【摘要】

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的通常部署電梯控制柜機(jī)房?jī)?nèi)，龐大的終端數(shù)量對(duì)電梯物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的質(zhì)量提出較高的要求，當(dāng)需更新應(yīng)用軟件時(shí)，傳統(tǒng)固件燒錄方式將面臨人力物力財(cái)力等諸多挑戰(zhàn)，OTA（Over-the-Air）技術(shù)能較好解決電梯物聯(lián)網(wǎng)終端本地應(yīng)用更新帶來的問題，OTA能實(shí)現(xiàn)修復(fù)產(chǎn)品缺陷、豐富產(chǎn)品功能、方便產(chǎn)品迭代升級(jí)等功能，為電梯物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品快速切入市場(chǎng)和降低整體開發(fā)成本提供強(qiáng)有力支撐。借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將更新源從服務(wù)端下載到物聯(lián)網(wǎng)終端，并通過檢驗(yàn)、交互及備份等機(jī)制確保本次更新的正確性和安全性。電梯物聯(lián)網(wǎng)終端按是否帶操作系統(tǒng)可分為前后臺(tái)終端和帶系統(tǒng)終端，本文分別介紹兩種不同類型終端的OTA設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1OTA方案選擇

電梯物聯(lián)網(wǎng)OTA方案與傳統(tǒng)消費(fèi)類智能終端的有相似之處，都包括無線側(cè)和CPU側(cè)，無線側(cè)無法從服務(wù)端下載更新文件，CPU側(cè)負(fù)責(zé)將更新文件更新到Flash中執(zhí)行。從無線側(cè)分析，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的OTA無線方式選擇種類相對(duì)比較少，考慮到電梯物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)際的安裝位置一般都是在樓宇頂層的電梯機(jī)房?jī)?nèi)，一般的無線技術(shù)，如Wi-Fi、藍(lán)牙及ZigBee等短距離方案均不適合運(yùn)用在電梯物聯(lián)網(wǎng)上，而GPRS、LTE等蜂窩移動(dòng)通訊技術(shù)則憑借廣域的覆蓋，成為電梯物聯(lián)網(wǎng)OTA無線側(cè)的首選。CPU側(cè)的方案選擇主要依據(jù)CPU是否跑操作系統(tǒng)，如單片機(jī)類的，一般選擇IAP（InApplicationPrograming，在應(yīng)用中編程），由用戶自定義引導(dǎo)程序，IAP比ISP（InSystemPrograming，在系統(tǒng)中編程）更加適合OTA方案，因ISP無法用戶自定義遠(yuǎn)程升級(jí)，通常用戶需要局部自定義Flash地址的分配，在不同的Flash空間中執(zhí)行多個(gè)應(yīng)用程序，因此IAP更加適合；對(duì)于帶操作系統(tǒng)的CPU，如Linux，安卓等，CPU側(cè)的OTA相對(duì)簡(jiǎn)單，用戶只需下載文件并更新到操作系統(tǒng)即可，所有的操作都是以文件形式進(jìn)行。所以，電梯物聯(lián)網(wǎng)OTA方案中，無線側(cè)選擇GPRS或LTE等移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，控制器測(cè)根據(jù)CPU是否帶系統(tǒng)分別選擇IAP和文件形式更新。

1.2電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，按系統(tǒng)組成主要分為采集層、傳輸層及應(yīng)用層。采集層負(fù)責(zé)通過通訊協(xié)議，如RS485、CANBus及RS232等或者觸點(diǎn)方式采集電梯控制系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及故障報(bào)警數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)終端作為采集層中的重要角色，擔(dān)負(fù)電梯原始數(shù)據(jù)的收集任務(wù)；傳輸層主要由運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)組成，包括基站和移動(dòng)通信網(wǎng)關(guān)，主要負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)通過運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)也負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)到終端，實(shí)現(xiàn)雙向交互，如圖1所示，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)包括傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)，如GPRS，4G網(wǎng)絡(luò)，如TDDLTE，F(xiàn)DDLTE等；應(yīng)用層主要包括應(yīng)用服務(wù)器，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用服務(wù)器可能包括多個(gè)子功能服務(wù)器，如電梯監(jiān)控服務(wù)器、電梯廣告服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及OTA服務(wù)器等。

