物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉h(yuǎn)程升級的研究與實現(xiàn)

高柱榮,蔣昌茂,劉洪林

(1.桂林市利通電子科技有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541004；2.桂林師范高等?？茖W(xué)校，廣西 桂林 541001；3.桂林航天工業(yè)學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

智能燃?xì)獗硪殉蔀榫用裆钣脷獾囊环N主要計量儀表，被廣泛應(yīng)用并分散地安裝在各戶居民家中，其設(shè)計缺陷修補、功能改進(jìn)或性能提升等需求，在物聯(lián)網(wǎng)時代將變得簡單可行。本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band-intemet of things,NB-IoT)燃?xì)獗眄椖浚芯吭O(shè)計了一種安全、可靠的遠(yuǎn)程升級方案。

1 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碛芍骺匚⒖刂破?micro controller,MCU)、窄帶(narrow band,NB)通信模組、計量單元、閥控單元、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)、蜂鳴器、按鍵、實時時鐘、供電單元等組成，主要實現(xiàn)燃?xì)馐褂昧康牟杉嬃?、連網(wǎng)上報數(shù)據(jù)和接收服務(wù)器下發(fā)的命令數(shù)據(jù)等功能。而遠(yuǎn)程升級功能則是利用物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碜陨砭哂械木W(wǎng)絡(luò)連接特性，通過遠(yuǎn)程操控實現(xiàn)對燃?xì)獗砉碳绦虻母拢杭锤轮骺豈CU內(nèi)的程序，以達(dá)到改進(jìn)和提升的目的。本文的升級系統(tǒng)由業(yè)務(wù)服務(wù)器、燃?xì)獗斫K端和升級服務(wù)器三部分組成。

2 升級原理

STM32L0 MCU是意法半導(dǎo)體公司推出的、基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的系列微控制器[1]，具有集成外設(shè)單元豐富、高性能與超低能耗完美平衡等特性，同時具有低成本的優(yōu)勢，非常適合由電池供電或由能量收集供電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。本文選擇STM32L073RZ作為物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼闹骺豈CU。

應(yīng)用程序編程(in application programming,IAP)技術(shù)是指MCU允許正在運行的程序?qū)ζ瑑?nèi)Flash的部分區(qū)域進(jìn)行編程更新，更新后可以執(zhí)行新的程序，從而實現(xiàn)程序的升級[2-4]。STM32L0芯片有三種啟動模式可選，需要配置為:從Flash主存儲器啟動，才能啟用IAP功能。

升級系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 升級系統(tǒng)組成圖

IAP的具體應(yīng)用可通過多種不同的方式實現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[6]把Flash分成一個Bootloader程序區(qū)和一個APP程序區(qū)。在APP程序中接收升級數(shù)據(jù)包，臨時存儲在EEPROM中，接收完成后重啟系統(tǒng)。在Bootloader程序中，將數(shù)據(jù)從EEPROM拷貝到Flash的APP程序區(qū)完成升級[5-6]。該方案的缺點是需要額外的存儲器硬件、增加了成本，而且升級固件存儲在EEPROM中容易被非法訪問和復(fù)制。對比文獻(xiàn)[5]，文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[8]在Flash中多劃分出了一個文件存儲區(qū)，代替EEPROM存儲升級數(shù)據(jù)包[7-8]，較好地解決了額外增加硬件成本和固件數(shù)據(jù)文件安全的問題。但該方法仍然需要在Bootloader程序中更新APP程序，增加了Bootloader程序的復(fù)雜性和升級失敗機(jī)率。

針對上述方案的不足，本文作了進(jìn)一步的改進(jìn)，程序設(shè)計成Bootloader和APP兩個獨立的工程。APP工程在編譯前通過設(shè)置不同的起始地址，編譯生成兩個固件：APP-A和APP-B。升級時，如果MCU正在運行的是APP-A，則僅更新最新版本APP-B到其對應(yīng)的Flash地址中，不更改原版APP-A固件程序，反之亦然。該設(shè)計可徹底解決升級過程中因意外失敗，導(dǎo)致不可回退到原版本程序的問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 Flash分區(qū)

