Solutions sans fil, partie 4 : ZigBee

En octobre 2002, l'alliance ZigBee a été formée pour créer des normes mondiales pour la connexion de la plus large gamme de périphériques en des réseaux de contrôle et de capteurs sans fil faciles à utiliser, à faible coût et consommation. Sa spécification 802.15.4 sous-jacente a été ratifiée par l'IEEE en 2003 et le premier produit ZigBee a été lancé en 2006.

Au cours des 15 années qui ont suivi, ZigBee a trouvé des applications relatives aux maisons connectées (éclairage, fermetures, HVAC), aux bâtiments commerciaux (bureaux, ouvriers, conférenciers, chaînes d'hôtel), à la fabrication (industrielle, en usine), aux villes intelligentes (petites et grandes municipalités, services municipaux, services d'urgence), aux grandes opérations maillées et au transport intermodal.

ZigBee dans les applications de pointe IoT

logo zigbee

Fig.1 : Logo de l'alliance ZigBee (image via l'alliance ZigBee)

Bien que sa création soit antérieure à la montée de l'IoT, les propriétés de la norme rendent ZigBee idéal pour les applications de l'IoT, plus précisément pour la connectivité entre les capteurs de pointe, les actionneurs et les passerelles. Son niveau de révision actuel, introduit début 2016 et connu en tant que ZigBee 3.0 ou juste ZigBee, vise directement les applications de l'IoT. Il permet aux concepteurs de produits et aux propriétaires d'écosystèmes de mettre en œuvre des réseaux robustes et de choisir le bon équilibre entre politiques de sécurité et facilité de déploiement.

La compatibilité est également mise en avant, car ZigBee 3.0 regroupe tous l

L'adéquation de ZigBee aux applications IoT découle en partie du fait qu'il s'agit d'une norme ouverte. Les produits simples peuvent être déployés à l'échelle mondiale, offrant un choix aux consommateurs. La concurrence entre les produits est favorisée, 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 particuliers.

es différents environnements ZigBee en une seule norme unifiée. Au fil des ans, ZigBee a inclus des applications destinées à usage industriel et commercial ou encore à usage domestique, ce qui a conduit à l'élaboration de volets distincts pour le service. ZigBee 3.0 regroupe ces diverses applications sous un même cadre. Ceci élimine la nécessité d'un dispositif de pont faisant l'intermédiaire entre les différents ensembles de dispositifs compatibles ZigBee. Ils seront tous en mesure de communiquer directement, quel que soit leur type.

Le réseau répond aussi correctement aux exigences de pointe de l'IoT sur le plan technique. ZigBee est facile à installer et à maintenir, car il est fondé sur un maillage capable de s'organiser et de se réparer tout seul. Sa topologie maillée, avec de multiples canaux et la tolérance aux interférences démontrée le rend également fiable. Il est peu coûteux et s'adapte à des milliers de nœuds, avec de nombreux fournisseurs sur une norme ouverte.

Avec un débit maximum de 250 kbit/s à 2,4 GHz, il est plus lent que d'autres normes sans fil populaires telles que le Wi-Fi et le Bluetooth, mais c'est sans incidence dans les applications de capteurs de pointe classiques. ZigBee est conçu pour le transport de petits paquets de données à intervalles relativement rares, ce qui est tout à fait suffisant pour la collecte de données à partir de sondes de température, de capteurs de sécurité, d'appareils de mesure de la qualité de l'air ou d'autres types de capteurs similaires. Pendant ce temps, le faible débit de données contribue à un fonctionnement à faible puissance, donc les nœuds ZigBee peuvent généralement fonctionner pendant de nombreuses années avec une seule pile AAA. Voir Fig. 2 qui montre comment la consommation électrique de ZigBee est comparable à celle d'une connexion Wi-Fi.

