使用 Texas Instruments SimpleLink F3 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，以便开发者广泛使用 Google Nest 产品中使用的网络技术，从而加快开发适用于智能互联家居和商业建筑应用的产品。凭借窄平台抽象层和低内存占用，OpenThread 具有高度的可移植性。它同时支持系统芯片 (SoC) 和网络协处理器 (NCP) 设计。

Thread 规范定义了一种基于 IPv6 的可靠、安全且低功耗的无线设备到设备通信协议，适用于住宅和商业建筑应用。

Texas Instruments 已为 SimpleLink™ CC27xx 设备系列实现 OpenThread。GitHub 上的 ot-ti 代码库包含在 Texas Instruments SimpleLink Connected MCU 上运行 OpenThread 所需的平台驱动程序和示例应用。CC2745R10-Q1 是 TI SimpleLink CC27xx 系列中一款汽车级（符合 AEC-Q100 标准）、通过 Thread 认证的 IEEE 802.15.4 无线 MCU。

此 Codelab 介绍了如何使用 LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad 评估板和 ot-ti 代码库开始开发 OpenThread 应用。下图显示了此 Codelab 中使用的硬件设置，包括一个 OT 边界路由器 (OTBR) 和两个 Thread 全 Thread 设备 (FTD)。

学习内容

• 如何设置 Texas Instruments ot-ti 构建环境。
• 如何构建 OpenThread CLI 二进制文件并将其刷写到 LP-EM-CC2745R10-Q1 板。
• 如何使用 ot-br-posix 将 Raspberry Pi 设置为 OpenThread 边界路由器 (OTBR)。
• 如何在 OTBR 上创建 Thread 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 Thread 通信。

2. 前提条件

硬件

1. 3 个 LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad 板：一个配置为连接到边界路由器的 RCP，两个配置为完整 Thread 设备 (FTD)。
   • CC2745R10-Q1 产品页面
   • LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad 页面
   CC2745R10-Q1 是 TI SimpleLink CC27xx 系列中一款汽车级（符合 AEC-Q100 标准）Thread 认证的 IEEE 802.15.4 无线 MCU。LP-EM-CC2745R10-Q1 是对应的 LaunchPad 评估模块，支持 RCP、FTD、MTD 和 NCP Thread 角色。LP-EM-CC2340R5 LaunchPad 上的 CC2340R5 是一款内存较低的选项，只能用作 RCP。不支持 FTD、MTD 或 NCP 角色。如果您将 LP-EM-CC2340R5 替换为板 1 (RCP)，则两个 FTD 板必须仍为 LP-EM-CC2745R10-Q1。
2. 3 个 LP-XDS110ET 调试探针：每个 LaunchPad 板一个，用于通过 USB 进行编程和调试。
   • LP-XDS110ET 产品页面
   LP-XDS110ET 是一款单独的 USB 调试探头，LP-EM 规格的 LaunchPad 需要使用该探头。它包含用于功耗分析的 EnergyTrace 支持。LP-XDS110 是一种低成本替代方案，可提供相同的编程和调试功能，但不包含 EnergyTrace。作为另一种替代方案，您可以使用带有板载 XDS110 调试探针（例如 LAUNCHXL-CC26X2R1）的 LaunchPad 完全取代 LP-EM 板和单独的调试探针。如需了解详情，请参阅 LaunchPad 调试连接指南。
3. 3 根 micro-USB 线，用于连接 LaunchPad 板和调试探针并为其供电。
4. Raspberry Pi 4B 或更高版本，搭载 Raspberry Pi OS，通过以太网连接到互联网。此设备将配置为 OT 边界路由器主机。
5. Linux 或 macOS 主机系统，至少具有 2 个 USB 端口且可访问互联网。构建环境需要与 Bash 兼容的 shell。Windows 用户应使用 WSL2（适用于 Linux 的 Windows 子系统 2）搭配 Ubuntu。
6. 至少一根以太网网线，用于将 Raspberry Pi 连接到互联网。或者，您也可以将 Raspberry Pi 连接到 Wi-Fi，并使用 wlan0 作为基础架构接口 - 详情请参阅 OTBR 设置步骤。

软件

• TI ot-ti 代码库：https://github.com/TexasInstruments/ot-ti
• GNU ARM Embedded Toolchain 12.2（由引导脚本自动安装）
• SysConfig 1.27.0（由引导脚本自动安装）
• TI UniFlash：用于将固件刷写到 LaunchPad 板

file_download下载 UniFlash

• ot-br-posix：https://github.com/openthread/ot-br-posix
• 串行终端，例如 PuTTY (Windows)、minicom (Linux) 或 screen (macOS/Linux)

