運用 ESP32H2 和 ESP Thread 邊界路由器板打造 Thread 網路

1. 簡介

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OpenThread 是由 Google Nest 團隊發布的 Thread® 網路通訊協定開放原始碼實作項目，旨在加速開發智慧聯網家庭產品。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。

Espressif 已根據 FreeRTOS 和 LwIP 移植 OpenThread 堆疊，讓開發人員能快速建構 Thread 網路。相關原始碼可從 GitHub 取得。同時，Espressif 也實作了以 RTOS 為基礎的 Thread 邊界路由器。

在本程式碼研究室中，您將在實際硬體上編寫 OpenThread 程式碼、建立及管理 Thread 網路，並在節點之間傳遞訊息。

Espressif_hardware_setup.jpg

課程內容

  • 將 OpenThread CLI 二進位檔建構並刷寫至 ESP 開發板。
  • 在 ESP Thread 邊界路由器開發板上建構及刷寫邊界路由器。
  • 使用 ESP Monitor 和 OpenThread CLI 手動管理 Thread 節點。
  • 在 Thread 邊界路由器上建立 Thread 網路。
  • 確保裝置委託程序安全無虞，可加入 Thread 網路。
  • 在 Thread 節點之間連線偵測 IPv6 位址。
  • 使用 UDP 在 Thread 節點之間傳遞訊息。

軟硬體需求

硬體：

  • 2 個搭載 IEEE 802.15.4 模組的 ESP 開發板。
  • 1 個 ESP Thread 邊界路由器開發板。

軟體：

2. 開始使用

  1. 安裝 ESP-IDF。

請按照 ESP-IDF 程式設計指南安裝軟體開發環境。

  1. 複製 ESP Thread 邊界路由器 SDK。

ESP-THREAD-BR 是官方的 ESP Thread 邊界路由器 SDK。這項服務支援所有基本網路功能，可建構 Thread 邊界路由器，並整合豐富的產品層級功能，加快產品化速度。

$ cd <your-local-workspace>
$ git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-thread-br.git

3. 建構及刷入

如要在搭載 IEEE 802.15.4 模組的 ESP 開發板上建構及刷寫 ot-cli-ftd 二進位檔案，請參閱 ESP-IDF 範例 ot_cli，瞭解更多詳細資料：

$ cd <your-idf-path>/examples/openthread/ot_cli
$ idf.py set-target <your-board-type>

透過 menuconfig 啟用接合器功能：

$ idf.py menuconfig

依序選取「Component config」>「OpenThread」>「Enable Joiner」，然後建構並刷寫。

$ idf.py -p <your-local-port> build flash monitor

如要在 ESP Thread 邊界路由器板上建構及刷寫 ot-br 二進位檔，您必須先建構 RCP 二進位檔。這個 RCP 二進位檔不需要明確刷寫至 ESP Thread 邊界路由器板上的裝置。這項設定會納入邊界路由器二進位檔案，並在首次啟動時 (或 RCP 韌體變更時) 刷入 ESP32-H2 晶片。詳情請參閱 ESP Thread BR 文件：

$ cd <your-idf-path>/examples/openthread/ot_rcp
$ idf.py set-target esp32h2
$ idf.py build
$ cd <your-esp-thread-br-path>/examples/basic_thread_border_router
$ idf.py set-target esp32s3

透過 menuconfig 啟用專員功能：

$ idf.py menuconfig

依序選取「Component config」>「OpenThread」>「Enable Commissioner」，然後建構並刷寫。

$ idf.py -p <your-local-port> build flash monitor

4. 在 Thread 邊界路由器上建立 Thread 網路

現在，您可以在 ESP Thread Border Router Board (BR Commissioner) 上使用 OpenThread 指令列，組成 Thread 網路：

## BR Commissioner ##
----------------------
> dataset init new
Done
> dataset
Active Timestamp: 1
Channel: 21
Channel Mask: 0x07fff800
Ext PAN ID: 151975d11bea97b5
Mesh Local Prefix: fd6a:b54b:d6a3:b05a::/64
Network Key: 731ab6a60a64a0a0b14b259b86b2be01
Network Name: OpenThread-1444
PAN ID: 0x1444
PSKc: 54e7f18d2575014da94db09df29c5df0
Security Policy: 672 onrc 0
Done