STM32L073RZ芯片屬于大容量產(chǎn)品，具有192 KB的片內(nèi)Flash存儲器和20 KB的 RAM。Flash的起止地址為0x08000000～0x0802FFFF，共分為1 536頁。每頁大小為128 B。而每扇區(qū)則由32頁4 KB組成。

為實現(xiàn)IAP升級，需要把Flash人為地分成幾個部分：一部分存儲引導(dǎo)程序，即Bootloader程序區(qū)；另一部分存儲用戶應(yīng)用程序，即APP程序區(qū)；還有一部分存儲升級標(biāo)志或用戶程序標(biāo)志，簡稱配置信息區(qū)。本設(shè)計把Flash分成Bootloader程序區(qū)、配置信息區(qū)、APP-A程序區(qū)和APP-B程序區(qū)四個部分。Flash存儲器分區(qū)如表1所示。

表1 Flash存儲器分區(qū)

在Keil MDK-ARM開發(fā)環(huán)境中，編譯BootLoader程序工程時，其起始地址需設(shè)置為0x8000000，空間大小為0x3000。

APP程序工程則需要編譯兩次，得到兩個固件程序。APP-A程序的起始地址設(shè)置為0x8004000，空間大小為0x16000。APP-B程序的起始地址設(shè)置為0x801A000，空間大小為0x16000。另外，還需要將APP程序工程編譯生成的Axf文件，轉(zhuǎn)換成升級固件程序Bin文件，用于實際燒入MCU。設(shè)置User選項卡下的After Build/Rebuildr的Run #1選項為：C:Keil_v5ARMARMCCinfromelf.exe-bin-o.ReleaseTG134_SRC.bin.ReleaseTG134_SRC.axf。編譯后自動轉(zhuǎn)換生成一個TG134_SRC.bin二進(jìn)制文件。

Bootloader程序工程編譯生成的Bootloader.hex文件，需要與APP程序工程生成的APP-A.hex文件合并，生成一個新的HEX文件，用于產(chǎn)品生產(chǎn)時燒錄到MCU中。推薦使用優(yōu)秀的合并工具SEGGER J-Flash進(jìn)行合并。經(jīng)轉(zhuǎn)換生成的APP-A.bin和APP-B.bin文件，需要再經(jīng)過加密才能用于升級，而且加密算法最好使用3DES或SM4以上級別的算法，安全才有保障。

3.2 Bootloader程序設(shè)計

在通常的升級方案中，Bootloader程序是整個方案中的關(guān)鍵部分，需完成初始化程序、升級文件檢測、固件更新以及程序跳轉(zhuǎn)等工作。特別是固件更新，一般耗時較長，容易受到電源不穩(wěn)或外部干擾的影響，造成不可回退的升級失敗。本方案中，Bootloader程序僅從配置信息區(qū)讀取最新版APP程序的存儲地址，然后把程序跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的地址執(zhí)行APP程序；其他的升級功能操作放到APP程序中實現(xiàn)。

以下是程序完整的Bootloader代碼。

Typedef void(*pFunction)(void);

//定義函數(shù)指針類型

pFunction JumpToApplication;

//定義函數(shù)指針

uint32_t u32JumpAddress;

//32位跳轉(zhuǎn)地址

#define CONFIG_ADDRESS(uint32_t)0x08003000

#define APP_A_ADDRESS (uint32_t)0x08004000

#define APP_B_ADDRESS (uint32_t)0x0801A000

void IAP_StartUserApp(uint32_t appAddr)

{

//STM32L073RZ的棧頂?shù)刂分当仨氃诖朔秶鷥?nèi)

if((*(__IO uint32_t *)appAddr >=0x20000000)&&\(*(__IO uint32_t *)appAddr<=0x20004FFF))

{

//讀取程序跳轉(zhuǎn)地址

u32JumpAddress =*(__IO uint32_t *)(appAddr+4);

//初始化函數(shù)指針

JumpToApplication=(pFunction)u32JumpAddress;

//初始化棧頂指針

_set_MSP(*(__IO uint32_t *)appAddr);JumpToApplication();

//跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序

}

}

int main(void)