3. 硬件设置

此 Codelab 使用三个 LP-EM-CC2745R10-Q1 板：

• 主板 1 (RCP)：运行 ot-rcp 固件。通过 USB 连接到 Raspberry Pi，作为边界路由器的无线电协处理器。
• 主板 2 (FTD 1)：以完整 Thread 设备身份运行 ot-cli-ftd 固件。
• 主板 3 (FTD 2)：以完整 Thread 设备身份运行 ot-cli-ftd 固件。

通过 micro-USB 将每个 LaunchPad 连接到主机。USB 连接通过板载 XDS110 调试探针提供电源和调试/编程功能。

每个 LP-EM-CC2745R10-Q1 在通过 USB 连接时显示为两个虚拟串行端口：一个用于 XDS110 调试接口，另一个用于应用 UART。打开串行控制台时，请连接到应用/用户 UART 端口，而不是辅助数据端口。

4. 代码库设置和构建

ot-ti 构建系统使用 CMake，并且需要 Bash shell。本部分中的所有命令均在 Linux 或 macOS 主机（或 Windows 上的 WSL2）上运行。

1. 克隆存储库

$ git clone https://github.com/TexasInstruments/ot-ti.git
$ cd ot-ti
$ git submodule update --init

2. 运行引导脚本

引导脚本会安装所需的依赖项，包括 GNU ARM 工具链和 SysConfig：

$ ./script/bootstrap

引导加载程序脚本需要 cmake、git、wget 和标准 build 工具。在 Ubuntu/Debian 上，使用以下命令安装必备项：sudo apt-get install -y cmake git make wget tar ninja-build

3. 为 LP_EM_CC2745R10_Q1 构建固件

为 LP-EM-CC2745R10-Q1 板构建所有固件映像：

$ ./script/build LP_EM_CC2745R10_Q1

LP_EM_CC2745R10_Q1 build 目标对应于 CC27xx SimpleLink 系列中的 CC2745R10-Q1 设备（Arm Cortex-M33F 核心）。如需查看所有受支持的板，请运行不带参数的 ./script/build。

成功构建后，ELF 二进制文件位于 build/bin/ 中：

$ ls build/bin/
ot-cli-ftd.out  ot-cli-mtd.out  ot-ncp-ftd.out  ot-rcp.out

此 Codelab 中使用的两张图片如下所示：

• ot-rcp.out：边框路由器板的无线电协处理器固件。
• ot-cli-ftd.out：两个 FTD 板的完整 Thread 设备 CLI 固件。

可选的 Minimal Thread 设备：如果您想探索休眠的终端设备，而不是 Full Thread 设备，可以在 Board 2 和 3 上刷写 ot-cli-mtd.out 来代替 ot-cli-ftd.out。MTD 不会路由 Thread 流量，并且可以进入低功耗睡眠状态，因此非常适合电池供电的应用。本 Codelab 中的 Thread 网络形成步骤对于这两种设备类型都是相同的。

可选的网络协处理器 (NCP)：ot-ncp-ftd.out 二进制文件实现了 NCP 架构，其中 OpenThread 堆栈在设备上运行，主机处理器通过 Spinel 协议驱动它。NCP 用法不在本 Codelab 的范围内，请参阅 NCP 自述文件了解详情。

5. 刷写固件

使用 TI UniFlash 将 ELF 映像刷写到 LaunchPad 板。

使用 UniFlash 刷写

1. 打开 UniFlash。由于具有自动设备检测功能，已连接的 LaunchPad 板会显示在 Detected Devices 下。如果系统未自动检测到您的板，请点击 New Configuration，选择 LP-EM-CC2745R10-Q1 目标，然后选择 XDS110 USB 调试探针。
2. 选择主板 1（将刷写 ot-rcp.out），然后点击开始。
3. 点击浏览按钮，然后导航到 ot-ti/build/bin/ot-rcp.out。
4. 点击 Load Image 以刷写固件。日志区域会显示进度并确认完成情况。
5. 针对面板 2 和面板 3 重复执行第 2 步到第 4 步，并为每个面板选择 ot-ti/build/bin/ot-cli-ftd.out。

替代方案：使用 Code Composer Studio (CCS) 进行刷写

Code Composer Studio 可用作 UniFlash 的替代方案，此外还提供完整的调试环境：

1. 下载并安装 Code Composer Studio。
2. 使用 XDS110 调试器为 LP-EM-CC2745R10-Q1 创建目标连接 (CCXML)。请参阅 CCS 用户指南：手动方法。
3. 按照 CCS 用户指南：手动启动中的说明启动无项目调试会话。
4. 连接到 Arm Cortex-M33 核心，然后点击 Load 加载 ELF 映像。

默认 CCXML 配置使用 2 线 cJTAG 来匹配默认的 LP-EM-CC2745R10-Q1 跳线配置。通过 JTAG 进行编程后，请对电路板进行电源循环，以清除启动时暂停标志。

