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使用 S 隐式 y Studio v5 通过 Silicon Labs EFR32 开发板和 OpenThread 构建线程网络

1. 简介

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Google 的 OpenThread (OT) 是 Thread 的开源实现。Google 发布了 OpenThread,以便让 Google Nest 产品中使用的网络技术可供开发者广泛使用,以便加速相关家居和商业建筑产品的开发。OpenThread 具有狭窄的平台抽象层且占用的内存很少,因此具备高度可移植性。它支持系统芯片 (SoC) 和网络协处理器 (NCP) 设计。

线程规范定义了适用于家庭和商业建筑应用的基于 IPv6 的可靠、低功耗的无线设备到设备通信协议。

Silicon Labs 增强了 OpenThread,可与 Silicon Labs 硬件配合使用。此源代码可在 GitHub 上找到,也可作为随 Simplicity Studio 5 (SSv5) 安装的软件开发套件 (SDK) 使用。SDK 包含经过全面测试的 GitHub 源代码快照。与 GitHub 版本相比,它支持的硬件种类更广泛,并且包含 GitHub 上未提供的文档和示例应用。

本指南将介绍如何开始使用 Silicon Labs OpenThread SDK 和 Simplicity Studio 5 开发 OpenThread 应用。下图显示了此 Codelab 中使用的板 (BRD) 和设置有 OT 边界路由器 (OTBR) 和两个线程设备的硬件。

EFR32MG 硬件设置

学习内容

  • 如何使用 Silicon Labs Simplicity Studio IDE 创建 OpenThread 项目。
  • 如何构建 OpenThread CLI 二进制文件并将其刷写到 Silicon Labs 无线板。
  • 如何使用 Docker 将 Raspberry Pi 3B 或更高版本设置为 OpenThread 边界路由器 (OTBR)。
  • 如何在 OTBR 上创建线程网络。
  • 将设备带外调试到线程网络。
  • 如何使用 ping 命令验证节点之间的线程通信。

2. 前提条件

硬件:

  1. 3 台 EFR32MGxx 无线电板 - 可以使用以上任意设备组合。此 Codelab 使用 BRD4166A 作为 RCP,并使用两个 BRD4168A 作为全线程设备。
    • EFR32MG12(BRD4161A、BRD4166A、BRD4170A、BRD4304A)
    • EFR32MG13 (BRD4168A)
    • EFR32MG21(BRD4180A、BRD4180B
    如果您刚开始使用,则可以使用上文所列的开发板之一的 EFR32 Thread starter kit
  2. BRD4001A:用于托管无线电板的无线入门主板 (WSTK)。除 BRD4166A 之外,所有无线电板都需要分别安装一个启动主板。用于连接 BRD4166A 主板或 Micro USB 线的迷你 USB 线。

WSTK AEM

  1. 已安装 Raspberry Pi 3B 或更高版本(带有 Raspbian Stretch Lite 操作系统映像)或Raspbian Stretch(含桌面设备)(通过以太网连接到互联网)。我们将其配置为 OT 边界路由器。
  2. 具有至少 2 个 USB 端口和互联网连接的 Windows/Linux/Mac 主机系统。查看 SSv5 的硬件和操作系统要求。
  3. 至少一根以太网网线,可将 Raspberry Pi 连接到互联网。WSTK 还支持通过 IP 地址进行调试和刷写,因此您还可以选择使用以太网网线,通过以太网交换器将 WSTK 连接到主机系统。

软件:

  • 在 Windows/Linux/Mac Host system 使用
    • GNU ARM 工具链
    • Gecko SDK Suite 3.2.0 或更高版本以及 Silicon Labs OpenThread SDK。

3.硬件设置

此 Codelab 是使用

  1. EFR32MG12 BRD4166A Thunderboard Sense 2(如左侧所示)。
  2. 如右侧所示,是两个 FRD4168A EFR32MG13。
  3. 通过带有
    1. Gecko SDK 3.2.0
    2. GNU ARM v7.2.1

4168 巴西雷亚尔

通过 USB 将每个无线入门套件主板连接到主机,如下图所示。这些连接将允许对 RCP 和最终用户的设备进行编程和分析。我们首先使用主机通过 ot-rcp 固件编写 BRD4166A 程序,并最终将其连接到 Raspberry Pi。(可选)您可以通过通用以太网交换机将终端设备连接到主机。入门套件还支持基于 IPv4 的编程和网络分析。

