Z-Wave in tempi prossimi allo zero: due soluzioni precertificate per reti di domotica

Puntando alla facilità d'uso e all'interoperabilità, Z-Wave^® è diventata una delle tecnologie di rete wireless di punta per applicazioni consumer e di domotica. Tuttavia, raggiungere la facilità d'uso che contraddistingue Z-Wave rappresenta una sfida per i progettisti e, prima che ogni dispositivo basato su Z-Wave possa essere immesso sul mercato, occorre certificarne ufficialmente la conformità.

Queste sfide fanno lievitare i costi e i tempi di sviluppo in applicazioni in cui invece, perché una progettazione abbia successo, è fondamentale ridurre al minimo entrambi. A meno che un'azienda non abbia solide competenze hardware e firmware in materia di radiofrequenza (RF), è preferibile che i progettisti scelgano componenti pre-certificati e soluzioni pre-esistenti. La progettazione RF non è un'area che si presti a periodi di apprendimento e sperimentazione se un progetto ha tempi e budget ristretti. Le sottigliezze della propagazione RF e i suoi effetti di accoppiamento ambientale e su scheda sono troppo intricati e complessi.

Questo articolo descriverà alcuni dei principi base della rete a maglie wireless e Z-Wave in particolare. A titolo di esempio, verrà poi presentata la famiglia di microcontroller compatibile con Z-Wave della serie 700 e i relativi tool di sviluppo di Silicon Labs per mostrare come creare rapidamente una rete Z-Wave funzionante e certificabile idonea per i nuovi dispositivi consumer.

Cos'è Z-Wave?

Z-Wave è uno dei molti standard concorrenti per le reti a maglie wireless domestiche (Figura 1). Tra gli altri standard, troviamo Zigbee, Thread e Insteon. Anche se in origine non erano stati progettati con capacità di rete a maglie, Wi-Fi e Bluetooth vi sono stati aggiornati per competere anche in questa tipologia di rete, pur se a diversi livelli di potenza e velocità di trasmissione dati.

Ogni rete wireless ha i suoi pro e contro, ma Z-Wave è stata progettata espressamente per dispositivi consumer a basso costo e a basso consumo e si sta evolvendo in continuazione per soddisfare le nuove esigenze.

Figura 1: Z-Wave è una tecnologia di rete a maglie wireless per la casa che è in continua evoluzione per soddisfare le nuove esigenze applicative. (Immagine per gentile concessione di DigiKey da materiale di Silicon Labs)

In una rete a maglie, i pacchetti di dati possono "saltare" da un dispositivo in rete a un altro finché non raggiungono quello di destinazione. Pertanto, non è necessario che due dispositivi si trovino l'uno nel raggio d'azione radio dell'altro. Finché un dispositivo si trova nel raggio d'azione di almeno un altro dispositivo della rete, potrà inoltrargli i dati e così a catena fino a quando non arrivano a destinazione. Due dispositivi della rete potrebbero essere uniti da diversi percorsi, per cui il protocollo di rete a maglie stabilirà qual è quello più breve ed efficiente. Maggiore è il numero di dispositivi collegati in una rete, maggiore è il livello di ridondanza e di robustezza della rete.

Dal punto di vista concettuale, questo salto di rete è semplice, ma metterlo in pratica è difficile. Ogni dispositivo Z-Wave, o nodo, deve essere in grado di comunicare con qualsiasi altro nodo, a prescindere dal produttore, dalle caratteristiche, dall'età, dalla portata o dal livello di revisione del firmware. In quanto membri di una rete a maglie, i nodi devono poter fungere da iniziatori, destinatari o intermediari tra altri nodi che sono fuori dalle rispettive portate. Ogni nodo deve inoltre poter scambiare dati e comandi a livello di applicazione con qualsiasi altro nodo. I consumatori possono aggiungere o rimuovere nodi in qualsiasi momento, ma la rete deve rimanere comunque robusta, funzionare regolarmente e senza interruzioni. Ai fini della facilità d'uso, i nodi devono poter entrare (e uscire) dalla rete e operare senza configurazioni utente complesse, senza interruttori DIP, senza SSID (Service Set Identifier) o password e possibilmente senza tastiera, mouse o interfaccia utente di alcun tipo.

