樓亮亮+周苗+何為+鮑星合+谷宇章

摘? 要： 選擇TI的Zstack作為研究基礎(chǔ)，在ZigBee的OTA技術(shù)基礎(chǔ)上做了一定的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種多點(diǎn)并發(fā)、可靠、高效、低能耗的無(wú)線下載解決方案。采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)固件代碼數(shù)據(jù)的壓縮處理，提高了該方案的性能，并在基于CC2530傳感節(jié)點(diǎn)上做了具體的實(shí)現(xiàn)。該方案成功地應(yīng)用于一個(gè)具有200多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，方案的可靠性及穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： ZigBee； OTA； 數(shù)據(jù)壓縮； CRC32

中圖分類(lèi)號(hào)： TN921?34??????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A??????????????????????? 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）23?0001?04

Abstract： TI′s Zstack was selected as a research base， which improved on the basis of OTA technology established by ZigBee Alliance. A multi?concurrent， reliable， efficient， low?power OTA solution was designed. also The data compression technology is used in this solution to compress the firmware code data， so as to improve the performance of the application. It was implemented on CC2530 sensing nodes， and was applied to ZigBee network with more than 200 sensor nodes successfully. The reliability and stability of the solution were validated.

Keywords： ZigBee； OTA； data compression； CRC32

0? 引? 言

TI根據(jù)ZigBee的相關(guān)OTA標(biāo)準(zhǔn)[1]標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)了相應(yīng)實(shí)現(xiàn)代碼，但是對(duì)功耗方面關(guān)注度比較少，而且必須要配合TI的軟件才能實(shí)現(xiàn)升級(jí)。國(guó)內(nèi)針對(duì)OTA技術(shù)已有相關(guān)研究，文獻(xiàn)[2]涉及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)空中下載協(xié)議，該協(xié)議是一種具有數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制功能的應(yīng)用層協(xié)議，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制、程序代碼更新等服務(wù)，但是沒(méi)有提出具體的實(shí)現(xiàn)方案，也不涉及到可靠的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制，在實(shí)際應(yīng)用中需要做具體優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]提出了一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線下載方式，是一種比較通用的無(wú)線下載方案。但是其方案數(shù)據(jù)校驗(yàn)還是有點(diǎn)欠缺，沒(méi)有對(duì)整個(gè)Image進(jìn)行校驗(yàn)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

本文提出了一種基于通用架構(gòu)、多點(diǎn)并發(fā)、可靠、高效、低能耗的無(wú)線下載解決方案。升級(jí)的傳感節(jié)點(diǎn)自主向協(xié)調(diào)器申請(qǐng)固件數(shù)據(jù)，自主發(fā)送數(shù)據(jù)申請(qǐng)包（POLL?Data Request），從而實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)并發(fā)升級(jí)，極大地提高了系統(tǒng)的效率及穩(wěn)定性。

1? 結(jié)構(gòu)劃分及算法選擇

1.1? 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)劃分

在OTA升級(jí)模型中，需要把傳感節(jié)點(diǎn)及需要升級(jí)的設(shè)備內(nèi)部程序存儲(chǔ)器在結(jié)構(gòu)上分成三個(gè)區(qū)域：程序引導(dǎo)區(qū)、數(shù)據(jù)共享區(qū)和用戶裝載程序區(qū)。引導(dǎo)程序Bootloader主要實(shí)現(xiàn)固件程序的串口下載、固件數(shù)據(jù)的解壓縮、中斷向量的重映射及程序的跳轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)共享區(qū)存放引導(dǎo)程序與用戶程序的一些共享數(shù)據(jù)，例如固件的大小、版本等信息，用戶程序與引導(dǎo)程序都可以對(duì)該區(qū)域中數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；用戶裝載程序區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)用戶應(yīng)用程序，即實(shí)現(xiàn)用戶需求的應(yīng)用程序。

1.2? 最大數(shù)據(jù)包及CRC選擇

在實(shí)際應(yīng)用中，在無(wú)線升級(jí)過(guò)程中應(yīng)該要盡量選擇最大包數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)送，這樣可以減少整個(gè)固件發(fā)送的次數(shù)。而在未加密、短地址模式下，可用于傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)只有99 B。本文支持的數(shù)據(jù)包最大值通過(guò)Zstack中的API函數(shù)afDataReqMTU（）來(lái)獲取。

因?yàn)橐獙?duì)整個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，選用了CRC32，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，CRC32最大能校驗(yàn)的不沖突數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為512 MB。

