CN113923240A - 利用局部ota方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统及方法 - Google Patents

利用局部ota方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于计算机、物联网、嵌入式控制、网络通讯技术领域，涉及提供了一种利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统及方法，将动态协议处理程序与主程序分开存储，当主程序不能调用到需要的动态协议时，则向云端固件库获取待更新的动态协议，并在合适的时机完成动态升级。本发明使网关能够动态增加新设备的支持，并克服现有技术缺陷。采用局部OTA方式，并构造出一个配套系统，能够使用户在不需要参与的情况下，使相应的网关获得新型设备支持能力。

Description

利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的 系统及方法
技术领域
本发明属于计算机、物联网、嵌入式控制、网络通讯技术领域，涉及一种对用户透明且低成本的在线升级(OTA)的体系和方法，尤其涉及一种利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的方法。
背景技术
物联网网关是网联网系统中重要的基础设备，起到承上启下的作用，网关对上通过网络连接到业务应用或设备管理平台，对下则通过常用的工业总线物理接口(如以太、RS485、CAN等)，连接和控制各种现场设备、传感器、变速器、执行单元，网关所能够支持的设备(变送器)的类型是其重要的功能性指标。OTA英文全称是Over-The-Air Technology，即空间下载技术的意思，主要针对无线互联设备，OTA升级是一种可以不通过硬件仿真器，直接通过无线进行固件的传输和升级的方式。OTA固件升级方式主要通过网络，例如WIFI、3G，自动下载OTA升级包、自动升级，OTA的升级包非常的小，一般几M到十几M，无需备份数据，所有数据都会完好无损的保留下来，有着简单、灵活、方便、快速的技术优势，已被广泛应用。网关出厂时，会根据需要有选择性的内置支持部分常用设备，在使用时，通常通过定义三元组(物理端口，总线地址，设备类型)来实现设备的配置。目前大部分物联网网关都采用单片机(mcu)作为主控制器，系统的资源比较有限，不可能预置支持很多种设备。而且还会不断出现新类型的设备，或老设备升版。网关原本内置支持设备A(v1.0)和设备B，但因需要，增加对新型设备C，和设备A(v2.0)的支持，要想实现这个目的，必须使用新型网关，或者对网关进行升级改造。如果未涉及物理端口的改变，比较经济的方案当然是对网关进行升级，常规的办法是使用ISP(In System Programing)/IAP(In Applacation Programming)工具，现场更新设备固件。随着技术的成熟，OTA(Over The Air)空中升级方式得到了更多的应用。OTA狭义上是指是通过移动通信的空中接口实现对移动终端设备进行远程管理和固件更新的技术，目前引申为在设备在线状态下，远场(而非现场)的对其固件进行升级的一种技术，单片机系统的OTA，通常是通过将设备固件分为启动管理和功能应用两个部分。通常启动管理部分是不变的，更新的只是功能应用这部分，OTA升级的步骤一般如下：服务器通过网络，将新的“功能应用”部分中的F/W传送给设备。设备对接收到的F/W进行校查并将其写入到本地程序空间之外的存储空间中。设更新标志位，在设备重启后将新的F/W写入到原有“功能应用”这部分的程序空间去，然后如之前一样启动应用程序(其中会清除更新标志位)或者如果新的FW已存储在主程序空间(将设为B),那么可以下载完F/W后可以更新标志位，让“启动管理”重启后直接装入“功能应用”。该种方式存在如下缺陷：用户升级时是进行一对一升级服务，由用户自行查询新的固件版本，并请求进行升级，升级具有严重的滞后性，可能会影响终端设备的使用，同时升级后的版本是否是用户需要的版本有待商榷。目前该升级服务是在在线环境中进行的，在离线环境下无法进行操作。接口协议配置化或采用DSL来描述接口协议。对于工业总线通讯，有一些国际标准或行业标准，这些标准已经充分抽象化和模式化，可以通过一些参数配置或者进一步的用DSL(领域特定语言)或脚本语言(如lua(脚本语言))来定义描述业务过程及管理对象，比如多设备都使用modbus协议，从功能上讲完全可以通过配置的方式来解析和处理这个设备，但是这种方式还是存在以下缺陷：
a.配置管理或DSL/脚本语言解析处理需要额外的资源，除了程序ROM空间外，还需要对于mcu来说更为珍贵的ram资源。
b.参数解释型方式的效率不够好，特别是有一些协议算法要在ISR(中断服务例程)中被调用时，更是不合适。
c.不合适的使用，通常会使的程序更为复杂。
d.灵活度不够好。
