近零时间的 Z-Wave：智能家居网络的两种预认证解决方案

Z-Wave^® 强调易用性和互操作性，在消费类和“智能家居”应用领域，当属前沿无线网络技术之一。不过，对设计人员而言，实现 Z-Wave 特有的易用性极具挑战，每台基于 Z-Wave 的设备上市前都必须正式通过合规性认证。

这些挑战增加了应用开发的成本和时间，而对于成功的设计而言，最大限度地降低这两者却至关重要。除非内部成员具备丰富的射频 (RF) 硬件和固件专业知识，否则设计人员选择预认证组件和现成解决方案才是明智之举。对于时间紧迫、预算紧张的设计，毫无余裕就射频设计进行学习和实验。射频传播以及机载阅读器与射频卡之间的耦合作用等个中微妙，着实过于复杂。

本文介绍了无线网状组网的一些基础知识，特别是 Z-Wave。随后，本文以 Silicon Labs 的 700 系列 Z-Wave 兼容微控制器芯片系列及相关开发工具作为实例，展示如何快速构建经认证的可用 Z-Wave 网络并应用于新型消费类设备。

什么是 Z-Wave？

Z-Wave 是众多相互竞争的家庭无线网状组网标准之一（图 1），其他标准包括 Zigbee、Thread 和 Insteon。虽然 Wi-Fi 和蓝牙最初设计时并不具备网状网络功能，但都已针对网状组网进行了更新，如今也加入了该领域的竞争，尽管其功率水平和数据速率有所不同。

每种无线网络都有其优缺点，但 Z-Wave 专为低成本、低功耗的消费类设备而设计，并不断发展以满足新的需求。

图 1：Z-Wave 是一种用于家庭的无线网状组网技术。该技术不断发展以满足新的应用需求。（图片来源：DigiKey，资料来源于 Silicon Labs）

在网状网络中，数据包可以从网络上的一台设备“跳跃”到另一台设备，直至到达目标设备。因此，两台设备不必一定要在彼此的无线电范围内。只要某台设备至少在网络上另一台设备的无线电范围内，那么这台设备就可以将数据转发到范围内的下一台设备，依此类推，直到数据到达目的地。网络上任意两台设备之间可能存在多条不同路径，因此网状网络协议需确定最短且最有效的路径。网络连接的设备越多，冗余级别越高，网络性能越稳定。

虽然网络跳跃从概念上理解很简单，但实际应用却很难实现。无论其制造商、功能、使用年数、范围或固件版本级别，每台 Z-Wave 设备（即节点）必须能与任何其他节点进行通信。作为网状网络的组成部分，节点必须能够充当起始、目标，或彼此超出范围的其他节点之间的中介。此外，每个节点还必须能够与任何其他节点交换应用级数据和命令。用户可能随时添加或删除节点，而网络必须仍然保持稳定，无缝运行且不发生中断。为了便于使用，节点必须能够加入（和离开）网络，操作时无需复杂的用户设置，没有 DIP 开关、服务集标识符 (SSID) 或密码，并且无需键盘、鼠标、接口等（如适用）。

在技术方面，Z-Wave 是低速、低功耗的无线网络，数据速率最高为 100 kbps，但常用速度约为 40 kbps。典型工作范围约为 30 至 40 m，具体取决于网络射频组件、设计布局、天线位置，以及墙壁和环境干扰等环境因素。不同于 Wi-Fi 或蓝牙等点对点网络，Z-Wave 是网状网络，数据包时常从一个节点跳跃到另一个节点，总有效范围达数百米，为家庭应用提供充足的覆盖范围。

Z-Wave 的工作频率低于 1 GHz，处在工业、科学和医疗 (ISM) 频段（北美为 908.42 MHz，欧洲为 868.42 MHz），不受 Wi-Fi 或蓝牙干扰。虽然 Zigbee 也可工作在相同的 ISM 频段，但多数情况下仍工作在更通用的 2.4 GHz 频段，该频段是全球共用的频段。因此，这也表示 Z-Wave 设备通常不会干扰其他无线网络。