1.3? 數(shù)據(jù)壓縮

一個(gè)基于Zstack的傳感節(jié)點(diǎn)固件大小都是在100 KB以上， 為了提高下載的速度，考慮對(duì)固件數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。為此，本文選用兩種無(wú)損壓縮算法進(jìn)行評(píng)測(cè)：MiniLZO[5]與LZSS[6]，并在CC2530上做了移植，比較它們的性能。由于CC2530只有8 KB的ROM，考慮到對(duì)壓縮前后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題，所以在實(shí)際壓縮過(guò)程中需要將固件分割為3 KB大小的小塊進(jìn)行分段壓縮。

本文選擇一個(gè)大小為123 072 B的固件，利用上述兩種壓縮算法對(duì)此固件進(jìn)行性能比較。其中整體壓縮是該固件沒(méi)有進(jìn)行分段壓縮之后的結(jié)果，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 LZSS與MiniLZO性能比較

[算法＼&；整體壓縮/壓縮比率＼&；分段壓縮/壓縮比率＼&；解壓程序

占ROM /B＼&；解壓時(shí)

間 /ms＼&；MiniLZO＼&；79 974 B/64.980%＼&；89 262 B/72.527%＼&；2 570＼&；1＼&；LZSS＼&；73 090 B/59.388%＼&；85 210 B/69.235%＼&；635＼&；11＼&；]

從表1中可以看出LZSS解壓程序比MiniLZO更節(jié)省ROM空間，但是LZSS解壓速度更慢，會(huì)導(dǎo)致傳感節(jié)點(diǎn)功耗與不穩(wěn)定因素提高。所以本文提及的OTA方案壓縮解壓縮算法選用MiniLZO。

2? 系統(tǒng)實(shí)踐

OTA系統(tǒng)模型由無(wú)線升級(jí)主機(jī)（協(xié)調(diào)器）、傳感節(jié)點(diǎn)和路由設(shè)備組成，如圖1所示。升級(jí)主機(jī)和傳感節(jié)點(diǎn)中都集成SPI FLASH存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)要升級(jí)的傳感器節(jié)點(diǎn)的固件。傳感節(jié)點(diǎn)采用SPI FALSH作為緩沖存儲(chǔ)介質(zhì)，保證在下載的過(guò)程中不需要擦除應(yīng)用程序，只有在SPI FLASH中的固件數(shù)據(jù)得到正確保證的情況下才被BootLoader程序拷貝到內(nèi)部FLASH中，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)[7]定義中，節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)通信采用POLL機(jī)制，節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀（POLL?Data Request）來(lái)查詢其父節(jié)點(diǎn)中有無(wú)數(shù)據(jù)要發(fā)送給它。這種機(jī)制一方面導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)功耗的增加，另一方面也給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了一定的負(fù)荷，增加了系統(tǒng)不穩(wěn)定因素。

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圖1 OTA系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中關(guān)閉了周期性傳感節(jié)點(diǎn)的POLL功能，這導(dǎo)致傳感節(jié)點(diǎn)無(wú)法接收到協(xié)調(diào)器發(fā)給節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。為此，本文重新構(gòu)造自主數(shù)據(jù)請(qǐng)求（POLL?Data Request）機(jī)制，并設(shè)計(jì)了兩種特殊數(shù)據(jù)幀：配置數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀和固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀。

配置數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀是在傳感節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)建立連接之后，傳感節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送的一種數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀包含節(jié)點(diǎn)當(dāng)前運(yùn)行的固件版本信息、IEEE地址等。在該數(shù)據(jù)幀發(fā)送之后，調(diào)用NLME_SetPollRate（）函數(shù)開(kāi)啟POLL功能，同時(shí)也開(kāi)啟等待協(xié)調(diào)器應(yīng)答的超時(shí)定時(shí)器，開(kāi)始等待協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)到該傳感節(jié)點(diǎn)；如果超時(shí)，定時(shí)器超時(shí)溢出。重復(fù)上述操作，具體流程如圖2（a）所示。

因?yàn)閭鞲泄?jié)點(diǎn)采用自主數(shù)據(jù)請(qǐng)求的機(jī)制，所以在傳感節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)成功的時(shí)刻，要決定是否進(jìn)行雙向通信，如圖2（b）所示。在傳感節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)成功后，傳感節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送配置數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀，協(xié)調(diào)器在收到該數(shù)據(jù)幀后就可以把相關(guān)的配置信息發(fā)送給它。傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)此數(shù)據(jù)包中的信息來(lái)決定是否要繼續(xù)與協(xié)調(diào)器保持?jǐn)?shù)據(jù)通信或者固件升級(jí)。這種操作帶來(lái)了兩個(gè)方面的好處：一方面?zhèn)鞲泄?jié)點(diǎn)不需要開(kāi)啟周期POLL功能，可按需開(kāi)啟該P(yáng)OLL功能，降低了網(wǎng)絡(luò)沖突的概率，提高了ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量；另一方面降低了傳感節(jié)點(diǎn)的功耗，使傳感節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間延長(zhǎng)，提高了設(shè)備的可靠性。

