Zigbee vs. Z-Wave | Quelles sont les différences ?

Qu’est-ce que Zigbee ?

Zigbee est un protocole de communication relativement nouveau (comparé au Bluetooth et au Wi-Fi) basé sur les spécifications IEEE 802.15.4. Développé et maintenu par la Connectivity Standards Alliance (anciennement connue sous le nom de Zigbee Alliance), Zigbee est un protocole à faible consommation d’énergie, standard ouvert et économique pour la communication sans fil entre appareils intelligents. Par conséquent, Zigbee est devenu extrêmement populaire dans les applications de contrôle et de surveillance sans fil alimentées par batterie.

La fréquence de communication Zigbee est la bande très populaire des 2,4 GHz dans le spectre ISM (Industrial, Scientific and Medical) non licencié. Bien que certaines applications commerciales et dispositifs médicaux utilisent des fréquences sub-GHz (915 GHz aux États-Unis et 868 MHz en Europe), la majorité des dispositifs ‘intelligents’ et ‘IoT’ destinés à un usage domestique utilisent le 2,4 GHz dans le monde entier.

Pour parvenir à un faible coût et à une faible consommation d’énergie, le protocole Zigbee fonctionne à un très faible débit de données de 250 kbps.

Comment fonctionne Zigbee ?

Au cœur de Zigbee se trouve sa structure de réseau, qui se compose de trois composants principaux : le coordinateur Zigbee, le routeur Zigbee et le dispositif final Zigbee. L’une des caractéristiques remarquables de Zigbee est que la couche réseau supporte les topologies en étoile, en arbre et en maillage. Dans une topologie en étoile, le coordinateur Zigbee contrôle l’ensemble du réseau. Tous les autres appareils (qui sont des dispositifs finaux Zigbee) communiquent directement avec le coordinateur.

Dans les réseaux en arbre et en maillage, le coordinateur est responsable du démarrage du réseau et de la gestion de certaines informations clés du réseau, telles que les tables de routage. Dans les réseaux en arbre, le routeur Zigbee étend la portée du réseau en transmettant des données entre les dispositifs et le coordinateur Zigbee pour une communication sur de plus grandes distances. Le réseau maillé Zigbee supporte la communication de pair à pair. Chaque dispositif peut communiquer avec plusieurs autres dispositifs, créant ainsi un réseau de connexions. Si un dispositif échoue ou subit une interférence, les données peuvent être acheminées par un autre dispositif. Les dispositifs ZigBee relaient des messages entre eux par plusieurs sauts sans fil.

Qu’est-ce que Z-Wave ?

Z-Wave est un protocole de communication sans fil très populaire, conçu et développé spécifiquement pour l’automatisation domestique (contrôle et surveillance). Certaines applications bien connues du Z-Wave incluent le contrôle de l’éclairage, le contrôle climatique, les détecteurs de fumée, les compteurs d’électricité intelligents, etc. Zensys a initialement développé le Z-Wave, mais Silicon Labs possède désormais tout ce qui est associé à cette technologie et à cette marque.

C’est un protocole à faible consommation d’énergie, propriétaire et à faible latence avec des taux de transmission de données allant jusqu’à 100 kbps. La fréquence de fonctionnement de Z-Wave est assez unique. Contrairement à d’autres protocoles sans fil (Wi-Fi ou Zigbee) qui utilisent une bande RF particulière partout, les fréquences Z-Wave sont spécifiques à chaque région. Mais néanmoins, elles sont toutes sub-GHz.

Par exemple, Z-Wave fonctionne à une fréquence de 908,42 MHz aux États-Unis et à 868,42 MHz en Europe. Cela signifie que les dispositifs conçus pour une région particulière pourraient ne pas fonctionner avec des dispositifs d’autres régions.

Comment fonctionne Z-Wave ?

Z-Wave est une communication sans fil bidirectionnelle avec une topologie en maillage. Un réseau Z-Wave typique se compose de deux types de nœuds : le contrôleur et les esclaves. Dans la plupart des réseaux sans fil, le contrôleur a une connexion directe à tous les autres nœuds. Si un nœud est hors de portée du contrôleur ou s’il y a une perturbation dans le chemin de communication, le contrôleur ne peut pas atteindre ce nœud par d’autres moyens.

Cependant, Z-Wave surmonte cette limitation grâce à sa topologie maillée. Même si le contrôleur ne peut pas communiquer avec un nœud particulier, d’autres nœuds peuvent transmettre et relayer le message et le livrer au nœud final. La communication Z-Wave peut acheminer des messages via un maximum de quatre nœuds répéteurs.

Le contrôleur met fréquemment à jour ses tables de routage en fonction des informations reçues des nœuds et de leurs voisins. Il utilise ces données pour d’éventuelles communications futures.

