CN103530146A

CN103530146A - 低功耗嵌入式设备远程无线升级方法

Info

Publication number: CN103530146A
Application number: CN201310420686.5A
Authority: CN
Inventors: 邹式论; 陈奇志; 王倩; 邓发均
Original assignee: CHENGDU JIAODA GUANGMANG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU JIAODA GUANGMANG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-09-16
Also published as: CN103530146B

Abstract

本发明公开了一种低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，包括步骤：（a）接收升级指令并响应：接收到升级指令时，将外部存储器中的远程升级标志位置位，并重启设备；（b）升级前校验：检测是否满足升级条件，是则进入步骤c，否则进入步骤e；（c）接收升级包：连接数据中心，从数据中心接收新应用程序升级包并存入外部存储器；（d）升级：将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区；（e）结束升级：远程升级标志位复位，结束升级。本发明专门针对基于低功耗单片机的嵌入式设备，为其提供了一种利用无线网络对其远程升级的方法，具有升级容易、控制方便等优点。

Description

低功耗嵌入式设备远程无线升级方法

技术领域

本发明涉及一种嵌入式设备远程升级方法，尤其涉及一种低功耗嵌入式设备远程无线升级方法。

背景技术

随着信息技术的发展，远程无人值守设备广泛应用于电力、通讯等系统中，由于很大一部分电力、通讯设施工作在高山、野外等人烟稀少、环境恶劣的地方，因此无人值守设备对这些实施的监控起着非常关键的作用。但是，由于技术的发展和更新，无人职守设备需要进行定期升级，但是由于这些设备所处位置偏远、分布范围广，现场升级工作强度大、难度高，而远程自动升级则很好的解决这个问题。

现有的部分无人值守设备采用了基于ARM 、DSP的高性能处理器，基于成熟的配套BootLoader程序、并带有实时操作系统，功能强大，并且有着较为强大的官方支持。BootLoader程序是在操作系统内核运行之前运行、初始化硬件设备、建立内存空间映射图、从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境的引导程序，整个系统的加载启动任务由BootLoader程序来完成。例如在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。由于基于ARM 、DSP处理器的无人值守设备带有实时操作系统、官方BootLoader程序，并且功能强大，其远程升级直接由操作系统的文件传输命令来进行程序的升级和启动，可以非常容易地实现远程升级功能。但这类设备具有成本高、功耗大的缺点；此外，由于这类设备包含了操作系统，因此其升级程序较大，一般只能通过有线网络进行升级。

实际应用中，由于远程无人值守设备以及类似的嵌入式设备并不需要太高的性能要求，只需具备简单的监测、通信功能，完全可采用低功耗单片机例如MSP430平台，并利用移动通信网络实现通信等。但是，该类低功耗单片机资源较少、性能较低，其没有实时操作系统也没有官方BootLoader程序，其片内一般仅存储有非常精简的应用程序，因此其升级就无法通过操作系统的文件传输命令来实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，该方法专门针对基于低功耗单片机的嵌入式设备，为其提供一种简单、方便的利用无线网络远程升级方法。

