船載監管終端遠程升級功能的設計與實現

陳建林，連雪海，姚克波

（中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 嘉興 314000）

船舶位置信息的獲取對于船員和管理部門都至關重要，船載監管終端采用GPS/BD定位系統獲取自身的位置信息，與采集的設備狀態、環境溫度、航速航向等相關數據打包之后，通過GPRS網絡或北斗一代網絡上傳至監管平臺[1]。該監管終端采用太陽能+鋰電池的供電方式，不依賴船電供電，可廣泛應用于漁船、游船、貨船等各類型船舶，能有效提高航海的安全性和監管的有效性。

本文所述的遠程升級功能主要用于對船載監管終端的嵌入式軟件進行遠程維護，避免不必要的現場拆裝和人員投入。遠程升級操作完成之后，船載監管終端自動執行新的應用程序，實現新的軟件功能。

1 硬件電路設計

本文設計的船載監管終端選用PIC16系列單片機作為處理器，外圍包括供電電路、大容量SD卡、GPS/BD定位單元、GPRS模塊和北斗一代模塊等，如圖1所示[2]。該終端采用太陽能+鋰電池的供電方式，光照不足時，通過鋰電池供電來維持監管終端的正常工作，光照充足時，由太陽能電池板為鋰電池充電。為保證經歷長期的陰雨天氣，監管終端仍能正常工作，配備了3 W的太陽能電池板和8 000 mAh的鋰電池。大容量SD卡主要用于存儲終端的狀態信息，便于事后追述和情景再現，同時暫存遠程升級時平臺下發的十六進制文件（Hexadecimal，HEX）。GPS/BD定位單元用于獲取船舶自身的位置信息和當前時間信息。

圖1 硬件電路原理

該終端采用GPRS和北斗一代的雙模通信方式，在GPRS網絡翻蓋區域之內，終端和平臺之間采用GPRS網絡進行通信，在GPRS網絡翻蓋區域之外，終端和平臺之間采用北斗一代網絡進行通信。這種雙模通信方式可以彌補各自的弱點，實現船載終端的全天候、全海域覆蓋。但是，本文所述的遠程升級功能由于數據量過大，不便于采用北斗一代進行數據傳輸，只能通過GPRS網絡實現遠程升級功能。

2 遠程升級功能的實現

2.1 HEX文件解析

HEX文件解析是實現遠程升級功能的基礎，HEX文件解析完成之后，單片機便可通過串口接收來自平臺下發的應用程序，再按照特定的規則寫入FLASH中，實現船載監管終端的遠程升級功能。

Intel HEX 文件是遵循 Intel HEX 文件格式的 ASCII 文本文件。在 Intel HEX 文件的每一行都包含了一個 HEX 記錄。這些記錄是由一些代表機器語言代碼和常量的十六進制數據組成的。Intel HEX 文件常用來傳輸要存儲在 EEPROM/FLASH 中的程序和數據。大部分的 EEPROM/FLASH 編程器能使用 Intel HEX 文件。Intel HEX文件由任意數量的十六進制記錄組成，每個記錄包含5個域，具體格式如下：

＜0×3A＞ [數據長度1Byte] [數據地址2Byte] [數據類型1Byte] [數據nByte] [校驗1Byte] ＜0×0D＞ ＜0×0A＞

例：:10 0000 00 000080308A0046282000 8A0185019130 56

＜0×3A＞ 每個 Intel HEX 記錄都由冒號開頭；

數據長度 數據長度域，它代表記錄當中數據字節的數量；

數據地址 地址域，它代表記錄當中數據的起始地址；數據類型 代表HEX記錄類型的域，它可能是以下數據當中的一個：

00-數據記錄

01-文件結束記錄

02-擴展段地址記錄

03-開始段地址記錄

04-擴展線性地址記錄

05-開始線性地址記錄

數據記錄 數據域，一個記錄可以有許多數據字節，記錄當中數據字節的數量必須和數據長度域中指定的數字相符；

校驗和 校驗和域，它表示這個記錄的校驗和，校驗和的計算是通過將記錄當中所有十六進制編碼數字對的值相加，以256為模進行以下補足。

HEX文件以行為單位，每行以字符“ : ”（0×3A）開頭，以回車換行符0×0D，0×0A為結束。每行開始和結束之間的所有內容，都是以字符形式表現的。上面的例子中，“ : ”后面的“10”表示該行的數據長度為16個字節，“0000”表示該行的有效數據在FLASH中的起始地址為0×0000，“00”表示該條記錄類型為數據記錄，“000080308A00462820008A0185019130”為該條記錄的有效數據，“56”為該條記錄的校驗和，任意多條上述記錄組成一個完整的Intel HEX文件。

并非每條記錄都有有效數據，若記錄中的第二個字節為0，則這條記錄就沒有數據。由于每條記錄標識數據地址的只有2 Byte，所以最大只能到64 K。為了可以保存更多的有效數據，就有了“擴展線性地址記錄”。如果這行的數據類型是0×04，那么，這行的數據就是隨后數據的基地址。

