Dans ce monde de communication actuel, il existe de nombreuses normes de communication à haut débit, mais aucune d’entre elles ne répond aux normes de communication des capteurs et des dispositifs de contrôle. Ces normes de communication à haut débit nécessitent une faible latence et une faible consommation d'énergie, même à des bandes passantes plus faibles. La technologie Zigbee des systèmes sans fil propriétaires disponibles est à faible coût et à faible consommation d'énergie et ses excellentes et superbes caractéristiques rendent cette communication la mieux adaptée pour plusieurs applications embarquées , contrôle industriel et domotique, etc. La gamme de la technologie Zigbee pour les distances de transmission s'étend principalement de 10 à 100 mètres en fonction de la puissance de sortie ainsi que des caractéristiques environnementales.
Qu'est-ce que la technologie Zigbee?
La communication Zigbee est spécialement conçue pour les réseaux de contrôle et de capteurs sur la norme IEEE 802.15.4 pour les réseaux personnels sans fil (WPAN), et c'est le produit de l'alliance Zigbee. Cette norme de communication définit des couches physiques et de contrôle d'accès au support (MAC) pour gérer de nombreux périphériques à de faibles débits de données. Ces WPAN de Zigbee fonctionnent aux fréquences 868 MHz, 902-928 MHz et 2,4 GHz. Le débit de données de 250 kbps est le mieux adapté pour la transmission bidirectionnelle périodique et intermédiaire de données entre les capteurs et les contrôleurs.
Qu'est-ce que la technologie Zigbee?
Zigbee est un réseau maillé peu coûteux et de faible puissance largement déployé pour le contrôle et la surveillance des applications où il couvre 10 à 100 mètres dans la portée. Ce système de communication est moins cher et plus simple que l'autre propriétaire à courte portée réseaux de capteurs sans fil comme Bluetoot h et Wi-Fi.
Modem Zigbee
Zigbee prend en charge différentes configurations de réseau pour les communications maître-maître ou maître-esclave. De plus, il peut être utilisé dans différents modes, ce qui permet d'économiser l'énergie de la batterie. Les réseaux Zigbee sont extensibles grâce à l'utilisation de routeurs et permettent à de nombreux nœuds de s'interconnecter les uns aux autres pour construire un réseau plus large.
Histoire de la technologie Zigbee
En 1990, les réseaux de radio numérique avec auto-organisation ad hoc ont été mis en place. La spécification Zigbee comme IEEE 802.15.4-2003 a été approuvée en 2004, le 14 décembre. La spécification 1.0 a été annoncée par Zigbee Alliance en 2005, le 13 juin, appelée Spécification de ZigBee 2004.
Bibliothèque de cluster
En 2006, septembre, la spécification de Zigbee 2006 a été annoncée en remplaçant la pile de 2004. Ainsi, cette spécification remplace principalement la structure de paires clé-valeur ainsi que le message utilisé dans la pile 2004 via une bibliothèque de cluster.
Une bibliothèque comprend un ensemble de commandes cohérentes, planifiées sous des groupes appelés clusters avec des noms tels que Domotique, Smart Energy & Light Link de ZigBee. En 2017, la bibliothèque a été renommée Dotdot par Zigbee Alliance et annoncée comme un nouveau protocole. Donc, ce Dotdot a fonctionné pour environ tous les appareils Zigbee en tant que couche d'application par défaut.
Zigbee Pro
En 2007, Zigbee Pro comme Zigbee 2007 a été finalisé. C'est un type d'appareil qui fonctionne sur un ancien réseau Zigbee. En raison des disparités entre les options de routage, ces périphériques devraient se transformer en ZED sans routage ou en périphériques Zigbee (ZED) sur un ancien réseau Zigbee. Les appareils Zigbee hérités doivent se transformer en appareils terminaux Zigbee sur un réseau de Zigbee Pro. Il fonctionne sur la bande ISM 2,4 GHz et comprend une bande sub-GHz.
Comment fonctionne la technologie Zigbee?
La technologie Zigbee fonctionne avec les radios numériques en permettant à différents appareils de converser entre eux. Les périphériques utilisés dans ce réseau sont un routeur, un coordinateur ainsi que des périphériques terminaux. La fonction principale de ces appareils est de transmettre les instructions et les messages du coordinateur aux appareils à extrémité unique tels qu'une ampoule.