为实现上述目的，本发明的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，包括以下步骤：

（a）接收升级指令并响应：接收到升级指令时，将外部存储器中的远程升级标志位置位，并重启设备；

（b）升级前校验：检测是否满足升级条件，是则进入步骤c，否则进入步骤e；

（c）接收升级包：连接数据中心，从数据中心接收新应用程序升级包并存入外部存储器；

（d）升级：将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区；

（e）结束升级：远程升级标志位复位，结束升级。

本方案是专门针对基于低功耗单片机的嵌入式设备的远程无线升级方法，该类嵌入式设备包括单片机、通信模块、外部存储器，其中低功耗单片机内无操作系统，且单片机片内的flash程序存储区内划分有用于存储应用程序的应用程序区；通讯模块用于无线连接发送升级指令和升级程序的数据中心，接收升级包和发送状态报文；外部存储器作为远程升级的程序临时缓存区，用于暂存从数据中心接收的升级包，并且外部存储器中配置有数据中心IP地址等通讯必要参数，一般情况下，嵌入式设备运行应用程序，并定时连接数据中心接收升级指令，当接收到升级指令时按照步骤（a）~（e）执行升级，其余时间嵌入式设备的连接设备等可休眠以保证嵌入式设备的低功耗，采用本方案的远程升级方法，低功耗嵌入式设备也可以通过无线通信网络进行远程升级，并且其升级方法也非常简单、方便和易于控制。本方案中，步骤（e）是结束升级和模式切换步骤，当升级条件不满足、数据中心连接不成功、应用程序验证或烧写不成功时，直接通过该步骤结束升级，并切换到应用程序中。

进一步，步骤b中的升级条件包括：外部存储器内存在远程无线升级的有效配置信息并且远程升级标志位已置位，其中，有效配置信息包括数据中心IP地址，该IP地址可以不止一个，本方案中可配置4个IP地址，支持四个数据中心的升级控制。

进一步，步骤c中接收升级包的具体步骤是：

（c1）根据外部存储器中的IP地址连接数据中心，若连接成功，向数据中心发送状态报文，进入步骤（c2）；若连接失败则重新连接，如果连续3次连接失败，则进入步骤（e）；上述状态报文内含当前外部存储器已接收成功的有效升级包序号；

（c2）数据中心根据接收的最新状态报文依次发送外部存储器中未接收到的升级包，每个升级包内均含有升级包序号和校验码；

（c3）接收数据中心发至的升级包，并在收到每个升级包后向数据中心发送状态报文；

（c4）重复步骤c2和c3，直到所有升级包接收完成或发生中断。

本方案中，步骤c1中，设置3次重新连接的机会，3次均连接失败才进入应用程序，可以有效提高升级稳定性；步骤c2至c3中，通过向数据中心回发状态报文的机制，可以保证升级包接收的完整性，并能保证升级包发送和接收不重复，提高升级效率，还能支持发生中断后的断点续传。

进一步，步骤c4中发生中断是指当设备掉电或通讯中断无法与数据中心连接时发生的无法获取升级包的情况，当中断发生时，退出本次升级；中断结束后，继续执行远程升级，执行步骤（b），支持掉电保持和断点续传工作模式。本步骤中，中断结束后，继续执行远程升级包括两种情况：设备掉电中断结束后，设备上电立即进入步骤（b），继续执行远程升级；通讯中断结束后，通讯恢复，但设备仍然继续运行应用程序，当再次接收到升级指令时再进入步骤（b）。

进一步，步骤d中还包括有效性校验和匹配性验证流程，具体步骤如下：

（d1）匹配性验证：验证新应用程序与设备是否匹配，匹配则验证通过，否则验证不通过；

（d2）有效性校验：检验外部存储器中升级包的有效性，有效则校验通过，否则校验不通过；

（d3）匹配性验证和有效性校验均通过后，将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区；其中任意一项验证不通过则擦除外部存储器内的程序。

本方案中，对下载的新应用程序进行了匹配性和有效性的验证，以防止错误升级或升级不完全，保证了升级的安全性。

进一步，每个升级包内均含有包序号和当前包CRC校验码，最后一个升级包内还含有校验值，步骤d2中有效性的验证方法为：将所有升级包内的数据段累加，得到数据段累加值；再将所有升级包内的CRC校验码累加，得到校验码累加值；将数据段累加值和校验码累加值与最后一个升级包内的校验值比较，如果相同，则校验通过，不同则校验不通过。

进一步，步骤d2的有效性验证具体步骤如下：

（d21）从外部存储器中读取第1个升级包数据，将其中的数据段累加，结果存入寄存器A，并取该包的CRC校验码存入寄存器B；

（d22）判断当前包序号是否为最后一包，如果不是，进入步骤d23；如果是，进入步骤d24；

（d23）读取下一个升级包数据，将其中的数据段累加，累加结果再与寄存器A的数据相加，相加结果再次存入寄存器A并覆盖寄存器A中的原有数据；同时，取该包的CRC校验码与寄存器B相加，相加结果再次存入寄存器B并覆盖寄存器B中的原有数据；完成前述操作后进入步骤d22；

