CN113031991A - 一种嵌入式系统的远程自适应升级方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式系统的远程自适应升级方法及其装置。其方法的步骤包括：(1)在嵌入式系统开机之后先进行操作系统的版本检测和升级；(2)在步骤(1)执行完毕后进行嵌入式系统的自检过程；(3)采用随机森林算法模型对系统故障进行智能化分析及解决方案反馈；(4)系统整个运行过程中进行持续安全认证。其装置包括FLASH存储器、系统自检模块和持续认证模块。本发明提供了一种面向物联网的嵌入式系统可远程自适应升级的方法，解决了相关技术中存在的效率低下、缺乏系统自动检测和智能化故障分析等问题，有效保证了嵌入式系统的可靠性和运行安全性，且整个系统简单易实现，更加能够适用于物联网场景。

Description

一种嵌入式系统的远程自适应升级方法及其装置

技术领域

本发明属于嵌入式系统领域，具体涉及一种面向物联网的嵌入式系统的远程自适应升级方法及其装置。

背景技术

对于嵌入式系统而言，由于系统功耗、系统实时性以及硬件存储空间的限制，都要求嵌入式系统被设计为特定环境下所专用的系统。随着各种智能家居和廉价微处理器的出现，科技发展的步伐不断加快，人们对于万物实现智能化的需求日益强烈，这就意味着嵌入式系统领域也需要加入智能化等元素，进而适应物联网环境下对于嵌入式系统的新需求。

物联网场景下，终端节点往往数量部署比较多，且一般会安装在前端位置，导致节点的安装和拆卸比较困难，这就要求这些终端节点具有自适应性、可靠性等能力。对于嵌入式系统，这就意味着其在每次系统开机的时候都应当进行系统检测，判断系统是否存在异常故障并及时采取相应的故障处理方式。同时，在资源受限的条件下，嵌入式系统的设计应该具有普适性，即嵌入式系统应该能够适应不同的硬件环境和不同的应用需求，在需要的时候适时进行操作系统的更新升级。此外，在物联网中遍布着无处不在的数据感知、以无线为主的信息传输、智能化的信息处理，这一特点要求嵌入式系统必须具备对于用户的安全认证功能，从而保证系统运行安全性。

对于上述需求，现有技术中，缺乏对嵌入式系统进行主动故障检测分析及反馈的智能化技术，往往只能在系统实际出现故障的时候，技术人员对大量系统日志进行分析排查再采取相应的应对措施，这种需要人工被动分析故障原因并制定解决方案的方式效率极其低下、耗时耗力，并且很容易对用户的业务产生影响。对于操作系统的故障监测，现有技术通过二分类模型对线上系统日志进行实时检测，当检测出异常日志后，将异常日志输入到基于TextCNN神经网络结构训练所得的深度神经网络模型中，通过深度神经网络模型输出对应的异常类别和处理方案。这种方式需要将系统日志进行预处理，转化为词向量并分类为正常日志和异常日志，对异常日志采取聚类处理才可进行后续的模型建立，整个预处理过程较为繁琐，并且由于神经网络的复杂性，训练时间并不是很快，模型的可解释性也较弱。

其次，对于操作系统的更新升级，现有技术中通常采用常规的操作系统更新方法，比如重新安装操作系统。这种方式需要对新的系统进行重新配置，使得整个系统的维护难度非常大、耗费时间也很长，极易影响到用户业务的正常工作，在物联网场景下并不适用。此外，还有一些现有技术采用远程在线升级的方式进行系统更新，这一方式很好地利用了网络进行快速数据传输的能力，对于系统的更新避免了技术人员的人力消耗，但是该方案仍然缺乏对于新系统的可靠性和运行过程中的安全性保证，存在系统安全隐患，仍然不能满足物联网的需求。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种嵌入式系统的远程自适应升级方法及其装置，保证物联网场景下嵌入式系统的自适应性、普适性及运行安全性，从而可以满足物联网环境下对于嵌入式系统的新需求，更加可靠、安全、高效、智能化，简单易实现。

