淺談OTA技術(shù)在家用變頻空調(diào)中的應(yīng)用

李超，王波

（小米科技（武漢）有限公司，武漢，430073）

近幾年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，它賦予空調(diào)很多新穎的功能，如遠(yuǎn)程操控、智能聯(lián)動(dòng)、智能診斷、OTA升級(jí)等［1-2］。其中OTA升級(jí)是非常重要的功能，它解決了空調(diào)安裝后的軟件bug修復(fù)、功能迭代、用戶定制等傳統(tǒng)空調(diào)的痛點(diǎn)問(wèn)題［7-8］。目前空調(diào)行業(yè)內(nèi)，受到室內(nèi)外機(jī)通信速率低導(dǎo)致升級(jí)時(shí)間長(zhǎng)、芯片空間小導(dǎo)致OTA成本高等因素的影響，一般都只是對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)的程序進(jìn)行了OTA升級(jí)，未升級(jí)室外機(jī)的程序。

空調(diào)室外機(jī)的程序主要包含壓縮機(jī)、外風(fēng)機(jī)、PFC的驅(qū)動(dòng)算法，以及一些空調(diào)制冷、制熱的系統(tǒng)控制算法，這一部分程序影響空調(diào)運(yùn)行的可靠性、舒適性等，其OTA需求也是十分強(qiáng)烈。

本文就空調(diào)室外機(jī)的程序OTA進(jìn)行論述，主要對(duì)提高室外機(jī)程序OTA的速度、降低OTA成本等瓶頸問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 空調(diào)OTA功能框架及控制流程

空調(diào)控制系統(tǒng)一般由Wi-Fi模塊、室內(nèi)機(jī)主板和室外機(jī)主板組成，其中室內(nèi)機(jī)主板和Wi-Fi模塊之間通過(guò)串口TTL通信，室內(nèi)機(jī)主板和室外機(jī)主板之間通過(guò)強(qiáng)電電流環(huán)通信，如圖1。

圖1 空調(diào)控制系統(tǒng)通信框圖

在室外機(jī)也具備OTA能力的控制系統(tǒng)中，為了使每次升級(jí)的室內(nèi)機(jī)固件和室外機(jī)固件都一一對(duì)應(yīng)，不出現(xiàn)交叉配套的現(xiàn)象，需要將室內(nèi)機(jī)固件和室外機(jī)固件合并到同一固件包內(nèi)上傳到云端。

OTA過(guò)程一般為Wi-Fi模組從云端獲取最新的固件包，存儲(chǔ)到模組的Code flash中，然后再傳輸給室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)收到固件包之后，按照既定的流程對(duì)室外機(jī)固件和室內(nèi)機(jī)固件進(jìn)行拆包傳輸升級(jí)。常規(guī)流程如圖2。

圖2 空調(diào)控制器程序OTA流程圖

上述OTA流程中，有以下幾點(diǎn)可以提高整個(gè)OTA過(guò)程的穩(wěn)定性及可靠性：

（1）在室內(nèi)機(jī)固件包和室外機(jī)固件包的開(kāi)始部分，增加固件碼頭信息，明確當(dāng)前固件包的合法性校驗(yàn)數(shù)據(jù)以及固件版本，如圖3。OTA時(shí)，空調(diào)先收到固件碼頭信息，對(duì)固件的合法性進(jìn)行檢查，如果不適配本機(jī)型或者錯(cuò)誤的固件，不允許進(jìn)行OTA升級(jí)；另外模組中的固件版本比當(dāng)前室內(nèi)機(jī)或者室外機(jī)的固件版本還低，也不允許進(jìn)行OTA升級(jí)。只有合法且需要升級(jí)的固件，才會(huì)進(jìn)行OTA。

圖3 程序固件包組成示意圖

（2）上傳云端的固件包，包含室外機(jī)固件包和室內(nèi)機(jī)固件包，且將室外機(jī)固件包置于室內(nèi)機(jī)固件包前面，如圖3。此方法可以在升級(jí)時(shí)，室內(nèi)機(jī)在正常運(yùn)行區(qū)對(duì)室外機(jī)固件進(jìn)行傳輸，保證室內(nèi)機(jī)bootloader區(qū)域的空間最小化和功能最簡(jiǎn)化，提高bootloader區(qū)的運(yùn)行可靠性。

（3）室內(nèi)機(jī)在上電時(shí)，從內(nèi)外機(jī)MCU中獲取當(dāng)前室內(nèi)外機(jī)的固件版本，并從模組獲取需要升級(jí)的室內(nèi)外機(jī)目標(biāo)版本，通過(guò)對(duì)版本對(duì)比，確定OTA的執(zhí)行流程，如室外機(jī)無(wú)需進(jìn)行OTA，則會(huì)直接跳過(guò)室外機(jī)的OTA，減少OTA時(shí)長(zhǎng)。

