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使用 ESP32H2 和 ESP 线程边界路由器板构建线程网络

1. 简介

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由 Google Nest 团队发布的 OpenThread 是 Thread® 网络协议的开源实现，旨在加快智能互联家居产品的开发速度。线程规范针对家用和商用建筑应用，定义了基于 IPv6 的可靠、安全、低功耗的无线设备到设备通信协议。

Espressif 已移植了基于 FreeRTOS 和 LwIP 的 OpenThread 堆栈，使开发者能够快速构建 Thread 网络。相关源代码可以从 GitHub 获取。同时，Espressif 还基于 RTOS 实现了线程边界路由器。

在此 Codelab 中，您将在真实硬件上对 OpenThread 进行编程，创建和管理 Thread 网络，并在节点之间传递消息。

学习内容

构建 OpenThread CLI 二进制文件并将其刷写到 ESP 板。
正在构建边界路由器并刷写到 ESP 线程边界路由器板。
使用 ESP Monitor 和 OpenThread CLI 手动管理 Thread 节点。
在线程边界路由器上构建 Thread 网络。
对设备进行安全调试，以将其连接到 Thread 网络。
在 Thread 节点之间 ping IPv6 地址。
使用 UDP 在 Thread 节点之间传递消息。

所需条件

硬件：

2 个带 IEEE 802.15.4 模块的 ESP 板。
- ESP32-H2
- ESP32-C6
1 个 ESP 线程边界路由器板。

软件：

ESP-IDF.
ESP-THREAD-BR。

2. 使用入门

ESP-IDF 安装。

请按照 ESP-IDF 编程指南安装软件开发环境。

克隆 ESP 线程边界路由器 SDK。

ESP-THREAD-BR 是官方 ESP 线程边界路由器 SDK。它支持构建 Thread 边界路由器的所有基本网络功能，并集成了丰富的产品级功能，以实现快速产品化。

$ cd <your-local-workspace>
$ git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-thread-br.git

3. 构建和刷写

如需在包含 IEEE 802.15.4 模块的 ESP 板上构建和刷写 ot-cli-ftd 二进制文件，您可以参阅 ESP-IDF 示例 ot_cli 了解详情：

$ cd <your-idf-path>/examples/openthread/ot_cli
$ idf.py set-target <your-board-type>

通过 menuconfig 启用联接功能：

$ idf.py menuconfig

组件配置 >OpenThread >启用 Joiner，然后构建并刷写。

$ idf.py -p <your-local-port> build flash monitor

如需在 ESP 线程边界路由器板上构建和刷写 ot-br 二进制文件，您需要先构建 RCP 二进制文件。此 RCP 二进制文件无需明确刷写到 ESP 线程边界路由器板上的设备。它将包含在边界路由器二进制文件中，并在首次启动（或 RCP 固件发生更改）时刷写到 ESP32-H2 芯片。如需了解详情，请参阅 ESP 线程 BR 文档：

$ cd <your-idf-path>/examples/openthread/ot_rcp
$ idf.py set-target esp32h2
$ idf.py build
$ cd <your-esp-thread-br-path>/examples/basic_thread_border_router
$ idf.py set-target esp32s3

通过 menuconfig 启用调试器功能：

$ idf.py menuconfig

组件配置 >OpenThread >启用 Commissioner，然后进行构建和刷写。

$ idf.py -p <your-local-port> build flash monitor

4. 在线程边界路由器上构建 Thread 网络

现在，您可以在 ESP 线程边界路由器板 (BR Commissioner) 上使用 OpenThread 命令行构建 Thread 网络：

## BR Commissioner ##
----------------------
> dataset init new
Done
> dataset
Active Timestamp: 1
Channel: 21
Channel Mask: 0x07fff800
Ext PAN ID: 151975d11bea97b5
Mesh Local Prefix: fd6a:b54b:d6a3:b05a::/64
Network Key: 731ab6a60a64a0a0b14b259b86b2be01
Network Name: OpenThread-1444
PAN ID: 0x1444
PSKc: 54e7f18d2575014da94db09df29c5df0
Security Policy: 672 onrc 0
Done

