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

Google 的 OpenThread (OT) 是 Thread 的开源实现。Google 发布了 OpenThread，让开发者能够更广泛地使用 Google Nest 产品中使用的网络技术，以加快智能互联家居和商业建筑产品的开发速度。OpenThread 具有窄的平台抽象层和较小的内存占用，因此非常便于移植。它支持系统芯片 (SoC) 和网络协处理器 (NCP) 设计。

Thread 规范定义了适用于家居和商业建筑应用的基于 IPv6 的可靠、安全、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 硬件搭配使用。此源代码可在 GitHub 上找到，也可作为随 Simply Studio 5 (SSv5) 安装的软件开发套件 (SDK) 使用。SDK 包含 GitHub 源代码经过全面测试的快照。它支持比 GitHub 版本更丰富的硬件，包括 GitHub 上未提供的文档和示例应用。

本指南介绍如何使用 Silicon Labs OpenThread SDK 和 Simply Studio 5 开发 OpenThread 应用。下图显示了此 Codelab 中使用的 OT 边界路由器 (OTBR) 和两个线程设备的设备设置 (BRD) 和硬件。

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 无线电板。
• 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 Thread 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 个 EFR32MGxx 无线电板 - 可以使用这些设备的任意组合。此 Codelab 使用 BRD4166A 作为 RCP，使用两个 BRD4168A 作为全线程设备。
   • EFR32MG12（BRD4161A、BRD4166A、BRD4170A、BRD4304A）
   • EFR32MG13 (BRD4168A)
   • EFR32MG21（BRD4180A、BRD4180B）
   如果您刚开始接触新板，可以获取配有上述主板的 EFR32 Thread 入门套件。
2. BRD4001A：用于托管无线电板的无线起始板（WSTK）。除了 BRD4166A 之外，所有无线装置板都需要一个主板。用于连接 BRD4166A 主板或 Micro USB 线的迷你 USB 线。

3. 具有 Raspbian Stretch Lite OS 映像或 Raspbian Stretch with Desktop 的 Raspberry Pi 3B+ 或更高版本，可通过以太网连接到互联网。我们将其配置为 OT 边界路由器。
4. 具有至少 2 个 USB 端口并连接到互联网的 Windows/Linux/Mac 主机系统。查看 SSv5 中的硬件和操作系统要求。
5. 至少要用一根以太网电缆将 Raspberry Pi 连接到互联网。WSTK 还支持通过 IP 进行调试和刷写，因此，您可以选择使用额外的以太网线缆通过以太网交换机将 WSTK 连接到主机系统。

软件：

• 在 Windows/Linux/Mac 主机系统上安装 Simplicity Studio v5 并使用
  • GNU ARM 工具链
  • Gecko SDK Suite 3.2.0 或更高版本以及 Silicon Labs OpenThread SDK。

file_download下载 Simply Studio 5

3.硬件设置

此 Codelab 是使用

1. 如左侧所示的 EFR32MG12 BRD4166A Thunderboard Sense 2。
2. 两个 EFR32MG13 BRD4168A，如右侧所示。
3. 已在 macOS Catalina 10.15.7 和
   1. Gecko SDK 3.2.0
   2. GNU ARM 7.2.1 版

通过 USB 将每个无线入门套件主板连接到主机，如下图所示。这些连接允许对 RCP 和终端设备进行编程和网络分析。我们将首先使用主机通过 ot-rcp 固件对 BRD4166A 进行编程，并最终将其连接到 Raspberry Pi。（可选）终端设备可通过常用的以太网交换机连接到主机。入门套件还支持通过 IPv4 进行编程和网络分析。

4.固件设置

有两种方法。这两个选项都允许您刷写此 Codelab 所需的固件。

1. 项目：（推荐）创建、构建和刷写示例应用。此选项可让您在项目中自定义应用。或者
2. 演示：（可选）直接在任何示例应用上在无线电板上刷写预构建的演示。我们鼓励用户尝试将演示固件设置为可选练习。如需了解详情，请参阅此 Codelab 末尾的“可选固件设置 - 演示”部分。