Dans ce réseau, le coordinateur est le dispositif le plus essentiel qui est placé à l'origine du système. Pour chaque réseau, il y a simplement un coordinateur, utilisé pour effectuer différentes tâches. Ils choisissent un canal approprié pour balayer un canal ainsi que pour trouver le plus approprié grâce au minimum d'interférences, attribuer un identifiant exclusif ainsi qu'une adresse à chaque appareil du réseau afin que les messages sinon les instructions puissent être transférés dans le réseau .
Les routeurs sont disposés entre le coordinateur ainsi que les dispositifs terminaux qui sont responsables du routage des messages entre les différents nœuds. Les routeurs reçoivent les messages du coordinateur et les stockent jusqu'à ce que leurs terminaux soient en mesure de les recevoir. Ceux-ci peuvent également permettre à d'autres appareils terminaux ainsi qu'aux routeurs de se connecter au réseau
Dans ce réseau, les petites informations peuvent être contrôlées par des périphériques finaux en communiquant avec le nœud parent comme un routeur ou le coordinateur en fonction du type de réseau Zigbee. Les appareils finaux ne conversent pas directement entre eux. Tout d'abord, tout le trafic peut être acheminé vers le nœud parent comme le routeur, qui conserve ces données jusqu'à ce que l'extrémité de réception de l'appareil soit en mesure de le faire savoir. Les appareils finaux sont utilisés pour demander les messages en attente du parent.
Architecture Zigbee
La structure du système Zigbee se compose de trois types différents de périphériques comme le coordinateur Zigbee, le routeur et le périphérique final. Chaque réseau Zigbee doit être composé d'au moins un coordinateur qui joue le rôle de racine et de pont du réseau. Le coordinateur est responsable du traitement et du stockage des informations tout en effectuant des opérations de réception et de transmission de données.
Les routeurs Zigbee agissent comme des périphériques intermédiaires qui permettent aux données de passer à travers eux vers d'autres périphériques. Les périphériques finaux ont des fonctionnalités limitées pour communiquer avec les nœuds parents, de sorte que l'énergie de la batterie est économisée comme indiqué sur la figure. Le nombre de routeurs, de coordinateurs et de périphériques dépend du type de réseaux tels que les réseaux en étoile, en arborescence et maillés.
L'architecture du protocole Zigbee consiste en une pile de différentes couches où IEEE 802.15.4 est défini par les couches physiques et MAC tandis que ce protocole est complété par l'accumulation des propres couches réseau et application de Zigbee.
Architecture de la technologie ZigBee
Couche physique : Cette couche effectue des opérations de modulation et de démodulation lors de l'émission et de la réception de signaux respectivement. La fréquence, le débit de données et un certain nombre de canaux de cette couche sont indiqués ci-dessous.
Couche MAC : Cette couche est responsable de la transmission fiable des données en accédant à différents réseaux avec les évitements de collision à accès multiple de détection de porteuse (CSMA). Cela transmet également les trames de balise pour synchroniser la communication.
Couche réseau : Cette couche prend en charge toutes les opérations liées au réseau telles que la configuration du réseau, la connexion du périphérique final et la déconnexion au réseau, le routage, les configurations des périphériques, etc.
Sous-couche de prise en charge des applications : Cette couche permet aux services nécessaires aux objets de périphérique Zigbee et aux objets d'application de s'interfacer avec les couches réseau pour les services de gestion des données. Cette couche est chargée de faire correspondre deux appareils en fonction de leurs services et de leurs besoins.
Cadre d'application : Il fournit deux types de services de données sous forme de paire clé-valeur et de services de messagerie génériques. Le message générique est une structure définie par le développeur, tandis que la paire clé-valeur est utilisée pour obtenir des attributs dans les objets d'application. ZDO fournit une interface entre les objets d'application et la couche APS dans les appareils Zigbee. Il est responsable de la détection, de l'initiation et de la liaison d'autres périphériques au réseau.
