基于STM8L的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉h(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碓谌霊羰褂煤箅y以進(jìn)行固件升級(jí)的問題，為了滿足系統(tǒng)軟件的升級(jí)需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉h(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM8L微控制器為核心，利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過對(duì)存儲(chǔ)芯片內(nèi)部空間進(jìn)行合理劃分，增加IAP功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程升級(jí)功能。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；STM8L；燃?xì)獗?/p>

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）24-0107-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著近些年NB-IoT技術(shù)的不斷普及，傳統(tǒng)的設(shè)備終端變得越來越智能化。在傳統(tǒng)燃?xì)獗砩显黾覰B-IoT功能，不僅提高了燃?xì)夤镜男?，也大大方便了用戶的使用[1]，由于燃?xì)獗淼奶厥庑?，安裝后被廣泛分散到不同的用戶家里，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷或需要升級(jí)增加新功能時(shí)，加入了互聯(lián)網(wǎng)之后的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硎沟眠@一切變得簡(jiǎn)單可行。本文基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種安全、簡(jiǎn)單、可靠的物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉h(yuǎn)程升級(jí)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硗ㄟ^NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，結(jié)合手機(jī)App、微信公眾號(hào)等方式實(shí)現(xiàn)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼闹悄苡?jì)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程閥控、遠(yuǎn)程充值等功能。其中，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碛蒘TM8L微控制器、NB-IoT通信單元（Narrow-Band Internet of Things）、基本計(jì)量單元、閥門控制單元、LCD顯示單元（Liquid Crystal Display）、按鍵單元、紅外通信單元、存儲(chǔ)單元等部分組成[2]，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碚w的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，計(jì)量單元通過兩個(gè)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)基本計(jì)量功能，存儲(chǔ)單元通過24LC512芯片實(shí)現(xiàn)，用于計(jì)量數(shù)據(jù)、歷史用氣情況的存儲(chǔ)以及固件升級(jí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。按鍵用于查詢用氣情況和啟動(dòng)數(shù)據(jù)的上報(bào)，短按按鍵LCD液晶將輪顯用氣情況等數(shù)據(jù)，長(zhǎng)按按鍵三秒以上，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗韺?dòng)主動(dòng)上報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳。同時(shí)，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砻刻鞎?huì)在凌晨時(shí)間段錯(cuò)峰向云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上報(bào)和云平臺(tái)指令的接收等功能，而遠(yuǎn)程升級(jí)功能就是利用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砼c云平臺(tái)的交互來實(shí)現(xiàn)更新NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗韮?nèi)部固件的功能，以達(dá)到彌補(bǔ)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砉碳毕莼蛏?jí)新功能的需求。

2 升級(jí)原理

STM8L MCU 是意法半導(dǎo)體公司推出的一款超低功耗的8位微控制器。該系列微控制器集高性能和超低功耗于一身，尤其適合電池供電的系統(tǒng)。因此，本文選擇 STM8L052R8芯片作為NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼闹骺匦酒?/p>

應(yīng)用編程IAP（In Application Programming），是用戶自己的程序在運(yùn)行過程中對(duì)內(nèi)部的Flash區(qū)域進(jìn)行編程燒寫，更新后可以執(zhí)行剛剛燒寫的新的應(yīng)用程序[3]，從而實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部的程序升級(jí)。這里把NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗沓绦蛟O(shè)計(jì)成 Bootloader和App兩個(gè)獨(dú)立的代碼，兩個(gè)代碼通過編譯分別生成不同的hex文件，將兩個(gè)hex文件合并后生成一個(gè)新的hex文件，出廠時(shí)將這個(gè)hex文件燒錄到芯片內(nèi)部[4]，這樣NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砭蛯?shí)現(xiàn)了計(jì)量、顯示、通信、固件升級(jí)等功能。

