發布日期：2022-04-17 點擊率：79
Z-Wave? 強調易用性和互操作性，在消費類和“智能家居”應用領域，當屬前沿無線網絡技術之一。不過，對設計人員而言，實現 Z-Wave 特有的易用性極具挑戰，每臺基于 Z-Wave 的設備上市前都必須正式通過合規性認證。
這些挑戰增加了應用開發的成本和時間，而對于成功的設計而言，最大限度地降低這兩者卻至關重要。除非內部成員具備豐富的射頻 (RF) 硬件和固件專業知識，否則設計人員選擇預認證組件和現成解決方案才是明智之舉。對于時間緊迫、預算緊張的設計，毫無余裕就射頻設計進行學習和實驗。射頻傳播以及機載閱讀器與射頻卡之間的耦合作用等個中微妙，著實過于復雜。
本文介紹了無線網狀組網的一些基礎知識，特別是 Z-Wave。隨后，本文以 Silicon Labs 的 700 系列 Z-Wave 兼容微控制器芯片系列及相關開發工具作為實例，展示如何快速構建經認證的可用 Z-Wave 網絡并應用于新型消費類設備。
Z-Wave 是眾多相互競爭的家庭無線網狀組網標準之一（圖 1），其他標準包括 Zigbee、Thread 和 Insteon。雖然 Wi-Fi 和藍牙最初設計時并不具備網狀網絡功能，但都已針對網狀組網進行了更新，如今也加入了該領域的競爭，盡管其功率水平和數據速率有所不同。
每種無線網絡都有其優缺點，但 Z-Wave 專為低成本、低功耗的消費類設備而設計，并不斷發展以滿足新的需求。
圖 1：Z-Wave 是一種用于家庭的無線網狀組網技術。該技術不斷發展以滿足新的應用需求。（圖片來源：Digi-Key，資料來源于 Silicon Labs）
在網狀網絡中，數據包可以從網絡上的一臺設備“跳躍”到另一臺設備，直至到達目標設備。因此，兩臺設備不必一定要在彼此的無線電范圍內。只要某臺設備至少在網絡上另一臺設備的無線電范圍內，那么這臺設備就可以將數據轉發到范圍內的下一臺設備，依此類推，直到數據到達目的地。網絡上任意兩臺設備之間可能存在多條不同路徑，因此網狀網絡協議需確定最短且最有效的路徑。網絡連接的設備越多，冗余級別越高，網絡性能越穩定。
雖然網絡跳躍從概念上理解很簡單，但實際應用卻很難實現。無論其制造商、功能、使用年數、范圍或固件版本級別，每臺 Z-Wave 設備（即節點）必須能與任何其他節點進行通信。作為網狀網絡的組成部分，節點必須能夠充當起始、目標，或彼此超出范圍的其他節點之間的中介。此外，每個節點還必須能夠與任何其他節點交換應用級數據和命令。用戶可能隨時添加或刪除節點，而網絡必須仍然保持穩定，無縫運行且不發生中斷。為了便于使用，節點必須能夠加入（和離開）網絡，操作時無需復雜的用戶設置，沒有 DIP 開關、服務集標識符 (SSID) 或密碼，并且無需鍵盤、鼠標、接口等（如適用）。
在技術方面，Z-Wave 是低速、低功耗的無線網絡，數據速率最高為 100 kbps，但常用速度約為 40 kbps。典型工作范圍約為 30 至 40 m，具體取決于網絡射頻組件、設計布局、天線位置，以及墻壁和環境干擾等環境因素。不同于 Wi-Fi 或藍牙等點對點網絡，Z-Wave 是網狀網絡，數據包時常從一個節點跳躍到另一個節點，總有效范圍達數百米，為家庭應用提供充足的覆蓋范圍。
Z-Wave 的工作頻率低于 1 GHz，處在工業、科學和醫療 (ISM) 頻段（北美為 908.42 MHz，歐洲為 868.42 MHz），不受 Wi-Fi 或藍牙干擾。雖然 Zigbee 也可工作在相同的 ISM 頻段，但多數情況下仍工作在更通用的 2.4 GHz 頻段，該頻段是全球共用的頻段。因此，這也表示 Z-Wave 設備通常不會干擾其他無線網絡。
Silicon Labs 推出的 Gecko 系列包含各種低成本、低功耗的微控制器。該產品系列可進一步細分為幾個特定應用區域，包括用于 Z-Wave 開發的 "Zen Gecko" 子系列。
