EUR | USD

Z-Wave in een mum van tijd: twee voorgecertificeerde oplossingen voor intelligente thuisnetwerken

By Jim Turley

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Z-Wave®, dat de nadruk legt op gebruiksgemak en interoperabiliteit, is een van de toonaangevende draadloze netwerktechnologieën voor consumenten- en "intelligente woning"-toepassingen. Het is voor ontwerpers echter een uitdaging om het kenmerkende gebruiksgemak van Z-Wave te bereiken en de conformiteit van ieder apparaat met Z-Wave moet officieel worden gecertificeerd voordat het de markt op mag.

Die uitdagingen geven een toepassing extra kosten en ontwikkelingstijd, terwijl het voor een succesvol ontwerp juist van essentieel belang is om die tot een minimum te beperken. Tenzij er gedegen expertise op het gebied van radiofrequentie (RF)-hardware en firmware in huis is, doen ontwerpers er goed aan om voorgecertificeerde onderdelen en bestaande oplossingen te kiezen. RF-ontwerp is geen gebied om te moeten leren en mee te experimenteren voor een ontwerp dat hoogstwaarschijnlijk een strak schema en een beperkt budget heeft; de nuances van RF-propagatie en de koppelingseffecten on-board en in de omgeving zijn te ingewikkeld en complex.

In dit artikel worden een paar basisprincipes van draadloze mesh-netwerken beschreven en van Z-Wave in het bijzonder. Als voorbeeld worden dan de met Z-Wave compatibele microcontrollerchipfamilie van de 700-serie en bijbehorende ontwikkelingstools van Silicon Labs voorgesteld, om te laten zien hoe je snel een werkend en certificeerbaar Z-Wave-netwerk kunt creëren dat geschikt is voor nieuwe consumentenapparaten.

Wat is Z-Wave?

Z-Wave is één van de vele concurrerende standaards voor draadloze mesh-netwerken voor woningen (Afbeelding 1). Andere standaards zijn Zigbee, Thread en Insteon. Hoewel Wi-Fi en Bluetooth oorspronkelijk niet met mesh-mogelijkheden zijn ontwikkeld, zijn ze bijgewerkt voor mesh-netwerken zodat ook zij nu concurreren op dit gebied, zij het met andere vermogensniveaus en gegevenssnelheden.

Ieder draadloos netwerk heeft zijn voor- en nadelen, maar Z-Wave is specifiek ontwikkeld voor goedkope consumentenapparaten met een laag energieverbruik en is altijd in ontwikkeling om aan nieuwe behoeften te voldoen.

Schema van Z-Wave is een draadloze mesh-netwerktechnologieAfbeelding 1: Z-Wave is een draadloze mesh-netwerktechnologie voor woningen, die altijd in ontwikkeling is om aan nieuwe toepassingsvereisten te voldoen. (Bron afbeelding: Digi-Key, van Silicon Labs-materiaal)

In een mesh-netwerk kunnen datapakketten van het ene apparaat op het netwerk naar het andere "springen" (hoppen) totdat ze een doelapparaat bereiken. Twee apparaten hoeven dus niet persé binnen zendbereik van elkaar te zijn. Zolang het apparaat binnen het bereik van ten minste één ander apparaat op het netwerk is, kan dat apparaat de gegevens doorsturen naar het volgende apparaat binnen bereik, en zo verder totdat de gegevens hun bestemming bereiken. Er kunnen diverse verschillende routes zijn tussen twee apparaten in het netwerk, en daarom bepaalt het mesh-protocol de kortste en meest efficiënte route. Hoe meer verbonden apparaten per netwerk, hoe beter het redundantieniveau en hoe robuuster het netwerk.