（d24）比较寄存器A和寄存器B中的数据是否与最后一个升级包内的校验值相同，相同为校验通过，反之不通过。

本方案中，采用了代码累加和校验、单包CRC校验码的累加和校验双重校验方式对升级包有效性进行了校验。现有技术中，数据校验是为保证数据完整性的一种手段，发送方用一种指定的算法对原始数据计算出一个校验值；接收方用同样的算法计算一次校验值，如果接收方计算的校验值和发送方随数据提供的校验值一样，说明数据完整。传统的校验方式有奇偶校验、异或校验、CRC循环冗余校验、md5校验等。由于本方案中低功耗单片机计算能力弱，在大量数据校验情况下不适合采用复杂的CRC、md5校验等方式，而采用如累加和校验、异或校验等简单方式在数据安全性方面又不能保证。而本方案中需要校验的数据为需要远程升级的代码，对校验速度和安全性均有极高的要求，因此发明人设计了上述组合校验方法，同时满足了校验速度和安全性的要求。本方案中，有效性校验采用了双重校验方式，升级的安全性和速度明显得到提高。

进一步，步骤d中将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区后，还进行了代码一致性验证：对比片内应用程序区和外部存储器的2段程序代码，如果2段程序代码一致，则进入步骤（e）；如果不一致，重新将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区，再次进行代码一致性验证；如果连续3次验证失败，向数据中心发送待检修的状态报文，进入步骤（e）。本方案中设计了代码一致性校验步骤，防止应用程序烧写不完全，并还增设了编程失败的处理方法，及时将编程失败的状态上报数据中心。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法专门为低功耗嵌入式设备设计，其为采用低功耗单片机的嵌入式设备提供了一种远程无线升级方法，支持类似野外无人值守设备的功能简单、性能较低而又起着必不可少作用的嵌入式设备在满足使用和远程升级的要求下采用低成本、低功耗的单片机；

2、本发明支持的低功耗嵌入式设备，其采用的低功耗单片机不含操作系统，代码量较少，能够利用GPRS等无线网络远程升级；

3、本发明通过固定地址的共享内存标志与汇编跳转指令，来支持远程升级与应用程序公用所有硬件中断；

4、本发明的升级包接收过程中设计了掉电保持和断电续传模式，使得在中断结束后可以继续延续上次的升级进度进行升级，减少升级时间；

5、本发明在连接过程中设计了模式自动切换功能，当连续3次都无法成功连接数据中心时，设备自切换到应用程序中，由应用程序收到升级命令再切换回升级模式中；

6、本发明在升级包接收过程中还设计了校验机制，确保数据中心发送每个升级包都接收成功，保证升级应用程序的完整性；

7、本发明在接收完升级包后还具有新应用程序的有效性验证和匹配性验证步骤，防止升级了错误版本或无效的应用程序，保障设备安全运行；

8、本发明在烧写完新应用程序后还设置有代码一致性校验步骤，防止应用程序烧写不完全，并还增设了编程失败的处理方法，及时将编程失败的状态上报数据中心。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

低功耗嵌入式设备的硬件组成包括：msp430单片机、内置AT命令集的gprs通信模块，SPI接口flash存储芯片（即外部存储器）。其中，msp430单片机片内含有flash程序存储区，本实施例中将该存储区划分为2部分代码空间：一部分为引导程序区、另一部分为应用程序区； SPI接口flash存储芯片作为远程升级的程序的临时缓存区。设备的系统第一次运行时，msp430单片机片内没有应用程序，需要通过串口将应用程序烧写至片内应用程序区，并且进入应用程序内配置设备的GPRS通讯必要参数，如IP地址端口号。如图1所示，本实施例的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法包括以下步骤：

