Zigbee vs. Bluetooth : Choisir le bon protocole pour votre application IoT

Digi International Digi International
05 mars 2021

Les protocoles sans fil Zigbee® et Bluetooth® sont tous deux largement utilisés pour les communications locales dans les applications de l'Internet des objets (IoT), et il convient d'examiner certains compromis pour choisir celui qui convient à votre application. Chaque protocole possède des atouts uniques qui guident le choix de la solution à mettre en œuvre lors de la conception d'un nouveau réseau.

Dans certaines situations, un protocole sera mieux adapté que l'autre, bien que parfois la bonne solution soit de mettre en œuvre les deux ensemble pour profiter de leurs forces combinées, comme nous allons le voir dans cet article.

Pour mieux comprendre ces options de protocole IoT , examinons les avantages et les limites de Zigbee, puis les trois différentes "saveurs" de Bluetooth : Classic, BLE et BT Mesh. Cela permettra d'expliquer les compromis et de montrer quelques cas d'utilisation pour chacun d'entre eux, afin que vous puissiez choisir le protocole optimal pour votre application IoT - qu'il s'agisse d'une ville intelligente, d'un site industriel IoT, d'une signalisation numérique ou de tout autre cas d'utilisation de technologie connectée.

 

La technologie Zigbee dans les applications IoT

Zigbee est une norme mondiale ouverte pour un réseau maillé sans fil rentable, à faible puissance et à faible bande passante, développée par un consortium d'entreprises au sein de la Zigbee Alliance. Le protocole Zigbee permet la transmission de données sur de longues distances en faisant passer les informations par un réseau maillé de nœuds intermédiaires pour atteindre des nœuds distants. Les messages "sautent" à travers des nœuds radio intermédiaires sur le chemin de leur destination. La gamme de fréquences de 2,4 GHz de Zigbee peut être mise en œuvre dans le monde entier, sans licence. Environ 300 millions de nœuds Zigbee sont actuellement déployés.

Avantages du protocole Zigbee

Zigbee permet de créer d'importants réseaux maillés dont la portée dépasse largement celle d'une seule radio. Le réseau maillé Zigbee se configure automatiquement (auto-formation) et se reconfigure dynamiquement pour se réparer si des nœuds sont désactivés ou supprimés (auto-réparation). En tant que norme interopérable, les appareils de nombreux fabricants différents peuvent communiquer de manière transparente, ce qui a contribué à la large acceptation de Zigbee dans la domotique et l'industrie IoT. Les coûts sont modestes, avec de nombreuses options d'équipement OEM sur le marché libre.

La documentation est largement disponible et couvre de nombreux cas d'utilisation différents. Les tables de routage, la résolution d'adresses, la sécurité, les tentatives et les accusés de réception sont intégrés au protocole, ce qui permet de gagner un temps considérable d'ingénierie. Zigbee prend en charge plusieurs topologies de réseau, telles que les réseaux point à point, point à multipoint, en étoile et maillés, et autorise plus de 65 000 nœuds par réseau et jusqu'à 3,2 km de portée extérieure idéale en visibilité directe.

Limites du protocole Zigbee

Comme la plupart des réseaux maillés, les nœuds Zigbee qui acheminent les messages doivent être sous tension à tout moment. Les appareils finaux qui peuvent se mettre en veille pour prolonger l'autonomie de la batterie peuvent participer au maillage, mais pas le prolonger.

Note: Voir DigiMesh®, la technologie de réseau maillé propriétaire de Digi, pour les applications qui exigent que le réseau maillé entier soit en veille. DigiMesh offre une alternative au réseau maillé Zigbee avec certaines caractéristiques qui prennent en charge les exigences des applications telles que la mise en veille de tout le réseau. Digi propose des solutions Zigbee et DigiMesh pour répondre à l'ensemble des besoins des applications maillées.

Zigbee n'utilise pas l'adressage IP. Par conséquent, des passerelles doivent être installées pour communiquer avec Internet et les services cloud. Comme la plupart des téléphones, tablettes et ordinateurs n'intègrent pas Zigbee, des passerelles sont nécessaires pour communiquer avec eux également. Le provisionnement doit être effectué de manière délibérée pour s'assurer que les nœuds rejoignent le bon réseau et communiquent avec la bonne passerelle. La latence est plus importante avec le maillage qu'avec les protocoles point à point plus simples, bien que cela doive être considéré dans le contexte de la portée effective et de la fiabilité bien plus grandes du maillage.

