Thread，低功耗无线网络新标准——NXP FRDM-KW24D512开发板评测

肖久 · 发表于 2016-6-16 09:01:37

依托于物联网，智能家居产业发展迅速，据预测，到2018年，将有228亿美金的市场规模，绝对是未来最具前景的产业之一。在这样一个大背景下，目前无论是上游的半导体商，还是中下游的产品方案设计商，都卯足了劲想在智能家居产业真正发展起来提前布局。

要想深入智能家居产业，那我们不得不提到一个词——IoT（物联网），目前针对物联网的无线通信协议有好多种，主流的包括了WiFi、BLE、Zigbee等，其中WiFi 的功耗比较大，适合传输大量的数据；BLE功耗相对比较低，但能同时连接的设备有限；而Zigbee功耗低，可拓展的节点多，就目前而言，要作为家中多种电器的控制首选，Zigbee当仁不让，但也因各个厂商对Zigbee实现的方式不同，没有一个统一的标准，所以很难兼容不同厂商家的方案，可以说，瑜难掩瑕。而今天，爱板网要给大家推荐一个真正面向智能家居领域的网络协议标准——Thread，爱板网也拿到了可以支持Thread网络协议的硬件方案——由NXP提供的FRDM-KW24D512开发板。

Thread

可能第一次见到Thread的朋友会一脸蒙逼，这是神马玩意？脑海中一个大大的问号“What is Thread？”

事实上，Thread几年前就开始规划了，目的就是定义智能家居的通信协议，并将于近期正式发布。NXP是该组织成员的创始之一，并提供全套的软硬件解决方案。简单来说，Thread是一个网络协议标准，是一种基于简化版IPv6的网状网络协议，旨在实现家庭中各种产品间的互联，以及与互联网和云的连接。

同Zigbee类似，Thread同样是基于低成本、低功耗的802.15.4芯片组开发，所以目前很多正在使用的产品，只需一次简单的软件升级，便可支持Thread，非常易于安装，并且可以扩展到数百台设备；但又不同于Zigbee，Thread标准统一，不像Zigbee的产品，由于各个厂家的实现方式不同，导致不同产品间无法兼容使用，这可以说是Thread相较于Zigbee最大的优势。

FRDM-KW24D512开箱

OK，基本了解的Thread的定位，我们再来看看从NXP拿到的整套硬件方案又是如何的？目前的Thread软件时运行在Kinetis平台上，对于原本熟悉Freescale MCU的朋友来说，上手应该还是有即视的熟悉感。（注：NXP与Freescale两家公司于2015年完成合并，新公司的名称为NXP）

从包装盒上我们也可以看到，此次的开发板是基于Kinetis MCU系列，这是NXP基于ARM Cortex-M系列微控制器的一个产品分类，打开包装盒，可以看到盒内装有两块Freedom平台的开发板以及两根miniUSB线，这点看来NXP还是挺有心的，毕竟Thread讲究的就是组网，提供两块开发板，支持点到点开箱即用的连接，方便又贴心，毕竟一块板卡根本没法实现无线通信，一个套件两块以及两块以上板卡是比较合理的，但这里千万也不要有误区，单独的板卡也是可以作为原型设计开发的，我们不都从Freedom平台经历过了嘛。

再三确认，这两块板卡的硬件组成是一样的。

相信熟悉Freedom平台的工程师对这种版型不会陌生，这个平台的板卡都具有相似的特征，如基于Kinetis系列MCU，配以NXP传感器、搭载OpenSDA调试接口、兼容Arduino UNO R3扩展接口等特性，是一种小型化、低功耗、高性价比的微控制器评估和开发的平台。

从快速参考的纸质文档上看，此次板卡的具体型号为FRDM-KW24D512，是基于Kinetis W系列MCU，从产品的分类上可以了解到，Kinetis W系列MCU是集成了Sub-GHz或者2.4 GHz射频收发器的无线MCU产品，提供强大的功能集成，可创建可靠、安全、低功耗的嵌入式无线解决方案。

