使用 Texas Instruments SimpleLink F3 和 OpenThread 建構 Thread 網路

1. 簡介

Google 的 OpenThread (OT) 是 Thread 的開放原始碼實作項目。Google 發布了 OpenThread，讓開發人員廣泛使用 Google Nest 產品採用的網路技術，加速開發智慧聯網家庭和商業建築應用程式的產品。OpenThread 具有狹窄的平台抽象層和較小的記憶體用量，因此非常容易移植。支援系統單晶片 (SoC) 和網路協同處理器 (NCP) 設計。

Thread 規格定義了以 IPv6 為基礎的可靠、安全且低功耗的無線裝置對裝置通訊協定，適用於住家和商業建築應用程式。

德州儀器已為 SimpleLink™ CC27xx 裝置系列導入 OpenThread。GitHub 上的 ot-ti 存放區包含在 Texas Instruments SimpleLink Connected MCU 上執行 OpenThread 時所需的平台驅動程式和範例應用程式。CC2745R10-Q1 是 TI SimpleLink CC27xx 系列的車用級 (通過 AEC-Q100 認證) IEEE 802.15.4 無線 MCU，並通過 Thread 認證。

本程式碼研究室說明如何使用 LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad 評估板和 ot-ti 存放區，開始開發 OpenThread 應用程式。下圖顯示本程式碼研究室使用的硬體設定，包括 OT 邊界路由器 (OTBR) 和兩個 Thread 完整 Thread 裝置 (FTD)。

課程內容

• 如何設定 Texas Instruments ot-ti 建構環境。
• 如何建構 OpenThread CLI 二進位檔並刷入 LP-EM-CC2745R10-Q1 開發板。
• 如何使用 ot-br-posix 將 Raspberry Pi 設為 OpenThread 邊界路由器 (OTBR)。
• 如何在 OTBR 上建立 Thread 網路。
• 將裝置帶外委託至 Thread 網路。
• 如何使用 ping 指令驗證節點之間的 Thread 通訊。

2. 先決條件

硬體

1. 3 個 LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad 開發板：一個設定為 RCP，並連線至邊界路由器；兩個設定為完整 Thread 裝置 (FTD)。
   • CC2745R10-Q1 產品頁面
   • LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad 頁面
   CC2745R10-Q1 是 TI SimpleLink CC27xx 系列的車用級 (通過 AEC-Q100 認證) Thread 認證 IEEE 802.15.4 無線 MCU。LP-EM-CC2745R10-Q1 是對應的 LaunchPad 評估模組，支援 RCP、FTD、MTD 和 NCP Thread 角色。CC2340R5 搭配 LP-EM-CC2340R5 LaunchPad 是記憶體較小的選項，只能做為 RCP。這項服務不支援 FTD、MTD 或 NCP 角色。如果以 LP-EM-CC2340R5 取代主機板 1 (RCP)，這兩個 FTD 主機板仍須為 LP-EM-CC2745R10-Q1。
2. 3 個 LP-XDS110ET 偵錯探針：每個 LaunchPad 開發板各一個，用於透過 USB 進行程式設計和偵錯。
   • LP-XDS110ET 產品頁面
   LP-XDS110ET 是獨立的 USB 偵錯探針，適用於 LP-EM 外觀規格的 LaunchPad。包括支援 EnergyTrace 的電源設定檔。LP-XDS110 是較經濟實惠的替代方案，提供相同的程式設計和偵錯功能，但不包含 EnergyTrace。此外，您也可以使用 LaunchPad (搭載 XDS110 偵錯探針，例如 LAUNCHXL-CC26X2R1) 完全取代 LP-EM 板和獨立偵錯探針。詳情請參閱「LaunchPad 偵錯連線指南」。
3. 3 條 micro-USB 傳輸線，用於連接 LaunchPad 開發板和偵錯探針，並為這些裝置供電。
4. Raspberry Pi 4B 以上版本，並透過乙太網路連上網際網路。這會設定為 OT 邊界路由器主機。
5. Linux 或 macOS 主機系統，至少要有 2 個 USB 連接埠，並可存取網際網路。建構環境需要與 Bash 相容的殼層。Windows 使用者應搭配 Ubuntu 使用 WSL2 (適用於 Linux 的 Windows 子系統 2)。
6. 至少一條乙太網路線，用來將 Raspberry Pi 連上網際網路。或者，你也可以將 Raspberry Pi 連上 Wi-Fi，並使用 wlan0 做為基礎架構介面，詳情請參閱 OTBR 設定步驟。