Dit netwerkhoppen is een eenvoudig concept, maar is moeilijk te implementeren in de praktijk. Ieder Z-Wave-apparaat, of node, moet kunnen communiceren met iedere andere node, los van de fabrikant, functies, leeftijd, serie of revisieniveau van de firmware. Als onderdeel van een mesh-netwerk moeten nodes kunnen optreden als initiators, doelen of tussenstops tussen andere nodes die buiten bereik van elkaar zijn. Iedere node moet ook gegevens op toepassingsniveau en opdrachten met iedere andere node kunnen uitwisselen. Consumenten kunnen nodes op ieder gewenst moment toevoegen (of verwijderen) en het netwerk moet dan robuust blijven en probleemloos en zonder onderbreking blijven werken. Voor het gebruiksgemak moeten nodes zich op het netwerk kunnen aansluiten (en het kunnen verlaten) en werken zonder gecompliceerde gebruikersset-up, zonder DIP-schakelaars, zonder service set identifier (SSID) of wachtwoord, en mogelijk zonder toetsenbord, muis of welke soort gebruikersinterface dan ook.

Aan de technische kant is Z-Wave een draadloos lagesnelheidsnetwerk met laag vermogen. De gegevenssnelheid is beperkt tot 100 kilobit per seconde (kbps), hoewel de snelheden normaal gesproken dichter bij 40 kbps liggen. Het typische werkbereik is in de orde van grootte van 30 meter (m) tot 40 m, afhankelijk van de RF-componenten van het netwerk, de ontwerplay-out en de plaatsing van de antenne en van omgevingsfactoren zoals muren en interferentie uit de omgeving. Omdat het een mesh-netwerk is en geen point-to-point netwerk zoals Wi-Fi of Bluetooth, springen Z-Wave-gegevenspakketten vaak van de ene node naar de andere en breiden zo het effectieve bereik uit tot enkele honderden meters van eind tot eind, wat voor een uitgebreide dekking zorgt voor toepassingen voor het huis.

Aangezien Z-Wave in het sub 1 gigahertz-gedeelte (GHz) van de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) band werkt (908.42 megahertz (MHz) in Noord-Amerika en 868.42 Mhz in Europa), is het niet onderhevig aan interferentie van Wi-Fi of Bluetooth. Terwijl Zigbee ook in datzelfde gedeelte van de ISM-band kan werken, wordt het gewoonlijk geïmplementeerd in de populairdere 2.4 Ghz-band, die wereldwijd breder aanvaard is. Dit betekent ook dat Z-Wave-apparaten gewoonlijk geen interferentie hebben met deze andere draadloze netwerken.

Inleiding op Zen Gecko

Silicon Labs produceert een breed assortiment goedkope microcontrollers met een laag verbruik in de Gecko-familie. De productboom is verder vertakt in diverse toepassingsspecifieke gebieden, zoals de "Zen Gecko"-tak voor Z-Wave-ontwikkeling.

Het bedrijf biedt twee verschillende Z-Wave-apparaten in zijn Zen Gecko-familie. Eén daarvan is een "intelligente modem"-chip en de andere is een compleet zelfstandige module-on-chip. De modemchip (onderdeelnummer EFR32ZG14P231F256GM32-BR) is ontworpen voor gebruik in combinatie met een host-processor, terwijl de module (ZGM130S037HGN1R) zelfstandig kan worden gebruikt, vrijwel zonder externe componenten.

Beide apparaten zijn gebaseerd op een 39 MHz Arm® Cortex®-M4 microcontrollerkern, hoewel ze anders worden geïmplementeerd. De architectuur van de Cortex van Arm is een modern, op RISC gebaseerd microcontrollerontwerp dat breed wordt ondersteund met software- en hardware-ontwikkelingstools van honderden verkopers.

