Z-Wave? 強(qiáng)調(diào)易用性和互操作性，在消費(fèi)類和“智能家居”應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)屬前沿?zé)o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。不過，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，實(shí)現(xiàn) Z-Wave 特有的易用性極具挑戰(zhàn)，每臺(tái)基于 Z-Wave 的設(shè)備上市前都必須正式通過合規(guī)性認(rèn)證。

這些挑戰(zhàn)增加了應(yīng)用開發(fā)的成本和時(shí)間，而對(duì)于成功的設(shè)計(jì)而言，最大限度地降低這兩者卻至關(guān)重要。除非內(nèi)部成員具備豐富的射頻 (RF) 硬件和固件專業(yè)知識(shí)，否則設(shè)計(jì)人員選擇預(yù)認(rèn)證組件和現(xiàn)成解決方案才是明智之舉。對(duì)于時(shí)間緊迫、預(yù)算緊張的設(shè)計(jì)，毫無余裕就射頻設(shè)計(jì)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。射頻傳播以及機(jī)載閱讀器與射頻卡之間的耦合作用等個(gè)中微妙，著實(shí)過于復(fù)雜。

本文介紹了無線網(wǎng)狀組網(wǎng)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，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(guān)開發(fā)工具作為實(shí)例，展示如何快速構(gòu)建經(jīng)認(rèn)證的可用 Z-Wave 網(wǎng)絡(luò)并應(yīng)用于新型消費(fèi)類設(shè)備。

什么是 Z-Wave？

Z-Wave 是眾多相互競(jìng)爭(zhēng)的家庭無線網(wǎng)狀組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一（圖 1），其他標(biāo)準(zhǔn)包括 Zigbee、Thread 和 Insteon。雖然 Wi-Fi 和藍(lán)牙最初設(shè)計(jì)時(shí)并不具備網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，但都已針對(duì)網(wǎng)狀組網(wǎng)進(jìn)行了更新，如今也加入了該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，盡管其功率水平和數(shù)據(jù)速率有所不同。

每種無線網(wǎng)絡(luò)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但 Z-Wave 專為低成本、低功耗的消費(fèi)類設(shè)備而設(shè)計(jì)，并不斷發(fā)展以滿足新的需求。

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包可以從網(wǎng)絡(luò)上的一臺(tái)設(shè)備“跳躍”到另一臺(tái)設(shè)備，直至到達(dá)目標(biāo)設(shè)備。因此，兩臺(tái)設(shè)備不必一定要在彼此的無線電范圍內(nèi)。只要某臺(tái)設(shè)備至少在網(wǎng)絡(luò)上另一臺(tái)設(shè)備的無線電范圍內(nèi)，那么這臺(tái)設(shè)備就可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到范圍內(nèi)的下一臺(tái)設(shè)備，依此類推，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的地。網(wǎng)絡(luò)上任意兩臺(tái)設(shè)備之間可能存在多條不同路徑，因此網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需確定最短且最有效的路徑。網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備越多，冗余級(jí)別越高，網(wǎng)絡(luò)性能越穩(wěn)定。

雖然網(wǎng)絡(luò)跳躍從概念上理解很簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用卻很難實(shí)現(xiàn)。無論其制造商、功能、使用年數(shù)、范圍或固件版本級(jí)別，每臺(tái) Z-Wave 設(shè)備（即節(jié)點(diǎn)）必須能與任何其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組成部分，節(jié)點(diǎn)必須能夠充當(dāng)起始、目標(biāo)，或彼此超出范圍的其他節(jié)點(diǎn)之間的中介。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還必須能夠與任何其他節(jié)點(diǎn)交換應(yīng)用級(jí)數(shù)據(jù)和命令。用戶可能隨時(shí)添加或刪除節(jié)點(diǎn)，而網(wǎng)絡(luò)必須仍然保持穩(wěn)定，無縫運(yùn)行且不發(fā)生中斷。為了便于使用，節(jié)點(diǎn)必須能夠加入（和離開）網(wǎng)絡(luò)，操作時(shí)無需復(fù)雜的用戶設(shè)置，沒有 DIP 開關(guān)、服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 (SSID) 或密碼，并且無需鍵盤、鼠標(biāo)、接口等（如適用）。