步骤1：通常情况下，设备运行应用程序，并且设备定时连接GPRS网络中心（即数据中心）接收远程升级指令，当收到GPRS网络中心远程升级指令后，将远程升级标志位置位、退出当前应用程序、重启设备进入步骤2。本步骤中，可在收到远程升级指令后将远程升级标志位设置为1，升级完成后设置为0。

步骤2：设备重启后首先进行升级判断，检测flash存储芯片内是否存在进行无线gprs升级的有效配置信息，如IP地址端口号、是否存在需要进行远程升级的标志位等。如果flash存储芯片内存在进行无线gprs升级的有效配置信息，并且远程升级标志位已置位则进入步骤3；反之，如果缺少任意一项条件，则直接跳转进入应用程序，结束升级，将远程升级标志位复位。本步骤中SPI接口flash存储芯片内可以存储四个IP地址端口号，使得设备可以接收来个四个GPRS网络中心的升级指令并响应，便于操作人员可以在预先设定的任一数据中心控制升级。

步骤3：设备根据IP地址判断发送远程升级指令的GPRS网络中心并通过gprs通信模块与该中心连接，若连接成功，向该GPRS网络中心发送状态报文，进入步骤4；若连接失败则重新连接，如果连续3次连接失败，则结束该次升级，将远程升级标志位复位，跳回应用程序；本步骤中，上述状态报文内含当前外部存储器已接收成功的有效升级包序号，便于数据中心区分已发升级包和未发升级包，便于下次升级时接继续升级，直接发送未发升级包，而不用重新全部发送、重新升级；第一次升级时，状态报文内的当前外部存储器已接收成功的有效升级包序号值为0。

步骤4：GPRS网络中心根据接收的最新状态报文依次发送flash存储芯片中未接收到的升级包，每个升级包内均含有升级包序号和CRC校验码，低功耗嵌入式设备在收到每个升级包后将最新接收的升级包序号添加到状态报文中并发送给GPRS网络中心，从而通过校验机制确认每一包均接收成功。若中途中断则退出本次升级，等待终端结束后继续升级；若完整接收完所有升级包则进入步骤5。本步骤中，退出本次是指设备停止工作或直接跳转进入应用程序但是其远程设计标志位保持置位状态。中断可能由设备掉电、通讯信号中断造成，当发生掉电中断时，设备上电重启后，会按步骤2首先检测是否进行升级，由于发生掉电中断，远程升级标志位保持置位状态，并且外部存储器中也配置了有效的升级信息，因此会直接进入升级流程，从上次升级中断处继续升级，即进行断电续传；当发生通讯中断时，设备退出本次升级，直接进入应用程序，直到数据中心重新发来升级指令时才重启设备继续进行升级，同样也是从上次升级中断处开始接收升级包。

步骤f：所有程序包全部接收完后，验证新应用程序的有效性和匹配性，其中，有效性和匹配性验证可以同时进行也可先后进行（顺序不限），但必须要两个验证都通过时才能将外部flash存储芯片内的新应用程序程序编程至片内应用程序区，并重启启动新应用程序；如果任一项校验不通过则擦除临时缓存区中的程序，将远程升级标志位复位、并跳回应用程序结束该次升级。本步骤中，编程新应用程序可采用传统的程序烧写方式。

本步骤中，匹配性验证主要用于验证新应用程序与设备是否匹配，匹配则验证通过，否则验证不通过，其验证方法可以为读取设备的硬件地址和新应用程序中的硬件地址，如果一致则验证通过，不一致则验证不通过

有效性校验主要用于检验外部存储器中升级包的有效性，有效则校验通过，否则校验不通过；本实例中的升级包为1500个左右，每包含有包序号、数据段和设置在每包结尾的当前包CRC校验码，而最后一包为特殊包，还含有正确校验值X和Y。由于低功耗小型单片机运算能力有限，本实施例中采用代码累加和校验、单包CRC校验码的累加和校验双重方式，避免传统的CRC校验方式，提高校验速度，保证安全性。有效性校验的具体步骤如下：