Cas d'utilisation de Zigbee dans les villes intelligentes, l'agriculture et plus encore

La domotique a été le berceau de Zigbee, mais les cas d'utilisation commerciale et industrielle sont devenus tout aussi importants, notamment l'énergie intelligente, l'éclairage, les systèmes d'appareils médicaux, l'automatisation des usines, l'éclairage public municipal et les systèmes de surveillance des magasins.

L'éclairage urbain intelligent est un excellent exemple de la tendance croissante des réseaux maillés pour lesquels Zigbee est bien adapté, car il permet des fonctionnalités clés telles que la gestion à distance d'un vaste réseau de dispositifs. Pour un exemple de ce cas d'utilisation, voir le témoignage du client CIMCON sur Digi.com.

Les applications agricoles tirent également parti de la technologie des réseaux maillés, par exemple pour gérer les dispositifs qui relient les systèmes d'arrosage intelligents.

La technologie Bluetooth dans les applications IoT

Bluetooth est un protocole de réseau sans fil de zone personnelle conçu pour communiquer sur de courtes distances. Il a été créé à l'origine pour remplacer le câblage nécessaire pour connecter des appareils comme les ordinateurs et les téléphones portables à leurs périphériques, tels que les écouteurs, les claviers et les souris. Comme le Wi-Fi et le Zigbee, il fonctionne dans la gamme de fréquences de 2,4 GHz, sans licence au niveau mondial.

La norme Bluetooth est développée et administrée par le Bluetooth Special Interest Group (SIG), qui coordonne l'interopérabilité entre les fabricants de périphériques. La marque Bluetooth couvre plusieurs protocoles assez différents. Bien qu'il existe une certaine interopérabilité entre ces protocoles, il est plus facile de les considérer séparément les uns des autres, c'est pourquoi nous couvrirons les protocoles Bluetooth : Classic, Bluetooth Low Energy et Bluetooth Mesh dans leurs propres sections. Environ 4 milliards de dispositifs Bluetooth sont expédiés chaque année.

Bluetooth "Classic

Le Bluetooth Classic est conçu pour transmettre des données à haut débit, jusqu'à 2,1 Mbps, sur de courtes distances où la durée de vie de la batterie n'est pas une préoccupation majeure. C'est une excellente solution pour les appareils audio et vidéo qui nécessitent une bande passante élevée et qui peuvent être rechargés quotidiennement. Les appareils classiques comprennent les casques d'écoute mobiles, les écouteurs, les claviers, les souris, les imprimantes et autres périphériques généralement connectés à un ordinateur, au système de divertissement d'un véhicule ou à un téléphone mobile. Bluetooth utilise une architecture maître/client. Un maître peut communiquer avec jusqu'à sept dispositifs clients dans un petit réseau personnel.

Avantages de Bluetooth Classic

Si votre projet doit envoyer ou recevoir un grand nombre de données, le débit élevé de Bluetooth Classic lui sera utile. Il existe de nombreux dispositifs qui mettent en œuvre Classic. Pour les flux audio et vidéo, il est facile de s'associer à un téléphone, une tablette ou un ordinateur portable pour commencer à recevoir des informations, et les flux série peuvent également être pris en charge. Classic est un protocole très mature et la documentation est largement disponible dans les livres, en ligne et bien sûr dans la documentation officielle des normes.

Limites du Bluetooth Classic

Le Bluetooth Classic peut être complexe à mettre en œuvre, car il nécessite un couplage et une interface utilisateur pour gérer ce processus. Sa bande passante élevée signifie également qu'il est relativement gourmand en énergie. Le protocole est conçu pour des appareils qui se rechargent facilement sur une base quotidienne, voire hebdomadaire, ce qui le rend inadapté à de nombreuses applications IoT . La taille des réseaux est assez limitée puisque le protocole a été conçu pour le remplacement de câbles périphériques à courte portée et non pour des réseaux de capteurs évolutifs hébergeant des centaines de dispositifs.

Cas d'utilisation du Bluetooth Classic

La version classique de Bluetooth est très populaire dans les casques audio, le couplage smartphone-véhicule et le divertissement à domicile. Sa large bande passante et son acceptation en tant que norme industrielle continueront à favoriser son utilisation dans ces types d'applications pendant un certain temps encore. Pour la plupart des applications IoT , les deux prochaines versions de Bluetooth seront probablement plus adaptées.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy prend en charge les connexions à faible bande passante sur de courtes distances avec une excellente gestion de l'énergie. Elle est utilisée dans les situations où un réseau personnel n'a pas besoin de traiter de grands flux de données et où les piles doivent durer des mois, voire des années. Les appareils BLE comprennent des balises de localisation, des balances numériques, des moniteurs de température, des contrôleurs d'éclairage, des montres intelligentes, des casseroles et des milliers d'autres cas d'utilisation à faible bande passante fonctionnant sur batterie.