Modes de fonctionnement de Zigbee et ses topologies
Les données bidirectionnelles Zigbee sont transférées selon deux modes: le mode sans balise et le mode balise. Dans un mode balise, les coordinateurs et les routeurs surveillent en permanence l'état actif des données entrantes, par conséquent, plus d'énergie est consommée. Dans ce mode, les routeurs et les coordinateurs ne dorment pas car à tout moment n'importe quel nœud peut se réveiller et communiquer.
Cependant, il nécessite plus d'alimentation et sa consommation d'énergie globale est faible car la plupart des appareils sont dans un état inactif pendant de longues périodes dans le réseau. Dans un mode balise, lorsqu'il n'y a pas de communication de données à partir des périphériques finaux, les routeurs et les coordinateurs entrent en état de veille. Périodiquement, ce coordinateur se réveille et transmet les balises aux routeurs du réseau.
Ces réseaux de balises fonctionnent pour des créneaux horaires, ce qui signifie qu'ils fonctionnent lorsque la communication nécessaire entraîne des cycles de service inférieurs et une utilisation plus longue de la batterie. Ces modes balise et non balise de Zigbee peuvent gérer des types de données périodiques (données de capteurs), intermittents (interrupteurs d'éclairage) et répétitifs.
Topologies Zigbee
Zigbee prend en charge plusieurs topologies de réseau, cependant, les configurations les plus couramment utilisées sont les topologies en étoile, maillage et en cluster. Toute topologie se compose d'un ou de plusieurs coordinateurs. Dans une topologie en étoile, le réseau se compose d'un coordinateur qui est responsable de l'initialisation et de la gestion des périphériques sur le réseau. Tous les autres appareils sont appelés appareils terminaux qui communiquent directement avec le coordinateur.
Ceci est utilisé dans les industries où tous les périphériques d'extrémité sont nécessaires pour communiquer avec le contrôleur central , et cette topologie est simple et facile à déployer. Dans les topologies mailles et arborescentes, le réseau Zigbee est étendu avec plusieurs routeurs où le coordinateur est responsable de les démarrer. Ces structures permettent à n'importe quel périphérique de communiquer avec n'importe quel autre nœud adjacent pour fournir une redondance aux données.
En cas de défaillance d'un nœud, les informations sont automatiquement acheminées vers d'autres périphériques par ces topologies. La redondance étant le principal facteur dans les industries, la topologie maillée est donc principalement utilisée. Dans un réseau en arborescence de cluster, chaque cluster se compose d'un coordinateur avec des nœuds feuilles, et ces coordinateurs sont connectés au coordinateur parent qui initie l'ensemble du réseau.
En raison des avantages de la technologie Zigbee tels que les modes de fonctionnement à faible coût et à faible consommation d'énergie et ses topologies, cette technologie de communication à courte portée est la mieux adaptée pour plusieurs applications par rapport à d'autres communications propriétaires, telles que Bluetooth, Wi-Fi, etc. certaines d'entre elles des comparaisons telles que la gamme de Zigbee, les standards, etc., sont données ci-dessous.
Pourquoi des débits de données bas dans Zigbee?
Nous savons que différents types de technologies sans fil sont disponibles sur le marché comme le Bluetooth ainsi que le WiFi qui fournit des données à haut débit. Mais les débits de données dans Zigbee sont moindres car le but principal du développement de ZigBee est de l'utiliser dans le contrôle sans fil ainsi que dans le moniteur.
La quantité de données, ainsi que la fréquence de communication utilisée dans de telles applications, sont extrêmement faibles. Bien qu'il soit probable qu'un réseau comme IEEE 802.15.4 atteigne des débits de données élevés, la technologie Zigbee est basée sur le réseau IEEE 802.15.4.
Technologie Zigbee dans l'IoT
Nous savons que Zigbee est un type de technologie de communication similaire à Bluetooth ainsi qu'au WiFi, cependant, il existe également de nombreuses nouvelles alternatives de mise en réseau en hausse comme Thread qui est une option pour les applications de la domotique. Dans les grandes villes, les technologies Whitespace ont été mises en œuvre pour des cas d'utilisation de régions plus larges basés sur l'IoT.