固体整体OTA技术，OTA方式首先需要在本地有一个额外的存储，其大小必须大于“功能应用”这一部分，相当于程序代码空间的存储容量需求增加了一倍，对于mcu而言，这个代价相对是昂贵的。升级的固件相对较大时，那么升级所需的时间会更长，传输出错的概率相应就会更大，可能会要多次重传，整体升级时间会更长。升级时，不可避免的会影响现有业务，特别是需要设备重启，会造成业务不必要的中断。固件整体OTA升级，不能完全解决新型设备支持的问题：因为一个FW中不可能支持所有类型的设备，解决的办法是提供若干个性化的FW包，但这种方法会造成管理混乱。
发明内容
针对现有技术中存在不足，为了使网关能够动态增加新设备的支持，并克服现有技术缺陷，本发明提供了一种基于利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统及的方法，能够使用户在不需要参与的情况下，使相应的网关获得新型设备支持能力。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统，其特征在于：包括网关协议的存储区域及云端固件库，所述云端固件库用于存储网关动态协议；
所述网关协议的存储区域分割为静态主程序区、动态协议处理程序区、缓存区和参数区(PKW)，所述静态主程序区用于存储网关主程序；动态协议处理程序区用于存储待更新的网关协议程序；缓存区用于存储从云端固件库获取的需要更新的动态协议；
参数区(PKW)用于读写参数，读出故障信息，存储非易失性数据，包括动态程序的配置数据；
进一步地，所述云端固件库允许网关制造商、网关用户以二进制的形式上传、更新网关动态协议。
进一步地，所述动态协议处理程序区由若干等长的段构成，每个段是一个可独立更新的模块，长度为flash页长度的整数倍。
利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，将网关的代码分为主程序和动态协议处理算法两个部分，其中主程序是主体，能够对网关硬件进行全面的控制；动态协议处理算法能够被主程序调用，且对动态协议处理算法部分进行限制或约定，不允许其直接控制硬件；动态协议处理算法通过预设的接口调用主程序功能；
动态升级设备接口协议的步骤如下：
(1)主程序启动后或者运行状态下，当调用动态协议处理程序时，若没有获得所要调用的动态协议时，启动动态升级程序；
(2)主程序向云端固件库中发出请求升级的请求，向云端固件库提供需要升级的动态协议及版本号，从云端固件库中获取需要升级的动态协议，将从云端固件库获取的需要升级的动态协议存入缓存区，并进行校验；
(3)当待升级的动态协议处于空闲状态时，更新相应的动态程序区，完成升级。
进一步地，步骤(2)、(3)中若不能完成，则报告升级失败；动态协议处理算法通过预设的接口能够调用的主程序功能包括程序升级过程的日志。
进一步地，动态协议处理算法的动态代码段由入口枚举函数和程序体构成，入口枚举函数和程序体中函数均有固定的入参值和返回值。
进一步地，步骤(1)中主程序通过get_algorithm函数来装载动态协议库，在调用动态协议处理程序时，按名查询其入口。
进一步地，主程序初次加载动态协议时，主程序通过调用get_algorithm函数来填充Algorithm数据结构；Algorithm数据结构描述了需要调用的动态协议代码段的所有功能函数的入口及描述字符串，其数据结构描述如下：
Figure BDA0003287304430000031
Figure BDA0003287304430000041
主程序调用动态协议处理函数时，向其提供一个SysFunction数据结构指针作为入口参数，SysFunction数据结构中定义了主程序模块中所提供的硬件和系统相关的功能调用入口，动态协议处理函数通过名称安全调用SysFunction数据结构中的参数所描述的函数，以进行数据收发、系统定时以及硬件控制；同时SysFunction数据结构还定义了标志位，用于标记动态协议程序的运行状态，当主程序在进入动态协议处理代码段运行时置位，退出时复位，SysFunction数据结构定义如下：
Figure BDA0003287304430000042
进一步地，SysFunction提供了系统功能函数入口查询和调用的接口。
进一步地，步骤(2)中主程序通过调用callFunctinByName向云端固件库中发出请求升级的请求，向云端固件库提供需要升级的动态协议及版本号，从云端固件库中获取需要升级的动态协议。
本发明所述的利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统及方法，将动态协议处理程序与主程序分区域存储，且动态协议处理程序区由若干等长的段构成，每个段是一个可独立的更新的模块，根据mcu容量的不同，可以选用不同的长度，一般为flash页长度的整数倍，大小一般设为4k。网关设备的更新只对动态协议部分进行更新，所用的存储空间小，易于管理。同时，是在网关设备主程序运行过程中，在待更新的动态协议空闲状态下完成动态协议的更新，且用时短，不影响网关设备的正常运行工作，用户体验好。
