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Quelle technologie sans fil pour créer des objets connectés DIY

Il existe de très nombreuses technologies sans fil pour créer des objets connectés DIY. Il en existe beaucoup et lorsqu’on débute dans les objets connectés, ce n’est pas toujours évident de s’y retrouver. Lorsqu’on choisi une technologie sans fil, il faut aussi prendre en compte le protocole de communication. Si vous avez la maitrise complète de votre projet, par exemple faire communiquer deux Arduino entre eux, vous pouvez vous contenter d’échanger des paquets par liaison série. Par contre si vous souhaitez intégrer vos objets sur un serveur domotique, il faudra opter pour une librairie qui gère la technologie radio utilisée. Nous ne parlerons pas du GSM dans cet article, mais cette technologie a toute sa place compte tenu des tarifs très attractifs des abonnements actuels.

WiFi

esp8266 Wemos D1 miniLe WiFi est le choix le plus immédiat surtout depuis que le projet ESP8266 est devenu aussi populaire dans la communauté Arduino. Le WiFi n’a pas été initialement conçu pour développer des objets connectés (la notion même d’objet connecté est arrivée bien après). L’idée initiale était de se débarrasser de câble ethernet pour pouvoir fabriquer des ordinateurs portables plus sympa à utiliser. La portée du WiFi est également un point limitant. Le WiFi est conçu pour couvrir une habitation. Si vous avez un grand jardin et que vous voulez piloter l’ouverture de votre portail situé à 50 mètres, vous risquez d’avoir des difficultés pour avoir une couverture suffisante et stable. Dans ce cas, vous pouvez augmenter la portée de votre réseau WiFi avec un répéteur. Le WiFi sera également idéal pour réaliser des objets qui doivent interagir avec un service en ligne. Par exemple un anémomètre connecté qui publie ses mesures sur ThingSpeak.

Avantages
Inconvénients
  • Consommation électrique assez élevée (limite la fabrication d’objets sur batterie)
  • Portée limitée. Utilisez un répéteur pour étendre le réseau WiFi

Si vous débutez (ou pas) avec les modules ESP8266, voici une série d’articles sur le sujet :

Bluetooth

Bluetooth module hc-05On ne peut pas continuer cet article sans parler du Bluetooth. Le Bluetooth est une technologie de communication à courte distance. La portée du modules Bluetooth est d’environ 9 à 10 mètres en champ libre avec le Bluetooth 4.1. La version 5 promet quatre fois plus de débit et deux fois plus de distance pour une consommation énergétique identique.

Plus réactif que le WiFi, le bluetooth est bien adapté pour réaliser des projets de voiture radio commandée, piloter un projet Arduino depuis son smartphone… Il existe de nombreuses appli Android ou iOS pour piloter vos projets depuis votre smartphone sans avoir à se lancer dans un développement :

Les modules HC-05 et HC-06 sont plus plus courants. On peut s’en procurer pour moins de 5€. La programmation reste assez simple.On peut communiquer par liaison série ou à l’aide des commandes AT. Pour débuter, je vous renvoie vers cet article publié sur le blog d’Eskimon.  Contrairement aux modules ESP8266 qui permettent d’executer du code Arduino, il faudra ajouter un module Bluetooth à un Arduino ce qui augmente le prix du projet et son encombrement.

Avantages
  • Commandes réactives. Idéal pour réaliser des projets télécommandés
  • Faible consommation
  • Programmation assez simple
Inconvénients
  • Portée limitée (9 à 10 mètres avec la version 4.x)
  • Projet plus couteux (par rapport à un ESP8266)
  • Il faut gérer l’appairage

XBee et Zigbee :

xbeeLes modules MaxStream XBee est une marque commerciale de la société Digi InternationalIls ont été certifiés par la ZigBee Alliance en 2006 (standard IEEE 802.15.4). Le Zigbee est un cousin du Bluetooth. Alors que le bluetooth est avant tout destiné à un usage grand public ou un seul utilisateur pourra se connecter à un appareil (idéal pour un kit main libre, un casque audio, une télécommande…), le Zigbee permet de créer un réseau d’objets. Le Zigbee n’est pas conçu pour faire transiter beaucoup de données (250kbps maxi.), mais il le fait en consommant très peu et de manière fiable et sécurisée. C’est la raison pour laquelle le Zigbee est beaucoup plus utilisé dans le monde industriel. Les principales caractéristiques des modules XBee sont les suivantes :

  • Fréquence  : 2.4Ghz
  • Portées en champ libre 
    • XBee 1 et 2 : de 10 à  100m
    • XBee Pro : jusqu’à 1000m
  • Débit : 250kbps
  • Consommation : 3.3V @ 50mA
  • Entrées/sorties : x6 10-bit ADC input pins, x8 digital IO pins
  • Sécurité : chiffrement de 128-bits
  • Communication : via le port série, commandes AT et API
  • Réseau flexible : supporte les nœuds hors service, intégration facile d’un nouveau nœud
  • Nombre de nœuds maximum : 65000
  • Topologies de réseaux possibles : maillé, point à point, point à multipoint

Le Zigbee est donc très bien adapté aux applications domotiques. Malgré ses nombreux atouts, le XBee n’a pas rencontré le même succès que le WiFi avec les modules ESP8266. Il faut dire que le prix des modules assez élevé (entre 22€ et 45€ environ) est un frein pour des projets ludiques DIY.