ZigBee est une spécification WLAN (réseau local sans fil) basse consommation. Il fournit moins de données en utilisant moins d'énergie par les appareils fréquemment connectés pour éteindre une batterie. Pour cette raison, le standard ouvert a été connecté via la communication M2M (machine-to-machine) ainsi que l'IoT industriel (Internet des objets).
Zigbee est devenu un protocole IoT accepté dans le monde entier. Il est déjà en concurrence avec Bluetooth, WiFi et Thread.
Appareils Zigbee
La spécification de IEEE 802.15.4 Zigbee comprend principalement deux périphériques tels que les périphériques à fonction complète (FFD) ainsi que les périphériques à fonction réduite (RFD). Un appareil FFD effectue différentes tâches qui sont expliquées dans la spécification et il peut adopter n'importe quelle tâche au sein du réseau.
Un appareil RFD a des capacités partielles, il effectue donc des tâches limitées et cet appareil peut converser avec n'importe quel appareil du réseau. Il doit agir ainsi que faire attention au sein du réseau. Un appareil RFD peut converser simplement avec un appareil FFD et il est utilisé dans des applications simples telles que le contrôle d'un commutateur en l'activant et en le désactivant.
Dans un IEEE 802.15.4 n / w, les périphériques Zigbee jouent trois rôles différents comme le coordinateur, le coordinateur PAN et le périphérique. Ici, les appareils FFD sont aussi bien coordinateur que PAN alors que l'appareil est soit un appareil RFD / FFD.
La fonction principale d'un coordinateur est de relayer les messages. Dans un réseau personnel, un contrôleur PAN est un contrôleur essentiel et un appareil est connu comme si l'appareil n'était pas un coordinateur.
La norme ZigBee peut créer trois périphériques de protocole en fonction des périphériques Zigbee, du coordinateur PAN, du coordinateur et de la spécification standard de ZigBee comme le coordinateur, le routeur et le périphérique final qui sont décrits ci-dessous.
Coordinateur Zigbee
Dans un appareil FFD, c'est un coordinateur PAN qui est utilisé pour former le réseau. Une fois le réseau établi, il attribue l'adresse du réseau aux appareils utilisés au sein du réseau. Et aussi, il achemine les messages entre les appareils finaux.
Routeur Zigbee
Un routeur Zigbee est un périphérique FFD qui permet la portée du réseau Zigbee. Ce routeur est utilisé pour ajouter plus de périphériques au réseau. Parfois, il agit comme un appareil d'extrémité Zigbee.
Appareil d'extrémité Zigbee
Ce n'est ni un routeur ni un coordinateur qui s'interface avec un capteur effectuant physiquement une opération de contrôle. En fonction de l'application, il peut s'agir d'un RFD ou d'un FFD.
Pourquoi ZigBee est-il meilleur que le WiFi?
Dans Zigbee, la vitesse de transfert des données est inférieure à celle du WiFi, donc la vitesse la plus élevée est simplement de 250 kbps. C'est très inférieur à la vitesse inférieure du WiFi.
Une autre meilleure qualité de Zigbee est le taux d'utilisation de l'énergie ainsi que la durée de vie de la batterie. Son protocole dure plusieurs mois car une fois assemblé on peut l'oublier.
Quels appareils utilisent ZigBee?
La liste suivante d'appareils prend en charge le protocole ZigBee.
- Belkin WeMo
- Samsung SmartThings
- Serrures intelligentes Yale
- Philips Hue
- Thermostats Honeywell
- Ikea Tradfri
- Systèmes de sécurité de Bosch
- Comcast Xfinity Box de Samsung
- Chauffage actif Hive et accessoires
- Amazon Echo Plus
- Amazon Echo Show
Au lieu de connecter chaque appareil Zigbee séparément, un hub central est nécessaire pour contrôler tous les appareils. Les appareils mentionnés ci-dessus, à savoir SmartThings ainsi qu'Amazon Echo Plus, peuvent également être utilisés comme un hub Wink pour jouer un rôle vital au sein du réseau. Le hub central analysera le réseau pour tous les appareils pris en charge et vous fournira un contrôle simple des appareils ci-dessus avec une application centrale.
Quelle est la différence entre ZigBee et Bluetooth?
La différence entre Zigbee et Bluetooth est discutée ci-dessous.