將這個資料集做為有效資料集提交：

> dataset commit active
Done

啟動 IPv6 介面：

> ifconfig up
I (59329) OPENTHREAD: Platform UDP bound to port 49153
Done
I (59329) OT_STATE: netif up

啟動 Thread 協定作業：

> thread start
I(61709) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
Done
> I(62469) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition reattaching with Active Dataset
I(69079) OPENTHREAD:[N] RouterTable---: Allocate router id 11
I(69079) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 fffe -> 2c00
I(69089) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> leader
I(69089) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Partition ID 0x28b518c6
I (69099) OPENTHREAD: Platform UDP bound to port 49154

稍待片刻，然後檢查裝置狀態。應該是 Leader。

> state
leader
Done
>

5. 透過 networkkey 加入 Thread 網路

在本程式碼研究室中，我們準備了兩個搭載 IEEE 802.15.4 模組的 ESP 開發板，用於加入 BR 形成的網路。在本課程中，我們會將 Board1 新增至網路。

從 BR 取得 networkkey：

## BR Commissioner ##
----------------------
> networkkey
731ab6a60a64a0a0b14b259b86b2be01
Done
>

將這個 networkkey 設定為一個 ESP 開發板 (Board1 Joiner)，並使用 IEEE 802.15.4 模組：

## Board1 Joiner ##
----------------------
> dataset networkkey 731ab6a60a64a0a0b14b259b86b2be01
Done

將這個資料集做為有效資料集提交：

> dataset commit active
Done

啟動 IPv6 介面：

> ifconfig up
Done
I (20308) OT_STATE: netif up

啟動 Thread 協定作業：

> thread start
I(23058) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
Done
> I(23408) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition reattaching with Active Dataset
I(30028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1 unsuccessful, will try again in 0.288 seconds
I(30328) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 2, AnyPartition 
I(33498) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Delay processing Announce - channel 21, panid 0x1444
I(33758) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Processing Announce - channel 21, panid 0x1444
I(33758) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> disabled
I(33758) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
I(34178) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition 
I(35068) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 fffe -> 2c01
I(35068) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> child

稍待片刻，然後檢查裝置狀態。應為「Child」。

> state
child
Done

將角色設為「路由器」。

> state router
Done
I(51028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 2c01 -> 2800
I(51028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role child -> router
I(51028) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Partition ID 0x28b518c6
>

esp_ot_tp_LR.jpg

6. 透過安全委派程序加入 Thread 網路

在本課程中，我們將透過安全委派程序，將 Board2 新增至網路：

從 BR Commissioner 取得 PSKc 和 panid：

## BR Commissioner ##
----------------------
> pskc
54e7f18d2575014da94db09df29c5df0
Done
> panid
0x1444
Done

設定 Board2 的網路資訊：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> dataset pskc 54e7f18d2575014da94db09df29c5df0
Done
> dataset panid 0x1444
Done

將這個資料集做為有效資料集提交：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> dataset commit active 
Done

啟動 IPv6 介面：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> ifconfig up
Done
I (29146) OT_STATE: netif up

從 Board2 取得 eui64：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> eui64
4831b7fffec02be1
Done

在 BR Commissioner 上啟動 Commissioner，並指定可加入的裝置 eui64，以及 Joiner Credential，例如 J01NME。加入者憑證是裝置專屬的字串，由全大寫的英數字元 (0-9 和 A-Y，為方便閱讀，不含 I、O、Q 和 Z) 組成，長度介於 6 到 32 個字元。

## BR Commissioner ##
----------------------
> commissioner start
Commissioner: petitioning
Done
Commissioner: active
> commissioner joiner add 4831b7fffec02be1 J01NME
Done

切換至「Board2 Joiner」。使用您剛在 BR Commissioner 上設定的 Joiner Credential，啟動 Joiner 角色：

## Board2 Joiner ##
----------------------
> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

大約一分鐘後，您會收到驗證成功的確認訊息：

## Board2 Joiner ##
----------------------
>
Join success

接著，你就能啟動並加入 BR Commissioner 建立的 Thread 網路。

啟動 Thread 協定作業：

> thread start
I(35727) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role disabled -> detached
Done
> I(36197) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Attach attempt 1, AnyPartition reattaching with Active Dataset
I(37007) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 fffe -> 2801
I(37007) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role detached -> child

