分布式智能終端在線升級(jí)系統(tǒng)研究

摘 要 隨著人工智能的日臻成熟，越來(lái)越多的技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、工業(yè)化。而計(jì)算設(shè)備小型化、移動(dòng)化也是當(dāng)下一大趨勢(shì)，這些分布式的智能終端有著強(qiáng)大的邊緣計(jì)算能力，然而，支撐這些設(shè)備運(yùn)算的軟件需要不定期地升級(jí)、更新，以便更好地提供服務(wù)。由于這些設(shè)備的地域分布、部署位置等原因，如果人為升級(jí)，將會(huì)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，十分不便。本文提出一種基于HFS的分布式智能終端升級(jí)系統(tǒng)，采用C/S架構(gòu)，使用MQTT協(xié)議提供通信支持，實(shí)現(xiàn)分布式智能終端的在線升級(jí)。

關(guān)鍵詞 MQTT;HFS;在線升級(jí)

1背景及現(xiàn)狀

智能終端一般具有比較強(qiáng)大的計(jì)算、通信能力，可對(duì)實(shí)時(shí)采集的不同信號(hào)源進(jìn)行自主分析、并與服務(wù)器主機(jī)進(jìn)行通信。支撐起這些功能的是一些基于移動(dòng)端架構(gòu)的軟件，根據(jù)軟件架構(gòu)的不同，一般可分為安卓、IOS架構(gòu)，以及arm架構(gòu)，X86架構(gòu)由于無(wú)法滿足一些工業(yè)場(chǎng)景需求，一般用作服務(wù)器端軟件構(gòu)架。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕量化，許多支持安卓、IOS架構(gòu)的硬件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一些人工智能技術(shù)的落地，如人臉識(shí)別技術(shù)，而使用這一軟件構(gòu)架的終端設(shè)備，由于軟件構(gòu)架中存在系統(tǒng)固件升級(jí)的流程策略，程序包，使版本升級(jí)工作變得十分便捷，只需按照相關(guān)步驟進(jìn)行，即可完成程序包的推送、更新，就像我們手機(jī)中的app更新一樣，成熟穩(wěn)定[1]。

還有很多的智能終端，為了搭載計(jì)算能力更加強(qiáng)大的設(shè)備，采用arm軟件架構(gòu)，雖然arm架構(gòu)的設(shè)備與安卓、IOS設(shè)備在性能上差距不是非常明顯，但其穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)，在很多分布式智能場(chǎng)景中還是終端軟件構(gòu)架的首選。然而，這些arm架構(gòu)設(shè)備的軟件升級(jí)由于沒(méi)有系統(tǒng)自帶的升級(jí)策略、程序包，給應(yīng)用軟件的升級(jí)帶來(lái)極大的不便，這就需要用戶自己通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信，結(jié)合自身實(shí)際，自主開發(fā)一套分布式智能終端在線升級(jí)系統(tǒng)。

2基于HFS的分布式智能終端在線升級(jí)系統(tǒng)

在基于arm架構(gòu)的實(shí)際項(xiàng)目中，終端上的應(yīng)用軟件是通過(guò)python語(yǔ)言編寫的，以腳本方式運(yùn)行。由于終端分布在不同的位置，每次應(yīng)用軟件升級(jí)如果人工執(zhí)行的話，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且不易維護(hù)軟件版本，效率低下。通過(guò)采用C/S架構(gòu)模式的基于HFS的分布式智能終端升級(jí)系統(tǒng)，借助HFS成熟的文件傳輸體系，以及mqtt通信，實(shí)現(xiàn)了分布式終端的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、程序文件傳輸、終端內(nèi)部升級(jí)等一套完整的在線升級(jí)流程[2]。

2.1 基本概念

HFS： Http File Server，是基于http協(xié)議的文件服務(wù)器，比FTP簡(jiǎn)單，只需一句命令即可將指定文件夾設(shè)置為文件服務(wù)器，其他機(jī)器訪問(wèn)指定端口即可訪問(wèn)該文件夾，選擇其下的不同文件可進(jìn)行下載。

