בניית רשת Thread עם לוחות Silicon Labs EFR32 ו-OpenThread באמצעות Simplicity Studio v5

1. מבוא

OpenThread (OT) של Google הוא הטמעת קוד פתוח של Thread. Google פרסמה את OpenThread כדי להפוך את טכנולוגיית הרשת במוצרי Google Nest לזמינה באופן נרחב יותר למפתחים, כדי להאיץ את פיתוח המוצרים לבית ולמבני מסחר מחוברים. עם שכבת הפשטה צרה של הפלטפורמה וטביעת רגל קטנה של זיכרון, OpenThread הוא נייד מאוד. הוא תומך גם בעיצובים של שבב מערכת (SoC) וגם בעיצוב של מעבדי רשת משותפים (NCP).

מפרט השרשורים מגדיר פרוטוקול תקשורת אמין, מאובטח וחזק עם חיבור Bluetooth למכשיר אחר, שמשמש לפיתוח מכשירים ביתיים ומסחריים.

ב-Silicon Labs יש מערכת OpenThread משופרת שמאפשרת לעבוד עם חומרה של Silicon Labs. קוד המקור הזה זמין ב-GitHub וגם כערכת פיתוח תוכנה (SDK) שמותקנת עם Simplicity Studio 5 (SSv5). ערכת ה-SDK כוללת תמונת מצב שנבדקה במלואה של קוד המקור של GitHub. הוא תומך במגוון רחב יותר של רכיבי חומרה בהשוואה לגרסת GitHub, וכולל מסמכים ואפליקציות לדוגמה שאינם זמינים ב-GitHub.

המדריך הזה מסביר איך להתחיל לפתח אפליקציות של OpenThread באמצעות Silicon Labs OpenThread SDK ו-Simplicity Studio 5. התמונה שלמטה מציגה את הלוחות (BRDs) ואת החומרה המוגדרת באמצעות OT Border Router (OTBR) ושני מכשירי Thread שנעשה בהם שימוש ב-Codelab.

מה תלמדו

• איך יוצרים פרויקט OpenThread באמצעות Silicon Labs Simplicity Studio IDE.
• איך ליצור ולהפיץ בינארי של OpenThread CLI ללוחות רדיו של Silicon Labs?
• איך להגדיר Raspery Pi 3B או יותר כ-OpenThread Border Router (OTBR) באמצעות Docker.
• איך ליצור רשת Thread ב-OTBR.
• חריגה מהגדרת התדרים של מכשירים לרשת Thread.
• איך לאמת תקשורת בשרשורים בין הצמתים באמצעות פקודת פינג.

2. דרישות מוקדמות

חומרה:

1. 3 לוחות רדיו EFR32MGxx – אפשר להשתמש בכל שילוב של המכשירים האלה. Codelab זה משתמש ב-BRD4166A כ-RCP ושני BRD4168A כהתקני Thread מלאים.
   • EFR32MG12 (BRD4161A, BRD4166A, BRD4170A, BRD4304A)
   • EFR32MG13 (BRD4168A)
   • EFR32MG21 (BRD4180A, BRD4180B)
   אם אתם מתחילים עכשיו, תוכלו לקבל אחת מערכת השרשורים למתחילים של EFR32, שכוללת את לוחות המוזכרים למעלה.
2. BRD4001A: לוחות אלחוטיים ראשיים (WSTK) לאירוח לוחות הרדיו. למעט BRD4166A, כל לוחות הרדיו צריכים לוח ראשי למתחילים. כבלי USB קטנים לחיבור ולחיבור של הלוחות הראשיים או כבל המיקרו USB עבור BRD4166A.