本发明采用以下技术方案实现：

一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，包括以下步骤：

步骤一，将FLASH存储器划分为A、B、C、D四个分区，其中，分区A用于存储引导程序，分区B用于存储当前正在运行的操作系统程序，分区C用于存储备份操作系统程序或者待更新操作系统程序，分区D用于存储一些其他需要保存的信息；

步骤二，对嵌入式系统进行硬件初始化工作；

步骤三，检测FLASH存储器的分区C中是否存有待更新操作系统程序，如果有，则用待更新操作系统程序更新分区B中的操作系统程序；如果没有，则进入步骤四；

步骤四，启动嵌入式系统，对系统进行自检，得到检测反馈结果，若反馈结果不通过，则嵌入式系统进行版本回退操作；若反馈结果通过，则进入步骤五；

步骤五，嵌入式系统处理各个用户业务，并在系统运行过程中，对系统访问进行持续安全认证。

进一步地，所述步骤四中，对系统进行自检包括：任务管理测试、内存测试、时间管理测试、设备管理测试以及调度机制测试。

进一步地，所述步骤四中，对系统进行自检完毕后，形成测试日志数据，并输入系统故障随机森林模型，利用机器学习算法得到具体故障分类以及相应的故障解决方案。

进一步地，所述系统故障随机森林模型通过对提前收集到的故障特征-解决方案样本集进行不断训练调优所得；所述故障特征-解决方案样本集由提前收集的系统各个运行步骤及各个运行步骤所用时间长短所整合的完整故障信息集、故障相对应的解决方案集构成。

进一步地，所述步骤四中，嵌入式系统进行版本回退操作具体包括：将分区C中的备份操作系统程序加载到分区B中，然后系统运行分区B中的备份操作系统，所述备份操作系统是指已经通过系统自检例程检测过的旧版本操作系统。

进一步地，所述步骤五中，通过对系统运行日志记录进行分析，实现对于系统访问的持续安全认证。

进一步地，所述系统运行日志包括系统运行过程中的数据传输频率、数据传输格式、IP地址、端口号以及GPS坐标信息。

本发明还提供一种嵌入式系统的远程自适应升级装置，该装置包括：FLASH存储器，包括四个分区，分别用于存储引导程序、用于存储当前正在运行的操作系统程序、用于存储备份操作系统程序或者待更新操作系统程序、用于存储一些其他需要保存的信息；系统自检模块，用于完成嵌入式系统的自我检测，及时发现并反馈系统故障问题；持续认证模块，用于在嵌入式系统运行过程中进行持续安全认证。

进一步地，所述系统自检模块包括：任务管理测试单元，用于对嵌入式系统的任务管理功能进行测试；内存测试单元，用于对嵌入式系统的内存分配和释放功能进行测试；时间管理测试单元，用于对嵌入式系统时钟节拍计数正确与否进行测试；设备管理测试单元，用于对嵌入式系统控制下的设备加载、卸载等功能进行测试；调度机制测试单元，用于通过检测指定时间范围内嵌入式系统对于各个任务的调度标识，判断任务能否得到系统正确调度，进而得到系统的调度功能是否正常；故障分析及反馈单元，用于采用机器学习算法对嵌入式系统测试日志进行分析，及时反馈系统具体故障分类及相应故障解决方案。

本发明解决了相关现有技术中存在的效率低下、缺乏系统自动检测分析和运行安全性保证等问题，进而更加能够适用于物联网场景。本发明的优点在于：

1、嵌入式系统开机自动进行操作系统自我检测，在系统运行用户业务之前，提前检测判断当前系统是否存在故障，便于及时回退到之前无异常的系统版本，可以降低风险和危害，大大提高了系统的可靠性。

2、基于机器学习算法，建立系统故障的随机森林模型，利用该模型对系统故障自动进行分析反馈，并提供出相应的故障解决策略，较为准确且智能化，不需要预先对数据进行复杂的预处理，训练速度更快且易实现，省时省力。

3、嵌入式系统中加入持续安全认证功能，可以保证系统运行过程中的访问安全，防止系统遭受恶意访问和控制。

4、本发明嵌入式系统具备较强的可靠性和安全性，同时还可实现操作系统的远程自适应升级以及故障自动分析反馈等智能化操作，更加稳定高效，满足物联网场景对于嵌入式系统的需求，且系统简单易实现。