（1）从外部存储器中读取第1个升级包数据，将其中的数据段累加，结果存入寄存器A，并取该包的CRC校验码存入寄存器B；

（2）判断当前包序号是否为最后一包，如果不是，进入步骤d23；如果是，进入步骤（4）；

（3）读取下一个升级包数据，将其中的数据段累加，累加结果再与寄存器A的数据相加，相加结果再次存入寄存器A并覆盖寄存器A中的原有数据；同时，取该包的CRC校验码与寄存器B相加，相加结果再次存入寄存器B并覆盖寄存器B中的原有数据；完成前述操作后进入步骤（2）；

（4）判断寄存器A和寄存器B中的数据是否与最后一个升级包内的校验值比较X、Y，如果寄存器A和寄存器B中的数据一个与X相同、一个与Y相同，则校验通过，否则校验不通过。

实际应用中，也可以采用其他算法校验，只需要将所有升级包内的数据段累加，得到数据段累加值A_总；再将所有升级包内的CRC校验码累加，得到校验码累加值B_总；将A_总和B_总与X和Y比较，如果A_总和B_总其中一个与X相同、一个与Y相同，则校验通过，否则校验不通过。此外，最后一个升级包可以只含有1个正确校验值Z（Z=X+Y），上述校验步骤还可增设一步：将A_总与B_总相加，所得结果与Z比较，相同则校验通过，否则校验不通过。

此外，在将新应用程序编程至片内应用程序区后还可以进一步对比验证片内应用程序区和程序缓存区的2段代码的一致性，若代码不一致，说明烧写不完全，重新烧写；若尝试3次烧写均失败，说明芯片损坏，向数据中心发送待检修的状态报文；若烧写成功，则将远程升级标志位复位，结束升级，并重启设备，由于标志位已复位，不会进入升级流程，而开始运行新的应用程序。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，包括以下步骤：

（e）结束升级：远程升级标志位复位，结束升级。

2.根据权利要求1所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，步骤b中的升级条件包括：外部存储器内存在远程无线升级的有效配置信息并且远程升级标志位已置位，所述有效配置信息包括数据中心IP地址。

3.根据权利要求2所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，步骤c中接收升级包的具体步骤是：

（c1）根据外部存储器中的IP地址连接数据中心，若连接成功，向数据中心发送状态报文，进入步骤（c2）；若连接失败则重新连接，如果连续3次连接失败，则进入步骤（e）；所述状态报文内含当前外部存储器已接收成功的有效升级包序号；

4.根据权利要求3所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，步骤c4中发生中断是指当设备掉电或通讯中断无法与数据中心连接时发生的无法获取升级包的情况，当中断发生时，退出本次升级；中断结束后，继续执行远程升级，执行步骤（b）。

5.根据权利要求1至4任一所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，步骤d中还包括有效性校验和匹配性验证流程，具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，每个升级包内均含有包序号和当前包CRC校验码，最后一个升级包内还含有校验值，步骤d2中有效性的验证方法为：将所有升级包内的数据段累加，得到数据段累加值；再将所有升级包内的CRC校验码累加，得到校验码累加值；将数据段累加值和校验码累加值与最后一个升级包内的校验值比较，如果相同，则校验通过，不同则校验不通过。

7.根据权利要求6所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，步骤d2的有效性验证具体步骤如下：

8.根据权利要求7所述的低功耗嵌入式设备远程无线升级方法，其特征在于，步骤d中将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区后，还进行了代码一致性验证：对比片内应用程序区和外部存储器的2段程序代码，如果2段程序代码一致，则进入步骤（e）；如果不一致，重新将外部存储器内的新应用程序编程至片内应用程序区，再次进行代码一致性验证；如果连续3次验证失败，向数据中心发送待检修的状态报文，进入步骤（e）。