圖1電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3OTA工作流程

圖2電梯物聯(lián)網(wǎng)OTA主要流程圖

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的軟件更新OTA流程圖如圖2所示，主要是通過交互和確認(rèn)機(jī)制執(zhí)行，最大程度提高OTA的成功率，如前面所述，本文的OTA無線側(cè)是采用運(yùn)行商網(wǎng)絡(luò)，眾所周知，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量一般而言取決于基站的覆蓋和接入數(shù)量的多少?zèng)Q定，OTA過程中無線通訊質(zhì)量差的情況不可避免，通過交互機(jī)制和驗(yàn)證機(jī)制，能在很大程度上降低升級(jí)的失敗率，防止升級(jí)異常導(dǎo)致電梯物聯(lián)網(wǎng)終端運(yùn)行異常。如圖2所示，步驟S1中的消息報(bào)文包含本次升級(jí)的文件大小、MD5數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及MD5加密數(shù)據(jù)；步驟S2的消息報(bào)文包含MD5數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、MD5加密數(shù)據(jù)及分包大小；步驟S3中的消息報(bào)文包含總包數(shù)、包序號(hào)及本包升級(jí)數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過在數(shù)據(jù)包中加入MD5校驗(yàn)、文件大小校驗(yàn)確保升級(jí)的正確，通過在數(shù)據(jù)包中加入MD5加密數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的安全性。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端OTA整個(gè)過程包括程序文件下載、程序文件存儲(chǔ)、程序文件校驗(yàn)、程序更新4個(gè)過程。

（1）程序文件下載：獲取下載鏈接并判斷是否需要下載（硬件版本號(hào)一致，軟件版本號(hào)大于當(dāng)前軟件版本號(hào)），進(jìn)行下載，目前不帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端不支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，下載失敗后不再下載，以消息形式通知結(jié)果；帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，由操作系統(tǒng)自帶的協(xié)議完成續(xù)傳。

（2）程序文件存儲(chǔ)：下載過程中進(jìn)行分片存儲(chǔ)到flash中緩存區(qū)域。

（3）程序文件校驗(yàn)：下載完成后，對(duì)程序文件進(jìn)行MD5值校驗(yàn)，確認(rèn)文件傳輸正確。

（4）程序更新：MD5校驗(yàn)通過后，執(zhí)行CPU程序更新，考慮到冗余，設(shè)計(jì)有主、備兩個(gè)區(qū)域，替換進(jìn)行更新，防止當(dāng)更新失敗，程序仍然可以從另一區(qū)域正常啟動(dòng)，大大降低OTA導(dǎo)致終端異常的風(fēng)險(xiǎn)。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1終端2G方案設(shè)計(jì)

圖3電梯物聯(lián)網(wǎng)終端2G方案結(jié)構(gòu)示意圖

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端2G方案主要用于電梯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、電梯狀態(tài)監(jiān)控等場(chǎng)合，適用于數(shù)據(jù)量不大，通訊速率要求不高的場(chǎng)合，在選擇相應(yīng)終端控制器時(shí)，選擇主流的ARM芯片即能符合要求。CPU與GSM模塊采用UART通訊，通過AT指令實(shí)現(xiàn)命令交互，當(dāng)進(jìn)入數(shù)據(jù)模式后，OTA的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM模塊透?jìng)鞯紺PU，UART波特率通過AT指令可設(shè)置且能滿足UART通訊速率不低于GPRS通訊速率。CPU同時(shí)需控制GSM模塊工作，如開關(guān)機(jī)命令，緊急關(guān)機(jī)命令等。GSM模塊上網(wǎng)需SIM卡支持，通過I2C與SUM卡通訊，如圖3所示。

2.2終端4G方案設(shè)計(jì)

圖4電梯物聯(lián)網(wǎng)終端4G方案結(jié)構(gòu)示意圖

電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中除了電梯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)控之外，輔助電梯困人報(bào)警和安撫的語音和視頻功能對(duì)無線通訊的速率有較高要求，傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較大，無法滿足電梯困人事故下及時(shí)的語音視頻安撫對(duì)講，另外一些電梯應(yīng)用場(chǎng)合也涉及電梯廣告，也需要圖片和視頻的更新，因此需要設(shè)計(jì)基于4G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)終端。本方案中CPU采用高性能的ARM9處理器，主頻達(dá)到450MHz，搭載嵌入式操作系統(tǒng)Linux，并配置SIM76004G模塊，通過USB相互通訊，如圖4所示。

2.3SIM卡接口設(shè)計(jì)

在SIM卡接口的電路設(shè)計(jì)中，為了確保SIM卡的良好的功能性能和不被損壞，在電路設(shè)計(jì)中遵循了以下設(shè)計(jì)原則：

SIM卡座與模塊距離擺件不能太遠(yuǎn)，越近越好，盡量保證SIM卡信號(hào)線布線不超過20cm；

SIM卡信號(hào)線布線遠(yuǎn)離RF線和VBAT電源線；

SIM卡座靠近模塊擺放，盡量保證SIM卡信號(hào)線布線不超過200mm；

SIM卡信號(hào)線布線遠(yuǎn)離RF線和VBAT電源線；

SIM卡座的地與模塊的SIM_GND布線要短而粗。SIM_VDD與SIM_GND布線保證不小于0.5mm，且在SIM_VDD與GND之間的旁路電容不超過1uF，并且靠近SIM卡座擺放；

