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시간이 제로에 가까운 Z-Wave: 스마트 홈 네트워크용으로 사전 인증된 두 솔루션

작성자: Jim Turley

Digi-Key 북미 편집자 제공

Z-Wave®는 사용 편의성과 상호 운용성을 강조하며, 소비자 및 “스마트 홈” 응용 분야를 위한 최고의 무선 네트워크 기술 중 하나입니다. 하지만 설계자가 Z-Wave의 사용 편의성 특성을 실현하는 것은 간단한 일이 아니며 모든 Z-Wave 기반 장치를 출시하기 전에 공식적으로 규정 준수 인증을 받아야 합니다.

성공적인 설계를 위해 비용과 개발 시간을 모두 최소화해야 하는 응용 분야에서 이러한 문제로 인해 비용과 개발 시간이 모두 증가하게 됩니다. 강력한 무선 주파수(RF) 하드웨어 및 펌웨어 전문성을 자체적으로 갖추고 있지 않다면 사전 인증된 부품과 기존 솔루션을 선택하는 것이 현명합니다. RF 설계는 일정이 촉박하고 예산이 빠듯한 설계를 위한 실험 및 학습 영역이 아니며, RF 전파와 기판 실장형 환경 커플링 효과의 미묘한 차이가 너무 난해하고 복잡합니다.

이 기사에서는 무선 메시 네트워킹의 기본 사항과 Z-Wave에 대해 설명합니다. 예를 들어, Silicon Labs700 계열 Z-Wave 호환 마이크로 컨트롤러 칩 제품군 및 관련 개발 도구를 소개하여 새로운 소비자 장치에 적합한 인증 가능한 작업 Z-Wave 네트워크를 신속하게 구축하는 방법을 보여줍니다.

Z-Wave란?

Z-Wave는 경쟁하는 많은 홈 무선 메시 네트워킹 표준 중 하나입니다(그림 1). 다른 표준으로는 Zigbee, Thread, Insteon 등이 있습니다. 원래 메시 기능을 사용하여 설계되지 않았지만 다양한 전력 수준과 데이터 전송률에도 불구하고 이제 Wi-Fi 및 Bluetooth를 메시 네트워킹으로 업데이트하여 이 분야에서도 경쟁력을 갖추었습니다.

각 무선 네트워크에는 장단점이 있지만 Z-Wave는 저비용 저전력 소비자 장치를 위해 특별히 고안되었으며 새로운 수요를 충족하도록 지속적으로 발전하고 있습니다.

무선 메시 네트워킹 기술을 보여주는 Z-Wave 구성도그림 1: Z-Wave는 새로운 응용 분야의 수요를 충족하도록 지속적으로 발전하고 있는 가정용 무선 메시 네트워킹 기술입니다. (이미지 출처: Digi-Key, Silicon Labs 자료)

메시 네트워크에서 데이터 패킷은 네트워크의 장치 간 “호핑”을 통해 대상 장치에 도달할 수 있습니다. 따라서 두 장치가 서로 무선 범위 내에 있지 않아도 됩니다. 네트워크에서 범위 내에 장치가 하나라도 있으면 해당 장치가 범위 내의 다음 장치에 데이터를 전달하는 방식으로 데이터가 대상에 도착할 수 있습니다. 네트워크의 두 장치 간에 다양한 경로가 존재할 수 있으므로 메시 프로토콜이 가장 효율적인 최단 경로를 결정합니다. 네트워크당 연결된 장치가 많을수록 이중화 레벨이 더 높고 네트워크가 더 강력합니다.