該公司的 Zen Gecko 系列推出了兩款不同的 Z-Wave 設備。一款是“智能調制解調器”芯片，另一款則是完整的獨立式模塊芯片。調制解調器芯片（零件編號為 EFR32ZG14P231F256GM32-BR）旨在與主機處理器配合使用，而模塊 (ZGM130S037HGN1R) 則可以單獨使用，幾乎不需要外部元器件。
這兩款器件均基于 39 MHz 的 Arm? Cortex?-M4 微控制器內核，雖然兩者的實現方式有所不同。Arm 的 Cortex 架構是基于 RISC 的新型微控制器設計，得到了數百家供應商的軟件和硬件開發工具的廣泛支持。
對于 'ZG14 調制解調器芯片，內部 Cortex-M4 自帶預編程的 Z-Wave 協議棧。處理器對用戶不可用，那么對開發人員而言，就幾乎可以忽略其存在。因此，盡管調制解調器芯片能夠處理復雜的 Z-Wave 協議，但仍需要由外部處理器來處理應用程序代碼，進而使得 'ZG14 成為相對復雜產品的理想之選，因為這些產品對空間和性能有所要求，以此支持獨立的微處理器或微控制器。此外，只需添加 'ZG14 智能調制解調器并接入信號和 RF 組件，即可使現有產品輕松兼容 Z-Wave。
而另一方面，'130S 模塊是完全自足式芯片，可以作為產品中唯一的微控制器單獨使用。該器件的內部 Cortex-M4 對開發人員可用，可用于應用程序代碼。相較于 'ZG14 智能調制解調器，'130S 模塊尺寸較大，但功能更強大，包括模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC)、模擬比較器、電容檢測接口（用于觸摸屏）、計數器、定時器、看門狗計時器和 UART 等。該模塊只需接入電源、接地和天線，即可實現功能齊全的 Z-Wave 控制器。
這兩款器件共同構成了 700 系列，即 Silicon Labs 最新的 Z-Wave 組件，符合最新的 Z-Wave 規范。具體來說，兩款器件均支持最新的安全功能（Security-2，即 S2）以及簡化用戶設置的可選功能 SmartStart。此外，還支持所有三種 Z-Wave 數據速率（9.6、40 和 100 kbps）以及所有全球頻段。與所有 Z-Wave 設備一樣，這兩款器件向后兼容所有低版本的 Z-Wave 設備和控制器。
此前使用過 Silicon Labs 基于 8051 的 Z-Wave 設備（“500 系列”）的用戶，可能希望將現有代碼部分或全部移植到新版基于 Arm 的設備。為了解決這一問題，Silicon Labs 提供了軟件庫和“構建模塊”來簡化轉換。雖然舊版的 8051 代碼不能單純通過重新編譯就轉換為新版的 Arm 代碼，但代碼庫應該能夠提供很大的幫助。
EFR32ZG14 是一款智能調制解調器片上系統 (SoC)，概念簡單（圖 2）。該器件包括用于連接外部主機處理器的雙線串行接口，以及用于處理 Z-Wave 協議棧的內部 Arm Cortex-M4 MCU 內核，無線電部分則幾乎包含物理無線電所需的所有組件。
圖 2：EFR32ZG14 Zen Gecko 調制解調器 SoC 的框圖。該芯片可充當 Z-Wave 網狀網絡的智能調制解調器，僅有的外部接口包括用于連接主機處理器的 UART 和無線電收發器。（圖片來源：Silicon Labs）
工作時，'ZG14 單純通過 UART 接口與主機處理器通信，波特率最高可達 115,200 Bd。只需接入兩根信號線，分別用于接收和發送。主機處理器通過 UART 接口發送命令和數據以供 'ZG14 響應。RESETn 是用于 'ZG14 復位的第三根信號線，可由主機處理器的任何 I/O 引腳輕松驅動。
'ZG14 與主機處理器之間只需接入三根數字信號線，與簡單 IPD（集成無源器件）之間共四路數字信號，再接入晶振和幾個簡單的模擬元器件（圖 3）。