In het geval van de 'ZG14-modemchip, wordt de interne Cortex-M4 voorgeprogrammeerd geleverd met de Z-Wave-protocolstapel. De processor is niet beschikbaar voor de gebruiker en is in wezen onzichtbaar voor ontwikkelaars. Dit geeft de modemchips de mogelijkheid om complexe Z-Wave-protocollen te verwerken, maar er is ook de een of andere externe processor nodig voor toepassingscode. Dit maakt de 'Z14 een goede keuze voor relatief complexe producten die de ruimte- en prestatie-eisen hebben om een aparte microprocessor of microcontroller te kunnen ondersteunen. Het maakt Z-Wave-compatibiliteit ook eenvoudig toe te voegen aan een bestaand product door de 'ZG14 smart modem toe te voegen en enkele signalen en RF-componenten te verbinden.

De '130S-module daarentegen is volledig zelfstandig en kan op zichzelf worden gebruikt als de enige microcontroller in het product. De module laat zijn interne Cortex-M4 aan de ontwerper zien, die deze vrij kan gebruiken voor toepassingscode. De '130S-module is fysiek groter dan de 'ZG14 smart modem, maar heeft ook veel meer functionaliteit, inclusief analoog-naar-digitaal- (ADC) en digitaal-naar-analoog (DAC)-converters, analoge vergelijkers, een capacitieve sensorinterface (voor touchscreens), tellers, timers, watchdogs en UART's, onder andere. De module heeft weinig meer nodig dan voedings-, aarde- en antenneverbindingen om een volledig functionerende Z-Wave-controller te maken.

Samen vormen deze twee apparaten de 700 serie, de nieuwste Z-Wave-componenten van Silicon Labs die voldoen aan de nieuwste Z-Wave-specificaties. Met name ondersteunen ze bijgewerkte veiligheidsfuncties (Security-2, of S2) en SmartStart, een vereenvoudigde gebruikers-setupoptie. De beide apparaten ondersteunen alle drie de Z-Wave-gegevenssnelheden (9.6, 40 en 100 kbps) en alle globale frequentiebanden. Zoals alle Z-Wave-apparaten zijn ze achterwaarts compatibel met alle vorige Z-Wave-apparaten en -controllers.

Gebruikers die al ervaring hebben met het gebruik van de op 8051 gebaseerde Z-Wave-apparaten van Silicon Labs (de "500-serie"), kunnen eventueel sommige of alle bepaalde code overbrengen naar de nieuwere op Arm gebaseerde apparaten. Om daarbij te helpen, biedt Silicon Labs softwarebibliotheken en "bouwstenen" om de overgang te vergemakkelijken. Oudere 8051-code wordt misschien niet eenvoudig opnieuw gecompileerd in nieuwere Arm-code, maar de codebibliotheken kunnen daar enorm bij helpen.

In de EFR32ZG14 Z-Wave-chip

De EFR32ZG14 is een smart modem system-on-chip (SoC) met een eenvoudig concept (Afbeelding 2). Hij bevat een tweedraads seriële interface naar/van een externe hostprocessor, een interne Arm Cortex-M4 MCU-kern om de Z-Wave-protocolstapel te verwerken en een radiosectie die bijna alle componenten levert die nodig zijn voor een fysieke radio.

Blokdiagram van de EFR32ZG14 Zen Gecko modem SoC van Silicon LabsAfbeelding 2: Blokdiagram van de EFR32ZG14 Zen Gecko modem SoC. De chip werkt als smart modem voor het Z-Wave-mesh-netwerk. De enige externe interfaces zijn een UART naar/van de hostprocessor en een radio-transceiver. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

In werking communiceert de ’ZG14 met een hostprocessor via een eenvoudige UART-interface met tot 115.200 baud. Er zijn slechts twee signaalkabels nodig, zenden en ontvangen. De hostprocessor zendt opdrachten en gegevens over deze UART-interface en de 'ZG14 antwoordt. Een derde signaal voor het resetten van de 'ZG14, RESETn, kan worden aangedreven door iedere bruikbare I/O-pin op de hostprocessor.

Er zijn maar drie digitale lijnen nodig naar/van de hostprocessor, vier digitale signalen tussen de 'ZG14 en een eenvoudige IPD (geïntegreerd passief apparaat), een kristal en een handvol eenvoudige analoge componenten (Afbeelding 3).

