Dans le monde en évolution rapide des appareils intelligents, les protocoles de communication sont essentiels pour permettre une connectivité transparente. Deux protocoles importants dans ce domaine sont Zigbee et LoRa (Long-Range). Chacun d'entre eux présente des caractéristiques, des avantages et des scénarios d'application uniques, ce qui les rend adaptés à différents types d'appareils et d'applications intelligents.
Comparaison des caractéristiques techniques : De la couche physique à la couche réseau
Zigbee est basé sur la norme IEEE 802.15.4, utilise la bande de 2,4 GHz (dans le monde entier) et prend en charge un débit de pointe de 250 kbps. La capacité de mise en réseau maillé permet un rayon de couverture d'un seul bond de seulement 10 à 20 mètres, mais peut être étendu à des centaines de mètres par le biais d'un relais à bonds multiples. Les avantages sont une faible latence (<30ms) et une grande fiabilité (taux d'arrivée des paquets de 99,99%). Il convient au contrôle en temps réel dans les scénarios de maisons intelligentes.
LoRa, quant à lui, fonctionne dans la bande sub-1GHz (par exemple 470-510MHz en Chine) et utilise une modulation à spectre étalé. Elle sacrifie le débit (0,3-50kbps) au profit d'une très longue portée (2-5 km en milieu urbain et jusqu'à 15 km en banlieue). Sa topologie en étoile simplifie le déploiement du réseau, mais elle est sujette à des conflits lorsque plusieurs nœuds sont simultanés.
Un test de comparaison montre que dans un scénario de bâtiment intelligent avec 100 nœuds, la latence de bout en bout de Zigbee est stable à 28 ms. En revanche, la latence de LoRa varie de 50 à 800 ms en raison de la limitation du protocole ALOHA.
Efficacité énergétique : De la batterie à pièces à la révolution de l'autonomie à l'énergie solaire
La courte portée de Zigbee permet de réduire la consommation d'énergie : Le mécanisme CSMA/CA est adopté. En ne réveillant l'appareil que pendant la transmission des données, la consommation d'énergie typique n'est que de 0,1 mW (mode veille). Les ampoules intelligentes Philips Hue dotées du protocole Zigbee peuvent conserver leurs piles à pièces pendant plus de deux ans. Cette durée de vie est bien supérieure à celle de la solution Wi-Fi, qui est de 3 mois.
LoRa, quant à lui, permet une faible consommation d'énergie en communiquant à intervalles très longs (par exemple, en envoyant des données une fois par heure). La puce Semtech SX1276 a un courant de réception de seulement 10mA. Combinée à l'énergie solaire, elle a déjà permis de passer 5 années consécutives sans remplacement de batterie dans le domaine de l'agriculture intelligente (projet français de surveillance des vignobles). Cependant, la consommation d'énergie élevée de la passerelle reste son point faible. Elle est 30 fois supérieure à celle des coordinateurs Zigbee (0,5 W).
Capacité et évolutivité des réseaux : Adaptabilité de la mise en réseau à petite échelle à la couverture de zones étendues
Le réseau maillé Zigbee prend théoriquement en charge 65 000 nœuds. Toutefois, dans la pratique, il est recommandé de le limiter à 200 nœuds en raison des conflits de canaux et de la surcharge de routage. Bien que son protocole de routage dynamique (AODV) puisse réparer automatiquement les liens rompus, le taux de perte de paquets peut atteindre 5% dans les scénarios de déplacement des nœuds.
LoRa utilise le mécanisme d'accès aléatoire ALOHA, qui permet à une seule passerelle de connecter des milliers de nœuds. Toutefois, la capacité du réseau est limitée par le temps d'antenne (ToA). Si l'on prend l'exemple des paquets de 10 octets, chaque nœud sous modulation SF12 ne peut envoyer des données que 140 fois par jour (limite fixée par la spécification européenne ETSI). Pour éliminer ce goulet d'étranglement, l'alliance ChirpSpread a introduit la technologie TSCH (Time Synchronised Channel Frequency Hopping). Elle multiplie la capacité par trois, mais au prix d'une complexité et d'une consommation d'énergie accrues.
Comparaison des mécanismes de sécurité : De l'AES-128 au système de protection de chiffrement de bout en bout
Zigbee 3.0 utilise le cryptage AES-128 et l'authentification saut par saut. La clé de réseau (clé NWK) et la clé de liaison (clé de liaison) bénéficient d'une double protection. Il peut résister aux attaques par rejeu et aux écoutes clandestines.
La version 1.1 de LoRaWAN introduit le cryptage de bout en bout (AES-128-CTR) et l'authentification bidirectionnelle. Elle garantit la sécurité des données entre le terminal et le serveur d'application. Son architecture unique Join Server rend impossible le décryptage des données d'application par les serveurs du réseau. Cela offre une sécurité supplémentaire pour les scénarios sensibles tels que les villes intelligentes.
Adaptation des scénarios : Différenciation écologique de la maison intelligente à l'IdO industriel
Maison intelligente : Zigbee domine les scénarios de contrôle en temps réel tels que l'éclairage et la sécurité grâce à sa faible latence et à ses avantages de réseau maillé. Les produits de la série Trådfri d'IKEA permettent de relier de manière transparente les lampes, les rideaux et les capteurs grâce à Zigbee, avec un temps de configuration moyen pour l'utilisateur de seulement 2,3 minutes.
L'agriculture intelligente : La très longue portée et la faible consommation d'énergie de LoRa en font un outil irremplaçable pour la surveillance des sols et le déploiement de stations météorologiques. Le réseau de capteurs LoRa d'un ranch de Mongolie intérieure couvre une superficie de 1 200 kilomètres carrés, ce qui permet d'économiser 870 000 yuans en coûts annuels d'inspection manuelle.
L'IdO industriel : La latence déterministe de Zigbee (<1ms de gigue) convient au contrôle des équipements de la chaîne de production, tandis que LoRa est utilisé pour la surveillance de l'environnement industriel. L'ET2100 de IOTRouter utilise LoRa pour la surveillance du niveau d'eau afin d'obtenir une alarme automatique et une transmission à longue distance.
Zigbee permet l'inférence locale de l'IA par le biais d'une passerelle informatique périphérique, ce qui réduit le temps de réponse de la reconnaissance vocale à 80 ms. LoRa s'associe à la technologie de positionnement LPWAN pour atteindre une précision de 3 m et une économie d'énergie de 90% par rapport au GPS. En 2024, Zigbee représentera 31% des connexions IoT mondiales, et LoRa 19%. Toutefois, l'application croisée des deux technologies dans des domaines tels que les villes intelligentes et l'internet industriel donne naissance à de nouvelles technologies.