軟體

• TI ot-ti 存放區：https://github.com/TexasInstruments/ot-ti
• GNU ARM Embedded Toolchain 12.2 (由啟動程序指令碼自動安裝)
• SysConfig 1.27.0 (由啟動程序指令碼自動安裝)
• TI UniFlash：用於將韌體刷入 LaunchPad 開發板

file_download下載 UniFlash

• ot-br-posix：https://github.com/openthread/ot-br-posix
• 序列終端機，例如 PuTTY (Windows)、minicom (Linux) 或 screen (macOS/Linux)

3. 硬體設定

本程式碼研究室使用三塊 LP-EM-CC2745R10-Q1 開發板：

• 主機板 1 (RCP)：執行 ot-rcp 韌體。透過 USB 連接至 Raspberry Pi，做為邊界路由器的無線電協同處理器。
• 開發板 2 (FTD 1)：以完整 Thread 裝置身分執行 ot-cli-ftd 韌體。
• 開發板 3 (FTD 2)：以完整 Thread 裝置身分執行 ot-cli-ftd 韌體。

使用 micro-USB 將每個 LaunchPad 連接至主機電腦。透過 USB 連線，您可以使用內建的 XDS110 偵錯探針供電，並進行偵錯/程式設計。

透過 USB 連接時，每個 LP-EM-CC2745R10-Q1 會顯示為兩個虛擬序列埠：一個用於 XDS110 偵錯介面，另一個用於應用程式 UART。開啟序列主控台時，請連線至「Application/User UART」通訊埠，而非「Auxiliary Data」通訊埠。

4. 設定及建構存放區

ot-ti 建構系統使用 CMake，且需要 Bash 殼層。本節中的所有指令都會在 Linux 或 macOS 主機 (或 Windows 上的 WSL2) 上執行。

1. 複製存放區

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

2. 執行啟動程序指令碼

Bootstrap 指令碼會安裝必要的依附元件，包括 GNU ARM 工具鍊和 SysConfig：

$ ./script/bootstrap

Bootstrap 指令碼需要 cmake、git、wget 和標準建構工具。在 Ubuntu/Debian 上，使用下列指令安裝必要條件：sudo apt-get install -y cmake git make wget tar ninja-build

3. 為 LP_EM_CC2745R10_Q1 建構韌體

為 LP-EM-CC2745R10-Q1 開發板建構所有韌體映像檔：

$ ./script/build LP_EM_CC2745R10_Q1

LP_EM_CC2745R10_Q1 建構目標對應於 CC27xx SimpleLink 系列中的 CC2745R10-Q1 裝置 (Arm Cortex-M33F 核心)。如要查看所有支援的開發板，請執行不含引數的 ./script/build。

建構成功後，ELF 二進位檔會位於 build/bin/：

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

本程式碼研究室使用的兩張圖片如下：

• ot-rcp.out：邊界路由器板的無線電共同處理器韌體。
• ot-cli-ftd.out：兩個 FTD 板的完整 Thread 裝置 CLI 韌體。

選用最簡化的 Thread 裝置：如要探索休眠終端裝置，而非完整的 Thread 裝置，可以在 Boards 2 和 3 上閃爍 ot-cli-mtd.out，取代 ot-cli-ftd.out。MTD 不會傳送 Thread 流量，而且可以進入低耗電睡眠狀態，因此非常適合電池供電的應用程式。本程式碼研究室中的 Thread 網路形成步驟，適用於這兩種裝置類型。

