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Z-Wave cerca de la hora cero: dos soluciones precertificadas para redes de hogares inteligentes

Por Jim Turley

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Al hacer hincapié en la facilidad de uso y la interoperabilidad, Z-Wave® se reconoce como una de las tecnologías de red inalámbrica líderes para aplicaciones de consumo y “hogar inteligente”. Sin embargo, lograr la facilidad de uso característica de Z-Wave es un desafío para los diseñadores, y todos los dispositivos basados en Z-Wave deben contar con la certificación oficial de cumplimiento antes de salir al mercado.

Estos desafíos agregan costo y tiempo de desarrollo en una aplicación en la que es muy importante minimizar ambos para conseguir un diseño exitoso. A menos que exista una experiencia sólida en hardware y firmware de radiofrecuencia (RF) dentro de la empresa, los diseñadores deben elegir componentes precertificados y soluciones preexistentes. El diseño de RF no es un área para el aprendizaje ni la experimentación de un diseño que probablemente tenga un cronograma y un presupuesto ajustados; los matices de la propagación de RF y sus efectos de acoplamiento integrados y ambientales son demasiado intrincados y complejos.

Este artículo describe algunos de los conceptos básicos de la red en malla inalámbrica, y de Z-Wave en particular. A modo de ejemplo, presenta la familia de chips de microcontroladores compatibles con la serie Z-Wave 700 y las herramientas de desarrollo relacionadas de Silicon Labs para mostrar cómo crear rápidamente una red Z-Wave funcional y certificada adecuada para nuevos dispositivos de consumo.

¿Qué es Z-Wave?

Z-Wave es uno de los muchos estándares en competencia para redes en malla inalámbricas domésticas (Figura 1). Otros ejemplos son Zigbee, Thread e Insteon. Aun cuando no se diseñaron originalmente con capacidad de malla, Wi-Fi y Bluetooth se han actualizado con redes en malla para competir también en este espacio, aunque a diferentes niveles de potencia y velocidad de datos.

Cada red inalámbrica tiene ventajas y desventajas, pero Z-Wave se diseñó específicamente para dispositivos de consumo de bajo costo y baja potencia, y está en constante evolución para satisfacer las nuevas demandas.

Diagrama de Z-Wave como tecnología de red en malla inalámbricaFigura 1: Z-Wave es una tecnología de red en malla inalámbrica para el hogar que está en constante evolución para satisfacer las nuevas demandas de aplicaciones. (Fuente de la imagen: Digi-Key, del material de Silicon Labs)

En una red en malla, los paquetes de datos pueden "saltar" de un dispositivo de la red a otro para llegar en última instancia a un dispositivo de destino. Por lo tanto, dos dispositivos no tienen que estar necesariamente dentro del alcance de radio uno del otro. Siempre que un dispositivo esté dentro del alcance de al menos otro dispositivo de la red, aquel puede reenviar los datos al siguiente dispositivo dentro del alcance, y así sucesivamente hasta que los datos lleguen a destino. Puede haber varias rutas diferentes entre dos dispositivos de la red, por lo que el protocolo de malla determinará la ruta más corta y más eficiente. Mientras más dispositivos estén conectados por red, mayor será el nivel de redundancia y más robusta será la red.

Este salto de red es simple en teoría, pero difícil de implementar en la práctica. Cada dispositivo o nodo Z-Wave debe poder comunicarse con cualquier otro nodo, independientemente del fabricante, las características, la antigüedad, el alcance o el nivel de revisión de firmware. Como integrantes de una red en malla, los nodos deben poder actuar como iniciadores, objetivos o intermediarios entre otros nodos que están fuera de alcance unos de otros. Cada nodo también debe poder intercambiar datos y comandos a nivel de aplicación con cualquier otro nodo. Los consumidores pueden agregar (o eliminar) nodos en cualquier momento, y la red debe seguir robusta, funcionando continuamente y sin interrupciones. Para facilitar su uso, los nodos deben poder unirse a la red (y salir de ella) y funcionar sin una configuración de usuario complicada, sin interruptores DIP, sin identificador de conjunto de servicios (SSID) ni contraseña, y potencialmente sin teclado, mouse ni interfaz de usuario de ningún tipo.

