AUTEUR: Carlos Paras
MISE À JOUR: Novembre 30, 2021
Zigbee est l’une des nombreuses façons de connecter des appareils domestiques intelligents sur un réseau sans fil. Dans cet article, je vais vous expliquer comment fonctionne Zigbee et pourquoi il est utile dans le monde de la domotique.
Qu’est-ce que Zigbee? Zigbee est un protocole de communication sans fil de faible puissance construit sur la norme IEEE 802.15.4 pour les réseaux personnels à faible débit (LR-WPAN). Il est considéré comme une alternative plus économe en énergie et plus rentable aux technologies Bluetooth et Wi-Fi traditionnelles.
La spécification Zigbee existe depuis plus de 15 ans. Il est le plus couramment utilisé dans les maisons et les bâtiments pour connecter sans fil des dispositifs d’automatisation et de sécurité à Internet.
Les appareils tels que les thermostats intelligents, les interrupteurs d’éclairage intelligents et les serrures intelligentes peuvent tous être reliés à un réseau sans fil qui peut être géré sur une interface de smartphone ou d’ordinateur.
Zigbee est également utilisé dans d’autres applications telles que les soins de santé, l’énergie intelligente, les télécommandes et les services de vente au détail.
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Le Réseau Maillé Zigbee
Ce qui différencie Zigbee des autres protocoles de communication, c’est que le transfert de données n’est pas uniquement point à point entre deux appareils puissants. Au lieu de cela, les appareils Zigbee fonctionnent comme un réseau maillé qui peut fournir plus de fiabilité à ses utilisateurs.
Qu’est-ce qu’un réseau maillé ? Un réseau maillé est une topologie de réseau local où les périphériques de son infrastructure sont interconnectés les uns aux autres.
Tous les périphériques d’un réseau maillé fonctionnent ensemble pour transférer efficacement des données vers ou depuis d’autres périphériques.
Les trois exemples les plus courants de réseaux maillés sont LAN (réseau local), VLAN (réseau local virtuel) ou WLAN (réseau local sans fil). Une connexion décentralisée est utilisée, qu’il s’agisse d’une topologie maillée partielle ou d’une topologie maillée complète.
Dans une topologie maillée partielle, certains périphériques sont connectés à tous les périphériques du réseau, tandis que d’autres périphériques ne sont connectés qu’aux périphériques avec lesquels ils échangent des informations.
Une topologie maillée complète, comme celle utilisée par Zigbee, est l’endroit où chaque périphérique est connecté à tous les autres périphériques du réseau.
Dans un réseau Zigbee, les appareils transmettent des signaux sur une courte distance (10 à 100 mètres), mais comme Zigbee utilise un réseau maillé, chaque appareil agit comme un répéteur et peut étendre la portée de communication.
De plus, les réseaux maillés sont « auto-cicatrisants », ce qui signifie que si un appareil ne parvient pas à transmettre et à délivrer un signal, un autre appareil du réseau peut capter le signal et continuer à l’envoyer au périphérique ciblé.
Interopérabilité Zigbee
Tous les périphériques compatibles Zigbee sont interopérables. Cela signifie que même si les appareils sont fabriqués par différents fabricants, l’interconnectivité peut être obtenue entre eux.
Par exemple, supposons que vous ayez un interrupteur d’éclairage intelligent fabriqué par un fabricant et une ampoule intelligente fabriquée par un autre fabricant. Si les deux appareils sont compatibles Zigbee, ils pourront communiquer entre eux et l’interrupteur d’éclairage pourra allumer ou éteindre l’ampoule.
D’autre part, si un seul des appareils est activé Zigbee, les appareils ne pourront pas communiquer ou travailler entre eux.
Comment Zigbee Agit-Il ?
Avec l’aimable autorisation de: Philips
Les appareils domestiques intelligents sont équipés de minuscules émetteurs radio qui permettent une connectivité sans fil. Ces émetteurs envoient et reçoivent des données via un réseau personnel auquel vous seul avez accès.
Zigbee utilise trois types de périphériques pour rendre l’interconnectivité et la communication du réseau possibles : le coordinateur Zigbee (ZC), le routeur Zigbee (ZR) et le périphérique terminal Zigbee (ZED).
Coordinateur Zigbee
Le coordinateur Zigbee établit la base (ou racine) du réseau. Chaque réseau doit avoir un (et un seul) coordinateur Zigbee qui gère les fonctions du réseau et stocke les informations du réseau.