La technologie BLE met en œuvre une architecture client/serveur qui permet au matériel de ne mettre en œuvre que les fonctions de communication nécessaires, ce qui permet d'économiser de l'argent, de la batterie et de la bande passante. Les réseaux BLE peuvent théoriquement contenir un très grand nombre de dispositifs, mais la bande passante, l'espace physique et surtout la portée limitent la taille d'un seul réseau personnel BLE à quelques centaines de nœuds.

Avantages de la BLE

Le nom l'indique clairement : Bluetooth Low Energy ne consomme pas beaucoup d'énergie. Les appareils peuvent fonctionner avec des piles à monnaie pendant de longues périodes, ce qui en fait le protocole Bluetooth de prédilection pour les appareils à faible débit de données qui doivent fonctionner sans surveillance pendant des mois. La simplicité du protocole présente d'autres avantages. Un matériel moins complexe signifie que les puces et les appareils BLE peuvent être très bon marché.

Le modèle client-serveur rend les communications plus simples à mettre en œuvre, ce qui réduit les temps d'ingénierie et de développement. Cela signifie également que les appareils n'ont pas besoin d'être appariés pour communiquer, mais qu'ils peuvent lire et envoyer des données de manière asynchrone et instantanée dès que nécessaire. Le protocole est largement accepté et mis en œuvre sur des milliards d'appareils dans le monde entier, avec une documentation abondante, des équipements OEM et un personnel de développement qualifié.

Limites de la BLE

BLE est un protocole point à point. Les radios ne peuvent donc pas communiquer au-delà de leur portée individuelle. Cela limite la taille physique des réseaux à la portée typique de 10 mètres de la technologie BLE, ce qui est parfait pour les bureaux à domicile, mais pas pour les applications de surveillance agricole ou de contrôle de l'éclairage public. L'adressage IP n'étant pas mis en œuvre, des passerelles doivent être utilisées pour transmettre les informations à l'Internet et aux solutions en nuage.

De nombreuses applications BLE sont conçues pour utiliser les smartphones comme passerelle ; toutefois, cela ne fonctionne que lorsqu'un smartphone est présent. Pour les objets à porter sur soi, comme les smartwatches ou les bracelets de fitness, c'est très bien, mais les capteurs utilisés dans les applications commerciales et industrielles sont généralement sans surveillance, ce qui rend les passerelles pour smartphones peu pratiques, voire impossibles à mettre en œuvre. La bande passante du BLE est beaucoup plus faible que celle du Bluetooth Classic et ne peut pas être utilisée efficacement pour le streaming multimédia.

Cas d'utilisation de Bluetooth Low Energy

Les réseaux personnels constituent un cas d'utilisation privilégié de la technologie BLE, notamment les appareils ménagers, les moniteurs de fitness et les réseaux de véhicules. Le balisage BLE est conçu pour prendre en charge les systèmes de positionnement à l'intérieur des bâtiments qui peuvent déterminer votre position dans un magasin de détail ou dans une usine.

La domotique est un marché clé, mais tout petit système commercial peut également tirer parti de la technologie Bluetooth Low Energy pour communiquer à l'intérieur d'un espace domestique. Ainsi, si le BLE n'est peut-être pas idéal pour l'agriculture à grande échelle, il est parfaitement adapté à la surveillance des petites serres commerciales. Il peut également fournir des communications locales aux installateurs qui configurent le site IoT pour des appareils qui communiquent normalement via un protocole à plus longue portée, tel que le réseau maillé Zigbee ou les données mobiles cellulaires.

Maillage Bluetooth

Bluetooth Mesh (BT Mesh) est un tout nouveau protocole. Il étend le simple BLE point à point en utilisant des normes supplémentaires de routage et de formation de réseau pour créer des réseaux maillés où les nœuds peuvent servir de relais pour étendre le réseau au-delà de la portée d'un seul appareil. BT Mesh est globalement similaire à Zigbee en termes de fonction et d'architecture, mais avec plusieurs différences très importantes. Un réseau BT Mesh peut théoriquement prendre en charge plus de 32 000 nœuds, mais comme pour les autres protocoles, les limites pratiques de la bande passante et de l'espace physique limitent généralement les réseaux individuels à quelques centaines de dispositifs.