Ontwerpers kunnen er eventueel voor kiezen om een actief-laag SUSPEND-signaal te verbinden, dat de 'ZG14 in een laagvermogensstand plaatst en alle radiocommunicatie stopt. Afhankelijk van de bedoelde toepassing kan de 'ZG14 dan ook de meeste tijd doorbrengen in deze uitgestelde staat om energie te besparen.

Er is ook een optionele verbinding met drie draden naar het interne flashgeheugen van de chip, waarmee ontwikkelaars de 'ZG14-firmware zonder onderbreking kunnen herprogrammeren. Die firmware wordt in binaire vorm geleverd door Silicon Labs. Zoals eerder vermeld, is de firmware op de 'ZG14 niet bedoeld voor gebruikerscode.

Schema van de EFR32ZG14 Zen Gecko implementatie van Silicon LabsAfbeelding 3: In een typische EFR32ZG14 Zen Gecko-implementatie heeft de smart modem chip ~20 externe componenten nodig en alleen een eenvoudige driedraads seriële interface naar de hostprocessor. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Het gebruik van een akoestisch oppervlakte-golffilter (surface acoustic wave, SAW), dat in Afbeelding 3 te zien is, is optioneel en kan afhangen van de geografische locatie waar het eindproduct wordt gebruikt: in sommige regio's van de wereld is een SAW-filter nodig en in andere niet. Ontwerpers kunnen ook een SAW-filterblok gebruiken en dat zonder onderbrekingen configureren via de twee uitgangspennen SAW0 en SAW1 op de 'ZG14. Daardoor kan het eindproduct zich aanpassen aan iedere regio, waardoor ontwerp, productie en opslag eenvoudiger worden.

In de ZGM130S Z-Wave-module

De '130S-module is veel complexer en krachtiger dan de 'ZG14-modem SoC. Silicon Labs noemt het een system-in-package (SiP). Zoals de naam al doet vermoeden, is de '130S in wezen meerdere chips in één, waardoor het een zelfstandige microcontroller en Z-Wave-controller wordt (Afbeelding 4).

Blokdiagram van de ZGM130S SiP-module van Silicon Labs (klik om te vergroten)Afbeelding 4: Blokdiagram van de ZGM130S SiP-module. De SiP is een zelfstandige microcontroller en Z-Wave-controller, met een Arm Cortex M4 en veel analoge en digitale I/O's beschikbaar voor de ontwikkelaar. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

De centrale Arm Cortex-M4-processorkern van de module heeft een snelheid van 39 Mhz en heeft 512 Kbytes flashgeheugen en 64 Kbytes SRAM. Het grootste gedeelte van dat geheugen is beschikbaar voor de gebruiker, omdat de Z-Wave-protocolstapels al in het radiotransceiverblok van de module zijn opgenomen, links boven in het blokdiagram. Dit blok is helemaal gelijk aan de 'ZG14 smart modem-chip.

De '130S heeft zijn eigen interne DC/DC-regelaar en intern kristal en heeft dus geen externe klokcomponenten nodig. De module bevat ook diverse analoge en digitale randapparaten, zoals ADC's en DAC's, een temperatuursensor, twee analoge vergelijkers, drie operationele versterkers, een capacitieve sensorinterface, een DMA-controller, 32 algemene I/O-pennen en meer. Het LGA64-pakket voor de '130S is pen-beperkt, dus afhankelijk van de softwareconfiguratie zijn mogelijk niet alle I/O-pennen altijd beschikbaar.

Hoewel de '130S in een pakket met 64 leads zit, zijn de externe verbindingen kinderlijk eenvoudig. Zoals te zien is op Afbeelding 5 en 6, heeft het apparaat alleen eenvoudige bypass-condensators nodig voor vermogen/aarde en een enkele verbinding voor de antenne. De resterende pennen zijn beschikbaar voor gebruikers-I/O.