Dal punto di vista tecnico, Z-Wave è una rete wireless a bassa velocità e basso consumo. La sua velocità di trasmissione dati è limitata a 100 kbps, anche se normalmente si aggira attorno a 40 kbps. La portata tipica va da 30 a 40 metri, a seconda dei componenti RF della rete, del layout di progetto e del posizionamento dell'antenna, oltre che di fattori ambientali come pareti e interferenze ambientali. Trattandosi di una rete a maglie e non punto-punto come Wi-Fi o Bluetooth, i pacchetti dati Z-Wave spesso saltano da un nodo all'altro, estendendo la portata effettiva ad alcune centinaia di metri da un'estremità all'altra e assicurando così un'ampia copertura per le applicazioni domestiche.

Operando nello spettro al di sotto di 1 GHz della banda industriale, scientifica e medicale (ISM) (908,42 MHz in Nord America e 868,42 MHz in Europa), Z-Wave non è soggetta a interferenze da Wi-Fi o Bluetooth. Zigbee può operare in quella stessa porzione della banda ISM, ma in genere viene implementato in quella più diffusa dei 2,4 GHz che gode di un'accettazione globale più ampia. Questo significa anche che i dispositivi Z-Wave di solito non interferiscono con queste altre reti wireless.

Introduzione a Zen Gecko

Silicon Labs produce un'ampia gamma di microcontroller a basso costo e a basso consumo della famiglia Gecko. L'albero dei prodotti è ulteriormente suddiviso in diverse aree specifiche, tra cui il ramo "Zen Gecko" per lo sviluppo di Z-Wave.

L'azienda offre due diversi dispositivi Z-Wave nella sua famiglia Zen Gecko. Uno è un chip "modem intelligente", l'altro è un modulo su chip completamente autonomo. Il chip modem (EFR32ZG14P231F256GM32-BR) è stato progettato per essere utilizzato in combinazione con un processore host, mentre il modulo (ZGM130S037HGN1R) può essere utilizzato da solo senza quasi nessun componente esterno.

Entrambi i dispositivi sono basati su un core del microcontroller Arm^® Cortex^®-M4 a 39 MHz, ma sono implementati in modo diverso. L'architettura Arm Cortex è un moderno progetto di microcontroller basato su RISC, ampiamente supportato da strumenti di sviluppo software e hardware di centinaia di fornitori.

Nel caso del chip modem ZG14, il Cortex-M4 interno viene fornito preprogrammato con lo stack di protocollo Z-Wave. Il processore non è reso disponibile all'utente, ed è essenzialmente invisibile agli sviluppatori. Il chip modem è in grado di elaborare protocolli Z-Wave complessi, ma richiede anche un processore esterno per il codice applicativo. ZG14 è quindi una buona scelta per prodotti relativamente complessi con i requisiti di spazio e prestazioni richiesti per supportare un microprocessore o un microcontroller separato. Se si aggiunge il modem intelligente ZG14 e si collegano alcuni segnali e componenti RF, è inoltre facile integrare la compatibilità Z-Wave in un prodotto esistente.

Il modulo 130S, invece, è completamente autonomo e può essere utilizzato a se stante, come microcontroller unico del prodotto. Espone il suo Cortex-M4 interno allo sviluppatore, che è libero di utilizzarlo per il codice dell'applicazione. Il modulo 130S è fisicamente più grande del modem intelligente ZG14, ma è dotato di molte più funzionalità, tra cui convertitori analogico/digitale (ADC) e digitale/analogico (DAC), comparatori analogici, interfaccia di rilevamento capacitivo (per touchscreen), contatori, timer, watchdog e UART. Per realizzare un controller Z-Wave perfettamente funzionante, il modulo richiede poco altro a parte collegamenti di alimentazione, terra e antenna.