Zen Gecko 简介

Silicon Labs 推出的 Gecko 系列包含各种低成本、低功耗的微控制器。该产品系列可进一步细分为几个特定应用区域，包括用于 Z-Wave 开发的 "Zen Gecko" 子系列。

该公司的 Zen Gecko 系列推出了两款不同的 Z-Wave 设备。一款是“智能调制解调器”芯片，另一款则是完整的独立式模块芯片。调制解调器芯片（零件编号为 EFR32ZG14P231F256GM32-BR）旨在与主机处理器配合使用，而模块 (ZGM130S037HGN1R) 则可以单独使用，几乎不需要外部元器件。

这两款器件均基于 39 MHz 的 Arm^® Cortex^®-M4 微控制器内核，虽然两者的实现方式有所不同。Arm 的 Cortex 架构是基于 RISC 的新型微控制器设计，得到了数百家供应商的软件和硬件开发工具的广泛支持。

对于 'ZG14 调制解调器芯片，内部 Cortex-M4 自带预编程的 Z-Wave 协议栈。处理器对用户不可用，那么对开发人员而言，就几乎可以忽略其存在。因此，尽管调制解调器芯片能够处理复杂的 Z-Wave 协议，但仍需要由外部处理器来处理应用程序代码，进而使得 'ZG14 成为相对复杂产品的理想之选，因为这些产品对空间和性能有所要求，以此支持独立的微处理器或微控制器。此外，只需添加 'ZG14 智能调制解调器并接入信号和 RF 组件，即可使现有产品轻松兼容 Z-Wave。

而另一方面，'130S 模块是完全自足式芯片，可以作为产品中唯一的微控制器单独使用。该器件的内部 Cortex-M4 对开发人员可用，可用于应用程序代码。相较于 'ZG14 智能调制解调器，'130S 模块尺寸较大，但功能更强大，包括模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)、模拟比较器、电容检测接口（用于触摸屏）、计数器、定时器、看门狗计时器和 UART 等。该模块只需接入电源、接地和天线，即可实现功能齐全的 Z-Wave 控制器。

这两款器件共同构成了 700 系列，即 Silicon Labs 最新的 Z-Wave 组件，符合最新的 Z-Wave 规范。具体来说，两款器件均支持最新的安全功能（Security-2，即 S2）以及简化用户设置的可选功能 SmartStart。此外，还支持所有三种 Z-Wave 数据速率（9.6、40 和 100 kbps）以及所有全球频段。与所有 Z-Wave 设备一样，这两款器件向后兼容所有低版本的 Z-Wave 设备和控制器。

此前使用过 Silicon Labs 基于 8051 的 Z-Wave 设备（“500 系列”）的用户，可能希望将现有代码部分或全部移植到新版基于 Arm 的设备。为了解决这一问题，Silicon Labs 提供了软件库和“构建模块”来简化转换。虽然旧版的 8051 代码不能单纯通过重新编译就转换为新版的 Arm 代码，但代码库应该能够提供很大的帮助。

EFR32ZG14 Z-Wave 芯片内部结构

EFR32ZG14 是一款智能调制解调器片上系统 (SoC)，概念简单（图 2）。该器件包括用于连接外部主机处理器的双线串行接口，以及用于处理 Z-Wave 协议栈的内部 Arm Cortex-M4 MCU 内核，无线电部分则几乎包含物理无线电所需的所有组件。

图 2：EFR32ZG14 Zen Gecko 调制解调器 SoC 的框图。该芯片可充当 Z-Wave 网状网络的智能调制解调器，仅有的外部接口包括用于连接主机处理器的 UART 和无线电收发器。（图片来源：Silicon Labs）

