Conception des Shields Arduino pour Objets Communicants

 Les Protocoles Sans-fil :

Les protocoles sans fil sont très appréciés actuellement, la grande liberté de placement des capteurs et interrupteurs qu’ils apportent leurs permettent d’être placés dans des endroits parfois improbables, bien souvent dans ce que l’on appelle les « derniers mètres », ces endroits depuis lesquels on a besoin d’informations, mais où il est relativement coûteux de câbler un bus de terrain dédié. Ils permettent en plus de ne pas avoir à câbler certaines parties, afin de pouvoir les rénover/ré‐agencer plus facilement dans le futur. Ces protocoles imposent parfois l’utilisation de piles, le principal défaut est donc la durée de vie de ces dernières, dans certains cas, elle chute à quelques mois, ce qui est évidemment très contraignant. La faible portée (espace libre : 300 m, une habitation : environ 30 m) de ces équipements les réservent à des usages bien définis, mais dans le cas d’une maison individuelle, les limitations sont pour la plupart acceptables. Les protocoles présentés ci‐après utilisent les fréquences 868 MHz pour l’Europe et 315 MHz pour l’Amérique du Nord : EnOcean: est une technologie radio (868 MHz) normalisée IEC (ISO/IEC 14543-3-10) promue par l’EnOcean Alliance et par la société EnOcean. Des recherches sont en cours, pour récupérer l’énergie provenant de vibrations, ou l’énergie du champ électromagnétique environnant.

Il est bien sûr évident que l’optimisation énergétique qui a dû être menée est très poussée, afin de pouvoir soutenir des transmissions radio avec si peu d’énergie. Une super‐capacité est souvent ajoutée au sein de ces équipements, afin qu’ils puissent émettre même en cas de pénurie de leur énergie primaire ; et certains affichent plusieurs mois d’autonomie dans ces conditions. La communication entre dispositifs se fait via un appairage manuel préalable ; ensuite, chaque dispositif peut adresser jusqu’à 20 autres dispositifs. Cette norme est libre en ce qui concerne l’implémentation, néanmoins, beaucoup d’acteurs intègrent l’EnOcean Alliance afin de pouvoir bénéficier de licences des brevets concernant la récolte d’énergie détenus par l’Alliance. 802.15.4 : La norme 802.15.4 est une norme IEEE pour les réseaux sans fil de la famille des LR-WPAN (Low Rate WirelessPersonal Area Network).Sur le modèle OSI, ce protocole correspond aux couches physiques et liaison de données, et permet de créer des réseaux sans fil de type maillé ou en étoile. Il est relativement aisé de trouver chez les revendeurs spécialisés des émetteurs‐récepteurs 802.15.4 incluant des micro‐processeurs et 128 ko de mémoire vive embarquée pour mettre en oeuvre toute sorte d’applications au‐dessus de 802.15.4.

6LoWPAN: est une abréviation de IPv6 Low power Wireless Personal Area Networks. Ce projet de l’IETF vise à définir les mécanismes d’encapsulation et de compression d’en‐tête des protocoles IPv4 et surtout IPv6 pour la norme 802.15.4. Ce projet, bien que disposant déjà de produits commercialisés, n’est pas encore aussi mature que les autres solutions présentées plus haut. Il devrait arriver à maturité à moyen terme, et reçoit pour le moment un très bon accueil par les acteurs du milieu, ce qui devrait lui donner un avenir radieux. L’intégration de la pile 6LowPAN a été réalisée dans le noyau Linux depuis la version 3.3 et le travail continue sur ce sujet. Z-Wave : Z-Wave a été développé par la société danoise Zen-Sys qui a été rachetée par la société américaine Sigma Designs en 2008.Il communique en utilisant une technologie radio de faible puissance dans la bande de fréquence de 868,42 MHz. Le protocole radio Z-Wave est optimisé pour des échanges à faible bande passante (entre 9 et 40 kbps) et des appareils sur pile ou alimentés électriquement, par opposition au Wi-Fi par exemple, qui est prévu pour des échanges à haut débit et sur des appareils alimentés électriquement uniquement. Z-Wave fonctionne dans la gamme de fréquences sous-gigahertz, qui dépend des régions (868 MHz en Europe, 908 MHz aux US, et d’autres fréquences suivant les bandes ISM des régions).

La portée est d’environ 50 m (davantage en extérieur, moins en intérieur). La technologie utilise la technologie du maillage (Mesh Network) pour augmenter la portée et la fiabilité. ZigBee : (dont le nom provient de l’analogie avec une abeille qui zigzague pour trouver son point d’arrivée) est un protocole libre régi par la ZigBee Alliance. Le protocole ZigBee fonctionne généralement au-dessus de 802.15.4, il implémente les couches réseaux et applicatives du modèle OSI. Cette mise en oeuvre permet de profiter des avantages de la norme 802.15.4 en termes de communication. Les principaux ajouts sont l’ajout des couches réseau et applicatives qui permettent, entre autres, de chacune réaliser du routage de messages ; l’ajout des ZDO (ZigBee Device Object) régis par la spécification ; et l’ajout des objets personnalisés par les constructeurs. Ce protocole souffre tout de même de certains problèmes, le plus important étant un problème d’interopérabilité. Comme vu précédemment, le protocole laisse aux constructeurs la possibilité de définir leurs propres objets applicatifs. Les constructeurs ne s’en sont bien sûr pas privés, ce qui cause des incompatibilités totales, certains constructeurs ayant ré‐implémenté leurs propres protocoles non documentés au‐dessus de ZigBee. L’intégration de la pile ZigBee/802.15.4 est réalisée dans le noyau Linux depuis la version 2.6.31. ZigBee amorce sa mutation vers un réseau IP via la spécification Smart Energy Profile version 2.0.