3. R חיבורי Pi 3B או יותר עם Raspbian Stretch Lite OS או Raspbian Stretch עם מחשב שולחני, שמחובר לאינטרנט באמצעות אתרנט. אנחנו מגדירים אותו כנתב גבולות.
4. מערכת אירוח Windows/Linux/Mac עם לפחות 2 יציאות USB וחיבור לאינטרנט. כדאי לבדוק את דרישות החומרה ומערכת ההפעלה בכתובת SSv5.
5. לפחות כבל Ethernet אחד לחיבור ה-Raspery Pi לאינטרנט. ה-WSTK תומך גם בניפוי באגים ובהבהוב באמצעות כתובת IP, ובאופן אופציונלי אפשר להשתמש בכבלי אתרנט נוספים כדי לחבר את ה-WSTK למערכת המארחת באמצעות מתג אתרנט.

תוכנה:

• Simplicity Studio v5 מותקן ומעודכן במערכת Windows/Linux/Mac, עם
  • ארגז הכלים של GNU ARM
  • Gecko SDK Suite 3.2.0 ואילך ו-Silicon Labs OpenThread SDK.

file_downloadלהורדת Simplicity Studio 5

3. הגדרת חומרה

Codelab זה נוצר באמצעות

1. EFR32MG12 BRD4166A Thunderboard Sense 2 כפי שמוצג משמאל.
2. שני EFR32MG13 BRD4168A כפי שמוצג בצד שמאל.
3. Simplicity Studio v5 מותקן ב-macOS Catalina 10.15.7 עם
   1. Gecko SDK 3.2.0
   2. GNU ARM גרסה 7.2.1

חבר כל לוח ראשי של ערכת התחלה אלחוטית למחשב המארח באמצעות USB, כפי שמוצג בתמונה הבאה. החיבורים האלה יאפשרו תכנות וניתוח רשת של RCP ומכשירי קצה. תחילה נשתמש במחשב המארח כדי לתכנת את BRD4166A בקושחה של OTP, ובסופו של דבר נחבר אותו ל-Raspney Pi. אפשר גם לחבר התקני קצה למחשב המארח באמצעות מתג Ethernet משותף. הערכות למתחילים תומכות גם בתכנות ובניתוח רשתות באמצעות IPv4.

4. הגדרת קושחה

יש שתי דרכים להתחיל בעבודה. שתי האפשרויות מאפשרות לך להבליט את הקושחה שנדרשת עבור Codelab זה.

1. פרויקטים: (מומלץ) יצירה, יצירה והבהוב של אפליקציה לדוגמה. בעזרת האפשרות הזו אפשר להתאים אישית את האפליקציה בפרויקט.או
2. הדגמות: (אופציונלי) הדגמת ההדגמות המובנות ישירות בלוח הרדיו של כל יישום לדוגמה. אנחנו ממליצים למשתמשים לנסות את קושחת ההדגמה (דמו) כתרגיל אופציונלי. לפרטים נוספים, יש לעיין בקטע 'הגדרת קושחה אופציונלית - הדגמות' בסוף משימת Codelab זו.

אנחנו נשתמש בשיטה מבוססת הפרויקט בפרויקט ה-Codelab הזה.

יצירת פרויקטים בעזרת דוגמאות

אנחנו ניצור שני פרויקטים. הפרויקט ot-rcp של BRD4166A והפרויקט ot-cli-ftd של שני BRD4168A. יש לפעול לפי השלבים הבאים ולבחור את יישום הדוגמה המתאים ללוח.

1. פותחים את התפריט קובץ ב-Studio ובוחרים באפשרות חדש > אשף פרויקט Silicon Labs. תיבת הדו-שיח 'טירגוט', 'SDK' ו'בחירת כלים' תיפתח. אין לשנות את ברירת המחדל של Simplicity IDE / GNU Toolchain ב-OpenThread. לוחצים על 'הבא'.
   • לוח פרסום: הצגת לוח הבחירה שנבחר (BRD4168A) יחד עם הלוח הראשי (BRD4001A)
   • מכשיר יעד: בשדה הזה מוצג הצ'יפ של המיקרו-בקר (MCU). ה-BRD4168A כולל MCU של EFR32MG13.
   • SDK: כאן אפשר לבחור את גרסת ה-SDK של שעובדים איתה. פרטי החבילה כוללים את תג ה-SDK ואת גרסת ה-build של Silicon Labs ל-OpenThread, לדוגמה Platform 4.0.1.0 ו-OpenThread 2.0.1.0 (GitHub-55af6ce2c).
   • IDE/ Toolchain: אוסף הכלים שישמש לעריכת פרויקט OT. אנחנו משתמשים ב-GNU ARM.