이 네트워크 호핑은 개념적으로는 간단하지만 실제로 구현하는 데 어려움이 있습니다. 제조업체, 기능, 사용 기간, 범위, 펌웨어 버전 레벨에 상관없이 각 Z-Wave 장치 또는 노드가 다른 노드와 통신할 수 있어야 합니다. 메시 네트워크의 구성 요소로서 노드는 서로 범위를 벗어난 다른 노드 사이에서 개시자, 대상 또는 중간자 역할을 할 수 있어야 합니다. 또한 각 노드는 응용 제품 레벨 데이터 및 명령을 다른 노드와 교환할 수 있어야 합니다. 소비자는 언제든지 노드를 추가하거나 제거할 수 있으며, 네트워크는 중단 없이 강력하고 원활한 작동 상태를 유지해야 합니다. 간편한 사용을 위해 노드는 네트워크에 가입 및 탈퇴가 가능하고, 복잡하지 않은 사용자 설정으로 DIP 스위치, 서비스 세트 식별자(SSID) 또는 비밀번호 없이 키보드, 마우스 또는 어떠한 종류의 사용자 인터페이스도 사용하지 않고 작동할 수 있어야 합니다.

기술적 측면에서 Z-Wave는 저속 저전력 무선 네트워크입니다. 데이터 전송률은 100kbps로 제한되지만 일반 속도는 40kbps에 가깝습니다. 일반 작동 범위는 네트워크의 RF 부품, 설계 레이아웃, 안테나 배치 및 환경 요소(예: 벽, 주위 간섭)에 따라 약 30m ~ 40m입니다. Wi-Fi 또는 Bluetooth와 같은 지점 간 네트워크가 아닌 메시 네트워크이므로 Z-Wave 데이터 패킷이 노드 간에 호핑되어 엔드 투 엔드 유효 범위가 수백 미터로 확장되므로 홈 응용 분야에 충분한 적용 범위를 제공할 수 있습니다.

산업, 과학, 의료(ISM) 대역 중 1GHz 미만(북미 지역: 908.42MHz, 유럽: 868.42MHz)의 대역에서 작동되는 Z-Wave는 Wi-Fi 또는 Bluetooth의 간섭을 받지 않습니다. Zigbee는 동일한 ISM 대역에서도 작동할 수 있지만 전 세계적으로 폭넓게 사용되는 2.4GHz 대역에서 일반적으로 구현됩니다. 즉, Z-Wave 장치는 일반적으로 이러한 다른 무선 네트워크와 간섭을 일으키지 않습니다.

Zen Gecko 소개

Silicon Labs는 Gecko 제품군에서 광범위한 저비용 저전력 마이크로 컨트롤러를 생산합니다. 제품 트리는 Z-Wave 개발을 위한 “Zen Gecko” 분기를 비롯한 다양한 응용 분야별 영역으로 세분화됩니다.

Silicon Labs는 Zen Gecko 제품군에서 두 가지 Z-Wave 장치를 제공합니다. 하나는 “스마트 모뎀” 칩이고 다른 하나는 완전 독립형 모듈온칩입니다. 모뎀 칩(부품 번호 EFR32ZG14P231F256GM32-BR)은 호스트 프로세서와 함께 사용하도록 설계된 반면, 모듈(ZGM130S037HGN1R)은 외부 부품을 거의 포함하지 않고 자체적으로 사용할 수 있습니다.

두 장치는 모두 39MHz Arm® Cortex®-M4 마이크로 컨트롤러를 기반으로 하지만 서로 다르게 구현됩니다. Arm의 Cortex 아키텍처는 모뎀이며, 수백 개 벤더의 소프트웨어 및 하드웨어 개발 도구에서 널리 지원되는 RISC 기반 마이크로 컨트롤러 설계입니다.

’ZG14 모뎀 칩의 경우 내부 Cortex-M4가 Z-Wave 프로토콜 스택과 함께 사전 프로그래밍된 상태로 제공됩니다. 이 프로세서는 사용자는 사용할 수 없고 개발자에게는 보이지 않습니다. 모뎀 칩에서 이 프로세서를 사용하여 복잡한 Z-Wave 프로토콜을 처리할 수 있지만, 응용 제품 코드를 위한 일종의 외부 프로세서가 필요합니다. 따라서 ’ZG14는 별도의 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러를 지원해야 하는 공간 및 성능 요구 사항을 가진 상대적으로 복잡한 제품에 적합합니다. 또한 이 칩은 Z-Wave와 호환되므로 ’ZG14 스마트 모뎀을 추가하고 일부 신호 및 RF 부품을 연결하여 기존 제품에 쉽게 추가할 수 있습니다.