（4）室內(nèi)外機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，采用Xmodem協(xié)議。眾所周知，Xmodem協(xié)議是高可靠性的文件傳輸通信方式。室內(nèi)外機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采用常規(guī)的串口通信；在需要更新室外機(jī)固件時(shí)，內(nèi)外機(jī)切換到Xmodem通信模式進(jìn)行文件傳輸，提高室外機(jī)OTA的效率以及穩(wěn)定性。

2 雙模式通訊波特率

因弱電通信受傳輸距離不夠長(zhǎng)、受強(qiáng)電干擾嚴(yán)重、成本高等原因，家用變頻空調(diào)內(nèi)外機(jī)通信電路普遍采用強(qiáng)電電流環(huán)通信［3］。但強(qiáng)電通信在變頻壓縮機(jī)運(yùn)行期間，容易受到PFC驅(qū)動(dòng)和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的IGBT開(kāi)關(guān)信號(hào)干擾，所以為了通信的穩(wěn)定性和可靠性，一般室內(nèi)外機(jī)通信的波特率都在1,200 bps以下，導(dǎo)致OTA室外機(jī)固件時(shí)，耗時(shí)非常長(zhǎng)。

為避免空調(diào)運(yùn)行的干擾導(dǎo)致OTA數(shù)據(jù)異常，在OTA期間，空調(diào)室內(nèi)外機(jī)一般會(huì)先執(zhí)行關(guān)機(jī)動(dòng)作。基于此原因，在OTA室外機(jī)固件時(shí)，將室內(nèi)外機(jī)通信的波特率提高，由原來(lái)的1,200 bps提高至4,800 bps，可以將OTA時(shí)長(zhǎng)大幅縮短。

3 程序參數(shù)分區(qū)OTA

在空調(diào)產(chǎn)品上市銷售后，如果不是軟件bug和新增控制功能，一般升級(jí)都是根據(jù)售后反饋的問(wèn)題進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，使空調(diào)運(yùn)行更穩(wěn)定，效果更好。所以對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定的空調(diào)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，升級(jí)參數(shù)的概率遠(yuǎn)大于升級(jí)程序的概率。然而參數(shù)所占空間一般只有1～2Kbytes，而程序升級(jí)則高達(dá)數(shù)百Kbytes，所以在只需要升級(jí)參數(shù)的時(shí)候，只對(duì)參數(shù)進(jìn)行OTA，可以極大程度的縮短O(píng)TA時(shí)間［6］。其具體做法是：

（1）將固件包分為室內(nèi)機(jī)程序、室內(nèi)機(jī)參數(shù)、室外機(jī)程序、室外機(jī)參數(shù)4個(gè)部分，在合并這4部分到同一個(gè)固件包的同時(shí)，給每一個(gè)部分增加一條固件包信息，包括版本號(hào)、校驗(yàn)碼等信息，如圖4（a）。

圖4 程序參數(shù)分區(qū)OTA示意圖

（2）在室內(nèi)機(jī)收到Wi-Fi模組傳輸?shù)墓碳畔⒑?，先與空調(diào)器室內(nèi)外機(jī)當(dāng)前的室內(nèi)外機(jī)程序版本號(hào)、參數(shù)版本號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷出哪一部分需要進(jìn)行升級(jí)。如果是需要升級(jí)的部分，則進(jìn)行OTA升級(jí)，如果不需要升級(jí)的部分，則跳過(guò)該部分的升級(jí)，流程如圖4（b）。

4 部分程序OTA

一般情況下，程序編寫(xiě)完成，在編譯的時(shí)候，編譯地址、內(nèi)存占用等都會(huì)根據(jù)編譯的規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，所以程序中任何小的改動(dòng)，都有可能影響整個(gè)編譯結(jié)果［4］。這種情況下，只要程序升級(jí)，那么一定是對(duì)整個(gè)芯片的flash進(jìn)行刷寫(xiě)，是否能有方法做到只升級(jí)程序變動(dòng)的地方呢？這里提出一種方案，如下：

在上一節(jié)所述基礎(chǔ)上，我們?cè)诰帉?xiě)空調(diào)控制程序的時(shí)候，將程序中各個(gè)功能按照模塊來(lái)劃分，如將室內(nèi)機(jī)程序劃分為：通信控制模塊、傳感器采樣模塊、擺葉控制模塊、內(nèi)風(fēng)機(jī)控制模塊等；將室外機(jī)程序劃分為：壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、室外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PFC模塊、頻率控制模塊、膨脹閥控制模塊等。

