CN112291323B - 一种基于mqtt通讯协议的单片机固件升级通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法，包括上位机、MQTT服务器及物联网设备，其中，MQTT服务器位于云端，上位机和物联网设备均为MQTT客户端，上位机和物联网设备之间通过MQTT服务器交互Json数据。本发明提供了MQTT低服务质量(0或1)下的空中下载固件升级方法，克服通讯过程中漏包和重发包对固件传输的影响；本发明对MQTT服务端资源占用低，服务质量要求低，对双方的网络通讯的质量要求低；本发明中，数据核对的冗余计算由上位机承担，对单片机的性能和ROM要求低，固件下载过程由单片机主导，耦合性低。

Description

一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法

技术领域

本发明涉及一种基于MQTT通讯协议的单片机空中下载固件升级方法。

背景技术

物联网是一个通过信息技术将各种物体连接成网络以帮助人们获取这些物体的信息的媒介，其已被广泛应用到智能物流、智能交通、金融管理等各个领域。大量的低成本物联网设备采用低价低性能的单片机作为中央处理器，其常用的通讯协议为MQTT，单片机的空中下载固件升级(firmware update Over The Air)是一个重要的功能。

MQTT(消息队列遥测传输)是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议。

MQTT协议是为大量计算能力有限且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

特性一)使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

特性二)对负载内容屏蔽的消息传输。

特性三)使用TCP/IP提供网络连接。

特性四)有三种消息发布服务质量，分别为：

0：“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。

1：“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

2：“只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况：在计费***中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

特性五)小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量。

特性六)使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

单片机固件升级其实就是IAP(In Application Programming)应用编程，一般包含两个程序：Bootloader程序和APP程序。

通常在用户需要实现IAP功能时，即用户程序运行中作自身的更新操作，需要在设计固件程序时编写两个项目代码：第一个项目程序不执行正常的功能操作，而只是通过某种通信管道(如USB、USART)接收程序或数据，执行对第二个项目代码的更新；第二个项目代码才是真正的功能代码。这两部分项目代码都同时烧录在User Flash中，当芯片上电后，首先是第一个项目代码开始运行，它作如下操作：

步骤1、检查是否需要对第二个项目代码进行更新，若不需要更新则转到步骤3，若需要更新则转到步骤2；

步骤2、执行更新操作后转动步骤3；

步骤3、跳转到第二个项目代码执行。

第一个项目程序代码必须通过其它手段，如JTAG或ISP烧入；第二个项目代码可以使用第一个项目程序代码IAP功能烧入，也可以和第一个项目程序代码一道烧入，以后需要程序更新时再通过第一个项目程序IAP代码更新。

对于STM32来说，因为它的中断向量表位于程序存储器的最低地址区，为了使第一个项目程序代码能够正确地响应中断，通常会安排第一个项目程序代码处于Flash的开始区域，而第二个项目代码紧随其后。

在第二个项目代码开始执行时，首先需要把CPU的中断向量表映像到自己的向量表，然后再执行其他的操作。

如果IAP程序被破坏，产品必须返厂才能重新烧写程序，这是很麻烦并且非常耗费时间和金钱的。针对这样的需求，STM32在对Flash区域实行读保护的同时，自动地对用户Flash区的开始4页设置为写保护，这样可以有效地保证IAP程序(第一个项目程序代码)区域不会被意外地破坏。

常用的IPA代码是基于RS485的MODBUS通讯协议或CAN的UDS通讯协议上实现的，默认通讯前提是可靠的有线连接，无法应用于MQTT消息发布服务质量为0或1的通讯条件下。

发明内容

本发明的目的是：提供一种MQTT低服务质量下的空中下载固件升级方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法，包括上位机、MQTT服务器及物联网设备，其中，MQTT服务器位于云端，上位机和物联网设备均为MQTT客户端，上位机和物联网设备之间通过MQTT服务器交互Json数据，其特征在于，所述单片机固件升级通讯方法包括以下步骤：