반면에 ’130S 모듈은 완벽한 자급형 모듈로서 제품에서 유일한 마이크로 컨트롤러로 독립적으로 사용 가능합니다. 내부 Cortex-M4를 개발자에게 노출하므로 개발자가 응용 제품 코드에 자유롭게 사용할 수 있습니다. ’130S 모듈은 실제로 ’ZG14 스마트 모뎀보다 더 크지만 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 아날로그 비교기, 정전 용량 감지 인터페이스(터치 스크린용), 카운터, 타이머, 감시 기능, UART 등 훨씬 더 많은 기능을 포함하고 있습니다. 이 모듈은 Z-Wave 컨트롤러를 완벽하게 작동하기 위해 약간 더 높은 전력, 접지, 안테나 연결이 필요합니다.

이 두 장치는 최신 Z-Wave 사양을 준수하는 Silicon Labs의 최신 Z-Wave 부품인 700 계열을 구성합니다. 특히, 업데이트된 보안 기능 Security-2(S2)와 간소화된 사용자 설정 옵션 SmartStart를 지원합니다. 두 장치는 세 가지 Z-Wave 데이터 전송률(9.6kbps, 40kbps, 100kbps)과 글로벌 주파수 대역을 모두 지원합니다. 모든 Z-Wave 장치와 마찬가지로 모든 이전 Z-Wave 장치 및 컨트롤러와 하위 호환됩니다.

이전에 Silicon Labs의 8051 기반 Z-Wave 장치(“500 계열”)를 사용해 본 경험이 있는 사용자는 기존 코드의 일부 또는 전부를 최신 Arm 기반 장치에 이식할 수 있습니다. 이를 위해 Silicon Labs는 전이를 간소화하는 소프트웨어 라이브러리 및 “구성 요소”를 제공합니다. Older 8051 코드는 최신 Arm 코드에 재컴파일될 수 없지만 코드 라이브러리를 사용하면 큰 도움이 됩니다.

EFR32ZG14 Z-Wave 칩 내부

EFR32ZG14는 개념적으로 간단한 스마트 모뎀 SoC(시스템온칩)입니다(그림 2). 이 칩에는 외부 호스트 프로세서와 연결하는 2선식 직렬 인터페이스, Z-Wave 프로토콜 스택 처리를 위한 내부 Arm Cortex-M4 MCU 코어, 물리적 무선 통신에 필요한 거의 모든 부품을 제공하는 무선 통신 섹션이 포함되어 있습니다.

Silicon Labs의 EFR32ZG14 Zen Gecko 모뎀 SoC 제품 구성도그림 2: EFR32ZG14 Zen Gecko 모뎀 SoC의 제품 구성도 이 칩은 Z-Wave 메시 네트워크를 위한 스마트 모뎀 역할을 합니다. 외부 인터페이스는 호스트 프로세서와 무선 트랜시버를 연결하는 UART뿐입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

작동 시 ’ZG14는 단순 UART 인터페이스를 통해 최대 115,200 보드 속도로 호스트 프로세서와 통신합니다. 전송 및 수신을 위한 두 개의 신호 전선만 필요합니다. 호스트 프로세서에서 이 UART 인터페이스를 통해 명령 및 데이터를 전송하면 ’ZG14가 응답합니다. ’ZG14를 리셋하는 세 번째 신호인 RESETn은 호스트 프로세서에서 편리한 I/O 핀을 통해 구동될 수 있습니다.

호스트 프로세서에서 송수신을 위한 디지털 회선 3개, ’ZG14와 간단한 IPD(Integrated Passive Device) 사이의 디지털 신호 4개, 수정 1개, 몇 가지 간단한 아날로그 부품이 있습니다(그림 3).