连接

4.固件设置

您可以通过以下两种方式开始创建。这两个选项都可让您刷写此 Codelab 所需的固件。

  1. 项目:(推荐)创建、构建和刷写示例应用。通过此选项,您可以自定义项目中的应用。
  2. 演示:(可选)直接将预构建演示刷写到任何示例应用的无线电板上。我们鼓励用户试用设置为演示版练习的演示版固件。如需了解详情,请参阅此 Codelab 末尾的“可选的固件设置 - 演示”部分。

在本 Codelab 中,我们将使用项目方法。

使用示例创建项目

我们将创建两个项目。BRD4166A 的 ot-rcp 项目和两个 BRD4168A 的 ot-cli-ftd 项目。请按照下列步骤操作,为您的板选择适当的示例应用。

  1. 打开 Studio 的 File 菜单,然后依次选择 New > Silicon Labs Project Wizard。系统随即会打开“Target, SDK and Toolchain Selection”对话框。请勿更改 OpenThread 支持的默认 Simplicity IDE / GNU 工具链。点击“下一步”
    • 目标板:显示选定的无线电板 (BRD4168A) 和主板 (BRD4001A)
    • 目标设备:此字段显示板载微控制器芯片 (MCU)。BRD4168A 内置 EFR32MG13 MCU。
    • SDK:您可以在此处选择正在使用的 OT 的 SDK 版本。套件信息包括 SDK 标记和 OpenThread 的 Silicon Labs 版本,例如 Platform 4.0.1.0OpenThread 2.0.1.0 (GitHub-55af6ce2c)
    • IDE/ 工具链:用于编译 OT 项目的工具链。我们使用 GNU ARM。

新建项目向导

  1. 系统会打开示例项目选择对话框。您会看到示例项目列表。使用线程技术类型和关键字过滤器来搜索特定的示例。请务必记下 Gecko SDK Suite 版本号。将 Raspberry Pi 设置为边界路由器时,需要用到此版本标记。选择 ot-cli-ftd,然后点击下一步

新项目向导步骤 2

  1. 系统会打开“Project Configuration”对话框。您可以在此处重命名项目、更改默认项目文件位置,以及确定是链接到还是复制项目文件。关联的项目文件指向 SDK,因此您做出的所有修改最终都会在 SDK 中进行,并用于未来的项目。通过复制项目源代码,您可以修改项目本地副本,以使 SDK 文件保持不变。“关联 SDK 并复制项目源代码”是默认选项和建议执行的操作。 点击 FINISH

新项目向导步骤 3

  1. 系统随即会打开“SIDEyid IDE Perspective”并打开 OVERVIEW(概览)标签页。

项目概览

您可以通过安装和卸载组件以及配置安装的组件,在软件组件标签页中配置项目。系统会检查已安装的组件。点击已安装的组件,查看由示例应用安装的组件的过滤列表。系统会自动保存您所做的任何更改,并且系统会自动生成项目文件。S 指示 简化版视图的右下角显示了进度。

软件组件

在本演示中,我们将使用示例应用的默认配置。重复上述步骤,为您的其他开发板创建 ot-rcp 项目。

构建和刷写项目

构建并刷写 ot-rcpot-cli-ftd 项目。

  1. 配置完项目后,点击顶部工具栏中的 Build Control (hammer) 图标。或者,您可以右键点击该项目,然后点击构建项目。

“构建项目”按钮

  1. 进度显示在右下角,进度条也会在右下角显示。此输出窗口中也会出现与您的项目相关的所有错误或警告。

项目构建输出窗口

  1. 二进制文件映像是在项目构建成功后生成的。您可以从 Project Explorer 视图刷写二进制映像。在编译器子目录中找到 .bin、.hex 或 .s37 文件。右键点击该文件,然后选择刷写到设备。如果您连接了多部设备,然后选择要编排的设备,请点击确定。打开填充了文件路径的 Flash Programmer。点击程序

闪光灯

5. 固件设置摘要

此时,您应该已经创建、编译并刷写到无线电板上的相应固件。将 ot-rcp 刷写到 BRD4166A 后,断开与主机系统的连接,并将此板连接到 Raspberry Pi。

完成本部分后,您的线程网络硬件设置将如下所示。

EFR32MG 设置

6.为 ot-cli-ft 设备设置串行控制台

如需启动 Console 界面,请在“IDE 简单”透视图的“设备视图 / 调试适配器”窗口中右键点击您的 J-Link 设备。选择启动控制台。如需在控制台中看到提示,请选择序列号 1 标签页,然后按 Enter。检查 FTD 节点的状态。