En el aspecto técnico, Z-Wave es una red inalámbrica de baja velocidad y baja potencia. Su velocidad de datos está limitada a 100 kilobits por segundo (kbps), aunque las velocidades comunes se acercan a los 40 kbps. El alcance de funcionamiento típico es de unos 30 metros (m) a 40 m, en función de los componentes de RF de la red, el diseño y la ubicación de la antena, así como de los factores ambientales, como las paredes y la interferencia ambiental. Como se trata de una red en malla y no de una red punto a punto como Wi-Fi o Bluetooth, los paquetes de datos Z-Wave a menudo saltan de nodo en nodo, lo que extiende el alcance efectivo a unos pocos cientos de metros de un extremo al otro y proporciona una amplia cobertura para aplicaciones domésticas.

Al funcionar en la parte sub-1 gigahercios (GHz) de la banda industrial, científica y médica (ISM) (908.42 megahercios [MHz] en Norteamérica y 868.42 MHz en Europa), Z-Wave no está sujeta a interferencias de Wi-Fi ni Bluetooth. Si bien Zigbee también puede funcionar en esa misma parte de la banda ISM, normalmente se implementa en la banda más popular de 2.4 GHz, que tiene una aceptación global más amplia. Esto significa, además, que los dispositivos Z-Wave normalmente no interfieren con estas otras redes inalámbricas.

Introducción a Zen Gecko

Silicon Labs produce una amplia gama de microcontroladores de bajo costo y baja potencia en la familia Gecko. El diagrama del producto se subdivide en varias áreas de aplicación específica, incluida la rama "Zen Gecko" para el desarrollo de Z-Wave.

La empresa ofrece dos dispositivos Z-Wave diferentes en la familia Zen Gecko. Uno es un chip de "módem inteligente" y el otro es un módulo en chip independiente completo. El chip de módem (número de pieza EFR32ZG14P231F256GM32-BR) está diseñado para usarse en conjunto con un procesador host, mientras que el módulo (ZGM130S037HGN1R) puede usarse solo, casi sin componentes externos.

Ambos dispositivos se basan en un núcleo de microcontrolador Cortex®-M4 de Arm® de 39 MHz, aunque los dos se implementan de manera diferente. La arquitectura de Cortex de Arm es un diseño moderno de microcontrolador basado en RISC que es ampliamente compatible con herramientas de desarrollo de software y hardware de cientos de proveedores.

En el caso del chip de módem ’ZG14, el Cortex-M4 interno viene preprogramado con la pila de protocolo Z-Wave. El procesador no está disponible para el usuario y es esencialmente invisible para los desarrolladores. Por este motivo, el chip de módem tiene la capacidad de procesar protocolos Z-Wave complejos, pero también requiere un procesador externo de algún tipo para el código de la aplicación. Esto hace que el ’ZG14 sea una buena opción para productos relativamente complejos que tienen los requisitos de espacio y rendimiento para admitir un microprocesador o microcontrolador por separado. Además, esto hace que la compatibilidad con Z-Wave se añada fácilmente a un producto existente al agregar el módem inteligente ’ZG14 y conectar algunas señales y componentes de RF.

El módulo ’130S, por otro lado, es totalmente autónomo y puede usarse de forma independiente como el único microcontrolador en el producto. Expone su Cortex-M4 interno al desarrollador, que es libre de usarlo para el código de la aplicación. El módulo ’130S es físicamente más grande que el módem inteligente ’ZG14, pero también presenta mucha más funcionalidad, lo que incluye convertidores analógico a digital (ADC) y digital a analógico (DAC), comparadores analógicos, una interfaz de detección capacitiva (para pantallas táctiles), contadores, temporizadores, funciones de vigilancia y transmisores receptores asíncronos universales (UART), entre otros. El módulo requiere poco más que conexiones de alimentación, tierra y antena para obtener un controlador Z-Wave completamente funcional.

En conjunto, estos dos dispositivos comprenden la serie 700, los componentes Z-Wave más nuevos de Silicon Labs que cumplen con las últimas especificaciones Z-Wave. Específicamente, admiten características de seguridad actualizadas (Security-2 o S2) y SmartStart, una opción de configuración de usuario simplificada. Ambos dispositivos admiten las tres velocidades de datos Z-Wave (9.6, 40 y 100 kbps), así como todas las bandas de frecuencia globales. Al igual que todos los dispositivos Z-Wave, son compatibles con todos los dispositivos y los controladores Z-Wave anteriores.