Grâce à leur faible puissance, les produits ZigBee ont tendance à avoir une distance de transmission courte, de généralement 10 à 15 mètres, avec un signal facilement affecté par les obstacles et les variances environnementales. Cependant, la beauté des dispositifs ZigBee est leur fonctionnement dans le cadre d'un réseau maillé, s'utilisant mutuellement pour transmettre des signaux sur une distance. La topologie maillée signifie également qu'une seule défaillance du dispositif ne provoque pas une défaillance du réseau, car les signaux peuvent être redirigés.

consommation électrique des différents réseaux sans fil

Fig.2 : Consommation électrique des différents réseaux sans fil (image via l'alliance ZigBee)

ZigBee 3.0 reflète également le développement considérable des mesures de sécurité, par l'utilisation du chiffrement AES-CCM 128 bits pour les messages, l'authentification, l'intégrité, ainsi que pour d'autres algorithmes de sécurité. La norme fournit des solutions de sécurité et plusieurs technologies pour répondre à un large éventail de besoins du marché. Certaines de ces technologies ont fait leurs preuves sur ZigBee Smart Energy, une norme établie pour l'infrastructure de comptage avancé (AMI) dans le monde entier. Cette norme a permis l'installation de centaines de millions de compteurs électriques du service public dans le monde entier sans failles de sécurité connues.

ZigBee pour des applications à grande échelle

En juin de cette année, l'alliance ZigBee a annoncé la sortie de ZigBee PRO 2017. ZigBee PRO est la technologie de réseau sous-jacente qui prend en charge les dispositifs complets interopérables certifiés sous ZigBee 3.0.

Avec PRO 2017, ZigBee est le premier réseau maillé capable de fonctionner dans deux bandes de fréquences ISM simultanément : sous-GHz 800 à 900 MHz pour les exigences régionales et 2,4 GHz pour une acceptation mondiale. Cette option double bande permet la flexibilité et le choix de la conception pour les fabricants, les municipalités et les consommateurs qui souhaitent connecter des produits dans les bâtiments, les villes et les maisons.

« PRO 2017 est la solution sans fil idéale pour les grands réseaux IoT à travers les bâtiments, les parcs d'affaires, les installations de grande taille, les villes et les lieux mis à l'épreuve par les questions de connectivité, notamment à cause de la présence de béton armé et de montants d'acier », a déclaré Victor Berrios, vice president of technology, alliance ZigBee. « Le potentiel de déploiement est énorme pour les villes, les maisons, et les bâtiments intelligents. »

ZigBee PRO 2017 permet aux fabricants de produits de concevoir des appareils qui utilisent un seul réseau fonctionnant sur plusieurs bandes pour relever les défis du milieu physique environnant. L'inclusion des capacités sub-GHz permet la prise en charge des réseaux IoT pour plusieurs cas d'utilisation, y compris l'éclairage extérieur intelligent, la surveillance des conditions ambiantes dans les installations telles que les centres de vente au détail et les centres de données, ainsi que le déploiement dans les environnements difficiles. La spécification de réseau ZigBee PRO 2017 fournit des avantages clés dont une portée plus grande, une réduction de la consommation électrique et une diminution des coûts de fonctionnement pour les applications à bas débit de données, allant de la sécurité et l'automatisation de la maison aux compteurs intelligents et à l'éclairage connecté.

En savoir plus : les blocs de construction ZigBee 3.0

Jusqu'à présent, nous avons examiné les avantages que ZigBee offre aux développeurs et aux utilisateurs, et pourquoi il constitue une bonne solution pour la connectivité des capteurs IoT Maintenant, nous allons nous concentrer sur la technologie qui anime ZigBee, c'est-à-dire la pile d'architecture logicielle, l'appareil de base, la mise en service, les appareils et les clusters d'application. Nous allons aussi examiner les mesures prises par la révision ZigBee 3.0 pour fournir une sécurité robuste et à jour. Cette information est basée sur les Guides de l'utilisateur de dispositifs NXP ZigBee 3.0.

