CN111417113A - 一种双路径低功耗nb-iot计量表及其固件升级方法 - Google Patents

Abstract

一种双路径低功耗NB‑IOT计量表及其固件升级方法，当计量表需要固件升级时，该计量表通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级，当NB路径不通时，通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级。本发明通过在计量表增加BLE通讯模块，并利用计量表的上报通讯路径，自动请求完成固件升级包的补发或者下发，从而解决了NB计量表终端在无4G或5G网络信号时的固件无法升级的问题。同时利用BLE大flash的特点，把网络路径和BLE路径下发的固件升级包存储在BLE近端通讯模块的flash里面，在不增加硬件成本的同时解决固件升级数据包缓存的问题。

Description

一种双路径低功耗NB-IOT计量表及其固件升级方法

技术领域

本发明涉及水表、气表等计量表技术领域，特别涉及一种双路径低功耗NB-IOT计量表及其固件升级方法。

背景技术

近年随着NB-IOT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)智能水气表产品在水表公司和燃气表公司被大量安装使用，那么作为电池供电的NB-IOT水气表的固件升级将是一个挑战。当前NB-IOT无线升级普遍采用的是，通过NB无线通道下发FOTA(FirmwareOver-The-Air，无线固件升级)差分包的升级法，这种升级方法对于网络比较稳定、固件改动小、不考虑能量消耗的NB物联网终端比较有效。这种升级方式需要2倍的flash(闪存)作为缓存，来储存OTA(Over-The-Air，空中下载，是通过移动通信的空中接口实现对移动终端设备及SIM卡数据进行远程管理的技术。)平台下发的差分包。这样带来的问题是：

1、两倍的flash作为缓存，带来硬件成本的上升；

2、当NB-IOT水气表安装的环境里NB信号不稳定时，OTA平台就无法下发固件差分包，导致NB水气表无法升级。

发明内容

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明公开了一种双路径低功耗NB-IOT计量表，包括供电模块、阀门控制模块、计量模块，还包括NB数据传输模块、第一中央控制器和BLE数据传输模块；第一中央控制器分别与供电模块、阀门控制模块、计量模块、NB数据传输模块和BLE数据传输模块电连接；第一中央控制器通过控制供电模块实现BLE数据传输模块和NB数据传输模块的电源通断；NB数据传输模块通过移动网络与空中下载平台通讯；BLE数据传输模块通过移动用户终端与空中下载平台通讯；所述的BLE数据传输模块与NB数据传输模块之间电连接。

进一步的，所述的BLE数据传输模块包括BLE通讯模块、第二中央控制器和闪存；BLE数据传输模块通过第二中央控制器与NB数据传输模块和第一中央控制器电连接；BLE通讯模块接收移动用户终端的数据，经过第二中央控制器校验后发送给闪存进行存储。

第二方面，本发明公开一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，当计量表需要固件升级时，该计量表通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级，当NB路径不通时，通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级。

进一步的，所述的NB路径是指从OTA平台通过移动网络下发固件升级包到计量表的NB数据传输模块的过程；所述的BLE路径是指从OTA平台通过移动网络下发固件升级包到移动用户终端，当移动用户终端与计量表连接时将固件升级包再发送给BLE数据传输模块的过程。

进一步的，通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级的步骤包括：

步骤S1、当计量表需要固件升级时，OTA平台通过移动网络下发固件升级包给计量表终端；

步骤S2、计量表的第一中央控制器把固件升级包通过UART串口从NB数据传输模块发送到BLE数据传输模块的第二中央控制器，第二中央控制器校验固件升级包，校验通过后写入闪存；

步骤S3、当固件升级包数据接收并校验完成后，第二中央控制器通过UART串口通知第一中央控制器固件升级包接收完成；

步骤S4、第一中央控制器判断安装该固件升级包数据的时段，随后切断BLE数据传输模块的电源，进入休眠状态；当到达安装该固件升级包的时段时，第一中央控制器控制供电模块给BLE数据传输模块供电，同时通过UART串口发射命令告知第二中央控制器固件升级开始；

步骤S5、在得到第二中央控制器应答后，第一中央控制器开始接收flash内存储的固件升级包数据，开始固件更新；

步骤S6、固件更新完成后，第一中央控制器告知第二中央控制器升级完成并推送新的固件版本号，收到第二中央控制器的回应后，第一中央控制器切断BLE数据传输模块的电源并进入休眠模式。