在本 Codelab 中，我们将使用基于项目的方法。

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。请按以下步骤为您的板选择适当的示例应用。

1. 打开 Studio 的文件菜单，然后选择 New > Silicon Labs Project Wizard。此时会打开“目标”、“SDK”和“工具链选择”对话框。请勿更改 OpenThread 支持的默认 Simply IDE / GNU 工具链。点击“下一步”。
   • 目标板：显示所选无线电板 (BRD4168A) 和主板 (BRD4001A)
   • 目标设备：此字段显示板上的微控制器芯片 (MCU)。BRD4168A 具有 EFR32MG13 MCU 板载。
   • SDK：您可以在此处选择所用的 OT SDK 版本。套件信息包括 OpenThread 的 SDK 标记和 Silicon Labs build，例如 Platform 4.0.1.0 和 OpenThread 2.0.1.0 (GitHub-55af6ce2c)。
   • IDE/ 工具链：将用于编译 OT 项目的工具链。我们使用 GNU ARM。

2. 此时会打开“示例项目选择”对话框。您会看到一些示例项目列表。您可以使用讨论帖技术类型和关键字过滤器来搜索特定示例。请务必记下 Gecko SDK Suite 的版本号。将 Raspberry Pi 设为边界路由器时，您将需要此版本标记。选择 ot-cli-ftd，然后点击下一步。

3. 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，以及确定是关联还是复制项目文件。关联的项目文件会指向 SDK，您所做的任何修改最终都将在 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。链接 SDK 和复制项目源代码是默认选项，也是我们推荐的选项。点击完成。

4. 系统随即会打开 Simplicity IDE 透视图，并在 OVERVIEW（打开概览）标签页中打开 Project Configurator。

如需配置项目，请在软件组件标签页中安装和卸载组件，然后配置已安装的组件。系统会检查已安装的组件。点击已安装的组件，查看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更改，并自动生成项目文件。“简约 IDE 的角度”的右下角会显示进度。

在本演示中，我们将使用示例应用的默认配置。重复执行上述步骤，为您的另一个开发板创建 ot-rcp 项目。

构建并刷写项目

构建并刷写 ot-rcp 和 ot-cli-ftd 项目。

1. 配置项目后，点击顶部工具栏中的 Build control（锤子图标）。或者，您可以右键点击项目，然后点击构建项目。

2. 控制台中会显示进度，右下角有进度条。与您的项目相关的任何错误或警告也会显示在此输出窗口中。

3. 二进制映像在项目成功构建后生成。您可以从项目资源管理器视图中刷写二进制映像。在编译器子目录中找到 .bin、.十六进制或 .s37 文件。右键点击该文件，然后选择刷写到设备。如果您连接了多个设备，并选择一台设备进行编程，请点击确定。系统随即会打开 Flash 程序，并填充文件路径。点击计划。

5. 固件设置摘要

此时，您应该在电台板上创建、编译并刷写相应的固件。将 ot-rcp 刷写到 BRD4166A 后，请将其与主机系统断开连接，然后将此开发板连接到 Raspberry Pi。

完成本部分后，您的 Thread 网络硬件设置将如下所示。

6. 为 ot-cli-ftd 设备设置串行控制台

如需启动控制台界面，请在“IDE 简单”视图中，在“Devices View/Debug Adapters”窗口中右键点击 J-Link 设备。选择启动控制台。若要通过控制台获取提示，请选择序列号 1 标签页，然后按 Enter 键。检查 FTD 节点的状态。

您会发现我们还没有 ot-rcp 的控制台。在下一步中，我们将将 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 可以创建易于部署的工件，以及快速开发原型设计和测试。

Silicon Labs OTBR 映像使用标记托管在 siliconlabsinc DockerHub 上。每个标记对应一个 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 一起使用。确保容器代码版本与您用来测试的 GSDK 版本一致。例如，如果您在 Example Project Selection 窗口中选择 ot-rcp 后 GDSK 版本为 Gecko SDK Suite v4.0.1 (140)，请使用 siliconlabsinc/openthread-border-router:gsdk-4.0.1 映像。

Raspberry Pi 设置

1. 确保刷写 SD 卡中的 Raspbian Stretch Lite OS 映像或 Raspbian Stretch with Desktop。
2. 您可以通过 SSH 连接到 Raspberry Pi，也可以选择直接使用 Raspbian Desktop。打开终端。
3. 确保在安装 Docker 之前更新本地代码库和软件包管理器（apt-get update 和 apt-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，使每个命令之前都不需要 sudo。需要重新启动。

   sudo usermod -aG docker $USER
   

3. 发出以下命令以安装容器。请注意，您的 RCP 每次只能运行一个边界路由器容器。此外，请确保将您的 Simplicity Studio GSDK 版本与正确的 Docker 映像相匹配。例如 gsdk-4.0.1：