Types d'appareils : les nœuds d'un réseau sans fil ZigBee sont fondés sur les types de dispositifs définis par l'alliance ZigBee ; ce sont des entités logicielles qui déterminent une fonctionnalité du nœud. Ils ont déjà été recueillis dans les profils d'application aux marchés spécifiques tels que l'automatisation domestique. ZigBee 3.0 permet toutefois aux dispositifs de différents secteurs du marché d'exister dans le même réseau.

Un type de dispositif définit un ensemble de clusters, qui sont des éléments de base composant sa fonctionnalité. Certains groupements sont obligatoires tandis que d'autres sont facultatifs. Par exemple, le thermostat utilise les clusters de mesure de température et de base et peut également utiliser un ou plusieurs autres clusters en option.

Un appareil est un exemple de type de dispositif. Un nœud de réseau peut prendre en charge plusieurs types de dispositifs. L'application pour type de dispositif fonctionne sur une entité logicielle appelée point terminal, chaque nœud peut avoir jusqu'à 240 points terminaux, numérotés à partir de 1.

Les types de dispositifs sont classés comme suit :

  • Le dispositif ZigBee Green Power, récupération d'énergie ou batteries de grande autonomie
  • Le dispositif ZigBee End, rapide, alimentation par pile
  • Le routeur ZigBee, alimenté par secteur
  • Le ZigBee Trust Center, un routeur dédié à la gestion des informations de sécurité et à l'exécution d'autres tâches de gestion de réseau d'une manière centralisée

En outre, chaque nœud ZigBee 3.0 doit employer les dispositifs suivants :

  • Le dispositif ZigBee Base (ZBD) : c'est un type de dispositif standard qui gère les opérations fondamentales telles que la mise en service ; il n'a pas besoin de point terminal.
  • Les ZigBee Device Objects (ZDO) : ils représentent le type de nœud ZigBee (coordonnateur, routeur ou dispositif final) et ont un certain nombre de rôles de communication. Ce dispositif occupe le point terminal 0.

L'architecture logicielle de base ZigBee 3.0 est montrée à la Fig.3 ci-dessous qui illustre l'emplacement des dispositifs ZigBee.

Pile d'architecture logicielle ZigBee

Fig. 3 : Pile d'architecture logicielle ZigBee (image via NXP)

Le Cluster Library ZigBee (ZCL) pour ZigBee 3.0 est défini par NXP comme conteneur pour clusters standard, tel que spécifié par l'alliance ZigBee, pour l'utilisation d'applications ZigBee 3.0 sur un éventail diversifié de secteurs du marché. Chaque cluster correspond à une fonctionnalité spécifique, grâce à un ensemble d'attributs et/ou de commandes. Les clusters peuvent être sélectionnés à partir du ZCL pour fournir à l'application son ensemble de capacités requises.

Le ZCL fournit également un moyen de communication courant pour les applications. Il définit un en-tête et une charge utile positionnés à l'intérieur de l'unité de données de protocole (PDU) utilisée pour les messages. Il définit également les types d'attribut entier, chaîne de caractères ou autre type d'attribut, les commandes courantes (par ex., pour les attributs de lecture) et les réponses par défaut pour l'indication de la réussite ou de l'échec. Les instances de cluster client/serveur sont compatibles et immédiatement fonctionnelles.

Exemples : On/Off, contrôle de niveau, contrôle de la couleur, groupes, scènes, couvre-fenêtres, détection d'occupation, thermostats, etc.

Dans un réseau ZigBee 3.0, les opérations de base sont concernées par la lecture et la définition des valeurs d'attribut des clusters d'un dispositif. Dans chaque dispositif, les valeurs d'attributs sont échangées entre l'application et le ZCL au moyen d'une structure partagée.

