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【技术专栏】泰凌微电子Thread RCP和NCP方案介绍（一）

泰凌微电子 2023-08-23 08:30 发表于上海

收录于合集#技术专栏51个

介绍

Thread规范建立了一种可靠、安全且能效高的无线通信协议，适用于资源受限的设备，常见于智能家居和商业建筑。OpenThread包含了Thread的完整网络层范围，包括IPv6、6LoWPAN、带有MAC安全性的IEEE 802.15.4、网状链路建立和网状路由等功能。

Telink已将由谷歌的团队开发的OpenThread实现整合到Zephyr RTOS中，实现了与Telink硬件的无缝兼容。这个整合的源代码可以在GitHub上方便地获取，并且还提供了软件开发工具包（SDK)。

在这个教程的上半部分中，您将在Telink Zephyr开发环境上构建OpenThread NCP和RCP固件。

学习内容

使用Telink Zephyr开发环境配置OpenThread编译环境。
构建OpenThread Co-Processor固件（ ot-ncp-ftd 和 ot-rcp ）。

所需条件

硬件：

2块B91开发套件。
1台Raspberry Pi 3B+或更高版本，并安装Raspbian操作系统映像。
1台Linux主机，至少带有两个USB端口。
1个已连接互联网的交换机（或路由器）和若干条以太网电缆。

软件：

Telink烧录和调试工具 —— LinuxBDT。
其他工具，比如Git和West。

前提条件

Thread基本概念和OpenThread Co-Processor

在进行本教程之前，建议先完成OpenThread Simulation codelab并阅读OpenThread Co-Processor Designs，以便熟悉基本的Thread概念和OpenThread Co-Processor架构，对RCP和NCP两种设备有一个简单了解。

Linux主机

Linux主机（Ubuntu v20.04 LTS或更高版本）充当构建机器，用于设置Telink Zephyr开发环境并烧录所有Thread开发板。为了完成这些任务，Linux主机需要两个可用的USB端口和互联网连接。

Telink B91开发套件

本教程需要2块B91开发板。下面的图片展示了一个套件中所需的最少组件。

本教程将使用一块B91开发板作为RCP（无线电协处理器），使用另一个B91开发板作为NCP（网络协处理器）。如果您尚未拥有这块开发板，您可以从Telink官方网站获取有关B91开发套件的更多详细信息。需要用到的部分组件如下表所示：

安装有Raspbian操作系统镜像的树莓派3B+或更高版本

在本教程中，需要使用带有Raspbian Bullseye Lite OS image 或Raspbian Bullseye with Desktop的树莓派3B+或更高版本。它通过以太网连接到互联网，并将配置为OpenThread边界路由器（OTBR）的主机。

网络连接

本教程需要一个已连接互联网的交换机（或路由器）和若干条以太网电缆。它们用于将Raspberry Pi与Linux主机连接起来，便于用户通过主机对Raspberry Pi进行配置。

LinuxBDT

Telink 烧录和调试工具 (BDT) 适用于所有Telink芯片系列，可用于擦除和烧录OpenThread固件到Telink B91开发套件上。在您的Linux主机上安装基于X86架构的LinuxBDT。

其他

Git，用于设置Telink Zephyr开发环境。
West，用于管理Zephyr项目并构建OpenThread二进制文件。

固件设置

Telink Zephyr开发环境设置

在Linux主机上打开命令行，执行以下命令，以确保您的APT软件包管理器是最新的。

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade

完成后，继续执行以下步骤。

1、安装依赖项。

$ wget https://apt.kitware.com/kitware-archive.sh
$ sudo bash kitware-archive.sh
$ sudo apt install --no-install-recommends git cmake ninja-build gperf \
ccache dfu-util device-tree-compiler \
python3-dev python3-pip python3-setuptools python3-tk python3-wheel xz-utils file \
make gcc gcc-multilib g++-multilib libsdl2-dev