固件升級(jí)的基本過程：每天凌晨NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗矶紩?huì)主動(dòng)向云平臺(tái)上報(bào)數(shù)據(jù)。云平臺(tái)根據(jù)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砩蠄?bào)的版本號(hào)，決定是否下發(fā)升級(jí)指令，如果需要升級(jí)，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砭蜁?huì)主動(dòng)從云平臺(tái)分包接收升級(jí)的固件包，同時(shí)把接收到的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片內(nèi)部，直到所有包接收完畢，并經(jīng)校驗(yàn)無誤后，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗韺腁pp程序跳轉(zhuǎn)到Bootloader程序，啟動(dòng)內(nèi)部更新程序，實(shí)現(xiàn)固件的自動(dòng)更新。更新完成后調(diào)用重啟功能進(jìn)入新的App程序，至此NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砩?jí)完成。

3 IAP功能實(shí)現(xiàn)

3.1 BootLoader引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)STM8L單片機(jī)的固件升級(jí)功能，必須有一個(gè)BootLoader引導(dǎo)程序來實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)和更新功能，這段程序要盡量做到代碼精簡(jiǎn)，邏輯清晰，還需要有異常處理功能。Bootloader 程序主要完成數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)、固件的更新和程序的跳轉(zhuǎn)等功能，當(dāng)固件更新完成后，Bootloader 程序會(huì)強(qiáng)制從Bootloader程序跳轉(zhuǎn)到App程序，其中，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼幕居?jì)量、顯示、控制和數(shù)據(jù)上報(bào)等功能都是在App程序中實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)STM8L單片機(jī)上電或重啟后程序會(huì)首先執(zhí)行BootLoader這段引導(dǎo)程序，這段程序具體的工作流程如下：BootLoader程序首先會(huì)判斷固件更新的標(biāo)志位有沒有置位，如果沒有置位，就代表固件不需要更新，此時(shí)程序會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到App應(yīng)用程序執(zhí)行NB-IoT燃?xì)獗淼挠?jì)量、顯示、閥控、數(shù)據(jù)上報(bào)等功能，而如果經(jīng)判斷固件更新的標(biāo)志位置位了，就代表有最新的固件需要更新，這個(gè)時(shí)候BootLoader程序就會(huì)進(jìn)入升級(jí)模式，此時(shí)STM8L就會(huì)從指定的存儲(chǔ)地址開始分包讀取固件數(shù)據(jù)，在每一包數(shù)據(jù)讀取完成后會(huì)計(jì)算當(dāng)前這一包數(shù)據(jù)的CRC16值，并將這一值與每包接收到的CRC16值進(jìn)行比較，如果計(jì)算的CRC16值和讀取的CRC16值一致，就代表當(dāng)前這一包數(shù)據(jù)正確，如果這一包數(shù)據(jù)驗(yàn)證無誤后便會(huì)進(jìn)行下一包數(shù)據(jù)的讀取和CRC16的校驗(yàn)，以此循環(huán)，直至所有的數(shù)據(jù)包都讀取并校驗(yàn)無誤以后，BootLoader程序才會(huì)認(rèn)為之前存儲(chǔ)的每一包數(shù)據(jù)單包都沒有問題，在此，為了保證數(shù)據(jù)的進(jìn)一步完整可靠，在進(jìn)行分包校驗(yàn)完成后，同時(shí)增加了整個(gè)固件代碼的整體CRC16校驗(yàn)，將整個(gè)固件的所有數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)CRC16值，并與系統(tǒng)下發(fā)的整個(gè)固件的總的CRC16值進(jìn)行比較，如果CRC16值一致，才會(huì)認(rèn)為之前接收的整個(gè)數(shù)據(jù)包都沒有問題。如果經(jīng)過以上的雙重校驗(yàn)確認(rèn)數(shù)據(jù)完整無誤后，系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)入固件更新模式，此時(shí)系統(tǒng)便會(huì)分包讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)寫入STM8L內(nèi)部指定的Flash地址，直至所有的數(shù)據(jù)寫入完成，并驗(yàn)證無誤后，系統(tǒng)便會(huì)清除固件更新的標(biāo)志位，并調(diào)用跳轉(zhuǎn)指令將代碼跳轉(zhuǎn)到App應(yīng)用程序，從而執(zhí)行NB-IoT燃?xì)獗淼挠?jì)量、顯示、閥控、數(shù)據(jù)上報(bào)等功能，至此固件更新的整個(gè)過程完成，其中，更新過程中的具體工作流程如圖2所示，以下代碼是Bootloader程序的部分代碼，該部分代碼主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、Flash的擦寫等功能。