2. תיבת הדו-שיח לדוגמה של בחירת הפרויקט תיפתח. תוצג רשימה של פרויקטים לדוגמה. כדי לחפש דוגמה ספציפית, השתמשו במסנן הטכנולוגיה שרשור ובמסננים של מילות המפתח. חשוב לשים לב למספר הגרסה של Gecko SDK Suite. תג הגרסה הזה נחוץ בעת הגדרת ה-Raspery Pi כנתב גבולות. בוחרים ב-ot-cli-ftd ולוחצים על הבא.

3. תיבת הדו-שיח 'הגדרות הפרויקט' נפתחת. כאן תוכלו לשנות את שם הפרויקט, לשנות את מיקום ברירת המחדל של קובץ הפרויקט ולהחליט אם לקשר או להעתיק קובצי פרויקט. קובצי פרויקט מקושרים מכוונים ל-SDK וכל השינויים שמבוצעים ב-SDK משמשים בפרויקטים עתידיים. בעזרת העתקה של מקורות הפרויקט אפשר לערוך עותק מקומי של פרויקט כדי שקובצי ה-SDK יישארו ללא שינוי. האפשרות קישור SDK והעתקה של מקורות הפרויקט היא ברירת המחדל והבחירה המומלצת. לוחצים על סיום.

4. פרספקטיבת Simplicity IDE נפתחת כאשר 'פרויקט תצורה' פתוח בכרטיסייה סקירה כללית.

הפרויקט מוגדר בכרטיסייה רכיבים על ידי התקנה והסרה של רכיבים, והגדרה של רכיבים מותקנים. רכיבים מותקנים נבדקים. לוחצים על רכיבים מותקנים כדי להציג רשימה מסוננת של רכיבים שמותקנים על ידי האפליקציה לדוגמה. כל השינויים שתבצעו יישמרו אוטומטית, וקובצי הפרויקט ייווצרו באופן אוטומטי. ההתקדמות מוצגת בפינה השמאלית התחתונה של נקודת המבט של Simplicity IDE.

לצורך ההדגמה הזו נשתמש בהגדרות ברירת המחדל של האפליקציות לדוגמה. חוזרים על השלבים שלמעלה כדי ליצור את הפרויקט ot-rcp ללוח האחר.

בנייה והבהוב של פרויקטים

יצירה והבהוב של פרויקטים ל-ot-rcp ול-ot-cli-ftd.

1. אחרי שמגדירים את הפרויקט, לוחצים על Control Build (סמל פטיש) בסרגל הכלים העליון. אפשר גם ללחוץ לחיצה ימנית על הפרויקט וללחוץ על 'בניית פרויקט'.

2. ההתקדמות מוצגת במסוף וסרגל התקדמות בפינה השמאלית התחתונה. כל השגיאות או האזהרות הקשורות לפרויקט יופיעו גם בחלון הפלט הזה.

3. התמונות הבינאריות נוצרות לאחר יצירת פרויקט בהצלחה. אפשר להבליט את התמונה הבינארית מתצוגת Project Explorer. מחפשים את קובץ ה- .bin, .hex או .s37 בספריית המשנה של המהדר. לוחצים לחיצה ימנית על הקובץ ובוחרים באפשרות פלאש למכשיר. אם יש לכם יותר ממכשיר אחד מחובר, בוחרים מכשיר כדי לתכנת, לוחצים על אישור. מתכנת ה-Flash נפתח עם נתיב הקובץ מאוכלס. לוחצים על תוכנית.