而我们此次拿到的FRDM-KW24D512板卡所搭载的无线MCU具体型号为MKW24D512VH，属于KW2xD系列产品，基于性能强大的ARM Cortex-M4处理器，支持的协议非常多，除了我们上文提到的Thread协议外，还支持ZigBee Pro 802.15.4MAC以及SMAC，KW2xD系列产品具备-102dBm的灵敏度，高达+8dBm的发射功率，19.5mA接收功耗以及18mA的发射功耗，具体如下表所示。

FRDM-KW24D512硬件

正如上文所说的，FRDM-KW24D512是基于NXP MKW24D512 Kinetis W系列微控制器的开发平台，除了本身丰富的硬件资源外，还可以通过软件支持Thread、ZigBee Pro、802.15.4 MAC、SMAC以及Kinetis软件开发套件(SDK)，板载的具体硬件资源如下图所示。

FRDM-KW24D512开发板特性：

支持MKW24D512 Kinetis微控制器(高达50 MHz Cortex-M4 MCU，512 KB闪存)
完全符合IEEE 802.15.4的无线节点
软件支持：Thread、ZigBee Pro、802.15.4 MAC和SMAC以及Kinetis软件开发套件(SDK)
具有小规格、低成本射频节点的参考设计区：
射频电路包括换衡器，将MKW24D512收发器的差分输入/输出引脚转换为板载信号路由的单端配置
较少的片外组件数量
SMA接头处的可编程输出功率为-35 dBm至+8 dBm，无Trap
接收器灵敏度：–102 dBm (典型值)
集成的PCB反向F型天线和SMA射频端口
可选电源
32 MHz基准振荡器
32 kHz时钟振荡器
2.4 GHz工作频率(ISM频段)
支持无线编程(OTAP)的外部串行闪存
多个按钮和LED
OpenSDA v2.1调试接口
带集成线性加速度传感器和磁力计的6轴组合传感器

开发板硬件系统框图：

Kinetis MKW24D512

板载的Kinetis MKW24D512 MCU是一款低功耗、紧凑型集成式器件，由一个符合IEEE 802.15.4的高性能2.4 GHz无线收发器和一个强大的ARM Cortex-M4内核系统组成，并配有数据连接和高精度混合信号模拟外设，适用于家用和楼宇自动化的控制和监控应用，包括家电、门禁、温度控制、能源管理、照明、安全和安保等应用。

Kinetis MKW24D512 MCU特性：

ARM Cortex-M4内核，带16通道DMA，最高主频50MHz
512 KB闪存和64 KB RAM
SPI、UART *2、I2C *2
8通道16位SAR ADC、6位DAC
加密加速单元(CAU)、AES加密(FIPS 140)、外部篡改检测、32位CRC
高度集成的2.4 GHz射频收发器
802.15.4数据包处理器
支持单端和分集式天线
双PAN支持
输出功率可设置-30至+8 dBm
灵敏度 -102 dBm
TX 17mA @ 0dBm (CPU睡眠)
RX 19mA (CPU睡眠)
1.8至3.6V
低压检测
多个低功耗模式
实时时钟(RTC)
在线调试和闪存编程
多达24个通用IO
多个KBI
工作温度–40°C至105°C

如何开发

要想进一步了解FRDM-KW24D512开发板，动手操作是最有效的途径。坦白的说，飞思卡尔FRDM-KW24D512支持的集成开发工具非常多，如IAR、Keil、CodeWarrior、KDS、mbed等，工程师可以根据自己的使用习惯选择对应的工具，对于初次接触开发板的朋友，推荐使用KDS+mbed在线IDE工具的组合。首先这两个都是免费的工具，没有使用限制，也不需要成本，而且还可以互补使用，完全不会有冲突。KDS适合完整项目的开发，包括了代码的编辑、编译、下载，调试，而mbed IDE在线工具除了无法进行调试外，编辑、编译、下载都很方便，可以说，有网的地方就可以使用，而且无需安装。

至于针对FRDM-KW24D512硬件调试工具，那就没什么好争议的，直接使用板载的OpenSDAv2.1调试器最为方便省事。当然，FRDM-KW24D512也支持“有钱可以任性”的想法，你也可以使用第三方的针对ARM内核的硬件调试工具进行板卡开发，比如J-LINK。每个IDE工具的具体使用这里就不再介绍了，可以参考爱板网过往的评测文章。

