運用 ESP32H2 和 ESP Thread 邊界路由器板打造 Thread 網路

1. 簡介

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OpenThread 是由 Google Nest 團隊發布，是採用 Thread® 網路通訊協定的開放原始碼實作項目，可加快智慧聯網家庭產品的開發速度。Thread 規格：為住家和商業建構應用程式定義採用 IPv6 的可靠安全無線裝置對裝置通訊協定。

Espressif 已根據 FreeRTOS 和 LwIP 移植 OpenThread 堆疊，方便開發人員快速建構 Thread 網路。您可以從 GitHub 取得相關原始碼。同時，Espressif 也根據 RTOS 實作 Thread 邊界路由器。

在本程式碼研究室中，您將在實際硬體上編寫 OpenThread、建立及管理 Thread 網路，以及在節點之間傳遞訊息。

Espressif_hardware_setup.jpg

課程內容

  • 建構 OpenThread CLI 二進位檔，並刷新至 ESP 板。
  • 為 ESP Thread 邊界路由器電路建構及刷新邊界路由器。
  • 使用 ESP 監控器和 OpenThread CLI 手動管理 Thread 節點。
  • 在 Thread 邊界路由器上建立 Thread 網路。
  • 確保裝置佈建至 Thread 網路的安全。
  • 在 Thread 節點之間對 IPv6 位址進行連線偵測 (ping)。
  • 使用 UDP 在 Thread 節點之間傳遞訊息。

軟硬體需求

硬體：

  • 2 搭載 IEEE 802.15.4 模組的 ESP 主機板。
  • 1 ESP Thread 邊界路由器電路板。

軟體：

2. 開始使用

  1. ESP-IDF 安裝。

請按照 ESP-IDF 程式設計指南的指示安裝軟體開發環境。

  1. 複製 ESP Thread 邊界路由器 SDK。

ESP-THREAD-BR 是官方的 ESP Thread Border Router SDK。它支援所有基礎網路功能，用於建構 Thread 邊界路由器，並整合豐富的產品層級功能，以便快速完成產品化。

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

3. 建構及刷新

如要使用 IEEE 802.15.4 模組在 ESP 機台上建構及刷新 ot-cli-ftd 二進位檔案，請參考 ESP-IDF 範例 ot_cli，瞭解詳情：

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

透過選單設定啟用彙整功能：

$ idf.py menuconfig

元件設定 >OpenThread >啟用 Joiner，然後建構並閃爍。

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

如要在 ESP Thread 邊界路由器 Board 上建構及刷新 ot-br 二進位檔案，您必須先建構 RCP 二進位檔案。這個 RCP 二進位檔案不需要在 ESP Thread 邊界路由器電路板上明確刷新至裝置。它會包含在邊界路由器二進位檔案內，並在首次啟動 (或 RCP 韌體變更) 時刷新至 ESP32-H2 晶片。詳情請參閱 ESP Thread BR 文件：

$ 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

透過選單設定啟用佣金器功能：

$ idf.py menuconfig

元件設定 >OpenThread >請啟用 Commissioner，然後建構並刷新。

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

4. 在 Thread 邊界路由器上建立 Thread 網路

您現在可以使用 ESP Thread 邊界路由器 Board (BR Commissioner) 的 OpenThread 指令列，建立 Thread 網路：

## 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

將這個資料集提交為使用中的資料集：

> dataset commit active
Done

開啟 IPv6 介面：

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

啟動 Thread 通訊協定作業：

> 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

稍候片刻，然後檢查裝置狀態。他應該是領導者。

> state
leader
Done
>

5. 透過 networkkey 加入 Thread 網路

在本程式碼研究室中，有兩個帶有 IEEE 802.15.4 模組的 ESP 主機板，準備加入 BR 形成的網路。在這場講座中，我們會將 Board1 新增至網路。

從 BR 取得網路金鑰：

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

透過 IEEE 802.15.4 模組，將這個網路金鑰設為一個 ESP 主機板 (Board1 聯結器)：

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

將這個資料集提交為使用中的資料集：

> dataset commit active
Done

開啟 IPv6 介面：

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

啟動 Thread 通訊協定作業：

> 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

稍候片刻，然後檢查裝置狀態。資源應為兒童。

> state
child
Done

將角色設為路由器。

> 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
>

esp_ot_tp_LR.jpg

6. 透過安全調控功能加入 Thread 網路

在這個講座中，我們會透過安全性調校功能將 Board2 新增至網路：

取得 BR 委員會提供的 PSKc 和 panid：

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

將網路資訊設為 Board2：

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

將這個資料集提交為使用中的資料集：

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

開啟 IPv6 介面：

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

從 Board2 取得 eui64：

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

在「BR 委員會」中啟動佣金器，並指定可彙整的裝置 eui64，以及彙整者憑證，例如 J01NME。彙整憑證是裝置專屬字串，由所有大寫英數字元 (0 至 9 和 A-Y 組成，但不包括 I、O、Q 和 Z)，長度介於 6 至 32 個字元。

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

切換至 Board2 加入器。使用剛剛在 BR 委員會設定的彙整者憑證建立彙整角色：

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

大約一分鐘內，您會收到驗證成功的確認訊息：

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

接著，您就可以啟動並加入由 BR 委員會組成的 Thread 網路。

啟動 Thread 通訊協定作業：

> 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

將角色設為路由器。

> 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
>

現在，您可以使用下列拓撲的 Thread 網路：

esp_ot_tp_LRR.jpg

7. 對 Thread 節點之間的 IPv6 位址進行連線偵測 (ping)

您可以使用連線偵測 (ping) 指令在任兩個 Jamboard 之間進行通訊。使用 ipaddr 指令顯示每個主機板的 IPv6 位址：

## 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，如要從 BR 委員會對 Board2 MLE-ID 進行連線偵測 (ping)，您可以在 BR 委員會執行這個指令：

## 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 節點之間傳遞訊息

在這個工作階段中，您將瞭解如何在兩部 Thread 裝置之間傳送訊息。例如，您可以在通訊埠 20617 上開啟 udp 並繫結，然後監聽 BR 上的所有位址：

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

接著，從 Board1 將訊息傳送至 BR MLE-ID 地址和通訊埠 20617：

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

您可以在 BR 查看收到的訊息：

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

9. 恭喜！

你已使用 ESP 面板建立實體 Thread 網路！

esp_ot_final_topology.jpg

您已經知道：

  • 建構 OpenThread CLI 二進位檔，並刷新至 ESP 板。
  • 為 ESP Thread 邊界路由器電路打造閃爍的邊界路由器。
  • 使用 ESP 監控器和 OpenThread CLI 手動管理 Thread 節點。
  • 在 Thread 邊界路由器上建立 Thread 網路。
  • 確保裝置佈建至 Thread 網路的安全。
  • 在 Thread 節點之間對 IPv6 位址進行連線偵測 (ping)。
  • 使用 UDP 在 Thread 節點之間傳遞訊息。

延伸閱讀

歡迎前往 openthread.io 和 GitHub 查看各種 OpenThread 資源，包括：

參考資料：