Le coordinateur établit le réseau en choisissant le canal à utiliser pour la communication réseau.
Le coordinateur sert également de Centre de confiance pour le réseau en gérant et en distribuant les clés de sécurité. Ce processus permet à d’autres appareils de rejoindre ou de quitter le réseau. Un coordinateur Zigbee doit être alimenté tout le temps et ne peut pas dormir.
Routeur Zigbee
Le routeur Zigbee permet aux fonctions d’application de s’exécuter. Il sert de routeur intermédiaire entre d’autres périphériques qui partagent ou échangent des informations. Il peut envoyer, recevoir et acheminer des informations au sein de son propre réseau ou entre d’autres réseaux existants.
Il est également capable de donner l’autorisation à d’autres routeurs et périphériques finaux de rejoindre le réseau. Un routeur Zigbee ne peut pas dormir et doit être alimenté en permanence.
Périphérique terminal Zigbee
Le périphérique terminal Zigbee ne peut communiquer qu’avec un routeur Zigbee ou le coordinateur Zigbee. C’est le type d’appareil le plus basique d’un réseau Zigbee. Il ne peut envoyer ou recevoir que des informations et est généralement alimenté par batterie.
Un périphérique final ne peut pas acheminer les informations vers d’autres périphériques et ne nécessite donc pas beaucoup de mémoire. Il ne peut pas non plus permettre à d’autres appareils de rejoindre le réseau.
Les terminaux Zigbee ne sont pas utilisés fréquemment, ce qui leur permet de dormir pendant une longue période, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.
Bandes Radio Zigbee
Image reproduite avec l’aimable autorisation de: Yale
Zigbee fonctionne sur les bandes de radiofréquences ISM. L’acronyme ISM signifie « industriel, scientifique et médical. »Toute personne ou entreprise peut utiliser l’énergie radiofréquence dans ces bandes à des fins liées à des activités industrielles, scientifiques ou médicales.
Les bandes ISM ne sont pas destinées à être utilisées à des fins de télécommunication. Pour la plupart, les bandes radio ISM sont utilisées pour les systèmes de communication sans fil de faible puissance tels que Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi et RFID (identification par radiofréquence).
Les bandes radio ISM sont également utilisées pour le chauffage par radiofréquence (c’est ainsi que les fours à micro-ondes cuisent les aliments) et les machines de diathermie médicale.
La communication Zigbee a une latence très faible, ce qui signifie que la transmission de données se fait rapidement sans trop de retard. Chaque appareil compatible Zigbee est doté d’une puce Zigbee spéciale intégrée.
Chaque puce contient des microcontrôleurs et des radios qui permettent aux appareils de communiquer entre eux.
Zigbee fonctionne sur la bande ISM de 2,4 GHz dans la plupart des endroits du monde. Bien qu’il existe d’autres endroits où Zigbee peut fonctionner sur des fréquences plus basses.
Par exemple, en Chine, vous pouvez utiliser la bande 784 MHz pour Zigbee, et en Europe, vous pouvez utiliser la bande 868 MHz. En Australie et aux États-Unis, vous pouvez utiliser la bande 915 MHz.
Bien que Zigbee puisse fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences, il est généralement utilisé dans la bande 2,4 GHz.
La bande de 2,4 GHz peut avoir des taux de transfert de données allant jusqu’à 250 kilo-octets par seconde. La bande 868 MHz a un débit de données de 20 kilo-octets par seconde. Et la bande 915 MHz a un débit de données de 40 kilo-octets par seconde.
L’histoire de Zigbee et l’Alliance Zigbee
Les années 1990 ont été une décennie majeure pour l’innovation de la technologie de communication sans fil. Le Bluetooth est apparu en 1994 et le Wi-Fi en 1997, tandis que Zigbee a été développé en 1998.
En 2002, plusieurs entreprises technologiques se sont unies pour créer l’Alliance Zigbee. Leur objectif est de gérer la norme Zigbee, de promouvoir son utilisation et de distribuer des profils d’application pour que d’autres entreprises les utilisent dans leurs produits technologiques.
Ces profils permettent à différents fabricants de produire des produits compatibles Zigbee qui pourront travailler ensemble et partager des informations avec d’autres produits compatibles Zigbee.
Il existe trois niveaux d’adhésion à l’Alliance Zigbee: le niveau Adopteur, le niveau Participant et le niveau Promoteur.