进一步的，通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级的步骤包括：

步骤S1’、移动用户终端的APP客户端主动连接计量表的BLE通讯模块时，APP客户端下发查询命令到计量表，查询计量表的信息，从而判断计量表是否具备升级条件；

步骤S2’、当升级条件满足后，APP客户端告知计量表的BLE通讯模块准备接收固件数据包。

步骤S3’、第二中央控制器通过BLE通讯模块开始接收并校验APP客户端下发的固件升级包数据，校验通过后储在闪存里，同时通过UART串口发送心跳包到第一中央控制器；

步骤S4’、当固件升级包数据接收完成后，第二中央控制器停止发送心跳包并通知第一中央控制器固件升级包数据接收完成，第一中央控制器通知第二中央控制器进行安装升级；

步骤S5’、第二中央控制器再次应答第一中央控制器准备发送数据，第一中央控制器接收闪存内存储的固件升级包，开始固件更新；

步骤S6’、升级完成后第一中央控制器告知第二中央控制器升级完成并推送新的固件版本号，收到第二中央控制器的回应后，第一中央控制器切断BLE数据传输模块的电源并进入休眠模式。

进一步的，当NB路径下发固件升级包中断时，还包括以下异常处理的步骤：

步骤S1”、当固件升级包通过NB路径下发中断时，第二中央控制器返回数据包接收超时故障报警信息到第一中央控制器；

步骤S2”、第一中央控制器检测NB数据传输模块连接基站的信号强度，当检测到信号强度小于设定值时，则判断NB数据传输模块和基站的连接出现异常；

步骤S3”、NB数据传输模块发信息给基站请求重新建立连接，当基站不应答NB数据传输模块的请求时，第一中央控制器告知第二中央控制器NB路径中断，准备进入休眠状态；随后第一中央控制器切断NB数据传输模块和BLE数据传输模块的电源；

步骤S4”、当移动用户端通过APP客户端和计量表端建立连接时，计量表端会立刻收到APP客户端通过BLE通讯模块下发的缺包查询指令，第二中央控制器在收到缺包查询指令后返回当前的计量表信息；

步骤S5”、APP客户端在收到计量表返回的信息后判断是否要补发固件数据包，如需要则通过BLE通讯模块补发升级包；

步骤S6”、第二中央控制器收到缺失的数据包并校验数据包序号和CRC16值，当校验通过后把数据按照序号依次写入缓存里，同时通过UART串口发送心跳包到第一中央控制器，直到固件升级包数据接收完成，继续步骤S4’至步骤S6’的过程。

进一步的，在步骤S3”中，当基站不应答NB数据传输模块的请求时，第一中央控制器重启NB数据传输模块，再次发信息给基站请求建立连接，当基站再次不应答NB数据传输模块的请求时，第一中央控制器切断NB数据传输模块和BLE数据传输模块的电源。

本发明的双路径低功耗NB-IOT计量表及其固件升级方法，通过在计量表终端增加BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙)通讯模块，并利用计量表的上报通讯路径，自动请求完成固件升级包的补发或者下发，能100％完成固件升级包的补发或者下发，从而解决了NB计量表终端在无4G或5G网络信号时的固件无法升级的问题。同时利用BLE大flash的特点，把网络路径和BLE近端通讯路径下发的固件升级包存储在BLE近端通讯模块的flash里面，在不增加硬件成本的同时解决固件升级数据包缓存的问题。

附图说明

图1为本发明的双路径低功耗NB-IOT计量表结构示意图；

图2为本发明的NB路径接收固件升级包流程图；

图3为本发明的BLE路径接收固件升级包流程流程图。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

本发明的双路径低功耗NB-IOT计量表如图1所示，包括供电模块、阀门控制模块、计量模块，还包括NB数据传输模块、中央控制器MCU1、BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙)数据传输模块；供电模块给计量表中其他模块供电；MCU1分别与供电模块、阀门控制模块、计量模块、NB数据传输模块和BLE数据传输模块电连接，MCU1采集计量模块的信号，并且通过控制阀门控制模块来实现计量表阀门的开关，同时MCU1通过控制供电模块实现BLE数据传输模块和NB数据传输模块的电源通断；NB数据传输模块通过4G或5G移动网络与空中下载平台(以下简称OTA平台)通讯，完成上下行的数据交互，具备通过NB路径获取OTA平台固件升级包的能力；BLE数据传输模块与移动用户终端通讯，完成数据交互，具备通过BLE路径从OTA平台获取固件升级包的能力；BLE数据传输模块与NB数据传输模块之间电连接。

所述的BLE数据传输模块包括BLE通讯模块、中央控制器MCU2和flash闪存；BLE数据传输模块通过MCU2与NB数据传输模块和MCU1电连接；BLE通讯模块接收移动用户终端的数据，经过MCU2校验后发送给闪存进行存储。