Zephyr目前需要主要依赖项的最低版本，例如 CMake (3.20.0)、Python3 (3.6)、Devicetree 编译器 (1.4.6)。

$ cmake --version
$ python3 --version
$ dtc --version

在执行后续步骤之前，验证系统上安装的版本。如果版本不对，将 APT 镜像切换到稳定且最新的镜像，或手动更新这些依赖项。

2、安装west。

$ pip3 install --user -U west
$ echo 'export PATH=~/.local/bin:"$PATH"' >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc

确保 ~/.local/bin 包含在 $PATH 环境变量中。

3、获取Zephyr项目的源码。

$ west init ~/zephyrproject
$ cd ~/zephyrproject
$ west update
$ west blobs fetch hal_telink
$ west zephyr-export

在中国大陆，使用 west init ~/zephyrproject 和 west update 获取 Zephyr 源代码，通常需要花费额外的时间。此外，某些项目可能无法从国外服务器更新，寻找其他方法来下载最新的源代码。

4、为 Zephyr 安装额外的 Python 依赖项。

$ pip3 install --user -r ~/zephyrproject/zephyr/scripts/requirements.txt

5、设置 Zephyr 工具链。下载 Zephyr 工具链（大约 1~2 GB）到本地目录中，以允许您烧录固件到开发板。在中国大陆境内，该步骤可能需要花费额外时间。

$ wget https://github.com/zephyrproject-rtos/sdk-ng/releases/download/v0.16.1/zephyr-sdk-0.16.1_linux-x86_64.tar.xz
$ wget -O - https://github.com/zephyrproject-rtos/sdk-ng/releases/download/v0.16.1/sha256.sum | shasum --check --ignore-missing

下载Zephyr SDK并将其放置在推荐路径中，如下所示。

$HOME/zephyr-sdk[-x.y.z]
$HOME/.local/zephyr-sdk[-x.y.z]
$HOME/.local/opt/zephyr-sdk[-x.y.z]
$HOME/bin/zephyr-sdk[-x.y.z]
/opt/zephyr-sdk[-x.y.z]
/usr/zephyr-sdk[-x.y.z]
/usr/local/zephyr-sdk[-x.y.z]

其中 [-x.y.z] 可以是任何文本的可选项，例如 -0.13.2。SDK安装后不能移动该目录。接着安装Zephyr工具链。

$ tar xvf zephyr-sdk-0.16.1_linux-x86_64.tar.xz
$ cd zephyr-sdk-0.16.1
$ ./setup.sh -t riscv64-zephyr-elf -h -c

6、构建Hello World示例。使用Hello World示例验证官方Zephyr项目配置是否正确，然后再继续设置自定义项目。

$ cd ~/zephyrproject/zephyr
$ west build -p auto -b tlsr9518adk80d samples/hello_world

使用west build命令从Zephyr存储库的根目录构建hello_world示例。您可以在 build/zephyr 目录下找到名为 zephyr.bin 的固件。

7、将Zephyr环境脚本添加到 ~/.bashrc。在bash中执行一下命令。

$ echo "source ~/zephyrproject/zephyr/zephyr-env.sh" >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc

8、添加Telink Zephyr远程库。下载Telink repo到本地作为开发分支并更新该分支。

$ cd ~/zephyrproject/zephyr
$ git remote add telink-semi https://github.com/telink-semi/zephyr
$ git fetch telink develop
$ git checkout develop
$ cd ..
$ west update
$ west blobs fetch hal_telink

更多信息参考Zephyr Doc – Getting Started Guide：https://docs.zephyrproject.org/latest/getting_started/index.html

固件编译

本教程中将构建两种固件：

ot-ncp-ftd
ot-rcp

编译方法如下：

1、无线电协处理器（ot-rcp）

$ cd ~/zephyrproject
$ rm -rf build_ot_coprocessor
$ west build -b tlsr9518adk80d -d build_ot_coprocessor zephyr/samples/net/openthread/coprocessor -- -DDTC_OVERLAY_FILE="usb.overlay" -DOVERLAY_CONFIG=overlay-rcp-usb-telink.conf