{

第四，從上述政治與文學(xué)的關(guān)系研究進(jìn)一步拓展，則體現(xiàn)為東方主義視域下的明治文學(xué)家/文人(如:夏目漱石、內(nèi)藤湖南、依田學(xué)海)的中國觀(包括中國形象)或戰(zhàn)爭觀研究。如:李雁南、泊功、宋剛等學(xué)者的研究。［56－58］

uint32_t u32AppAddress = 0;

HAL_Init();

SystemClock_Config();

//讀取最新版本APP程序的存儲地址

u32AppAddress=*(__IO uint32_t *)CONFIG_ADDRESS;

if(APP_B_ADDRESS == u32AppAddress)

//跳轉(zhuǎn)到APP-B程序執(zhí)行

IAP_StartUserApp(APP_B_ADDRESS);else

//跳轉(zhuǎn)到APP-A程序執(zhí)行

IAP_StartUserApp(APP_A_ADDRESS);while(1){}

}

3.3 APP程序設(shè)計

3.3.1 重定向中斷向量表

STM32芯片內(nèi)部通過中斷向量表響應(yīng)中斷。中斷向量表的起始地址是0x08000004。在程序正常運行過程中，如果有中斷發(fā)生，芯片內(nèi)部硬件機(jī)制會將PC指針強(qiáng)制指向中斷向量表，并根據(jù)中斷源取出對應(yīng)中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序[9]。然而，APP程序是一套完整獨立的程序，自有另外一張中斷向量表。其起始地址是APP程序首地址+4，與原Flash中存儲的中斷向量表已發(fā)生了偏移。在APP程序執(zhí)行過程中，如果有中斷請求發(fā)生，PC指針仍然被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到0x08000004地址的中斷向量表，而不是APP程序自己的中斷向量表。因此，需要對中斷向量表進(jìn)行重定向，即配置向量表偏移量寄存器，使之指向APP程序的向量表[10]。

在APP程序的main()函數(shù)中，第一件要做的事情就是重定向中斷向量表，從配置信息區(qū)讀取當(dāng)前APP程序自身的存儲地址，把地址值設(shè)置為APP程序的中斷向量表偏移量。

程序代碼如下。

int main(void)

{

sIAP.CurrAppAddr = *(__IO uint32_t *)CONFIG_ADDRESS;

//讀取當(dāng)前APP程序的存儲地址

if((APP_A_ADDRESS != sIAP.CurrAppAddr)&& \(APP_B_ADDRESS != sIAP.CurrAppAddr))

{

//未設(shè)置則默認(rèn)為APP_A

sIAP.CurrAppAddr = APP_A_ADDRESS;IAP_WriteConfig(CONFIG_ADDRESS,sIAP.CurrAppAddr);

//把APP-A的址址寫入配置信息區(qū)

}

//設(shè)置中斷向量表偏移量

SCB->VTOR = sIAP.CurrAppAddr;HAL_Init();

SystemClock_Config();

//以下是應(yīng)用業(yè)務(wù)和升級包處理程序

}

3.3.2 固件安全傳輸與更新

升級流程如圖2所示。

圖2 升級流程圖

固件升級服務(wù)的安全直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全，因為此服務(wù)能徹底更改終端的運行程序。首先，必須保證新版本固件程序本身經(jīng)過嚴(yán)格測試才能發(fā)布到升級服務(wù)器中。特別是新固件程序自身的再次升級的功能，必須確保升級后的程序，即使有錯誤也有繼續(xù)升級的能力。另一個重點是對內(nèi)部和外部惡意攻擊的提防，如嗅探攻擊、癱瘓升級服務(wù)器攻擊和提供假冒升級固件程序攻擊等。

因此，升級服務(wù)由業(yè)務(wù)系統(tǒng)對特定的終端實施單獨開放，僅有業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)送升級命令，并為該終端標(biāo)記升級允許標(biāo)志后，才允許該終端進(jìn)行升級。升級服務(wù)器的IP、端口等信息也由業(yè)務(wù)系統(tǒng)伴隨升級命令一起發(fā)送給終端，終端內(nèi)不固定存儲升級服務(wù)器的IP及端口。固件程序必須經(jīng)過加密和驗證后，才能存入升級服務(wù)器：即服務(wù)器內(nèi)不存儲固件程序Bin文件，僅存儲加密后的Bin文件，保障服務(wù)器端不泄露程序的Bin文件。