Logiciels de la Domotique :

OpenHAB : (Open Home Automation Bus) est un logiciel de domotique écrit en Java avec OSGi et publié sous la licence GPL v3. OpenHAB embarque un serveur Web pour son interface, il dispose également d’applications pour iOS et Android. Le logiciel peut être commandé d’une façon particulière : en lui envoyant des ordres via XMPP (Protocol De Communication). Le développement est actif, de nombreux modules de communication avec d’autres protocoles devraient arriver dans les versions ultérieures. FHEM : est un serveur de domotique écrit en Perl sous licence GPL v2. Ce logiciel d’origine allemande permet de gérer les protocoles FS20, 1-Wire, X10, KNX et EnOcean. Sa documentation et ses forums majoritairement en allemand sont un point repoussant pour beaucoup d’utilisateurs. HEYU : est un programme de domotique utilisable en ligne de commande. Ce programme est écrit en C et est sous licence GPL v3 (les anciennes versions disposent d’une licence particulière). HEYU est spécifiquement destiné au protocole X10, pour communiquer avec ce réseau, l’interface privilégiée est le CM11A de XA0 Inc. Ce projet n’est depuis peu plus très actif, son ouverture tardive et son utilisation exclusive de X10 ont sans doute provoqué son abandon. DomotiGa : est un logiciel de domotique pour GNU/Linux écrit en Gambas et sous licence GPL v3, ses origines sont néerlandaises. Ce logiciel est compatible avec les réseaux 1-Wire, KNX, X10, xPL, Z-Wave et bien d’autres encore. MisterHouse : est un logiciel multi‐plate‐forme écrit en Perl sous licence GPL.

Ce logiciel est vieillissant et ne semble plus maintenu, il est revient tout de même régulièrement en avant lors des recherches sur la domotique libre. De part ses racines américaines, ce logiciel permet de gérer les réseaux X10, Z-Wave, EIB, 1-Wire. Domogik : est un logiciel écrit en Python sous licence GPL v3+. C’est né sur le forum ubuntu-fr.org entre plusieurs personnes qui souhaitaient un logiciel de domotique. Il est en développement actif et permet pour le moment une gestion basique de l’habitat. Son architecture repose sur le protocole xPL en interne. Il étend petit à petit ses fonctionnalités vers les protocoles les plus utilisés en domotique. Pour le moment, les protocoles suivants sont gérés : x10, 1-Wire, LPX800, Teleinfo, RFID, Wake on LAN / Ping. Le logiciel dispose d’une interface Web et d’une application Android. Calaos : est une solution commerciale de domotique basée sur un automate Modbus et un serveur domotique GNU/Linux. Le code des applications est en majorité libre sous licence GPL v3. La solution est destinée en priorité à des maisons neuves avec une intégration forte au moment de l’étude de la construction. Une installation Calaos utilise des automates qui permettent le pilotage de tous les éléments électriques de la maison, ainsi que de faire l’acquisition des interrupteurs, sondes de température, capteurs de présence, etc. L’automate est capable d’interagir avec des bus de terrain tels que le DALI ou le KNX. Viens ensuite le serveur domotique, qui va piloter l’automate et ainsi gérer l’ensemble des règles de la maison (comme l’appui sur un interrupteur qui engendre le lancement d’un scénario). Il donne également accès à la maison sous différentes formes d’interfaces : Web, tactile (basée sur les EFL), applications mobiles, etc. Un système Calaos est aussi capable de gérer des caméras IP, ainsi que le multi‐pièce (multi‐room) audio.

OpenRemote : Le but de OpenRemote est de créer une pile logicielle libre que les constructeurs pourront intégrer à très bas coût dans leurs produits, afin de créer des surfaces de contrôle pour le bâtiment. OpenRemote supporte un grand nombre de protocoles parmi lesquels : X10, KNX, Z-Wave, ZigBee, 6LoWpan, etc. L’idée étant de réutiliser les écrans déjà présents dans les lieux de vie tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs de bureau. Sont donc actuellement supportés : Android, iOS, ainsi que GWT pour les applications Web. L’ensemble du code est sous licence AGPL. LinuxMCE : est une distribution GNU/Linux qui vise à fournir une solution complète et intégrée de gestion multimédia, de domotique, de téléphonie et de sécurité pour une maison. Elle repose sur beaucoup de logiciels libres, tels que VLC, Asterisk, Xine, etc. Tous ces logiciels sont mis en oeuvre conjointement afin de créer un ensemble cohérent. Beaucoup de code additionnel permet de réaliser les diverses interfaces de configuration et de contrôle. Cette distribution en développement permet de gérer les protocoles de domotique suivants : KNX, 1-Wire, DMX, X10, EnOcean…Elle prend pour base d’anciennes versions (10.04, pour la version en développement) de Kubuntu. Elle représente probablement la solution libre la plus aboutie actuellement, ses développeurs la comparent à des solutions propriétaires à plus de 100 000 $ USD. Malheureusement, elle impose l’utilisation d’une distribution dédiée, les plus débrouillards pourront la décortiquer pour en extraire les composants qui les intéressent et recréer un serveur de domotique sur un de leur serveur domestique.