Certifikace zvyšuje náklady a prodlužuje dobu vývoje. Při návrhu RF designu není čas pro učení a experimentování. Ideálním řešením je výběr předcertifikovaných komponent, které zjednoduší a zkrátí dobu vývoje. Tento článek popisuje některé základy bezdrátové síťové sítě obecně a pak konkrétně sítě Z-Wave. Jako příklad si uvedeme řadu mikrokontrolérů 700 Z-Wave a související vývojové nástroje od společnosti Silicon Labs. Díky tomu si lze vytvořit certifikovanou síť Z-Wave vhodnou pro inteligentní spotřební zařízení.

Co je to Z-Wave?

Z-Wave je jedním z mnoha standardů pro domácí bezdrátové sítě (Obrázek 1) mezi které také patří Zigbee, Thread nebo Insteon. Síť Z-Wave byla navržena speciálně pro nízkoenergetická zařízení a neustále se vyvíjí tak, aby splňovala nové přicházející požadavky. 

Obrázek 1: Z-Wave je mesh bezdrátová síť určená pro domácnosti. (Zdroj obrázku: Digi-Key, z materiálu Silicon Labs)

V mesh síti se datový paket přesouvá z jednoho zařízení na jiné, až se nakonec dostane k cílovému zařízení. Dvě zařízení tedy nemusí být v rádiovém dosahu. Stačí, aby v dosahu bylo alespoň jednoho další zařízení a toto zařízení může předávat data do dalšího zařízení v dosahu, dokud data nedosáhnou svého cíle. Mezi dvěma zařízeními v síti může být několik různých cest, takže protokol sítě určí nejkratší a nejefektivnější trasu. Čím více je připojených zařízení v síti, tím se dosáhne vyšší úrovně redundance a síť stává robustnější.

Toto přeskakování se zdá jednoduché, ale v praxi je obtížné. Každé zařízení Z-Wave nebo uzel musí být schopno komunikovat s jakýmkoliv jiným uzlem bez ohledu na jeho výrobce nebo revizi firmwaru. Jakýkoli člen mesh sítě musí být schopen fungovat jako iniciátor, uzel a cíl. Každý uzel musí být také schopen vyměňovat data a příkazy na úrovni aplikace s jakýmkoliv jiným uzlem. Spotřebitelé mohou kdykoli přidat nebo odebrat uzly a síť musí být stále robustní a bez problémů a přerušení spolehlivě fungovat. Uzly musí být schopny se připojit (opustit) síť a pracovat bez složitých uživatelských nastavení, bez identifikátoru sítě(SSID) nebo hesla a potenciálně bez klávesnice, myši nebo uživatelského rozhraní jakéhokoliv druhu.

Z-Wave je z technického hlediska nízko rychlostní bezdrátová síť s nízkou spotřebou. Rychlost přenosu dat je omezena na 100 kbps, i když běžné rychlosti jsou blíže 40 kbps. Typický provozní dosah je v řádu 30 až 40 m, v závislosti na RF komponentách sítě, konstrukčním uspořádání, umístění antény a prostředí. Vzhledem k tomu, že se jedná o mesh síť a nikoli síť typu point-to-point, jako je Wi-Fi nebo Bluetooth, jeho praktický dosah se rozšiřuje na několik set metrů.

Z-Wave pracuje v pásmu 908,42 MHz v Severní Americe a 868,42 MHz v Evropě. Tím je dáno, že nepodléhá rušením z Wi-Fi nebo Bluetooth. Zigbee může také pracovat ve stejné části pásma ISM, ale obvykle pracuje v pásmu 2,4 GHz. To znamená, že zařízení Z-Wave nezasahuje do těchto bezdrátových sítí, a tím nedochází ke vzájemnému ovlivnění.