Avantages de Bluetooth Mesh

Les réseaux formés comme un maillage ne sont pas limités par la portée d'un nœud radio individuel. Au contraire, chaque nœud peut transmettre et acheminer des messages vers des destinations bien au-delà de sa portée nominale, formant ainsi de très grands réseaux physiques. Comme Bluetooth Mesh est basé sur BLE, il reprend de nombreux avantages de ce protocole, notamment une faible consommation d'énergie, une bonne sécurité, la prise en charge du balisage et une documentation sous-jacente omniprésente. Les réseaux BT Mesh sont auto-formés et auto-réparateurs, avec une prise en charge de la veille pour les dispositifs finaux dans une relation parent/enfant de type "store-and-forward" similaire à celle de Zigbee.

Limites de Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh est un nouveau protocole, qui fait encore l'objet d'améliorations et de révisions. Il n'est pas encore largement pris en charge, ce qui signifie que les équipements OEM, les passerelles et les appareils portables ne sont probablement pas encore totalement conformes. La situation s'améliorera probablement à mesure que le protocole gagnera en popularité, mais il s'agit certainement d'un problème pour les applications conçues aujourd'hui.

Le protocole "managed flood" simplifie la conception du réseau, mais il représente un compromis en termes d'efficacité et de consommation d'énergie par rapport à un protocole de maillage entièrement routé comme Zigbee. Tout dispositif d'acheminement doit être alimenté par le secteur plutôt que par une batterie, car comme les nœuds Zigbee, les routeurs BT Mesh ne sont pas autorisés à se mettre en veille. Ils n'utilisent pas l'adressage IP. Par conséquent, les interactions avec l'Internet et les serveurs en nuage doivent passer par des passerelles fixes ou des routeurs frontaliers qui assurent la traduction entre le BLE et le protocole ordinaire de l'Internet. Les réseaux maillés présentent toujours un temps de latence plus élevé, car les messages doivent "sauter" par plusieurs nœuds avant d'arriver à destination. Les applications doivent donc être capables de tolérer des temps de réponse plus lents en contrepartie de la plus grande échelle du réseau maillé.

Cas d'utilisation de Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh a été initialement conçu pour le marché de l'éclairage. Les nœuds des routeurs devant être alimentés en permanence, l'éclairage est une excellente application, car la plupart des appareils disposent d'un accès suffisant à une alimentation secteur permanente. Il existe également une couche d'application mise en œuvre par Bluetooth Mesh spécifiquement pour l'interopérabilité entre fabricants dans le domaine de l'éclairage, de sorte que les commutateurs d'un fournisseur peuvent contrôler les dispositifs d'éclairage créés par d'autres fournisseurs. Les réseaux de capteurs peuvent être facilement pris en charge par BT Mesh, bien que les nœuds d'acheminement du réseau ne puissent pas être alimentés par des batteries. Il est préférable de mettre en œuvre les capteurs dans des situations où un réseau alimenté par le secteur est disponible, par exemple dans un bâtiment où l'éclairage BT Mesh est déjà en place.

Combiné Zigbee BLE

Lesmodules RFDigi XBee 3 Zigbee prennent également en charge le Bluetooth Low Energy en tant que solution matérielle unique. BLE peut être utilisé avec Zigbee pour faciliter la configuration des modules sur smartphone à l'aide de l'application mobileDigi XBee . Les applications de balisage peuvent être développées avec le SDK ( Software Development Kit) deDigi XBee Mobile.

Le SDK comprend un ensemble de bibliothèques, d'exemples de code et de documentation conçus pour simplifier le processus de création d'applications mobiles iOS et Android pour interagir avec les modulesDigi XBee 3. Le SDK peut prendre en charge les applications de balisage et sera également utile pour communiquer avec les capteurs BLE locaux dans les futures applications combinant des dispositifs Bluetooth et Zigbee pour former de vastes réseaux multifournisseurs entièrement interopérables.

Zigbee et Bluetooth sont chacun utiles dans différents types de solutions IoT . Plus important encore, ils peuvent fonctionner ensemble pour créer des applications extrêmement flexibles qui combinent les forces de chaque protocole bien établi et interopérable. Comprendre les forces et les faiblesses de chacun d'entre eux, y compris les nombreuses versions de Bluetooth, devrait aider les développeurs à créer le système de communication le plus efficace - un système qui équilibre la consommation d'énergie, la bande passante et les coûts des appareils pour créer de puissants réseaux sans fil IoT .

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