Schema van de ZGM130S SiP-module van Silicon LabsAfbeelding 5: De ZGM130S SiP-module heeft alleen een paar bypass-condensators nodig. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Schema van de ZGM130S SiP-module van Silicon Labs bevat vrijwel alle radiocomponentenAfbeelding 6: De ZGM130S SiP-module bevat vrijwel alle radiocomponenten en heeft alleen een eendraads-interface naar een antenne. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Beginnen met de starterkit

De makkelijkste manier om Z-Wave-ontwikkeling te beginnen met de Zen Gecko-familie is waarschijnlijk met de Z-Wave 700 starterkit. De kit bevat twee stuks van alles wat nodig is voor een minimaal netwerk met twee nodes: twee hoofdkaarten, twee radiokaarten, twee uitbreidingskaarten met schakelaars en leds, twee flexibele antennes en twee USB-kabels. Er worden ook twee USB-dongles bij geleverd voor gebruik met een pc: de ene is geladen met een Z-Wave-sniffertoepassing (Zniffer) en de andere met Z-Wave-controllerfunctionaliteit. De hardware en bijgeleverde software ondersteunen alle Z-Wave-opties en -protocollen in alle wereldwijde geografische regio's.

Eén set kaarten, met de radiokaart bovenop aangesloten en de uitbreidingskaart rechts, is te zien op Afbeelding 7. De hoofdkaart is niet voorzien van de ZGM130S SiP; die component is op de radiokaart gemonteerd. Op de hoofdkaart neemt een bitmapped LCD, die handig is voor debuggen of GUI-ontwikkeling, een prominente plaats in.

Afbeelding van de SLWSTK6050AZ-Wave 700-starterkit van Silicon LabsAfbeelding 7: Eén SLWSTK6050A Z-Wave 700-starterkit bevat twee identieke sets hoofdkaarten, radiokaarten en uitbreidingskaarten om een klein Z-Wave-netwerk te kunnen bouwen. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Software-installatie

Simplicity Studio is de geïntegreerde alles-in-een ontwikkelingsomgeving (integrated development environment - IDE) van Silicon Labs voor de vele microcontrollers van het bedrijf, waaronder Zen Gecko. Het ondersteunt Windows, MacOS en Linux.

De installatie- en configuratieprocedure is eenvoudiger als één van de hoofdkaarten uit de ontwikkelingskit (het maakt niet uit welke) is verbonden met het ontwikkelingssysteem terwijl Simplicity Studio wordt geïnstalleerd. De IDE detecteert de hardware en laadt automatisch de benodigde software-ondersteuning daarvoor.

Als de hardware niet beschikbaar is, kan deze configuratie handmatig worden uitgevoerd, zoals hier wordt beschreven:

Klik wanneer Simplicity Studio draait op de groene pijl bij de rechter bovenhoek (Afbeelding 8).

Afbeelding van hoofdscherm van de Simplicity Studio-IDEAfbeelding 8: Het hoofdscherm van de Simplicity Studio-IDE. De downloadlink is gemarkeerd. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Simplicity Studio geeft twee opties: "Installeren per apparaat" of "Installeren per productgroep" (Afbeelding 9). Uiteindelijk zullen beide opties hetzelfde resultaat opleveren, maar het is gemakkelijker om de eerste te selecteren, dus klik op de grote groene knop "Install by Device" (installeren per apparaat).

Afbeelding van Simplicity Studio biedt twee routesAfbeelding 9: Simplicity Studio biedt twee routes voor het laden van projectspecifieke software-ondersteuning. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Als het ontwikkelingsbord is geïnstalleerd, zou Simplicity Studio het automatisch moeten detecteren, maar als dat niet gebeurt, kan het vereiste softwarepakket gemakkelijk handmatig worden gevonden. Voer gewoonweg "6050A" in (een verkorte versie van de volledige naam van de ontwikkelingskit) in het zoekveld, zoals te zien is op Afbeelding 10. Dubbelklik op het gesuggereerde software-ondersteuningspakket en klik vervolgens op Next (Volgende).