工作时，'ZG14 单纯通过 UART 接口与主机处理器通信，波特率最高可达 115,200 Bd。只需接入两根信号线，分别用于接收和发送。主机处理器通过 UART 接口发送命令和数据以供 'ZG14 响应。RESETn 是用于 'ZG14 复位的第三根信号线，可由主机处理器的任何 I/O 引脚轻松驱动。

'ZG14 与主机处理器之间只需接入三根数字信号线，与简单 IPD（集成无源器件）之间共四路数字信号，再接入晶振和几个简单的模拟元器件（图 3）。

或者，设计人员可以选择连接低电平有效的 SUSPEND 信号，该信号可将 'ZG14 置于低功耗状态，并中断所有无线电通信。事实上，大部分时间内 'ZG14 可能都处于挂起状态以节能，具体取决于预期应用。

此外，开发人员还可以选择通过三芯线连接芯片内部闪存，用于实时对 'ZG14 固件重新编程。Silicon Labs 提供了此类二进制固件。如前所述，'ZG14 固件不能用于用户代码。

图 3：在 EFR32ZG14 Zen Gecko 的典型应用中，智能调制解调器芯片需要大约 20 个外部元器件，与主机处理器的连接只需要简单的三线串行接口。（图片来源：Silicon Labs）

如图 3 所示，设计人员可选择使用表面声波 (SAW) 滤波器，具体取决于部署最终产品的地理位置：全球部分地区需要 SAW 滤波器，其他地区则不需要。此外，设计人员还可以选择配备 SAW 滤波器组，并通过 'ZG14 的 SAW0 和 SAW1 两个输出引脚来实时配置，从而使最终产品适用于任何地区，同时简化设计、制造和库存。

ZGM130S Z-Wave 模块内部结构

相较于 'ZG14 调制解调器 SoC，'130S 模块结构更复杂，功能更强大。Silicon Labs 称之为系统级封装 (SiP)。名至实归，'130S 本质上集成了多个芯片，因而可作为独立的微控制器和 Z-Wave 控制器（图 4）。

图 4：ZGM130S SiP 模块的框图。该 SiP 模块可作为独立的微控制器和 Z-Wave 控制器，具有 Arm Cortex-M4 及丰富的模拟和数字 I/O 以供开发人员使用。（图片来源：Silicon Labs）

该模块的 Arm Cortex-M4 中央处理器内核运行频率为 39 MHz，具有 512 KB 的闪存和 64 KB 的 SRAM。由于 Z-Wave 协议栈已包含在该模块的无线电收发器模块（框图左上角）中，因而用户可使用大部分存储空间。事实上，该模块相当于 'ZG14 智能调制解调器芯片。

'130S 包含独立的内部 DC/DC 稳压器和内部晶振，因此无需外部时钟元件。此外，该模块还具有数个模拟和数字外设，包括 ADC 和 DAC、温度传感器、两个模拟比较器、三个运算放大器、电容检测接口、DMA 控制器、32 个通用 I/O 引脚等。'130S 采用 LGA64 封装，受引脚限制，并非所有 I/O 引脚都随时可用，具体取决于软件配置。

尽管 '130S 采用 64 引脚封装，但外部连接非常简单。如图 5 和图 6 所示，该器件只需接入简单的旁路电容（用于电源/接地），并通过单线连接天线，其余引脚均可用于用户 I/O。

图 5：ZGM130S SiP 模块只需接入一对旁路电容。（图片来源：Silicon Labs）

图 6：ZGM130S SiP 模块几乎包括所有所需的无线电组件，单线接口即可连接天线。（图片来源：Silicon Labs）

从入门套件开始

使用 Zen Gecko 系列开始着手 Z-Wave 开发，最简单的方法就是使用 Z-Wave 700 入门套件。该套件的所有组件都成双配备，组成最小的双节点网络：两块主板、两块无线电板、两块带开关和 LED 的扩展板、两根柔性天线和两根 USB 电缆。此外，还配有两个 USB 加密狗，可与个人电脑配合使用：一个装有 Z-Wave 无线电嗅探器应用 (Zniffer)，另一个则配有 Z-Wave 控制器功能。硬件及随附的软件支持全球所有地区的所有 Z-Wave 选项和协议。