為了防止SIM_CLK信號(hào)與SIM_DATA信號(hào)相互串?dāng)_，兩者布線不能太靠近，并且在兩條走線之間增加地屏蔽。此外，SIM_RST信號(hào)也需要地保護(hù)；

為了確保良好的ESD性能，建議SIM卡的引腳增加TVS管。選擇的TVS管寄生電容不大于50pF；

在SIM_DATA，SIM_VDD，SIM_CLK和SIM_RST線上并聯(lián)33pF電容用于濾除的射頻干擾。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1撥號(hào)上網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于電梯物聯(lián)網(wǎng)4G方案中終端運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，能借助操作系統(tǒng)自帶的撥號(hào)功能實(shí)現(xiàn)，相對(duì)2G方案更簡(jiǎn)單，因此本部分主要研究2G終端的撥號(hào)上網(wǎng)實(shí)際與實(shí)現(xiàn)。電梯物聯(lián)網(wǎng)終端軟件上設(shè)計(jì)了智能穩(wěn)定的撥號(hào)上網(wǎng)方式，并能在干擾情況下或異常事件觸發(fā)時(shí)能自動(dòng)重連，可通過人機(jī)交互終端診斷出撥號(hào)失敗的具體原因，經(jīng)逐步檢查確認(rèn)撥號(hào)條件，直至撥號(hào)成功；后臺(tái)監(jiān)視撥號(hào)上網(wǎng)狀態(tài)，對(duì)異常事件分類處理，保證可靠連接。借助虛擬串口技術(shù)，用CPU的一路UART虛擬出3路串口，一路用于與GSM模塊數(shù)據(jù)通訊，一路用于監(jiān)視GSM模塊的工作狀態(tài)，若檢測(cè)到模塊工作異常，則根據(jù)異常等級(jí)分別處理，如斷開重連，重新?lián)芴?hào)，甚至強(qiáng)制重啟GSM模塊，另外一路串口用于收發(fā)短信。穩(wěn)定可靠的撥號(hào)流程對(duì)OTA的成功至關(guān)重要，本方案軟件上采用7步法實(shí)現(xiàn)GPRS撥號(hào)，如圖5所示。

（1）硬件初始化，打開硬件資源；

（2）檢查通訊通道，確認(rèn)通訊模塊已處于就緒狀態(tài)

（3）開啟監(jiān)視通道，確認(rèn)監(jiān)視通訊模塊通道已經(jīng)開啟

（4）SIM卡狀態(tài)檢測(cè)

（5）檢測(cè)模塊是否已附著到基站

（6）執(zhí)行撥號(hào)上網(wǎng)

（7）連接狀態(tài)監(jiān)視

從圖5可看出，步驟1到步驟7形成閉環(huán)，環(huán)環(huán)相扣，按照嚴(yán)格的時(shí)序執(zhí)行，為電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的OTA提供穩(wěn)定可靠的通訊鏈路。

圖5電梯物聯(lián)網(wǎng)終端GPRS撥號(hào)流程圖

3.2引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)

如前所述，電梯物聯(lián)網(wǎng)4G版終端帶操作操作系統(tǒng)，OTA過程相對(duì)簡(jiǎn)單，相當(dāng)于從服務(wù)端下載一個(gè)文件到本地更新、替換及重新執(zhí)行即可，并不用設(shè)計(jì)專門的引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)，因此本部分仍然研究電梯物聯(lián)網(wǎng)2G版終端的OTA引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2G終端要實(shí)現(xiàn)OTA功能，需要有兩段程序，一個(gè)是引導(dǎo)程序（也可以稱為BootLoader），另一個(gè)是應(yīng)用程序。通過USB、串口、CAN等通訊方式向STM32發(fā)送要升級(jí)的程序文件數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)協(xié)議可自定義），引導(dǎo)程序中將接收到的數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序的地址即實(shí)現(xiàn)將終端應(yīng)用程序的升級(jí)，具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如下：

（1）STM32復(fù)位后，從0x08000004地址取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷服務(wù)程序，在運(yùn)行復(fù)位中斷服務(wù)程序之后跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序的main函數(shù)，若將引導(dǎo)程序看作是一個(gè)應(yīng)用程序的話，則此部分和正常起動(dòng)是一樣的。

（2）在執(zhí)行完引導(dǎo)程序以后（如需要將新的應(yīng)用程序代碼寫入STM32的FLASH或沒有更新直接跳轉(zhuǎn)，應(yīng)用程序的復(fù)位中斷向量起始地址為其他設(shè)定的地址），跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序的復(fù)位向量表；

（3）取出應(yīng)用程序的復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序的main函數(shù)；