Bluetooth | Zigbee |
| La gamme de fréquences Bluetooth va de 2,4 GHz à 2,483 GHz | La gamme de fréquences de Zigbee est de 2,4 GHz
|
| Il dispose de 79 canaux RF | Il dispose de 16 canaux RF |
| La technique de modulation utilisée dans Bluetooth est GFSK | Zigbee utilise différentes techniques de modulation telles que BPSK, QPSK et GFSK. |
| Bluetooth comprend des nœuds à 8 cellules | Zigbee comprend plus de 6500 nœuds cellulaires |
| Bluetooth utilise la spécification IEEE 802.15.1 | Zigbee utilise la spécification IEEE 802.15.4 |
| Bluetooth couvre le signal radio jusqu'à 10 mètres | Zigbee couvre le signal radio jusqu'à 100 mètres |
| Bluetooth prend 3 secondes pour rejoindre un réseau | Zigbee prend 3 secondes pour rejoindre un réseau |
| La portée du réseau Bluetooth varie de 1 à 100 mètres en fonction de la classe radio.
| La portée du réseau de Zigbee est jusqu'à 70 mètres |
| La taille de la pile de protocoles d'un Bluetooth est de 250 Ko | La taille de la pile de protocole d'un Zigbee est de 28 Ko |
| La hauteur de l'antenne TX est de 6 mètres tandis que l'antenne RX est de 1 mètre | La hauteur de l'antenne TX est de 6 mètres tandis que l'antenne RX est de 1 mètre |
| Blue tooth utilise des piles rechargeables
| Zigbee n'utilise pas de piles rechargeables |
| Bluetooth nécessite moins de bande passante | Par rapport au Bluetooth, il a besoin d'une bande passante élevée |
| La puissance TX de Bluetooth est de 4 dBm | La puissance TX de Zigbee est de 18 dBm
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| La fréquence Bluetooth est de 2400 MHz | La fréquence de Zigbee est de 2400 MHz |
| Le gain d'antenne Tx de Bluetooth est de 0 dB alors que le RX -6 dB | Le gain d'antenne Tx de Zigbee est de 0 dB alors que le RX -6 dB |
| La sensibilité est de -93 dB | La sensibilité est de -102 dB |
| La marge de Bluetooth est de 20 dB | La marge de zigbee est de 20 dB |
| La portée Bluetooth est de 77 mètres | La gamme Zigbee est de 291 mètres |
Quelle est la différence entre LoRa et ZigBee?
La principale différence entre LoRa et Zigbee est discutée ci-dessous.
| LoRa | Zigbee |
| Les bandes de fréquences de LoRa vont de 863-870 MHz, 902-928 MHz et 779-787 MHz | Les bandes de fréquences de Zigbee sont 868 MHz, 915 MHz, 2450 MHz |
| LoRa couvre la distance dans les zones urbaines comme 2 à 5 km alors que dans les zones rurales 15 km | Zigbee couvre la distance de 10 à 100 mètres |
| L'utilisation d'énergie de LoRa est faible par rapport à Zigbee | L'utilisation de l'énergie est faible |
| La technique de modulation utilisée dans LoRa est FSK sinon GFSK | La technique de modulation utilisée dans Zigbee est OQPSK & BPSK, elle utilise la méthode DSSS pour changer les bits en puces. |
| Le débit de données de LoRa est de 0,3 à 22 Kbps pour la modulation LoRa et 100 Kbps pour GFSK | Le débit de données de Zigbee est de 20 kbps pour la bande de fréquences 868, 40 Kbps pour la bande de fréquences 915 et 250 kbps pour la bande de fréquences 2450) |
| L'architecture réseau de LoRa comprend des serveurs, une passerelle LoRa et des périphériques finaux. | L'architecture réseau des routeurs, coordinateurs et terminaux Zigbee. |
| La pile de protocoles de LoRa comprend les couches PHY, RF, MAC et application | La pile de protocoles de Zigbee comprend des couches PHY, RF, MAC, de sécurité réseau et d'application. |
| La couche physique de LoRa utilise principalement un système de modulation et comprend des capacités de correction d'erreur. Il comprend un préambule à des fins de synchronisation et utilise une trame entière CRC & PHY en-tête CRC. | Zigbee comprend deux couches physiques comme 868/915 Mhz et 2450 MHz. |
| LoRa est utilisé comme WAN (Wide Area Network) | Zigbee est utilisé comme LR-WPAN (réseau personnel sans fil à faible débit) |
| Il utilise la norme IEEE 802.15.4g et Alliance est LoRa | Zigbee utilise la spécification IEEE 802.15.4 et Zigbee Alliance |
Avantages et inconvénients de la technologie Zigbee
Les avantages de Zigbee sont les suivants.