步骤1、若新的固件发布，则上位机启动后加载新固件的镜像文件，并获取新固件的版本号；

步骤2、上位机通过对固件版本字段Ver的订阅，确保固件版本字段Ver更新为新固件的版本号的值；

步骤3、上位机订阅物联网设备通讯字段Device和上位机通讯字段Host，通过对上位机通讯字段Host的订阅，确保上位机通讯字段名Host可成功更新；

步骤4、物联网设备上电启动后进入Bootloader程序，通过对固件版本字段名Ver的订阅获得最新的固件版本号A，将固件版本号A与当前物联网设备的当前固件版本号B进行比较，若固件版本号A大于当前固件版本号B，则进入步骤5，否则，进入步骤8；

步骤5、物联网设备申请进行固件下载，包括以下步骤：

步骤501、物联网设备更新物联网设备通讯字段Device的值为固件版本号A；

步骤502、上位机获取更新后的物联网设备通讯字段Device，核对物联网设备通讯字段Device中的版本号与固件版本字段Ver对应的版本号，如相符则更新上位机通讯字段Host为固件参数，否则更新上位机通讯字段Host为表示放弃操作的值；

步骤503、物联网设备在周期T内获取上位机通讯字段Host，若获取失败，则进入步骤505，若获取成功，则进入步骤504；

步骤504、若上位机通讯字段Host为固件参数，则擦除对应ROM，更新物联网设备通讯字段Device为表示请求第i+1行内容的值后将进入步骤6，i值初始化为0，物联网设备将变量C赋值为i值，若上位机通讯字段Host为表示放弃操作的值，则进入步骤8；

步骤505、若重复获取次数超过最大重复次数K，则进入步骤8，否则返回步骤501；

步骤6、进行固件传输，包括以下步骤：

步骤601、上位机获取物联网设备通讯字段Device，将i值更新为i+1后，更新上位机通讯字段Host，将上位机通讯字段Host的值更新为i值以及新固件的镜像文件第i行的内容；

步骤602、物联网设备获取上位机通讯字段Host，先判断上位机通讯字段Host中的i值是否为C+1，若不是，则将当前数据包丢弃，请求上位机重发数据包；若上位机通讯字段Host中的i值是为C+1，则解析上位机通讯字段Host中所包含的新固件的镜像文件第i行的内容，写入ROM，将变量C赋值为更新后的i值，进入步骤603；

步骤603、判断变量C的值是否小于新固件的镜像文件的最大行数，若是，则将物联网设备通讯字段Device更新为表示请求第i+1行内容的值后，返回步骤601，若不是，则进入步骤7；

步骤7、物联网设备进行固件完整性校验，若完整性校验成功，则将结果和新固件版本号写入ROM，单次更新物联网设备通讯字段Device为表示固件更新成功的值，跳转至步骤8；若完整性校验失败，则单次更新物联网设备通讯字段Device为表示固件更新失败的值，重启物联网设备；

若上位机获取的物联网设备通讯字段Device为表示固件更新成功的值或为表示固件更新失败的值，则更新上位机通讯字段Host为空字段；

步骤8、跳转进入App程序，物联网设备正常工作。

优选地，所述步骤2或步骤3中，对所述固件版本字段Ver或所述上位机通讯字段Host的订阅及更新包括以下步骤：

步骤201：以固定数据重发周期T，对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host进行更新，并获取更新后的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值，设上位机在当前数据重发周期T内更新的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值为V1，进入步骤202；

步骤202：上位机在当前数据重发周期T内获得固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值为V2，进入步骤203；

步骤203：若V1＝V2，则固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host更新成功，结束对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host的订阅，否则，返回步骤201。

优选地，所述步骤4中，所述物联网设备运行自带定时重启功能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明提供了MQTT低服务质量(0或1)下的空中下载固件升级方法，克服通讯过程中漏包和重发包对固件传输的影响。

2)本发明对MQTT服务端资源占用低，服务质量要求低，对双方的网络通讯的质量要求低。

3)本发明中，数据核对的冗余计算由上位机承担，对单片机的性能和ROM要求低，固件下载过程由单片机主导，耦合性低。

4)本发明提供的方法基于Json的数据交换格式，兼容性好，上位机软件开发简单，易于测试。

5)本发明仅要求固件文件为ASCII码，可适用常见的HEX，S19等镜像文件格式。

附图说明

图1为上位机数据重发流程；

图2为物联网设备上电启动流程；

图3为物联网设备申请固件下载流程；

图4为固件传输流程。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

在本发明提供的一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法中主要包含上位机、MQTT服务器及物联网设备。MQTT服务器位于云端，上位机和物联网设备均为MQTT客户端，通过MQTT服务器交互Json数据。

