CN105573810A - 一种无线传感器网络节点远程升级方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络节点远程升级方法及装置，属于通信、计算机及物联网技术领域。该装置硬件部分包括网络控制器和无线传感器网络节点，设备软件包括上位机软件、网络控制器驱动软件和节点驱动软件三个部分；上位机软件界面用于显示远端所有在线的无线传感器网络节点，并支持手动载入节点的APP文件到上位机，支持选择待升级目标节点，发送即可开始APP文件的分片下发并等待节点自动完成远程升级；数据发送过程有多重校验与重发机制，保证APP文件准确无误地发送至目标节点；当节点升级过程中遭遇掉电等特殊情况时，重启后自动再次重升级，最终完成自身固件的更新。本发明可解决物联网技术蓬勃发展、无线传感器节点大量应用但升级困难的问题，节省人力财力，有助于推动物联网产业的发展。

Description

一种无线传感器网络节点远程升级方法及装置

技术领域

本发明属于通信、计算机及物联网技术领域，涉及一种无线传感器网络节点远程升级方法及装置。

背景技术

物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业的革命性发展，其价值在于让物体也拥有了“智慧”，实现了人与物、物与物之间的沟通。它具有渗透性强、带动作用大、综合效益好的特点。推进物联网的发展和应用，有利于促进生产、生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变，对于提高国民经济和社会生活信息化水平，提升社会管理和公共服务水平，带动相关学科发展和技术创新能力增强，推动产业结构调整和发展方式转变具有重要意义，目前被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一，也将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。目前，在全球范围内物联网正处于起步发展阶段，物联网技术发展和产业应用具有广阔的前景和难得的机遇。物联网的应用可分为监控型(物流监控、污染监控)，查询型(智能检索、远程抄表)，控制性(智能交通、智能家居、路灯控制)，扫描型(手机钱包、高速公路不停车收费)等。

物联网由三个层次组成：感知层，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”的识别；传输层，即通过现有的互联网、广电网络、移动通信网络等实现数据的传输；应用层，把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。其中，感知层用于识别物体、采集信息，包括物理量、标示、音频、视频等数据。它处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。也可以只有数据的短距离传输这一部分，特别是在仅传递物品的识别码的情况下。

无线传感器网络属于感知层，它负责将空间一系列分散的节点单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。具有较大范围、低成本、高密度、灵活布设、实时采集、全天候工作的特点。

无线传感器网络技术广泛地应用于智能家居、交通物流、公共安全、环境保护、智能消防、工业监测、商业应用、医疗健康等各种领域。节点的功能常随着应用需求的变化，需要对节点程序进行升级。常用节点升级办法是通过ISP方式，将新程序下载到节点中。ISP(In-SystemProgramming)在***编程，上位机软件通过串口或SPI方式将可执行文件写入单片机的存储区。其优势是不需要编程器就可以对程序更新，芯片可以直接焊接到电路板上，免去可调试时频繁***取出芯片的不便。但完成新程序的下载实现过程必须借助PC机本地进行。无线传感器网络节点因其布设灵活、范围广使得传统的有线ISP更新方式变得艰难甚至不可行。

IAP(In-ApplicationProgramming)在应用编程，将单片机存储区分为两块，一块被称为BOOT区，另外一块被称为功能程序区。片内FLASH也可根据实际的需求划分为多块。BOOT区运行Bootloader程序，用于执行节点的IAP功能；功能区运行节点功能代码。单片机上电后运行在BOOT区，通过串口或SPI方式接收新程序，接收完毕后再通过FLASH编程技术将接收的文件数据写入功能程序区FLASH，再引导程序指针跳转执行新写入的程序即实现了新程序的下载与运行。通过IAP方式，借助现有的互联网或者移动网，可实现无线传感器网络节点的固件远程升级，节省大量的人力和财力，对于推动物联网产业的发展具有积极意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对在物联网产业高速发展，物联网技术广泛应用到家居、交通、医疗、环境、工业等生活中各个领域，而物联网底层大量无线传感器网络节点程序更新困难的背景下，提出的一种低成本、易操作的无线传感器网络节点远程升级的方法，该方法克服了传统的本地下载升级方式存在的不足，即需要技术人员用PC机有线连接节点、使用专业上位机软件下载新程序，在远程主机上下发节点新固件即可完成节点的固件升级。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无线传感器网络节点远程升级装置，该装置硬件部分包括网络控制器和无线传感器网络节点，设备软件包括上位机软件、网络控制器驱动软件和节点驱动软件三个部分；

