mardi 9 décembre 2014

ZigBee ou la chronique d'une mort annoncée?...

Ah, ZigBee !... Et la révolution révolutionnaire qui allait tout révolutionner dans la façon de contrôler l'habitat. Enfin, tout allait devenir simple et efficace, c'était le début de l'Internet Of Things, l'IoT d'aujourd'hui !

Un des premiers modèles de modules type ZigBee disponibles pour le grand public.

Puisque je m'intéresse entre autres sujets, à l’automatisation des bâtiments, je viens de découvrir un article sur le site de Batirama intitulé : "ZigBee 3.0 : fin de la cacophonie en 2015". Je serais tenté de traduire ce titre d'article en 'ZigBee : fin du sketch' !

Mais reprenons depuis le début... Je ne sais plus exactement en quelle année fût annoncée la 'révolution' ZigBee, mais il me semble que c'était vers 2007, Peu importe. Intéressé par les possibilités présentées, j'acquis un kit de démonstration chez Radiocrafts à un prix pas spécialement donné. Les deux cartes contenues dans la boîte semblaient tout droit sorties d'un atelier de bricolage, avec 'bouts de fils' soudés à même le circuit imprimé, destinés à configurer les quelques 'bornes' de configuration des modules ZigBee. Les deux cartes étaient équipées d'une antenne extérieur et non pas d'une antenne intégrée, soit par un composant, soit directement gravé sur le circuit imprimé.

Origine : Radiocrafts.
A noter que j'ai récupéré l'image ci-dessus le 09 décembre 2014 et que je ne sais pas si elle correspond toujours au kit que j'ai reçu à l'époque. Je ne possède plus ce kit, l'ayant fait passé depuis longtemps par la case déchèterie rubrique 'produits électroniques'!

Très rapidement, la déception : J'effectue les premiers tests de liaison, point à point. Inutile de préciser que la configuration des modules par commande de type 'AT' n'était pas spécialement des plus conviviale, le module renvoyant juste un 'OK' laconique en guide de confirmation. En configurant les deux modules en puissance maximale, j'obtins une distance de communication d' à peine 10 mètres en vis à vis, seulement 'obturé' par la fenêtre double vitrage de mon bureau.

Après d'énormes recherches sur Internet, je ne parvins jamais à être en mesure de me faire une idée précise sur les distances atteignables avec le protocol ZigBee. Je me souviens avoir vu quelques réalisations ou les exemples de distances de liaison obtenues étaient toujours réalisées en extérieur, par exemple une vidéo présenté par Texas Instruments montrant une 'certaine distance' obtenue avec ce type de circuit, dans un espace vert. Je ne sais plus si l'exemple Texas était présenté avec des modules ZigBee ou avec leur solution maison, mais peu importe, il s'agissait de la même bande de fréquence et de la même puissance de transmission. Quelle plaisanteries toutes ces démonstrations.

Parce qu'il faut être clair : ça ne fonctionne absolument pas en intérieur. Les raisons principales sont très simples et sont au nombre de trois : 

1- La puissance d'émission est RIDICULE. 
2- La bande de fréquence utilisée traverse très difficilement les obstacles. 
3- La bande de fréquence utilisée étant la même que celle du WiFi, le spectre radio est tellement bruité que même la haute sensibilité des récepteurs ZigBee ne parvient pas à palier le faible ratio S/B de la liaison.

Exemple de module ZigBee.

Vous pourriez me dire que c'est facile de critiquer, suite à un simple essai de modules peut-être pas optimaux et que etc etc etc...

Sauf que, suite à ces essais très peu convaincants, j'ai décidé d'attaquer le problème à la base et de créer des appareils de meilleur qualité. Je ne rentre pas dans les détails, mais un module ZigBee est constitué d'un frontal radio fréquence (RF) et d'un processeur faisant le lien avec l'extérieur et gérant la pile ZigBee. Inutile de préciser que chaque constructeur de module ZigBee incorpore le type de processeur qui l'intéresse dans sa solution. Se faisant, un programme développé pour un type de module d'un constructeur ne pourra certainement pas être implémenté dans un module d'un autre constructeur. Il convient donc de faire attention à la solution matérielle adoptée. Je passerai aussi sur la compatibilité des piles ZigBee implémentées ainsi que sur le choix de la chaîne de développement plus ou moins complète, plus ou moins finie, plus ou moins installable avec laquelle il m'a fallu me battre pour réussir à programmer les modules choisis : des modules Jennic, qui me semblaient à l'époque les moins pires ! 
 