提交此数据集作为活跃数据集：

> dataset commit active
Done

启动 IPv6 接口：

> ifconfig up
I (59329) OPENTHREAD: Platform UDP bound to port 49153
Done
I (59329) OT_STATE: netif up

启动 Thread 协议操作：

> thread start
I(61709) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
Done
> I(62469) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition reattaching with Active Dataset
I(69079) OPENTHREAD:[N] RouterTable---: Allocate router id 11
I(69079) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 fffe -> 2c00
I(69089) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> leader
I(69089) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Partition ID 0x28b518c6
I (69099) OPENTHREAD: Platform UDP bound to port 49154

片刻之后，检查设备状态。它应该是领先变体。

> state
leader
Done
>

5. 通过 networkkey 加入 Thread 网络

在此 Codelab 中，有两个带有 IEEE 802.15.4 模块的 ESP 开发板已准备好加入 BR 组建的网络。在此会话中，我们将向网络添加 Board1。

从 BR 获取网络密钥：

## BR Commissioner ##
----------------------
> networkkey
731ab6a60a64a0a0b14b259b86b2be01
Done
>

将此网络密钥设置为一个具有 IEEE 802.15.4 模块的 ESP 板（Board1 Joiner）：

## Board1 Joiner ##
----------------------
> dataset networkkey 731ab6a60a64a0a0b14b259b86b2be01
Done

提交此数据集作为活跃数据集：

> dataset commit active
Done

启动 IPv6 接口：

> ifconfig up
Done
I (20308) OT_STATE: netif up

启动 Thread 协议操作：

> thread start
I(23058) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
Done
> I(23408) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition reattaching with Active Dataset
I(30028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1 unsuccessful, will try again in 0.288 seconds
I(30328) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 2, AnyPartition 
I(33498) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Delay processing Announce - channel 21, panid 0x1444
I(33758) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Processing Announce - channel 21, panid 0x1444
I(33758) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> disabled
I(33758) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
I(34178) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition 
I(35068) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 fffe -> 2c01
I(35068) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> child

片刻之后，检查设备状态。它应该是子项。

> state
child
Done

将角色设置为路由器。

> state router
Done
I(51028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 2c01 -> 2800
I(51028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role child -> router
I(51028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Partition ID 0x28b518c6
>

6. 通过安全调试加入 Thread 网络

在此会话中，我们将通过安全调试将 Board2 添加到网络中：

从巴西专员获取 PSKc 和 panid：

## BR Commissioner ##
----------------------
> pskc
54e7f18d2575014da94db09df29c5df0
Done
> panid
0x1444
Done

配置 Board2 的网络信息：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> dataset pskc 54e7f18d2575014da94db09df29c5df0
Done
> dataset panid 0x1444
Done

提交此数据集作为活跃数据集：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> dataset commit active 
Done

启动 IPv6 接口：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> ifconfig up
Done
I (29146) OT_STATE: netif up

从 Board2 获取 eui64：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> eui64
4831b7fffec02be1
Done

在 BR 调试器上，启动调试器并指定可以加入的设备的 eui64 以及连接器凭据，例如 J01NME。连接符凭据是设备专用的字符串，由全部大写字母数字字符（0-9 和 A-Y，为便于阅读，不包括 I、O、Q 和 Z）组成，长度介于 6 到 32 个字符之间。

## BR Commissioner ##
----------------------
> commissioner start
Commissioner: petitioning
Done
Commissioner: active
> commissioner joiner add 4831b7fffec02be1 J01NME
Done

切换到 Board2 Joiner。使用您刚刚在巴西监管机构设置的“Joiner Credential”来开启“Joiner 角色”：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