Différences entre Zigbee et Z-Wave

Fréquence

La première différence significative entre les protocoles Zigbee et Z-Wave est leur fréquence de fonctionnement. Les deux technologies utilisent une partie du spectre ISM non licencié. Zigbee fonctionne dans la bande très populaire des 2,4 GHz. Si vous êtes familier avec cette fréquence particulière, vous savez que le Wi-Fi et le Bluetooth utilisent également la même fréquence (même votre four à micro-ondes utilise cette fréquence pour chauffer les aliments).

Certains dispositifs médicaux et commerciaux fonctionnent à des fréquences sub-GHz avec le protocole Zigbee, et les fréquences sont spécifiques à chaque région. Par exemple, les dispositifs Zigbee sub-GHz aux États-Unis utilisent 915 MHz tandis que ceux en Europe utilisent 868 MHz. Les dispositifs de maison intelligente ordinaires fonctionnent cependant à 2,4 GHz.

En revanche, le protocole Z-Wave fonctionne principalement à une fréquence inférieure à 1 GHz (couramment connue sous le nom de bandes sub-GHz). Ces fréquences sont hautement géo-restrictives et chaque pays/région a une fréquence de fonctionnement distincte. Les États-Unis et le Canada utilisent 908,42 MHz tandis que les pays européens utilisent 868,42 MHz. En conséquence, les dispositifs Z-Wave sont hautement spécifiques à chaque région.

Portée du signal

La fréquence de fonctionnement a un impact énorme sur la portée du signal ainsi que sur l’interférence. Commençons par la portée. Les dispositifs Zigbee fonctionnant à 2,4 GHz ont une portée de transmission de 10 à 20 m en intérieur. La portée réelle dépend de plusieurs facteurs tels que le matériau de construction (briques, bois, etc.), les objets bloquant le signal, la puissance de l’émetteur, le nombre de murs entre les deux, et bien d’autres.

Dans le protocole Z-Wave, la distance de communication entre deux nœuds intérieurs peut varier de 50 à 70 m. Si les deux dispositifs ont une ligne de vue directe, alors la distance entre eux peut être comprise entre 100 et 200 m.

En réalité, la communication Zigbee est adaptée pour une portée allant jusqu’à 10 m tandis que Z-Wave peut atteindre jusqu’à 50 m.

Interférence

Un autre paramètre lié à la fréquence qui a un impact considérable sur le fonctionnement de Zigbee et Z-Wave est l’interférence avec d’autres protocoles sans fil. Le protocole Zigbee fonctionne dans la même bande de fréquence que le Bluetooth et le Wi-Fi, c’est-à-dire 2,4 GHz. La menace que Zigbee représente pour le Wi-Fi, et vice versa, est beaucoup plus significative que celle de Zigbee à Bluetooth, ou vice versa.

Une interférence se produit lorsqu’un récepteur RF reçoit plusieurs signaux modulés différemment qui fonctionnent à la même fréquence ou à une fréquence proche (Zigbee et Wi-Fi dans ce cas). L’interférence des réseaux Wi-Fi peut considérablement diminuer les performances de Zigbee, entraînant des réponses retardées, des pertes de paquets ou même des échecs de communication complets dans un réseau Zigbee.

Lorsqu’un routeur Wi-Fi transmet des données, il peut noyer les signaux Zigbee plus faibles. Cela peut entraîner des pertes de paquets pour les dispositifs Zigbee. Inversement, les transmissions Zigbee peuvent générer du bruit dans la bande 2,4 GHz, ce qui pourrait réduire l’efficacité de la communication Wi-Fi.

Contrairement à Zigbee et au Wi-Fi, Z-Wave fonctionne dans les bandes de fréquences sub-GHz. La principale raison de choisir cette gamme de fréquences est de minimiser l’interférence avec d’autres technologies sans fil, surtout dans la bande encombrée de 2,4 GHz. Cependant, Z-Wave rencontre toujours ses propres problèmes d’interférence.

Une source principale d’interférence pour Z-Wave provient d’autres dispositifs fonctionnant dans la même bande de fréquence sub-GHz. Ces dispositifs comprennent des moniteurs pour bébés, des téléphones sans fil et certains systèmes de sécurité. Lorsque ces dispositifs fonctionnent près des réseaux Z-Wave, ils peuvent émettre des signaux qui interfèrent avec la communication Z-Wave.

Sécurité

Avec un nombre croissant de dispositifs se connectant à Internet, l’aspect de la sécurité des données du protocole de communication est d’une importance capitale. Pour sécuriser le réseau, Zigbee utilise le standard AES-128. C’est un algorithme de chiffrement qui chiffre et déchiffre les paquets de données afin que les nœuds à l’écoute sans clé ne puissent pas comprendre le message.