5. סיכום של הגדרת הקושחה

בשלב הזה היה עליך ליצור, להדר ולהבהב את הקושחה המתאימה בלוחות הרדיו. לאחר הפלאש של ot-rcp ל-BRD4166A, יש לנתק אותו מהמערכת המארחת ולחבר את הלוח אל Raspery Pi.

לאחר השלמת הסעיף הזה, תצורת החומרה של הפרוטוקול תיראה כך.

6. הגדרת המסוף הטורי למכשירים עם קליטה

כדי להפעיל את הממשק של המסוף, מנקודת המבט של פשטות IDE לוחצים לחיצה ימנית על מכשיר J-Link בחלון 'תצוגת מכשירים' / 'ניפוי באגים'. בוחרים באפשרות Play Console. כדי לקבל הודעה ב-Play Console, בוחרים בכרטיסייה Serial 1 ומקישים על Enter. בודקים את המצב של צומת ה-FTD.

לתשומת ליבך: עדיין אין לנו מסוף עבור ot-rcp. בשלב הבא נגדיר את Raspery Pi כנתב גבולות, ונגדיר את המסוף עבור ot-rcp.

7. הגדרת פטל פאי כנתב גבול

אנחנו ממליצים לפרוס את הקונטיינר של החברה ב-Docker באמצעות ה-OTBR, על ידי Silicon Labs. הרצת OTBR בקונטיינר מאפשרת ליצור פריטי מידע שנוצרו בתהליך פיתוח (Artifact) ולפרוס אותם במהירות ולבדוק את אבות הטיפוס.

תמונות OTBR מ-Silicon Labs מתארחות ב-siliconlabs Inc DockerHub, עם תגים. כל תג תואם לגרסת GSDK:

https://hub.docker.com/r/siliconlabsicate/openthread-limit-router/tags

כדי להשתמש בקונטיינרים של Docker, צריך להשתמש בפריטי RCP שנוצרו באמצעות Simplicity Studio 5 לגרסה מסוימת. יש להתאים בין גרסה של תג מאגר תגים לגרסת ה-GSDK שאתם בודקים. למשל, אם גרסת ה-GDSK הייתה Gecko SDK Suite v4.0.1 (140) כשבחרת ב-ot-rcp מהחלון בחירת פרויקט, עליך להשתמש בתמונה siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1.

הגדרת פטל פאי

1. בכרטיס ה-SD, הקפידו להבהב את התמונה 'Rasbian Stretch Lite' או את 'Rasbian Stretch' במחשב שולחני.
2. אתם יכולים להשתמש ב-SSH ל-Raspery Pi או לבחור לעבוד ישירות עם Raspbian Desktop. פותחים טרמינל.
3. לפני שמתקינים את Docker, חשוב לעדכן את המאגרים המקומיים ואת מנהל החבילות (apt-get update ו-apt-get Upgrade).

התקנת התמונה ב-Docker

1. מתקינים את Docker באמצעות הפקודה הבאה ב-RPi.

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

2. בסיום התהליך, ניתן לשנות את הגדרות המשתמש של Docker כך שלא יהיה צורך ב-sudo לפני כל פקודה. נדרשת הפעלה מחדש.

   sudo usermod -aG docker $USER
   

3. מריצים את הפקודות הבאות כדי להתקין את מאגרי התגים. חשוב לזכור שיכולים לפעול רק קונטיינר אחד של נתב גבולות עם ה-RCP. כמו כן, חשוב לוודא שהגרסה של Simplicity Studio GSDK תואמת לתמונת ה-Docker הנכונה. לדוגמה, gsdk-4.0.1:

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

הגדרה והפעלה של אביזר העגינה

1. צריך להגדיר את יציאת ה-TTY שבה רוצים להשתמש ב-OTBR כדי לחבר את ה-RCP בזמן ההפעלה. מחפשים את יציאת ה-TTY של מכשיר ה-RCP. הדרך הקלה ביותר לעשות זאת היא לחפש רשומה של /tty/dev לאחר חיבור ה-RCP. הסטטוס אמור להיות /dev/ttyUSB0 או /dev/ttyACM0.
2. מריצים את ההתקנה של Docker באמצעות הפקודה הבאה. חשוב להחליף את השם של התמונה ב-Docker בגרסה תואמת של GSDK. לדוגמה, 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 מבטיח שהמאגר יפעל במצב מנותק.
   • תמיד ניתן לראות את היומנים הפעילים של המאגר באמצעות הפקודה docker logs.
   • --name הוא דביק עד שמאגר העגינה נסגר כראוי (או הוסר).
   • יציאה 8080 מציינת את היציאה של שרת האינטרנט המארח את דף האינטרנט לניהול נתב הגבולות.
   • כדי לעקוף בעיות של חלוקה מחדש או הרכבה מחדש ב-UART יש צורך ב-?uart-baudrate=460800 באפשרויות כתובת ה-URL של הרדיו, עם פעולות יקרות כמו DTLS עם חבילות IPv6 ארוכות.

אינטראקציה עם צומת ה-RCP

לאחר שה-Docker פועל, ניתן ליצור קשר עם צומת ה-RCP דרך מעטפת אינטראקטיבית באמצעות הפקודה הזו. בודקים את המצב של צומת ה-RCP.

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

אפשר לקבל רשימה של מזהי קונטיינרים פעילים

$ docker ps -aq

ניתן לבדוק את החלון שבו פועל הקונטיינר OTBR של Docker להפעלת פלט היומן של נתב הגבולות או לעקוב אחר יומן הקונטיינר באופן הבא:

$ docker logs [container-id] -f

לחלופין, ניתן לעצור, להסיר או להרוג את התמונה אם הקונטיינר של אביזר העגינה נטען כראוי.

$ docker stop otbr

$ docker rm otbr

$ docker kill otbr

אופציונלי: כדי לצאת מהמעטפת, משתמשים ב-CNTL + C.

בשלב הזה צריכות להיות לך 3 קונסולות.

1. שני מסופים של ot-cli-ftd ב-Simplicity Studio שמוגדרים כמכשירי Thread מלאים.
2. מעטפת אינטראקטיבית אחת של ot-ctl ב-Raspney Pi ומוגדרת כנתב גבול גבול.

עכשיו אנחנו מוכנים ליצור רשת Thread.

8. יצירת רשת של Thread

הגדרת RCP

כדי ליצור את הרשת, אנחנו מתחילים במעטפת ot-ctl ב-OTBR המשמשת לתקשורת עם צומת ה-RCP. צריך להזין את הפקודות הבאות לפי הסדר הבא:

נשתמש במספר הערוץ ובמפתח הרשת ב-ot-cli-ftd כדי לצרף את שתי ה-FTDs לרשת השרשור הזו.

הגדרה והוספה של FTD לרשת ה-Thread שלנו (מחוץ לשיטת התדרים)

בשיטה מחוץ למסגרת, אנחנו יודעים את כל פרטי האבטחה ומוסיפים את הצומת באופן ידני. במסופי הפשטות מוסיפים את שתי ה-FTD לרשת שלנו באמצעות הפקודות הבאות לפי הסדר הבא.

תקשורת בין מכשירי Thread

נשתמש בפקודה ping כדי לבדוק אם מכשירים יכולים לתקשר זה עם זה. כדי להשתמש בפקודת פינג, אנחנו צריכים את כתובות ה-IPv6 של המכשירים. אפשר למצוא אותם באמצעות הפקודה ipaddr.

> 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)

משני ה-FTDs מבצעים פינג ל-OTBR באמצעות כתובת ה-RLOC של ה-OTBR.