在大约一分钟内，您会收到身份验证成功的确认消息：

## Board2 Joiner ##
----------------------
>
Join success

之后，您可以启动并加入由巴西专员组成的 Thread 网络。

启动 Thread 协议操作：

> thread start
I(35727) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
Done
> I(36197) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition reattaching with Active Dataset
I(37007) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 fffe -> 2801
I(37007) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> child

将角色设置为路由器。

> state router
Done
I(46057) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 2801 -> 4400
I(46057) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role child -> router
I(46057) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Partition ID 0x28b518c6
>

现在，您将获得一个具有如下所示的拓扑的 Thread 网络：

7. 在 Thread 节点之间 ping IPv6 地址

您可以使用 ping 命令在任何两块开发板之间进行通信。使用命令 ipaddr 输出每个开发板的 IPv6 地址：

## BR Commissioner ##
----------------------
> ipaddr
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:fc00          # Leader Anycast Locator (ALOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:2c00          # Routing Locator (RLOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:a8df:eb43:63d8:bda0     # Mesh-Local EID (ML-EID) 
fe80:0:0:0:687c:7248:cc14:9c4d              # Link-Local Address (LLA)
Done
>

## Board1 Joiner ##
----------------------
> ipaddr
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:2800          # Routing Locator (RLOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:e461:db08:c833:1248     # Mesh-Local EID (ML-EID)
fe80:0:0:0:18ac:df04:4671:6a45              # Link-Local Address (LLA)
Done

## Board2 Joiner ##
----------------------
> ipaddr
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:4400          # Routing Locator (RLOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:d7dc:8e90:9bc9:ecbc     # Mesh-Local EID (ML-EID)
fe80:0:0:0:a8cc:1483:f696:91a2              # Link-Local Address (LLA)
Done

例如，要从 BR 调试器对 Board2 MLE-ID 执行 ping 操作，您可以在 BR 调试器上运行此命令：

## BR Commissioner ##
----------------------
> ping fd6a:b54b:d6a3:b05a:d7dc:8e90:9bc9:ecbc
16 bytes from fd6a:b54b:d6a3:b05a:d7dc:8e90:9bc9:ecbc: icmp_seq=1 hlim=255 time=123ms
1 packets transmitted, 1 packets received. Packet loss = 0.0%. Round-trip min/avg/max = 123/123.0/123 ms.
Done

8. 使用 UDP 在 Thread 节点之间传递消息

在此课程中，您将学习如何在两台 Thread 设备之间发送消息。例如，打开 udp 并将其绑定在端口 20617 上，然后监听 BR 上的所有地址：

## BR Commissioner ##
----------------------
> udp open
Done
> udp bind :: 20617
I (1298739) OPENTHREAD: Platform UDP bound to port 20617
Done

然后，从 Board1 向 BR MLE-ID 地址和端口 20617 发送消息：

## Board1 Joiner ##
----------------------
> udp open
Done
> udp send fd6a:b54b:d6a3:b05a:a8df:eb43:63d8:bda0 20617 ESP

您可以查看在 BR 收到的邮件：

## BR Commissioner ##
----------------------
3 bytes from fd6a:b54b:d6a3:b05a:e461:db08:c833:1248 49154 ESP

9. 恭喜！

您已经使用 ESP 板创建了一个物理 Thread 网络！

您现在已了解：

构建 OpenThread CLI 二进制文件并将其刷写到 ESP 板。
构建闪烁的边界路由器到 ESP 线程边界路由器板。
使用 ESP Monitor 和 OpenThread CLI 手动管理 Thread 节点。
在线程边界路由器上构建 Thread 网络。
对设备进行安全调试，以将其连接到 Thread 网络。
在 Thread 节点之间 ping IPv6 地址。
使用 UDP 在 Thread 节点之间传递消息。

深入阅读

您可以访问 openthread.io 和 GitHub，获取各种 OpenThread 资源，包括：

支持的平台 - 探索支持 OpenThread 的所有平台
构建 OpenThread - 进一步详细了解如何构建和配置 OpenThread
Thread Primer - 介绍了此 Codelab 中介绍的所有 Thread 概念

参考：