4G 網絡和STM32的遠程系統升級

杭州浙達精益機電技術股份有限公司 鄭俊翔 陳朱峰 朱 偉

隨著4G網絡的普及，使野外實時監測設備得以方便的實現，但是安裝野外的設備存在著兩個問題：（1）設備一般安裝的比較偏遠；（2）設備一般成分布式排布，每臺設備間相距比較遠；這樣使設備的系統升級極不方便。文章提出了通過4G網絡實現以STM32為微控制器的設備的遠程系統升級方案。從而實現遠程對野外設備的系統升級，大大的提高了生產效率，并且可以及時對設備運行過程中發現的bug進行修復。

在鐵軌斷軌監測，水源水質監測，輸油管道結構健康監測等監測系統中，都需要在野外安裝設備，并且存在儀器多，分布廣等現象，同時個別監測系統，還會存在著分布式設備之間彼此需要協調交互工作。當出現各種原因，需要對儀器設備固件進行升級時，需要工作人員到現場進行升級，將會嚴重影響工作效率，并且需要消耗大量的人力物力。本文提出的基于4G網絡和STM32的遠程升級方案，能有效的解決人員到現場升級設備，并且能夠更快更便捷的實現系統的升級，極大的減少了生產成本。

1 遠程升級系統的硬件組成

遠程升級儀器是基于STM32微控制器，整個儀器的硬件組成包括太陽能供電，電源管理系統，GPRS_4G通信部分，EEPROM外部存儲器和其他用戶功能模塊。圖1所示為升級功能部分的的主要硬件組成。

圖1 升級功能模塊硬件框圖

STM32通過串口和GPRS_4G模塊進行連接。GPRS_4G通信模塊可以實現串口到網絡的雙向數據透明傳輸，可以通過此模塊實現發送數據到網絡上指定的服務器。模塊也可以接收來自服務器的數據，并將信息通過串口發送至STM32，如圖2所示。

EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory)是指帶電可擦可編程只讀存儲器。是一種掉電后數據不丟失的存儲芯片。做為外部的一個獨立存儲器，可以在程序升級前后保存系統配置數據，保證系統升級前后數據的一致性。同時也可以為升級提供一些輔助標志功能。

2 IAP實現原理

2.1 程序組成設計

IAP即應用編程，本系統中設計兩個程序：Bootloader（引導加載程序）程序和APP（應用程序）程序。Bootloader程序不執行應用的用戶功能操作，只負責接收服務器發送過來的系統升級的數據，并跳轉到對應的APP程序。APP程序為用戶功能代碼，執行用戶功能操作，同時可以接收服務器的升級請求，跳轉到Bootloader程序進行升級操作。

表1 STM32啟動方式選擇

圖2 4G網絡傳輸示意圖

2.2 STM32的啟動方式

STM32有三種啟動模式，用戶可以通過設置BOOT0和BOOT1的引腳電平狀態，來選擇復位后的啟動模式，如表1所示。

圖3 FLASH存儲器空間分配

STM32的FLASH地址起始于0x08000000，正常工作模式下，程序文件就從此地址開始寫入。那么棧頂地址存放于0x8000000處，而“中斷向量表”的起始地址為0x8000004處。當STM32遇到復位信號后，則從“中斷向量表”處取出復位中斷服務入口地址，繼而執行復位中斷服務程序，然后跳轉__main函數。

2.3 STM32存儲器空間的配置

本系統中使用STM32的FLASH存儲器大小是512K，此空間被劃分為三大塊，分別用于運行Bootloader程序，APP程序1，APP程序2，如圖3所示。

遠程升級系統，存在著一定的不確定性，如通信中斷，儀器缺電等情況，這些情況都會導致系統升級失敗，則在升級的過程中，不能把原來的APP程序給擦除了。所以用戶功能代碼區分為APP程序1和APP程序2兩個區域。其中一個區域用于當前運行的程序，另外一個區域用于裝載升級程序代碼。

圖4 Bootloader 程序流程圖

因為Bootloader程序只負責升級部分代碼，代碼量相對APP程序來說較小，這里分配的地址為0x8000000至0x8012000區間，大小為72K。而APP程序為用戶代碼，需要實現各種實際應用中的功能，代碼量相對較大。則把FLASH剩余的空間對半分，分別分配給APP程序1和APP程序2，分配地址為0x8012000至0x8049000和0x8049000至0x8080000，各220K大小的存儲空間。

3 遠程升級系統的程序設計

3.1 Bootloader程序設計

遠程升級系統開機啟動時，首先運行的是Bootloader程序。程序首先在外部EEPROM里面讀取當前APP程序運行的FLASH存儲器空間標志信息，再檢測程序是否需要升級。當檢測到程序需要升級，則GPRS_4G模塊通過網絡從服務器上接收升級固件，并存儲到當前未被使用的APP程序存儲空間里。升級固件接收完畢后，跳轉到升級固件存儲的APP程序存儲空間，運行更新后的程序。如果沒有檢測到升級，則直接跳轉到當前APP程序存儲器空間，運行當前APP程序，流程圖如圖4所示。

表2 通信協議表和示例

當升級過程中出現異常，如升級過程中，網絡通信出現中斷，長時間接收不到升級固件，則直接跳回到當前APP程序存儲器空間，運行當前的APP程序。

圖5 APP程序流程圖

3.2 APP程序設計

APP程序流程圖如圖5所示，首先復位存在外部EEPROM里的升級請求信號，然后在EEPROM里面置位當前使用FLASH的標志位。這樣下次再進入升級程序后，可以根據EEPROM里的FLASH的使用標志信息，判斷升級固件應存放那塊APP程序區域。最后進入用戶程序，用戶程序實時監聽是否有升級請求，當有接收到升級請求信號后，跳轉到Bootloader程序。

3.3 固件升級通信協議

分布式系統中，由于儀器眾多，在進行固件升級時，需要遵循一定的通信協議，才能正確的進行升級。服務器發送的數據分9部分，如表2所示。

為了降低遠程傳輸數據出現的誤碼率，把升級固件拆分成小包進行傳輸。包的長度可以根據實際使用的情況，在通信協議里進行設置，如在表2的例子，固件數據包的長度設置為1024個字節。索引號表示當前傳輸的數據包是第幾包，當出現傳輸錯誤，CRC32效驗不正確時，終端儀器會返回錯誤接收的數據包的索引號，服務器根據索引號，重新發送此索引號的數據包。當終端儀器正確接收完當前包數據后，給服務器返回應答信號，直到固件升級完成。

結束語：本文著重講述了基于4G網絡和STM32遠程系統升級的硬件設計框架，IAP的遠程升級原理，系統的程序邏輯設計和固件升級的通信協議。在野外分布式監控系統中，該遠程升級系統的運用，極大的提高了生產效率。此設計方案也可以運用到其他的一些需要遠程操作的應用場合。