Mise en service du réseau

La mise en service du réseau couvre les domaines suivants :

  • La création d'un réseau
  • L'autorisation pour les dispositifs de se connecter à un réseau
  • La connexion à un réseau
  • La liaison d'un point terminal local à un point terminal sur un nœud distant
  • L'ajout d'un nœud distant à un groupe

Les activités de mise en service pouvant être accomplies par un seul nœud dépendent du type de nœud ZigBee (coordinateur, routeur ou terminal) et des modes de mise en service activés pour le nœud. Un certain nombre de différents modes de mise en service sont disponibles par l'intermédiaire du dispositif de base ZigBee. Ils sont résumés à la figure 4 ci-après, avec les activités de mise en service qu'ils prennent en charge.

comportement du dispositif Zigbee

Fig.4 : Modes de mise en service ZigBee, image : ©Premier Farnell Ltd.

La mise en service Touchlink peut être utilisée pour former un nouveau réseau et/ou connecter un nœud à un réseau existant. Touchlink débute sur un nœud appelé « initiateur » qui est membre d'un réseau existant ou, si ce n'est pas le cas, crée un nouveau réseau. Dans les deux cas, l'initiateur va connecter un deuxième nœud au réseau, appelé nœud « cible ». Touchlink agit comme un cluster dans le ZCL.

La direction du réseau peut être utilisée pour connecter le nœud local à un réseau existant ou permettre à d'autres nœuds de se connecter à un réseau via le nœud local. Le chemin pris dépend de si le nœud local est déjà membre d'un réseau ou non.

  • Un nœud déjà membre d'un réseau ouvre le réseau afin que les autres nœuds se connectent pour une période de temps donnée en diffusant une requête de connexion permettant la gestion, d'une durée de 180 secondes par défaut.
  • Lorsque le nœud n'est pas dans un réseau, mais est un routeur ou un terminal, il recherche un réseau approprié pour se connecter et tente de le rejoindre en cas de réussite.

La formation d'un réseau permet de créer un nouveau réseau par un coordonnateur ou un routeur. Un coordonnateur forme un réseau de sécurité centralisée et active ses fonctionnalités de Trust Center, tandis qu'un routeur forme un réseau de sécurité distribuée.

Le mode Recherche et liens permet à un nœud du réseau d'être jumelé à un autre nœud du réseau, par exemple : une nouvelle lampe peut avoir besoin d'être jumelée avec un contrôleur, pour permettre le contrôle de la lampe. Ce mode de mise en service est destiné à lier un point terminal sur un nœud à un point terminal compatible sur un nœud distant dans le réseau, en fonction des clusters pris en charge. Sinon, le nouveau nœud peut être ajouté à un groupe de nœuds contrôlés de façon collective.

Dans Recherche et liens, un nœud peut avoir l'un des deux rôles :

  • Initiateur : ce mode peut créer une liaison (locale) avec un point terminal distant ou demander que le point terminal distant soit ajouté à un groupe
  • Cible : ce nœud s'identifie lui-même, reçoit les demandes de l'initiateur et y répond

Le résultat escompté est un appariement entre l'initiateur et la cible. Habituellement, l'initiateur est un contrôleur. Le chemin suivi par Recherche et liens dépend de si le point terminal local est initiateur et cible.

La stratégie de sécurité de ZigBee

ZigBee 3.0 apporte une boîte à outils avancée qui permet aux concepteurs de mettre en œuvre des réseaux robustes avec un bon équilibre entre politiques de sécurité et facilité de déploiement. L'offre sera continuellement mise à jour pour garder une longueur d'avance sur les menaces émergentes.

La solution de sécurité est basée sur le protocole de mise en réseau maillé ZigBee PRO, initialement développé pour ZigBee Smart Energy. Il est utilisé par des centaines de millions de compteurs du service public de qualité dans le monde entier sans failles de sécurité connues.