在技術(shù)方面，Z-Wave 是低速、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)射頻組件、設(shè)計(jì)布局、天線位置，以及墻壁和環(huán)境干擾等環(huán)境因素。不同于 Wi-Fi 或藍(lán)牙等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，Z-Wave 是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包時(shí)常從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳躍到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，總有效范圍達(dá)數(shù)百米，為家庭應(yīng)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(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段（北美為 908.42 MHz，歐洲為 868.42 MHz），不受 Wi-Fi 或藍(lán)牙干擾。雖然 Zigbee 也可工作在相同的 ISM 頻段，但多數(shù)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(shè)備通常不會(huì)干擾其他無線網(wǎng)絡(luò)。

Zen Gecko 簡(jiǎn)介

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(chǎn)品系列可進(jìn)一步細(xì)分為幾個(gè)特定應(yīng)用區(qū)域，包括用于 Z-Wave 開發(fā)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(shè)備。一款是“智能調(diào)制解調(diào)器”芯片，另一款則是完整的獨(dú)立式模塊芯片。調(diào)制解調(diào)器芯片（零件編號(hào)為 EFR32ZG14P231F256GM32-BR）旨在與主機(jī)處理器配合使用，而模塊 (ZGM130S037HGN1R) 則可以單獨(dú)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(nèi)核，雖然兩者的實(shí)現(xiàn)方式有所不同。Arm 的 Cortex 架構(gòu)是基于 RISC 的新型微控制器設(shè)計(jì)，得到了數(shù)百家供應(yīng)商的軟件和硬件開發(fā)工具的廣泛支持。

對(duì)于 'ZG14 調(diào)制解調(diào)器芯片，內(nèi)部 Cortex-M4 自帶預(yù)編程的 Z-Wave 協(xié)議棧。處理器對(duì)用戶不可用，那么對(duì)開發(fā)人員而言，就幾乎可以忽略其存在。因此，盡管調(diào)制解調(diào)器芯片能夠處理復(fù)雜的 Z-Wave 協(xié)議，但仍需要由外部處理器來處理應(yīng)用程序代碼，進(jìn)而使得 'ZG14 成為相對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的理想之選，因?yàn)檫@些產(chǎn)品對(duì)空間和性能有所要求，以此支持獨(dú)立的微處理器或微控制器。此外，只需添加 'ZG14 智能調(diào)制解調(diào)器并接入信號(hào)和 RF 組件，即可使現(xiàn)有產(chǎn)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(chǎn)品中唯一的微控制器單獨(dú)使用。該器件的內(nèi)部 Cortex-M4 對(duì)開發(fā)人員可用，可用于應(yīng)用程序代碼。相較于 'ZG14 智能調(diào)制解調(diào)器，'130S 模塊尺寸較大，但功能更強(qiáng)大，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、模擬比較器、電容檢測(cè)接口（用于觸摸屏）、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、看門狗計(jì)時(shí)器和 UART 等。該模塊只需接入電源、接地和天線，即可實(shí)現(xiàn)功能齊全的 Z-Wave 控制器。

這兩款器件共同構(gòu)成了 700 系列，即 Silicon Labs 最新的 Z-Wave 組件，符合最新的 Z-Wave 規(guī)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(jiǎn)化用戶設(shè)置的可選功能 SmartStart。此外，還支持所有三種 Z-Wave 數(shù)據(jù)速率（9.6、40 和 100 kbps）以及所有全球頻段。與所有 Z-Wave 設(shè)備一樣，這兩款器件向后兼容所有低版本的 Z-Wave 設(shè)備和控制器。