Entrambi i dispositivi comprendono la Serie 700, i più recenti componenti Z-Wave di Silicon Labs conformi alle ultime specifiche Z-Wave. In particolare, supportano funzioni di sicurezza aggiornate (Security-2, o S2) e SmartStart, un'opzione di configurazione utente semplificata. Entrambi supportano tutte e tre le velocità di trasmissione dati Z-Wave (9,6, 40 e 100 kbps) e tutte le bande di frequenza globali. Come tutti i dispositivi Z-Wave, sono compatibili con tutti i precedenti dispositivi e controller Z-Wave.

Gli utenti con esperienza di dispositivi Z-Wave basati su 8051 di Silicon Labs (la "Serie 500") potrebbero voler portare parte o tutto il codice esistente nei nuovi dispositivi basati su Arm. Per aiutarli in questa transizione, Silicon Labs fornisce librerie software e componenti costitutivi. Il vecchio codice 8051 potrebbe non venire ricompilato nel codice Arm più recente, ma le librerie di codice dovrebbero essere di grande aiuto.

All'interno del chip Z-Wave EFR32ZG14

EFR32ZG14 è un system-on-chip (SoC) modem intelligente concettualmente semplice (Figura 2). Include un'interfaccia seriale a due fili da/verso un processore host esterno, un core MCU Arm Cortex-M4 interno per elaborare lo stack di protocollo Z-Wave e una sezione radio che fornisce quasi tutti i componenti richiesti per una radio fisica.

Figura 2: Diagramma a blocchi del SoC modem Zen Gecko EFR32ZG14. Il chip funge da modem intelligente per la rete a maglie Z-Wave. Le sue uniche interfacce esterne sono una UART da/per il processore host e un transceiver radio. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Quando è in funzione, ZG14 comunica con un processore host tramite una semplice interfaccia UART fino a 115.200 baud. Sono richiesti solo due fili di segnale: uno per trasmettere e uno per ricevere. Il processore host invia comandi e dati attraverso questa interfaccia UART e ZG14 risponde. Un terzo segnale per il reset di ZG14, RESETn, può essere pilotato da un qualsiasi pin I/O idoneo del processore host.

Servono solo tre linee digitali per/dal processore host, quattro segnali digitali tra ZG14 e un semplice IPD (dispositivo passivo integrato), un cristallo e una manciata di semplici componenti analogici (Figura 3).

Opzionalmente, i progettisti possono scegliere di collegare un segnale SUSPEND attivo-basso, che mette ZG14 in stato di basso consumo e arresta tutte le comunicazioni radio. A seconda dell'applicazione prevista, ZG14 può di fatto trascorrere la maggior parte del suo tempo in questo stato di sospensione per risparmiare energia.

Vi è anche una connessione opzionale a tre fili alla memoria flash interna del chip, che consente agli sviluppatori di riprogrammare al volo il firmware di ZG14. Silicon Labs fornisce questo firmware in forma binaria. Come accennato in precedenza, il firmware di ZG14 non è destinato al codice utente.

Figura 3: In una tipica implementazione di Zen Gecko EFR32ZG14, il chip modem intelligente richiede circa 20 componenti esterni e solo una semplice interfaccia seriale a tre fili con il processore host. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

L'uso di un filtro a onda acustica di superficie (SAW) mostrato nella Figura 3 è opzionale e potrebbe dipendere dalla posizione geografica del prodotto finale: alcune regioni del mondo richiedono un filtro SAW, altre no. I progettisti potrebbero anche scegliere di includere un banco di filtri SAW e configurarlo al volo attraverso i due pin di uscita SAW0 e SAW1 di ZG14. Il prodotto finale potrebbe così adattarsi a qualsiasi regione, semplificando di conseguenza la progettazione, la produzione e la creazione degli inventari.

