Thread：物联网通信大势所趋？

物联网（IoT）是当下最热门的发展方向。物联网设备对互联互通或无线连接的要求非常高，然而在长尾市场，仅仅靠开发几款芯片难以满足所有的应用需求。既然为物联网长尾市场开发带连接功能的MCU这条路行不通，那么如何才能通过少数几款芯片来满足物联网市场的万变需求？此外，物联网人们所普遍关心的安全性等问题又该如何轻松解决？ 日前在嵌入式系统展上，飞思卡尔半导体（Freescale）展示了一款支持Thread协议的2.4G IEEE 802.15.4收发器MCR20AVHM。这款产品能够将Freescale原有的Kinetis全系列MCU轻松扩展成具有连接功能的产品。它采用的Thread协议标准结合了WiFi和ZigBee协议的低功耗、鲁棒性、安全性等各种优点。同时，该产品通过与MCU、MPU组成不同搭配，能够满足节点、扩展器、网关或跨协议连接单元的各种设计要求。

图1：Thread收发器为MCU拓展无线连接功能的演示。
7hxednc

收发器：MCU增加无线功能的捷径 “Freescale基于Cortex-M0/M4内核的Kinetis 32位MCU总共有600多个器件，但真正具有连接功能的器件只有Kinetis KW系列2款芯片。MCR20AVHM的推出就为所有这600多个MCU赋予了互联互通的功能。”飞思卡尔亚太区市场与业务拓展高级经理孙东介绍说，“它不仅能够与所有ARM Cortex-M内核Kinetis MCU在硬件上无缝对接，而且在所有的软件构架上（包括Kinetis开发包上）能够进行很好的支持。”

图2：飞思卡尔亚太区市场与业务拓展高级经理孙东。
7hxednc

这款芯片配合Freescale 600多颗Cortex-M内核的芯片，就能满足不同市场的需求。MCR20AVHM收发器能够跨协议、跨通信标准，对于用户的私有协议、ZigBee以及即将推出的Thread协议都能进行很好的支持。 另外在物联网架构中，该收发器可以用来作节点、扩展器、网关或跨协议的连接单元——配合MCU作节点，配合MPU作网关，配合带人机界面（HMI）的高性能MCU作人机交互的控制终端。这就是Freescale的策略——用一个器件将节点、扩展器和网关涵盖起来。 “Freescale之前的Kinetis W 2.4G SoC非常成功，因此也希望把这种连接能力扩展到全系列的MCU产品上，因此设计了这款无线收发器。”孙东表示。 MCR20AVHM收发器从应用环境和技术角度来看可分为：可穿戴设备、网关/边缘路由器、Sub-1GHz工业应用（433MHz、969MHz等工业频段应用）、2.4GHz通信应用（主要是在家庭自动化及控制网络的应用）等。目前，2.4GHz应用以ZigBee为主，而ZigBee是一个封闭系统，不支持IP节点（所有远程访问数据节点都在网关上显示）；需要有严格认证体系；并且做不同的应用有不同的Profile，支持不同产品很麻烦。

【分页导航】7hxednc

• 第1页：收发器：MCU增加无线功能的捷径	• 第2页：Thread集ZigBee和WiFi优点于一身
• 第3页：单一收发器满足不同节点设计要求	• 第4页：后来居上，收发器需要有哪些特点？
• 第5页：从软硬件到开发套件实现无缝连接

7hxednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Thread协议集ZigBee和WiFi优点于一身 飞思卡尔和Google收购的Nest等公司创立了Thread标准，中国国内美的和小米等公司也加入了进来。“深圳有一家做智能家居软硬件非常大的公司，他们也在积极地找我们去用Thread这套协议。Thread协议也是2.4GHz的协议，它把ZigBee和WiFi的优点结合到一起。”孙东谈道，“WiFi最大的优点是支持IP，最大的缺点是星型网络，支持多层结构，不支持Mesh网络。而且一个节点断了是不能够自修复的。ZigBee支持Mesh网络，但不支持IP。而Thread把它们的优点结合在一起。”Thread标准组织在今年6月份将推出Thread 1.0版本。MCR20AVHM收发器对ZigBee协议、Thread协议和WiFi协议都能提供支持。