或者，設計人員可以選擇連接低電平有效的 SUSPEND 信號，該信號可將 'ZG14 置于低功耗狀態，并中斷所有無線電通信。事實上，大部分時間內 'ZG14 可能都處于掛起狀態以節能，具體取決于預期應用。
此外，開發人員還可以選擇通過三芯線連接芯片內部閃存，用于實時對 'ZG14 固件重新編程。Silicon Labs 提供了此類二進制固件。如前所述，'ZG14 固件不能用于用戶代碼。
圖 3：在 EFR32ZG14 Zen Gecko 的典型應用中，智能調制解調器芯片需要大約 20 個外部元器件，與主機處理器的連接只需要簡單的三線串行接口。（圖片來源：Silicon Labs）
如圖 3 所示，設計人員可選擇使用表面聲波 (SAW) 濾波器，具體取決于部署最終產品的地理位置：全球部分地區需要 SAW 濾波器，其他地區則不需要。此外，設計人員還可以選擇配備 SAW 濾波器組，并通過 'ZG14 的 SAW0 和 SAW1 兩個輸出引腳來實時配置，從而使最終產品適用于任何地區，同時簡化設計、制造和庫存。
相較于 'ZG14 調制解調器 SoC，'130S 模塊結構更復雜，功能更強大。Silicon Labs 稱之為系統級封裝 (SiP)。名至實歸，'130S 本質上集成了多個芯片，因而可作為獨立的微控制器和 Z-Wave 控制器（圖 4）。
圖 4：ZGM130S SiP 模塊的框圖。該 SiP 模塊可作為獨立的微控制器和 Z-Wave 控制器，具有 Arm Cortex-M4 及豐富的模擬和數字 I/O 以供開發人員使用。（圖片來源：Silicon Labs）
該模塊的 Arm Cortex-M4 中央處理器內核運行頻率為 39 MHz，具有 512 KB 的閃存和 64 KB 的 SRAM。由于 Z-Wave 協議棧已包含在該模塊的無線電收發器模塊（框圖左上角）中，因而用戶可使用大部分存儲空間。事實上，該模塊相當于 'ZG14 智能調制解調器芯片。
'130S 包含獨立的內部 DC/DC 穩壓器和內部晶振，因此無需外部時鐘元件。此外，該模塊還具有數個模擬和數字外設，包括 ADC 和 DAC、溫度傳感器、兩個模擬比較器、三個運算放大器、電容檢測接口、DMA 控制器、32 個通用 I/O 引腳等。'130S 采用 LGA64 封裝，受引腳限制，并非所有 I/O 引腳都隨時可用，具體取決于軟件配置。
盡管 '130S 采用 64 引腳封裝，但外部連接非常簡單。如圖 5 和圖 6 所示，該器件只需接入簡單的旁路電容（用于電源/接地），并通過單線連接天線，其余引腳均可用于用戶 I/O。
圖 5：ZGM130S SiP 模塊只需接入一對旁路電容。（圖片來源：Silicon Labs）
圖 6：ZGM130S SiP 模塊幾乎包括所有所需的無線電組件，單線接口即可連接天線。（圖片來源：Silicon Labs）
使用 Zen Gecko 系列開始著手 Z-Wave 開發，最簡單的方法就是使用 Z-Wave 700 入門套件。該套件的所有組件都成雙配備，組成最小的雙節點網絡：兩塊主板、兩塊無線電板、兩塊帶開關和 LED 的擴展板、兩根柔性天線和兩根 USB 電纜。此外，還配有兩個 USB 加密狗，可與個人電腦配合使用：一個裝有 Z-Wave 無線電嗅探器應用 (Zniffer)，另一個則配有 Z-Wave 控制器功能。硬件及隨附的軟件支持全球所有地區的所有 Z-Wave 選項和協議。
圖 7 顯示一組電路板，頂部插入無線電板，右側插入擴展板。主板不包括 ZGM130S SiP，該器件安裝在無線電板上。相反，主板最顯著的功能是具有位圖 LCD，這對于調試或 GUI 開發相當有用。
圖 7：SLWSTK6050A Z-Wave 700 入門套件包括兩組相同的主板、無線電板和擴展板，以構建小型 Z-Wave 網絡。（圖片來源：Silicon Labs）