All'interno del modulo Z-Wave ZGM130S

Il modulo 130S è molto più complesso e potente del SoC modem ZG14. Silicon Labs lo chiama system-in-package (SiP). Come suggerisce il nome, 130S è essenzialmente costituito da più chip in uno, il che ne fa un microcontroller e un controller Z-Wave autonomo (Figura 4).

Figura 4: Diagramma a blocchi del modulo SiP ZGM130S. SiP è un microcontroller e controller Z-Wave autonomo, con un Arm Cortex-M4 e numerosi I/O analogici e digitali a disposizione dello sviluppatore. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Il core del processore Arm Cortex-M4 centrale del modulo funziona a 39 MHz e comprende 512 kB di memoria flash e 64 kB di SRAM. La maggior parte di questa memoria è disponibile per l'utente, perché gli stack di protocollo Z-Wave sono già incorporati nel blocco del transceiver radio del modulo, come si può vedere in alto a sinistra del diagramma a blocchi. Questo blocco equivale di fatto al chip modem intelligente ZG14.

130S è dotato di un proprio regolatore c.c./c.c. interno e di un cristallo interno, per cui non ha bisogno di componenti esterni di temporizzazione. Il modulo include diverse periferiche analogiche e digitali, tra cui ADC e DAC, un sensore di temperatura, due comparatori analogici, tre amplificatori operazionali, un'interfaccia di rilevamento capacitivo, un controller DMA, 32 pin I/O per uso generale e altro ancora. Il contenitore LGA64 per 130S ha una limitazione di pin, quindi a seconda della configurazione del software non tutti i pin I/O possono essere sempre disponibili.

Sebbene 130S sia alloggiato in un contenitore a 64 conduttori, le sue connessioni esterne sono estremamente semplici. Come mostrano le Figure 5 e 6, il dispositivo richiede solo semplici condensatori di bypass per l'alimentazione/terra e un unico collegamento per l'antenna. I restanti pin sono disponibili per l'I/O utente.

Figura 5: Il modulo SiP ZGM130S richiede solo un paio di condensatori di bypass. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Figura 6: Il modulo SiP ZGM130S di Silicon Labs include praticamente tutti i componenti radio e ha solo un'interfaccia a filo singolo con un'antenna. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Il punto di partenza è lo starter kit

Probabilmente il modo più semplice per iniziare a sviluppare Z-Wave con la famiglia Zen Gecko è usare lo starter kit Z-Wave 700. Il kit include un doppio set di tutto ciò che serve per una rete minima a due nodi: due schede principali, due schede radio, due schede di espansione con interruttori e LED, due antenne flessibili e due cavi USB. Viene anche fornito con due dongle USB per l'uso con un PC: uno è caricato con un'applicazione sniffer radio Z-Wave (Zniffer) e l'altro con funzionalità controller Z-Wave. L'hardware e il software inclusi supportano tutte le opzioni e i protocolli Z-Wave in tutte le regioni geografiche globali.

Nella Figura 7 è raffigurato un set di schede: quella radio inserita nella parte superiore e quella di espansione a destra. La scheda principale non include il SiP ZGM130S che è montato sulla scheda radio. La scheda principale presenta invece un LCD bitmap che è utile per il debug o lo sviluppo di interfacce grafiche.

Figura 7: Uno starter kit Z-Wave 700 SLWSTK6050A include due set identici di schede principali, schede radio e schede di espansione per creare una piccola rete Z-Wave. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Installazione del software

Simplicity Studio è l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) "tutto in uno" di Silicon Labs per molti microcontroller della società, fra cui Zen Gecko. Supporta Windows, MacOS e Linux.