MCU2为计量表终端固件升级的主控制MCU，完成BLE数据的收发，完成FLASH数据的校验、读写和固件版本的管理。

NB路径是指从OTA平台通过4G或5G网络下发固件升级包到计量表的NB数据传输模块的过程。BLE路径是指从OTA平台通过4G或5G网络下发固件升级包到移动用户终端的APP客户端，再由APP客户端在与计量表连接的时候将固件升级包发送给BLE数据传输模块的过程。

本发明的工作原理如下：

当计量表终端需要固件升级时，OTA平台通过NB路径下发固件升级包给计量表的NB数据传输模块，MCU1将固件升级包从NB数据传输模块传输到MCU2，经MCU2校验合法后写入BLE数据传输模块的闪存；需要升级时，MCU1通知MCU2进行相关的固件升级操作。当NB路径中断或者网络不好导致NB路径不通时，OTA平台BLE路径下发固件升级包，首先OTA平台先将固件升级包下发给移动用户端的APP客户端，当APP客户端与计量表连接时，将固件升级包发送给BLE数据传输模块的BLE通讯模块，经MCU2校验后发给闪存进行存储，并通知MCU1固件升级包接收完毕，由MCU1进行升级操作。

上述双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，当计量表需要固件升级时，该计量表通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级，当NB路径不通时，通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级。

其中通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级的具体步骤如下：

步骤S1、当计量表需要固件升级时，OTA平台通过移动网络下发固件升级包给计量表终端；

当计量表端定时上报数据到数据平台时，OTA平台会从上报数据中获悉该计量表当前固件版本号和系统电池电压，判断该计量表端是否需要固件升级。如果表端需要升级，OTA平台就会下发命令告知计量表端，让计量表的NB数据传输模块进入接收模式，此时源源不断的固件升级包通过移动网络下发到表端。

步骤S2、计量表的MCU1把固件升级包通过UART串口从NB数据传输模块发送到BLE数据传输模块的MCU2，MCU2根据规则校验数据的合法性，合法的数据写入闪存。

校验的内容包括：OTA平台下发的固件总包数和APP接收到的合法数据总包数是否相同；APP收到的总数据包CRC16是否和系统下发的总数据包CRC16相同；升级固件包中的版本号是否和OTA下发的版本号相同。

步骤S3、当固件升级包数据接收完成并校验合法后，MCU2通过UART通知MCU1固件升级包接收完成，可以进行升级。

步骤S4、MCU1会根据数据来源的路径，判断安装该固件升级包数据的时段，随后MCU1会立刻切断BLE数据传输模块的电源，然后进入休眠状态。当到达安装该固件升级包数据的时段时，MCU1进入工作状态，控制供电模块给BLE数据传输模块供电，同时通过UART串口发射命令告知MCU2固件升级开始。

NB路径为远程固件升级，此时用户的计量表可能正在发生计量，如果接收到固件升级包后即刻更新固件，会导致电子模块的计量采集暂停，所以为了保证电子模块采集基表计量数据的准确性，电子模块会在基表停止计数时(即到达安装该固件升级包数据的时段)更新固件。

步骤S5、在得到MCU2应答后，MCU1跳入BOOT模式，开始接收flash内存储的固件升级包数据，开始固件更新。

步骤S6、升级完成后MCU1会告知MCU2升级完成并推送新的固件版本号，收到MCU2的回应后，MCU1切断BLE数据传输模块的电源并进入休眠模式。

当水气表所安装的环境NB信号不稳定或者很弱时，NB传输链路可能就无法稳定传输数据，此时OTA平台会启动BLE数据传输路径，并人为的唤醒计量表端的BLE数据传输模块。通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级的步骤包括：

步骤S1’、移动用户终端的APP客户端主动连接水气表等计量表的BLE通讯模块，APP客户端到计量表端的BLE连接联通后，APP会下发查询命令到计量表端，查询表端的固件版本号、电池电压和升级状态，从而判断表端是否具备升级条件。

步骤S2’、当升级条件满足后，APP客户端向计量表的BLE通讯模块下发固件升级开始命令，告知计量表端准备接收固件数据包。

步骤S3’、MCU2通过BLE通讯模块开始接收并校验APP客户端下发的固件升级包数据，把合法数据存储在闪存里面，同时通过UART串口发送心跳包到MCU1告知当前BLE数据传输模块正在工作中不可切断电源。