Demo演示

熟悉Freedom平台的朋友都知道，开发板一般都会内置一个让你快速上手的Demo例程。

而此次开发板内置的是一个基于SMAC网络协议的演示应用，可为用户提供一些测试方式，测试基本的发射-接收功能以及基于ASP和SMAC API的多种先进的测试功能。基本的上电操作在NXP官网有完整的教程指导，有不清楚的网友可以直接前往了解，这里就不多啰嗦了。

在开发板与电脑连接的时候，可以在电脑的管理器上看到一个串口COM号，这是内置SMAC演示例程需要使用到的。

波特率设置为115200,8bits，no parity，1 stop bit，复位板卡即能看到串口输出。

SMAC连接测试的Demo中主要包括连续测试、误包率(PER)测试、Range测试、无线电寄存器编辑、载波监听和传输控制等功能，以误包率的测试为例，需要将两款板卡分别上电，分别设置为发送以及接收。

接收设置

发送设置

误码率测试

距离比较近，从测试中可以看到灵敏度非常好，所以测试结果没有丢包现象。另外，在测试中笔者也将两块板卡尽可能分隔在较远的不同的房间中测试，虽然灵敏度有所降低，但是从目前环境来看，还是没有丢包现象，可以说下，笔者测试的办公室还是挺大的，所以对于目前的家居环境，FRDM-KW24D512的通信距离、通信稳定应该绰绰有余。

Thread通信

当然，此次NXP FRDM-KW24D512开发板最重要的一个功能可以说是支持NXP官方预认证的Thread网络协议栈，一起来瞧瞧。

由于Thread协议栈目前还没有正式发布，其正式的发布时间将在近期。目前如果你对这协议栈感兴趣，首先需要在NXP官网填写申请表单。

如果申请通过后会收到NXP官方的邮件回复，内附内部评估版本的下载地址，点击进入后可以在Software文件夹下找到相应的Thread协议栈安装包下载。

下载完成安装

安装结束后你可以看到安装目录下的多种例程，包括了NXP自家的MQX实时操作系统以及freertos实时操作系统，并针对NXP Kinetis系列的不同MCU。

这些例程该如何操作呢？由于Thread组网的特殊性，它的组网中，不同节点所对应的功能也有些不同，具体如下图所示

所以以笔者目前手上的两款板子可以实现的就是Leader Router、Active Router以及End Device功能设备，而Border Router功能需要具备以太网口或者WiFi功能的相应板卡支持。

因此笔者选取了两个例程，一个是thread_end_device，另一个是thread_router_eligible_device，从上图中可以看到，thread_end_device属于末端的节点设备，只能加入网络，无法创建网络，而thread_router_eligible_device既可以创建网络，又可以加入网络。

thread_end_device例程编译下载

thread_router_eligible_device例程编译下载

分别给这两款NXP FRDM-KW24D512下载这两个例程，重新上电启动后可以看到串口输出的组网logo，这里笔者特地试下thread_end_device创建网络，确实不行。

还是按照Thread的规则将thread_router_eligible_device例程的板子创建网络，thread_end_device例程的板子加入到网络中去，如下图所示，Thread通信OK。

当然，由于时间关系，本文只是简单的体验下了Thread的通信机制，但毋庸置疑，在笔者看来，更愿意把Thread当做是Zigbee的升华版，尤其面对智能家居这种“有限”的组网环境下，Thread给人一种青出于蓝而胜于蓝的感觉。Thread的自组网特性、安全性、低功耗特性，以及标准的规范性，将是Thread的最大亮点。

小结

本文介绍了NXP推出的Freedom平台开发套件FRDM-KW24D512的硬件组成以及基本的软件开发情况，板卡基于NXP Kinetis W系列无线MCU MKW24D512，这是一款低功耗、紧凑型集成式器件，内部集成了一个符合IEEE 802.15.4的高性能2.4 GHz无线收发器以及一个强大的ARM Cortex-M4处理器，并配有数据连接和高精度混合信号模拟外设，配合NXP预认证的Thread网络协议栈，非常适合目前智能家居通信产品的开发。从NXP官网的产品列表可以看到，Kinetis W系列即将上市的新产品KW21和KW41也将全面支持Thread。有兴趣的朋友不妨去NXP官网看看，如果对Thread网络协议栈感兴趣的朋友可以向NXP提交申请表单。

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