使用 Simply Studio v5 建構 Silicon Labs EFR32 主機板和 OpenThread 網路

1. 簡介

Google 的 OpenThread (OT) 是 Thread 的開放原始碼實作項目。Google 發布了 OpenThread，讓開發人員能更廣泛地使用 Google Nest 產品採用的網路技術，加速開發智慧聯網家庭和商用建築的產品。OpenThread 具有狹窄的平台抽象層和較小的記憶體用量，因此非常容易移植。支援系統單晶片 (SoC) 和網路協同處理器 (NCP) 設計。

Thread 規格定義了以 IPv6 為基礎的可靠、安全且低功耗的無線裝置對裝置通訊協定，適用於住家和商業建築應用程式。

Silicon Labs 已強化 OpenThread，可與 Silicon Labs 硬體搭配運作。這個原始碼可在 GitHub 上取得，也可以透過軟體開發套件 (SDK) 安裝 Simplicity Studio 5 (SSv5)。SDK 包含 GitHub 原始碼的完整測試快照。這個版本支援的硬體範圍比 GitHub 版本更廣，而且包含 GitHub 上沒有的說明文件和範例應用程式。

本指南說明如何使用 Silicon Labs OpenThread SDK 和 Simplicity Studio 5，著手開發 OpenThread 應用程式。下圖顯示開發板 (BRD) 和硬體設定，其中包含 OT 邊界路由器 (OTBR) 和 Codelab 中使用的兩個 Thread 裝置。

課程內容

• 如何使用 Silicon Labs Simplicity Studio IDE 建立 OpenThread 專案。
• 如何建構 OpenThread CLI 二進位檔並刷入 Silicon Labs 無線電板。
• 瞭解如何使用 Docker，將 Raspberry Pi 3B+ 以上機型設為 OpenThread 邊界路由器 (OTBR)。
• 如何在 OTBR 上建立 Thread 網路。
• 將裝置帶外委託至 Thread 網路。
• 如何使用 ping 指令驗證節點之間的 Thread 通訊。

2. 先決條件

硬體：

1. 3 個 EFR32MGxx 無線電板 - 可使用這些裝置的任意組合。本程式碼研究室使用 BRD4166A 做為 RCP，並使用兩個 BRD4168A 做為完整 Thread 裝置。
   • EFR32MG12 (BRD4161A、BRD4166A、BRD4170A、BRD4304A)
   • EFR32MG13 (BRD4168A)
   • EFR32MG21 (BRD4180A、BRD4180B)
   如果從頭開始，可以取得其中一個 EFR32 Thread 入門套件，內含上述開發板。
2. BRD4001A：無線入門主機板 (WSTK)，用於裝載無線電路板。除了 BRD4166A 以外，所有無線電板都需要一個入門主板。使用 Mini USB 傳輸線連接主機板並供電，或使用 BRD4166A 的 Micro USB 傳輸線。

3. Raspberry Pi 3B+ 以上版本，搭載 Raspbian Stretch Lite OS 映像檔或Raspbian Stretch with Desktop，並透過乙太網路連上網際網路。我們將此設定為 OT 邊界路由器。
4. Windows/Linux/Mac 主機系統，至少要有 2 個 USB 連接埠和網際網路連線。請前往 SSv5 查看硬體和作業系統需求。
5. 至少一條乙太網路線，用於將 Raspberry Pi 連上網際網路。WSTK 也支援透過 IP 進行偵錯和閃爍，因此您也可以使用額外的乙太網路線，透過乙太網路交換器將 WSTK 連線至主機系統。

軟體：

• 在 Windows/Linux/Mac 主機系統上安裝及更新 Simplicity Studio v5，並
  • GNU ARM 工具鍊
  • Gecko SDK Suite 3.2.0 以上版本和 Silicon Labs OpenThread SDK。

file_download下載 Simplicity Studio 5

3. 設定硬體

本程式碼研究室是使用

1. 如左圖所示，EFR32MG12 BRD4166A Thunderboard Sense 2。
2. 兩個 EFR32MG13 BRD4168A，如右圖所示。
3. 在 macOS Catalina 10.15.7 上安裝 Simplicity Studio v5，並使用
   1. Gecko SDK 3.2.0
   2. GNU ARM v7.2.1

如下圖所示，使用 USB 將每個無線入門套件主機板連接至主機電腦。這些連線可讓您對 RCP 和終端裝置進行程式設計和網路分析。我們會先使用主機電腦，以 ot-rcp 韌體程式設計 BRD4166A，最後再將其連線至 Raspberry Pi。(選用) 終端裝置可透過一般乙太網路交換器連線至主機電腦。入門套件也支援透過 IPv4 進行程式設計和網路分析。