En plus du chiffrement, Zigbee utilise également l’authentification (clés de réseau et clés spécifiques aux dispositifs) pour améliorer encore la sécurité. La clé de réseau sécurise toutes les communications au sein du réseau Zigbee, tandis que chaque dispositif utilise également une clé de lien unique pour communiquer en toute sécurité avec le coordinateur du réseau. Grâce à ce système à double clé, même si un attaquant parvient à accéder à une clé, il ne peut pas facilement compromettre l’ensemble du réseau.

Comme Zigbee, Z-Wave utilise également le chiffrement AES-128 pour sécuriser la communication entre les dispositifs. De plus, Z-Wave emploie un cadre de sécurité connu sous le nom de Z-Wave S2. Le cadre S2 comprend plusieurs caractéristiques de sécurité essentielles, l’une d’elles étant l’échange sécurisé de clés (qui empêche les dispositifs non autorisés de rejoindre le réseau).

Lors de l’adhésion à un réseau, les dispositifs utilisent un code QR ou un PIN unique pour l’authentification. Par exemple, lorsqu’on ajoute un nouveau thermostat Z-Wave à un système de maison intelligente, l’utilisateur doit authentifier le dispositif en utilisant le protocole S2.

Une autre caractéristique importante du cadre S2 est la classe de commandes sécurisées. Ces classes de commandes sécurisées empêchent les attaquants de manipuler ou de falsifier des commandes. Par exemple, la structure de commandes sécurisées du protocole S2 empêcherait un attaquant d’essayer de déverrouiller une serrure de porte Z-Wave à distance.

Interopérabilité

L’interopérabilité dans un protocole de communication sans fil joue un rôle important dans la communication fluide entre des dispositifs de différents fabricants.

La Connectivity Standards Alliance (CSA) gère le protocole Zigbee et établit des directives (telles que des profils standardisés et des types de dispositifs) pour les fabricants. Lorsque les fabricants suivent ces profils, leurs dispositifs peuvent facilement communiquer avec ceux d’autres fabricants qui respectent les mêmes normes.

Cependant, parvenir à l’interopérabilité dans Zigbee n’a pas toujours été simple. Auparavant, certains fabricants ont mis en œuvre des extensions ou des fonctionnalités propriétaires qui s’écartaient des profils standard Zigbee, tout en réussissant à passer le processus de certification Zigbee. Ces personnalisations ont permis aux dispositifs portant la marque ‘Zigbee’ d’être commercialisés, ce qui a créé des problèmes d’interopérabilité.

L’introduction de Zigbee 3.0 a unifié tous les anciens profils Zigbee en un seul standard pour une interopérabilité améliorée entre différents types de dispositifs provenant de différents fabricants. À partir de 2024, la CSA a certifié plus de 4 000 produits Zigbee provenant de plus de 400 entreprises.

Les choses sont légèrement moins compliquées pour Z-Wave. L’alliance Z-Wave, qui gouverne cet écosystème, a toujours établi des normes très strictes que les fabricants doivent suivre pour atteindre l’interopérabilité. Ces normes comprennent des classes de dispositifs définies et des ensembles de commandes. En conséquence, un dispositif Z-Wave d’un fabricant fonctionnera sans effort avec un Contrôleur Z-Wave d’un autre fabricant. Actuellement, Z-Wave compte plus de 4 000 produits provenant de plus de 700 fabricants.

Vitesse

Les vitesses de transfert de données dans un protocole de communication jouent un rôle significatif dans la détermination de l’efficacité et de la réactivité des réseaux de maisons intelligentes et d’IoT. Zigbee, conçu pour une communication à faible consommation d’énergie et à faible bande passante, privilégie la fiabilité et l’efficacité énergétique par rapport à un transfert de données à grande vitesse.

Zigbee fonctionne à des vitesses de transfert de données allant jusqu’à 250 kbps. Cette vitesse, bien que inférieure à des protocoles comme le Wi-Fi, est plus que suffisante pour qu’un dispositif intelligent puisse envoyer une commande d’allumer ou d’éteindre, ou qu’un capteur Zigbee puisse transmettre des données sur la température ou le mouvement.

Les vitesses de transfert de données de Z-Wave sont beaucoup plus lentes que celles de Zigbee. Z-Wave fonctionne généralement à des vitesses de transfert de données allant jusqu’à 100 kbps. Cependant, les vitesses de transfert de données de Z-Wave varient en fonction de la version spécifique du protocole et des conditions environnementales du réseau. Le protocole Z-Wave original (connu sous le nom de Z-Wave Classic) fonctionne à des vitesses allant jusqu’à 40 kbps.

Bien que cette vitesse soit suffisante pour des applications de base, l’introduction de Z-Wave Plus et Z-Wave 700 a considérablement amélioré les taux de transfert de données et la performance globale du réseau. À la fois Z-Wave Plus et Z-Wave 700 ont augmenté la vitesse à 100 kbps. Ils offrent une communication plus rapide entre les dispositifs et permettent de prendre en charge des réseaux plus grands avec plus de nœuds.