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

配置并运行 Docker

1. 在启动时，您需要配置要用于 OTBR 的 TTY 端口以连接 RCP。查找 RCP 设备的 TTY 端口。最简单的方法是在连接 RCP 后查找 /tty/dev... 条目。通常应为 /dev/ttyUSB0 或 /dev/ttyACM0。
2. 使用以下命令运行 Docker 安装。请务必将您的 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 命令查看容器正在运行的日志。
   • 在 Docker 容器正确关闭（或移除）之前，--name 会一直保持粘性。
   • 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。
   • 无线装置网址选项中需要 ?uart-baudrate=460800 才能通过 UART 解决碎片化/重新组装问题，该操作需要执行大量操作，例如使用长 IPv6 数据包的 DTLS。

与 RCP 节点交互

Docker 运行后，您可以使用以下命令通过交互式 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 的列表

$ 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，也可以按如下方式记录容器日志：

$ docker logs [container-id] -f

（可选）如果 Docker 容器已正确加载，您可以停止、移除或终止您的映像。

$ docker stop otbr

$ docker rm otbr

$ docker kill otbr

可选：如需退出 shell，请使用 CNTL + C。

此时，您应该有 3 个控制台。

1. Simplicity Studio 中的两个 ot-cli-ftd 控制台，已设置为全线程设备。
2. Raspberry Pi 上有一个被设为 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 Thread 网络

设置 RCP

为了创建网络，我们首先使用 OTBR 上的 ot-ctl shell，用于与 RCP 节点通信。请按如下顺序输入以下命令：

我们将使用 ot-cli-ftd 上的频道号和网络键将两个 FTD 添加到此线程网络中。

设置 FTD 并将其添加到我们的线程网络（带外方法）

通过带外方法获得所有安全性信息，并手动添加节点。在简单控制台中，使用以下命令（如下所示）将 FTD 添加到网络中。

线程设备之间的通信

我们将使用 ping 命令检查设备是否可以相互通信。要使用 ping 命令，我们需要设备的 IPv6 地址。您可以使用 ipaddr 命令获取这些命令。

> 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)

这两个 FTD 都使用 OTBR 的 RLOC 地址对 OTBR 执行 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

响应指示已收到载荷，并且通信成功。重复上述流程，对 OTBR 中的 FTD 执行 ping 操作。

9. 恭喜

您创建了 Thread 网络！

您现在已经知道：

• 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 无线电板。
• 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 Thread 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.io 和 GitHub，了解各种 OpenThread 资源，包括：

• 支持的平台 - 发现支持 OpenThread 的所有平台
• 构建 OpenThread - 关于构建和配置 OpenThread 的更多详细信息
• Thread Primer - 介绍此 Codelab 中的所有 Thread 概念
• Silicon Labs OpenThread 培训 - 介绍 OpenThread，讨论了调试和边界路由器，以及创建 OpenThread 网络的实操练习。
• QSG170：Silicon Labs OpenThread 快速入门指南 - 详细介绍了 Silicon Labs Thread 开发的入门流程
• AN1256：将 Silicon Labs RCP 与 OpenThread Border Router 搭配使用 - Raspberry Pi Border Router 主机的构建和安装说明

10. 可选的固件设置 - 演示

演示是一些预构建的固件映像，您可以将其下载到兼容的设备上。如要在 Simply Studio 中确定您是否可以使用演示，最快的方法就是点击“Debug Adapters”（调试适配器）视图下的相应部分，然后导航到“Launcher Perspective”（启动器视角）内的“EXAMPLE PROJECTS &DEMOS”（示例项目和演示）标签页。停用“示例项目”过滤器，并选中“技术类型”下方的“线程”单选按钮。

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

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

此列表可能会在未来的 SDK 版本中更新，以包含更多无线电板。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。

在相应板上刷写以下演示。如需刷写，请在左侧的“Debug Adapters”（调试适配器）下选择您的开发板，然后点击相应示例应用的“RUN”（运行）。此时会弹出一个窗口，显示刷写进度。

1. BRD4166A：ot-rcp - 此设备将充当 OT 边界路由器的无线装置 Co 处理器。我们将使用此设备创建一个 Thread 网络，并为 Thread 网络中的其他两部设备建立初始配置。作为边界路由器，该设备还充当线程网络中设备通过互联网进行通信的网关。
2. 两个 BRD4168A：ot-cli-ftd - 这两个设备将充当全线程设备。它们将加入由 OTBR 创建的 Thread 网络。