Los usuarios con experiencia previa en el uso de los dispositivos Z-Wave basados en 8051 de Silicon Labs (la “Serie 500”) quizá quieran transferir parte o la totalidad de su código existente a los dispositivos más nuevos basados en Arm. Para ayudar con esto, Silicon Labs proporciona bibliotecas de software y elementos fundamentales a fin de facilitar la transición. Es posible que el código 8051 anterior simplemente no vuelva a compilarse para el código Arm más reciente, pero las bibliotecas de códigos deberían ayudar de manera considerable.

En el interior del chip EFR32ZG14 Z-Wave

El EFR32ZG14 es un sistema en chip (SoC) de módem inteligente que es simple en teoría (Figura 2). Incluye una interfaz serial de dos cables hacia un procesador host externo y desde este, un núcleo interno MCU Cortex-M4 de Arm para procesar la pila de protocolo Z-Wave, y una sección de radio que proporciona casi todos los componentes necesarios para una radio física.

Diagrama de bloques del SoC del módem EFR32ZG14 Zen Gecko de Silicon LabsFigura 2: Diagrama de bloques del SoC del módem EFR32ZG14 Zen Gecko. El chip actúa como un módem inteligente para la red en malla Z-Wave. Sus únicas interfaces externas son un UART hacia el procesador host y desde este, y un transceptor de radio. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

En funcionamiento, el ’ZG14 se comunica con un procesador host a través de una interfaz UART simple de hasta 115,200 baudios. Solo se necesitan dos cables de señal, transmitir y recibir. El procesador host envía comandos y datos a través de esta interfaz UART y el ’ZG14 responde. Una tercera señal para restablecer el ’ZG14, RESETn, se puede controlar con cualquier pin de E/S conveniente en el procesador host.

Solo hay tres líneas digitales necesarias hacia el procesador host y desde este, cuatro señales digitales entre el ’ZG14 y un simple IPD (dispositivo pasivo integrado), un cristal y un puñado de componentes analógicos simples (Figura 3).

De manera opcional, los diseñadores pueden elegir conectar una señal de suspensión (SUSPEND) activa-baja, que coloca al ’ZG14 en un estado de baja potencia y detiene toda comunicación por radio. En función de la aplicación prevista, el ’ZG14 puede pasar la mayor parte del tiempo en este estado suspendido para ahorrar energía.

También existe una conexión de tres cables opcional a la memoria flash interna del chip, lo que permite a los desarrolladores reprogramar el firmware del ’ZG14 sobre la marcha. Silicon Labs proporciona este firmware en forma binaria. Como se mencionó anteriormente, el firmware del ’ZG14 no está diseñado para el código de usuario.

Diagrama de la implementación del EFR32ZG14 Zen Gecko de Silicon LabsFigura 3: En una implementación típica del EFR32ZG14 Zen Gecko, el chip de módem inteligente requiere unos 20 componentes externos y solo una interfaz serial simple de tres cables para el procesador host. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El uso del filtro de onda acústica de superficie (SAW) que se muestra en la Figura 3 es opcional y puede depender de la ubicación geográfica donde se utilizará el producto final: algunas regiones del mundo requieren un filtro SAW, mientras que otras no. Los diseñadores también pueden optar por incluir un banco de filtros SAW y configurarlo sobre la marcha a través de los dos pines de salida SAW0 y SAW1 en el ’ZG14. Esto permitiría que el producto final se adapte a cualquier región para simplificar así el diseño, la fabricación y el almacenamiento.

En el interior del módulo ZGM130S Z-Wave

El módulo ’130S es considerablemente más complejo y capaz que el SoC del módem ’ZG14. Silicon Labs lo denomina “sistema en paquete (SiP)”. Como lo sugiere la nomenclatura, el ’130S es esencialmente múltiples chips en uno, lo que lo convierte en un microcontrolador y un controlador Z-Wave independientes (Figura 4).

