【摘要】

電梯物聯(lián)網終端的通常部署電梯控制柜機房內，龐大的終端數量對電梯物聯(lián)網應用程序的質量提出較高的要求，當需更新應用軟件時，傳統(tǒng)固件燒錄方式將面臨人力物力財力等諸多挑戰(zhàn)，OTA（Over-the-Air）技術能較好解決電梯物聯(lián)網終端本地應用更新帶來的問題，OTA能實現修復產品缺陷、豐富產品功能、方便產品迭代升級等功能，為電梯物聯(lián)網產品快速切入市場和降低整體開發(fā)成本提供強有力支撐。借助移動網絡將更新源從服務端下載到物聯(lián)網終端，并通過檢驗、交互及備份等機制確保本次更新的正確性和安全性。電梯物聯(lián)網終端按是否帶操作系統(tǒng)可分為前后臺終端和帶系統(tǒng)終端，本文分別介紹兩種不同類型終端的OTA設計和實現過程。

1.系統(tǒng)設計

1.1OTA方案選擇

電梯物聯(lián)網OTA方案與傳統(tǒng)消費類智能終端的有相似之處，都包括無線側和CPU側，無線側無法從服務端下載更新文件，CPU側負責將更新文件更新到Flash中執(zhí)行。從無線側分析，電梯物聯(lián)網終端的OTA無線方式選擇種類相對比較少，考慮到電梯物聯(lián)網終端實際的安裝位置一般都是在樓宇頂層的電梯機房內，一般的無線技術，如Wi-Fi、藍牙及ZigBee等短距離方案均不適合運用在電梯物聯(lián)網上，而GPRS、LTE等蜂窩移動通訊技術則憑借廣域的覆蓋，成為電梯物聯(lián)網OTA無線側的首選。CPU側的方案選擇主要依據CPU是否跑操作系統(tǒng)，如單片機類的，一般選擇IAP（InApplicationPrograming，在應用中編程），由用戶自定義引導程序，IAP比ISP（InSystemPrograming，在系統(tǒng)中編程）更加適合OTA方案，因ISP無法用戶自定義遠程升級，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)行多個應用程序，因此IAP更加適合；對于帶操作系統(tǒng)的CPU，如Linux，安卓等，CPU側的OTA相對簡單，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行。所以，電梯物聯(lián)網OTA方案中，無線側選擇GPRS或LTE等移動運營商網絡，控制器測根據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)網系統(tǒng)結構

電梯物聯(lián)網系統(tǒng)中，按系統(tǒng)組成主要分為采集層、傳輸層及應用層。采集層負責通過通訊協(xié)議，如RS485、CANBus及RS232等或者觸點方式采集電梯控制系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)數據、統(tǒng)計數據及故障報警數據，物聯(lián)網終端作為采集層中的重要角色，擔負電梯原始數據的收集任務；傳輸層主要由運營商網絡組成，包括基站和移動通信網關，主要負責將物聯(lián)網終端的數據通過運營商網絡傳輸至用戶應用服務器，同時也負責轉發(fā)應用服務器數據到終端，實現雙向交互，如圖1所示，運營商網絡包括傳統(tǒng)的2G網絡，如GPRS，4G網絡，如TDDLTE，FDDLTE等；應用層主要包括應用服務器，根據業(yè)務需求，應用服務器可能包括多個子功能服務器，如電梯監(jiān)控服務器、電梯廣告服務器、數據庫服務器及OTA服務器等。

圖1電梯物聯(lián)網網絡結構示意圖

1.3OTA工作流程

圖2電梯物聯(lián)網OTA主要流程圖

電梯物聯(lián)網終端的軟件更新OTA流程圖如圖2所示，主要是通過交互和確認機制執(zhí)行，最大程度提高OTA的成功率，如前面所述，本文的OTA無線側是采用運行商網絡，眾所周知，運營商網絡的通信質量一般而言取決于基站的覆蓋和接入數量的多少決定，OTA過程中無線通訊質量差的情況不可避免，通過交互機制和驗證機制，能在很大程度上降低升級的失敗率，防止升級異常導致電梯物聯(lián)網終端運行異常。如圖2所示，步驟S1中的消息報文包含本次升級的文件大小、MD5數據長度及MD5加密數據；步驟S2的消息報文包含MD5數據長度、MD5加密數據及分包大??；步驟S3中的消息報文包含總包數、包序號及本包升級數據內容，通過在數據包中加入MD5校驗、文件大小校驗確保升級的正確，通過在數據包中加入MD5加密數據，確保數據的安全性。

