L’actualité des box domotiques grand public est en ce moment très lié au Z-Wave.  De nouvelles box sont arrivées récemment sur le marché en se basant sur ce protocole et des efforts sont faits par d’autres pour toujours mieux le prendre en compte.  Jusqu’à maintenant je découvrais et mettais en œuvre mon installation domotique avec d’autres technologies et je n’avais pas encore pu “jouer” avec.  C’est maintenant chose faite mais ce sera pour un autre autre article…

En attendant, j’ai voulu en savoir un peu plus afin de comprendre ce qu’était le Z-Wave. Qu’est-ce que le Z-Wave?  Qu’apporte cette technologie à la domotique?  Quelles sont ses forces et ses faiblesses?  Voici un petit aperçu de ce qu’est le Z-Wave.

Présentation

Le Z-Wave est un protocole de communication sans fil entre appareils électroniques. Ce protocole a comme principales caractéristique d’être:

• principalement destiné à la domotique,
• relativement sécurisé,
• à double sens (chaque composant est à la fois récepteur et émetteur),
• utilisée dans un système de réseau maillé

Principes de bases

Un protocole RF

Le Z-Wave est donc un protocole de communication sans fil.  Il utilise les radio fréquences pour établir les communications. Il permet donc à 2 composants électroniques Z-Wave de discuter ensemble pour échanger des informations.  Ces informations peuvent être des données (relevé de température…), des ordres (ordre ON ou OFF…), des statuts (“je suis allumé”…) etc…

Comme tout signal RF sans fil, la portée d’un signal Z-Wave est très fortement influencée par l’environnement dans lequel il est émis. Les murs par exemple freinent sa progression dans les airs.  On a l’habitude de considérer que le signal Z-Wave dans une résidence classique a une portée de 30 mètres en intérieur et de plus de 100 mètres à l’extérieur en plein air.

Un réseau maillé

Imaginons maintenant que l’on installe dans une maison 2 éléments Z-Wave tels qu’une prise commandée et une télécommande.  Lors de la mise en œuvre, les 2 éléments sont appariés et mis en réseau. Ce réseau utilise un système de maillage c’est à dire que si l’on rajoute une 2ème prise commandée à notre exemple précédent et que l’on se situe à une distance trop éloignée avec la télécommande pour agir sur cette nouvelle prise commandée, cette prise pourra quand même être pilotée! 

Pas de magie dans tout cela.  L’ordre ON ou OFF est émis par la télécommande vers la première prise commandée qui relaie cet ordre à la 2ème prise.  Le signal va ainsi par “saut de puce” d’un élément vers l’autre afin d’atteindre la bonne destination.  Via certain contrôleur central on peut améliorer ce maillage en indiquant aux signaux Z-Wave quels chemins il faut qu’ils empruntent. Cela est bien sûr totalement transparent pour l’utilisation du système domotique en régime de croisière.

De plus cette fonctionnalité de réseau maillé (ou mesh en anglais) permet à l’architecture des réseaux de ne pas être définie a priori mais de se construire au fur et à mesure de la densification des éléments du réseau.

La composition du réseau

Dans un réseau Z-Wave classique on trouvera des composants reliés au courant 230V et d’autres alimentés par piles. Même si les éléments sur piles peuvent assurer le relais du signal il est préférable pour des raisons de consommations des batteries de laisser cette tâche à des éléments branchés sur le secteur.  En effet un élément qui doit assurer le transfert du signal doit toujours être à l’écoute des signaux éventuels à relayer.

Les modules présents dans le réseau dont appelés des nœuds du réseau. Chaque nœud a la possibilité d’agir de manière indépendante sur ce réseau maillé.

Combien peut-on inclure de composant Z-Wave dans un réseau? Un réseau peut en admettre 232.  C’est déjà pas mal pour un logement classique.  Si l’on souhaite plus d’éléments il suffit de mettre en place un deuxième réseau et d’établir une passerelle entre les 2 réseaux Z-Wave.  C’est un peu le même concept qu’un réseau informatique finalement…  2 ordinateurs dans des réseaux distincts ne peuvent pas communiquer ensemble sauf si une passerelle existe entre les réseaux. 

