison : DomusRF. Il est évidemment chiffré et ouvert… mais on attend toujours la mise en ligne de ses caractéristiques complètes afin d’en apprendre davantage et pour que la communauté puisse s’en emparer.

Le nombre de produits compatibles est donc très limité et il faudra se rendre sur la boutique officielle pour en acheter : 15 euros une télécommande d’alarme, 20 euros un détecteur d’ouverture et 30 euros le détecteur de mouvement.

Orange mise sur ULE, dérivé du DECT

De son côté, Orange n’a pas développé un nouveau protocole pour son offre Maison Connectée, mais s’appuie sur un protocole quasiment inexistant dans nos contrées. Via une mise à jour, les Livebox supportent ULE (Ultra Low Energy), une norme ouverte de l’European Telecommunications Standards Institute (ETSI) dévoilée il y a plus de six ans et gérée par l’Alliance ULE, dont fait partie Orange.

Elle explique que cette technologie exploite des fréquences de 1 880 à 1 900 MHz et « dispose de toutes les forces du DECT : pas d’interférence, pas de licence, sécurité, authentification, longue portée, parée pour Internet, etc. [...] Avec des parties matérielles et logicielles repensées, ULE est optimisé pour les applications à faibles consommations et débits de données ».

Les débits peuvent atteindre 1 024 kb/s (largement plus que Zigbee et Z-Wave) et du chiffrement en AES-128 est possible. Le réseau n’est pas maillé, mais des répéteurs peuvent être installés si besoin. Comme chez Free, il faudra se rendre sur la boutique officielle de l’opérateur pour acheter des produits compatibles : 18 euros l’ampoule blanche, 25 euros celle en couleurs, 30 euros le détecteur de mouvement, 40 euros la prise, etc. [NDLR : Depuis la publication de cet article dans notre Mag #2, Orange a arrêté de prendre en charge ULE dans sa nouvelle Livebox].

Chez Free comme chez Orange, le principal problème pour l’utilisateur est qu’il est captif de l’écosystème du fournisseur d’accès à Internet, s’il change de crémerie il peut se retrouver avec des objets connectés totalement inutilisables.

Pour essayer de ne pas être trop à la traîne, SFR a récemment remis au goût du jour son Pack Home, mais il ne s’agit pas vraiment de la même chose car la box ne gère pas de protocole particulier pour les objets connectés. Ils doivent donc tous passer par le Wi-Fi, le reste n’étant qu’une solution logicielle. Pour 69 euros, vous avez ainsi une ampoule, une caméra et une prise connectées en Wi-Fi.

Sigfox, LoRa, LTE-M et NB-IoT pour les longues distances

Pour les communications longues distances – pour les smart cities et l’industrie par exemple –, il est possible de passer par des réseaux bas débit. Deux grandes familles s’opposent : Sigfox et LoRa d’un côté, LTE-M et NB-IoT de l’autre.

Commençons par Sigfox, qui est à la fois le nom du protocole et de l’opérateur proposant cette technologie. La société est présente dans soixante-dix pays et propose une couverture à plus de 1,1 milliard de personnes, un avantage indéniable pour ceux qui veulent une offre mondiale.

Sigfox n’est pensé que pour l’envoi de messages très courts : le protocole de communication est conçu « pour les petits messages dont la taille est comprise entre 0 et 12 octets. Une charge utile de 12 octets suffit à transférer les données produites par un capteur, le statut d’un événement tel qu’une alerte, des coordonnées GPS voire des données d’application », précise la société.

Utilisant une bande libre, Sigfox est soumis à des contraintes : « La réglementation européenne stipule que nous pouvons occuper la bande de fréquence publique pendant 1 pour cent du temps, ce qui correspond à six messages de 12 octets par heure ou 140 messages par jour. Si la réglementation diffère dans d’autres régions, l’offre commerciale Sigfox reste la même pour le moment ». Dans le sens descendant (vers les objets connectés), la charge utile des messages est de 8 octets.

Plusieurs sociétés ont choisi Sigfox pour développer leurs services, notamment Free pour assurer une connectivité de secours pour l’alarme de la Freebox Delta. La Poste pendant un moment s’appuyait aussi sur Sigfox pour son bouton connecté Domino… dont on n’est sans aucune nouvelle depuis maintenant plus de deux ans. En novembre 2020, Sigfox a néanmoins annoncé « pivoter » et avoir vendu son réseau en Allemagne. Ceux des autres pays suivront. La société dit vouloir se concentrer sur le « raffinage » de la donnée.

De son côté, le protocole de communication LoRaWAN (LoRa) est ouvert à tout le monde, des sociétés peuvent donc s’appuyer dessus pour développer des réseaux privés ou dans certaines zones géographiques.