燃?xì)獗斫K端主動與業(yè)務(wù)服務(wù)器連接，在完成正常的抄表、充值等業(yè)務(wù)之后，如果有新版本固件需要升級到終端，則開啟升級。

①由業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)送允許升級命令給終端，通知終端在一定的時間內(nèi)允許升級。

②收到終端的應(yīng)答之后，業(yè)務(wù)服務(wù)器再通知升級服務(wù)器在一定的時間內(nèi)允許某個終端來申請升級。

③收到升級服務(wù)器的應(yīng)答之后，業(yè)務(wù)服務(wù)器給終端發(fā)送升級命令，同時把升級服務(wù)器的IP和端口號通知終端。

④終端主動斷開與業(yè)務(wù)服務(wù)器的連接，重新連接到升級服務(wù)器，并發(fā)送自己當(dāng)前的固件版本信息給升級服務(wù)器，申請升級。

⑤升級服務(wù)器根據(jù)終端當(dāng)前版本信息，選擇一個新版APP固件程序。如果終端當(dāng)前版本為APP-A，則選擇新版APP-B；否則，選擇新版APP-A，把選擇的新版固件程序文件大小等信息反饋給終端。

⑥終端從邏輯地址0開始，按合適的長度請求下載第一包固件數(shù)據(jù)，升級服務(wù)器按請求地址和長度取出固件數(shù)據(jù)返回給終端。

⑦終端把接收到的固件數(shù)據(jù)，經(jīng)過校驗和解密之后，寫入Flash中對應(yīng)的APP程序區(qū)內(nèi)，繼續(xù)請求下載下一包固件數(shù)據(jù)。

⑧當(dāng)終端接收到最后一包固件數(shù)據(jù)并寫入Flash之后，校驗整個新版APP固件程序的合法性。最后，更新配置信息區(qū)的最新版APP程序存儲地址選項的值。這是整個升級過程最為關(guān)鍵的一步。但只更新一個字的內(nèi)容，失敗的機(jī)率可以忽略不計。即使失敗了，終端還可以繼續(xù)運行舊版的程序。

⑨終端主動斷開與升級服務(wù)器的連接，復(fù)位系統(tǒng)。

⑩終端重啟后，連接到業(yè)務(wù)服務(wù)器，通知業(yè)務(wù)服務(wù)器該終端已成功完成升級。

升級過程中，由于網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量或其他的原因，終端有可能會收不到來自服務(wù)器的應(yīng)答，或收到不完整的數(shù)據(jù)。因此，終端需要做很多的容錯措施，如最多3次請求下載同一個數(shù)據(jù)包等。如果本次升級沒有成功，則可等待到下一次連接時再進(jìn)行升級。

4 驗證測試

本課題項目已在國內(nèi)某市安裝的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砩线M(jìn)行了驗證測試，一共測試100臺。一次連接升級就成功的有97臺，其中有92臺的升級耗時在4 min之內(nèi)，另外5臺耗時在4～6 min之間。升級失敗的3臺，再次啟動連接進(jìn)行第2次升級測試，在6 min內(nèi)全部成功完成升級。最后，查看服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)未能在4 min內(nèi)完成升級的燃?xì)獗碛?臺。其信號強(qiáng)度值都沒有超過10(0～31，值越大表示信號越好)，并且都有多次請求下載同一數(shù)據(jù)包的情況；同時，且其安裝位置環(huán)境都是較為封閉、屏蔽物較多。由此可知，物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼木W(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量對升級的成功與否影響較大。

5 結(jié)論

本文主要根據(jù)安全和可靠的要求，充分考慮了終端設(shè)備的安全、固件程序的安全、升級服務(wù)器的安全和升級意外失敗的回退等多個方面的需求，開展整個升級方案的設(shè)計工作。對Flash進(jìn)行了科學(xué)的分區(qū)，在程序設(shè)計上把不可更新的Bootloader程序極簡化，把可重復(fù)升級更新的APP程序精準(zhǔn)化。對終端的升級操作引入了時效性，而升級服務(wù)器IP地址則隱藏化。該方案已在實際應(yīng)用中得到了驗證，對其他物聯(lián)網(wǎng)終端的遠(yuǎn)程升級設(shè)計有一定的參考價值。