第一行是擴展線性地址記錄，里面的基地址是0×0004，第二行是數據記錄，里面的地址值是0×0000。那么數據000080308A00462820008A0185019130要寫入地址為（0×0004 ＜＜ 16） | 0×0000的FLASH中，也就是寫入FLASH的0×40000這個地址。同樣，第三行的數據的寫入地址為0×40010。當一個HEX文件的數據超過64 K的時候，文件中就會出現多個擴展線性地址記錄。 一般情況下，每個HEX文件的最后一行都為:00000001FF，這樣的一行數據內容是固定的，數據長度和地址均為0。

平臺軟件對實際HEX文件的解析，需要綜合考慮單片機緩沖區的規模和遠程升級的效率。若解析生成的數據包過大，則會占用較多的單片機緩沖區，影響應用程序的執行速度；若數據包過小，勢必會增加數據交互的次數，降低遠程升級的效率。本文最終選定的數據包上限為80字節，即最多一次性發送5條數據記錄。

2.2 數據校驗

遠程升級過程中，每包數據都要經過串口通信、GPRS網絡和SD卡讀寫等多個環節，為保證遠程升級的可靠性，每個環節都要進行嚴格的數據校驗，特別是GPRS網絡環節，易因環境干擾等因素產生錯誤數據，進而導致升級失敗。

本文采用簡單實用的求和校驗算法對數據進行校驗，即平臺將解析生成的數據包中的地址和有效數據進行求和，生成一個16位的校驗和，將該校驗和附在數據包的末尾，同時在數據包的最前面增加一個數據頭“$”，構成一個新的數據包，然后發送出去。在接收端，根據數據包和校驗和之間所遵循的規則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。若校驗錯誤，則要求平臺重傳該包數據；若校驗正確，則開始傳輸下一包數據，直到整個HEX文件全部傳輸完成。

2.3 實現流程

本文選用PIC16系列單片機作為處理器，該系列單片機自帶的增強型FLASH支持固件對自身進行編程，這是由被稱為“BootLoader”的固件內核實現的。該固件內核駐留在單片機內，通常使用FLASH中應用程序不常用的一小塊空間。當固件內核被激活時，外部設備可以使用串口協議進行讀寫，以及驗證對單片機應用程序進行的更新。應用程序燒寫完成之后，“BootLoader”會放棄控制權，讓器件正常執行應用程序，直到再次調用“BootLoader”為止。

執行遠程升級時，平臺軟件將解析完成的應用程序HEX文件通過GPRS網絡下發至待升級設備的SD卡中，HEX文件下發完成且校驗通過之后，再將SD卡中的應用程序通過固件內核下載到單片機的FLASH中，下載完成且校驗通過之后，固件內核主動放棄控制權，設備開始正常工作，如圖2所示[3-4]。一般情況下，平臺軟件也可直接將HEX文件通過GPRS網絡發送至固件內核，而不經過SD卡中轉，但通過這種方式進行遠程升級存在一定的風險。若升級過程中出現GPRS網絡中斷或信號太差，則容易導致設備無法恢復正常工作。

圖2 遠程升級實現流程

3 實驗驗證

圖3為船載監管終端平臺軟件示意圖，圖4為安裝示意圖。執行遠程升級時，在平臺軟件上選中需要升級的單臺或多臺設備，平臺軟件按照既定的HEX文件解析方式將數據包逐一發送至監管終端，發送完成且校驗通過之后，設備復位并開始正常工作[5]。

本文設計的船載監管終端已在漁船、游船等各型船舶上獲得廣泛應用，為船員和監管部門提供了很大的便利。終端自帶的遠程升級功能可以很好地輔助設備的現場維護，提高作業效率，降低人員開銷。

圖3 遠程升級平臺界面

4 結語

船載監管終端以其靈活、實用、免維護等特性，逐步在船舶領域推廣應用。本文以船載監管終端的遠程升級功能為研究對象，主要完成以下4項工作：（1）應用程序HEX文件解析。（2）文件傳輸中的數據校驗。（3）遠程升級流程的設計和實現。（4）對所設計的遠程升級功能進行實驗驗證。實驗效果表明，本文設計的遠程升級功能達到了預期的設計目的，實現了應用程序的遠程更新和維護。

圖4 船載監管終端安裝示意

[參考文獻]

[1]黃東軍.物聯網技術導論[M].2版.北京：電子工業出版社，2017.

[2]丁靈譯.圖解物聯網[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[3]劉雪蓮，黃濤. GPRS通信方式下直放站遠程升級設計與實現[J].現代電子技術，2015（1）：41-43.

[4]劉兆慶，陳長春，彭宇. LXI儀器固件遠程升級設計與實現[J]. 測控技術，2012（7）：85-87.

[5]Microchip Technology Inc. AN1310. PIC16和PIC18器件的高速串行自舉程序[M].New York：Microchip Technology Inc., 2010.