6. 对 HSM 进行编程

CC2745R10-Q1 包含一个硬件安全模块 (HSM)，必须先对其进行配置，然后才能运行 Thread 或其他安全应用固件。如果您的 LP-EM-CC2745R10-Q1 板尚未完成 HSM 编程，请立即完成此步骤。

使用 UniFlash 对 HSM 进行编程：

1. 打开 UniFlash，然后从 Detected Devices 中选择 LP-EM-CC2745R10-Q1 板。
2. 前往 HSM 编程面板，然后加载 HSM 固件映像，如下所示。

3. 按照屏幕上的提示完成 HSM 配置。该操作会记录在 UniFlash 输出控制台中。

如需了解完整的 HSM 编程流程（包括 SimpleLink 低功耗 F3 SDK 中的所需固件映像路径），请参阅 TI 资源管理器中的 CC2745R10-Q1 快速入门指南。

7. 固件摘要

此时，应已刷写所有三个板：

• 板 1： ot-rcp.out：断开与主机之间的连接，并通过 USB 连接到 Raspberry Pi。
• 主板 2： ot-cli-ftd.out：保持与主机连接。
• 主板 3： ot-cli-ftd.out：保持与主机连接。

您的硬件设置将如下图所示。板 1 连接到 Raspberry Pi，作为 OTBR 的无线电协处理器，而板 2 和 3 仍连接到主机，用于串行控制台访问。

8. 为 ot-cli-ftd 设备设置串行控制台

LP-EM-CC2745R10-Q1 通过 USB 以 921600 波特的速率公开应用 UART。

使用以下设置，为每个 FTD 板打开一个连接到应用 UART COM 端口 (Windows) 或 /dev/ttyACM* 设备 (Linux/macOS) 的串行终端：

提示（Linux/macOS）：在插入电路板之前和之后运行 ls /dev/ttyACM*，并记下出现的条目，以确定正确的设备节点。每个 LP-EM-CC2745R10-Q1 会创建两个条目：编号较小的端口是 XDS110 调试 UART，编号较大的端口是应用 UART。例如，如果电路板创建了 /dev/ttyACM0 和 /dev/ttyACM1，请使用 /dev/ttyACM1。

提示（Windows）：打开设备管理器，在插入开发板后，在端口 (COM 和 LPT) 下查找两个新的 COM 端口。XDS110 调试数据端口通常会先显示，请使用第二个（编号较高的）COM 端口作为应用控制台。

在终端中按 Enter 键，获取 OpenThread CLI 提示符 (>)。如需查看可用命令的完整列表，请参阅 OpenThread CLI 参考文档。验证 FTD 是否正常运行：

> state
disabled
Done

您将不会为 RCP 板设置串行控制台。Raspberry Pi 上的 OTBR 直接与 RCP 通信。在下一步中，您将 Raspberry Pi 配置为 OpenThread 边界路由器。

9. 将 Raspberry Pi 设置为边界路由器

OTBR 基于 ot-br-posix（开源 OpenThread 边界路由器项目）构建。边界路由器在 Raspberry Pi 上运行，并通过 USB 使用 Board 1 (RCP) 作为其 802.15.4 无线电。

Raspberry Pi 设置

1. 使用 Raspberry Pi Imager 将 Raspberry Pi OS（64 位 Lite 或桌面版）刷写到 SD 卡。
2. 启动 Raspberry Pi 并打开终端（通过 SSH 或直接打开）。
3. 更新软件包管理器并升级已安装的软件包：

   $ sudo apt-get update
   $ sudo apt-get upgrade -y
   

在继续操作之前，请在更新后重启 Raspberry Pi：sudo reboot

将板 1 (RCP) 连接到 Raspberry Pi

通过 micro-USB 将板 1（已刷入 ot-rcp）连接到 Raspberry Pi。连接后，验证设备节点是否显示：

$ ls /dev/ttyACM*
/dev/ttyACM0
/dev/ttyACM1

RCP 板的应用 UART 通常为 /dev/ttyACM1（XDS110 调试 UART 为 /dev/ttyACM0）。请检查应用 UART 是否在后续步骤中启动 OTBR 代理时做出响应，以验证哪个端口是应用 UART。如果连接了其他 USB 串行设备，设备节点编号可能会有所不同。相应地调整 OTBR 配置中的路径。

构建并安装 ot-br-posix

在 Raspberry Pi 上，克隆并构建 ot-br-posix：

$ git clone https://github.com/openthread/ot-br-posix.git
$ cd ot-br-posix
$ ./script/bootstrap

