使用 Simply Studio v5 通过 Silicon Labs EFR32 boards 和 OpenThread 构建 Thread 网络

1. 简介

Google 的 OpenThread (OT) 是 Thread 的开源实现。Google 发布了 OpenThread，向开发者广泛提供了 Google Nest 产品中使用的网络技术，以加速智能家居和商业建筑的产品开发。OpenThread 具有窄的平台抽象层和较小的内存占用量，因此可移植性极高。它同时支持系统芯片 (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、安全、低功耗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。GitHub 上提供了此源代码，您也可以将其用作随 Simplicity Studio 5 (SSv5) 安装的软件开发套件 (SDK)。SDK 包含经过全面测试的 GitHub 源代码快照。与 GitHub 版本相比，支持的硬件系列范围更广，包括 GitHub 上不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 开始开发 OpenThread 应用。以下图片显示了使用 Codelab 中使用的 OT 边界路由器 (OTBR) 和两个 Thread 设备来设置的板 (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 无线板。
• 如何使用 Docker 将 Raspberry Pi 3B 及更高版本设置为 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 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，并将两个 BRD4168As 用作全线程设备。
   • EFR32MG12（BRD4161A、BRD4166A、BRD4170A、BRD4304A）
   • EFR32MG13 (BRD4168A)
   • EFR32MG21（BRD4180A、BRD4180B）
   如果您是新手，可以购买一个包含上述开发板的 EFR32 Thread 起始套件。
2. BRD4001A：用于装载无线装置板的无线启动主板 (WSTK)。除 BRD4166A 外，所有无线装置板都需要一个主板。迷你 USB 线用于连接主板或 BRD4166A 的 Micro USB 线。

3. 一个装有 Raspberry Pi 3B 或更高版本的显卡，它配有 Raspbian Stretch Lite OS 映像或带桌面的 Rasbian Stretch Stretch（通过以太网连接到互联网）。我们将此功能配置为 OT 边界路由器。
4. Windows/Linux/Mac Host 系统，有至少 2 个 USB 端口并连接到互联网。如需了解硬件和操作系统要求，请参阅 SSv5。
5. 至少一根用于将 Raspberry Pi 连接到互联网的以太网线。WSTK 还支持通过 IP 进行调试和刷写，因此您可以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
  • 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，如左侧图片所示。
2. 两个 EFR32MG13 BRD4168A（如右图所示）。
3. 在 macOS Catalina 10.15.7 上安装简约的 Studio v5 - 版本
   1. Gecko SDK 3.2.0
   2. GNU ARM v7.2.1

通过 USB 将每个无线新手入门套件主板连接到主机，如下图所示。通过这些连接，您可以对 RCP 和终端设备进行编程和网络分析。我们首先使用主机通过 ot-rcp 固件对 BRD4166A 进行编程，然后最终将其连接到 Raspberry Pi。您也可以选择将终端设备通过常用的以太网开关连接到主机。入门套件还支持通过 IPv4 进行编程和网络分析。

4. 固件设置

有两种方式可开始使用。这两种方式都可让您刷写此 Codelab 所需的固件。

1. 项目：（推荐）创建、构建和刷写示例应用。此选项允许您在项目中自定义应用。OR
2. 演示：（可选）直接在电台应用中为任何示例应用刷写预构建的演示。建议用户尝试将演示固件设置为可选练习。如需了解详情，请参阅本 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。请按照以下步骤操作，并为开发板选择合适的示例应用。

1. 打开 Studio 的文件菜单，然后依次选择 New > Silicon Labs Project Wizard。此时会打开“Target”、“SDK”和“Toolchain Selection”对话框。请勿更改 OpenThread 支持的默认简单的 IDE / GNU 工具链。点击“下一步”。
   • 目标开发板：显示所选的无线电开发板 (BRD4168A) 和主板 (BRD4001A)
   • 目标设备：此字段显示板载微控制器芯片 (MCU)。BRD4168A 板载 EFR32MG13 MCU。
   • SDK：在此处，您可以选择要使用的 SDK 版本的 OT 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. 系统会打开“Example Project Selection”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即可搜索具体示例。请务必记下 Gecko SDK Suite 的版本号。将 Raspberry Pi 设置为边界路由器，需要使用此版本标记。选择 ot-cli-ftd，然后点击 Next。

3. 此时会打开“Project Configuration”对话框。您可以在这里重命名项目、更改默认项目文件位置，并确定是要关联还是复制项目文件。关联的项目文件会指向 SDK，并且您所做的任何修改最终会在 SDK 中进行，并用于未来的项目。复制项目源代码，可让您修改项目本地副本，以便 SDK 文件保持不变。“关联 SDK 和复制项目源代码”是默认选项，也是建议使用的选项。点击完成。