選用網路共同處理器 (NCP)：ot-ncp-ftd.out 二進位檔會實作 NCP 架構，OpenThread 堆疊會在裝置上執行，主機處理器則透過 Spinel 通訊協定驅動該堆疊。NCP 用量不在本程式碼研究室的範圍內，詳情請參閱 NCP README。

5. 刷入韌體

使用 TI UniFlash 將 ELF 映像檔刷新至 LaunchPad 開發板。

使用 UniFlash 刷新裝置

1. 開啟 UniFlash。由於自動偵測裝置功能，已連線的 LaunchPad 開發板會顯示在「Detected Devices」下方。如果系統未自動偵測到開發板，請按一下「New Configuration」，選取 LP-EM-CC2745R10-Q1 目標，然後選擇 XDS110 USB 偵錯探針。
2. 選取「Board 1」(要刷寫 ot-rcp.out 的開發板)，然後按一下「Start」(開始)。
3. 按一下「瀏覽」按鈕，然後前往 ot-ti/build/bin/ot-rcp.out。
4. 按一下「Load Image」刷新韌體。記錄區域會顯示進度並確認完成。
5. 針對「Board 2」和「Board 3」重複步驟 2 到 4，並為每個板子選取 ot-ti/build/bin/ot-cli-ftd.out。

替代方法：使用 Code Composer Studio (CCS) 刷機

您可以使用 Code Composer Studio 做為 UniFlash 的替代方案，此外，這項工具還提供完整的偵錯環境：

1. 下載並安裝 Code Composer Studio。
2. 使用 XDS110 偵錯工具，為 LP-EM-CC2745R10-Q1 建立目標連線 (CCXML)。請參閱「CCS User's Guide: Manual Method」。
3. 如要啟動不含專案的偵錯工作階段，請參閱 CCS 使用者指南：手動啟動。
4. 連線至 Arm Cortex-M33 核心，然後按一下「Load」載入 ELF 映像檔。

預設 CCXML 設定使用 2 線 cJTAG，以符合預設 LP-EM-CC2745R10-Q1 跳線設定。透過 JTAG 程式設計後，請重新啟動主機板，清除啟動暫停標記。

6. 設定 HSM

CC2745R10-Q1 包含硬體安全模組 (HSM)，必須先完成佈建，才能執行 Thread 或其他安全應用程式韌體。如果 LP-EM-CC2745R10-Q1 開發板尚未完成 HSM 程式設計，請立即完成這個步驟。

如要使用 UniFlash 程式設計 HSM，請按照下列步驟操作：

1. 開啟 UniFlash，然後從「Detected Devices」選取 LP-EM-CC2745R10-Q1 開發板。
2. 前往 HSM 程式設計面板，載入 HSM 韌體映像檔，如下所示。

3. 按照畫面上的提示完成 HSM 佈建。這項作業會記錄在 UniFlash 輸出控制台中。

如需完整的 HSM 程式設計程序，包括 SimpleLink Low Power F3 SDK 內所需的韌體映像檔路徑，請參閱 TI Resource Explorer 中的 CC2745R10-Q1 快速入門指南。

7. 韌體摘要

此時，所有三塊開發板都應已完成刷寫：

• 開發板 1： ot-rcp.out：從主機電腦拔除，然後透過 USB 連接至 Raspberry Pi。
• 主機板 2： ot-cli-ftd.out：保持與主機連線。
• 開發板 3： ot-cli-ftd.out：保持與主機連線。

硬體設定如下圖所示。主機板 1 會連線至 Raspberry Pi，做為 OTBR 的無線電共同處理器，而主機板 2 和 3 則會保持連線至主機電腦，以存取序列主控台。

