Qu’est-ce que la technologie ZigBee et comment elle fonctionne?

Technologie ZigBee sa Conception, son Architecture et ses applications

Introduction à la technologie de réseau sans fil ZigBee

ZigBee est une norme de réseau sans fil basée sur IEEE 802.15.4, à faible puissance et à faible débit de données prenant en charge la norme de réseau sans fil, qui est essentiellement utilisée pour la communication bidirectionnelle entre les capteurs et le système de contrôle. Il s’agit d’une norme de communication à courte portée comme Bluetooth et Wi-Fi, couvrant une portée de 10 à 100 mètres. La différence étant que Bluetooth et Wi-Fi sont des communications à haut débit de données standard prenant en charge le transfert de structures complexes telles que des médias, des logiciels, etc.,

La technologie ZigBee prend en charge le transfert de données simples comme celle des capteurs. Il prend en charge un faible débit de données d’environ 250 kbps. Les fréquences de fonctionnement sont de 868 MHz, 902 à 928 MHz et 2,4 GHz. La technologie ZigBee est principalement utilisée pour les applications nécessitant une faible puissance, un faible coût, un faible débit de données et une longue durée de vie de la batterie.

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Histoire de la technologie ZigBee

La norme ZigBee a été développée par ZigBee Alliance comprenant de nombreuses grandes entreprises comme Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments, etc. Cette Alliance a été formée en 2002 en tant qu’organisation à but non lucratif.

Architecture ZigBee

Le protocole réseau ZigBee suit la norme IEEE 802.15.4 normes pour les couches Physiques et MAC, ainsi que ses propres couches Réseau et applicatives.

Figure 1: Architecture ZigBee

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Ci-dessous est une explication pour chaque couche.

1. Couche physique: Il s’agit de la couche de protocole la plus basse et est responsable du contrôle et de l’activation de l’émetteur-récepteur radio, ainsi que de la sélection de la fréquence du canal et de la surveillance du canal. Il est également responsable de la communication avec les appareils radio. La communication des données ou des commandes se fait à l’aide de paquets. Chaque paquet PHY se compose d’un en-tête de synchronisation (SHR) (responsable de la synchronisation du récepteur), d’un en-tête physique (PHR) (contient des informations sur la longueur de la trame) et d’une charge utile PHY (fournie par les couches supérieures sous forme de trame et inclut des données ou une commande).
2. Contrôle d’accès moyen ou Couche MAC : Il agit comme une interface entre la couche physique et les couches Réseau. Il est responsable de la génération de balises et de la synchronisation des périphériques dans le réseau activé par les balises. Une trame MAC peut être une Trame de Balise (utilisée par le Coordinateur pour transmettre des Balises), une Trame de Données, une Trame d’accusé de réception ou une Trame de Commande. Il se compose d’un en-tête MAC (contient des informations sur la sécurité et l’adressage), d’une charge utile MAC de taille variable (contient des données ou une commande) et d’un pied de page MAC (contient une séquence de vérification de trame de 16 bits pour la vérification des données).
3. Couche réseau : Cette couche connecte la couche Application à la couche MAC. Il gère la formation et le routage du réseau. Il établit un nouveau réseau et sélectionne la topologie du réseau. La trame NWK se compose de l’en-tête NWK et de la charge utile NWK. L’en-tête contient des informations concernant l’adressage et le contrôle au niveau du réseau. La charge utile NWK contient le cadre de sous-couche d’application.
4. Sous-couche de support d’application : Elle fournit un ensemble de services via deux entités – l’entité de SUPPORT de données d’application et l’Entité de Gestion de Support d’application, aux couches d’application et de réseau. Ces entités sont accessibles via leurs Points d’accès au Service (SAP) respectifs
5. Couche d’application: Il s’agit de la couche la plus élevée du réseau et est responsable de l’hébergement des objets d’application contenant les applications utilisateur et les objets de périphérique ZigBee (ZDOs). Un seul périphérique ZigBee peut contenir jusqu’à 240 objets d’application qui contrôlent et gèrent les couches de protocole. Chaque objet d’application peut être constitué d’un profil d’application ou d’un programme, développé par l’utilisateur ou l’alliance ZigBee. Le profil d’application est responsable de la transmission et de la réception des données sur le réseau. Le type d’appareils et la fonction de chaque appareil sont définis dans un profil d’application. Les objets de périphérique ZigBee agissent comme une interface entre les objets d’application, les profils de périphérique et la sous-couche d’application.