4. 简约 IDE 的画面将打开，项目配置器即会打开 OVERVIEW 标签页。

该项目是通过安装和卸载组件以及配置已安装的组件，通过 Software Components 标签页配置的。对已安装的组件进行检查。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。“进度”界面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，为另一个开发板创建 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. 配置项目后，点击顶部工具栏中的 Build 控件（锤子图标）。或者，您也可以右键点击项目，然后点击 build 项目。

2. 控制台中会显示进度，右下角有一个进度条。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. 二进制文件映像会在项目构建成功后生成。您可以从“Project Explorer”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，请选择一个设备进行编程，然后点击确定。系统打开 Flash 程序，在其中填充文件路径。点击计划。

5. 固件设置摘要

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

要启动控制台界面，请从“IDE 角度”的简洁视图右键点击“J-Link”设备中的“Device View / Debug Adapters”窗口。选择启动控制台。如需在控制台上看到提示，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 有助于创建可轻松部署的工件并快速进行开发原型设计和测试。

Silicon Labs OTBR 映像托管在 siliconlabsinc DockerHub 上，并带有标记。每个代码对应一个 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 Simply Studio 5 构建的 RCP 搭配使用。确保容器代码版本与您测试所用的 GSDK 版本一致。例如，如果您从 Example Project Selection 窗口中选择 ot-rcp，您的 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”已设置

1. 在 SD 卡上，确保刷写 Raspbian Stretch Lite OS 映像或使用桌面设备的 Raspbian Stretch。
2. 你可以通过 SSH 连接到 Raspberry Pi，也可以选择直接使用 Raspbian Desktop。打开终端。
3. 务必更新本地代码库和软件包管理器（apt-get update 和 apt-getupgrade，然后再安装 Docker）。

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，您可以将 Docker 用户设置修改为在每个命令前不需要使用 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，对于 RCP，一次只能运行一个边界路由器容器。此外，请确保 Simpy 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. 您需要配置要用于 OTBR 的 TTY 端口，以在启动时连接 RCP。查找 RCP 设备的 TTY 端口。最简单的方法是在 RCP 连接完成后查找 /tty/dev... 条目。该值通常应为 /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 命令查看容器的运行日志。
   • --name 会保持粘性，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。
   • 无线装置网址选项中需要 ?uart-baudrate=460800 才能解决 UART 碎片化 / 重新组装问题，并耗费高昂的操作（例如处理具有长 IPv6 数据包的 DTLS）。

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 节点进行通信。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 容器以运行边界路由器日志输出的窗口，或按以下内容查看容器日志：

$ 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. 一个适用于 Raspberry Pi 的 ot-ctl 交互式 shell（已设置为 OT 边界路由器）。

现在，我们准备好创建了 Thread 网络。

8. 创建线程网络

设置 RCP

为了创建网络，我们在 OTBR 上先使用 ot-ctl shell，用于与 RCP 节点通信。请依次输入以下命令，如下所示：

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

设置 FTD 并将其添加到我们的 Thread 网络（带外方法）中

通过带外方法，我们了解所有安全信息并手动添加节点。在简单控制台中，使用以下命令将两个 FTD 添加到网络中，如下所示。

Thread 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。如需使用 ping 命令，我们需要设备的 IPv6 地址。您可以使用 ipaddr 命令获取这些软件包。

> 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 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。重复此过程，从 OTBR 对 FTD 执行 ping 操作。

9. 恭喜

您已创建 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 无线板。
• 如何使用 Docker 将 Raspberry Pi 3B 及更高版本设置为 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。

深入阅读

访问 openthread.io 和 GitHub，获取各种 OpenThread 资源，包括：

• 支持的平台 - 发现支持 OpenThread 的所有平台
• 构建 OpenThread - 详细了解如何构建和配置 OpenThread
• Thread Primer - 涵盖此 Codelab 中介绍的所有 Thread 概念
• Silicon Labs OpenThread 训练 - 介绍了 OpenThread，介绍了调试和边界路由器，还提供了创建 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

演示是预先下载的固件映像，可供下载到兼容的设备上。在 隐式 Studio 中确定是否有可用演示的最快方式是点击“调试适配器”视图下的相应部分，然后导航到“Launcher Perspective”中的“示例项目”和“演示”标签页。停用“示例项目”过滤器，并勾选“技术类型”下方的“线程”单选按钮。

使用 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，以包含更多无线装置开发板。如需查看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。若要刷写，请选择左侧“调试适配器”下的开发板，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，提示您闪光灯进度。

1. BRD4166A：ot-rcp - 此设备将充当 OT 边界路由器的无线电处理器。我们将使用此设备创建 Thread 网络，并将另外两台设备加入 Thread 网络。作为边界路由器，此设备还充当 Thread 网络中的设备通过互联网通信的网关。
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 OTBR 创建的 Thread 网络。