什么是Z-Wave?如何快速构建经认证的可用Z-Wave网络

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。

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。

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。

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）。

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。