> 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

התשובה מציינת את המטען הייעודי (payload) שמתקבל ושהתקשורת מוצלחת. חוזרים על התהליך כדי לבצע פינג ל-FTD מ-OTBR.

9. מזל טוב

יצרת רשת של שרשור!

עכשיו אתם יודעים:

• איך יוצרים פרויקט OpenThread באמצעות Silicon Labs Simplicity Studio IDE.
• איך ליצור ולהפיץ בינארי של OpenThread CLI ללוחות רדיו של Silicon Labs?
• איך להגדיר Raspery Pi 3B או יותר כ-OpenThread Border Router (OTBR) באמצעות Docker.
• איך ליצור רשת Thread ב-OTBR.
• חריגה מהגדרת התדרים של מכשירים לרשת Thread.
• איך לאמת תקשורת בשרשורים בין הצמתים באמצעות פקודת פינג.

קריאה נוספת

ב-openthread.io וב-GitHub יש מגוון משאבים של OpenThread, כולל:

• פלטפורמות נתמכות – כל הפלטפורמות התומכות ב-OpenThread
• Open OpenThread — פרטים נוספים על יצירה והגדרה של OpenThread
• Thread Primer – מכסה את כל הקונספטים של שרשור שמוצגים ב-Codelab הזה
• Silicon Labs OpenThread – מבוא ל-OpenThread, דיון בנושא נתבי עמלה וגבולות ותרגיל מעשי ליצירת רשת OpenThread.
• QSG170: מדריך למתחילים בנושא Silicon Labs ב-OpenThread – כאן מוסבר בהרחבה על תהליך תחילת העבודה לפיתוח Silicon Labs ב-Silicon
• AN1256: שימוש ב-Silicon Labs RCP עם Openthread Border Router– הוראות ליצירה ולהתקנה עבור מארח Raspney Pi Border Router

10. הגדרת קושחה אופציונלית – הדגמות

הדגמות הן תמונות קושחה שנוצרו מראש, שמוכנות להורדה למכשיר תואם. הדרך המהירה ביותר לגלות אם הדגמה זמינה לחלק שלכם ב-Simplicity Studio היא ללחוץ על החלק שלכם בתצוגה 'מתאמי ניפוי באגים', ואז לעבור לכרטיסייה 'פרויקטים' ו'הדגמות' לדוגמה ב'נקודת המבט של מרכז האפליקציות'. משביתים את המסנן 'פרויקטים לדוגמה' ומסמנים את תיבת הסימון של השרשור בשרשור בקטע 'סוג טכנולוגיה'.

התמונות של אפליקציות ההדגמה שהוכנו מראש שסופקו עם ה-OpenThread SDK תואמות ללוחות הבאים:

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

יכול להיות שהרשימה תתעדכן במהדורות SDK הבאות כך שיכללו עוד לוחות רדיו. במסמכי התיעוד של Silicon Labs OpenThread SDK מפורט מידע מלא על החלקים הנתמכים.

הבהוב את ההדגמות הבאות בלוח המתאים. כדי להבהב, בוחרים בלוח בקטע 'מתאמי ניפוי באגים' בצד ימין, ולוחצים על 'RUN' עבור האפליקציות לדוגמה המתאימות. חלון קופץ יציג את התקדמות ההבזק.

1. BRD4166A: ot-rcp — המכשיר הזה ישמש כמעבד רדיו משותף לנתב ה-OT Border. נשתמש במכשיר הזה כדי ליצור רשת שרשור ולחבר את שני המכשירים האחרים ברשת השרשורים. נתב גבול זה משמש גם כשער למכשירים שברשת השרשור וגולשים בו באינטרנט.
2. שני BRD4168A: ot-cli-ftd — שני המכשירים האלה יפעלו כהתקני שרשור מלאים. הם יצטרפו לרשת ה-Thread שנוצרה על ידי ה-OTBR.