Le niveau Adoptant donne aux membres le droit d’accéder aux normes et spécifications Zigbee complétées. Les membres adoptants incluent ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Technologies de Catapulte et Transporteur.
Le niveau de participant donne aux membres le droit de vote et d’influencer les développements futurs de Zigbee. Ils ont également droit à un accès anticipé aux normes et spécifications de développement de produits.
Les membres participants comprennent V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe’s, IKEA et Spectrum.
Le niveau promoteur a l’approbation finale sur toutes les normes. Ils font partie du conseil d’administration de Zigbee Alliance et donnent un droit de vote automatique à chaque groupe de travail.
Les plus grands promoteurs sont Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand et Texas Instruments.
Depuis sa création, l’Alliance Zigbee s’est étendue à plus de 400 organisations différentes dans 37 pays à travers le monde.
La normalisation Zigbee a eu lieu en 2003 et la ratification de la spécification IEEE 802.15.4 a eu lieu en 2004. L’année suivante, la disponibilité publique de la spécification Zigbee a été annoncée le 13 juin 2005.
Sécurité Zigbee
Image reproduite avec l’aimable autorisation de : SmartThings
Zigbee utilise un cryptage AES 128 bits et repose sur le modèle de sécurité défini dans la norme IEEE 802.15.4 norme. Les réseaux et les appareils Zigbee utilisent deux types de clés de sécurité pour communiquer : une clé réseau et une clé de liaison.
Clé réseau
Une clé réseau est partagée et utilisée par tous les périphériques du réseau pour transférer des messages en toute sécurité. Il est généré par le Centre de confiance (qui est le plus souvent le coordinateur du réseau) et est envoyé à tous les nouveaux périphériques rejoignant le réseau.
Clé de liaison
Une clé réseau n’est jamais envoyée aux périphériques non cryptés. Le Centre de confiance est préconfiguré avec une clé de liaison utilisée pour protéger la clé réseau lorsqu’elle est transmise aux périphériques de connexion.
Les clés de liaison sont également utilisées pour la communication cryptée entre deux appareils. Ces clés de liaison uniques sont partagées uniquement entre les deux appareils et sont générées et fournies par le Centre de confiance.
Modèles de sécurité Zigbee
Zigbee propose deux types de modèles de sécurité: distribués et centralisés. Ces deux modèles diffèrent par la manière dont ils permettent à de nouveaux appareils de rejoindre le réseau et par la manière dont ils sécurisent les communications sur l’ensemble du réseau.
Modèle de sécurité distribué
Un modèle de sécurité distribué est un type de système simple mais moins sécurisé. Il est composé de deux types de périphériques, les routeurs et les périphériques finaux. Lorsqu’un routeur est sous tension, il peut former un réseau de sécurité distribué s’il ne détecte pas un réseau existant.
Dans ce type de réseau, n’importe quel routeur peut autoriser d’autres routeurs et périphériques finaux à se joindre en émettant la clé réseau. Tous les périphériques d’un réseau de sécurité distribué utilisent la même clé réseau pour chiffrer les messages.
Afin de rejoindre le réseau, les routeurs et les périphériques doivent avoir une clé de liaison préconfigurée. Cette clé de lien est utilisée pour chiffrer la clé réseau lors de sa transmission à des périphériques nouvellement joints.
Modèle de sécurité centralisé
Un modèle de sécurité centralisé offre un niveau de sécurité plus élevé, ce qui rend le système un peu plus compliqué. En plus des routeurs et des périphériques finaux, ce modèle comprend un troisième type de périphérique : le coordinateur réseau ou le centre de confiance.
Le centre de confiance forme un réseau de sécurité centralisé en configurant et en authentifiant les périphériques qui rejoignent le réseau. Il génère la clé réseau que chaque appareil utilisera pour chiffrer les messages sur tout le réseau. Cette clé réseau peut être actualisée périodiquement (automatiquement ou à la demande) pour réduire le risque de piratage.
Le Centre de confiance distribue également une clé de lien de centre de confiance unique aux périphériques lorsqu’ils rejoignent le réseau. Cette clé de lien est utilisée par les appareils pour communiquer en toute sécurité avec le Centre de confiance.
Avantages Zigbee
Pour résumer, Zigbee offre un moyen économique, de faible consommation, très fiable et sécurisé de connecter des appareils sans fil sur Internet. Avec des centaines d’appareils domestiques intelligents Zigbee disponibles, il n’est pas étonnant que Zigbee soit si populaire et si largement utilisé.
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