（4）同樣main函數(shù)為一個(gè)超循環(huán)，并且注意到此時(shí)STM32的FLASH，在不同位置上，共有兩個(gè)中斷向量表。在main函數(shù)執(zhí)行過程中，如果CPU得到一個(gè)中斷請(qǐng)求，PC指針仍強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地址0x08000004中斷向量表處，而不是應(yīng)用程序程序的中斷向量表；

（5）程序再根據(jù)我們?cè)O(shè)置的中斷向量表偏移量，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)中斷源的應(yīng)用程序中斷服務(wù)程序中；

（6）在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，程序返回main函數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。值得注意的是，引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)過程中，是通過PC指針定位進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，所有的寄存器都保持原有狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)過程中并不是做了復(fù)位。

3.3存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

OTA更新軟件中的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策是在OTA更新過程中如何在內(nèi)存中組織收到的應(yīng)用程序。微控制器中兩種典型的存儲(chǔ)器是非易失性存儲(chǔ)器和易失性存儲(chǔ)器，比如閃存屬于非易失性存儲(chǔ)器，而SRAM屬于易失性存儲(chǔ)器。閃存將用于存儲(chǔ)程序代碼和應(yīng)用程序的只讀數(shù)據(jù)，以及其他系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)。SRAM將用于存儲(chǔ)軟件應(yīng)用程序的可修改部分，例如非常量全局變量和堆棧。軟件應(yīng)用程序二進(jìn)制代碼只包含程序在非易失性存儲(chǔ)器中的部分。在啟動(dòng)期間，應(yīng)用程序?qū)⒊跏蓟瘜儆诳勺儍?nèi)存中的部分。

在OTA更新過程中，每當(dāng)客戶端設(shè)備從服務(wù)器接收到一個(gè)包含部分二進(jìn)制的數(shù)據(jù)包時(shí)，它將被存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)區(qū)中。這個(gè)數(shù)據(jù)包可以是壓縮的，也可以是未壓縮的。壓縮應(yīng)用程序二進(jìn)制文件的好處是它的體積更小，允許發(fā)送的數(shù)據(jù)包更少，在下載過程中易失性存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)它們所需的空間更少。這種方法的缺點(diǎn)是壓縮和解壓縮會(huì)給更新過程增加額外的處理時(shí)間，而且必須在OTA更新軟件中捆綁相關(guān)代碼。

由于新的應(yīng)用軟件在升級(jí)過程中位于非易失性存儲(chǔ)區(qū)中，但是在升級(jí)過程中會(huì)進(jìn)入易失性存儲(chǔ)區(qū)，所以O(shè)TA的升級(jí)軟件在升級(jí)過程中需要對(duì)非易失性存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行寫操作。在易失性存儲(chǔ)區(qū)中臨時(shí)存儲(chǔ)新應(yīng)用程序稱為緩存。本項(xiàng)目OTA更新軟件采用部分緩存方式實(shí)現(xiàn)，即保留一個(gè)易失性存儲(chǔ)區(qū)區(qū)域用于緩存，當(dāng)新數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)將它們存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)區(qū)的區(qū)域中。當(dāng)區(qū)域填滿時(shí)，通過將數(shù)據(jù)寫入快非易失性存儲(chǔ)區(qū)儲(chǔ)器來清空它。如果數(shù)據(jù)包無序到達(dá)或在新的應(yīng)用程序二進(jìn)制文件中存在間隙，這可能會(huì)變得很復(fù)雜，因?yàn)樾枰环N將易失性存儲(chǔ)區(qū)地址映射到非易失性存儲(chǔ)區(qū)地址的方法。一種策略是將高速緩存作為閃存的一部分鏡像，非易失性存儲(chǔ)區(qū)分為小區(qū)域的頁面，這是寫操作的最小劃分。本項(xiàng)目采用在易失性存儲(chǔ)區(qū)中緩存一頁閃存，當(dāng)它填滿或者下一個(gè)數(shù)據(jù)包屬于不同的頁面時(shí)，通過寫該頁面的閃存來刷新緩存。

4.結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了OTA技術(shù)在電梯物聯(lián)網(wǎng)終端軟件更新中的應(yīng)用。從電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景分別設(shè)計(jì)了基于2G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)終端，并從軟件角度介紹兩種方案下電梯物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)OTA的關(guān)鍵技術(shù)，從設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)連接保障OTA數(shù)據(jù)鏈路的通暢，到設(shè)計(jì)引導(dǎo)程序，保證OTA能在2G終端中可靠實(shí)現(xiàn)，再到設(shè)計(jì)存儲(chǔ)機(jī)制，保證OTA過程中的數(shù)據(jù)能及時(shí)合理存儲(chǔ)。整個(gè)研究設(shè)計(jì)過程都圍繞確保電梯物聯(lián)網(wǎng)終端OTA的穩(wěn)定可靠進(jìn)行，對(duì)其他行業(yè)的OTA應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。