4. 設定韌體

你可以透過以下兩種方式快速起步：無論選擇哪個選項，都能刷入本程式碼研究室所需的韌體。

1. 專案：(建議) 建立、建構及刷寫範例應用程式。這個選項可讓您自訂專案中的應用程式。或
2. 示範：(選用) 在無線電板上直接閃爍任何範例應用程式的預建示範。我們鼓勵使用者嘗試設定 Demos 韌體，做為選用練習。詳情請參閱本程式碼研究室結尾的「選用韌體設定 - 示範」一節。

在本程式碼研究室中，我們將使用專案式方法。

使用範例建立專案

我們將建立兩個專案。BRD4166A 的 ot-rcp 專案，以及兩個 BRD4168A 的 ot-cli-ftd 專案。請按照下列步驟操作，為開發板選取適當的範例應用程式。

1. 開啟 Studio 的「File」選單，然後選取「New」>「Silicon Labs Project Wizard」。系統會開啟「Target, SDK, and Toolchain Selection」對話方塊。請勿變更 OpenThread 支援的預設 Simplicity IDE / GNU 工具鍊。按一下「下一步」。
   • 目標開發板：顯示所選無線電開發板 (BRD4168A) 和主開發板 (BRD4001A)
   • 目標裝置：這個欄位會顯示板載微控制器晶片 (MCU)。BRD4168A 內建 EFR32MG13 MCU。
   • SDK：您可以在這裡選取要使用的 OT SDK 版本。套件資訊包括 SDK 標記和 Silicon Labs 建構的 OpenThread，例如 Platform 4.0.1.0 和 OpenThread 2.0.1.0 (GitHub-55af6ce2c)。
   • IDE/ 工具鍊：用於編譯 OT 專案的工具鍊。我們使用 GNU ARM。

2. 「Example Project Selection」對話方塊隨即開啟。系統會列出範例專案。使用「Thread 技術類型」和關鍵字篩選器，搜尋特定範例。請務必記下 Gecko SDK Suite 版本號碼。將 Raspberry Pi 設為邊界路由器時，需要這個版本標記。選取「ot-cli-ftd」，然後點選「NEXT」。

3. 「專案設定」對話方塊隨即開啟。您可以在這裡重新命名專案、變更預設專案檔案位置，以及決定要連結或複製專案檔案。連結的專案檔案會指向 SDK，您所做的任何修改最終都會在 SDK 中完成，並用於日後的專案。複製專案來源後，您就能編輯專案本機副本，SDK 檔案則會保持不變。「連結 SDK 並複製專案來源」是預設選項，也是建議的選擇。按一下「完成」。

4. Simplicity IDE Perspective 隨即開啟，並顯示「Project Configurator」的「OVERVIEW」分頁。

您可以透過「Software Components」(軟體元件) 分頁安裝及解除安裝元件，並設定已安裝的元件，藉此設定專案。系統會檢查已安裝的元件。按一下「Installed Components」(已安裝的元件)，即可查看範例應用程式安裝的元件清單 (已篩選)。系統會自動儲存您所做的任何變更，並自動產生專案檔案。進度會顯示在 Simplicity IDE 觀點的右下角。

在本示範中，我們將使用範例應用程式的預設設定。重複上述步驟，為其他開發板建立 ot-rcp 專案。

建構及燒錄專案

建構並刷寫 ot-rcp 和 ot-cli-ftd 專案。

1. 設定專案後，按一下頂端工具列中的「建構控制項」(鐵鎚圖示)。或者，您也可以在專案上按一下滑鼠右鍵，然後點選「建構專案」。

2. 進度會顯示在控制台和右下角的進度列中。與專案相關的任何錯誤或警告也會顯示在這個輸出視窗中。

3. 專案建構成功後，系統會產生二進位檔映像檔。您可以從專案瀏覽器檢視畫面刷入二進位映像檔。在編譯器子目錄中找出 .bin、.hex 或 .s37 檔案。在檔案上按一下滑鼠右鍵，然後選取「Flash to Device」。如果已連線多部裝置，請選取要設定的裝置，然後按一下「確定」。Flash Programmer 隨即開啟，並填入檔案路徑。按一下「計畫」。

5. 韌體設定摘要

此時，您應該已在無線電板上建立、編譯及刷入適當的韌體。將 ot-rcp 刷寫至 BRD4166A 後，請將其從主機系統中拔除，然後連接至 Raspberry Pi。

完成本節後，Thread 網路硬體設定會如下所示。

6. 為 ot-cli-ftd 裝置設定序列埠控制台

如要啟動控制台介面，請在 Simplicity IDE 觀點中在 J-Link 裝置上按一下滑鼠右鍵，然後選取「Devices View」/「Debug Adapters Window」。選擇「啟動主控台」。如要在控制台上取得提示，請選擇「Serial 1」分頁標籤，然後按下 Enter 鍵。檢查 FTD 節點的狀態。