電梯物聯(lián)網終端OTA整個過程包括程序文件下載、程序文件存儲、程序文件校驗、程序更新4個過程。

（1）程序文件下載：獲取下載鏈接并判斷是否需要下載（硬件版本號一致，軟件版本號大于當前軟件版本號），進行下載，目前不帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網終端不支持斷點續(xù)傳，下載失敗后不再下載，以消息形式通知結果；帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網終端支持斷點續(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：下載過程中進行分片存儲到flash中緩存區(qū)域。

（3）程序文件校驗：下載完成后，對程序文件進行MD5值校驗，確認文件傳輸正確。

（4）程序更新：MD5校驗通過后，執(zhí)行CPU程序更新，考慮到冗余，設計有主、備兩個區(qū)域，替換進行更新，防止當更新失敗，程序仍然可以從另一區(qū)域正常啟動，大大降低OTA導致終端異常的風險。

2.硬件設計

2.1終端2G方案設計

圖3電梯物聯(lián)網終端2G方案結構示意圖

電梯物聯(lián)網終端2G方案主要用于電梯基礎數據采集、電梯狀態(tài)監(jiān)控等場合，適用于數據量不大，通訊速率要求不高的場合，在選擇相應終端控制器時，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指令實現命令交互，當進入數據模式后，OTA的數據經GSM模塊透傳到CPU，UART波特率通過AT指令可設置且能滿足UART通訊速率不低于GPRS通訊速率。CPU同時需控制GSM模塊工作，如開關機命令，緊急關機命令等。GSM模塊上網需SIM卡支持，通過I2C與SUM卡通訊，如圖3所示。

2.2終端4G方案設計

圖4電梯物聯(lián)網終端4G方案結構示意圖

電梯物聯(lián)網系統(tǒng)中除了電梯基礎數據的監(jiān)控之外，輔助電梯困人報警和安撫的語音和視頻功能對無線通訊的速率有較高要求，傳統(tǒng)的2G網絡延時較大，無法滿足電梯困人事故下及時的語音視頻安撫對講，另外一些電梯應用場合也涉及電梯廣告，也需要圖片和視頻的更新，因此需要設計基于4G網絡的物聯(lián)網終端。本方案中CPU采用高性能的ARM9處理器，主頻達到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卡接口設計

在SIM卡接口的電路設計中，為了確保SIM卡的良好的功能性能和不被損壞，在電路設計中遵循了以下設計原則：

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

SIM卡信號線布線遠離RF線和VBAT電源線；

SIM卡座靠近模塊擺放，盡量保證SIM卡信號線布線不超過200mm；

SIM卡信號線布線遠離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信號與SIM_DATA信號相互串擾，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信號也需要地保護；

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.軟件設計

3.1撥號上網設計

由于電梯物聯(lián)網4G方案中終端運行嵌入式操作系統(tǒng)，能借助操作系統(tǒng)自帶的撥號功能實現，相對2G方案更簡單，因此本部分主要研究2G終端的撥號上網實際與實現。電梯物聯(lián)網終端軟件上設計了智能穩(wěn)定的撥號上網方式，并能在干擾情況下或異常事件觸發(fā)時能自動重連，可通過人機交互終端診斷出撥號失敗的具體原因，經逐步檢查確認撥號條件，直至撥號成功；后臺監(jiān)視撥號上網狀態(tài)，對異常事件分類處理，保證可靠連接。借助虛擬串口技術，用CPU的一路UART虛擬出3路串口，一路用于與GSM模塊數據通訊，一路用于監(jiān)視GSM模塊的工作狀態(tài)，若檢測到模塊工作異常，則根據異常等級分別處理，如斷開重連，重新?lián)芴枺踔翉娭浦貑SM模塊，另外一路串口用于收發(fā)短信。穩(wěn)定可靠的撥號流程對OTA的成功至關重要，本方案軟件上采用7步法實現GPRS撥號，如圖5所示。

（1）硬件初始化，打開硬件資源；

（2）檢查通訊通道，確認通訊模塊已處于就緒狀態(tài)

（3）開啟監(jiān)視通道，確認監(jiān)視通訊模塊通道已經開啟

（4）SIM卡狀態(tài)檢測

（5）檢測模塊是否已附著到基站

（6）執(zhí)行撥號上網

（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，按照嚴格的時序執(zhí)行，為電梯物聯(lián)網終端的OTA提供穩(wěn)定可靠的通訊鏈路。

圖5電梯物聯(lián)網終端GPRS撥號流程圖

3.2引導程序設計

如前所述，電梯物聯(lián)網4G版終端帶操作操作系統(tǒng)，OTA過程相對簡單，相當于從服務端下載一個文件到本地更新、替換及重新執(zhí)行即可，并不用設計專門的引導程序實現，因此本部分仍然研究電梯物聯(lián)網2G版終端的OTA引導程序設計與實現。