Úvod do Zen Gecko

Silicon Labs vyrábí ve své rodině Gecko širokou škálu nízkoenergetických mikrokontrolérů. Tato rodina je rozdělena do několika aplikačně specifických oblastí, včetně větve „Zen Gecko“ pro vývoj Z-Wave. Společnost nabízí dvě různá zařízení Z-Wave. Jedním z nich je čip „smart modem“ a druhým je kompletní „module on chip“. Modem chip má objednací číslo EFR32ZG14P231F256GM32-BR a je určen pro použití ve spojení s hostitelským procesorem. Zatímco samostatný modul ZGM130S037HGN1R nepotřebuje téměř žádné externí komponenty. Obě zařízení jsou založeny na jádru Arm Cortex-M4 s frekvencí 39 MHz. s architekturou RISC a je široce podporován nástroji pro vývoj softwaru a hardwaru od stovek dodavatelů.

ZG14 modem v podobě čipu má vnitřní mikroprocesor Cortex-M4 předprogramovaný stack protokolu Z-Wave. Procesor je pro vývojáře v podstatě neviditelný. Tento čip zpracovává komplexní Z-Wave protokol, a pro aplikační kód vyžaduje externí procesor. Díky tomu je čip ZG14 dobrou volbou pro relativně složité produkty, které mají nedostatek místa a mají vysoké nároky na výkon a spotřebu. Protokol Z-Wave lze snadno přidat k existujícímu produktu přidáním smart modemu ZG14 a připojením několika  RF komponent.

Modul „130S“ je na druhé straně plně samostatný a lze ho použít jako samostatný mikrokontroler v produktu. Interní mikrokontroler Cortex-M4 je k dispozici developerovi, který jej může použít pro aplikační kód. Modul 130S je fyzicky větší než smart modem ZG14 a obsahuje i mnohem více funkcí, například ADC a DAC převodníky, analogové komparátory, rozhraní pro kapacitní senzory, čítače, časovače, watch dog a UART rozhraní.

Tato dvě zařízení společně představují nejnovější konstrukční prvky řady 700. Jedná se o komponenty společnosti Silicon Labs, které splňují nejnovější specifikace Z-Wave. Podporují bezpečnostní funkce Security-2 a SmartStart. Obě zařízení podporují všechny tři přenosové rychlosti Z-Wave (9,6; 40 a 100 kbps) a všechna globální frekvenční pásma. Stejně jako všechna zařízení Z-Wave jsou zpětně kompatibilní se všemi předchozími Z-Wave zařízeními.

Uživatelé předchozích zařízení Z-Wave mohou přenést svůj stávající kód na novější zařízení založené na systému Arm. Silicon Labs nabízí softwarové knihovny a „stavební bloky“ pro usnadnění přechodu. Starší kód určený pro 8051 nemusí být snadné překompilovat na novější kód Arm, ale nabízené knihovny značně pomohou.

Uvnitř čipu EFR32ZG14 Z-Wave

EFR32ZG14 SoC modem, který je jednoduchý z hlediska koncepce (obrázek 2). Obsahuje dvouvodičové sériové rozhraní pro připojení hostitelského procesoru, vnitřní jádro Arm Cortex-M4 pro zpracování protokolu Z-Wave a rádiovou část, která poskytuje téměř všechny komponenty pro svou činnost.

Obrázek 2: Blokové schéma modemu EFR32ZG14 Zen Gecko SoC. Čip funguje jako inteligentní modem pro síť Z-Wave. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

ZG14 komunikuje s hostitelským procesorem přes jednoduché dvouvodičové UART rozhraní s rychlostí až 115 200 baud, Receive a Transmit. Hostitelský procesor odesílá příkazy a data přes toto UART rozhraní a ZG14 reaguje. Třetí signál RESETn slouží pro resetování a může být řízen jakýmkoliv vhodným I / O pinem na hostitelském procesoru.

Existují pouze tři digitální cesty, které propojují hostitelský procesor s čipem. Jedná se o čtyři digitální signály mezi ZG14 a jednoduchým IPD (integrované pasivní zařízení), připojení krystalu a několik jednoduchých analogových komponent (obrázek 3).

Volitelně lze zvolit připojení aktivního signálu SUSPEND s nízkou aktivitou, který ZG14 uvede do stavu s nízkou spotřebou a zastaví veškerou rádiovou komunikaci. V závislosti na zamýšlené aplikaci může „ZG14 trávit většinu svého času v tomto pozastaveném stavu, aby šetřil energii.