if（（w_CRC[0] == w_CRC_rcv1） && （w_CRC[1] == w_CRC_rcv2））//總幀校驗(yàn)正確

{

for （i = 0; i < 3; i++）

{

for （n = 0; n < 3; n++）

{

m=0;

ProgramBlock（pAppSrcBlock， MAIN_USER_RESET_ADDR， pAppSrc+i*128）;

while （（FLASH->IAPSR & （uint8_t）FLASH_FLAG_HVOFF） == RESET）{}

for （pAppSrcIndex = 0; pAppSrcIndex < FLASH_BLOCK_BYTES; pAppSrcIndex++）

{ /*！< Read flash byte */

//pApp_Addr=pAppSrcBlock * FLASH_BLOCK_BYTES + MAIN_USER_RESET_ADDR;

pApp_Addr = pAppSrcBlock;

pApp_Addr *= FLASH_BLOCK_BYTES;

pApp_Addr+=MAIN_USER_RESET_ADDR;

if （（*（PointerAttr uint8_t *）（MemoryAddressCast）（pAppSrcIndex + pApp_Addr）） ！= pAppSrc[pAppSrcIndex+i*128]）

{

if（n==2）

{

/*for （i = 0; i < 200; i++）

{

GPIO_SetBits（GPIOD， GPIO_Pin_7）;//低電

delay_ms（5）;

GPIO_ResetBits（GPIOD， GPIO_Pin_7）;//低電

delay_ms（5）;

}

while（（（GPIOG->IDR） & GPIO_Pin_1） == 0）;//按鈕未按下*/

asm（"LDW X， SP "）;

asm（"LD A， $FF"）;

asm（"LD XL， A "）;

asm（"LDW SP， X "）;

asm（"JPF $9000"）;

}

m=1;

break;

}

}

if（m==0） break;

}

pAppSrcBlock += 1;

pAppLen -= FLASH_BLOCK_BYTES;

delay_ms（10）;

pAppTry = 3;

if（pAppLen）;

else break;