本发明具体包括以下步骤：

步骤1、若新的固件发布，则上位机启动后加载新固件的镜像文件，并获取新固件的版本号。

步骤2、上位机通过对固件版本字段Ver的订阅，确保固件版本字段Ver更新为新固件的版本号的值。

步骤3、上位机订阅物联网设备通讯字段Device和上位机通讯字段Host，通过对上位机通讯字段Host的订阅，确保上位机通讯字段名Host可成功更新。

如图1所示，步骤2及步骤3中，对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host的订阅及更新包括以下步骤：

步骤201：以固定数据重发周期T(本实施例中，T＝30秒)，对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host进行更新，并获取更新后的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值，设上位机在当前数据重发周期T内更新的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值为V1，进入步骤202；

步骤202：上位机在当前数据重发周期T内获得更新后的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值为V2，进入步骤203；

步骤203：若V1＝V2，则固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host更新成功，结束对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host的订阅，否则，返回步骤201。

步骤4、如图2所示，物联网设备上电启动后进入Bootloader程序。物联网设备运行自带定时重启功能，如每天0点重启。物联网设备通过对固件版本字段名Ver的订阅获得最新的固件版本号A，将固件版本号A与当前物联网设备的当前固件版本号B进行比较，若固件版本号A大于当前固件版本号B，则进入步骤5，否则，进入步骤8。

步骤5、物联网设备申请进行固件下载，如图3所示，包括以下步骤：

步骤501、物联网设备更新物联网设备通讯字段Device＝{“Firmware”:A(最新固件版本号)}；

步骤502、上位机获取更新后的物联网设备通讯字段Device，核对物联网设备通讯字段Device中的最新固件版本号A与固件版本字段Ver对应的版本号，如相符则更新上位机通讯字段Host为固件参数(起始地址、长度、文本行数)，否则更新上位机通讯字段Host＝{“Command”:“Abort”}，表示放弃操作；

步骤503、物联网设备在周期T内获取上位机通讯字段Host，若获取失败，则进入步骤505，若获取成功，则进入步骤504；

步骤504、若上位机通讯字段Host为固件参数，则擦除对应ROM，更新物联网设备通讯字段Device为{“Line”:i}，i值初始化为0，{“Line”:i}表示请求第i+1行内容，进入步骤6，并且物联网设备将变量C赋值为当前的i值。若上位机通讯字段Host为{“Command”:“Abort”}，则进入步骤8。

步骤505、若重复获取次数超过最大重复次数K，则进入步骤8，否则返回步骤501。

步骤6、进行固件传输，如图4所示，包括以下步骤：

步骤601、上位机获取物联网设备通讯字段Device，将i值更新为i+1后，更新上位机通讯字段Host为{“Line”:i,“Content”:“(第i行内容)”}；

步骤602、物联网设备获取上位机通讯字段Host，先判断上位机通讯字段Host中的i值是否为C+1，若不是，则将当前数据包丢弃，请求上位机重发数据包；若上位机通讯字段Host中的i值是为C+1，则解析上位机通讯字段Host中“Content”的内容，写入ROM，将变量C赋值为更新后的i值，进入步骤603；

步骤603、判断变量C的值是否小于新固件的镜像文件的最大行数，若是，则将物联网设备通讯字段Device更新为{“Line”:i}后(重复更新周期T为30秒)，返回步骤601，若不是，则进入步骤7。

步骤7、物联网设备进行固件完整性校验，若完整性校验成功，则将结果和新固件版本号写入ROM，单次更新物联网设备通讯字段Device为{“CRC”:“Success”}，跳转至步骤8；若完整性校验失败，则单次更新物联网设备通讯字段Device为{“CRC”:“Fail”}，重启物联网设备；

若上位机获取的物联网设备通讯字段Device为{“CRC”:“XX……”}，则更新上位机通讯字段Host为空字段；

步骤8、跳转进入App程序，物联网设备正常工作。

物联网设备在固件下载过程中发生断电，死机，通讯错误等异常时，依靠内部独立看门狗或直接重启，由初始上电过程重新开始固件升级。

Claims (3)