2、网络协处理器（ot-ncp-ftd）

打开位于 zephyr/samples/net/openthread/coprocessor/overlay-rcp-usb-telink.conf 文件，按如下示范进行修改。

# Telink RCP USB-CDC-ACM

CONFIG_OPENTHREAD_COPROCESSOR_NCP=y
CONFIG_OPENTHREAD_COPROCESSOR_RCP=n
...
CONFIG_USB_DEVICE_PRODUCT="OpenThread CoProcessor NCP"

完成后打开位于 zephyr/samples/net/openthread/coprocessor/boards/tlsr9518adk80d.conf 文件，按如下示范进行修改。

CONFIG_OPENTHREAD_NUM_MESSAGE_BUFFERS=256

然后执行以下命令编译 ot-ncp-ftd 固件。

$ cd ~/zephyrproject
$ rm -rf build_ot_ncp_ftd
$ west build -b tlsr9518adk80d -d build_ot_ncp_ftd zephyr/samples/net/openthread/coprocessor -- -DDTC_OVERLAY_FILE="usb.overlay" -DOVERLAY_CONFIG=overlay-rcp-usb-telink.conf

小结

您现在已经了解了下述内容：

如何搭建并使用Telink Zephyr开发环境。
如何构建 ot-ncp-ftd 和 ot-rcp 两种二进制文件。

在下一篇文章中，您可以使用这两种固件分别与树莓派协同工作，创建和管理Thread网络。

关于泰凌

泰凌微电子致力于为客户提供一站式的低功耗高性能无线连接SoC芯片解决方案，包括经典蓝牙，蓝牙低功耗，蓝牙Mesh，Zigbee，Thread，Matter，Apple HomeKit，Apple“查找（Find My）”，和私有协议等低功耗2.4GHz多协议无线连接系统级芯片和丰富的固件协议栈。公司产品广泛应用于智能照明，智能家居/楼宇，智能遥控，无线外设，智能零售，穿戴设备，无线音频，智能玩具，物流追踪，智慧城市等各类消费和商业应用场景中。

介绍

接着本教程的上一篇文章：泰凌微电子Thread RCP和NCP方案介绍（一），本篇将演示使用 LinuxBDT 工具将 OpenThread RCP 和 NCP 固件烧录到 Telink B91 开发板，并且分别与树莓派协同工作，创建和管理 Thread 网络的所必须的步骤。

学习内容

分别将 OpenThread Co-Processor 固件（ ot-ncp-ftd 和 ot-rcp ）烧录到两块 Telink B91 开发板上。
在 Raspberry Pi 3B+ 或更高版本上，使用Docker和RCP搭建OpenThread 边界路由器（OTBR）。
在 Raspberry Pi 3B+ 或更高版本上，使用 Pyspinel 验证 NCP 功能。

所需条件

硬件：

2 块 B91 开发套件。
1 台 Raspberry Pi 3B+ 或更高版本，并安装 Raspbian 操作系统映像。
1 台 Linux 主机，至少带有两个 USB 端口。
1 个已连接互联网的交换机（或路由器）和若干条以太网电缆。

软件：

Telink 烧录和调试工具 —— LinuxBDT。
其他工具，比如 Git 和 West。

固件烧录

泰凌 LinuxBDT 设置

下载 Telink Linux BDT 烧录工具，并将其解压到 Linux 主机的本地目录，例如 ~，以允许用户将固件烧录到B91开发板。

$ cd ~
$ wget http://wiki.telink-semi.cn/tools_and_sdk/Tools/BDT/LinuxBDT.tar.bz2
$ tar -vxf LinuxBDT.tar.bz2