}

}

3.2 App程序設(shè)計(jì)

App程序是用來實(shí)現(xiàn)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碛?jì)量、LCD顯示、閥控、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳、網(wǎng)絡(luò)充值等功能的代碼，遠(yuǎn)程升級(jí)功能也是通過NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分包傳輸，具體的工作流程如下：應(yīng)用程序每次與云平臺(tái)交互的時(shí)候都會(huì)主動(dòng)上報(bào)自己的表號(hào)和目前的固件版本號(hào)，云平臺(tái)收到NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)馍蠄?bào)的表號(hào)和版本號(hào)并進(jìn)行分析，如果需要更新便會(huì)在NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)馍蠄?bào)數(shù)據(jù)之后給NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)庀掳l(fā)一條遠(yuǎn)程升級(jí)的啟動(dòng)指令，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)馐盏缴?jí)指令后，會(huì)主動(dòng)向售氣系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求獲取第一包數(shù)據(jù)的指令，云平臺(tái)收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令后，會(huì)將預(yù)先生成的bin格式的固件包數(shù)據(jù)進(jìn)行分包，并根據(jù)上傳上來的包號(hào)將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)打包后下發(fā)給NB-IoT燃?xì)獗?，這里數(shù)據(jù)包的獲取采用的是主動(dòng)向云平臺(tái)獲取的方式，這樣做的好處是升級(jí)過程可控，而且最大程度減小了云平臺(tái)的壓力，通信過程中每包數(shù)據(jù)的最后兩個(gè)字節(jié)跟的是當(dāng)前整個(gè)數(shù)據(jù)包的CRC16值[5]，這樣做的目的是在執(zhí)行BootLoader引導(dǎo)程序時(shí)能夠?qū)︻A(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。而且當(dāng)所有的數(shù)據(jù)包都傳輸完成后，云平臺(tái)會(huì)再次將整個(gè)固件里的所有數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)總的CRC16值下發(fā)給燃?xì)獗?，燃?xì)獗硎盏胶?，?huì)將這個(gè)值存起來，用于數(shù)據(jù)的二次校驗(yàn)，直到所有的包都接收完成后，固件數(shù)據(jù)的接收過程也就完成了。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碓诮邮展碳?shù)據(jù)的過程中，由于NB-IoT信號(hào)不好或者服務(wù)器響應(yīng)慢等問題，會(huì)造成NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗斫邮詹坏皆破脚_(tái)下發(fā)的升級(jí)數(shù)據(jù)，或者出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)不完整的情況，所以App應(yīng)用程序在設(shè)計(jì)的時(shí)候如果長(zhǎng)時(shí)間接收不到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，就需要主動(dòng)再次向云平臺(tái)請(qǐng)求當(dāng)前數(shù)據(jù)包，但是如果多次請(qǐng)求后，仍然接收不到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為此次升級(jí)失敗，這時(shí)便將目前升級(jí)的進(jìn)度存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片內(nèi)部，待下次再次連接后繼續(xù)完成升級(jí)過程。其中，通信過程中每一幀數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式如表1所示：

首先，數(shù)據(jù)包的第1個(gè)字節(jié)是幀頭，也就是幀起始符，這里使用十六進(jìn)制的0xFE表示，幀頭表示這一幀數(shù)據(jù)的開始，第2個(gè)字節(jié)是這一幀數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度是從幀長(zhǎng)度到幀尾的幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，第3個(gè)字節(jié)是這一幀數(shù)據(jù)的功能碼，這里我們將數(shù)據(jù)升級(jí)指令的功能碼定義為十六進(jìn)制的0x55，接下來，從第4個(gè)字節(jié)到第9個(gè)字節(jié)表示的是當(dāng)前NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼谋硖?hào)，這個(gè)是用來區(qū)分不同的NB-IoT燃?xì)獗砩蟼鞯臄?shù)據(jù)的，從第10個(gè)字節(jié)開始為這一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域包含了NB-IoT燃?xì)獗懋?dāng)前的固件版本號(hào)、當(dāng)前的包數(shù)和總包數(shù)，以及傳輸?shù)墓碳?shù)據(jù)等內(nèi)容，接下來跟在數(shù)據(jù)域后面的兩個(gè)字節(jié)是CRC16的校驗(yàn)碼，用于數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，緊接著跟在校驗(yàn)位后面的一個(gè)字節(jié)是這一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束符，這里使用十六進(jìn)制的0x16表示，代表這一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。這就是固件升級(jí)過程中，數(shù)據(jù)通信的格式，NB-IoT燃?xì)獗砩?jí)過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循這樣的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過對(duì)國內(nèi)某燃?xì)夤疽咽褂玫?00臺(tái)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗磉M(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，在凌晨NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗頂?shù)據(jù)錯(cuò)峰上報(bào)的同時(shí)，通過云平臺(tái)給NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硐掳l(fā)啟動(dòng)升級(jí)功能，經(jīng)測(cè)試，100臺(tái)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗碇幸淮紊?jí)成功的有96臺(tái)，升級(jí)失敗的有4臺(tái)，經(jīng)過第二次的升級(jí)，剩下的4臺(tái)設(shè)備也全部升級(jí)成功。

5 結(jié)論

本文針對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砉碳?jí)難的問題，提出了一種基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程升級(jí)方法，并完成了代碼的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程升級(jí)功能也已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，同時(shí)，該方案對(duì)于基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程升級(jí)也具有一定的參考價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】