Comme un ordinateur, chaque module est reconnu sur le réseau Z-Wave par un code unique attribué par le contrôleur auquel il est associé. La sécurité ainsi mise en place permet à plusieurs réseaux Z-Wave indépendants de cohabiter sans se perturber.  Cela permet de ne pas partager involontairement son réseau Z-Wave avec celui de son voisin…

La contrepartie à cela est une certaine discipline à acquérir lorsque l’on souhaite inclure un nouvel élément dans le réseau, le supprimer ou tout simplement le bouger de place dans la maison. Il est nécessaire d’avoir un contrôleur pour gérer son système Z-Wave. Pour rajouter un élément au réseau il vous faut alors l’inclure puis resynchroniser le réseau ayant accueilli un nouvel élément. Lorsque vous souhaitez supprimer un module il est important de suivre la procédure prévue pour le supprimer du réseau au lieu de tout simplement le débrancher et le retirer. De plus comme le réseau est optimisé pour que le signal suive un certain chemin pour atteindre le but (rebonds de modules en modules) il est également très recommandé en cas de simple déplacement géographie d’un module restant dans le même réseau de le supprimer du réseau pour l’inclure à nouveau.

A propos de la communication

Chaque module étant par construction émetteur et récepteur, ils peuvent envoyer ou communiquer à la demande des informations les concernant: état des batteries, statut de fonctionnement (ex: allumé ou éteint)… Cela permet à tout instant à un contrôleur de connaître précisément l’état de chaque module et d’ordonnancer les actions à mener en conséquence.

Dans le protocole de communication est également prévu l’envoi d’un accusé de reception par le module qui reçoit un message qui lui était destiné.  Cet accusé de réception est expédié à l’expéditeur.  

Quand un élément souhaite émettre il n’y a pas de temps de connexion au réseau.  L’élément reste dans le réseau à partir du moment où il y a été installé.  Cependant avant de commencer à émettre, il écoute le trafic en cours afin de ne pas effectuer de collision sur le réseau avec un autre message.  Sil n’y a pas de trafic à cet instant, il peut émettre immédiatement.  C’est comme si lorsque qu’une voiture souhaite rentrer sur un autoroute: la voie d’accélération permet de s’insérer dans le flot autoroutier afin d’éviter toute collision.

Caractéristiques techniques

Pour l’aspect technique la modulation de signal utilisée est FSK (Frequency-shift keying).

En fonction des pays, la fréquence utilisée par le signal Z-Wave n’est pas la même.  Il faudra bien garder cela en tête si vous souhaitez acheter du matériel Z-Wave à l’étranger par exemple…  Ce n’est pas compatible.

• Australie: 921.4 MHz
• Brésil: 921.4 MHz
• CEPT*: 868.4 MHz
• Chine: 868.4 MHz
• Hong Kong: 919.8 MHz
• Inde: 865.2 MHz
• Japon: 951-956 MHz
• Malaisie: 868.1 MHz
• Nouvelle Zélande: 921.4 MHz
• Russie: 869.0 MHz
• Singapour: 868.4 MHz
• Afrique du Sud: 868.4 MHz
• UAE: 868.4 MHz
• USA/Canada: 908.4 MHz

*CEPT est la Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications une entité de coordination entre les organismes des postes et de télécommunications des États européens suivants : Albanie, Allemagne, Andorre, Autriche, Azerbaïdjan, Biélorussie, Belgique, Bosnie-Herzégovine, Bulgarie, Croatie, Chypre, Danemark, Espagne, Estonie, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Islande, Irlande, Italie, Lettonie, Liechtenstein, Lituanie, Luxembourg, Malte, Moldavie, Monaco, Pays-Bas, Norvège, Pologne, Portugal, République tchèque, ancienne République yougoslave de Macédoine, Roumanie, Royaume-Uni, Fédération de Russie, Saint-Marin, Serbie-et-Monténégro, Slovaquie, Slovénie, Suède, Suisse, Turquie, Ukraine et Vatican.

