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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,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。

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。

西欧夏令时间

  1. 具有 Raspbian Stretch Lite OS 映像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。
  2. 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。
  3. 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。

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

BRD4168A

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。

连接

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 4.0.1.0OpenThread 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。

新建项目向导

  1. 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

新建项目向导第 2 步

  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

新建项目向导第 3 步

  1. 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。

项目概览

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。

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-rcpot-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。

“构建项目”按钮

  1. 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。

项目构建输出窗口

  1. 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

闪光灯

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。

EFR32MG 设置

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。

FTD 工作室控制台视图

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。

GSDK 版本

Raspberry Pi 设置

  1. 确保刷写 SD 卡中的 Raspbian Stretch Lite OS 映像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 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/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:

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 秒的线程接口启动。

5

state

检查设备状态。它应该是领先变体。
其他可能的状态:离线、已停用、已分离、
子节点、路由器或领先变体

领先变体
完成

6

dataset

查看网络配置。
您的值与此 Codelab 不同。
请记下频道、网络密钥、
网络名称和 PAN ID。


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。

索引

命令

命令说明

预期响应

1

dataset channel 20

设置 OTBR 使用的频道。

完成

2

dataset networkkey 81ae2c2c17368d585dee71eaa8cf1e90

只需一个网络密钥就可以将设备连接到 Thread 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,直至设备加入并进行配置。

6

state

查看网络配置。

子级
完成

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.ioGitHub,了解各种 OpenThread 资源,包括:

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。

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. 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。