FTD Studio 控制台视图

您会发现我们还没有 ot-rcp 的控制台。在下一步中,我们会将 Raspberry Pi 配置为 OT 边界路由器,并为 ot-rcp 设置控制台。

7. 将 Raspberry Pi 设置为边界路由器

Silicon Labs 建议使用 OTBR 部署公司的 Docker 容器。在容器中运行 OTBR 可创建易于部署的工件并加快开发原型设计和测试。

Silicon Labs OTBR 映像托管在 siliconlabsinc DockerHub 上,带有标记。每个标记都对应一个 GSDK 版本:

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

对于给定版本,Docker 容器必须与使用 Simplicity Studio 5 构建的 RCP 搭配使用。请确保将容器代码版本与您用于测试的 GSDK 版本相匹配。例如,如果您的 GDSK 版本为 Gecko SDK Suite v4.0.1 (140),那么当您从 Example Project Selection 窗口中选择 ot-rcp 时,请使用 siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1 映像。

GSDK 版本

Raspberry Pi 设置

  1. 在 SD 卡上,确保刷写 Raspbian Stretch Lite 操作系统映像Raspbian Stretch 桌面设备版
  2. 你可以通过 SSH 连接到 Raspberry Pi 或选择直接使用 Raspbian Desktop。打开终端。
  3. 请确保在安装 Docker 之前更新您的本地代码库和软件包管理器(apt-get updateapt-getupgrade)。

安装 Docker 映像

  1. 在 RPi 上使用以下命令安装 Docker。
    curl -sSL https://get.docker.com | sh
    
  2. 完成后,您可以修改 Docker 用户设置,使其无需在每个命令之前运行 sudo。需要重新启动。
    sudo usermod -aG docker $USER
    
  3. 发出以下命令来安装容器。请注意,使用 RCP 时,一次只能运行一个边界路由器容器。此外,请务必将 Simplicity Studio GSDK 版本与正确的 Docker 映像匹配。例如 gsdk-4.0.1
    docker pull siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1
    

配置并运行 Docker

  1. 您需要在启动时配置要用于 OTBR 的 TTY 端口,以便连接 RCP。查找 RCP 设备的 TTY 端口。最简单的方式是在连接 RCP 后查找 /tty/dev... 条目。它通常应为 /dev/ttyUSB0/dev/ttyACM0
  2. 使用以下命令运行 Docker 安装。请务必将 Docker 映像名称替换为匹配的 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 可确保容器在分离模式下运行。
    • 您可以随时使用 docker logs 命令查看容器的运行日志。
    • --name 会保持粘滞状态,直到 Docker 容器正确关闭(或移除)为止。
    • 端口 8080 表示托管边界路由器管理网页的网络服务器的端口。
    • ?uart-baudrate=460800 在无线网址选项中要求使用,以通过 UART 解决代价高昂的操作(例如使用长 IPv6 数据包的 DTLS)来解决碎片化 / 重组问题。

与 RCP 节点交互

Docker 运行后,您可以使用此命令通过交互式 shell 与 RCP 节点通信。检查 RCP 节点的状态。

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

您可以获取正在运行的容器 ID 列表

$ docker ps -aq

您可以检查运行 OTBR Docker 容器的窗口以运行边界路由器的日志输出,也可以按如下所示关注容器日志:

$ docker logs [container-id] -f

(可选)如果正确加载 Docker 容器,您可以停止、移除或终止映像。

$ docker stop otbr
$ docker rm otbr
$ docker kill otbr

可选:要退出 shell,请使用 CNTL + C。

此时,您应该拥有 3 个控制台。

  1. S 隐式 y Studio 中的两个 ot-cli-ftd 控制台,设置为全线程设备。
  2. 在 Raspberry Pi 上设置一个可设为 OT 边界路由器的 ot-ctl 交互式 shell。

现在,我们已准备好构建线程网络。

8. 创建线程网络

设置 RCP

为了创建网络,我们在 OTBR 上使用 ot-ctl shell 来与 RCP 节点通信。请按如下所示的顺序输入以下命令:

索引

命令

命令说明

预期响应

1

dataset init new

创建新的网络配置。

完成

2

dataset commit active

将新数据集提交到活跃操作数据集。

完成

3

ifconfig up

启用线程接口。

完成

4

thread start

启用并附加线程协议操作。

完成

等待 10 秒,让线程接口启动。

5

state

检查设备状态。默认状态应为领先变体。
其他可能的状态:离线、已停用、已分离、
子级、路由器或领先变体

领先变体
已完成

6

dataset

查看网络配置。
您的值将不同于此 Codelab。
记下频道、网络密钥、
网络名称和 PAN ID。

有效时间戳:1
频道:20
通道掩码:0x07fff800
外部 PAN ID:39ba71f7fc367160
网格本地前缀:fd5c:c6b:3a17:40b9::/64
网络密钥:81ae2c2c17368d585dee71eaa8cf1e90
网络名称:OpenThread-008c
PAN ID:0x008c
PSKc:c98f0193d4236025d22dd0ee614e641f
安全政策:0,onrcb
完成

我们将使用 ot-cli-ftd 上的频道号和网络密钥将两个 FTD 加入此线程网络。

设置 FTD,并将其添加到我们的线程网络(带外方法)

使用带外方法时,我们了解所有安全信息,并手动添加节点。在 Simplicity Console 中,使用以下命令按如下所示的顺序将两个 FTD 添加到我们的网络中。

索引

命令

命令说明

预期响应

1

dataset channel 20

设置 OTBR 使用的通道。

完成

2

dataset networkkey 81ae2c2c17368d585dee71eaa8cf1e90

设备只需拥有网络密钥即可连接到线程网络。

完成

3

dataset commit active

将新数据集提交到活跃操作数据集。

完成

4

ifconfig up

启用线程接口。

完成

5

thread start

启用并附加线程协议操作。

完成

等待 20 秒,让设备自行加入和配置。

6

state

查看网络配置。

孩子
完成

线程设备间的通信

我们将使用 ping 命令检查设备能否相互通信。要使用 ping 命令,我们需要设备的 IPv6 地址。这些命令可通过 ipaddr 命令获取。

> 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)

从两个 FTD 中使用 OTBR 的 RLOC 地址对 OTBR 进行 ping 操作。

> 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

响应表明已接收负载,且通信成功。重复上述过程,对 OTBR 中的 FTD 进行 ping 操作。

9. 恭喜

您已创建线程网络!

您现在已经了解:

  • 如何使用 Silicon Labs Simplicity Studio IDE 创建 OpenThread 项目。
  • 如何构建 OpenThread CLI 二进制文件并将其刷写到 Silicon Labs 无线板。
  • 如何使用 Docker 将 Raspberry Pi 3B 或更高版本设置为 OpenThread 边界路由器 (OTBR)。
  • 如何在 OTBR 上创建线程网络。
  • 将设备带外调试到线程网络。
  • 如何使用 ping 命令验证节点之间的线程通信。

更多详情

查看 openthread.ioGitHub,以获取各种 OpenThread 资源,包括:

10. 可选的固件设置 - 演示版

演示版是可以下载到兼容设备的预构建固件映像。在 Simplicity Studio 中查看您是否有可用的演示,最快速的方法是在“Debug Adapters”视图下点击您的部分,然后转到“Launcher Perspective”中的 EXAMPLE PROJECTS & DEMOS 标签页。停用“示例项目”过滤器并选中“技术类型”下的“线程”单选按钮。

Studio 演示

随 OpenThread SDK 提供的预编译演示应用映像与以下开发板兼容:

  1. 4161 巴西雷亚尔
  2. BRD4166a
  3. 4168 巴西雷亚尔
  4. 4180 巴西雷亚尔
  5. 4304 巴西雷亚尔

在未来的 SDK 版本中,此列表可能会更新,以添加更多无线电板。有关受支持部分的完整列表,请参阅“文档”下的 Silicon Labs OpenThread SDK 版本说明。

在相应的开发板上刷写以下演示。如需进行刷写,请在左侧的“调试适配器”下选择您的开发板,然后点击相应示例应用的“运行”。系统会显示一个弹出式窗口,其中会显示闪烁进度。

  1. BRD4166A:ot-rcp - 此设备将用作 OT 边界路由器的无线电合作处理器。我们将使用此设备创建线程网络,并在线程网络上对其他两台设备建立初始配置。作为边界路由器,此设备还可以用作线程网络中的设备通过互联网进行通信的网关。
  2. 两个 BRD4168A:ot-cli-ftd - 这两台设备将作为全线程设备。他们将加入由 OTBR 创建的线程网络。