您會發現我們尚未提供 ot-rcp 的控制台。在下一個步驟中，我們會將 Raspberry Pi 設定為 OT 邊界路由器，並設定 ot-rcp 的控制台。

7. 將 Raspberry Pi 設為邊界路由器

Silicon Labs 建議使用 OTBR 部署公司的 Docker 容器。在容器中執行 OTBR 可輕鬆建立可部署的構件，並快速開發原型和測試。

Silicon Labs OTBR 映像檔託管於 siliconlabsinc DockerHub，並附有標記。每個標記都對應至 GSDK 版本：

https://hub.docker.com/r/siliconlabsinc/openthread-border-router/tags

Docker 容器必須搭配使用以 Simplicity Studio 5 建構的 RCP，才能用於特定版本。請務必讓容器代碼版本與您測試的 GSDK 版本相符。舉例來說，如果您在「Example Project Selection」(範例專案選取) 視窗中選取 ot-rcp 時，GDSK 版本為 Gecko SDK Suite v4.0.1 (140)，請使用 siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1 圖片。

設定 Raspberry Pi

1. 請務必在 SD 卡上刷入 Raspbian Stretch Lite 作業系統映像檔或 Raspbian Stretch with Desktop。
2. 您可以透過 SSH 連線至 Raspberry Pi，也可以直接使用 Raspbian Desktop。開啟終端機。
3. 請務必先更新本機存放區和套件管理員 (安裝 Docker 前，請執行 apt-get update 和 apt-get upgrade)。

安裝 Docker 映像檔

1. 在 RPi 上執行下列指令，安裝 Docker。

   curl -sSL https://get.docker.com | sh
   

2. 完成後，您可以修改 Docker 使用者設定，不必在每個指令前加上 sudo。必須重新啟動裝置。

   sudo usermod -aG docker $USER
   

3. 發出下列指令來安裝容器。請注意，使用 RCP 時，一次只能執行一個邊界路由器容器。此外，請務必將 Simplicity Studio GSDK 版本與正確的 Docker 映像檔相符。例如 gsdk-4.0.1：

   docker pull siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1
   

設定及執行 Docker

1. 您必須設定 OTBR 啟動時要用來連線 RCP 的 TTY 連接埠。找出 RCP 裝置的 TTY 連接埠。最簡單的方法是連上 RCP 後，尋找 /tty/dev... 項目。這個代碼通常是 /dev/ttyUSB0 或 /dev/ttyACM0。
2. 使用下列指令執行 Docker 安裝作業。請務必將 Docker 映像檔名稱替換為相符的 GSDK 版本。例如 gsdk-4.0.1：

   docker run -d --name "otbr" \
    --sysctl "net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0 net.ipv4.conf.all.forwarding=1 net.ipv6.conf.all.forwarding=1" \
    -p 8080:80 --dns=127.0.0.1 -it \
    --volume /dev/ttyACM0:/dev/ttyACM0 \
    --privileged siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1 \
    --radio-url spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM0?uart-baudrate=460800 \
    --backbone-interface eth0
   

   • -d 可確保容器以分離模式執行。
   • 您隨時可以使用 docker logs 指令查看容器的執行記錄。
   • --name 會持續存在，直到 Docker 容器正確關閉 (或移除) 為止。
   • 通訊埠 8080 表示代管 Border Router 管理網頁的網路伺服器通訊埠。
   • 無線電網址選項中必須有 ?uart-baudrate=460800，才能解決 UART 上的片段化 / 重組問題，以及 DTLS 等耗費資源的作業 (使用長 IPv6 封包)。

與 RCP 節點互動

Docker 執行後，您可以使用此指令，透過互動式殼層與 RCP 節點通訊。檢查 RCP 節點的狀態。

$ docker exec -ti otbr sh -c "sudo ot-ctl"
> state 
disabled
Done

您可以取得正在執行的容器 ID 清單

$ docker ps -aq

您可以檢查執行 OTBR Docker 容器的視窗，查看邊界路由器執行記錄的輸出內容，或按照下列步驟追蹤容器記錄：

$ docker logs [container-id] -f

如果 Docker 容器已正確載入，您可以選擇停止、移除或終止映像檔。

$ docker stop otbr

$ docker rm otbr

$ docker kill otbr

選用：如要退出殼層，請按下 CNTL + C。

此時，您應該會有 3 個控制台。

1. Simplicity Studio 中的兩個 ot-cli-ftd 控制台，設定為完整 Thread 裝置。
2. Raspberry Pi 上的 ot-ctl 互動式殼層，設定為 OT 邊界路由器。

現在可以建立 Thread 網路了。

8. 建立 Thread 網路

設定 RCP

如要建立網路，請先在 OTBR 上啟動 ot-ctl 殼層，與 RCP 節點通訊。依下列順序輸入指令：

我們會使用 ot-cli-ftd 上的頻道號碼和網路金鑰，將兩個 FTD 加入這個執行緒網路。

設定 FTD 並新增至 Thread 網路 (頻外方法)