필요 시 설계자는 Low 활성 SUSPEND 신호에 연결하여 ’ZG14를 저전력 상태로 전환하고 모든 무선 통신을 중지하도록 선택할 수 있습니다. 응용 분야에 따라 ’ZG14가 대부분의 시간을 일시 중단된 상태로 유지되어 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

또한 칩의 내부 플래시 메모리에 대한 선택적 3선식 연결을 통해 개발자가 ’ZG14의 펌웨어를 즉시 다시 프로그래밍할 수 있습니다. 그런 펌웨어는 Silicon Labs에 의해 이진 형식으로 제공됩니다. 앞서 언급한 대로 ’ZG14의 펌웨어는 사용자 코드를 위한 것이 아닙니다.

Silicon Labs의 EFR32ZG14 Zen Gecko 구현 구성도그림 3: 일반 EFR32ZG14 Zen Gecko 구현에서 스마트 모뎀 칩에는 20개 이하의 외부 부품과 호스트 프로세서를 연결하는 간단한 3선식 직렬 인터페이스 1개가 필요합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

그림 3에 표시된 표면 음향파(SAW) 필터는 최종 제품을 배포할 지리적 위치에 따라 선택적으로 사용할 수 있습니다. 일부 지역에서는 SAW 필터가 필요하지만 일부 지역에서는 필요하지 않습니다. 또한 설계자는 SAW 필터 뱅크를 선택적으로 포함하고 ’ZG14의 두 SAW0 및 SAW1 출력 핀을 통해 즉시 구성할 수 있습니다. 이를 통해 최종 제품을 지역에 맞게 조정하여 설계, 제조, 보관을 간소화할 수 있습니다.

ZGM130S Z-Wave 모듈 내부

’130S 모듈은 ’ZG14 모뎀 SoC보다 훨씬 더 복잡하고 많은 기능을 제공합니다. Silicon Labs는 이 모듈을 시스템 인 패키지(SiP)라고 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 ‘130S는 여러 칩이 하나로 결합되어 독립형 마이크로 컨트롤러 및 Z-Wave 컨트롤러를 구성합니다(그림 4).

Silicon Labs의 ZGM130S SiP 모듈 제품 구성도(확대하려면 클릭)그림 4: ZGM130S SiP 모듈의 제품 구성도 SiP는 독립형 마이크로 컨트롤러 및 Z-Wave 컨트롤러이며, 개발자에게 다양한 아날로그 및 디지털 I/O와 Arm Cortex-M4를 제공합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

이 모듈의 중앙 Arm Cortex-M4 프로세서 코어는 39MHz로 실행되며, 512Kbytes 플래시 메모리와 64Kbytes SRAM을 포함합니다. Z-Wave 프로토콜 스택이 제품 구성도의 왼쪽 상단에 있는 모듈의 무선 트랜시버 블록에 이미 통합되어 있으므로 이 메모리의 대부분을 사용자가 사용할 수 있습니다. 이 블록은 ’ZG14 스마트 모뎀 칩과 효과적인 면에서 동일합니다.

’130S에는 자체 내부 DC/DC 조정기와 내부 수정이 포함되어 있으므로 외부 클로킹 부품이 필요하지 않습니다. 또한 이 모듈에는 ADC, DAC, 온도 센서, 아날로그 비교기 2개, 연산 증폭기 3개, 정전 용량 감지 인터페이스, DMA 컨트롤러, 범용 I/O 핀 32개 등 다양한 아날로그 및 디지털 주변 장치가 포함되어 있습니다. ’130S용 LGA64 패키지는 핀 제한이 있으므로 소프트웨어 구성에 따라 일부 I/O 핀을 사용할 수 없는 경우도 있습니다.

’130S가 64 리드 패키지에 하우징되는 경우 외부 연결이 매우 간단합니다. 그림 5와 그림 6에서 볼 수 있듯이 이 장치에는 전력/접지를 위한 간단한 바이패스 커패시터와 간단한 안테나 연결부만 있으면 됩니다. 나머지 핀은 사용자 I/O용으로 사용할 수 있습니다.