Coté domotique, le produit qui est certainement le plus dans cet univers n’est autre que l’ampoule HUE de Philips. Il est vrai toutefois que la grande majorité des fabricants utilisent le Z-Wave ou des technologies radio maison.

zibgee ampoule hue philips
Ampoules Hue de Philips : certainement le plus connu des produits utilisant le Zigbee.

Coté DIY, il existe la carte RaspBee (environ 35€ sur Amazon) qui permet d’ajouter une connectivité ZigBee à un Raspberry Pi mais le plus facile reste encore de passer les plugins officiels des logiciels domotique compte tenu de la faible communauté qui existe autour de ces produits.

Ondes radio : 315MHz, 433Mhz, 868MHz, 2.4Ghz…

WiFi, Bluetooth, XBee sont des technologies de transmission de données par onde radio qui portent le nom d’une marque commerciale qui appartient à un consortium ou une entreprise. Il existe des modules radio génériques qui n’utilise aucun protocole de communication propriétaire. Il y a deux solutions principales pour utiliser ces modules dans vos projets Arduino :

  • Gérer vous même la communication entre les 2 appareils. Dans ce cas, la bibliothèque VirtualWire (très bien expliquée en Français ici) est toute indiquée à cette usage. Bien-sûr il existe d’autres bibliothèques (Mirf, Radio…)
  • Utiliser la bibliothèque MySensors qui en plus de prendre en charge la transmission de données créé et gère un réseau d’objets connectés. Cette solution sera très bien adaptée pour développer ses propres capteurs ou actionneurs dans le cadre d’un projet domotique DIY.

Coté matériel, il y en a tellement qu’il est très difficile de tous les lister, nous allons rester sur le plus connus. Si vous souhaitez utiliser la librairie MySensors, le plus facile (et le moins cher) et d’opter pour un module à base de nRF24L01 de Nordic Semiconductor qui utilise la bande de fréquence 2,4GHz. Il est maintenant également supporté par la gateway RFLink.

Attention. Les fréquences radio sont soumises à une réglementation (différente dans chaque pays). Vous devez vérifier que vous avez le droit d’exploiter la bande de fréquence utilisée par le module. Attention donc aux modules pas cher, d’origine incertaine, sans spécifications techniques.

Voici quelques modules très courants que l’on trouve sur les sites de vente en ligne asiatiques.

315mhz xd-fst  XD-RF-5V  : 315MHz

Ce sont les modules bas coût par excellence…mais attention aux performances (déconseillés pour fabriquer une gateway RFLink par exemple). Il existent dans plusieurs fréquences, 315 MHz (XD-FST) ou 433 MHz (XD-RF-5V). On peut espérer attendre 200m en champ libre et 20m en intérieur

apc220 APC220 : 433MHz

Module permettant de configurer la fréquence porteuse de 418 à 455MHz. Tension d’alimentation de 3.4V à 5.5V. Jusqu’à 1000m en champ libre. Environ 27€.

nrf24l01 nRF24L01+ : 2.4GHz

Ce sont des modules très classiques très bien gérés par les librairies (MySensors) et le projet Open Source RFLink. Ces modules fonctionnent à 2.4GHz (identique au WiFi). Il existe plusieurs versions :

Avec une antenne externe, on peut espérer atteindre 1100m en champ libre à très bas débit (à vérifier en conditions réelles).

Un série d’articles sur la librairie MySensors pour vous lancer dans les objets connectés ou la domotique DIY :

    LoRaWAN ou Sigfox

    Pour clôturer cette liste, voici les deux dernières technologies de communication par ondes radio qui se développent très fortement actuellement. Elles répondent toutes les deux à la même problématique. Proposer un système de communication numérique longue portée (plusieurs kilomètres). Dans ce domaine, il y a deux grands compétiteurs (pour la petite histoire, les deux sont d’origine Française), LoRaWan et Sigfox. Sigfox peut être considéré comme un opérateur télécom car il fournit une solution complète (protocole et antennes). Sigfox s’adresse avant tout à l’industrie et au infrastructures (ville intelligente). LoRaWan et Sigfox utilisent la bande de fréquence 868,1 MHz.