PC端上位机软件界面用于显示远端所有在线的无线传感器网络节点，并支持手动载入节点的APP文件到上位机，支持选择待升级目标节点，发送即可开始APP文件的分片下发并等待节点自动完成远程升级；数据发送过程有多重校验与重发机制，保证APP文件准确无误地发送至目标节点；当节点升级过程中遭遇掉电等特殊情况时，重启后自动再次重升级，最终完成自身固件的更新。

进一步，所述网络控制器硬件部分主要包括自带MAC控制器的STM32F107主控、片外FLASH存储器、网卡芯片和射频模块接口；控制器移植运行LwIP协议栈实现TCP/IP功能，并通过网卡芯片接入以太网；主控的串口1引出至射频模块接口，射频模块根据无线传感器网络节点所处的环境进行选择，如节点使用CC2530芯片运行ZigBee协议栈，则控制器的射频模块部分也接CC2530模块，从而实现网络控制器可适应不同无线传感器网络环境、并升级该环境下节点固件程序的目的。

进一步，节点将主控的FLASH分为三个区：BOOT区、标志位区和功能程序区；BOOT区运行Bootloader程序，功能是读取片外存储器固件数据写入主控的功能程序区，并引导程序指针跳转执行功能程序；标志位区设置IAP标志位，当节点有升级任务时标志位置位，Bootloader程序根据该位决定是否进行升级，升级完成时该位清零；功能程序区运行正常节点功能程序，在无升级任务时节点一直运行该区程序。

进一步，所述无线传感器网络节点外置8MB的存储器，并将其划分为64个块每个快128KB，用于存储来自上位机的不同版本APP程序，每个存储快的起始字节位置存储APP程序的版本号；当节点需要逆升级时，上位机下发带有APP版本号及目标节点地址的升级指令，即可由目标节点完成自身固件的快速更新。

进一步，所述APP文件数据被分片成特定格式的数据帧，并采用CRC校验及反馈机制，保证该文件数据的无误传输；网络控制器对每个接收到的APP分片数据进行检验并反馈，校验无误则反馈成功标志并请求下一个分片数据，校验有误则反馈失败并请求重发该分片数据。

本发明还提供了一种无线传感器网络节点远程升级方法，该方法包括以下步骤：

S1：节点在安装使用前下载程序时，将FLASH分为三个区，一区下载Bootloader程序，二区用于设置标志位，三区下载功能程序；

S2：需要更新节点固件时，PC端生成新的功能程序，并转化为“.bin”格式的目标文件；

S3：上位机软件通过互联网/移动网与远程无线传感器网络的网络控制器建立连接，选择需要升级的目标节点，然后载入目标文件并分片生成特定格式帧(由上位机完成)下发目标文件；

S4：网络控制器对接收到的分片目标文件数据进行校验，无误则将数据包再分片，再组装成特定格式的帧转发至目标节点；此处的帧格式采用与上位机相同的分片帧格式，仅数据长度部分不同；

S5：目标节点串口或者SPI方式接收数据并提取出目标文件数据，将该文件数据写入片外FLASH，待文件接收完毕后IAP标志位置位，再软件复位MCU；

S6：节点复位后执行Bootloader程序，通过IAP标志位判断是否满足IAP条件，不满足则直接跳转执行功能程序，满足则读取片外FLASH存储器，将读取到的数据写入功能程序区，然后跳转执行新程序，完成升级。

本发明的有益效果在于：

1)上位机软件支持手动选择需要更新的节点，载入新程序APP文件，点击“下发”按钮下发目标文件即可，剩余工作由***自动完成。在升级过程中，上位机显示APP分片下发的进度与状态，以及节点最终升级的结果。

2)采用了校验反馈与重发机制，保证APP文件数据快速、准确的传输至目标节点，确保节点升级成功。以太网MTU(最大一次传输单元)为1518字节，本发明上位机下发的分片数据采用1KB+12B的格式，在确保有冗余空间的同时最大限度地一次性传输更多有效数据。采用“停等+ACK”传送机制，上位机完成一次分片数据传输后等待网络控制器的反馈信息。网络控制器将接收到的数据进行校验，正确则反馈成功信息并请求下一个分片数据；错误则反馈失败信息并请求重传。传输层采用可靠的TCP传输协议，确保每一个分片数据快速准确的下发至网络控制器。网络控制器与节点是在无线传感器网络的环境下交换数据的，传输通信协议常用的有ZigBee、6LoWPAN、WIA-PA、Bluetooth等。受协议最大传输单元字节数限制，网络控制器将APP文件分片为128B/片，数据帧采用与上位机相同的格式即128B+12B。其中128B为有效APP数据，12B为控制信息。同样，控制器到节点的分片数据传输也采用“停等+ACK”机制，确保APP数据的准确性。