各個(gè)模塊之間，通過(guò)變量映射、參數(shù)傳遞函數(shù)等方式進(jìn)行消息互通，并解掉所有的耦合關(guān)系，這樣一來(lái)每個(gè)模塊都被獨(dú)立封裝了起來(lái)。最后在編譯程序的時(shí)候，指定每個(gè)功能模塊的編譯地址和占用空間，這樣各個(gè)功能就成了獨(dú)立的模塊。編譯后，由于各模塊之間完全解耦，程序沒(méi)有變化的模塊，其占用的MCU存儲(chǔ)區(qū)間的內(nèi)容也不會(huì)產(chǎn)生變化，如圖5。

圖5 程序模塊解耦編譯示意圖

在生成OTA固件包時(shí)，我們也是先給每個(gè)功能模塊打上碼頭信息標(biāo)簽，按照類似圖3的方式進(jìn)行升級(jí)控制。

這種部分程序OTA的方法，可以有效減短程序功能迭代時(shí)候的OTA時(shí)長(zhǎng)。但此方法也有明顯的缺點(diǎn)：程序模塊解耦，工作量非常大；每個(gè)模塊占用的空間都需要為升級(jí)程序提前做好預(yù)留，對(duì)MCU存儲(chǔ)空間要求較高。

5 不對(duì)等分區(qū)的OTA

上述第3、4節(jié)描述了縮短O(píng)TA耗時(shí)的方法，本節(jié)則描述一種如何減小OTA所需芯片容量空間的方法，以降低OTA成本。

具備OTA功能的空調(diào)器，一般會(huì)將芯片的Flash空間劃分為3部分：Bootloader區(qū)、App區(qū)、備份區(qū)。其中Bootloader區(qū)為啟動(dòng)引導(dǎo)區(qū)，用作校驗(yàn)分區(qū)固件、切換啟動(dòng)分區(qū)等；App區(qū)和備份區(qū)一般是相同大小的兩個(gè)空間，用作互相備份程序，避免在OTA期間，因掉電、通信故障等情況導(dǎo)致空調(diào)無(wú)程序，無(wú)法運(yùn)行［5］。

眾所周知，芯片的價(jià)格與其Flash空間息息相關(guān)，空間越大，芯片價(jià)格越高。傳統(tǒng)的芯片分區(qū)方案，使得備份區(qū)的利用率低，方案成本高。

這里提出一種方法，將芯片的Flash空間也劃分為3部分：Bootloader區(qū)、App區(qū)、應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)。其中App區(qū)與傳統(tǒng)的分區(qū)功能一致，但應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)將空調(diào)的控制功能簡(jiǎn)化，僅做空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)必需的最小控制系統(tǒng)，舍去復(fù)雜的控制功能。

在OTA期間，如果App區(qū)因各種原因升級(jí)失敗，無(wú)法在App區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)程序?qū)⑻D(zhuǎn)到應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)運(yùn)行，為用戶繼續(xù)提供制冷、制熱等服務(wù)，并持續(xù)的獲取新的App區(qū)的固件，在App區(qū)固件升級(jí)成功后，再跳轉(zhuǎn)到App區(qū)，運(yùn)行功能齊全的控制。

因應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)的功能最小系統(tǒng)，其代碼量遠(yuǎn)小于App區(qū)，所以此時(shí)可按照App區(qū)空間大，應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)空間小的方案來(lái)劃分芯片F(xiàn)lash空間。

如圖6所示，程序包大小同為80 Kbytes，傳統(tǒng)分區(qū)方式的App區(qū)和備份區(qū)會(huì)各占124 Kbytes，芯片總?cè)萘啃柽x型為256 Kbytes；而以不對(duì)等分區(qū)方式的App區(qū)滿足大于80 Kbytes，并將應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)簡(jiǎn)化到30 Kbytes以內(nèi)，這樣芯片容量?jī)H需128 Kbytes即可滿足需求。

圖6 不對(duì)等分區(qū)OTA方案示意圖

以上，可以得出，使用不對(duì)等的分區(qū)方案，將備份區(qū)縮小，并用作為應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，可以在滿足設(shè)備不“變磚”的情況下，還能大幅縮小芯片容量需求，降低了芯片的成本。

6 總結(jié)

空調(diào)器在售出安裝后，出現(xiàn)軟件bug、功能迭代、用戶定制等需求時(shí)，如果沒(méi)有OTA功能，就需要售后工程師上門服務(wù)，對(duì)空調(diào)企業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一筆非常大的支出。而OTA功能完美的解決了這個(gè)問(wèn)題，既節(jié)省了空調(diào)企業(yè)的開(kāi)支，也以最快的速度響應(yīng)了用戶的需求。

靈活的改良空調(diào)器的OTA方案，在安全可靠的前提下使得OTA耗時(shí)長(zhǎng)、OTA成本高等痛點(diǎn)問(wèn)題得到良好的解決，本文論述的4種方法可廣泛用于空調(diào)器及其他電器的OTA場(chǎng)景，具有一定的實(shí)用價(jià)值。