Nombre de dispositifs et de sauts

Au moment de la rédaction de ce guide, Zigbee prend en charge jusqu’à 65 000 dispositifs tandis que Z-Wave n’en prend en charge que 232 au sein d’un même réseau. La grande différence dans le nombre de dispositifs pris en charge par Zigbee et Z-Wave est le résultat des schémas d’adressage différents que ces protocoles emploient. Zigbee utilise un adressage sur 16 bits tandis que Z-Wave utilise un adressage sur 8 bits pour ses dispositifs.

La grande capacité des dispositifs rend Zigbee particulièrement attrayant pour les déploiements à grande échelle (surtout dans les applications commerciales). Bien que la capacité des dispositifs dans Z-Wave soit moins grande, cela est compensé par sa performance fiable et constante.

Dans le contexte de la communication sans fil, les “sauts” se réfèrent au nombre d’étapes qu’un signal prend pour aller de sa source à sa destination. Zigbee et Z-Wave utilisent des sauts pour étendre la portée et améliorer la fiabilité de leurs réseaux.

Bien que Zigbee et Z-Wave utilisent tous les deux une topologie de réseau maillé, les réseaux Zigbee supportent jusqu’à 15 sauts alors que les réseaux Z-Wave ne peuvent gérer que jusqu’à 4 sauts. L’avantage d’un nombre plus élevé de sauts pour Zigbee par rapport à Z-Wave est que le réseau Zigbee peut potentiellement couvrir une plus grande zone qu’un réseau Z-Wave.

Consommation d’énergie et durée de vie de la batterie

Tant Zigbee que Z-Wave sont connus pour leur fonctionnement à faible consommation d’énergie. Le protocole Zigbee est légèrement meilleur à cet égard. Les dispositifs Zigbee consomment généralement entre 0,5 et 1,5 mW (milliwatts) lors de la communication active. Pour Z-Wave, la consommation d’énergie en état actif se situe entre 1 et 2 mW. Cette faible consommation d’énergie est importante pour la longévité des dispositifs alimentés par batterie.

Zigbee et Z-Wave fonctionnent en mode à faible cycle de service, ce qui signifie que les dispositifs transmettent des données de manière intermittente plutôt que de manière continue. Lorsqu’un dispositif ne transmet pas ou ne reçoit pas activement de données, il passe en mode veille. Ce mode veille réduit considérablement la consommation d’énergie et prolonge la durée de vie de la batterie.

Normes ouvertes et propriétaires

Zigbee fonctionne comme une norme ouverte. Cela signifie que ses spécifications sont publiquement disponibles et accessibles à tous. La CSA publie la spécification Zigbee, y compris les méthodes de communication du protocole, l’architecture du réseau et les interactions des dispositifs. Les fabricants et les développeurs peuvent créer et intégrer des dispositifs Zigbee sans aucune restriction et surtout sans aucun frais de redevance.

En revanche, Z-Wave est une norme fermée et propriétaire. L’Alliance Z-Wave, qui gère Z-Wave, ne rend pas ses spécifications disponibles publiquement. Au lieu de cela, elle contrôle l’accès au protocole via des accords de licence. Les fabricants doivent rejoindre l’Alliance Z-Wave et suivre leurs directives pour développer et commercialiser des produits Z-Wave. Cette nature fermée aide à maintenir une qualité cohérente et l’interopérabilité entre les dispositifs de différents fabricants.

Prix

Lors de la comparaison de Zigbee et Z-Wave, le prix joue également un rôle significatif. Les dispositifs Zigbee tendent à être plus abordables par rapport aux dispositifs Z-Wave. La principale raison de cette différence de prix est que Zigbee est une norme ouverte tandis que Z-Wave a des frais de licence et des coûts de certification pour les fabricants. Ce coût se répercute également sur le prix du produit. Par exemple, les ampoules, capteurs et interrupteurs intelligents compatibles avec Zigbee sont souvent disponibles à des prix inférieurs, commençant autour de 10 à 15 dollars. Les ampoules et capteurs intelligents Z-Wave commencent généralement autour de 20 à 30 dollars.

En termes d’infrastructure de réseau, les concentrateurs ou coordinateurs Zigbee sont généralement moins chers que leurs homologues Z-Wave. Vous pouvez trouver des concentrateurs Zigbee au prix de 20 à 40 dollars, tandis que les concentrateurs Z-Wave coûtent souvent entre 50 et 100 dollars.

Zigbee vs. Z-Wave : Avantages et inconvénients

Zigbee

Z-Wave

Zigbee vs. Z-Wave : Tableau de comparaison