步骤S4’、当固件升级包数据接收完成后，MCU2停止发送心跳包并通知MCU1固件升级包数据接收完成，MCU1会根据数据来源的路径，判断此固件升级包需立刻进行安装，随后通知MCU2可以进行安装升级。

此时为近场固件升级，操作人员在计量表旁边，此时的基表不会发生计量，所以可以立刻更新模块固件，同时也能快速的反馈给现场炒作人员升级结果，便于操作人员继续下一步的操作。

步骤S5’、MCU2再次应答MCU1准备发送数据，在得到MCU2再次应答后MCU1即跳入BOOT模式，开始接收闪存内存储的固件升级包，开始固件更新。

步骤S6’、升级完成后MCU1会告知MCU2升级完成并推送新的固件版本号，收到MCU2的回应后，MCU1切断BLE数据传输模块的电源并进入休眠模式。

在通过NB路径从OTA平台获得固件升级包的过程中，因网络不稳定而导致固件升级包数据传输中断，计量表可以通过BLE数据传输模块继续接收OTA平台下发的数据包，来完成表端固件的更新，具体流程如下：

步骤S1”、当固件升级包通过NB路径下发时，因网络信号不稳定而导致固件升级包数据传输中断时，MCU2会返回数据包接收超时故障报警信息到MCU1。

步骤S2”、MCU1检测NB数据传输模块连接基站的信号强度，从而判断网络连接状态，当检测到连接信号小于设定值时(如<-100dBm时)，则判断NB数据传输模块和基站的链路出现异常。

步骤S3”、NB数据传输模块发信息给基站请求重新建立连接，当基站不应答NB数据传输模块的请求时，MCU1则放弃NB路径，并且告知MCU2NB路径中断，准备进入休眠状态。随后MCU1切断NB数据传输模块和BLE数据传输模块的电源，计量表进入低功耗状态。

优选的，为了排除NB数据传输模块的系统问题，在基站第一次不应答NB数据传输模块的请求后，MCU1会重启NB数据传输模块，再次发信息给基站请求建立连接，如果此时还是无法建立连接，则则放弃NB路径。

步骤S4”、当移动用户端拿着手机打开抄表APP客户端和计量表端建立连接时，计量表端会立刻收到APP客户端通过BLE通讯模块下发的缺包查询指令，MCU2在收到查询指令后会立刻返回当前的计量表信息。

当前的计量表信息包括但不限于软件版本号、系统电池电压、升级状态和缺包序号。

步骤S5”、APP客户端在收到表端返回的信息后判断是否要补发固件数据包，如需要则通过BLE通讯模块补发升级包；

当软件版本号一致、系统电池电压≥3.1V、升级状态是未升级时，判断需要补发升级包。

步骤S6”、MCU2收到之前NB路径断开后缺失的数据包并校验数据包序号和CRC16值(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)，当校验都合法后会把数据按照序号依次写入FLASH缓存里，同时通过UART串口发送心跳包到MCU1告知当前BLE数据传输模块正在工作中不可切断电源，直到固件升级包数据接收完成，继续步骤S4’至步骤S6’的过程。

在MCU2接收数据包的过程中，为了防止MCU1空闲而进入休眠状态，MCU1在每收到一包合法数据后会通过UART发送一个心跳包给MCU1，告知MCU1BLE数据传输模块正在接收数据中，请保持电源的供给。防止MCU1异常的断开BLE数据传输模块的电源，干扰BLE接收固件升级包。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双路径低功耗NB-IOT计量表，包括供电模块、阀门控制模块、计量模块，其特征在于，还包括NB数据传输模块、第一中央控制器和BLE数据传输模块；第一中央控制器分别与供电模块、阀门控制模块、计量模块、NB数据传输模块和BLE数据传输模块电连接；第一中央控制器通过控制供电模块实现BLE数据传输模块和NB数据传输模块的电源通断；NB数据传输模块通过移动网络与空中下载平台通讯；BLE数据传输模块通过移动用户终端与空中下载平台通讯；所述的BLE数据传输模块与NB数据传输模块之间电连接。

2.根据权利要求1所述的一种双路径低功耗NB-IOT计量表，其特征在于，所述的BLE数据传输模块包括BLE通讯模块、第二中央控制器和闪存；BLE数据传输模块通过第二中央控制器与NB数据传输模块和第一中央控制器电连接；BLE通讯模块接收移动用户终端的数据，经过第二中央控制器校验后发送给闪存进行存储。

3.一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，其特征在于，当计量表需要固件升级时，该计量表通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级，当NB路径不通时，通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级。

