Z-Wave? 強調(diào)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(wǎng)絡技術(shù)之一。不過，對設計人員而言，實現(xiàn) Z-Wave 特有的易用性極具挑戰(zhàn)，每臺基于 Z-Wave 的設備上市前都必須正式通過合規(guī)性認證。

這些挑戰(zhàn)增加了應用開發(fā)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(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，否則設計人員選擇預認證組件和現(xiàn)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(wǎng)狀組網(wǎng)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(guān)開發(fā)工具作為實例，展示如何快速構(gòu)建經(jīng)認證的可用 Z-Wave 網(wǎng)絡并應用于新型消費類設備。

什么是 Z-Wave？

Z-Wave 是眾多相互競爭的家庭無線網(wǎng)狀組網(wǎng)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(wǎng)狀網(wǎng)絡功能，但都已針對網(wǎng)狀組網(wǎng)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(shù)據(jù)速率有所不同。

每種無線網(wǎng)絡都有其優(yōu)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(fā)展以滿足新的需求。

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)包可以從網(wǎng)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(nèi)。只要某臺設備至少在網(wǎng)絡上另一臺設備的無線電范圍內(nèi)，那么這臺設備就可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到范圍內(nèi)的下一臺設備，依此類推，直到數(shù)據(jù)到達目的地。網(wǎng)絡上任意兩臺設備之間可能存在多條不同路徑，因此網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議需確定最短且最有效的路徑。網(wǎng)絡連接的設備越多，冗余級別越高，網(wǎng)絡性能越穩(wěn)定。

雖然網(wǎng)絡跳躍從概念上理解很簡單，但實際應用卻很難實現(xiàn)。無論其制造商、功能、使用年數(shù)、范圍或固件版本級別，每臺 Z-Wave 設備（即節(jié)點）必須能與任何其他節(jié)點進行通信。作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡的組成部分，節(jié)點必須能夠充當起始、目標，或彼此超出范圍的其他節(jié)點之間的中介。此外，每個節(jié)點還必須能夠與任何其他節(jié)點交換應用級數(shù)據(jù)和命令。用戶可能隨時添加或刪除節(jié)點，而網(wǎng)絡必須仍然保持穩(wěn)定，無縫運行且不發(fā)生中斷。為了便于使用，節(jié)點必須能夠加入（和離開）網(wǎng)絡，操作時無需復雜的用戶設置，沒有 DIP 開關(guān)、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(shù)方面，Z-Wave 是低速、低功耗的無線網(wǎng)絡，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)絡射頻組件、設計布局、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 或藍牙等點對點網(wǎng)絡，Z-Wave 是網(wǎng)狀網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)包時常從一個節(jié)點跳躍到另一個節(jié)點，總有效范圍達數(shù)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(yè)、科學和醫(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 設備通常不會干擾其他無線網(wǎng)絡。

Zen Gecko 簡介

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)品系列可進一步細分為幾個特定應用區(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 設備。一款是“智能調(diào)制解調(diào)器”芯片，另一款則是完整的獨立式模塊芯片。調(diào)制解調(diào)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(nèi)核，雖然兩者的實現(xiàn)方式有所不同。Arm 的 Cortex 架構(gòu)是基于 RISC 的新型微控制器設計，得到了數(shù)百家供應商的軟件和硬件開發(fā)工具的廣泛支持。

對于 'ZG14 調(diào)制解調(diào)器芯片，內(nèi)部 Cortex-M4 自帶預編程的 Z-Wave 協(xié)議棧。處理器對用戶不可用，那么對開發(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)器芯片能夠處理復雜的 Z-Wave 協(xié)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(chǎn)品的理想之選，因為這些產(chǎn)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(diào)制解調(diào)器并接入信號和 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使用。該器件的內(nèi)部 Cortex-M4 對開發(fā)人員可用，可用于應用程序代碼。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、電容檢測接口（用于觸摸屏）、計數(shù)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(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）以及簡化用戶設置的可選功能 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(xiàn)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(gòu)建模塊”來簡化轉(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(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，'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(fā)送。主機處理器通過 UART 接口發(fā)送命令和數(shù)據(jù)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(qū)動。

'ZG14 與主機處理器之間只需接入三根數(shù)字信號線，與簡單 IPD（集成無源器件）之間共四路數(shù)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(tài)，并中斷所有無線電通信。事實上，大部分時間內(nèi) 'ZG14 可能都處于掛起狀態(tài)以節(jié)能，具體取決于預期應用。

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。

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(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(chǎn)品適用于任何地區(qū)，同時簡化設計、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)更復雜，功能更強大。Silicon Labs 稱之為系統(tǒng)級封裝 (SiP)。名至實歸，'130S 本質(zhì)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）。

該模塊的 Arm Cortex-M4 中央處理器內(nèi)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(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空間。事實上，該模塊相當于 'ZG14 智能調(diào)制解調(diào)器芯片。