透過頻外方法，我們可掌握所有安全性資訊，並手動新增節點。在 Simplicity 控制台中，使用下列指令依序將兩個 FTD 新增至網路。

Thread 裝置之間的通訊

我們會使用 ping 指令，檢查裝置是否可以彼此通訊。如要使用 ping 指令，我們需要裝置的 IPv6 位址。這些憑證可使用 ipaddr 指令取得。

> ipaddr
fd5c:c6b:3a17:40b9:0:ff:fe00:fc00		# Leader Anycast Locator (ALOC)
fd5c:c6b:3a17:40b9:0:ff:fe00:1800		# Routing Locator (RLOC)
fd5c:c6b:3a17:40b9:84e2:bae8:bd5b:fa03		# Mesh-Local EID (ML-EID)
fe80:0:0:0:c449:ca4a:101f:5d16			# Link-Local Address (LLA)

從兩個 FTD 使用 OTBR 的 RLOC 位址，對 OTBR 執行 ping 作業。

> ping fd5c:c6b:3a17:40b9:0:ff:fe00:1800
Done
> 
> 16 bytes from fd5c:c6b:3a17:40b9:0:ff:fe00:1800: icmp_seq=3 hlim=64 time=30ms
16 bytes from fd5c:c6b:3a17:40b9:0:ff:fe00:1800: icmp_seq=3 hlim=64 time=52ms

回應表示已收到酬載，且通訊成功。重複上述程序，從 OTBR Ping FTD。

9. 恭喜

你已建立 Thread 網路！

您現在瞭解：

• 如何使用 Silicon Labs Simplicity Studio IDE 建立 OpenThread 專案。
• 如何建構 OpenThread CLI 二進位檔並刷入 Silicon Labs 無線電板。
• 瞭解如何使用 Docker，將 Raspberry Pi 3B+ 以上機型設為 OpenThread 邊界路由器 (OTBR)。
• 如何在 OTBR 上建立 Thread 網路。
• 將裝置帶外委託至 Thread 網路。
• 如何使用 ping 指令驗證節點之間的 Thread 通訊。

延伸閱讀

如需各種 OpenThread 資源，請前往 openthread.io 和 GitHub，包括：

• 支援的平台：瞭解所有支援 OpenThread 的平台
• 建構 OpenThread：進一步瞭解如何建構及設定 OpenThread
• Thread 基礎知識：涵蓋本程式碼研究室中所有 Thread 概念
• Silicon Labs OpenThread 訓練：介紹 OpenThread、討論委派和邊界路由器，並提供建立 OpenThread 網路的實作練習。
• QSG170：Silicon Labs OpenThread 快速入門指南 - 詳細說明 Silicon Labs Thread 開發的入門程序
• AN1256：搭配 OpenThread 邊界路由器使用 Silicon Labs RCP - Raspberry Pi 邊界路由器主機的建構和安裝說明

10. 選用韌體設定 - 試用版

試用版是預先建構的韌體映像檔，可下載到相容裝置。如要快速查看 Simplicity Studio 中是否有適用於零件的範例，請在「Debug Adapters」檢視畫面中點選零件，然後前往「Launcher Perspective」的「EXAMPLE PROJECTS & DEMOS」分頁。停用「範例專案」篩選器，然後勾選「技術類型」下方的「執行緒」單選方塊。

OpenThread SDK 隨附的預先編譯示範應用程式映像檔與下列開發板相容：

1. BRD4161a
2. BRD4166a
3. BRD4168a
4. BRD4180a
5. BRD4304a

日後發行的 SDK 版本可能會更新這份清單，納入更多無線電板。如需完整的支援零件清單，請參閱「Documentation」下的 Silicon Labs OpenThread SDK 版本資訊。

在對應的開發板上刷入下列範例。如要燒錄，請在左側的「Debug Adapters」下方選取開發板，然後按一下對應範例應用程式的「RUN」。彈出式視窗會顯示快閃進度。

1. BRD4166A：ot-rcp - 這個裝置會做為 OT 邊界路由器的無線電共同處理器。我們將使用這部裝置建立 Thread 網路，並將其他兩部裝置加入 Thread 網路。這部裝置是邊界路由器，因此也能做為閘道，讓 Thread 網路中的裝置透過網際網路通訊。
2. 兩部 BRD4168A：ot-cli-ftd - 這兩部裝置會做為完整 Thread 裝置。這些裝置會加入 OTBR 建立的 Thread 網路。