4.根据权利要求3所述的一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，其特征在于，所述的NB路径是指从OTA平台通过移动网络下发固件升级包到计量表的NB数据传输模块的过程；所述的BLE路径是指从OTA平台通过移动网络下发固件升级包到移动用户终端，当移动用户终端与计量表连接时将固件升级包再发送给BLE数据传输模块的过程。

5.根据权利要求3所述的一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，其特征在于，通过NB路径从OTA平台获得固件升级包并完成固件升级的步骤包括：

步骤S1、当计量表需要固件升级时，OTA平台通过移动网络下发固件升级包给计量表终端；

步骤S2、计量表的第一中央控制器把固件升级包通过UART串口从NB数据传输模块发送到BLE数据传输模块的第二中央控制器，第二中央控制器校验固件升级包，校验通过后写入闪存；

步骤S3、当固件升级包数据接收并校验完成后，第二中央控制器通过UART串口通知第一中央控制器固件升级包接收完成；

步骤S4、第一中央控制器判断安装该固件升级包数据的时段，随后切断BLE数据传输模块的电源，进入休眠状态；当到达安装该固件升级包的时段时，第一中央控制器控制供电模块给BLE数据传输模块供电，同时通过UART串口发射命令告知第二中央控制器固件升级开始；

步骤S5、在得到第二中央控制器应答后，第一中央控制器开始接收flash内存储的固件升级包数据，开始固件更新；

步骤S6、固件更新完成后，第一中央控制器告知第二中央控制器升级完成并推送新的固件版本号，收到第二中央控制器的回应后，第一中央控制器切断BLE数据传输模块的电源并进入休眠模式。

6.根据权利要求3所述的一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，其特征在于，通过BLE路径从移动用户终端获得固件升级包并完成固件升级的步骤包括：

步骤S1’、移动用户终端的APP客户端主动连接计量表的BLE通讯模块时，APP客户端下发查询命令到计量表，查询计量表的信息，从而判断计量表是否具备升级条件；

步骤S2’、当升级条件满足后，APP客户端告知计量表的BLE通讯模块准备接收固件数据包。

步骤S3’、第二中央控制器通过BLE通讯模块开始接收并校验APP客户端下发的固件升级包数据，校验通过后储在闪存里，同时通过UART串口发送心跳包到第一中央控制器；

步骤S4’、当固件升级包数据接收完成后，第二中央控制器停止发送心跳包并通知第一中央控制器固件升级包数据接收完成，第一中央控制器通知第二中央控制器进行安装升级；

步骤S5’、第二中央控制器再次应答第一中央控制器准备发送数据，第一中央控制器接收闪存内存储的固件升级包，开始固件更新；

步骤S6’、升级完成后第一中央控制器告知第二中央控制器升级完成并推送新的固件版本号，收到第二中央控制器的回应后，第一中央控制器切断BLE数据传输模块的电源并进入休眠模式。

7.根据权利要求5所述的一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，其特征在于，当NB路径下发固件升级包中断时，还包括以下异常处理的步骤：

步骤S1”、当固件升级包通过NB路径下发中断时，第二中央控制器返回数据包接收超时故障报警信息到第一中央控制器；

步骤S2”、第一中央控制器检测NB数据传输模块连接基站的信号强度，当检测到信号强度小于设定值时，则判断NB数据传输模块和基站的连接出现异常；

步骤S3”、NB数据传输模块发信息给基站请求重新建立连接，当基站不应答NB数据传输模块的请求时，第一中央控制器告知第二中央控制器NB路径中断，准备进入休眠状态；随后第一中央控制器切断NB数据传输模块和BLE数据传输模块的电源；

步骤S4”、当移动用户端通过APP客户端和计量表端建立连接时，计量表端会立刻收到APP客户端通过BLE通讯模块下发的缺包查询指令，第二中央控制器在收到缺包查询指令后返回当前的计量表信息；

步骤S5”、APP客户端在收到计量表返回的信息后判断是否要补发固件数据包，如需要则通过BLE通讯模块补发升级包；

步骤S6”、第二中央控制器收到缺失的数据包并校验数据包序号和CRC16值，当校验通过后把数据按照序号依次写入缓存里，同时通过UART串口发送心跳包到第一中央控制器，直到固件升级包数据接收完成，继续步骤S4’至步骤S6’的过程。

8.根据权利要求7所述的一种双路径低功耗NB-IOT计量表的固件升级方法，其特征在于，在步骤S3”中，当基站不应答NB数据传输模块的请求时，第一中央控制器重启NB数据传输模块，再次发信息给基站请求建立连接，当基站再次不应答NB数据传输模块的请求时，第一中央控制器切断NB数据传输模块和BLE数据传输模块的电源。

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