Les mises en jour de fonctionnalités comprennent :

  • L'authentification unique à l'appareil à la connexion
  • Les principales mises à jour d'exécution au cours de l'opération
  • La sécurisation des mises à niveau over the air (OTA) du micrologiciel
  • Le chiffrement basé sur un lien logique

Les modèles de sécurité : pour répondre à un large éventail d'applications et assurer l'équilibre optimal entre sécurité, facilité d'utilisation, coût et durée de vie de la batterie, ZigBee propose deux architectures de réseau et des modèles de sécurité correspondants : les modèles distribués et centralisés. Ils diffèrent dans la manière dont ils répondent aux exigences de base des réseaux de l'IoT : l'admission de nouveaux périphériques au réseau et la protection des messages sur le réseau

  • Pour faciliter la configuration des systèmes, un modèle de sécurité distribuée comprend deux types d'appareils : les routeurs et les terminaux. Si un routeur ZigBee ne détecte pas de réseau existant lorsqu'il est mis sous tension, il peut former un réseau de sécurité distribuée. Dans un réseau distribué, tout routeur peut fournir des clés de sécurité réseau.
  • Pour une sécurité plus élevée, les systèmes centralisés comprennent un troisième type de dispositif : le Trust Center (TC), qui est généralement aussi le coordonnateur de réseau. Le TC forme un réseau centralisé et permet aux routeurs et aux terminaux de se connecter au réseau s'ils disposent des bonnes informations d'identification. Dans un réseau centralisé, seul le TC peut émettre des clés de chiffrement.
Les deux modèles de sécurité ZigBee

Fig.5 : Les deux modèles de sécurité ZigBee (image via l'alliance ZigBee)

Exemples de produits ZigBee

Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de produits fournis par Farnell qui réduisent le temps et l'effort pour les développeurs de systèmes ZigBee.

Le kit de développement maillé ZigBee XBee offre une manière d'apprendre à utiliser les modules XBee RF pour la connectivité du dispositif et la mise en réseau maillé. C'est un puissant moyen d'acheminer les données, la gamme est étendue en permettant aux données de sauter d'un nœud à l'autre, et la fiabilité est améliorée grâce à la réparation spontanée et à la capacité à créer des voies alternatives lors de l'échec d'un nœud ou d'une connexion perdue.

Le kit est basé sur la puce émetteur-récepteur Silicon Labs EM357 SoC, RF 250 Kbit/s, avec un débit de données pouvant atteindre 1 Mbit/s.

Communications du capteur IoT : le SIP-KITNXB001 de Samsung Artik est un kit de développement ARTIK 520 BLE WIFI ZIGBEE conçu pour faciliter le développement de produits pour l'IoT. Il est basé sur le module ARTIK™ 520 de Samsung, un System-in-Module hautement intégré utilisant un processeur à double cœur ARM® Cortex®-A7 avec des mémoires flash et DRAM packagées, un élément sécurisé et un large éventail d'options de communication sans fil telles que les communications 802.11a/b/g/n/ac, le Bluetooth® 4.1, le Bluetooth Low Energy (BLE) et 802.15.4/ZigBee® au format 30 x 25 mm. Il est utilisé dans les capteurs IoT et les terminaux à des fins commerciales et de vente au détail, pour les domaines de la santé et du bien-être, de l'industrie, de l'automatisation du bâtiment et de la domotique, ainsi que des applications pour smartphones, tablettes et PC.

Kit de conception des capteurs d'occupation ZigBee : le RD-0078-0201 de Silicon Labs est un kit design de référence des capteurs d'occupation ZigBee. Il dispose d'une conception de faible puissance qui englobe à la fois le matériel et les logiciels, et assure une durée de vie de la batterie estimée à plus de 5 ans. Il intègre également la pile ZigBee Silicon Labs, il est donc adapté aux systèmes d'automatisation du bâtiment les plus exigeants. Le logiciel est mis en œuvre sur un ARM Cortex-M4, Mighty Gecko SoC fournissant une mise à niveau pour le double protocole ou un tout autre protocole. Le kit est basé sur la norme ZigBee HA 1.2, qui se concentre sur les capteurs pouvant être utilisés pour la détection d'occupation et de mouvement.

