Thread-Netzwerk mit Silicon Labs EFR32-Boards und OpenThread mit Simply Studio v5 erstellen

1. Einführung

OpenThread (OT) von Google ist eine Open-Source-Implementierung von Thread. Google hat OpenThread veröffentlicht, um die verbessernde Netzwerktechnologie für Google Nest-Produkte für Entwickler verfügbar zu machen und so die Entwicklung von Produkten für Smart-Home- und Geschäftsgebäude zu beschleunigen. Mit einer schmalen Plattform-Abstraktionsschicht und einem geringen Speicherbedarf ist OpenThread besonders portabel. Unterstützt werden sowohl System-on-Chip- (SoC-) als auch Netzwerk-Coprozessor-Designs (NCP).

Die Thread-Spezifikation definiert ein IPv6-basiertes zuverlässiges, sicheres und leistungsschwaches Kommunikationsprotokoll für Geräte für private und kommerzielle Gebäude.

Silicon Labs hat OpenThread für die Arbeit mit Silicon Labs-Hardware optimiert. Dieser Quellcode ist auf GitHub verfügbar und auch als Software Development Kit (SDK), das mit Simply Studio 5 (SSv5) installiert ist. Das SDK enthält einen vollständig getesteten Snapshot des GitHub-Quellcodes. Es unterstützt eine größere Auswahl an Hardware als die GitHub-Version sowie Dokumentation und Beispielanwendungen, die nicht auf GitHub verfügbar sind.

In diesem Leitfaden werden die ersten Schritte bei der Entwicklung von OpenThread-Anwendungen mit dem Silicon Labs OpenThread SDK und Simply Studio 5 beschrieben. Das Bild unten zeigt die Boards (BRDs) und die Hardware, die mit einem OT Border Router (OTBR) eingerichtet ist, sowie zwei Geräte, die im Codelab verwendet werden.

Lerninhalte

• So erstellen Sie ein OpenThread-Projekt mit der Silicon Labs Simply Studio-IDE.
• OpenThread-Befehlszeilen-Binärprogramme erstellen und auf Silicon Labs-Radioboards blitzen.
• Anleitung zum Einrichten eines Raspberry Pi 3B+ oder höher als OpenThread Border Router (OTBR) mit Docker.
• So erstellen Sie ein Thread-Netzwerk für das OTBR.
• Außer-Band-Inbetriebnahme von Geräten in einem Thread-Netzwerk.
• Threadkommunikation zwischen den Knoten mit dem Ping-Befehl prüfen.

2. Vorbereitung

Hardware:

1. 3 EFR32MGxx-Radioboards – jede Kombination dieser Geräte kann verwendet werden. In diesem Codelab wird ein BRD4166A als RCP und zwei BRD4168As als Full Thread-Geräte verwendet.
   • EFR32MG12 (BRD4161A, BRD4166A, BRD4170A, BRD4304A)
   • EFR32MG13 (BRD4168A)
   • EFR32MG21 (BRD4180A, BRD4180B)
   Wenn Sie von Neuem beginnen, können Sie eines der EFR32 Thread-Starterkit mit den oben aufgeführten Boards erhalten.
2. BRD4001A: Kabellose Hauptstarter (WSTK) zum Hosten der Funkplatten Mit Ausnahme von BRD4166A benötigen alle Radioplatinen eine Hauptkarte. Mini-USB-Kabel für die Verbindung und die Stromversorgung der Hauptplatinen oder das Mikro-USB-Kabel für BRD4166A.

3. Raspberry Pi 3B oder höher mit Raspbian Stretch Lite OS Image oder Raspbian Stretch with Desktop, das über Ethernet mit dem Internet verbunden ist. Wir konfigurieren dies als OT-Border-Router.
4. Windows-/Linux-/Mac-Hostsystem mit mindestens 2 USB-Ports und einer Internetverbindung. Hardware- und Betriebssystemanforderungen finden Sie unter SSv5.
5. Mindestens ein Ethernetkabel zur Verbindung des Raspberry Pi mit dem Internet. Die WSTKs unterstützen auch die Fehlerbehebung und Flashing über IP, sodass optional zusätzliche Ethernetkabel verwendet werden können, um die WSTK über einen Ethernet-Switch mit Ihrem Hostsystem zu verbinden.