    LoRaWAN: un projet ouvert

    antenne lorawan 868mhzLoRaWAN (pour Long Range Wide-area network) est né suite au rachat de Cycléo par la société Semtech en 2012. Aujourd’hui, LoRaWAN est supporté par l’alliance LoRa qui compte de très nombreuses industriels et (Cisco, IBM, Actility, Sagemcom, Eolane, Microship Technology…) et des opérateurs (Bouygues Telecom, Orange, KPN, Swisscom, SingTel, Proximus…). En France, Orange et Bouygues Telecom travaillent pour déployer leur réseau et proposer de nouveaux produits et services associés. 

    Même si LoRaWAN est parfaitement adapté à des projets DIY, puisque totalement ouvert et sans redevance, le ticket d’entrée pour une carte avec son antenne est assez élevé (comptez environ 100€).

    Sigfox : un réseau privé

    A l’opposé de LoRaWan qui est ouvert (chacun peut acheter des modules et développer son réseau d’objets connectés), il faudra prendre un abonnement auprès de la société Sigfox pour pouvoir communiquer avec ses objets. Le réseau Sigfox se développe très rapidement soit en nom propre comme en France (92% de la population est aujourd’hui couverte) ou via des partenariats (Arquiva en Angleterre, CELLNEX en Espagne…) ou localement par exemple pour équiper de grandes villes (Milan, Dublin, Munich, Séoul, Singapour…). Sigfox est présent dans plus de 24 pays maintenant.

    De nombreux produits s’appuient aujourd’hui sur le réseau Sigfox, en voici un petit aperçu. Généralement, les frais d’abonnement au réseau Sigfox est compris pour les premiers mois, ensuite, il faudra passer à la caisse. Les prix vont dépendent du fabricant (comptez environ 20€ par an).

    sigfox smokeo detecteur fumees Smockeo (environ 100€ sur Amazon).

    Un détecteur de fumée connecté. 3 mois d’abonnement inclus.

    hidnseek sigfox traceur gps HidnSeek (139€ sur Amazon).

    Un traceur GPS pour suivre la position de sa voiture, son scooter, un sac. L’application compagnon pour iOS et Android permet de localiser et d’être averti si l’objet quitte la zone de surveillance. 6 mois d’abonnement inclus, après 19,90€.

    Flipr sigfox sonde suivi qualité eau piscine Flipr

    Une sonde de surveillance de l’eau de votre piscine avec son application compagnon qui permet de suivre la qualité de l’eau (chlore/brome, ph, alcalinité, dureté, sel, conductivité), sa température et l’indice UV. Le tarif d’accès au réseau n’est pas encore (clairement) détaillé.

    Plusieurs modules Sigfox sont commercialisés pour développer vos projets. Compte tenu du prix des modules (à partir de 65€ environ, hors abonnement), on entre clairement dans le domaine des applications professionnels.

    Synthèse : Quelle technologie sans fil choisir pour un projet DIY ?

    Plutôt que de donner des réponses toutes faites, le mieux pour répondre à cette question et vous aider à choisir la technologie sans fil la mieux adaptée à votre projet. Voici plusieurs critères qui vous pouvez prendre en compte :

    • Portée souhaitée :
      • Courte (télécommande),
      • Moyenne (une centaine de mètre) : transmission de données de capteurs, commandes d’actionneurs…
      • Longue (plusieurs centaines de mètres) : idem
    • Configuration : dans une habitation, en extérieur, mixte
      • Mûr : épaisseur, constitution (le béton armé n’aide pas vraiment) , nombre
      • Terrain plat ou relief
      • Végétation, grillage
      • Perturbation électromagnétiques : transformateur, pompes…
    • Fonctionnement sur batterie ou sur secteur
    • Budget
    • Encombrement disponible
    • Protocole :
      • Vous gérez la communication
      • L’objet devra interagir avec un service en ligne : IFTTT, ThingSpeak…
      • Serveur domotique : MQTT, MySensors, RFLink, OpenZWave…
    • Votre niveau. Si vous débutez, optez pour une technologie utilisée par une large communauté d’utilisateurs. Vous trouverez beaucoup d’exemples et de projets (Projets DIY est aussi là pour vous).
    2nd critère WiFi Bluetooth XBee Autres (433 MHz…) LoRaWan
    Portée souhaitée Courte

    Moyenne

    Longue

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    Terrain Facile

    Moyen

    Difficile

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    Sur batterie  ** **** ***** ***** *****
    Encombrement ***** *** *** *** ***
    Budget ***** *** ** **** **
    Protocole Point à point

    Cloud

    Domotique

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    Communauté ***** ***** *** **** **

    Pour conclure cet article, disons que les modules WiFi ESP8266 et les antennes radio classiques (433, 868 ou 2.4GHz) sont les solutions les plus faciles et les moins chers à mettre en oeuvre pour développer soi même des projets connectés. Si vous développez un projet télécommandé, vous pouvez vous tourner vers le Bluetooth (ou le XBee). Si votre projet a un usage professionnel (industrie, logistique, médical, agglomération, transport…), optez directement pour le Zigbee en association avec LoRaWAN ou Sigfox.