Thread-Netzwerk mit dem ESP32H2- und ESP-Thread-Border-Router-Board erstellen

1. Einführung

OpenThread wurde vom Google Nest-Team veröffentlicht und ist eine Open-Source-Implementierung des Thread®-Netzwerkprotokolls, mit der die Entwicklung von Produkten für Smart Homes beschleunigt werden soll. Die Thread-Spezifikation definiert ein IPv6-basiertes zuverlässiges, sicheres und energiesparendes drahtloses Kommunikationsprotokoll zwischen Geräten und Anwendungen für private und kommerzielle Anwendungen.

Espressif hat den OpenThread-Stack basierend auf FreeRTOS und LwIP portiert, sodass Entwickler schnell Thread-Netzwerke aufbauen können. Den zugehörigen Quellcode erhalten Sie von GitHub. Gleichzeitig hat Espressif auch einen Thread-Border-Router implementiert, der auf RTOS basiert.

In diesem Codelab programmieren Sie OpenThread auf echter Hardware, erstellen und verwalten ein Thread-Netzwerk und leiten Nachrichten zwischen Knoten weiter.

Lerninhalte

• Erstellen und Flashen von OpenThread-Befehlszeilen-Binärprogrammen auf ESP-Boards.
• Border-Router wird erstellt und auf dem ESP Thread-Border-Router-Board aufgebaut.
• Manuelle Verwaltung von Thread-Knoten mit ESP Monitor und der OpenThread-Befehlszeile
• Bilden Sie ein Thread-Netzwerk auf dem Thread-Border-Router.
• Die Inbetriebnahme von Geräten in einem Thread-Netzwerk sichern
• Pingen der IPv6-Adresse zwischen Thread-Knoten.
• Nachrichten zwischen Thread-Knoten mit UDP weiterleiten.

Voraussetzungen

Hardware:

• 2 ESP-Boards mit IEEE 802.15.4-Modulen
  • ESP32-H2
  • ESP32-C6
• 1 ESP Thread-Border-Router-Board.

Software:

• ESP-IDF.
• ESP-THREAD-BR.

2. Erste Schritte

1. ESP-IDF-Installation.

Folgen Sie dem ESP-IDF-Programmierhandbuch, um die Softwareentwicklungsumgebung zu installieren.

Hinweis:Für den ESP-IDF-Zweig empfehlen wir dringend Version 5.1.1 oder höher.

2. Klonen Sie das ESP Thread Border Router SDK.

ESP-THREAD-BR ist das offizielle ESP Thread Border Router SDK. Er unterstützt alle grundlegenden Netzwerkfunktionen zum Erstellen eines Thread-Border-Routers und bietet umfassende Funktionen auf Produktebene für eine schnelle Produktisierung.

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

Hinweis:In diesem Dokument wird gezeigt, wie Sie dieses Codelab unter Linux ausführen. Bei anderen Betriebssystemen oder IDEs können Sie die entsprechenden Befehle nach Bedarf ändern.

3. Build und Flash

Weitere Informationen zum Erstellen und Flashen der ot-cli-ftd-Binärdatei auf ESP-Boards mit IEEE 802.15.4-Modulen finden Sie im ESP-IDF-Beispiel ot_cli:

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

Aktivieren Sie die Joiner-Funktion über „menuconfig“:

$ idf.py menuconfig

Komponentenkonfiguration > OpenThread > Joiner aktivieren, dann Build und Flash.

Hinweis: Verbinden Sie den UART-Port der ESP-Boards mit dem Host. Mit $ ls /dev/ttyUSB* können Sie die Nummer des seriellen Ports der ESP-Boards anzeigen.

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

Zum Erstellen und Flashen der OT-br-Binärdatei auf dem ESP Thread Border Router Board müssen Sie zuerst die RCP-Binärdatei erstellen. Diese RCP-Binärdatei muss nicht explizit auf das Gerät auf dem Thread-Border-Router-Board des ESP übertragen werden. Sie ist in der Binärdatei des Border Router enthalten und wird beim ersten Start (oder beim ersten Start der RCP-Firmware) auf den ESP32-H2-Chip geladen. Weitere Informationen finden Sie in der ESP-Thread-BR-Dokumentation:

$ 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

Aktivieren Sie die Funktion „Provisioner“ über „menuconfig“:

$ idf.py menuconfig

Komponentenkonfiguration > OpenThread > Provisioner aktivieren, dann Build und Flash.

Hinweis:Nur der USB2-Port des Thread-Border-Router-Boards für ESP muss mit dem Host verbunden werden. Zum Anzeigen der Nummer des seriellen Ports des ESP Thread-Border-Router-Boards können Sie $ ls /dev/ttyACM* verwenden.

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

4. Thread-Netzwerk auf dem Thread-Border-Router erstellen

Jetzt können Sie mit der OpenThread-Befehlszeile auf dem ESP Thread Border Router Board (BR Commissioner) ein Thread-Netzwerk erstellen:

dataset init new erstellt ein neues operatives Dataset mit zufälligen Werten. Ihre Werte unterscheiden sich von den in diesem Codelab angezeigten Werten. Ersetzen Sie die Werte in den Codelab-Beispielbefehlen durch die Werte aus Ihrem operativen Dataset.