另外云端固件库可以接受网关制造商、网关用户以二进制的形式上传、更新网关动态协议；丰富了固件库中动态协议开发的多样性及双方的需求，科学合理。
附图说明
图1为物联网网关结构图。
图2为新老设备升级示意图。
图3为网关固件分布图。
图4为入口枚举函数示意图。
图5为主程序调用协议处理程序图。
图6为固件库中库件提供流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
物联网网关的系统构成如图1、图2所示，当新设备或者高版本设备纳入使用时，网关则需要进行升级。本发明提供的基于利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统及方法，其目的是为了在网关正常运行过程中完成设备接口协议的动态升级。物联网云平台中的设置云端固件库，用于存储网关动态协议。所述云端固件库允许网关制造商、网关用户以二进制的形式上传、更新网关动态协议。
对于网关设备，将网关协议的存储区域分割为静态主程序区、动态协议处理程序区、缓存区和参数区(PKW)，如图3所示，所述静态主程序区用于存储网关主程序；动态协议处理程序区用于存储待更新的网关协议程序；缓存区用于存储从云端固件库获取的需要更新的动态协议；参数区(PKW)用于读写参数，读出故障信息，存储非易失性数据，包括动态程序的配置数据。
其中，所述动态协议处理程序区由若干等长的段构成，每个段是一个可独立更新的模块，根据mcu容量的不同，可以选用不同的长度，一般为flash页长度的整数倍，大小一般设为4k。
本发明所述的利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的方法，将网关的代码分为主程序和动态协议处理算法两个部分，其中主程序是主体，能够对网关硬件进行全面的控制，动态协议处理算法能够被主程序调用。而基于安全性的考虑，对动态协议处理算法部分进行限制或约定，不允许其直接控制硬件，动态协议处理算法通过预设的接口调用主程序功能。动态代码段由入口枚举和程序体构成，入口枚举和程序体中函数均有固定的入参值和返回值。
将网关的代码分为主程序和动态协议处理算法两个部分，其中主程序是主体，可以对网关硬件进行全面的控制，协议算法可以被主程序调用，协议处理程序通过预设的接口与调用主程序功能。
如图5所示，动态升级设备接口协议的步骤如下：
(1)主程序启动后或者运行状态下，当调用动态协议处理程序时，若没有获得所要调用的动态协议时，启动动态升级程序；
(2)主程序向云端固件库中发出请求升级的请求，向云端固件库提供需要升级的动态协议及版本号，从云端固件库中获取需要升级的动态协议，将从云端固件库获取的需要升级的动态协议存入缓存区，并进行校验；
(3)当待升级的动态协议处于空闲状态时，更新相应的动态程序区，完成升级。
步骤(1)中主程序通过get_algorithm函数来装载动态协议库，在调用动态协议处理程序时，按名查询其入口。
主程序调用动态协议处理程序时，通过get_algorithm函数装载动态协议库。在需要调用协议处理程序时，按名查询其入口。有查到则调用，若没有查到进入到升级程序。调用要升级的程序代码段很小，基本上可以1s以内完成。
主程序初次加载动态协议时，主程序通过调用get_algorithm函数来填充Algorithm数据结构；Algorithm数据结构描述了需要调用的动态协议代码段的所有功能函数的入口及描述字符串，其数据结构描述如下：
Figure BDA0003287304430000061
主程序调用动态协议处理函数时，向其提供一个SysFunction数据结构指针作为入口参数，SysFunction数据结构中定义了主程序模块中所提供的硬件和系统相关的功能调用入口，动态协议处理函数通过名称安全调用SysFunction数据结构中的参数所描述的函数，以进行数据收发、系统定时以及硬件控制；同时SysFunction数据结构还定义了标志位，用于标记动态协议程序的运行状态，当主程序在进入动态协议处理代码段运行时置位，退出时复位，SysFunction数据结构定义如下：
Figure BDA0003287304430000062
Figure BDA0003287304430000071
步骤(2)中主程序通过调用callFunctinByName向云端固件库中发出请求升级的请求，向云端固件库提供需要升级的动态协议及版本号，从云端固件库中获取需要升级的动态协议。
SysFunction提供了系统功能函数入口查询和调用的接口,使用callFunctinByName时进行入参匹配检查，更为安全，同时提供了更为高效的getFunctionByName以满足性能要求。
在升级的过程中，当步骤(2)、(3)中若不能完成，则报告升级失败。SysFunction提供了系统功能函数入口查询和调用的接口。动态协议处理算法通过预设的接口能够调用的主程序功能包括程序升级过程的日志。