Diagrama de bloques del módulo SiP ZGM130S de Silicon Labs (haga clic para ampliar)Figura 4: Diagrama de bloques del módulo SiP ZGM130S. El SiP es un microcontrolador y un controlador Z-Wave independientes, con un Cortex-M4 de Arm y una gran cantidad de E/S analógicas y digitales disponibles para el desarrollador. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El núcleo del procesador Cortex-M4 de Arm central del módulo funciona a 39 MHz e incluye 512 kilobytes de memoria flash y 64 kilobytes de SRAM. La mayor parte de esta memoria está disponible para el usuario, ya que las pilas de protocolo Z-Wave están incorporadas en el bloque de transceptor de radio del módulo en la parte superior izquierda del diagrama de bloques. Este bloque es equivalente efectivamente al chip de módem inteligente ’ZG14.

El ’130S incluye su propio regulador interno de CC/CC y su propio cristal interno, por lo que no necesita componentes de reloj externos. El módulo también contiene varios periféricos analógicos y digitales, incluidos los ADC y DAC, un sensor de temperatura, dos comparadores analógicos, tres amplificadores operacionales, una interfaz de detección capacitiva, un controlador DMA, 32 pines de E/S de propósito general y más. El paquete LGA64 para el ’130S está limitado por pin, por lo que, según la configuración del software, no todos los pines de E/S pueden estar disponibles en todo momento.

Aunque el ’130S está alojado en un paquete de 64 terminales, sus conexiones externas son extremadamente simples. Como muestran las Figuras 5 y 6, el dispositivo solo requiere capacitores de derivación simples para alimentación y tierra, y una única conexión para la antena. Los pines restantes están disponibles para la E/S de usuario.

Diagrama del módulo SiP ZGM130S de Silicon LabsFigura 5: El módulo SiP ZGM130S requiere solo un par de capacitores de derivación. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Diagrama del módulo SiP ZGM130S de Silicon Labs que incluye prácticamente todos los componentes de radioFigura 6: El módulo SiP ZGM130S incluye prácticamente todos los componentes de radio y solo tiene una interfaz de cable único para una antena. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Comience con el kit básico

Quizá la forma más fácil de comenzar el desarrollo de Z-Wave con la familia Zen Gecko es con el kit básico Z-Wave 700. El kit incluye dos de cada componente para una red mínima de dos nodos: dos placas principales, dos placas de radio, dos placas de expansión con interruptores y ledes, dos antenas flexibles y dos cables USB. También tiene dos dongles USB para usar con una PC: uno está cargado con una aplicación de rastreo de radio Z-Wave (Zniffer) y el otro con la funcionalidad del controlador Z-Wave. El hardware y el software incluido admiten todas las opciones y los protocolos de Z-Wave en todas las regiones geográficas del mundo.

En la Figura 7 se muestra un conjunto de placas, con la placa de radio conectada por encima y la placa de expansión conectada a la derecha. La placa principal no incluye el SiP ZGM130S; ese componente está montado en la placa de radio. En su lugar, la placa principal presenta de manera visible un LCD de mapa de bits que es útil para la depuración o el desarrollo de la GUI.

Imagen del kit básico SLWSTK6050A Z-Wave 700 de Silicon LabsFigura 7: Un kit básico SLWSTK6050A Z-Wave 700 incluye dos conjuntos idénticos de placas principales, placas de radio y placas de expansión para crear una pequeña red Z-Wave. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Instalación del software

Simplicity Studio es el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) todo en uno de Silicon Labs para los numerosos microcontroladores de la empresa, entre ellos, Zen Gecko. Es compatible con Windows, MacOS y Linux.

El proceso de instalación y configuración será más fácil si una de las placas principales del kit de desarrollo (no importa cuál) está conectada al sistema de desarrollo mientras se instala Simplicity Studio. El IDE detectará el hardware y cargará automáticamente el soporte de software necesario.

Si el hardware no está disponible, es posible realizar esta configuración manualmente, como se describe aquí:

Una vez que se ejecuta Simplicity Studio, haga clic en la flecha verde cerca de la esquina superior derecha (Figura 8).

Imagen de la pantalla principal del IDE de Simplicity StudioFigura 8: Pantalla principal del IDE de Simplicity Studio. El enlace de descarga está resaltado. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Simplicity Studio ofrece dos opciones: “Install by Device” (“Instalar por dispositivo”) o “Install by Product Group” (“Instalar por grupo de productos”) (Figura 9). Cualquiera de las dos dará en última instancia el mismo resultado, pero es más fácil seleccionar la primera opción, así que haga clic en el botón grande y verde de “Install by Device”.