Silicon Labs의 ZGM130S SiP 모듈 구성도그림 5: ZGM130S SiP 모듈에는 한 쌍의 바이패스 커패시터만 필요합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

거의 모든 무선 부품이 포함되어 있는 Silicon Labs의 ZGM130S SiP 모듈 구성도그림 6: ZGM130S SiP 모듈에는 거의 모든 무선 부품이 포함되어 있으며 안테나 연결을 위한 단선식 인터페이스 하나가 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

시험용 키트 시작하기

Zen Gecko 제품군으로 Z-Wave 개발을 시작하는 가장 간단한 방법은 Z-Wave 700 시험용 키트를 사용하는 것입니다. 키트에는 최소 2노드 네트워크를 지원하기 위해 모든 부품이 2개씩 포함되어 있습니다. 즉, 주 기판, 무선 기판, 스위치와 LED가 있는 확장 기판, 연성 안테나, USB 케이블 등이 2개씩 포함되어 있습니다. 또한 PC에서 사용하기 위한 두 개의 USB 동글이 제공됩니다. 하나는 Z-Wave 무선 스니퍼 응용 제품(Zniffer)으로 로드되고 하나는 Z-Wave 컨트롤러 기능으로 로드됩니다. 하드웨어와 포함된 소프트웨어는 전 세계 모든 지역에서 모든 Z-Wave 옵션 및 프로토콜을 지원합니다.

그림 7은 상단에 무선 기판이 연결되고 오른쪽에 확장 기판이 있는 기판 세트를 보여 줍니다. 주 기판에는 ZGM130S SiP가 포함되어 있지 않고 무선 기판에 부품이 실장되어 있습니다. 대신 주 기판은 디버깅 또는 GUI 개발에 유용한 비트맵 LCD를 지원합니다.

Silicon Labs의 SLWSTK6050A Z-Wave 700 시험용 키트 이미지그림 7: SLWSTK6050A Z-Wave 700 시험용 키트에는 소형 Z-Wave 네트워크 구축을 위한 2개의 동일한 주 기판 세트, 무선 기판 및 학장 기판이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

소프트웨어 설치

Simplicity Studio는 Silicon Labs의 Zen Gecko를 비롯한 수많은 다른 마이크로 컨트롤러를 위한 일체형 IDE(통합 개발 환경)이며, Windows, MacOS 및 Linux를 지원합니다.

개발 키트의 주 기판 중 하나가 개발 시스템에 연결되어 있고 Simplicity Studio가 설치되어 있다면 설치 및 구성 프로세스는 간단합니다. 이 IDE는 하드웨어를 감지하고 필요한 소프트웨어 지원을 자동으로 로드합니다.

아래 설명된 대로 하드웨어를 사용할 수 없는 경우 이 구성을 수동으로 수행할 수 있습니다.

Simplicity Studio가 실행 중인 상태에서 오른쪽 상단 모서리에 있는 녹색 화살표를 클릭합니다(그림 8).

Simplicity Studio IDE의 주 화면 이미지그림 8: Simplicity Studio IDE의 주 화면 다운로드 링크가 강조 표시됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

Simplicity Studio는 두 가지 옵션, “Install by Device(장치별 설치)” 또는 “Install by Product Group(제품 그룹별 설치)”을 제공합니다(그림 9). 두 옵션 모두 결국 동일한 결과를 가져오지만 앞의 옵션을 선택하는 것이 더 간편하므로 커다란 녹색 “Install by Device(장치별 설치)” 버튼을 클릭하십시오.

두 가지 경로를 제공하는 Simplicity Studio 이미지그림 9: Simplicity Studio는 프로젝트 특정 소프트웨어 지원 로딩을 위한 두 가지의 경로를 제공합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

개발 기판이 설치되어 있는 경우 Simplicity Studio는 하드웨어를 자동으로 감지해야 하지만 감지하지 못하는 경우 필요한 소프트웨어 패키지를 수동으로 쉽게 찾을 수 있습니다. 그림 10과 같이 검색 상자에 “6050A”(개발 키트 정식 이름의 단축 버전)를 입력하면 됩니다. 제안하는 소프트웨어 지원 패키지를 두 번 클릭한 후 Next(다음)를 클릭합니다.