将 BDT 通过 USB 接口连接到 Linux 主机上，在命令行输入如下指令。

$ cd LinuxBDT
$ sudo ./bdt lsusb -v
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0003 xHCI Host Controller
Bus 001 Device 003: ID 0bda:565a Integrated_Webcam_HD
Bus 001 Device 023: ID 413c:301a Dell MS116 USB Optical Mouse
Bus 001 Device 037: ID 248a:826a Telink Web Debugger v3.6
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 xHCI Host Controller

能搜索到 Telink Web Debugger v3.6，代表 BDT 烧录器顺利连接到 Linux 主机。

固件烧录

如下图所示，使用USB连接线将一块 Telink B91 开发板连接到 Telink 烧录板。

在命令行输入如下指令（以烧录 ot-ncp-ftd固件为例）。

$ cd ~/zephyrproject/build_ot_ncp_ftd/zephyr
$ cp zephyr.bin ~/LinuxBDT/bin/ot-ncp-ftd.bin
$ cd ~/LinuxBDT
$ sudo ./bdt 9518 ac
 Activate OK!
$ sudo ./bdt 9518 wf 0 -i bin/ot-ncp-ftd.bin
 EraseSectorsize...
 Total Time: 2181 ms
 Flash writing...
 [100%][-] [##################################################]
 File Download to Flash at address 0x000000: 491700 bytes
 Total Time: 30087 ms

ot-rcp 的烧录方法和 ot-ncp-ftd 的基本一样，不同之处在于固件名称。烧录完成后分别将两块B91开发板做好标记区分，烧录 ot-ncp-ftd 的开发板标记为“NCP”，烧录 ot-rcp 的开发板标记为“RCP”。

固件应用

本教程使用树莓派来验证RCP和NCP两种固件功能。

树莓派安装 Docker 作为 OTBR 的 Host 端，验证 RCP 功能。
树莓派安装并运行 Pyspinel，验证 NCP 功能。

树莓派

1、确保写入 SD 卡中的是 Raspbian Bullseye Lite OS image 或 Raspbian Bullseye with Desktop。

2、您可以选择通过 SSH 连接到树莓派，也可以直接在 Raspbian 桌面上操作。本教程将使用 SSH。

3、在下一步安装 OTBR Docker 或 Pyspinel 之前，先更新本地代码库和软件包管理器。

$ sudo apt-get update
$ sudp apt-get upgrade

无线电协处理器（RCP）

ot-rcp 固件的烧录步骤参考 ot-ncp-ftd 烧录过程，将 B91 开发板连接到树莓派的 USB 端口上，连接方式如下图所示。

安装 Docker

重新启动树莓派并打开一个 SSH 终端窗口。

1、安装 Docker。

$ curl -sSL https://get.docker.com | sh

2、将当前用户添加到 Docker 组中，授予权限，这样在每个命令前都不需要加上sudo。

$ sudo usermod -aG docker $USER

 你需要重启树莓派来使改动生效。

3、若 Docker 尚未启动，请将其启动：

$ sudo dockerd

4、OTBR 防火墙脚本在 Docker 容器内创建规则。运行 modprobe 以加载 iptables 的内核模块。

$ sudo modprobe ip6table_filter

配置并运行 Docker

本教程直接从 OpenThread Docker Hub 拉取 OTBR Docker 镜像，该镜像已经过 OpenThread 团队的测试和验证。

1、拉取镜像：

$ docker pull openthread/otbr:latest

2、查看 Docker 容器中的镜像列表：

$ docker images
REPOSITORY        TAG       IMAGE ID       CREATED      SIZE
openthread/otbr   latest    db081f4de15f   6 days ago   766MB

3、通过检查 /dev 确定 RCP 设备的串行端口名称, 出现 ttyACM0 表示 RCP 正确连接。

$ ls /dev/tty*
...
/dev/ttyACM0
...