此前使用過 Silicon Labs 基于 8051 的 Z-Wave 設(shè)備（“500 系列”）的用戶，可能希望將現(xiàn)有代碼部分或全部移植到新版基于 Arm 的設(shè)備。為了解決這一問題，Silicon Labs 提供了軟件庫和“構(gòu)建模塊”來簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換。雖然舊版的 8051 代碼不能單純通過重新編譯就轉(zhuǎn)換為新版的 Arm 代碼，但代碼庫應(yīng)該能夠提供很大的幫助。

EFR32ZG14 Z-Wave 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

EFR32ZG14 是一款智能調(diào)制解調(diào)器片上系統(tǒng) (SoC)，概念簡(jiǎn)單（圖 2）。該器件包括用于連接外部主機(jī)處理器的雙線串行接口，以及用于處理 Z-Wave 協(xié)議棧的內(nèi)部 Arm Cortex-M4 MCU 內(nèi)核，無線電部分則幾乎包含物理無線電所需的所有組件。

工作時(shí)，'ZG14 單純通過 UART 接口與主機(jī)處理器通信，波特率最高可達(dá) 115,200 Bd。只需接入兩根信號(hào)線，分別用于接收和發(fā)送。主機(jī)處理器通過 UART 接口發(fā)送命令和數(shù)據(jù)以供 'ZG14 響應(yīng)。RESETn 是用于 'ZG14 復(fù)位的第三根信號(hào)線，可由主機(jī)處理器的任何 I/O 引腳輕松驅(qū)動(dòng)。

'ZG14 與主機(jī)處理器之間只需接入三根數(shù)字信號(hào)線，與簡(jiǎn)單 IPD（集成無源器件）之間共四路數(shù)字信號(hào)，再接入晶振和幾個(gè)簡(jiǎn)單的模擬元器件（圖 3）。

或者，設(shè)計(jì)人員可以選擇連接低電平有效的 SUSPEND 信號(hào)，該信號(hào)可將 'ZG14 置于低功耗狀態(tài)，并中斷所有無線電通信。事實(shí)上，大部分時(shí)間內(nèi) 'ZG14 可能都處于掛起狀態(tài)以節(jié)能，具體取決于預(yù)期應(yīng)用。

此外，開發(fā)人員還可以選擇通過三芯線連接芯片內(nèi)部閃存，用于實(shí)時(shí)對(duì) 'ZG14 固件重新編程。Silicon Labs 提供了此類二進(jìn)制固件。如前所述，'ZG14 固件不能用于用戶代碼。

如圖 3 所示，設(shè)計(jì)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(chǎn)品的地理位置：全球部分地區(qū)需要 SAW 濾波器，其他地區(qū)則不需要。此外，設(shè)計(jì)人員還可以選擇配備 SAW 濾波器組，并通過 'ZG14 的 SAW0 和 SAW1 兩個(gè)輸出引腳來實(shí)時(shí)配置，從而使最終產(chǎn)品適用于任何地區(qū)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、制造和庫存。

ZGM130S Z-Wave 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

相較于 'ZG14 調(diào)制解調(diào)器 SoC，'130S 模塊結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，功能更強(qiáng)大。Silicon Labs 稱之為系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)。名至實(shí)歸，'130S 本質(zhì)上集成了多個(gè)芯片，因而可作為獨(dú)立的微控制器和 Z-Wave 控制器（圖 4）。

該模塊的 Arm Cortex-M4 中央處理器內(nèi)核運(yùn)行頻率為 39 MHz，具有 512 KB 的閃存和 64 KB 的 SRAM。由于 Z-Wave 協(xié)議棧已包含在該模塊的無線電收發(fā)器模塊（框圖左上角）中，因而用戶可使用大部分存儲(chǔ)空間。事實(shí)上，該模塊相當(dāng)于 'ZG14 智能調(diào)制解調(diào)器芯片。