3)当升级过程中遭遇如突然掉电等特殊情况，重启后仍可正常运行Bootloader程序，并将片外FLASH重新写入片内功能程序区，再次跳转执行功能程序。如无硬件故障、节点电量耗尽等不可抗拒的因素，节点均能正常完成升级任务。

4)节点支持快速逆升级，利用片外FLASH分区存储上位机下发的不同版本APP程序，当需要节点更新为之前更新过的某个版本，则仅需上位机下发相应格式的指令，节点收到后根据指令中的APP版本号在片外FLASH中查找目标APP程序，实现节点快速本地程序升级。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的***结构框架图；

图2为本发明的网络控制结构器框架图；

图3为本发明的无线传感器网络节点框架图；

图4为本发明的无线传感器网络节点的IAP过程；

图5为本发明的APP分片帧格式；

图6位本发明的逆升级命令帧格式。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的实现过程包括远程主机、网络控制器和无线传感器网络节点三个部分。远程主机使用相关开发平台生成节点的“.bin”格式APP新程序文件，再通过互联网或者移动网将该目标文件发送至网络控制器；网络控制器通过无线传感器网络将目标文件转发至目标节点上；目标节点收到新程序数据后，使用IAP方式实现自身的固件升级。

远程主机：远程主机可为任意操作***的PC机，负责与无线传感器网络中的网络控制器建立TCP连接，进行数据交换。在PC机上使用MDK、IAR等开发工具生成“.bin”格式的节点新APP文件，并载入上位机软件。上位机读取APP文件并将其分片为1KB/片，不足1KB在其后补零。将每个分片数据添加帧头、帧类型、节点MAC地址、分片号、数据长度和CRC校验部分组成新的分片。其中帧头占用2字节，表示帧的起始；帧类型占用1字节，标志该数据帧的类型，包括数据采集指令、IAP指令，反馈应答指令等；节点MAC地址是无线传感器网络中节点的身份标识，由用户在选择需要升级的节点时确定该值，用于标识需要升级的目标节点，占用2字节；分片号标志分片数据的序列，用于重组APP文件，占用1字节；数据长度记录整个分片的数据字节数，便于网络控制器进行数据重组与校验，占用2字节；CRC校验字节用于校验收发的数据，占用4字节。整个分片数据分为1024字节的bin文件数据和12字节的控制信息，共计1036字节。

采用“停等+ACK”传送机制，即上位机只有在接收到了网络控制器反馈的成功接收分片数据帧并校验成功的ACK码，才下发下一个分片数据，校验失败则重发当前的分片数据帧。当网络控制器判断到分片数据不足1KB时表示所有分片数据发送完毕，反馈接收结束标志，上位机完成APP文件分片发送，等待节点反馈升级进度与状态。

网络控制器：网络控制器功能类似于网关，作用为协议转换与数据转发，实现底层无线传感器网络节点与远程主机之间的通信。它主要硬件构成有：主控STM32单片机，以太网收发器，射频模块，GPRS模块，电源电路，下载电路等。主控移植LwIP协议栈实现控制器的以太网通信，射频模块实现控制器接入无线传感器网络，与目标节点建立通信链路。LwIP协议栈是由瑞士计算机科学院的AdamDunkels等开发的一套嵌入式开源TCP/IP协议栈，它保留了TCP/IP协议栈的主要功能如ARP、TCP、UDP、ICMP等，通常仅需几十KB的RAM和约40KB的ROM就能运行。射频模块移植ZigBee、6LoWPAN、WIA-PA等常用无线传感器网络通信协议，实现与底层无线节点的组网与通信。射频模块通过串口与主控进行数据交换，波特率采用9600bps。

无线传感器网络节点：节点属于被升级对象，处于无线传感器网络环境中，使用IAP方式升级自身程序。节点由MCU、射频模块、片外存储器、电源电路和相关***设备组成。***设备根据节点的功能可以是传感器、开关继电器、调光模块、RFID模块、GPS模块等。IAP(In-ApplicationProgramming)在应用编程，将单片机存储区分为三块，一块被称为BOOT区运行Bootloader程序，用于引导节点程序升级；一块为标志区，用于设置IAP标志；最后一块被称为功能程序区，运行节点功能代码。在无升级任务是，节点执行功能程序区的程序。