运行设置脚本，将以太网接口指定为主干（基础设施）接口：

$ INFRA_IF_NAME=eth0 ./script/setup

eth0 是有线以太网接口的典型名称。如果您是通过 Wi-Fi 而不是以太网连接 Raspberry Pi，请将 eth0 替换为 wlan0（并确保 Pi 已连接到您的 Wi-Fi 网络）。使用 ip link show 验证有效接口名称。

设置脚本从源代码构建 ot-br-posix，安装 otbr-agent 和 otbr-web 系统服务，并配置网络堆栈。此过程在 Raspberry Pi 4B 上通常需要 10-20 分钟。

配置 OTBR 代理

修改 OTBR 代理配置文件，以指定 RCP 设备路径和波特率：

$ sudo nano /etc/default/otbr-agent

找到 OTBR_AGENT_OPTS 行，并将其更新为引用 RCP 应用 UART：

OTBR_AGENT_OPTS="-I wpan0 -B eth0 spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM1?uart-baudrate=921600"

如果您的 Raspberry Pi 是通过 Wi-Fi 连接的，请将 eth0 替换为 wlan0。

OTBR_AGENT_OPTS="-I wpan0 -B wlan0 spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM1?uart-baudrate=921600"

LP-EM-CC2745R10-Q1 RCP 应用 UART 以 921600 波特的速率运行。验证设备路径（本例中为 /dev/ttyACM1）是否与 RCP 板的应用 UART 匹配。

重启 OTBR 代理以应用配置：

$ sudo systemctl restart otbr-agent
$ sudo systemctl enable otbr-agent

验证代理是否正在运行：

$ sudo systemctl status otbr-agent

与 RCP 节点互动

使用 ot-ctl 工具与 RCP 节点通信：

$ sudo ot-ctl state
disabled
Done

您可以监控 OTBR 代理日志，以查看连接和状态消息：

$ sudo journalctl -u otbr-agent -f

（可选）OTBR Web 界面可在 http://:80 中找到，并提供 Thread 网络的图形视图。

如需停止或重启 OTBR 代理，请执行以下操作：

$ sudo systemctl stop otbr-agent
$ sudo systemctl start otbr-agent

此时，您应该有三个有效控制台：

1. 主机上板 2 (ot-cli-ftd 1) 的串行终端。
2. 主机上主板 3 (ot-cli-ftd 2) 的串行终端。
3. Raspberry Pi 上用于 ot-ctl (OTBR/RCP) 的 SSH 或终端会话。

您现在可以组建 Thread 网络了。

10. 创建 Thread 网络

设置 RCP (OTBR)

从 Raspberry Pi 上的 ot-ctl shell 创建新的 Thread 网络。按顺序输入以下命令：

将 FTD 添加到 Thread 网络（带外方法）

使用带外调试方法时，您可以直接提供网络凭据。在每个 FTD 板的串行终端中，使用上述 OTBR 数据集输出中的信道和网络密钥输入以下命令：

由于 Thread 网络具有自配置特性，并且这些设备是完整 Thread 设备，因此一个或两个 FTD 最终都可能会成为路由器。您可以使用 state 命令随时验证当前角色。

Thread 设备之间的通信

使用 ping 命令验证设备是否可以通信。使用 ipaddr 获取每个设备的 IPv6 地址：

> 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)
Done

从两个 FTD 中，使用 OTBR 的 RLOC 地址 ping OTBR：

> 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

成功的响应会确认 Thread 网络正在运行，并且设备可以通信。重复此过程，从 OTBR (sudo ot-ctl ping ) ping 每个 FTD。

11. 恭喜

您已使用 TI CC2745R10-Q1 板创建了 Thread 网络！

您现在已了解：

• 如何设置 Texas Instruments ot-ti 构建环境。
• 如何构建 OpenThread CLI 二进制文件并将其刷写到 LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad。
• 如何使用 ot-br-posix 将 Raspberry Pi 设置为 OpenThread 边界路由器 (OTBR)。
• 如何在 OTBR 上创建 Thread 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 Thread 通信。

延伸阅读

如需各种 OpenThread 资源，请访问 openthread.io 和 GitHub，其中包括：

• 支持的平台 - 了解支持 OpenThread 的所有平台
• 构建 OpenThread - 有关构建和配置 OpenThread 的更多详细信息
• Thread 基础知识 - 涵盖了本 Codelab 中介绍的所有 Thread 概念
• TI ot-ti 代码库 - TI 针对 SimpleLink 设备的 OpenThread 实现，包含 build 说明和版本说明
• CC2745R10-Q1 产品页面 - 设备数据表、参考设计和其他文档
• LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad - 评估板用户指南和硬件文件
• OpenThread CLI 参考文档 - OpenThread CLI 及其用法的概览
• OpenThread CLI 命令 - 所有 OpenThread CLI 命令的完整参考文档
• TI E2E 社区 - Thread 和 Zigbee - Texas Instruments 无线连接产品的技术支持社区