K dispozici je také volitelné tří signálové připojení k interní flash paměti. To umožňuje vývojářům přeprogramovat firmware ZG14, který je k dispozici v binární podobě na stránkách Silicon Labs. Jak bylo uvedeno výše, firmware pro ZG14 není určen pro uživatelský kód.

Obrázek 3: U typické implementace EFR32ZG14 Zen Gecko je potřeba přibližně 20 externích komponent a pouze jedno tří signálové sériové rozhraní pro připojení hostitelského procesoru. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Použití filtru povrchových akustických vln (SAW) zobrazeného na obrázku 3 je volitelné a může záviset na geografické poloze, kde bude koncový produkt nasazen. Některé oblasti světa vyžadují filtr SAW, zatímco jiné ne. Povolení a konfigurace filtru SAW lze provádět za běhu, a to pomocí pinů SAW0 a SAW1. To umožňuje koncovému produktu přizpůsobit se danému regionu, čímž se zjednoduší konstrukce, výroba a skladování.

Uvnitř modulu Z-Wave ZGM130S

Modul „130S“ je podstatně složitější než „ZG14 modem SoC. Silicon Labs to nazývá Celý systém v jednom pouzdře (SiP). Modul „130S je v podstatě více čipů v jednom. Jeden samostatný mikroprocesor a Z-Wave kontrolér (obrázek 4).

Obrázek 4: Blokové schéma modulu SiP ZGM130S. SiP obsahuje samostatný mikrokontrolér a Z-Wave kontrolér. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Procesorové jádro Arm Cortex-M4 pracuje na frekvenci 39 MHz a obsahuje 512 kB paměť flash a 64 kB paměť SRAM. Většina této paměti je k dispozici pro aplikaci, protože stack protokolu Z-Wave je integrován do bloku rádiového transceiveru v levém horním rohu blokového schématu. Tento blok je ekvivalentní čipu „smart modem ZG14“.

Model 130S má vlastní interní DC / DC regulátor a vnitřní krystal, takže nepotřebuje žádné externí komponenty. Modul také obsahuje několik analogových a digitálních periferií, včetně ADC a DAC převodníku, teplotní čidlo, dva analogové komparátory, tři operační zesilovače, rozhraní pro kapacitní senzor, řadič DMA, 32 univerzálních I / O pinů a další. Pouzdro LGA64 pro model 130S je pinově omezen. V závislosti na konfiguraci softwaru nemusí být vždy k dispozici všechny I / O piny.

Modem 130S je umístěn v 64-vodičovém pouzdře. Jak ukazují obrázky 5 a 6, modem vyžaduje pouze externí bypass kondenzátory pro napájení a jedno připojení pro anténu. Zbývající piny jsou dostupné pro uživatele vstupů / výstupů.

Obrázek 5: Modul ZGM130S SiP vyžaduje pouze pár bypass kondenzátorů. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Obrázek 6: Modul ZGM130S SiP obsahuje prakticky všechny rádiové komponenty a má pouze jednovodičové rozhraní k anténě. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Startovací sada

Pravděpodobně nejjednodušší způsob, jak začít s vývojem zařízení podporující protokol Z-Wave je použít produkty z rodiny Zen Gecko a jeho startovací sadu Z-Wave 700. Sada obsahuje vše potřebné pro zhotovení sítě s minimálně dvěma uzly. Součástí sady jsou dvě hlavní desky, dvě rádiové desky, dvě rozšiřující desky s přepínači a LED diodami, dvě flexibilní antény a dva USB kabely. Dále jsou k dispozici dva USB dongle pro použití s ​​PC. Jeden se používá jako Z-Wave sniffer a druhý jako Z-Wave kontrolér. Hardware a software podporují všechny možnosti a protokoly Z-Wave ve všech globálních geografických oblastech.

Jedna sada desek s deskou rádia zapojenou nahoře a rozšiřující deskou vpravo je znázorněna na obrázku 7. Hlavní deska neobsahuje ZGM130S SiP; tato komponenta je namontována na radiovém panelu. Hlavní deska je však vybavena bitmapovým LCD displejem, který je vhodný pro ladění nebo vývoj GUI.