MQTT：Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸，是ISO 標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）下基于發(fā)布/訂閱范式、客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸?shù)南f(xié)議，它工作在TCP/IP協(xié)議族上，為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計(jì)，具有輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器）構(gòu)架模式，其中，服務(wù)器主要進(jìn)行HFS服務(wù)器的生成，以及升級(jí)包的維護(hù)，客戶端主要通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)送狀態(tài)信息，服務(wù)器通過(guò)HTPP協(xié)議將升級(jí)包的相關(guān)信息（地址、校驗(yàn)值等）發(fā)送給客戶端，客戶端接收并下載、校驗(yàn)后，將下載狀態(tài)反饋服務(wù)器，完成升級(jí)包的分發(fā)，客戶端再通過(guò)程序升級(jí)策略進(jìn)行升級(jí)包的部署。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1。系統(tǒng)接口信息表如表1。

2.3 升級(jí)包的分發(fā)

升級(jí)包的分發(fā)是升級(jí)工作的關(guān)鍵，只有升級(jí)包能夠從服務(wù)器下載到指定終端，才能進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)。與普通的IP地址點(diǎn)到點(diǎn)傳輸不同，MQTT協(xié)議通過(guò)訂閱/發(fā)布消息模式，無(wú)須具體知道客戶端IP地址，只需根據(jù)訂閱信息即可找到客戶端，這樣一來(lái)，極大方便了相關(guān)信息的傳送與交互，只要發(fā)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(wǎng)通信中，獲取單機(jī)公網(wǎng)IP地址有時(shí)不是那么容易，而采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，提高了效率和準(zhǔn)確度。

升級(jí)包的分發(fā)分為服務(wù)器端和服務(wù)器、智能終端交互兩部分。服務(wù)器負(fù)責(zé)HFS服務(wù)器的搭建以及升級(jí)包的維護(hù)，智能終端主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)上報(bào)自身狀態(tài)，主動(dòng)連接服務(wù)器，一旦接收到服務(wù)器下發(fā)的升級(jí)包信息，立即下載，并通過(guò)校驗(yàn)，反饋下載結(jié)果，形成與服務(wù)器的交互[3]。

服務(wù)器端操作主要步驟可分為：

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

（2）升級(jí)包維護(hù)，選擇升級(jí)包并上傳到HFS服務(wù)器，為下發(fā)做準(zhǔn)備。

（3）文件MD5值計(jì)算，提供通信校驗(yàn)。

服務(wù)器、智能終端的交互，是升級(jí)包下載的關(guān)鍵，通過(guò)MQTT的信息交互，完成下載工作的準(zhǔn)備，再讓智能終端通過(guò)升級(jí)包地址下載，并通過(guò)計(jì)算MD5值與源升級(jí)包進(jìn)行校驗(yàn)，完成下載過(guò)程。整體過(guò)程如圖2，可概括如下。

服務(wù)器：

（1）通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)時(shí)接收智能終端發(fā)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(fā)送升級(jí)包地址、版本、MD5等信息。

智能終端：

（1）實(shí)時(shí)接收服務(wù)器下發(fā)的升級(jí)包信息，包括地址、版本等。

（2）按照接收到的地址下載升級(jí)包，保存并計(jì)算MD5值。

（3）MD5校驗(yàn)后，將下載結(jié)果發(fā)送服務(wù)器。

（4）維護(hù)版本配置文件。為執(zhí)行升級(jí)操作，創(chuàng)建一個(gè)版本配置文件，每次下載成功后，將“最新版本”字段維護(hù)為下載到的升級(jí)包版本。

（5）根據(jù)升級(jí)包替代策略，重新啟動(dòng)程序。

圖2 服務(wù)器、智能終端交互流程圖

2.3 智能終端自主升級(jí)

每次智能終端上電開機(jī)，系統(tǒng)都要自動(dòng)讀取版本配置文件，通過(guò)比較“當(dāng)前版本”與“最新版本”，并查看是否存在最新版本升級(jí)包，來(lái)執(zhí)行升級(jí)包的替換工作。主要流程可概括以下步驟：