Un module Jennic.
J'ai donc réalisé trois prototypes de capteurs de température et d'hygrométrie. Dans l'ordre de l'image ci-dessous, deux prototypes équipés de modules avec antenne extérieur, et un avec une antenne directement gravée sur le module.

Réalisation personnelle...

Après de longues heures de découverte, et de programmation, je réussis à configurer un prototype équipé d'une antenne extérieur en module maître, et les deux autres en modules esclaves. Ce qui m'a permis d'effectuer des tests de distances. Et je n'ai pas été déçus !!! Avec le prototype équipé d'une antenne gravée sur le module Zigbee, j'ai obtenu 1,5m et une paroi BA13 traversée. Sinon, c'était 2m. Oui, vous avez bien lu : 2m max en vis à vis. Les tests ont été effectués dans un appartement situé dans un immeuble, noyé dans les transmissions WiFi. Il y avait plus de 10 réseaux visibles à différentes puissances. Avec deux prototypes équipés d'antennes extérieur, la situation s'améliorait quelque peu puisque j'ai pu obtenir 12m (mesurés au mètre à ruban), toujours en traversant une paroi de BA13 plus un voile extérieur de 15cm, j'étais en fait sur le balcon. En un mot, dans un appartement de 75m² ayant une topologie carrée, et même en intérieur, le simple fait de devoir passer plus de deux cloisons BA13 ne me permettait pas de ponter la diagonale !!!

Je n'ai pas poussé plus avant les expérimentations sur le sujet. A titre d'exemple, des tests effectués avec de simples émetteurs récepteurs travaillant dans la bande des 433Mhz sous 10mW d'émission m'ont permis le transfert de fichiers à 2400 bauds jusque dans le sous-sol du bâtiment, l'appartement se situant au 2ième étage. J'ai même du arrêter rapidement les tests puisque je perturbais l'ouverture du portail d'entrée de la résidence.

Modules 433MHz APC220 utilisés pour les expérimentations.
Que dire de plus ?
Il est possible aujourd'hui que l’interopérabilité des modules ZigBee s'améliore. Je doute que la raison en soit uniquement la version 3.0 du protocole. Mais plutôt au fait que durant ces sept dernières années, le nombre de constructeurs ayant jeté l'éponge sur ce sujet fait que les derniers restant sur la place semblent arriver à proposer des solutions compatibles avec... eux-même !

A titre d'exemple : 
- Les modules MaxStream ont été repris par Digi.
- Les modules MeshMetics ne sont plus disponibles.
- Les modules Jennic ont été repris par NXP.
Et tant d'autres....

Mais les fondamentaux restent présents :

- Le partage du spectre de fréquence avec le WiFi ne permet pas de bonnes liaisons.
- Le spectre utilisé est très vite arrêté par les obstacles, même fins.
- Pour ponter des distances 'utilisables', il faut impérativement installer des 'répéteurs' de réseau, avec toute la complexité de configuration de ce type de réseau tant au niveau logiciel, que logistique.
- Que dire de l'autonomie électrique des appareils dans le cas d'un réseau de ce type puisqu'à minima ils doivent être constamment en réception : quelques mois ?
- Miser sur le bon fournisseur de modules parce qu'il n'y a aucune garantie sur la pérennité de l'approvisionnement. Mais heureusement, le marché semble s'être assaini, il reste de moins en moins de constructeurs de modules ZigBee, voire bientôt... plus du tout !!! 
- Considérer la difficulté de développement autour des modules choisis...

Quoi faire alors ?

Hum, je dirais que la vraie vie est ailleurs. Il existe aujourd'hui des constructeurs capables de proposer des solutions de type WiFi, très bon marché et compatibles avec le protocole de commande série de type 'AT'. 

Photo provenant du site HACKADAY, du module ESP8266 .
Je n'ai pas encore effectué de tests de distance avec ces modules Wifi mais au moins cela reste du réseau 'standard' accessible depuis n'importe quel portable équipé d'une carte de réception WiFi, c'est à dire tous maintenant, et cela ne coûte que deux à trois Euros sur eBay ! 
De plus, le processeur embarqué 'semble' programmable, bien qu'il 'semblerait' que la chaîne de compilation ne soit pas triviale à installer et que la documentation disponible soit plus que légère pour l'instant. Mais une importante communauté de développeurs se fédère autour de cette solution, permettant d'envisager une meilleur intégration de ce type de solutions dans les mois à venir. Un bon point de départ sur ce module pourrait être celui-ci : Limpkin's.

Alors plutôt que tenter une aventure professionnelle autour du ZigBee, mieux vaut passer quelques heures de loisir à expérimenter autour de ce type de solution WiFi !

Moi, ce que j'en dis....


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