Imagen de Simplicity Studio que ofrece dos rutasFigura 9: Simplicity Studio ofrece dos rutas para cargar el soporte de software específico del proyecto. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Si la placa de desarrollo está instalada, Simplicity Studio debería detectar el hardware automáticamente, pero, si no lo hace, es fácil ubicar de manera manual el paquete de software requerido. Simplemente escriba “6050A” (versión más corta del nombre completo del kit de desarrollo) en el cuadro de búsqueda, como se muestra en la Figura 10. Haga doble clic en el paquete de soporte de software sugerido y luego haga clic en Next (Siguiente).

Imagen de “6050A” en el cuadro de búsqueda de Simplicity StudioFigura 10: Al escribir “6050A” en el cuadro de búsqueda, se localiza rápidamente el software requerido para la placa de desarrollo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Luego, Simplicity Studio resaltará el soporte de software adicional disponible para esta configuración de hardware. En algunos casos, ciertos módulos de software estarán restringidos para los usuarios que hayan completado acuerdos de licencia complementarios o hayan registrado el hardware. Por lo tanto, puede que algunas opciones aparezcan en gris y no estén disponibles temporalmente, como se muestra en la Figura 11.

Imagen de la pantalla de prueba de compra del hardware de Simplicity StudioFigura 11: La prueba de compra del hardware o la licencia de software adicional condicionan el acceso a parte del software. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Finalmente, Simplicity Studio presentará una lista extensa de todas las opciones de software que pretende instalar, incluidos uno o más compiladores C, sistemas operativos en tiempo real opcionales, herramientas de perfilado y muchas otras (Figura 12). Ciertas opciones pueden habilitarse y deshabilitarse de manera manual, si así se desea, pero generalmente es mejor aceptar la carga sugerida del software. Cuando esté listo, haga clic en Next.

Imagen de la lista final de software de Simplicity StudioFigura 12: Lista final de software de Simplicity Studio. Ciertas opciones pueden habilitarse y deshabilitarse de manera manual, si así se desea, pero generalmente es mejor aceptar la carga sugerida del software. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Como paso final, Simplicity Studio mostrará el acuerdo de licencia de software maestro, que cubre todos los componentes de software que va a instalar. Lea y acepte la licencia y luego haga clic en Next una última vez.

La instalación del software tardará varios minutos. Cuando se haya completado, cierre y reinicie Simplicity Studio. Todo está listo para comenzar a crear aplicaciones de red en malla Z-Wave, incluidos algunos programas de demostración preconfigurados simples, así como códigos de ejemplo que se pueden modificar, todo para que los desarrolladores empiecen con el pie derecho.

Conclusión

Z-Wave está diseñado para que los consumidores lo usen fácilmente, pero esa facilidad de uso esconde gran parte del trabajo de desarrollo y certificación subyacente de los diseñadores. Sin embargo, crear un nuevo dispositivo de red en malla Z-Wave es sencillo cuando un diseñador elige usar un kit preconfigurado de hardware compatible y software probado previamente. El SoC del módem, el módulo SiP y el kit de desarrollo asociado de la serie Z-Wave 700 proporcionan el hardware y el software necesarios para construir rápidamente una red de dos nodos que garantice la compatibilidad con este protocolo complejo pero altamente eficiente.

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Información sobre el autor

Jim Turley

Jim Turley se desempeñó como ingeniero de hardware antes de convertirse en analista tecnológico y escritor especializado en microprocesadores, tecnología de semiconductores y sistemas integrados. Desde 2001 hasta 2018, dirigió la empresa de análisis Silicon Insider. Antes de eso, fue el presidente y CEO de una pequeña empresa dedicada a la propiedad intelectual de microprocesadores, que cotizaba en bolsa. Además, fue el vicepresidente sénior de Marketing de otra empresa con licencia de microprocesadores. Es el autor de siete libros, trabajó como Jefe de ediciones sobre informes de microprocesadores y diseño de sistemas integrados. Además, se desempeñó como presidente de la Conferencia de Sistemas Integrados (ESC).

Información sobre la editorial

Editores de Digi-Key de América del Norte