附图说明

图1为本发明实施例中FLASH存储器的分区分布图；

图2为本发明实施例中嵌入式系统的升级方法流程图；

图3为本发明实施例中故障分析的流程图；

图4为根据本发明实施例随机森林模型的生成原理示意图；

图5为本发明实施例中嵌入式系统自检模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明的方法先将FLASH存储器预先划分为四个分区，如图1所示，本实施例对STM32内的FLASH存储器划分为A、B、C、D四个分区，分区A存储BootLoader引导程序，可用于初始化硬件资源并正确引导操作系统启动从而实现程序跳转；分区B存储当前正在运行的操作系统程序；分区C存储备份操作系统程序或者待更新操作系统程序，若当前不存在操作系统待升级指示，则分区C存储的是备份操作系统程序，否则分区C存储的就是待更新操作系统程序；分区D用于存储一些其他可能需要保存的信息，如系统升级过程中的用户状态、用户数据等信息。

本实施例的嵌入式系统运行流程如图2所示，其应具备的运行步骤如下：

步骤一，系统供电稳定后，启动复位信号，系统开机，完成与目标硬件密切相关的三项硬件初始化工作：初始化堆栈、设置即时服务接口、设置系统所有硬件部件到初始状态，进入步骤二。

步骤二，检测系统升级标志位是否置位，若升级标志置位，说明FLASH分区C中存在待升级的操作系统程序，进入步骤三；若升级标志未置位，则系统照常启动，进入步骤四。

步骤三，切换FLASH存储器的系统运行分区和更新分区B中的操作系统程序。分区B存储了原本将要运行的旧系统程序，分区C存储了设备接收到的操作系统更新程序，则应将操作系统更新程序放入分区B，并将分区B中原本存储的旧系统程序放入分区C，此时分区C就成为了操作系统备份分区，接下来运行的就是已更新的操作系统程序。将升级标志复位，表明升级需求已经处理，进入步骤四。

步骤四，初始化操作系统内核，包括对操作系统内核中所维护的各种不同用途的全局变量和数据结构进行初始化，进入步骤五。

步骤五，加载系统的基本服务例程，包括系统自检例程和持续认证例程；加载实际场景中各种用户业务，进入步骤六。

步骤六，嵌入式系统启动，首先执行系统自检例程，进行任务管理测试、内存测试、时间管理测试、设备管理测试以及调度机制测试；在上述测试过程中，操作系统的各个运行步骤及相应运行时间会以日志的形式记录下来，形成系统测试日志，上述测试全部执行完毕之后，形成的系统测试日志数据输入提前建立好的系统故障随机森林模型，利用机器学习算法即可得到自动分析出的具体故障分类以及相应的故障解决方案。若系统自检例程反馈自检不通过，进入步骤七；若系统自检例程反馈自检通过，进入步骤八。

步骤七，当前操作系统自检不通过，启动失败，执行操作系统版本回退操作，即将分区C中的备份操作系统程序加载到分区B中，然后系统运行分区B中的备份操作系统，备份操作系统是指已经通过系统自检例程检测过的旧版本操作系统。将运行系统切换回旧版本操作系统，从而可以及时避免当前版本系统故障对用户产生影响，有效提高系统整体的可靠性和稳定性。进入步骤四重新进行前面所述步骤四至六。

步骤八，嵌入式系统正常执行各个用户业务例程，在系统运行过程中，对数据传输频率、数据传输格式、IP地址、端口号以及GPS坐标等数据访问信息以日志的形式进行记录，形成系统运行日志，系统持续认证例程对所述系统运行日志进行持续监控，一旦发现数据访问记录存在任何异常情况就进行重新认证，从而实现对于系统访问的持续安全认证，确保操作系统运行过程中的访问安全性。系统运行直至停机，运行流程结束。