2G終端要實現OTA功能，需要有兩段程序，一個是引導程序（也可以稱為BootLoader），另一個是應用程序。通過USB、串口、CAN等通訊方式向STM32發(fā)送要升級的程序文件數據（數據協(xié)議可自定義），引導程序中將接收到的數據寫到應用程序的地址即實現將終端應用程序的升級，具體設計與實現如下：

（1）STM32復位后，從0x08000004地址取出復位中斷向量的地址，并跳轉到復位中斷服務程序，在運行復位中斷服務程序之后跳轉到引導程序的main函數，若將引導程序看作是一個應用程序的話，則此部分和正常起動是一樣的。

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

（3）取出應用程序的復位中斷向量的地址，并跳轉執(zhí)行新程序的復位中斷服務程序，隨后跳轉至應用程序的main函數；

（4）同樣main函數為一個超循環(huán)，并且注意到此時STM32的FLASH，在不同位置上，共有兩個中斷向量表。在main函數執(zhí)行過程中，如果CPU得到一個中斷請求，PC指針仍強制跳轉到地址0x08000004中斷向量表處，而不是應用程序程序的中斷向量表；

（5）程序再根據我們設置的中斷向量表偏移量，跳轉到對應中斷源的應用程序中斷服務程序中；

（6）在執(zhí)行完中斷服務程序后，程序返回main函數繼續(xù)運行。值得注意的是，引導程序和應用程序跳轉過程中，是通過PC指針定位進行跳轉，所有的寄存器都保持原有狀態(tài)，跳轉過程中并不是做了復位。

3.3存儲設計

OTA更新軟件中的另一個關鍵設計決策是在OTA更新過程中如何在內存中組織收到的應用程序。微控制器中兩種典型的存儲器是非易失性存儲器和易失性存儲器，比如閃存屬于非易失性存儲器，而SRAM屬于易失性存儲器。閃存將用于存儲程序代碼和應用程序的只讀數據，以及其他系統(tǒng)級數據。SRAM將用于存儲軟件應用程序的可修改部分，例如非常量全局變量和堆棧。軟件應用程序二進制代碼只包含程序在非易失性存儲器中的部分。在啟動期間，應用程序將初始化屬于可變內存中的部分。

在OTA更新過程中，每當客戶端設備從服務器接收到一個包含部分二進制的數據包時，它將被存儲在易失性存儲區(qū)中。這個數據包可以是壓縮的，也可以是未壓縮的。壓縮應用程序二進制文件的好處是它的體積更小，允許發(fā)送的數據包更少，在下載過程中易失性存儲區(qū)中存儲它們所需的空間更少。這種方法的缺點是壓縮和解壓縮會給更新過程增加額外的處理時間，而且必須在OTA更新軟件中捆綁相關代碼。

由于新的應用軟件在升級過程中位于非易失性存儲區(qū)中，但是在升級過程中會進入易失性存儲區(qū)，所以OTA的升級軟件在升級過程中需要對非易失性存儲區(qū)進行寫操作。在易失性存儲區(qū)中臨時存儲新應用程序稱為緩存。本項目OTA更新軟件采用部分緩存方式實現，即保留一個易失性存儲區(qū)區(qū)域用于緩存，當新數據包到達時將它們存儲在易失性存儲區(qū)的區(qū)域中。當區(qū)域填滿時，通過將數據寫入快非易失性存儲區(qū)儲器來清空它。如果數據包無序到達或在新的應用程序二進制文件中存在間隙，這可能會變得很復雜，因為需要一種將易失性存儲區(qū)地址映射到非易失性存儲區(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，非易失性存儲區(qū)分為小區(qū)域的頁面，這是寫操作的最小劃分。本項目采用在易失性存儲區(qū)中緩存一頁閃存，當它填滿或者下一個數據包屬于不同的頁面時，通過寫該頁面的閃存來刷新緩存。

4.結束語

本文詳細介紹了OTA技術在電梯物聯(lián)網終端軟件更新中的應用。從電梯物聯(lián)網系統(tǒng)實際應用場景分別設計了基于2G網絡和4G網絡的物聯(lián)網終端，并從軟件角度介紹兩種方案下電梯物聯(lián)網實現OTA的關鍵技術，從設計穩(wěn)定可靠的網絡連接保障OTA數據鏈路的通暢，到設計引導程序，保證OTA能在2G終端中可靠實現，再到設計存儲機制，保證OTA過程中的數據能及時合理存儲。整個研究設計過程都圍繞確保電梯物聯(lián)網終端OTA的穩(wěn)定可靠進行，對其他行業(yè)的OTA應用具有一定的參考價值。