Software:

• Einfache Anwendung von Studio v5 auf Windows-/Linux-/Mac-Hostsystem mit
  • GNU-Toolkits
  • Gecko SDK Suite 3.2.0 oder höher und Silicon Labs OpenThread SDK.

file_downloadSimply Studio 5 herunterladen

3. Hardware eingerichtet

Dieses Codelab wurde mit

1. EFR32MG12 BRD4166A Thunderboard Sense 2, wie links dargestellt.
2. Zwei EFR32MG13-BRD4168A, wie rechts dargestellt
3. Simplizity Studio Version 5 ist auf macOS Catalina 10.15.7 mit
   installiert
   1. Gecko SDK 3.2.0
   2. GNU ARM Version 7.2.1

Schließen Sie jedes Hauptboard für Wireless Starter Kit per USB an den Hostcomputer an, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Über diese Verbindungen können die RCP- und Endgeräte programmiert und im Netzwerk analysiert werden. Wir verwenden zuerst den Hostcomputer, um die BRD4166A mit der ot-rcp-Firmware zu programmieren, und verbinden sie schließlich mit dem Raspberry Pi. Optional können Endgeräte über einen gemeinsamen Ethernet-Switch mit dem Hostcomputer verbunden werden. Die Starterkits unterstützen auch Programmier- und Netzwerkanalysen über IPv4.

4. Firmware einrichten

Du hast zwei Möglichkeiten, eine Web Story zu erstellen. Bei beiden Optionen können Sie die für dieses Codelab erforderlichen Firmware blinken lassen.

1. Projekte (empfohlen): Erstellen Sie eine Beispielanwendung und erstellen Sie sie mit Flash. Mit dieser Option können Sie die Anwendung im Projekt anpassen.ODER
2. Demos: Optional: Blitzen Sie die vordefinierten Demos direkt für jede der Beispielanwendungen auf dem Optionsfeld ein. Wir empfehlen Nutzern, die Einrichtung der Demoversion der Firmware als optionales Training auszuprobieren. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt „Optionale Firmware einrichten – Demo“ am Ende dieses Codelabs.

Für dieses Codelab verwenden wir die projektbasierte Methode.

Projekte anhand von Beispielen erstellen

Wir erstellen zwei Projekte. Das Projekt ot-rcp für BRD4166A und das Projekt ot-cli-ftd für die beiden BRD4168A. Führen Sie die folgenden Schritte aus und wählen Sie eine geeignete Beispielanwendung für Ihr Board aus.

1. Öffnen Sie das Menü Datei von Studio und wählen Sie Neu & Silicon Labs-Projektassistent aus. Das Dialogfeld „Ziel“, „SDK“ und „Toolchain-Auswahl“ wird geöffnet. Ändern Sie nicht die von OpenThread unterstützte standardmäßige IDE-/GNU-Toolchain. Klicken Sie auf „Weiter“.
   • Ziel-Boards: Zeigt das ausgewählte Radioboard (BRD4168A) zusammen mit dem Hauptboard (BRD4001A) an
   • Zielgerät: In diesem Feld ist die Mikrocontroller-Steuerung (MCU) zu sehen. Der BRD4168A hat einen integrierten EFR32MG13-MCU.
   • SDK: Hier können Sie die SDK-Version des Betriebssystems auswählen, mit dem Sie arbeiten. Zu den Suite-Informationen gehören das SDK-Tag und der Silicon Labs-Build von OpenThread, z. B. Platform 4.0.1.0 und OpenThread 2.0.1.0 (GitHub-55af6ce2c).
   • IDE/ Toolchain: Die Toolchain, die zum Kompilieren des OT-Projekts verwendet wird. Wir nutzen GNU ARM.

2. Das Dialogfeld „Beispiel für die Projektauswahl“ wird geöffnet. Sie sehen eine Liste mit Beispielprojekten. Verwenden Sie den Technologietyp Thread und Keyword-Filter, um nach einem bestimmten Beispiel zu suchen. Notieren Sie sich die Versionsnummer der Gecko SDK Suite. Sie benötigen dieses Versions-Tag, wenn Sie den Raspberry Pi als Border-Router einrichten. Wählen Sie ot-cli-ftd aus und klicken Sie auf WEITER.

3. Das Dialogfeld „Projektkonfiguration“ wird geöffnet. Hier können Sie das Projekt umbenennen, den Standardspeicherort der Projektdatei ändern und entscheiden, ob Sie Projektdateien verknüpfen oder kopieren möchten. Die verknüpften Projektdateien verweisen auf das SDK und alle Änderungen, die Sie am SDK vornehmen und für zukünftige Projekte verwendet werden. Sie können Projektquellen kopieren und so eine projektspezifische lokale Kopie bearbeiten, sodass die SDK-Dateien unverändert bleiben. Die Standardeinstellung und die empfohlene Auswahl ist SDK verknüpfen und Projektquellen kopieren. Klicke auf FERTIGSTELLEN.