图3：Thread协议在Nest恒温器上得到采用。
7hxednc

可穿戴设备因为要长时间待机，所以与手机的互联互通以蓝牙低功耗（BLE）为主。路由器/网关则基本上以WiFi为主。MCR20AVHM除了不支持BLE，其他几个频段都支持，在网络层/传输层支持TCP/UDP、IPv4/IPv6，在每一个节点提供一个IP，真正实现了物联网（不支持IP则要做协议转换，很难做到互联互通；支持IP则可以从远端直接进行访问）。 该收发器的应用层也是开放协议，这是Thread的最大一个特点。在应用层要做远程控制、家庭自动化、ZLL（ZigBee Light Link）和智能能源，市场上有很多的应用层协议，比如M2M、IPSO等不同行业的协议。Thread是开放的协议，对于已成型的、在使用的和在演进的应用协议提供全线支持——不需要定任何的profile，嫁接到网上就可以通过IP访问。 Thread协议的优势总结起来有以下四点： 1.低功耗的网络——包括家庭、安防在内的物联网，有些应用需要低功耗工作，比如门禁系统要求电池工作两年，Wi-Fi和蓝牙都难以满足超长待机的要求，而ZigBee具有低功耗的特点； 2.网络可以自愈——Thread是Mesh网络，如果有一个节点出现问题，可以去绕过它，因此，网络的鲁棒性会增强； 3.基于IP——所有节点可以通过万维网来访问，这样就把物联网与万维网连接在了一起； 4.开放协议——基于Thread，可以把所有第三方应用都嫁接其上。

【分页导航】7hxednc

• 第1页：收发器：MCU增加无线功能的捷径	• 第2页：Thread集ZigBee和WiFi优点于一身
• 第3页：单一收发器满足不同节点设计要求	• 第4页：后来居上，收发器需要有哪些特点？
• 第5页：从软硬件到开发套件实现无缝连接

7hxednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 收发器以不变应万变，满足不同节点设计要求 MCR20AVHM收发器是配合Thread协议的硬件。超长待机性能取决与芯片本身的功耗和协议路由管理机制。从软件即路由管理机制来说，该收发器遵循Thread标准，该标准就是针对低功耗应用设计的。从芯片角度来讲，MCR20AVHM可以用Freescale全系列的MCU（如Cortex-M0+系列MCU）来搭配，从而在硬件层面也是低功耗的解决方案。 智能家居包括暖通空调（HVAC）控制、灯、家电和开关等的节能控制，以及传感器（位移、红外线、门磁）等。这其中遇到的挑战低功耗网络、基于IP协议、可扩展性、开放构架以及安全性。安全性非常重要，人们对蓝牙、ZigBee协议的安全性有很大顾虑，它们都没有设计单独的加密层。只有IP协议是有安全机制的。

图4：Thread协议针对智能家居各种产品而设计。
7hxednc

MCR20AVHM收发器可以和MCU、MPU灵活搭配，来满足Thread网络不同节点的要求。例如，它可以和Kinetis KW2x系列配合做终端节点；可以和Kinetis KL46配合做网路路由器；可以和i.MX6多媒体处理器搭配做物联网网关。有很多数据要经过手机连到云端。以前大楼的用户数据要存到网关，而把所用户数据存在网关是很危险的。而基于IP的方案则可以用手机去访问每个节点和直接访问云端（比如金融数据）。在Thread与万维网互联上，Freescale也有相应的方案。比如Kinetis K64F+MCR20AVHM+WiFi的方案，就可以将Thread与WiFi连接起来。 对于Thread标准以后能否集成到手机中，孙东表示，Thread是基于IP的，因此以后集成Thread的手机能够访问不同的节点。而现在很难去实现节点访问，因为不管是ZigBee还是Z-Wave，都需要一个网关，数据是访问网关上的数据，不能访问到每一个节点上；网关再向下访问。 这其中就有一个很大的问题——安全性。在智能家庭中采用它，就会引起人们的担心。ZigBee当中有对家庭自动化（门锁、门窗）的支持，但是没人敢用。而IP是演进了很多年的一个机制，在银行支付中都有用到，相对来说还是比较安全的。将IP安全的机制用到Thread中，能够将无线智能家居和无线控制延伸到以前未能接触到的行业中去。