8. 為 ot-cli-ftd 裝置設定序列埠控制台

LP-EM-CC2745R10-Q1 會透過 USB 以 921600 bps 速率公開應用程式 UART。

使用下列設定，為每個 FTD 板開啟應用程式 UART COM 埠 (Windows) 或 /dev/ttyACM* 裝置 (Linux/macOS) 的序列終端機：

提示 (Linux/macOS)：插入開發板前後分別執行 ls /dev/ttyACM*，並記下顯示的項目，即可找出正確的裝置節點。每個 LP-EM-CC2745R10-Q1 都會建立兩個項目：編號較小的通訊埠是 XDS110 偵錯 UART，編號較大的通訊埠則是應用程式 UART。舉例來說，如果開發板建立 /dev/ttyACM0 和 /dev/ttyACM1，請使用 /dev/ttyACM1。

提示 (Windows)：開啟裝置管理員，然後在插入開發板時，查看「連接埠 (COM 和 LPT)」下方是否有兩個新的 COM 連接埠。XDS110 偵錯資料埠通常會先顯示，請使用第二個 (編號較高) COM 埠做為應用程式控制台。

在終端機中按下 Enter 鍵，取得 OpenThread CLI 提示 (>)。如需可用指令的完整清單，請參閱 OpenThread CLI 參考資料。確認 FTD 運作正常：

> state
disabled
Done

您還不會為 RCP 板設定序列控制台。Raspberry Pi 上的 OTBR 會直接與 RCP 通訊。在下一個步驟中，您將 Raspberry Pi 設定為 OpenThread 邊界路由器。

9. 將 Raspberry Pi 設為邊界路由器

OTBR 是以開放原始碼的 OpenThread 邊界路由器專案 ot-br-posix 為基礎建構而成。邊界路由器會在 Raspberry Pi 上執行，並透過 USB 使用主機板 1 (RCP) 做為 802.15.4 無線電。

Raspberry Pi 設定

1. 使用 Raspberry Pi Imager，將 Raspberry Pi OS (64 位元 Lite 或 Desktop) 燒錄到 SD 卡。
2. 啟動 Raspberry Pi，然後開啟終端機 (透過 SSH 或直接開啟)。
3. 更新套件管理員並升級已安裝的套件：

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

更新後，請先重新啟動 Raspberry Pi，再繼續操作：sudo reboot

將主板 (RCP) 連接至 Raspberry Pi

透過 micro-USB 將開發板 1 (已刷入 ot-rcp) 連接至 Raspberry Pi。連線後，請確認裝置節點是否顯示：

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

RCP 板的應用程式 UART 通常為 /dev/ttyACM1 (XDS110 偵錯 UART 為 /dev/ttyACM0)。請檢查應用程式 UART 是否在後續步驟中啟動 OTBR 代理程式時回應，確認應用程式 UART 的連接埠。如果連線的是其他 USB 序列裝置，裝置節點編號可能會有所不同。請據此調整 OTBR 設定中的路徑。

建構及安裝 ot-br-posix

在 Raspberry Pi 上，複製並建構 ot-br-posix：

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

執行設定指令碼，並將乙太網路介面指定為骨幹 (基礎架構) 介面：

$ INFRA_IF_NAME=eth0 ./script/setup

eth0 是有線乙太網路介面的典型名稱。如果透過 Wi-Fi 連接 Raspberry Pi，而非乙太網路，請將 eth0 換成 wlan0 (並確保 Pi 已連上 Wi-Fi 網路)。使用 ip link show 驗證有效介面名稱。

設定指令碼會從來源建構 ot-br-posix、安裝 otbr-agent 和 otbr-web 系統服務，並設定網路堆疊。在 Raspberry Pi 4B 上，這項程序通常需要 10 到 20 分鐘。