4. Die Simply-IDE-Perspektive wird geöffnet, wenn der Projektkonfigurator auf dem Tab ÜBERSICHT geöffnet ist.

Das Projekt wird über den Tab Softwarekomponenten konfiguriert, indem Komponenten installiert oder deinstalliert und installierte Komponenten konfiguriert werden. Installierte Komponenten werden geprüft. Klicken Sie auf Installierte Komponenten, um eine gefilterte Liste der von der Beispielanwendung installierten Komponenten aufzurufen. Alle Änderungen werden automatisch gespeichert und Projektdateien automatisch generiert. Der Fortschritt wird rechts unten in der „Perspektiv-IDE“-Perspektive angezeigt.

In dieser Demo verwenden wir die Standardkonfiguration der Beispielanwendungen. Wiederholen Sie die obigen Schritte, um das Projekt ot-rcp für Ihr anderes Board zu erstellen.

Projekte erstellen und flashen

Erstellen und Flash-Projekt sowohl ot-rcp als auch ot-cli-ftd.

1. Nachdem Ihr Projekt konfiguriert wurde, klicken Sie in der oberen Leiste auf die Build-Steuerung (Hammersymbol). Alternativ können Sie mit der rechten Maustaste auf das Projekt klicken und dann auf „Projekt erstellen“.

2. Der Fortschritt wird in der Console und unten rechts eine Fortschrittsanzeige angezeigt. Fehler oder Warnungen zu Ihrem Projekt werden ebenfalls in diesem Ausgabefenster angezeigt.

3. Die Binärprogramme werden nach einem erfolgreichen Projekt-Build generiert. Sie können das Binärbild aus der Projekt-Explorer-Ansicht blinken lassen. Suchen Sie im Compiler-Unterverzeichnis die Datei „.bin“, „hex“ oder „s37“. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Datei und wählen Sie Flash to Device (Auf Gerät blitzen) aus. Wenn Sie mehrere Geräte verbunden haben und dann ein Gerät auswählen, klicken Sie auf OK. Der Flash Programmer wird geöffnet und der Dateipfad ist ausgefüllt. Klicke auf PROGRAMM.

5. Zusammenfassung für die Firmware-Einrichtung

Sie sollten jetzt die entsprechende Firmware auf den Funkplatinen erstellt, kompiliert und blinkt. Wenn ot-rcp auf BRD4166A blinkt, trennen Sie es vom Hostsystem und verbinden Sie dieses Board mit dem Raspberry Pi.

Nachdem Sie diesen Abschnitt abgeschlossen haben, sieht Ihre Thread-Netzwerkhardware so aus:

6. Serielle Konsole für ot-cli-ftd-Geräte einrichten

Zum Starten der Console-Oberfläche klicken Sie in der Simplizity-IDE-Perspektive im Fenster „Geräteansicht / Debug-Adapter“ mit der rechten Maustaste auf Ihr J-Link-Gerät. Wählen Sie Launch Console aus. Wenn Sie dazu aufgefordert werden, wählen Sie den Tab Serial 1 aus und drücken Sie die Eingabetaste. Prüfen Sie den Status des FTD-Knotens.

Du wirst feststellen, dass wir noch keine Konsole für ot-rcp haben. Im nächsten Schritt konfigurieren Sie den Raspberry Pi als OT-Border-Router und richten die Konsole für ot-rcp ein.

7. Raspberry Pi als Border-Router einrichten

Silicon Labs empfiehlt, den Docker-Container des Unternehmens mit dem OTBR bereitzustellen. Durch das Ausführen des OTBR in einem Container können Sie einfach verfügbare Artefakte und schnelle Entwicklungs-Prototypen und -Tests erstellen.

Silicon Labs OTBR-Images werden auf siliconlabsinc DockerHub mit Tags gehostet. Jedes Tag entspricht einer GSDK-Version:

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

Docker-Container müssen mit RCPs verwendet werden, die mit Simply Studio 5 für einen bestimmten Release erstellt wurden. Achten Sie darauf, dass Sie eine Container-Tag-Version mit der GSDK-Version abgleichen, die Sie zum Testen verwenden. Wenn Ihre GDSK-Version beispielsweise Gecko SDK Suite v4.0.1 (140) war, als Sie ot-rcp im Fenster Beispiel für die Projektauswahl ausgewählt haben, verwenden Sie das Image siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1.