Connecteur U.FI de haute puissance, Module RF, IEEE802.15.4 : la gamme JN5168-001-Myy est une gamme de modules à montage en surface de faible puissance et de hautes performances destinés aux applications réseau IEEE 802.15.4, JenNet-IP, ZigBee Light Link, ZigBee Smart Energy et RF4CE permettant aux utilisateurs de mettre sur le marché des produits en un minimum de temps et de coût.

Ces modules facilitent les solutions sans fil robustes et sécurisées et de faible puissance sur les réseaux ZigBee ou Jennett-IP pour les applications liées à la domotique et à l'automatisation du bâtiment, aux mesures du service public, au suivi des actifs, aux périphériques de jeux et de jouets, aux systèmes industriels, à la télémétrie et au contrôle à distance.

SMARTRF06EBK, carte d'évaluation, norme IEEE 802.15.4, ZigBee, SmartRF06EB, CC2538 : le SMARTRF06EBK est un kit de carte d'évaluation SmartRF06 destiné à une utilisation avec le CC2538EM pour les tests de performance radio et le développement de logiciels. La carte intègre la sonde de débogage XDS100v3 permettant le téléchargement et le débogage de logiciels fonctionnant sur le dispositif CC2538. Le débogueur est pris en charge par la console IAR intégrée pour l'ARM et le Code Composer Studio (CCS). Les autres IDE et agents du débogueur sont également pris en charge.

XKB2-A2T-WWC, kit de développement, kit de connectivité sans fil, 2x XBee 802.15.4, 3x XBee ZigBee :le XKB2-A2T-WWC de Digi International est un kit de connectivité sans fil avec modules XBee S2C 802.15.4. Il assure une mise en œuvre pratique à l'aide des modules XBee® RF pour la connectivité des dispositifs et la mise en réseau des capteurs dans les topologies rapides point-à-multipoint ou pair-à-pair.

Module maillé sans fil multiprotocole : le MGM12P22F1024GA-V2 de Silicon Labs est un module maillé sans fil multiprotocole MGM12P Mighty Gecko. Le module maillé EFR32MG12 est un module entièrement intégré, certifié, permettant un développement rapide de solutions de réseau maillé sans fil. Basé sur le Silicon Labs EF32MG12 Mighty Gecko SoC, le MGM12P associe une énergie efficace, un SoC sans fil multiprotocole avec conception d'antenne RF éprouvée et les piles logicielles sans fil parmi les meilleures de l'industrie.

Conclusion

Cet article a montré, à travers les explications de la norme de réseau, les exemples de développement actuellement disponibles et les dispositifs de production, que ZigBee fournit, à faible coût, une connectivité de réseau sécurisée, robuste et de faible puissance pour les dispositifs tels que les capteurs d'IoT qui dépendent de ces propriétés.

Les concepteurs peuvent bénéficier, en réduisant le processus de développement et de mise sur le marché, non seulement de la disposition des kits de développement, mais aussi de l'ensemble de l'expertise des applications mises à disposition par l'intermédiaire du Cluster Library ZigBee.

Références

http://www.zigbee.org/the-zigbee-alliance-celebrates-15-years-and-a-decade-of-standards

ZigBee 3.0 – The Open, Global Standard for the Internet of Things, December 2, 2014

http://www.trustedreviews.com/news/what-is-zigbee-2920890

http://sdtimes.com/zigbee-alliance-introduces-multi-band-iot-mesh-network-technology-massive-iot-deployments

https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/JN-UG-3114.pdf

https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/JN-UG-3115.pdf

Solutions sans fil, partie 4 : ZigBee. Publié le 15 décembre 2017 par Farnell