1.一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法，包括上位机、MQTT服务器及物联网设备，其中，MQTT服务器位于云端，上位机和物联网设备均为MQTT客户端，上位机和物联网设备之间通过MQTT服务器交互Json数据，其特征在于，所述单片机固件升级通讯方法包括以下步骤：

步骤1、若新的固件发布，则上位机启动后加载新固件的镜像文件，并获取新固件的版本号；

步骤2、上位机通过对固件版本字段Ver的订阅，确保固件版本字段Ver更新为新固件的版本号的值；

步骤3、上位机订阅物联网设备通讯字段Device和上位机通讯字段Host，通过对上位机通讯字段Host的订阅，确保上位机通讯字段名Host可成功更新；

步骤4、物联网设备上电启动后进入Bootloader程序，通过对固件版本字段名Ver的订阅获得最新的固件版本号A，将固件版本号A与当前物联网设备的当前固件版本号B进行比较，若固件版本号A大于当前固件版本号B，则进入步骤5，否则，进入步骤8；

步骤5、物联网设备申请进行固件下载，包括以下步骤：

步骤501、物联网设备更新物联网设备通讯字段Device的值为固件版本号A；

步骤502、上位机获取更新后的物联网设备通讯字段Device，核对物联网设备通讯字段Device中的版本号与固件版本字段Ver对应的版本号，如相符则更新上位机通讯字段Host为固件参数，否则更新上位机通讯字段Host为表示放弃操作的值；

步骤503、物联网设备在周期T内获取上位机通讯字段Host，若获取失败，则进入步骤505，若获取成功，则进入步骤504；

步骤504、若上位机通讯字段Host为固件参数，则擦除对应ROM，更新物联网设备通讯字段Device为表示请求第i+1行内容的值后将进入步骤6，i值初始化为0，物联网设备将变量C赋值为i值，若上位机通讯字段Host为表示放弃操作的值，则进入步骤8；

步骤505、若重复获取次数超过最大重复次数K，则进入步骤8，否则返回步骤501；

步骤6、进行固件传输，包括以下步骤：

步骤601、上位机获取物联网设备通讯字段Device，将i值更新为i+1后，更新上位机通讯字段Host，将上位机通讯字段Host的值更新为i值以及新固件的镜像文件第i行的内容；

步骤602、物联网设备获取上位机通讯字段Host，先判断上位机通讯字段Host中的i值是否为C+1，若不是，则将当前数据包丢弃，请求上位机重发数据包；若上位机通讯字段Host中的i值是为C+1，则解析上位机通讯字段Host中所包含的新固件的镜像文件第i行的内容，写入ROM，将变量C赋值为更新后的i值，进入步骤603；

步骤603、判断变量C的值是否小于新固件的镜像文件的最大行数，若是，则将物联网设备通讯字段Device更新为表示请求第i+1行内容的值后，返回步骤601，若不是，则进入步骤7；

步骤7、物联网设备进行固件完整性校验，若完整性校验成功，则将结果和新固件版本号写入ROM，单次更新物联网设备通讯字段Device为表示固件更新成功的值，跳转至步骤8；若完整性校验失败，则单次更新物联网设备通讯字段Device为表示固件更新失败的值，重启物联网设备；

若上位机获取的物联网设备通讯字段Device为表示固件更新成功的值或为表示固件更新失败的值，则更新上位机通讯字段Host为空字段；

步骤8、跳转进入App程序，物联网设备正常工作。

2.如权利要求1所述的一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法，其特征在于，所述步骤2或步骤3中，对所述固件版本字段Ver或所述上位机通讯字段Host的订阅及更新包括以下步骤：

步骤201：以固定数据重发周期T，对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host进行更新，并获取更新后的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值，设上位机在当前数据重发周期T内更新的固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值为V1，进入步骤202；

步骤202：上位机在当前数据重发周期T内获得固件版本字段Ver的值或上位机通讯字段Host的值为V2，进入步骤203；

步骤203：若V1＝V2，则固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host更新成功，结束对固件版本字段Ver或上位机通讯字段Host的订阅，否则，返回步骤201。

3.如权利要求1所述的一种基于MQTT通讯协议的单片机固件升级通讯方法，其特征在于，所述步骤4中，所述物联网设备运行自带定时重启功能。

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