4、第一次运行 OTBR Docker, 并引用RCP的串行端口（ttyACM0），此后若要继续使用该 OTBR Docker，请使用命令 docker start otbr。

$ docker run --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 openthread/otbr --radio-url spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM0

5、新开一个 SSH 终端窗口，测试树莓派和 RCP 的连通性，并建立 Thread 网络。

$ docker exec -ti otbr sh -c "sudo ot-ctl"
> state 
disabled
Done
> panid 0x1022 
Done
> ifconfig up
Done
> thread start 
Done
> state 
detached
Done
> state 
leader
Done

可选用的 Docker 命令：

获取正在运行的 Docker 容器信息：

$ docker ps -aq

停止 OTBR Docker：

$ docker stop otbr

移除 OTBR Docker：

$ docker rm otbr

重新加载 OTBR Docker：

$ docker restart otbr

网络协处理器（NCP）

关闭树莓派，拔掉 RCP。将NCP连接到树莓派的 USB 端口上，再重新启动树莓派。连接方式如下图。

安装 Pyspinel

在树莓派上打开一个新的SSH终端窗口。

1、安装依赖项：

$ sudo apt install python3-pip
$ pip3 install --user pyserial ipaddress

2、下载 pyspinel 的源码到本地：

$ git clone https://github.com/openthread/pyspinel

3、安装 Pyspinel：

$ cd pyspinel
$ sudo python3 setup.py install

验证 NCP 功能

1、配置 NCP 连接。

$ sudo chmod a+rw /dev/ttyACM0

2、运行 Pyspinel CLI。

$ spinel-cli.py -u /dev/ttyACM0 -n 1
spinel-cli >

3、查询 NCP 版本。

spinel-cli > version
OPENTHREAD/aabbee49c; Zephyr; Aug 10 2023 14:02:37
Done

4、建立 Thread 网络。

spinel-cli > ifconfig up
Done
spinel-cli > thread start
Done
spinel-cli > state
detached
Done
spinel-cli > state
leader
Done

可以看到 NCP 已成为 leader，Thread 网络被成功创建。

可选用的 spinel-cli 命令：

查看帮助菜单获取可用命令。

spinel-cli > help

Available commands (type help <name> for more information):
============================================================
bufferinfo         extaddr       ncp-filter        releaserouterid
channel            extpanid      ncp-ll64          reset
child              h             ncp-ml64          rloc16
childmax           help          ncp-raw           route
childtimeout       history       ncp-tun           router
clear              ifconfig      netdata           routerdowngradethreshold
commissioner       ipaddr        networkidtimeout  routerselectionjitter
contextreusedelay  joiner        networkkey        routerupgradethreshold
counters           keysequence   networkname       scan
debug              leaderdata    panid             state
debug-mem          leaderweight  parent            thread
diag               mac           ping              txpower
discover           macfilter     prefix            v
eidcache           mfg           q                 vendor
exit               mode          quit              version

总结

您现在已经知道：

如何搭建并使用 Telink Zephyr 开发环境。
如何构建 ot-ncp-ftd 和 ot-rcp 两种二进制文件并将其烧录到B91开发板。
如何使用Docker和RCP将Raspberry Pi 3B+ 或更高版本设置为OpenThread边界路由器（OTBR）。
在Raspberry Pi 3B+或更高版本上，使用 Pyspinel 验证NCP功能。

由此可见，RCP 和 NCP 方案都可以实现 OTBR 的功能。不过，从目前的社区的支持力度看，RCP 更适合用于 OTBR 的开发。

深入阅读

查看openthread.io和GitHub，了解各种OpenThread资源，包括：

Supported Platforms

https://openthread.io/platforms/

— discover all the platforms that support OpenThread

Build OpenThread

https://openthread.io/guides

— further details on building and configuring OpenThread

Thread Primer

https://openthread.io/guides/thread-primer

— covers all the Thread concepts featured in this codelab

参考文档：

OpenThread Co-Processor Designs：

https://openthread.io/platforms/co-processor

OpenThread Pyspinel：

https://openthread.io/guides/pyspinel

OpenThread Border Router：

https://openthread.io/guides/border-router

526互联

Thread RCP和NCP方案

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