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，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。

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。

3. 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。
4. 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。
5. 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。

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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

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。

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 4.0.1.0 和 OpenThread 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。

2. 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。

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。

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

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。

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-rcp 和 ot-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。

2. 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。

3. 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。

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。

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。

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。

Raspberry Pi 设置

1. 在 SD 卡上，确保刷写 Raspbian Stretch Lite 操作系统映像或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 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 或 /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：

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。

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.io 和 GitHub，以获取各种 OpenThread 资源，包括：

• 支持的平台 - 查看所有支持 OpenThread 的平台
• 构建 OpenThread - 有关如何构建和配置 OpenThread 的更多详情
• Thread Primer - 介绍了此 Codelab 中介绍的所有线程概念
• Silicon Labs OpenThread 培训 - 介绍了 OpenThread，介绍了调试路由器和边界路由器，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 线程开发的入门流程
• AN1256：搭配使用 Silicon Labs RCP 和 OpenThread 边界路由器 - 适用于 Raspberry Pi 边界路由器主机的构建和安装说明

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。

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。