分布式智能終端在線升級系統研究

摘 要 隨著人工智能的日臻成熟，越來越多的技術從實驗室走向市場，逐步實現產品化、工業化。而計算設備小型化、移動化也是當下一大趨勢，這些分布式的智能終端有著強大的邊緣計算能力，然而，支撐這些設備運算的軟件需要不定期地升級、更新，以便更好地提供服務。由于這些設備的地域分布、部署位置等原因，如果人為升級，將會非常費時費力，十分不便。本文提出一種基于HFS的分布式智能終端升級系統，采用C/S架構，使用MQTT協議提供通信支持，實現分布式智能終端的在線升級。

關鍵詞 MQTT;HFS;在線升級

1背景及現狀

智能終端一般具有比較強大的計算、通信能力，可對實時采集的不同信號源進行自主分析、并與服務器主機進行通信。支撐起這些功能的是一些基于移動端架構的軟件，根據軟件架構的不同，一般可分為安卓、IOS架構，以及arm架構，X86架構由于無法滿足一些工業場景需求，一般用作服務器端軟件構架。隨著神經網絡的輕量化，許多支持安卓、IOS架構的硬件平臺可實現一些人工智能技術的落地，如人臉識別技術，而使用這一軟件構架的終端設備，由于軟件構架中存在系統固件升級的流程策略，程序包，使版本升級工作變得十分便捷，只需按照相關步驟進行，即可完成程序包的推送、更新，就像我們手機中的app更新一樣，成熟穩定[1]。

還有很多的智能終端，為了搭載計算能力更加強大的設備，采用arm軟件架構，雖然arm架構的設備與安卓、IOS設備在性能上差距不是非常明顯，但其穩定性、經濟性上的優勢，在很多分布式智能場景中還是終端軟件構架的首選。然而，這些arm架構設備的軟件升級由于沒有系統自帶的升級策略、程序包，給應用軟件的升級帶來極大的不便，這就需要用戶自己通過現有網絡通信，結合自身實際，自主開發一套分布式智能終端在線升級系統。

2基于HFS的分布式智能終端在線升級系統

在基于arm架構的實際項目中，終端上的應用軟件是通過python語言編寫的，以腳本方式運行。由于終端分布在不同的位置，每次應用軟件升級如果人工執行的話，費時費力，并且不易維護軟件版本，效率低下。通過采用C/S架構模式的基于HFS的分布式智能終端升級系統，借助HFS成熟的文件傳輸體系，以及mqtt通信，實現了分布式終端的狀態監測、程序文件傳輸、終端內部升級等一套完整的在線升級流程[2]。

2.1 基本概念

HFS： Http File Server，是基于http協議的文件服務器，比FTP簡單，只需一句命令即可將指定文件夾設置為文件服務器，其他機器訪問指定端口即可訪問該文件夾，選擇其下的不同文件可進行下載。

MQTT：Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸，是ISO 標準（ISO/IEC PRF 20922）下基于發布/訂閱范式、客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸的消息協議，它工作在TCP/IP協議族上，為硬件性能低下的遠程設備以及網絡狀況糟糕的情況下而設計，具有輕量、簡單、開放和易于實現等特點。

2.2 系統構架

系統采用C/S（客戶端/服務器）構架模式，其中，服務器主要進行HFS服務器的生成，以及升級包的維護，客戶端主要通過MQTT協議發送狀態信息，服務器通過HTPP協議將升級包的相關信息（地址、校驗值等）發送給客戶端，客戶端接收并下載、校驗后，將下載狀態反饋服務器，完成升級包的分發，客戶端再通過程序升級策略進行升級包的部署。系統構架圖如圖1。系統接口信息表如表1。

2.3 升級包的分發

升級包的分發是升級工作的關鍵，只有升級包能夠從服務器下載到指定終端，才能進一步進行系統的升級。與普通的IP地址點到點傳輸不同，MQTT協議通過訂閱/發布消息模式，無須具體知道客戶端IP地址，只需根據訂閱信息即可找到客戶端，這樣一來，極大方便了相關信息的傳送與交互，只要發送、接收的是同一主題的訂閱信息，即可形成消息傳輸。在公網通信中，獲取單機公網IP地址有時不是那么容易，而采用MQTT協議進行通信，提高了效率和準確度。

升級包的分發分為服務器端和服務器、智能終端交互兩部分。服務器負責HFS服務器的搭建以及升級包的維護，智能終端主要負責實時上報自身狀態，主動連接服務器，一旦接收到服務器下發的升級包信息，立即下載，并通過校驗，反饋下載結果，形成與服務器的交互[3]。