Himbeer Pi

1. Auf Ihrer SD-Karte muss das Raspbian Stretch Lite OS-Image oder Raspbian Stretch with Desktop blinken.
2. Sie können entweder eine SSH-Verbindung zum Raspberry Pi herstellen oder direkt mit Raspbian Desktop arbeiten. Öffnen Sie ein Terminalfenster.
3. Aktualisieren Sie Ihre lokalen Repositories und den Paketmanager (apt-get update und apt-get upgrade vor der Installation von Docker).

Docker-Image installieren

1. Installieren Sie Docker mit dem folgenden Befehl auf Ihrem RPi.

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

2. Anschließend können Sie die Docker-Nutzereinstellungen so ändern, dass der Befehl „sudo“ nicht mehr benötigt. Neustart erforderlich.

   sudo usermod -aG docker $USER
   

3. Führen Sie die folgenden Befehle aus, um die Container zu installieren. Beachten Sie, dass mit Ihrem RCP immer nur ein Border Router-Container gleichzeitig ausgeführt werden kann. Prüfen Sie außerdem, ob Ihre Simply Studio-GSDK-Version mit dem richtigen Docker-Image übereinstimmt. Beispiel: gsdk-4.0.1:

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

Docker konfigurieren und ausführen

1. Sie müssen den TTY-Port konfigurieren, den Sie für den OTBR verwenden möchten, um Ihren RCP beim Start zu verbinden. Suchen Sie den TTY-Port Ihres RCP-Geräts. Am einfachsten ist es, wenn Sie nach einem Eintrag in /tty/dev suchen, sobald die RCP-Verbindung verbunden ist. Normalerweise sollte es /dev/ttyUSB0 oder /dev/ttyACM0 sein.
2. Führen Sie die Docker-Installation mit dem folgenden Befehl aus. Ersetzen Sie den Namen des Docker-Images durch die entsprechende GSDK-Version. Beispiel: 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 stellt sicher, dass der Container im getrennten Modus ausgeführt wird.
   • Mit dem Befehl docker logs können Sie jederzeit die laufenden Logs für den Container aufrufen.
   • --name bleibt so lange fixiert, bis der Docker-Container ordnungsgemäß geschlossen oder entfernt wird.
   • Port 8080 gibt den Port des Webservers an, auf dem die Webseite für die Border Router-Verwaltung gehostet wird.
   • ?uart-baudrate=460800 ist in den Radio-URL-Optionen erforderlich, um Probleme mit Fragmentierung/Wiederaufbau über UART mit kostspieligen Vorgängen wie DTLS mit langen IPv6-Paketen zu umgehen.

Mit dem RCP-Knoten interagieren

Sobald das Docker ausgeführt wird, können Sie mit diesem Befehl über eine interaktive Shell mit dem RCP-Knoten kommunizieren. Prüfen Sie den Status des RCP-Knotens.

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

Sie können eine Liste der ausgeführten Container-IDs abrufen

$ docker ps -aq

Sie können das Fenster öffnen, in dem der OTBR-Docker-Container ausgeführt wird, um die Logausgabe des Border Routers auszuführen oder dem Containerlog zu folgen:

$ docker logs [container-id] -f

Optional können Sie das Image beenden, entfernen oder beenden, wenn der Docker-Container richtig geladen wird.

$ docker stop otbr

$ docker rm otbr

$ docker kill otbr

Optional: Beenden Sie die Shell mit CNTL + C.

Sie sollten jetzt drei Konsolen haben.

1. Zwei ot-cli-ftd-Konsolen in Simply Studio, die als Full Thread-Geräte eingerichtet wurden.
2. Eine interaktive ot-ctl-Shell auf dem Raspberry Pi, der als OT-Border-Router eingerichtet ist.

Jetzt sind wir bereit für ein Thread-Netzwerk.

8. Thread-Netzwerk erstellen

RCP einrichten

Zum Erstellen des Netzwerks beginnen wir mit der Shell ot-ctl auf dem OTBR, das für die Kommunikation mit dem RCP-Knoten verwendet wird. Geben Sie die folgenden Befehle in der unten angegebenen Reihenfolge ein:

Wir verwenden die Kanalnummer und den Netzwerkschlüssel für ot-cli-ftd, um die beiden FTDs mit diesem Thread-Netzwerk zu verbinden.

FTD einrichten und unserem Thread-Netzwerk FTD hinzufügen (Out-of-Band-Methode)

Mit der Out-of-Band-Methode kennen wir alle Sicherheitsinformationen und fügen den Knoten manuell hinzu. Fügen Sie in den Simplizity-Konsolen beide FTDs mithilfe der folgenden Befehle in unserem Netzwerk hinzu.