設定 OTBR 代理程式

編輯 OTBR 代理程式設定檔，指定 RCP 裝置路徑和傳輸速率：

$ sudo nano /etc/default/otbr-agent

找出 OTBR_AGENT_OPTS 行，並更新為參照 RCP 應用程式 UART：

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

如果 Raspberry Pi 是透過 Wi-Fi 連線，請將 eth0 替換為 wlan0。

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

LP-EM-CC2745R10-Q1 RCP 應用程式 UART 的運作鮑率為 921600。確認裝置路徑 (本例中為 /dev/ttyACM1) 與 RCP 板的應用程式 UART 相符。

重新啟動 OTBR 代理程式，以套用設定：

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

確認代理程式正在執行：

$ sudo systemctl status otbr-agent

與 RCP 節點互動

使用 ot-ctl 工具與 RCP 節點通訊：

$ sudo ot-ctl state
disabled
Done

您可以監控 OTBR 代理程式記錄，查看連線和狀態訊息：

$ sudo journalctl -u otbr-agent -f

您也可以透過 http://:80 使用 OTBR 網頁介面，以圖形化方式查看 Thread 網路。

如要停止或重新啟動 OTBR 代理程式，請按照下列步驟操作：

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

此時，您應該有三個有效的控制台：

1. 主機電腦上的「Board 2」() 序列終端機 (ot-cli-ftd 1)。
2. 主機上的「Board 3」序列終端機 (ot-cli-ftd 2)。
3. Raspberry Pi 上的 SSH 或終端機工作階段，適用於 ot-ctl (OTBR/RCP)。

現在可以建立 Thread 網路了。

10. 建立 Thread 網路

設定 RCP (OTBR)

在 Raspberry Pi 的 ot-ctl 殼層中建立新的 Thread 網路。依序輸入下列指令：

將 FTD 新增至 Thread 網路 (頻外方法)

使用頻外委派方法時，您會直接提供網路憑證。在每個 FTD 板的序列終端機中，使用上述 OTBR 資料集輸出內容中的通道和網路金鑰，輸入下列指令：

由於 Thread 網路會自行設定，且這些裝置是完整的 Thread 裝置，因此其中一個或兩個 FTD 最終可能會成為路由器。您隨時可以使用 state 指令驗證目前的角色。

Thread 裝置之間的通訊

使用 ping 指令確認裝置可以通訊。使用 ipaddr 取得每部裝置的 IPv6 位址：

> 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

從這兩個 FTD，使用 RLOC 位址 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

成功的回應表示 Thread 網路正在運作，裝置可以通訊。重複上述程序，從 OTBR (sudo ot-ctl ping ) Ping 每個 FTD。

11. 恭喜

您已使用 TI CC2745R10-Q1 開發板建立 Thread 網路！

您現在瞭解：

• 如何設定 Texas Instruments ot-ti 建構環境。
• 如何建構 OpenThread CLI 二進位檔並刷入 LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad。
• 如何使用 ot-br-posix 將 Raspberry Pi 設為 OpenThread 邊界路由器 (OTBR)。
• 如何在 OTBR 上建立 Thread 網路。
• 將裝置帶外委託至 Thread 網路。
• 如何使用 ping 指令驗證節點之間的 Thread 通訊。

延伸閱讀

如需各種 OpenThread 資源，請前往 openthread.io 和 GitHub，包括：

• 支援的平台：瞭解所有支援 OpenThread 的平台
• 建構 OpenThread：進一步瞭解如何建構及設定 OpenThread
• Thread 基礎知識：涵蓋本程式碼研究室中所有 Thread 概念
• TI ot-ti 存放區：TI 為 SimpleLink 裝置實作的 OpenThread，內含建構說明和版本資訊
• CC2745R10-Q1 產品頁面：裝置資料表、參考設計和其他說明文件
• LP-EM-CC2745R10-Q1 LaunchPad - 評估板使用者指南和硬體檔案
• OpenThread CLI 參考資料：OpenThread CLI 總覽和使用方式
• OpenThread CLI 指令：所有 OpenThread CLI 指令的完整參考資料
• TI E2E Community - Thread & Zigbee：Texas Instruments 無線連線產品的技術支援社群