具体地，如图3所示，上述步骤六中系统故障分析包括以下方面：

1、提前收集操作系统的各个运行步骤所用时间，将各个运行步骤对应的编号及所用时间整合为完整的系统运行信息，以系统日志的形式进行记录，形成操作系统故障集，结合各种故障相对应的解决方案，构建出训练随机森林模型的故障特征-解决方案样本集，样本集中也包含不存在故障的特征集合。本方案的系统日志包括运行步骤编号和运行时间两项内容。具体的运行步骤编号及定义如下表所示：

表1运行步骤编号及定义

2、利用随机森林算法进行随机森林模型训练，将1中得到的故障特征-解决方案样本集，用于训练随机森林模型，根据训练结果不断调优，最终得到训练好的随机森林模型。随机森林模型的具体生成原理如图4所示。

(1)样本随机：在本方案中，将通过1得到的系统日志中的运行步骤编号、运行时间和相应故障解决策略构建出故障特征-解决方案训练数据集。假设训练数据集一共有M组样本数据：故障特征-解决方案1、故障特征-解决方案2、……、故障特征-解决方案M。从M组样本数据中有放回地随机抽取N组样本数据(因为是有放回抽取，有些数据可能被选中多次，有些数据可能不被选上)，每一次取出的样本数据不完全相同，这N组样本数据就构成了决策树的训练数据集。

(2)特征随机：假设训练数据集中每个样本数据都包含有运行步骤编号、运行时间、故障标签、解决策略标签等一共K个特征，从所有特征中随机地选取k(k≤K)个特征，选择最佳分割属性作为节点建立决策树，决策树成长期间k的大小始终不变；

(3)重复前面的步骤(1)、(2)m次，建立m棵分类树，这些树都要完全的成长且不被修剪，这些树形成了森林；

(4)根据这些树的类别预测结果进行投票，决定样本的最终预测类别，从而输出系统故障分类。

3、将训练好的系统故障随机森林模型用于系统自检所得日志数据的故障分析及反馈，通过将系统自检所得日志中的运行步骤编号和运行时间数据输入随机森林模型，得到系统故障随机森林模型输出的具体故障分类，实现对于系统具体故障的确定以及相应故障解决方案的反馈。

本实施例还提供一种嵌入式系统的远程自适应升级装置，包括：FLASH存储器，其包括四个分区，分别用于存储引导程序、用于存储当前正在运行的操作系统程序、用于存储备份操作系统程序或者待更新操作系统程序、用于存储一些其他需要保存的信息；系统自检模块，用于完成操作系统的自我检测，及时发现并反馈系统故障问题；持续认证模块，用于在系统运行过程中进行持续安全认证。

系统自检模块的结构如图5所示。具体包括任务管理测试单元、内存测试单元、时间管理测试单元、设备管理测试单元、调度机制测试单元、故障分析及反馈单元。其中，任务管理测试单元负责对操作系统的任务管理功能进行测试，通过创建指定优先级的任务，每个操作系统任务都具有属于自己的唯一ID，若创建后得到的任务ID符合操作系统可用的用户任务ID范围，并可依据此任务ID查询到相应任务，测试通过，否则测试不通过；内存测试单元负责对操作系统的内存分配和释放功能进行测试；时间管理测试单元负责对操作系统时钟节拍计数正确与否进行测试；设备管理测试单元负责对操作系统控制下的设备加载、卸载等功能进行测试；调度机制测试单元通过检测指定时间范围内操作系统对于各个任务的调度标识，判断任务能否得到操作系统正确调度，进而得到操作系统的调度功能是否正常；在上述测试单元对操作系统功能进行测试的过程中，对操作系统的各个运行步骤及相应运行时间以日志的形式进行记录，形成操作系统测试日志。故障分析及反馈单元采用机器学习算法对所述操作系统测试日志进行分析，及时反馈系统具体故障及相应故障解决方案。

持续认证模块通过对系统运行日志记录进行分析，实现对于系统访问的持续安全认证，确保嵌入式系统运行过程中的访问安全性。系统运行日志由嵌入式系统运行过程中的数据传输频率、数据传输格式、IP地址、端口号以及GPS坐标等信息构成。