Topologies de réseau de ZigBee

Le réseau ZigBee prend en charge de nombreux types de topologies, la plus populaire étant les topologies star et peer to peer. Chaque topologie de réseau se compose de trois types de nœuds – Coordinateur ZigBee, routeur ZigBee et périphérique final ZigBee. Le coordinateur effectue la tâche d’attribuer une adresse unique à chaque périphérique du réseau, initie et transfère des messages dans le réseau et sélectionne un identifiant unique pour le réseau. Les dispositifs ZigBee sont de deux types : Dispositif à Fonction Complète (FFD) et Dispositif à Fonction Réduite (RFD)

Figure 2: Topologies de réseau ZigBee

Dans une topologie en étoile, le Coordinateur est le dispositif central qui initie et gère les périphériques au sein du réseau. Chaque coordinateur sélectionne un identifiant unique, qui n’est utilisé par aucun autre réseau dans sa région d’influence. Chaque Dispositif d’extrémité communique avec le Coordinateur. Les dispositifs finaux sont généralement des RFD qui ne peuvent communiquer qu’avec le Coordinateur ou le FFD.

En topologie Pair à pair, chaque périphérique terminal peut communiquer entre eux placés à proximité. Les appareils sont des FFD qui peuvent communiquer directement entre eux. Cependant, ce type de topologie peut contenir un RFD qui ne communique qu’avec un seul périphérique du réseau. Une topologie Pair à pair peut être une topologie maillée ou une topologie arborescente.

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Communication à l’aide de ZigBee

Le transfert de données peut se faire entre un Coordinateur et un Appareil ou de pair à pair. Le transfert de données entre le Coordinateur et l’appareil peut être effectué en utilisant deux méthodes: la balise activée et la Non–Balise activée.

Dans la mise en réseau activée par balise, la méthode d’accès au canal sans contention est utilisée. Ici, le Coordinateur attribue un créneau horaire particulier à chaque appareil, connu sous le nom de Créneau horaire garanti (GTS). Ici, tous les périphériques du réseau doivent être synchronisés. Ceci est assuré par l’envoi d’un signal de balise du coordinateur à chaque dispositif (noeud), de sorte que chaque dispositif synchronise son horloge. Cependant, cela peut finir par réduire la durée de vie de la batterie des appareils lorsqu’ils ne sont pas dans une autre tâche que la synchronisation de leur horloge.

Une fois que le dispositif est synchronisé, il peut transmettre des données au coordinateur à l’aide du procédé CSMA-CA (Accès multiple par détection de porteuse avec Évitement de collision), dans lequel le type de signal d’occupation est déterminé, ou pendant la période d’allocation GTS. Lors de l’envoi d’une demande, le Coordinateur renvoie l’accusé de réception. Pour le transfert de données du Coordinateur à l’appareil, une indication est envoyée avec le message de balise à l’appareil. Le dispositif reçoit alors cette indication et envoie un message de demande de données. Le Coordinateur envoie un accusé de réception de cette demande de données et transfère les données correspondantes.

Dans un réseau sans balise, le Coordinateur ne transmet aucun message de balise. Au contraire, chaque appareil transmet des données en utilisant la méthode CSMA-CA dans le même canal de fréquence. L’appareil transmet les données dès que le canal est dégagé. Pour le transfert de données du Coordinateur au dispositif, le dispositif envoie d’abord un message de demande de données au Coordinateur, puis ce dernier transmet le message de données avec une charge utile de longueur nulle, sur disponibilité des données. Pour aucune donnée en attente, le Coordinateur envoie un accusé de réception indiquant qu’aucune donnée n’est en attente.

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Applications de la technologie ZigBee

Domotique: La technologie ZigBee s’avère être la technologie la plus fiable pour réaliser la domotique. Différentes applications comme le contrôle et la surveillance de la consommation d’énergie, la gestion de l’eau, le contrôle de la lumière, etc. ont été facilités grâce à l’automatisation utilisant la technologie ZigBee.

Figure 3: Domotique ZigBee

Automatisation industrielle: Les dispositifs RFID basés sur ZigBee permettent une gestion fiable des accès dans les industries. D’autres applications dans les industries incluent le contrôle des processus, la gestion de l’énergie, le suivi du personnel, etc.

Automatisation des soins de santé: Un exemple populaire d’automatisation des soins de santé est la surveillance de la santé à distance. Une personne porte un appareil ZigBee avec un capteur de mesure des paramètres corporels qui collecte les informations de santé. Ces informations sont transmises sur le réseau ZigBee au réseau de protocole Internet (IP) puis au personnel de santé (le médecin ou l’infirmière), qui prescrirait alors des médicaments appropriés en fonction des informations reçues.

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En dehors des trois éléments ci-dessus, la technologie ZigBee présente de nombreuses applications. Ceci est une brève introduction sur la technologie ZigBee. Toute autre information concernant cette technologie est la bienvenue dans la section commentaires ci-dessous.

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