Afbeelding van "6050A" invoeren in het zoekveld van Simplicity StudioAfbeelding 10: Door "6050A" in het zoekvenster te typen, wordt de benodigde software voor het ontwikkelingsbord snel gevonden. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Vervolgens zal Simplicity Studio de aanvullende software-ondersteuning markeren die voor deze hardwareconfiguratie beschikbaar is. In sommige gevallen zijn bepaalde softwaremodules beperkt tot gebruikers die aanvullende licentie-overeenkomsten hebben ingevuld en/of de hardware hebben geregistreerd. Daarom kunnen sommige opties grijs worden weergegeven en tijdelijk niet beschikbaar zijn, zoals te zien is op Afbeelding 11.

Afbeelding van Simplicity Studio scherm aankoopbewijs hardwareAfbeelding 11: Toegang tot bepaalde software is afhankelijk van het aankoopbewijs van de hardware of aanvullende software-licenties. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Tot slot presenteert Simplicity Studio een uitgebreid manifest van alle software die het gaat installeren, waaronder een of meer C-compilers, optionele real-time besturingssystemen, profileringstools en vele andere opties (Afbeelding 12). Bepaalde opties kunnen indien gewenst handmatig worden in- of uitgeschakeld, maar over het algemeen is het het beste om de gesuggereerde sofware-loadout te accepteren. Klik na afloop op Next.

Afbeelding van afsluitend software-manifest voor Simplicity StudioAfbeelding 12: Afsluitend software-manifest voor Simplicity Studio. Bepaalde opties kunnen indien gewenst handmatig worden in- of uitgeschakeld, maar over het algemeen is het het beste om de gesuggereerde sofware-loadout te accepteren. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Als laatste stap toont Simplicity Studio de master-softwarelicentieovereenkomst die alle softwarecomponenten dekt die zullen worden geïnstalleerd. Lees en accepteer de licentie en klik dan nog één keer op Next.

De installatie van de software duurt enkele minuten. Na afloop moet je Simplicity Studio sluiten en opnieuw starten. Alles is klaar om te beginnen met het creëren van Z-Wave mesh-netwerktoepassingen, inclusief een aantal eenvoudige voorgeconfigureerde demoprogramma's en voorbeeldcode die kan worden gewijzigd, om ontwikkelaars te helpen om met de kit aan de slag te gaan.

Conclusie

Z-Wave is bedoeld om eenvoudig te kunnen worden gebruikt door consumenten, maar die bruikbaarheid verhult een hoop onderliggend ontwikkelings- en certificertingswerk van ontwikkelaars. Het creëren van een nieuw Z-Wave-mesh-netwerk is echter eenvoudig als een ontwikkelaar ervoor kiest om een voorgeconfigureerde kit met compatibele hardware en vooraf geteste software te gebruiken. De Z-Wave 700-serie modem SoC, SiP-module en bijbehorende ontwikkelingskit bieden de benodigde hardware en software om snel een netwerk met twee nodes te bouwen dat compatibiliteit garandeert met dit complexe maar zeer efficiënte protocol.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Jim Turley

Voordat Jim Turley een technologie-analist en schrijver werd, die zich vooral met microprocessors, halfgeleidertechnologie en embedded systemen bezighoudt, was hij een hardware-engineer. Van 2001 tot 2018 runde hij het analistenbureau Silicon Insider. Daarvoor was hij president en CEO van een klein, op de beurs genoteerd bedrijf dat zich bezighield met microprocessor IP (intellectual property - intellectueel eigendom), na als senior-vicepresident marketing voor nog een ander bedrijf voor microprocessor-licentieverlening te hebben gewerkt. Hij is de auteur van zeven boeken, werkte als hoofdredacteur van Microprocessor Report en Embedded Systems Design en was conferentievoorzitter voor de Embedded Systems Conference (ESC).

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key