【分页导航】7hxednc

• 第1页：收发器：MCU增加无线功能的捷径	• 第2页：Thread集ZigBee和WiFi优点于一身
• 第3页：单一收发器满足不同节点设计要求	• 第4页：后来居上，收发器需要有哪些特点？
• 第5页：从软硬件到开发套件实现无缝连接

7hxednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 后来居上，收发器需要具备哪些特点？ 从芯片上看，MCR20AVHM收发器最大的几个特点包括：1.灵活性，可以和任何的MCU、MPU配对，做成无线通信的节点；2.性能好，在功耗、收发灵敏度以及输出功率等方面表现都非常好；3.软件库，即Kinetis软件开发套件（KDS），对于ZigBee、Thread以及用户私有协议构架都得到了很好的支持。市场上2.4GHz的芯片已经比较多了。Thread协议的芯片作为2.4GHz的后来者，就必须对前者的优点和问题作总结才能赢得市场。 MCR20AVHM 802.15.4收发器的射频特点包括：2.4GHz ISM公用频段，包括医疗频段MBAN；接收灵敏度为-102dBm，在业界领先；发射功率可以做可编程增益放大，最高可达+8dBm，将运放集成在了其中；在0dBm时发射流耗仅17mA，接收流耗典型值仅19mA——轮询工作而非连续工作，因此平均流耗为μA级；AES硬件加解密；真随机数发生器。 收发器的系统特点包括：-40℃~105℃，比如用在北方的热表或在室外太阳下暴晒的情况下，温度会积累，MCR20AVHM可以满足更宽的温度范围；1.8V~3.6V电压范围；以及5×5 LGA 32引脚封装。 另外，它支持双网络/双天线。比如用户之前安装的是ZigBee产品，后来买的是支持Thread协议的产品，支持双天线就不用对旧有产品进行更换。它支持双PAN（个域网）。ZigBee不同应用层有PAN ID。以前家庭自动化和智能能源需要两套网络，有了MCR20AVHM收发器后就可以用一个硬件来支持两个不同的网络。MCR20AVHM集成度很高，周边器件能够节省。它采用SPI接口对接，burst（突发）传输方式可以进行高速同步收发。这就是它既可以和20MHz MCU连接又可以和400MHz MPU连接的原因。

【分页导航】7hxednc

• 第1页：收发器：MCU增加无线功能的捷径	• 第2页：Thread集ZigBee和WiFi优点于一身
• 第3页：单一收发器满足不同节点设计要求	• 第4页：后来居上，收发器需要有哪些特点？
• 第5页：从软硬件到开发套件实现无缝连接

7hxednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 收发器从软硬件到开发套件实现无缝连接 MCR20AVHM收发器提供开发套件，可以连接到其他开发板上。它完全兼容Arduino，从而可方便创客使用。“MCR20AVHM通过了FCC认证，在电路板上做了天线设计，拿来即可做原型机的开发。”孙东表示。 在软件上，KDS包括了底层驱动、事件管理、操作系统内核、文件系统、外围驱动和中间件等。用户直接调用底层开发接口即可，而不用去写串口驱动、USB驱动等。 其次，物联网尤其是网关要运行TCP IP、Thread或ZigBee等很多协议，而且要做事件记录处理、数据同步等操作。这就需要运行操作系统。 “Freescale是唯一一家能够免费提供RTOS（实时操作系统）的MCU厂家。Freescale的MQX RTOS在集中器、采集器、配电自动化等中得到了很好的应用。在物联网，这是一个很有差异化的竞争优势。TCP IP协议、文件系统、驱动等都做到了该操作系统中，而且该操作系统又是免费开放给客户使用。市场上流行的μCOS、KEIL等RTOS，用户有名气可能不愿意用盗版，并且有问题的时候只能求助百度或论坛，没有原厂的工程师支持。而MQX有原厂的系统工程师提供支持。”孙东强调。 最后，802.15.4 SMAC、Thread和ZigBee的协议栈都集成到开发套件中提供给客户，因此，从硬件连接、软件连接到开发套件，MCR20AVHM都可以实现无缝的连接。

【分页导航】7hxednc

• 第1页：收发器：MCU增加无线功能的捷径	• 第2页：Thread集ZigBee和WiFi优点于一身
• 第3页：单一收发器满足不同节点设计要求	• 第4页：后来居上，收发器需要有哪些特点？
• 第5页：从软硬件到开发套件实现无缝连接

7hxednc

《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载