En France, les sociétés Objenious (filiale de Bouygues Telecom) et Orange en développent chacune un. La technologie LoRaWAN permet de grimper jusqu’à 50 kb/s, il est donc un peu plus rapide que Sigfox, sans être un foudre de guerre non plus, on reste sur du (très) très bas débit. C’est moins bien que Z-Wave et Zigbee, mais on se maintient dans des ordres de grandeur comparables.

On peut également signaler l’initiative TheThingNetwork visant à créer un réseau LoRaWAN international ouvert à tous, exploitant les passerelles mises à disposition par ses membres. Il y en a actuellement plus de 11 000 à travers le monde. Certaines zones sont couvertes en France.

Selon Anthony Juton (professeur agrégé à l’ENS Paris-Saclay), l’autonomie entre des objets Sigfox et LoRaWAN serait relativement proche : 105 mois avec une batterie de 2 000 mAh en LoRaWAN contre 90 mois sur Sigfox. Le professeur note plusieurs autres points communs : « Les nœuds autonomes LoRaWAN et Sigfox ne se réveillent que ponctuellement pour émettre et à ce moment-là peuvent éventuellement recevoir. Cela implique un temps de latence important, voire très important pour recevoir une instruction. C’est pour cela que l’on trouve essentiellement des capteurs sur ce type de réseau ».

Passons maintenant aux réseaux 4G des opérateurs, avec deux technologies en concurrence : LTE-M et NB-IoT. Orange développe son propre réseau LTE-M, qui aurait plusieurs avantages selon Olivier Ondet, vice-président IoT et analytics chez Orange Business Services : « LTE-M est environ quatre fois moins énergivore qu’un réseau cellulaire classique ».

De plus, les modules LTE-M seraient « en gros deux fois moins chers » que ceux de la 4G traditionnelle. Les débits peuvent atteindre jusqu’à 10 Mb/s et la latence serait largement inférieure à celle de LoRa. Quant à l’autonomie annoncée par Orange, elle peut grimper jusqu’à trois ans.

Par contre, « LoRa est quatre fois moins énergivore qu’un réseau LTE-M » et « les modules LoRa sont environ trois fois moins chers que ceux LTE-M », reconnaissait notre interlocuteur. Selon le professeur Jutonen, un objet connecté LoRa avec une batterie de 2 000 mAh aurait une autonomie de 18 mois, contre 90/105 mois en LoRaWAN/Sigfox. Nous sommes très proches du rapport de 1 à 4 annoncé par le responsable d’Orange.

Dernier avantage et pas des moindres de LTE-M : un roaming facilité car cette technologie utilise les réseaux 4G classiques… un avantage que l’on retrouve aussi sur la technologie NB-IoT qui passe également par ces mêmes réseaux 4G. C’est le choix de SFR, qui utilise donc lui aussi des bandes de fréquences sous licence (comme LTE-M). L’opérateur annonce une durée de vie de dix ans pour certains objets connectés, mais ne rentre pas davantage dans les détails techniques.

Impossible donc de comparer aux autres technologies. Le débit lui est d’environ 150 kb/s. « On peut retenir que LoRaWAN et Sigfox sont optimaux pour une faible consommation, un faible coût et en contrepartie un faible débit et un temps de latence à la réception important. NB-IoT et LTE-M nécessitent des composants plus coûteux et plus gourmands, mais le débit, le temps de latence à la réception et la qualité de service sont meilleurs. La sécurisation des données est réputée très bonne sur ces réseaux. La possibilité de géolocaliser l’objet qu’apporte LoRaWAN peut aussi être un critère de choix », explique Anthony Jutonen guise de conclusion.

Bluetooth et Wi-Fi, le cas HomeKit d’Apple

Le Bluetooth LE (Low Energy) et le Wi-Fi sont parfois utilisés par les objets connectés. Ces deux technologies sont empruntées au monde des ordinateurs et des terminaux mobiles, avec une bande passante élevée, mais une portée limitée et surtout une consommation élevée par rapport aux protocoles spécialement pensés pour les objets connectés.

Signalons aussi l’application Maison et la fonctionnalité HomeKit d’Apple. Elle permet de contrôler directement les objets connectés certifiés, sans passer par l’application du constructeur. Une centralisation bienvenue à l’heure où chacun développe son propre système, mais limitée à l’écosystème Apple.

« Plus de 100 marques dans le monde proposent des accessoires compatibles avec le canevas logiciel HomeKit, et leur nombre ne cesse d’augmenter. Chacun de ces produits est testé et validé par Apple pour garantir une utilisation totalement sécurisée », explique le fabricant.

Par défaut, HomeKit ne fonctionne qu’en local (via Bluetooth, Wi-Fi ou Thread), il est possible d’en profiter à distance à condition d’avoir un boîtier Apple TV ou une enceinte connectée HomePod à votre domicile, ces derniers feront alors office de pont.