节点上电后其主控运行Bootloader程序，该程序通过检查IAP升级标志位判断是否需要升级。需要则读取片外存储器中的APP数据，并写入片内功能程序区FLASH，再引导程序指针跳转执行功能区代码，实现节点程序升级。若不需要升级则直接跳转执行功能代码。在执行功能代码时若接收到新程序数据包，则将其写入片外FLASH，接收完毕后将升级标志位置位，然后软复位主控。主控复位后再次进入Bootloader程序，引导完成节点升级。软复位采用启动看门狗再执行“while(1)”循环不喂狗的方式实现。

图1为本发明的***结构框架图，如图所示，应用层的远程主机通过因特网或蜂窝网与网络控制器通信，网络控制器处于无线传感网络中，通过ZigBee、6LoWPAN等方式与节点组网通信。节点属于感知层设备，根据功能可分为四种类型：监测型、查询型、控制型和扫描型。

图2是网络控制结构器框架图，如图中所述其构成部分为：以太网型主控STM32F107、PHY芯片、RJ45网口、射频模块、GPRS模块、片外存储器、SWD下载电路和电源电路。STM32F107是以Cortex-M3为内核的32位嵌入式处理器，内部集成了MAC控制器接口芯片以支持以太网数据收发。该MAC控制器符合IEEE802.3-2002标准，提供了两种与外置PHY模块连接方式：介质独立接口MII和简化的介质独立接口RMII。RMII是标准的以太网接口，与MII相比使用更少的连接线。本发明所涉及的网络控制器采用RMII标准来连接MAC控制器和PHY芯片，PHY芯片再通过RJ45网口接入以太网。PHY芯片选用的型号为DP83848H，是一款鲁棒性好、功耗低的10/100Mbps单路物理层器件，支持MII和RMII，支持10BASE-T和100BASE-TX以太网外设。本发明使用内置有网络隔离变压器的网口，可增强信号的抗干扰能力，增强信号，使其传输距离更远。除了通过以太网，本发明还使用GPRS模块，保证当无线传感器网络节点特殊用途(如环境监测)、网络控制器难以接入以太网时，远程主机仍能与网络控制器通信。片外存储器用于存储上位机下发的APP文件数据。当节点升级失败请求重发APP文件数据时，可直接读取该文件并转发至目标节点，无需向上位机请求重发。

本发明关于射频模块部分置留了一个插座，含四个有效引脚：VCC、GND、USART1_TX、USART1_RX，即主控通过串口与射频模块通信。与在实际应用中，可根据无线传感器网络节点所属的环境来选择和设计射频电路与通信协议，如最常用的选择CC2530芯片运行ZigBee、6LoWPAN协议栈。

图3是无线传感器网络节点框架图，主要由主控芯片、射频模块、片外存储器、电源电路及相应的***设备。射频模块用于组网通信，片外FLASH存储新的APP程序数据，主控芯片配合***设备实现一定的功能如开关控制、传感器数据采集、抄表等。主控需选择有IAP功能(即支持FLASH编程)的芯片，如STM32、AVR、MSP等系列单片机，都可以配合软件实现IAP功能。选用型号为W25Q64片外FLASH存储器，节点主控通过SPI方式对其进行读写。它的容量为8MB，共128个块，每个块大小为64K。本发明将该存储器的128个块再划分为64个块，每个快128K字节，编号分别为0,1……63，用于存储不同版本的APP程序，并在每个快的起始位置，存储当前APP程序的版本号。当节点需要逆升级固件时，则仅需上位机下发带有APP版本号及目标节点地址的升级指令，节点主控根据APP版本号对64个存储快进行遍历，查到后则将对应存储快中的APP固件写入主控的程序存储区，实现节点快速升级。

图4是节点的升级过程。节点的FLASH分为三个区：BOOT区、标志区和功能程序区，分别用于运行Bootloader程序、设置标志位和运行功能程序。节点上电后运行BOOT区程序，该程序首先检测标志区的IAP标志位是否有效，有效则节点需要升级，读取片外存储器的APP数据并写入功能程序区，然后跳转执行新写入的功能程序。若IAP标志位无效则直接跳转执行旧的功能程序。在节点执行功能程序时若有接收到APP分片数据，则进行校验并反馈。校验成功则反馈成功信息并请求下一分片数据，失败则请求重发。当APP分片数据全部接收完毕后，将其整体写入片外存储器并将IAP标志位置位，然后软复位主控。主控再次启动时检测到IAP标志有效，执行IAP过程实现节点固件升级。当出现有分片数据超次数校验失败时，则向上位机反馈失败信息，供人为决策处理。