將角色設為「路由器」。

> state router
Done
I(46057) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: RLOC16 2801 -> 4400
I(46057) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Role child -> router
I(46057) OPENTHREAD:[N] Mle-----------: Partition ID 0x28b518c6
>

現在您會取得 Thread 網路，拓撲如下所示：

esp_ot_tp_LRR.jpg

7. 在 Thread 節點之間連線偵測 (ping) IPv6 位址

您可以使用 ping 指令在任意兩塊開發板之間通訊。使用 ipaddr 指令列印每個開發板的 IPv6 位址：

## BR Commissioner ##
----------------------
> ipaddr
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:fc00          # Leader Anycast Locator (ALOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:2c00          # Routing Locator (RLOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:a8df:eb43:63d8:bda0     # Mesh-Local EID (ML-EID) 
fe80:0:0:0:687c:7248:cc14:9c4d              # Link-Local Address (LLA)
Done
> 

## Board1 Joiner ##
----------------------
> ipaddr
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:2800          # Routing Locator (RLOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:e461:db08:c833:1248     # Mesh-Local EID (ML-EID)
fe80:0:0:0:18ac:df04:4671:6a45              # Link-Local Address (LLA)
Done

## Board2 Joiner ##
----------------------
> ipaddr
fd6a:b54b:d6a3:b05a:0:ff:fe00:4400          # Routing Locator (RLOC)
fd6a:b54b:d6a3:b05a:d7dc:8e90:9bc9:ecbc     # Mesh-Local EID (ML-EID)
fe80:0:0:0:a8cc:1483:f696:91a2              # Link-Local Address (LLA)
Done

舉例來說，如要從 BR Commissioner Ping Board2 MLE-ID，可以在 BR Commissioner 上執行下列指令：

## BR Commissioner ##
----------------------
> ping fd6a:b54b:d6a3:b05a:d7dc:8e90:9bc9:ecbc
16 bytes from fd6a:b54b:d6a3:b05a:d7dc:8e90:9bc9:ecbc: icmp_seq=1 hlim=255 time=123ms
1 packets transmitted, 1 packets received. Packet loss = 0.0%. Round-trip min/avg/max = 123/123.0/123 ms.
Done

8. 使用 UDP 在 Thread 節點之間傳遞訊息

在本課程中，您將瞭解如何在兩部 Thread 裝置之間傳送訊息。舉例來說，開啟 udp 並在通訊埠 20617 上繫結，然後監聽 BR 上的所有位址：

## BR Commissioner ##
----------------------
> udp open
Done
> udp bind :: 20617
I (1298739) OPENTHREAD: Platform UDP bound to port 20617
Done

然後從 Board1 傳送訊息至 BR MLE-ID 位址和連接埠 20617：

## Board1 Joiner ##
----------------------
> udp open
Done
> udp send fd6a:b54b:d6a3:b05a:a8df:eb43:63d8:bda0 20617 ESP

您可以在 BR 上看到收到的訊息：

## BR Commissioner ##
----------------------
3 bytes from fd6a:b54b:d6a3:b05a:e461:db08:c833:1248 49154 ESP

9. 恭喜！

您已使用 ESP 開發板建立實體 Thread 網路！

esp_ot_final_topology.jpg

您現在瞭解：

  • 將 OpenThread CLI 二進位檔建構並刷寫至 ESP 開發板。
  • 在 ESP Thread 邊界路由器板上建構及閃爍邊界路由器。
  • 使用 ESP Monitor 和 OpenThread CLI 手動管理 Thread 節點。
  • 在 Thread 邊界路由器上建立 Thread 網路。
  • 確保裝置委託程序安全無虞，可加入 Thread 網路。
  • 在 Thread 節點之間連線偵測 IPv6 位址。
  • 使用 UDP 在 Thread 節點之間傳遞訊息。

延伸閱讀

如需各種 OpenThread 資源，請參閱 openthread.io 和 GitHub，包括：

參考資料：