固件库中的库件可由网关制造商或用户以二进制代码形式提供，这样可避免将程序代码外流。提交的二进制固件代码，固件库管理程序按设备动态区数目自动进行审计、测试和链接重定位，生成若干个发布版。网关固件库升级是由业务程序发起，方便及时。网关根据本设备动态区情况，选择下载合适的FW版本。某些特殊条件下，网关可以自动发现新的设备类型或新的设备版本，网关可以据此自动下载并更新FW。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统，其特征在于：包括网关协议的存储区域及云端固件库，所述云端固件库用于存储网关动态协议；
所述网关协议的存储区域分割为静态主程序区、动态协议处理程序区、缓存区和参数区(PKW)，所述静态主程序区用于存储网关主程序；动态协议处理程序区用于存储待更新的网关协议程序；缓存区用于存储从云端固件库获取的需要更新的动态协议；
参数区(PKW)用于读写参数，读出故障信息，存储非易失性数据，包括动态程序的配置数据。
2.根据权利要求1所述的基于利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统，其特征在于：所述云端固件库允许网关制造商、网关用户以二进制的形式上传、更新网关动态协议。
3.根据权利要求1所述的基于利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的系统，其特征在于：所述动态协议处理程序区由若干等长的段构成，每个段是一个可独立更新的模块，长度为flash页长度的整数倍。
4.一种利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，
将网关的代码分为主程序和动态协议处理算法两个部分，其中主程序是主体，能够对网关硬件进行全面的控制；动态协议处理算法能够被主程序调用，且对动态协议处理算法部分进行限制或约定，不允许其直接控制硬件；动态协议处理算法通过预设的接口调用主程序功能；
动态升级设备接口协议的步骤如下：
(1)主程序启动后或者运行状态下，当调用动态协议处理程序时，若没有获得所要调用的动态协议时，启动动态升级程序；
(2)主程序向云端固件库中发出请求升级的请求，向云端固件库提供需要升级的动态协议及版本号，从云端固件库中获取需要升级的动态协议，将从云端固件库获取的需要升级的动态协议存入缓存区，并进行校验；
(3)当待升级的动态协议处于空闲状态时，更新相应的动态程序区，完成升级。
5.根据权利要求4所述的动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，步骤(2)、(3)中若不能完成，则报告升级失败；动态协议处理算法通过预设的接口能够调用的主程序功能包括程序升级过程的日志。
6.根据权利要求4或5所述的利用局部OTA方法在物联网网关中动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，动态协议处理算法的动态代码段由入口枚举函数和程序体构成，入口枚举函数和程序体中函数均有固定的入参值和返回值。
7.根据权利要求6所述的动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，步骤(1)中主程序通过get_algorithm函数来装载动态协议库，在调用动态协议处理程序时，按名查询其入口。
8.根据权利要求7所述的动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，主程序初次加载动态协议时，主程序通过调用get_algorithm函数来填充Algorithm数据结构；Algorithm数据结构描述了需要调用的动态协议代码段的所有功能函数的入口及描述字符串，其数据结构描述如下：
Figure FDA0003287304420000021
主程序调用动态协议处理函数时，向其提供一个SysFunction数据结构指针作为入口参数，SysFunction数据结构中定义了主程序模块中所提供的硬件和系统相关的功能调用入口，动态协议处理函数通过名称安全调用SysFunction数据结构中的参数所描述的函数，以进行数据收发、系统定时以及硬件控制；同时SysFunction数据结构还定义了标志位，用于标记动态协议程序的运行状态，当主程序在进入动态协议处理代码段运行时置位，退出时复位，SysFunction数据结构定义如下：
Figure FDA0003287304420000022
9.根据权利要求8所述的动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，SysFunction提供了系统功能函数入口查询和调用的接口。
10.根据权利要求9所述的动态升级设备接口协议的方法，其特征在于，步骤(2)中主程序通过调用callFunctinByName向云端固件库中发出请求升级的请求，向云端固件库提供需要升级的动态协议及版本号，从云端固件库中获取需要升级的动态协议。
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