综上所述，本发明提供了一种嵌入式系统的远程自适应升级方法及装置，可以在嵌入式系统开机之后自动实现操作系统自检，从而在执行用户业务之前及时发现操作系统故障，解决了系统故障影响到用户业务之后才能被技术人员察觉并采取补救措施的低效率问题，并采用随机森林模型对故障进行自主分析及解决方案反馈，无需技术人员一一筛选，同时也可主动实现操作系统的版本检测和升级，设立有操作系统备份区，一旦发现当前操作系统版本存在故障，及时回退到之前已通过系统自检的操作系统版本，更加稳定高效且智能化；此外，通过对系统运行过程中的数据访问信息进行日志记录并持续监控，可以实现系统的持续安全认证，有效保证了系统运行的安全性。

应当理解的是，上述针对本发明具体实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围仅取决于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将FLASH存储器划分为A、B、C、D四个分区，其中，分区A用于存储引导程序，分区B用于存储当前正在运行的操作系统程序，分区C用于存储备份操作系统程序或者待更新操作系统程序，分区D用于存储一些其他需要保存的信息；

步骤二，对嵌入式系统进行硬件初始化工作；

步骤三，检测FLASH存储器的分区C中是否存有待更新操作系统程序，如果有，则用待更新操作系统程序更新分区B中的操作系统程序；如果没有，则进入步骤四；

步骤四，启动嵌入式系统，对系统进行自检，得到检测反馈结果，若反馈结果不通过，则嵌入式系统进行版本回退操作；若反馈结果通过，则进入步骤五；

步骤五，嵌入式系统处理各个用户业务，并在系统运行过程中，对系统访问进行持续安全认证。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，所述步骤四中，对系统进行自检包括：任务管理测试、内存测试、时间管理测试、设备管理测试以及调度机制测试。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，所述步骤四中，对系统进行自检完毕后，形成测试日志数据，并输入系统故障随机森林模型，利用机器学习算法得到具体故障分类以及相应的故障解决方案。

4.根据权利要求3所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，所述系统故障随机森林模型通过对提前收集到的故障特征-解决方案样本集进行不断训练调优所得；所述故障特征-解决方案样本集由提前收集的系统各个运行步骤及各个运行步骤所用时间长短所整合的完整故障信息集、故障相对应的解决方案集构成。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，所述步骤四中，嵌入式系统进行版本回退操作具体包括：将分区C中的备份操作系统程序加载到分区B中，然后系统运行分区B中的备份操作系统，所述备份操作系统是指已经通过系统自检例程检测过的旧版本操作系统。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，所述步骤五中，通过对系统运行日志记录进行分析，实现对于系统访问的持续安全认证。

7.根据权利要求6所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级方法，其特征在于，所述系统运行日志包括系统运行过程中的数据传输频率、数据传输格式、IP地址、端口号以及GPS坐标信息。

8.一种嵌入式系统的远程自适应升级装置，其特征在于，该装置包括：

FLASH存储器，包括四个分区，分别用于存储引导程序、用于存储当前正在运行的操作系统程序、用于存储备份操作系统程序或者待更新操作系统程序、用于存储一些其他需要保存的信息；

系统自检模块，用于完成嵌入式系统的自我检测，及时发现并反馈系统故障问题；

持续认证模块，用于在嵌入式系统运行过程中进行持续安全认证。

9.根据权利要求8所述的一种嵌入式系统的远程自适应升级装置，其特征在于，所述系统自检模块包括：

任务管理测试单元，用于对嵌入式系统的任务管理功能进行测试；

内存测试单元，用于对嵌入式系统的内存分配和释放功能进行测试；

时间管理测试单元，用于对嵌入式系统时钟节拍计数正确与否进行测试；

设备管理测试单元，用于对嵌入式系统控制下的设备加载、卸载等功能进行测试；

调度机制测试单元，用于通过检测指定时间范围内嵌入式系统对于各个任务的调度标识，判断任务能否得到系统正确调度，进而得到系统的调度功能是否正常；

故障分析及反馈单元，用于采用机器学习算法对嵌入式系统测试日志进行分析，及时反馈系统具体故障分类及相应故障解决方案。

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