Kommunikation zwischen Thread-Geräten

Wir verwenden den Befehl ping, um zu prüfen, ob Geräte miteinander kommunizieren können. Für den Ping-Befehl benötigen wir die IPv6-Adressen der Geräte. Sie können mit dem Befehl ipaddr abgerufen werden.

> 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)

Von beiden FTDs wird das OTBR über die RLOC-Adresse OTBR angepingt.

> 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

Die Antwort gibt die empfangene Nutzlast und die erfolgreiche Kommunikation an. Wiederholen Sie den Vorgang, um die FTDs per OTBR zu kontaktieren.

9. Glückwunsch

Du hast ein Thread-Netzwerk erstellt.

Sie wissen jetzt:

• So erstellen Sie ein OpenThread-Projekt mit der Silicon Labs Simply Studio-IDE.
• OpenThread-Befehlszeilen-Binärprogramme erstellen und auf Silicon Labs-Radioboards blitzen.
• Anleitung zum Einrichten eines Raspberry Pi 3B+ oder höher als OpenThread Border Router (OTBR) mit Docker.
• So erstellen Sie ein Thread-Netzwerk für das OTBR.
• Außer-Band-Inbetriebnahme von Geräten in einem Thread-Netzwerk.
• Threadkommunikation zwischen den Knoten mit dem Ping-Befehl prüfen.

Weitere Informationen

Auf openthread.io und GitHub finden Sie eine Vielzahl von OpenThread-Ressourcen:

• Unterstützte Plattformen – Hier finden Sie alle Plattformen, die OpenThread unterstützen.
• OpenThread erstellen: Weitere Informationen zum Erstellen und Konfigurieren von OpenThread
• Thread Primer: behandelt alle in diesem Codelab vorgestellten Thread-Konzepte
• Silicon Labs-OpenThread-Training: Eine Einführung zu OpenThread, zur Diskussion von Inbetriebnahme- und Grenzroutern und zu einer praxisorientierten Übung, bei der ein OpenThread-Netzwerk erstellt wird.
• QSG170: Silicon Labs OpenThread (Kurzanleitung): Hier finden Sie detaillierte Informationen zum Einstieg in die Silicon Labs-Thread-Entwicklung.
• AN1256: Silicon Labs RCP mit dem OpenThread Border Router verwenden: Build- und Installationsanleitung für den Raspberry Pi Border Router

10. Optionale Firmware einrichten – Demos

Demos sind vorgefertigte Firmware-Bilder, die auf ein kompatibles Gerät heruntergeladen werden können. Am schnellsten können Sie in Simplizity Studio herausfinden, ob eine Demo für Ihre Teile verfügbar ist. Klicken Sie dazu auf die entsprechende Stelle unter „Debug-Adapter“ und rufen Sie in der Launcher-Perspektive den Tab „BEISPIEL-PROJEKTE &DEMOS“ auf. Deaktivieren Sie den Filter „Beispielprojekte“ und klicken Sie unter „Technologietyp“ auf das Kästchen „Thread“.

Mit dem OpenThread SDK bereitgestellte vorkompilierte Demo-Anwendungsbilder sind mit den folgenden Boards kompatibel:

1. BRD4161a
2. BRD4166a
3. BRD4168a
4. BRD4180a
5. BR4304a

Diese Liste kann in zukünftigen SDK-Versionen aktualisiert werden, um weitere Radioboards hinzuzufügen. Eine vollständige Liste der unterstützten Teile finden Sie in den Versionshinweisen zum Silicon Labs-OpenThread SDK.

Blenden Sie die folgenden Demos auf den entsprechenden Boards ein. Wählen Sie zum Flash auf der linken Seite unter „Debug-Adapter“ das Board aus und klicken Sie auf „RUN“ für die entsprechenden Beispielanwendungen. In einem Pop-up-Fenster wird der Blitz angezeigt.

1. BRD4166A: ot-rcp – Dieses Gerät fungiert als Radio Co-Prozessor für den OT Border Router. Wir verwenden dieses Gerät, um ein Thread-Netzwerk zu erstellen und die anderen beiden Geräte im Thread-Netzwerk einzurichten. Da es sich um einen Border-Router handelt, fungiert dieses Gerät auch als Gateway für die Geräte im Thread-Netzwerk, um über das Internet zu kommunizieren.
2. Zwei BRD4168A: ot-cli-ftd: Diese beiden Geräte fungieren als Geräte mit Full Thread. Sie werden dem Thread-Netzwerk beigetreten, das von OTBR erstellt wurde.