Il processo di installazione e configurazione sarà più facile se una delle schede principali del kit di sviluppo (non importa quale) è collegata al sistema di sviluppo mentre è in corso l'installazione di Simplicity Studio. L'IDE rileverà l'hardware e caricherà automaticamente il supporto software richiesto.

Se l'hardware non è disponibile, è possibile eseguire questa configurazione manualmente, come descritto qui:

Una volta che Simplicity Studio è in esecuzione, fare clic sulla freccia verde vicino all'angolo in alto a destra (Figura 8).

Figura 8: La schermata principale dell'IDE Simplicity Studio. Il link per il download è evidenziato. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Simplicity Studio presenterà due opzioni: "Install by Device" (Installazione in base al dispositivo) e "Install by Product Group" (Installazione in base al gruppo di prodotti) (Figura 9). Entrambe le opzioni produrranno lo stesso risultato, ma è più facile selezionare la prima, quindi fare clic sul grande pulsante verde "Install by Device".

Figura 9: Simplicity Studio offre due percorsi per caricare il software specifico per il progetto. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Se è installata la scheda di sviluppo, Simplicity Studio dovrebbe rilevare automaticamente l'hardware ma, anche se non lo facesse, è facile individuare manualmente il pacchetto software richiesto. Basta digitare "6050A" (una versione più breve del nome completo del kit di sviluppo) nella casella di ricerca, come mostrato nella Figura 10. Fare doppio clic sul pacchetto di supporto software suggerito, quindi fare clic su Next.

Figura 10: Digitando "6050A" nella casella di ricerca, il software richiesto per la scheda di sviluppo viene individuato rapidamente. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Simplicity Studio evidenzierà poi il supporto software aggiuntivo disponibile per questa configurazione hardware. In alcuni casi, alcuni moduli software saranno riservati agli utenti che hanno firmato contratti di licenza supplementari e/o hanno registrato l'hardware. Di conseguenza, alcune opzioni potrebbero essere disattivate e temporaneamente non disponibili, come mostrato nella Figura 11.

Figura 11: L'accesso ad alcuni software dipende dalla prova di acquisto dell'hardware o da altre licenze software. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Infine, Simplicity Studio presenterà un lungo elenco di tutto il software che intende installare, fra cui uno o più compilatori C, sistemi operativi opzionali in tempo reale, strumenti di profilazione e molte altre opzioni (Figura 12). Alcune opzioni possono essere attivate o disattivate manualmente, se lo si desidera, ma in genere è meglio accettare la dotazione software suggerita. Quando si è pronti, fare clic su Next.

Figura 12: Elenco finale del software per Simplicity Studio Alcune opzioni possono essere attivate o disattivate manualmente, se lo si desidera, ma in genere è meglio accettare la dotazione software suggerita. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Da ultimo, Simplicity Studio mostrerà il suo contratto di licenza software principale che copre tutti i componenti software che sta per installare. Leggere e accettare la licenza, quindi fare clic su Next per l'ultima volta.

L'installazione del software richiede diversi minuti. Al termine, chiudere e riavviare Simplicity Studio. Tutto è pronto per iniziare a creare applicazioni di rete a maglie Z-Wave, inclusi alcuni semplici programmi demo preconfigurati e un codice di esempio che può essere modificato per permettere agli sviluppatori di partire col piede giusto.

Conclusione

Z-Wave è stato studiato per facilitarne l'uso da parte dei consumatori, ma questa facilità d'uso nasconde un enorme lavoro di sviluppo e certificazione da parte dei progettisti. Tuttavia, creare un nuovo dispositivo di rete a maglie Z-Wave è semplice, se un progettista sceglie di utilizzare un kit preconfigurato di hardware compatibile e software pre-testato. Il SoC modem, il modulo SiP e il kit di sviluppo Z-Wave serie 700 associato forniscono l'hardware e il software necessari per costruire rapidamente una rete a due nodi che assicura la compatibilità con questo protocollo complesso ma estremamente efficiente.