## 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

Führen Sie den Commit für dieses Dataset als aktives Dataset aus:

> dataset commit active
Done

Öffnen Sie die IPv6-Schnittstelle:

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

Thread-Protokollvorgang starten:

> 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

Prüfen Sie kurz den Gerätestatus. Es sollte der Anführer sein.

> state
leader
Done
> 

5. Mit dem Netzwerkschlüssel dem Thread-Netzwerk beitreten

In diesem Codelab werden zwei ESP-Boards mit IEEE 802.15.4-Modulen für den Beitritt zum BR-förmigen Netzwerk vorbereitet. In dieser Sitzung werden wir Board1 dem Netzwerk hinzufügen.

Rufen Sie den networkkey aus BR ab:

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

Legen Sie diesen Netzwerkschlüssel auf ein ESP-Board (Board1 Joiner) mit IEEE 802.15.4-Modulen fest:

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

Führen Sie den Commit für dieses Dataset als aktives Dataset aus:

> dataset commit active
Done

Öffnen Sie die IPv6-Schnittstelle:

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

Thread-Protokollvorgang starten:

> 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

Prüfen Sie kurz den Gerätestatus. Es sollte das Kind sein.

> state
child
Done

Legen Sie die Rolle auf „Router“ fest.

> 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
> 

6. Über sichere Inbetriebnahme dem Thread-Netzwerk beitreten

In dieser Sitzung werden wir Board2 über die Sicherheitsinbetriebnahme zum Netzwerk hinzufügen:

PSKc und Panid vom BR Commissioner abrufen:

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

Konfigurieren Sie die Netzwerkinformationen für Board2:

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

Führen Sie den Commit für dieses Dataset als aktives Dataset aus:

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

Öffnen Sie die IPv6-Schnittstelle:

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

Rufen Sie den eui64 von Board2 ab:

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

Starten Sie den Provisioner auf dem BR Commissioner und geben Sie die eui64 des Geräts an, das teilnehmen kann, sowie die Joiner-Anmeldedaten, z. B. J01NME. Joiner Credential ist ein gerätespezifischer String aus allen alphanumerischen Zeichen in Großbuchstaben (0–9 und A–Y, ausgenommen I, O, Q und Z zur besseren Lesbarkeit) und hat eine Länge zwischen 6 und 32 Zeichen.

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

Wechseln Sie zu Board2 Joiner. Beginnen Sie die Joiner-Rolle mit den Anmeldedaten, die Sie gerade im BR Commissioner eingerichtet haben:

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

Nach etwa einer Minute erhalten Sie eine Bestätigung, dass die Authentifizierung erfolgreich war:

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

Danach können Sie das vom BR Commissioner gegründete Thread-Netzwerk starten und beitreten.

Thread-Protokollvorgang starten:

> 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

Legen Sie die Rolle auf „Router“ fest.

> 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
> 

Jetzt erhalten Sie ein Thread-Netzwerk mit der folgenden Topologie:

7. IPv6-Adresse zwischen Thread-Knoten pingen

Sie können den Ping-Befehl für die Kommunikation zwischen zwei beliebigen Boards verwenden. Verwenden Sie den Befehl ipaddr, um die IPv6-Adressen aller Boards auszugeben:

Ein einzelner Thread-Knoten hat mehrere IPv6-Adressen. Weitere Informationen finden Sie unter IPv6-Adressierung.

## 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

Um beispielsweise die MLE-ID von BR Commissioner an Board2 MLE-ID zu senden, können Sie den folgenden Befehl im BR Commissioner ausführen:

## 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. Nachrichten zwischen Thread-Knoten mit UDP weiterleiten

In dieser Sitzung erfährst du, wie du eine Nachricht zwischen zwei Thread-Geräten sendest. Öffnen Sie beispielsweise udp, binden Sie ihn an Port 20617 und warten Sie auf alle Adressen in BR:

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

Senden Sie dann eine Nachricht von Board1 an die BR MLE-ID-Adresse und den Port 20617:

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

Sie können die empfangene Nachricht in BR sehen:

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

9. Glückwunsch!

Sie haben mithilfe von ESP-Boards ein physisches Thread-Netzwerk erstellt.

Sie wissen jetzt:

• Erstellen und Flashen von OpenThread-Befehlszeilen-Binärprogrammen auf ESP-Boards.
• Ein blinkender Border-Router wird auf dem ESP Thread-Border-Router-Board erstellt.
• Manuelle Verwaltung von Thread-Knoten mit ESP Monitor und der OpenThread-Befehlszeile
• Bilden Sie ein Thread-Netzwerk auf dem Thread-Border-Router.
• Die Inbetriebnahme von Geräten in einem Thread-Netzwerk sichern
• Pingen der IPv6-Adresse zwischen Thread-Knoten.
• Nachrichten zwischen Thread-Knoten mit UDP weiterleiten.

Weitere Informationen

Unter openthread.io und GitHub finden Sie eine Vielzahl von OpenThread-Ressourcen, darunter:

• Unterstützte Plattformen – alle Plattformen ermitteln, die OpenThread unterstützen
• OpenThread erstellen – weitere Informationen zum Erstellen und Konfigurieren von OpenThread
• Thread Primer – deckt alle Thread-Konzepte ab, die in diesem Codelab enthalten sind

Referenz:

• Referenz zur OpenThread-Befehlszeile
• Referenz zur OpenThread UDP-Befehlszeile
• OpenThread UDP API-Referenz
• ESP Thread BR-Dokumente