如果傳感節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到協(xié)調(diào)器的配置數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀的應(yīng)答幀，并把當(dāng)前運(yùn)行的固件版本與該應(yīng)答幀數(shù)據(jù)中包含的固件信息做比較，如果節(jié)點(diǎn)當(dāng)前運(yùn)行固件版本比協(xié)調(diào)器中固件信息版本要低，則再根據(jù)協(xié)調(diào)器應(yīng)答幀數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)志位，來(lái)決定是否需要進(jìn)行升級(jí)工作，如圖2（b）所示。

傳感節(jié)點(diǎn)一旦進(jìn)入升級(jí)模式，則開(kāi)始周期發(fā)送固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀數(shù)據(jù)，在發(fā)送完之后調(diào)用NLME_SetPollRate（）函數(shù)開(kāi)啟POLL功能，打開(kāi)超時(shí)等待定時(shí)器。固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀中包含傳感節(jié)點(diǎn)要申請(qǐng)固件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于協(xié)調(diào)器SPI FLASH中的地址及固件數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。協(xié)調(diào)器收到該固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀之后，從該數(shù)據(jù)包中獲取傳感器節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)固件按數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，并從SPI FLASH的該地址空間中讀取指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，在收到傳感器Data?Requst包之后，把讀出的固件數(shù)據(jù)發(fā)送給該傳感節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)接收新的固件數(shù)據(jù)則寫(xiě)入其SPI FLASH中，緊接著申請(qǐng)下一包數(shù)據(jù)。此流程一直循環(huán)到數(shù)據(jù)所有固件數(shù)據(jù)被申請(qǐng)完，具體流程如圖2（c）所示。

傳感節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)完協(xié)調(diào)器中的新固件數(shù)據(jù)后，則把相應(yīng)參數(shù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)共享區(qū)，重啟進(jìn)入Bootloader。引導(dǎo)程序根據(jù)共享區(qū)的數(shù)據(jù)信息，讀取傳感節(jié)點(diǎn)SPI FLASH中新固件數(shù)據(jù)并解壓到內(nèi)部FLASH，從而實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的固件升級(jí)。

3? 分析與評(píng)測(cè)

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，本系統(tǒng)測(cè)試都是采取同一份傳感節(jié)點(diǎn)固件，大小為123 072 B。為了避免傳感節(jié)點(diǎn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)參數(shù)問(wèn)題導(dǎo)致與協(xié)調(diào)器無(wú)法連接，在Zstack?2.5.1a協(xié)議棧[8]上做了修改，在傳感器節(jié)點(diǎn)多次發(fā)送失敗之后，則要重新初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并重啟傳感器節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)的驗(yàn)證分三種方案進(jìn)行，如表2所示。

表2 測(cè)試方案

[方案號(hào)碼＼&；固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)

幀周期 /ms＼&；固件數(shù)據(jù)

是否壓縮＼&；同時(shí)升級(jí)

節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)＼&；方案1＼&；100＼&；否＼&；2個(gè)、5個(gè)、10個(gè)＼&；方案2＼&；100＼&；是＼&；2個(gè)、5個(gè)、10個(gè)＼&；方案3＼&；50＼&；是＼&；2個(gè)、5個(gè)、10個(gè)＼&；]

方案1，方案2測(cè)試結(jié)果如圖3所示。方案2，方案3測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖3可以看出，固件數(shù)據(jù)的壓縮可以在一定程度上縮短傳感節(jié)點(diǎn)固件升級(jí)的時(shí)間，進(jìn)而提升了OTA性能。隨著同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，節(jié)點(diǎn)升級(jí)的時(shí)間相對(duì)于同時(shí)申請(qǐng)下載節(jié)點(diǎn)較少的情況下完成升級(jí)所花費(fèi)的時(shí)間會(huì)有所增加，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)增多導(dǎo)致無(wú)線沖突的概率增大，而數(shù)據(jù)的重發(fā)機(jī)制導(dǎo)致傳感節(jié)點(diǎn)升級(jí)的花費(fèi)時(shí)間增加。同時(shí)，升級(jí)節(jié)點(diǎn)的增多，也會(huì)導(dǎo)致有些傳感節(jié)點(diǎn)因?yàn)槎啻沃匕l(fā)不成功，而引起傳感器節(jié)點(diǎn)重置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，重啟并重新開(kāi)始升級(jí)工作，如圖4（c）中序號(hào)為6、7、9、10號(hào)的節(jié)點(diǎn)。