Il partage ces fréquences avec les téléphones sans fil ou autres appareils électroniques du quotidien mais il évite la bande des 2,4 GHz qui est un peu polluée notamment avec les signaux des réseaux Wi-Fi.

Le protocole Z-Wave est conçu pour utiliser une vitesse de transfert de 9,6 k bits par secondes. Cela peut paraitre ne pas être énorme, mais c’est suffisant pour que le message (qui est de quelques octets uniquement) arrive à destination rapidement.  Les temps de réponses en Z-Wave sont très rapides.  La bande passante peut être néanmoins être aujourd’hui augmentée à 40 k bits/s.

Comment un périphérique peut-il discuter en Z-Wave?

Afin d’accéder au Z-Wave il lui “suffit” à un composant d’embarquer une puce Z-Wave sur son circuit électronique. 

Cette puce héberge notamment:

• un récepteur/émetteur RF
• un microprocesseur
• 32kB de mémoire flash contenant le protocole Z-Wave, l’application pour le gérer et certaines caractéristiques du réseau le concernant.
• des interfaces systèmes (numérique et analogique) afin de pouvoir y connecter tout électronique comme les capteurs ou déclencheurs
• un moteur 3DES afin d’assurer la confidentialité et l’authentification
• un contrôleur Triac pour les variateurs

Jusqu’à l’année dernière, cette puce était fabriquée par une seule entreprise, la société danoise Zensys (créée en 1999 puis rachetée en 2008 par l’entreprise américaine Sigma Designs).  Zensys qui a conçu le protocole Z-Wave, produisait des puces Z-Wave pour tout le marché mondial.  Bonne nouvelle pour la pérennité du système et pour l’approvisionnement en puces des constructeurs un nouveau fabricant est habilité à en produire.  Sigma Designs a accordé en mai 2011 une license de fabrication à la société japonaise Mitsumi.

Z-Wave destiné à la domotique

Appliqué à la domotique le Z-Wave permet de réaliser des choses tout à fait sympathiques. 

On peut citer par exemple:

• la possibilité d’interroger les différents modules pour avoir leur état rendu possible par le fait que les modules sont à la fois émetteurs et récepteurs,
• l’allongement considérable de la distance entre la box domotique et les différents modules rendu possible par le fonctionnement en réseau maillé,
• la capacité d’émettre et de recevoir un accusé de réception d’une commande, ce qui garanti que les commandes et les messages ne sont pas perdus sans générer une erreur
• l’implémentation rapide en construction, en rénovation ou dans un logement existant du fait de l’utilisation d’un signal RF sans fil
• la fiabilité du signal qui n’a que très peu de pertes du fait que le signal est transmis à destination par les modules du réseau maillé par bonds successifs
• un faible coût énergétique par l’utilisation du réseau maillé et le fait que le signal par bonds successifs atteigne la destination. Cela limite ainsi la puissance de transmission et donc l’énergie consommée

Conclusion

Le Z-Wave est un protocole standardisé. Mis à part des soucis d’interprétation de la norme par les constructeurs qui l’implémentent dans leurs périphériques, le Z-Wave permet de faire communiquer des éléments de différents fabricants. Il ne s’agit cependant pas d’un protocole ouvert mais d’une technologie propriétaire.  Il est régit par une entreprise, Zensys, et un groupement de professionnels la Z-Wave Alliance (créée en 2005).  Il s’agit donc d’un protocole dédié… mais dédié à plus de 170 fabricants de modules en tout genre…  Cela permet d’avoir le choix dans les produits à installer.  D’un autre côté on peut se poser la question des ce qu’il pourrait advenir du Z-Wave si par exemple Sigma Designs disparaissait ou plus simplement si elle mettait cette technologie en stand-by?

Un module Z-Wave est certes plus onéreux qu’un module ayant les mêmes fonctionnalités qui serait disponible avec un autre protocole (Chacon, Delta Dore,…)  A fonctionnalités égales, il apporte cependant la possibilité de ne pas être lié à une seule marque de fabricant de modules.

 Sources : Z-Wave.com