Simplicity Studio 是 Silicon Labs 公司推出的一體式集成開發環境 (IDE)，可用于該公司的 Zen Gecko 等多款微控制器，支持 Windows、MacOS 和 Linux 系統。
在安裝 Simplicity Studio 時，如果將開發套件中的一塊主板（無論哪一塊）連接到開發系統，則安裝和配置過程會更為簡單。IDE 將檢測硬件，并自動加載必要的軟件支持。
若硬件不可用，則可以手動執行以下配置：
運行 Simplicity Studio 后，單擊右上角的綠色箭頭（圖 8）。
圖 8：Simplicity Studio IDE 的主界面。下載鏈接突出顯示。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
Simplicity Studio 提供兩個選項： "Install by Device"（按設備安裝）或 "Install by Product Group"（按產品組安裝）（圖 9）。兩個選項產生的最終結果相同，但選擇前者更加簡單，因此請單擊 "Install by Device"（按設備安裝）綠色大按鈕。
圖 9：Simplicity Studio 提供了兩種方案，可用于加載項目特定軟件支持。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
若安裝了開發板，Simplicity Studio 應該會自動檢測硬件，但如果沒有，手動查找所需的軟件包也很簡單，只需在搜索框中鍵入 "6050A"（開發套件全稱縮寫），如圖 10 所示。雙擊指示的軟件支持包，然后單擊“Next”（下一步）。
圖 10：在搜索框中鍵入 "6050A" 即可快速找到開發板所需的軟件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
接下來，Simplicity Studio 將突出顯示可用于此硬件配置的其他軟件支持。某些情況下，一些軟件模塊僅限于同意補充許可協議和/或已注冊硬件的用戶，因此一些選項可能會灰顯，暫時不可用，如圖 11 所示。
圖 11：是否可訪問某些軟件取決于硬件購買證明或其他軟件許可。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
最后，Simplicity Studio 將顯示建議安裝的所有軟件清單，選項眾多，包括一個或多個 C 編譯器、可選的實時操作系統、分析工具等（圖 12）。如有需要，可以手動啟用或禁用特定選項，但一般情況下最好接受建議安裝的軟件選項。完成后，單擊“Next”（下一步）。
圖 12：Simplicity Studio 最終軟件清單。如有需要，可以手動啟用或禁用特定選項，但一般情況下最好接受建議安裝的軟件選項。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
在最后一步中，Simplicity Studio 將顯示主軟件許可協議，其中涵蓋將安裝的所有軟件組件。閱讀并接受許可，然后最后一次單擊“Next”（下一步）。
軟件安裝將需要幾分鐘時間。安裝完成后，關閉并重新啟動 Simplicity Studio。一切準備就緒，可以開始著手構建 Z-Wave 網狀網絡應用，包含一些預先配置的簡單演示程序，以及可以修改的示例代碼，這些都是為了幫助開發人員順利上手。
Z-Wave 旨在讓消費者易于使用，但其可用性掩蓋了設計人員所做的大量基礎開發和認證工作。然而，只要設計人員選擇使用包含兼容硬件和預測試軟件的預配置套件，構建新的 Z-Wave 網狀網絡設備就變得相當簡單。Z-Wave 700 系列調制解調器 SoC、SiP 模塊及相關開發套件，提供快速構建雙節點網絡所需的硬件和軟件，并確保與這種復雜而高效的協議兼容。
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