從圖4可以看出，縮短傳感節(jié)點(diǎn)固件申請(qǐng)包的時(shí)間間隔，在傳感節(jié)點(diǎn)比較少的情況下，極大地縮短了升級(jí)所花費(fèi)的時(shí)間。但是隨著傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的個(gè)數(shù)增加，無(wú)線沖突的概率也隨之增大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)重啟并重新升級(jí)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也隨之增多，如圖4（c）所示。

從圖3與圖4可以看出，隨著同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的傳感節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，傳感節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)重啟重連的概率也會(huì)隨之增加；縮短固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀的周期，在傳感節(jié)點(diǎn)比較少的狀況下極大地提高了OTA的性能。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，確定一個(gè)協(xié)調(diào)器在同一時(shí)刻只允許5個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級(jí)的方案，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的時(shí)間間隔為100 ms。

4? 總結(jié)與展望

本論文提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)OTA技術(shù)的改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)的方案具有多并發(fā)、高可靠、低功耗及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。文中對(duì)代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，在代碼量在很大的情況下，既可以實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)量的減少，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，又降低了硬件成本。對(duì)于數(shù)據(jù)的安全性，本文中沒(méi)有涉及，目前系統(tǒng)沒(méi)有采用特定加密算法，所以無(wú)線下載的安全性等方面有進(jìn)一步的討論空間。

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從圖4可以看出，縮短傳感節(jié)點(diǎn)固件申請(qǐng)包的時(shí)間間隔，在傳感節(jié)點(diǎn)比較少的情況下，極大地縮短了升級(jí)所花費(fèi)的時(shí)間。但是隨著傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的個(gè)數(shù)增加，無(wú)線沖突的概率也隨之增大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)重啟并重新升級(jí)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也隨之增多，如圖4（c）所示。

從圖3與圖4可以看出，隨著同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的傳感節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，傳感節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)重啟重連的概率也會(huì)隨之增加；縮短固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀的周期，在傳感節(jié)點(diǎn)比較少的狀況下極大地提高了OTA的性能。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，確定一個(gè)協(xié)調(diào)器在同一時(shí)刻只允許5個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級(jí)的方案，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的時(shí)間間隔為100 ms。

4? 總結(jié)與展望

本論文提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)OTA技術(shù)的改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)的方案具有多并發(fā)、高可靠、低功耗及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。文中對(duì)代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，在代碼量在很大的情況下，既可以實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)量的減少，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，又降低了硬件成本。對(duì)于數(shù)據(jù)的安全性，本文中沒(méi)有涉及，目前系統(tǒng)沒(méi)有采用特定加密算法，所以無(wú)線下載的安全性等方面有進(jìn)一步的討論空間。

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從圖4可以看出，縮短傳感節(jié)點(diǎn)固件申請(qǐng)包的時(shí)間間隔，在傳感節(jié)點(diǎn)比較少的情況下，極大地縮短了升級(jí)所花費(fèi)的時(shí)間。但是隨著傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的個(gè)數(shù)增加，無(wú)線沖突的概率也隨之增大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)重啟并重新升級(jí)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也隨之增多，如圖4（c）所示。

從圖3與圖4可以看出，隨著同時(shí)申請(qǐng)升級(jí)的傳感節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，傳感節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)重啟重連的概率也會(huì)隨之增加；縮短固件數(shù)據(jù)申請(qǐng)幀的周期，在傳感節(jié)點(diǎn)比較少的狀況下極大地提高了OTA的性能。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，確定一個(gè)協(xié)調(diào)器在同一時(shí)刻只允許5個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)升級(jí)的方案，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的時(shí)間間隔為100 ms。

4? 總結(jié)與展望

本論文提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)OTA技術(shù)的改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)的方案具有多并發(fā)、高可靠、低功耗及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。文中對(duì)代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，在代碼量在很大的情況下，既可以實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)量的減少，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，又降低了硬件成本。對(duì)于數(shù)據(jù)的安全性，本文中沒(méi)有涉及，目前系統(tǒng)沒(méi)有采用特定加密算法，所以無(wú)線下載的安全性等方面有進(jìn)一步的討論空間。

參考文獻(xiàn)

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