- Ce réseau a une structure de réseau flexible
- La durée de vie de la batterie est bonne.
- La consommation d'énergie est moindre
- Très simple à réparer.
- Il prend en charge environ 6500 nœuds.
- Moins cher.
- Il est auto-cicatrisant et plus fiable.
- La configuration du réseau est très simple et très simple.
- Les charges sont réparties uniformément sur le réseau car il n'inclut pas de contrôleur central
- La surveillance des appareils ménagers ainsi que le contrôle sont extrêmement simples à l'aide de la télécommande
- Le réseau est évolutif et il est facile d'ajouter / distant le périphérique ZigBee au réseau.
Les inconvénients de Zigbee sont les suivants.
- Il a besoin des informations système pour contrôler les appareils basés sur Zigbee pour le propriétaire.
- Par rapport au WiFi, il n'est pas sécurisé.
- Le coût de remplacement élevé une fois qu'un problème survient dans les appareils électroménagers basés sur Zigbee
- Le taux de transmission du Zigbee est inférieur
- Il n'inclut pas plusieurs périphériques finaux.
- Il est si risqué d'être utilisé pour des informations privées officielles.
- Il n'est pas utilisé comme système de communication sans fil extérieur car il a une limite de couverture inférieure.
- Semblable à d'autres types de systèmes sans fil, ce système de communication ZigBee est susceptible d'être dérangé par des personnes non autorisées.
Applications de la technologie Zigbee
Les applications de la technologie ZigBee sont les suivantes.
L'automatisation industrielle: Dans les industries de fabrication et de production, une liaison de communication surveille en permanence divers paramètres et équipements critiques. Par conséquent, Zigbee réduit considérablement ce coût de communication et optimise le processus de contrôle pour une plus grande fiabilité.
Automatisation de la maison: Zigbee est parfaitement adapté pour contrôler les appareils électroménagers à distance en tant que commande de système d'éclairage, commande d'appareil, commande de système de chauffage et de refroidissement, opérations et contrôle de l'équipement de sécurité, surveillance, etc.
Les compteurs intelligents: Les opérations à distance de Zigbee dans le comptage intelligent comprennent la réponse à la consommation d'énergie, le soutien des prix, la sécurité contre le vol d'électricité, etc.
Surveillance du Smart Grid: Les opérations Zigbee dans ce réseau intelligent impliquent surveillance de la température à distance , localisation des pannes, gestion de la puissance réactive, etc.
La technologie ZigBee est utilisée pour construire des projets d'ingénierie comme le système de présence d'empreintes digitales sans fil et la domotique.
Il s’agit d’une brève description de l’architecture, des modes de fonctionnement, des configurations et des applications de la technologie Zigbee. Nous espérons que nous vous avons donné suffisamment de contenu sur ce titre, pour que vous puissiez mieux le comprendre. Ainsi, il s'agit d'un aperçu de la technologie Zigbee et il est basé sur le réseau IEEE 802.15.4. La conception de cette technologie peut être réalisée de manière extrêmement solide, de sorte qu'elle fonctionne dans toutes sortes d'environnements.
Il offre une flexibilité et une sécurité pour différents environnements. La technologie Zigbee a gagné en popularité sur le marché car elle fournit un réseau maillé cohérent en permettant à un réseau de contrôler une vaste région, et elle fournit également des communications à faible puissance. C'est donc une technologie IoT parfaite. Voici une question pour vous, quelles sont les différentes technologies de communication sans fil disponibles sur le marché? Pour plus d'aide et une assistance technique, vous pouvez nous contacter en commentant ci-dessous.