Simplicity Studio 검색 상자에 “6050A”를 입력한 이미지그림 10: 검색 상자에 “6050A”를 입력해 개발 기판에 필요한 소프트웨어를 신속하게 찾을 수 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

그 다음에는, Simplicity Studio가 이 하드웨어 구성에 사용할 수 있는 추가적인 소프트웨어 지원을 강조 표시합니다. 경우에 따라 특정 소프트웨어 모듈의 경우 보조 라이선스 계약을 체결하거나 하드웨어를 등록한 사용자만 사용하도록 제한될 수 있습니다. 따라서 그림 11에서 볼 수 있듯이 몇몇 옵션은 회색으로 표시되며 일시적으로 사용이 불가능할 수 있습니다.

Simplicity Studio 하드웨어 구매 증빙 화면 이미지그림 11: 일부 소프트웨어에 대한 액세스는 하드웨어 구매 증빙 또는 추가 소프트웨어 라이선스에 따라 조건부로 허용됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

마지막으로, Simplicity Studio는 하나 이상의 C 컴파일러, 실시간 운영 체제(옵션), 프로파일링 도구, 다른 수많은 옵션 등, 설치를 권장하는 모든 소프트웨어 옵션을 포함한 모든 소프트웨어의 긴 목록을 표시합니다(그림 12). 특정 옵션은 원하는 경우 수동으로 활성화 또는 비활성화할 수 있지만 일반적으로 제안하는 소프트웨어 로드아웃은 수락하는 것이 가장 좋습니다. 준비가 되면 Next(다음)를 클릭합니다.

Simplicity Studio의 최종 소프트웨어 목록 이미지그림 12: Simplicity Studio의 최종 소프트웨어 매니페스트 특정 옵션은 원하는 경우 수동으로 활성화 또는 비활성화할 수 있지만 일반적으로 제안하는 소프트웨어 로드아웃은 수락하는 것이 가장 좋습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

마지막 단계로, Simplicity Studio는 곧 설치할 모든 소프트웨어 구성 요소를 포괄하는 마스터 소프트웨어 라이센스 계약을 표시합니다. 이 라이센스를 읽고 수락한 후 마지막으로 Next(다음)를 클릭합니다.

소프트웨어 설치에는 수 분 정도가 소요됩니다. 완료되면 Simplicity Studio가 닫히고 다시 시작됩니다. 사전 구성된 단순한 데모 프로그램 몇 개와, 수정 가능한 예제 코드를 포함하여 Z-Wave 메시 네트워크 응용 제품을 구축하는 데 필요한 모든 것이 준비되어 있으며, 이 모든 것은 개발자가 올바른 첫걸음을 시작하는 데 도움이 됩니다.

결론

Z-Wave는 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 고안되었지만 그 이면에는 설계자의 많은 개발 및 인증 노력이 숨겨져 있습니다. 하지만 설계자가 사전 구성된 호환되는 하드웨어와 사전 테스트를 거친 소프트웨어 키트를 사용하도록 선택한 경우 새로운 Z-Wave 메시 네트워크 장치를 쉽게 구축할 수 있습니다. Z-Wave 700 계열 모뎀 SoC, SiP 모듈 및 연결된 개발 키트는 이 복잡하지만 효과적인 프로토콜과의 호환성을 보장하는 2노드 네트워크를 신속하게 구축하는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Jim Turley

Jim Turley는 마이크로 프로세서, 반도체 기술, 내장형 시스템을 전문으로 하는 기술 분석가 및 집필가가 되기 전 하드웨어 엔지니어였습니다. 2001년부터 2018년까지 그는 분석 회사인 Silicon Insider를 운영했습니다. 그 전에는, 소규모 상장 법인 마이크로 프로세서 IP(지적 재산) 회사의 회장이자 CEO였으며 그 이전에는 또 다른 마이크로 프로세서 라이선싱 회사 마케팅 부서의 상무로 근무했습니다. 그는 7권의 책을 저술했으며 Microprocessor Report의 편집장이자 ESC(Embedded Systems Conference)의 컨퍼런스 의장직을 맡고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자