服務器端操作主要步驟可分為：

（1）HFS服務器端配置并啟動服務，生成指定目錄下的http server。

（2）升級包維護，選擇升級包并上傳到HFS服務器，為下發做準備。

（3）文件MD5值計算，提供通信校驗。

服務器、智能終端的交互，是升級包下載的關鍵，通過MQTT的信息交互，完成下載工作的準備，再讓智能終端通過升級包地址下載，并通過計算MD5值與源升級包進行校驗，完成下載過程。整體過程如圖2，可概括如下。

服務器：

（1）通過MQTT協議實時接收智能終端發出的各種信息，包括連接信息、下載反饋信息等。

（2）選擇能夠連接的智能終端，向其發送升級包地址、版本、MD5等信息。

智能終端：

（1）實時接收服務器下發的升級包信息，包括地址、版本等。

（2）按照接收到的地址下載升級包，保存并計算MD5值。

（3）MD5校驗后，將下載結果發送服務器。

（4）維護版本配置文件。為執行升級操作，創建一個版本配置文件，每次下載成功后，將“最新版本”字段維護為下載到的升級包版本。

（5）根據升級包替代策略，重新啟動程序。

圖2 服務器、智能終端交互流程圖

2.3 智能終端自主升級

每次智能終端上電開機，系統都要自動讀取版本配置文件，通過比較“當前版本”與“最新版本”，并查看是否存在最新版本升級包，來執行升級包的替換工作。主要流程可概括以下步驟：

（1）每次開機讀取配置文件，比較版本。

（2）若當前版本比下載的升級包版本小，則首先查看下載保存路徑中是否有最新版升級包。

（3）若存在最新升級包，則將升級包拷貝到主程序運行目錄下，解壓，并重命名文件，使之替換原有主程序。

（4）啟動主程序，若能夠正常啟動，則替換成功;若啟動異常，則在主程序運行目錄下刪除升級包，再啟動原有主程序[4]。

3結束語

智能終端越來越廣泛的應用，給我們的工作、生活帶來了極大便利，也讓人工智能技術在不同領域中落地開花，承載這些技術的軟件需要不斷升級更新，而為了滿足場景需要，這些智能終端通常都部署在不同的位置，這樣的分布式部署給軟件的升級帶來極大不便，雖然基于安卓系統的軟件構架能夠滿足OTA遠程升級的要求，但是同樣廣泛應用的嵌入式軟件構架的終端沒有現成的升級策略及架構，這使得很多情況下，需要根據自身項目實際，自主開發一套適應項目的分布式升級系統。

本文描述的分布式智能終端升級系統，是面向arm架構、嵌入式軟件的一種分布式升級系統，它采用C/S的模式，通過MQTT通信協議傳輸狀態信息，服務器端可根據狀態信息選擇向指定終端發布升級包的下載信息，再通過服務器生成HFS服務，智能終端可自動下載升級包，并進行MD5校驗，通過后完成升級包的下載。在每次終端上電啟動時，通過讀取配置文件信息，執行主程序升級包的替換策略，保證了主程序的及時更新，極大提高了升級效率，壓縮了成本，有著極大的應用前景和價值。同時，還有幾點不足，可在后續項目工作中不斷提高，讓該系統在實際應用中更加靈活、有效。

（1）主動式升級包分發機制?，F有系統是服務器通過查看終端在線情況，人為選擇向指定終端分發升級包，屬于被動行為，后續系統可向終端主動上報程序版本，服務器端有升級包更新時，自動向終端分發升級包的方向改進，這樣可減少遺漏，也把升級包分發的策略交給服務器端，減輕了終端的計算量，讓有限的計算資源在主業務中起到最大作用。

（2）斷點續傳機制。在實際應用中，很多情況下是都是基于公網通信的，通信質量有時受基站信號影響不是很好，斷網現象時常發生，需要在網絡斷點續傳、通信重聯等機制上不斷改進完善，為升級工作提供有力保障[5]。

以上，是針對本系統的全面論述，在今后的工作中，還會根據應用中的不足不斷改善，以做到更好、更高效地實現人工智能技術的落地。

參考文獻

[1] 張航.MQTT協議擴展與協議優化的研究與應用[D].北京：北京郵電大學，2019.

[2] 李娜.MQTT數據交換協議的分析與優化[J].網絡空間安全，2019 （9）：49-58.

[3] 徐健.基于Winhex的HFS+文件提取方法研究[J].計算機時代，2019（8）：59-62.

[4] 施慶國，尚海立，馬婕，等.智能網聯汽車的OTA升級方案[C].中國汽車工程學會.2018中國汽車工程學會年會論文集.北京：北京汽車股份有限公司汽車研究院，2018：49-55.

[5] 魯亞凱.基于Linux系統智能電視OTA差分升級模式的改進與實現[D].重慶：重慶郵電大學，2018.

作者簡介

王經緯（1987-），男，河北滄州人;學歷：碩士研究生學歷，職稱：工程師，現就職單位：中車研究院，研究方向：智能軟件研究。