（1）每次開機(jī)讀取配置文件，比較版本。

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

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

（4）啟動(dòng)主程序，若能夠正常啟動(dòng)，則替換成功;若啟動(dòng)異常，則在主程序運(yùn)行目錄下刪除升級(jí)包，再啟動(dòng)原有主程序[4]。

3結(jié)束語(yǔ)

智能終端越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給我們的工作、生活帶來(lái)了極大便利，也讓人工智能技術(shù)在不同領(lǐng)域中落地開花，承載這些技術(shù)的軟件需要不斷升級(jí)更新，而為了滿足場(chǎng)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(jí)帶來(lái)極大不便，雖然基于安卓系統(tǒng)的軟件構(gòu)架能夠滿足OTA遠(yuǎn)程升級(jí)的要求，但是同樣廣泛應(yīng)用的嵌入式軟件構(gòu)架的終端沒(méi)有現(xiàn)成的升級(jí)策略及架構(gòu)，這使得很多情況下，需要根據(jù)自身項(xiàng)目實(shí)際，自主開發(fā)一套適應(yīng)項(xiàng)目的分布式升級(jí)系統(tǒng)。

本文描述的分布式智能終端升級(jí)系統(tǒng)，是面向arm架構(gòu)、嵌入式軟件的一種分布式升級(jí)系統(tǒng)，它采用C/S的模式，通過(guò)MQTT通信協(xié)議傳輸狀態(tài)信息，服務(wù)器端可根據(jù)狀態(tài)信息選擇向指定終端發(fā)布升級(jí)包的下載信息，再通過(guò)服務(wù)器生成HFS服務(wù)，智能終端可自動(dòng)下載升級(jí)包，并進(jìn)行MD5校驗(yàn)，通過(guò)后完成升級(jí)包的下載。在每次終端上電啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)讀取配置文件信息，執(zhí)行主程序升級(jí)包的替換策略，保證了主程序的及時(shí)更新，極大提高了升級(jí)效率，壓縮了成本，有著極大的應(yīng)用前景和價(jià)值。同時(shí)，還有幾點(diǎn)不足，可在后續(xù)項(xiàng)目工作中不斷提高，讓該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更加靈活、有效。

（1）主動(dòng)式升級(jí)包分發(fā)機(jī)制?，F(xiàn)有系統(tǒng)是服務(wù)器通過(guò)查看終端在線情況，人為選擇向指定終端分發(fā)升級(jí)包，屬于被動(dòng)行為，后續(xù)系統(tǒng)可向終端主動(dòng)上報(bào)程序版本，服務(wù)器端有升級(jí)包更新時(shí)，自動(dòng)向終端分發(fā)升級(jí)包的方向改進(jìn)，這樣可減少遺漏，也把升級(jí)包分發(fā)的策略交給服務(wù)器端，減輕了終端的計(jì)算量，讓有限的計(jì)算資源在主業(yè)務(wù)中起到最大作用。

（2）斷點(diǎn)續(xù)傳機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中，很多情況下是都是基于公網(wǎng)通信的，通信質(zhì)量有時(shí)受基站信號(hào)影響不是很好，斷網(wǎng)現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，需要在網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)續(xù)傳、通信重聯(lián)等機(jī)制上不斷改進(jìn)完善，為升級(jí)工作提供有力保障[5]。

以上，是針對(duì)本系統(tǒng)的全面論述，在今后的工作中，還會(huì)根據(jù)應(yīng)用中的不足不斷改善，以做到更好、更高效地實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的落地。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李娜.MQTT數(shù)據(jù)交換協(xié)議的分析與優(yōu)化[J].網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)時(shí)代，2019（8）：59-62.

[4] 施慶國(guó)，尚海立，馬婕，等.智能網(wǎng)聯(lián)汽車的OTA升級(jí)方案[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).2018中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)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(tǒng)智能電視OTA差分升級(jí)模式的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介

王經(jīng)緯（1987-），男，河北滄州人;學(xué)歷：碩士研究生學(xué)歷，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：中車研究院，研究方向：智能軟件研究。