Obrázek 7: Startovací sada SLWSTK6050A Z-Wave 700 obsahuje dvě identické sady hlavních desek, dvě rádiové desek a rozšiřující desky pro vytvoření malé sítě Z-Wave. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Instalace softwaru

Simplicity Studio je integrované vývojové prostředí (IDE) společnosti Silicon Labs pro mnoho mikrokontrolerů, včetně Zen Gecko. Podporuje Windows, MacOS a Linux. Instalační a konfigurační proces bude snazší, pokud některá z hlavních desek z vývojového kitu (nezáleží na tom, který z nich) je připojena k vývojovému systému během instalace Simplicity Studio. IDE detekuje hardware a automaticky nahraje nezbytnou softwarovou podporu. Pokud hardware není k dispozici, je možné tuto konfiguraci provést ručně. Jakmile je program Simplicity Studio spuštěn, klepněte na zelenou šipku v pravém horním rohu (Obrázek 8).

Obrázek 8: Hlavní obrazovka programu Simplicity Studio IDE. Odkaz na stažení je zvýrazněn. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Simplicity Studio představí dvě možnosti: „Install by Device“ nebo „Install by Product Group“ (Obrázek 9). Nejjednodušší je vybrat možnost na zeleném tlačítku „Instalovat pomocí zařízení“.

Obrázek 9: Simplicity Studio nabízí dvě cesty pro načítání softwarově specifické podpory projektu. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Pokud je vývojová deska instalována, aplikace Simplicity Studio by měla automaticky detekovat hardware, ale pokud ne, je snadné ručně vyhledat požadovaný softwarový balíček. Do vyhledávacího pole jednoduše zadejte „6050A“ (kratší verzi celého jména vývojového kitu), jak je znázorněno na obrázku 10. Poklepejte na balíček softwarové podpory a klepněte na tlačítko Další.

Obrázek 10: Zadejte „6050A“ do vyhledávacího pole a software rychle vyhledá požadovaný softwarový balíček pro danou vývojovou desku. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Dále Simplicity Studio zvýrazní softwarovou podporu dostupnou pro daný hardware. V některých případech nebudou některé softwarové moduly přístupné. Je nutné, aby uživatel získal licenci k software nebo dokončil registraci hardware. V důsledku toho mohou být některé možnosti zašedlé a dočasně nedostupné, jak je znázorněno na obrázku 11.

Obrázek 11: Přístup k některému softwaru je podmíněn hardwarovým ověřením nákupu nebo dodatečným licencováním softwaru. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Nakonec Simplicity Studio ukáže zdlouhavý seznam veškerého software, který hodlá instalovat, včetně jednoho nebo více kompilátorů C, volitelných operačních systémů v reálném čase, nástrojů pro profilování a mnoha dalších možností (Obrázek 12). Určité možnosti lze v případě potřeby ručně aktivovat nebo deaktivovat, ale obecně je nejlepší přijmout doporučení. Až budete připraveni, klepněte na tlačítko Další.

Obrázek 12: Nakonec Simplicity Studio ukáže seznam software. Určité možnosti lze v případě potřeby ručně aktivovat nebo deaktivovat, ale obecně je nejlepší přijmout doporučení. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Jako poslední krok Simplicity Studio zobrazí svou licenční smlouvu, která pokrývá všechny softwarové komponenty, které má nainstalovat. Přečtěte si je a přijměte licenční podmínky a poté klepněte na tlačítko Další.

Instalace software bude trvat několik minut. Po dokončení zavřete a restartujte aplikaci Simplicity Studio. Vše je pak připraveno k vývoji software pro aplikace typu Z-Wave, včetně několika jednoduchých přednastavených demo programů a příkladů kódu, které lze upravit pro danou aplikaci.

Závěr

Vytvoření nového síťového zařízení Z-Wave mesh je jednoduché. Stačí použít předkonfigurovanou sadu hardware a software. Související vývojový kit poskytuje hardware a software potřebný k rychlému vybudování dvouuzlové sítě. Součástí je také mnoho příkladů, které lze přizpůsobit dané aplikaci.

Článek vyšel v originále „Z-Wave in Near Zero Time: Two Pre-Certified Solutions for Smart Home Networks"  na webu DigiKey.com, autorem je Jim Turley