图 7 显示一组电路板，顶部插入无线电板，右侧插入扩展板。主板不包括 ZGM130S SiP，该器件安装在无线电板上。相反，主板最显著的功能是具有位图 LCD，这对于调试或 GUI 开发相当有用。

图 7：SLWSTK6050A Z-Wave 700 入门套件包括两组相同的主板、无线电板和扩展板，以构建小型 Z-Wave 网络。（图片来源：Silicon Labs）

软件安装

Simplicity Studio 是 Silicon Labs 公司推出的一体式集成开发环境 (IDE)，可用于该公司的 Zen Gecko 等多款微控制器，支持 Windows、MacOS 和 Linux 系统。

在安装 Simplicity Studio 时，如果将开发套件中的一块主板（无论哪一块）连接到开发系统，则安装和配置过程会更为简单。IDE 将检测硬件，并自动加载必要的软件支持。

若硬件不可用，则可以手动执行以下配置：

运行 Simplicity Studio 后，单击右上角的绿色箭头（图 8）。

图 8：Simplicity Studio IDE 的主界面。下载链接突出显示。（图片来源：DigiKey）

Simplicity Studio 提供两个选项： "Install by Device"（按设备安装）或 "Install by Product Group"（按产品组安装）（图 9）。两个选项产生的最终结果相同，但选择前者更加简单，因此请单击 "Install by Device"（按设备安装）绿色大按钮。

图 9：Simplicity Studio 提供了两种方案，可用于加载项目特定软件支持。（图片来源：DigiKey）

若安装了开发板，Simplicity Studio 应该会自动检测硬件，但如果没有，手动查找所需的软件包也很简单，只需在搜索框中键入 "6050A"（开发套件全称缩写），如图 10 所示。双击指示的软件支持包，然后单击“Next”（下一步）。

图 10：在搜索框中键入 "6050A" 即可快速找到开发板所需的软件。（图片来源：DigiKey）

接下来，Simplicity Studio 将突出显示可用于此硬件配置的其他软件支持。某些情况下，一些软件模块仅限于同意补充许可协议和/或已注册硬件的用户，因此一些选项可能会灰显，暂时不可用，如图 11 所示。

图 11：是否可访问某些软件取决于硬件购买证明或其他软件许可。（图片来源：DigiKey）

最后，Simplicity Studio 将显示建议安装的所有软件清单，选项众多，包括一个或多个 C 编译器、可选的实时操作系统、分析工具等（图 12）。如有需要，可以手动启用或禁用特定选项，但一般情况下最好接受建议安装的软件选项。完成后，单击“Next”（下一步）。

图 12：Simplicity Studio 最终软件清单。如有需要，可以手动启用或禁用特定选项，但一般情况下最好接受建议安装的软件选项。（图片来源：DigiKey）

在最后一步中，Simplicity Studio 将显示主软件许可协议，其中涵盖将安装的所有软件组件。阅读并接受许可，然后最后一次单击“Next”（下一步）。

软件安装将需要几分钟时间。安装完成后，关闭并重新启动 Simplicity Studio。一切准备就绪，可以开始着手构建 Z-Wave 网状网络应用，包含一些预先配置的简单演示程序，以及可以修改的示例代码，这些都是为了帮助开发人员顺利上手。

总结

Z-Wave 旨在让消费者易于使用，但其可用性掩盖了设计人员所做的大量基础开发和认证工作。然而，只要设计人员选择使用包含兼容硬件和预测试软件的预配置套件，构建新的 Z-Wave 网状网络设备就变得相当简单。Z-Wave 700 系列调制解调器 SoC、SiP 模块及相关开发套件，提供快速构建双节点网络所需的硬件和软件，并确保与这种复杂而高效的协议兼容。