图5是APP分片帧格式，规定了上位机下发APP分片数据的格式，具体内容已在发明内容中介绍。其中有效数据为1024字节，控制信息为12字节。

图6为逆升级控制指令，当节点需要被更新到之前更新过的一个固件程序时，无需上位机再下发该APP固件程序，下发图6所示的指令即可由节点自行完成升级。目标节点读取指令中的固件版本号并在片外存储器的64个存储块中查找，找到后则将对应块的固件程序写入节点主控的功能程序区并跳转执行新固件，完成节点逆升级。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络节点远程升级装置，其特征在于：该装置硬件部分包括网络控制器和无线传感器网络节点，设备软件包括上位机软件、网络控制器驱动软件和节点驱动软件三个部分；

PC端上位机软件界面用于显示远端所有在线的无线传感器网络节点，并支持手动载入节点的APP文件到上位机，支持选择待升级目标节点，发送即可开始APP文件的分片下发并等待节点自动完成远程升级；数据发送过程有多重校验与重发机制，保证APP文件准确无误地发送至目标节点；当节点升级过程中遭遇掉电等特殊情况时，重启后自动再次重升级，最终完成自身固件的更新。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络节点远程升级装置，其特征在于：所述网络控制器硬件部分主要包括自带MAC控制器的STM32F107主控、片外FLASH存储器、网卡芯片和射频模块接口；控制器移植运行LwIP协议栈实现TCP/IP功能，并通过网卡芯片接入以太网；主控的串口1引出至射频模块接口，射频模块根据无线传感器网络节点所处的环境进行选择，从而实现网络控制器可适应不同无线传感器网络环境、并升级该环境下节点固件程序的目的。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络节点远程升级装置，其特征在于：节点将主控的FLASH分为三个区：BOOT区、标志位区和功能程序区；BOOT区运行Bootloader程序，功能是读取片外存储器固件数据写入主控的功能程序区，并引导程序指针跳转执行功能程序；标志位区设置IAP标志位，当节点有升级任务时标志位置位，Bootloader程序根据该位决定是否进行升级，升级完成时该位清零；功能程序区运行正常节点功能程序，在无升级任务时节点一直运行该区程序。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络节点远程升级装置，其特征在于：所述无线传感器网络节点外置8MB的存储器，并将其划分为64个块每个快128KB，用于存储来自上位机的不同版本APP程序，每个存储快的起始字节位置存储APP程序的版本号；当节点需要逆升级时，上位机下发带有APP版本号及目标节点地址的升级指令，即可由目标节点完成自身固件的快速更新。

5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络节点远程升级装置，其特征在于：所述APP文件数据被分片成特定格式的数据帧，并采用CRC校验及反馈机制，保证该文件数据的无误传输；网络控制器对每个接收到的APP分片数据进行检验并反馈，校验无误则反馈成功标志并请求下一个分片数据，校验有误则反馈失败并请求重发该分片数据。

6.一种无线传感器网络节点远程升级方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：节点在安装使用前下载程序时，将FLASH分为三个区，一区下载Bootloader程序，二区用于设置标志位，三区下载功能程序；

S2：需要更新节点固件时，PC端生成新的功能程序，并转化为“.bin”格式的目标文件；

S3：上位机软件通过互联网/移动网与远程无线传感器网络的网络控制器建立连接，选择需要升级的目标节点，然后载入目标文件并分片生成特定格式帧(由上位机完成)下发目标文件；

S4：网络控制器对接收到的分片目标文件数据进行校验，无误则将数据包再分片，再组装成特定格式的帧转发至目标节点；此处的帧格式采用与上位机相同的分片帧格式，仅数据长度部分不同；

S5：目标节点串口或者SPI方式接收数据并提取出目标文件数据，将该文件数据写入片外FLASH，待文件接收完毕后IAP标志位置位，再软件复位MCU；

S6：节点复位后执行Bootloader程序，通过IAP标志位判断是否满足IAP条件，不满足则直接跳转执行功能程序，满足则读取片外FLASH存储器，将读取到的数据写入功能程序区，然后跳转执行新程序，完成升级。