4G 网络和STM32的远程系统升级

杭州浙达精益机电技术股份有限公司 郑俊翔 陈朱峰 朱 伟

随着4G网络的普及，使野外实时监测设备得以方便的实现，但是安装野外的设备存在着两个问题：（1）设备一般安装的比较偏远；（2）设备一般成分布式排布，每台设备间相距比较远；这样使设备的系统升级极不方便。文章提出了通过4G网络实现以STM32为微控制器的设备的远程系统升级方案。从而实现远程对野外设备的系统升级，大大的提高了生产效率，并且可以及时对设备运行过程中发现的bug进行修复。

在铁轨断轨监测，水源水质监测，输油管道结构健康监测等监测系统中，都需要在野外安装设备，并且存在仪器多，分布广等现象，同时个别监测系统，还会存在着分布式设备之间彼此需要协调交互工作。当出现各种原因，需要对仪器设备固件进行升级时，需要工作人员到现场进行升级，将会严重影响工作效率，并且需要消耗大量的人力物力。本文提出的基于4G网络和STM32的远程升级方案，能有效的解决人员到现场升级设备，并且能够更快更便捷的实现系统的升级，极大的减少了生产成本。

1 远程升级系统的硬件组成

远程升级仪器是基于STM32微控制器，整个仪器的硬件组成包括太阳能供电，电源管理系统，GPRS_4G通信部分，EEPROM外部存储器和其他用户功能模块。图1所示为升级功能部分的的主要硬件组成。

图1 升级功能模块硬件框图

STM32通过串口和GPRS_4G模块进行连接。GPRS_4G通信模块可以实现串口到网络的双向数据透明传输，可以通过此模块实现发送数据到网络上指定的服务器。模块也可以接收来自服务器的数据，并将信息通过串口发送至STM32，如图2所示。

EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程只读存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。做为外部的一个独立存储器，可以在程序升级前后保存系统配置数据，保证系统升级前后数据的一致性。同时也可以为升级提供一些辅助标志功能。

2 IAP实现原理

2.1 程序组成设计

IAP即应用编程，本系统中设计两个程序：Bootloader（引导加载程序）程序和APP（应用程序）程序。Bootloader程序不执行应用的用户功能操作，只负责接收服务器发送过来的系统升级的数据，并跳转到对应的APP程序。APP程序为用户功能代码，执行用户功能操作，同时可以接收服务器的升级请求，跳转到Bootloader程序进行升级操作。

表1 STM32启动方式选择

图2 4G网络传输示意图

2.2 STM32的启动方式

STM32有三种启动模式，用户可以通过设置BOOT0和BOOT1的引脚电平状态，来选择复位后的启动模式，如表1所示。

图3 FLASH存储器空间分配

STM32的FLASH地址起始于0x08000000，正常工作模式下，程序文件就从此地址开始写入。那么栈顶地址存放于0x8000000处，而“中断向量表”的起始地址为0x8000004处。当STM32遇到复位信号后，则从“中断向量表”处取出复位中断服务入口地址，继而执行复位中断服务程序，然后跳转__main函数。

2.3 STM32存储器空间的配置

本系统中使用STM32的FLASH存储器大小是512K，此空间被划分为三大块，分别用于运行Bootloader程序，APP程序1，APP程序2，如图3所示。

远程升级系统，存在着一定的不确定性，如通信中断，仪器缺电等情况，这些情况都会导致系统升级失败，则在升级的过程中，不能把原来的APP程序给擦除了。所以用户功能代码区分为APP程序1和APP程序2两个区域。其中一个区域用于当前运行的程序，另外一个区域用于装载升级程序代码。

图4 Bootloader 程序流程图

因为Bootloader程序只负责升级部分代码，代码量相对APP程序来说较小，这里分配的地址为0x8000000至0x8012000区间，大小为72K。而APP程序为用户代码，需要实现各种实际应用中的功能，代码量相对较大。则把FLASH剩余的空间对半分，分别分配给APP程序1和APP程序2，分配地址为0x8012000至0x8049000和0x8049000至0x8080000，各220K大小的存储空间。

3 远程升级系统的程序设计

3.1 Bootloader程序设计

远程升级系统开机启动时，首先运行的是Bootloader程序。程序首先在外部EEPROM里面读取当前APP程序运行的FLASH存储器空间标志信息，再检测程序是否需要升级。当检测到程序需要升级，则GPRS_4G模块通过网络从服务器上接收升级固件，并存储到当前未被使用的APP程序存储空间里。升级固件接收完毕后，跳转到升级固件存储的APP程序存储空间，运行更新后的程序。如果没有检测到升级，则直接跳转到当前APP程序存储器空间，运行当前APP程序，流程图如图4所示。

表2 通信协议表和示例

当升级过程中出现异常，如升级过程中，网络通信出现中断，长时间接收不到升级固件，则直接跳回到当前APP程序存储器空间，运行当前的APP程序。

图5 APP程序流程图

3.2 APP程序设计

APP程序流程图如图5所示，首先复位存在外部EEPROM里的升级请求信号，然后在EEPROM里面置位当前使用FLASH的标志位。这样下次再进入升级程序后，可以根据EEPROM里的FLASH的使用标志信息，判断升级固件应存放那块APP程序区域。最后进入用户程序，用户程序实时监听是否有升级请求，当有接收到升级请求信号后，跳转到Bootloader程序。

3.3 固件升级通信协议

分布式系统中，由于仪器众多，在进行固件升级时，需要遵循一定的通信协议，才能正确的进行升级。服务器发送的数据分9部分，如表2所示。

为了降低远程传输数据出现的误码率，把升级固件拆分成小包进行传输。包的长度可以根据实际使用的情况，在通信协议里进行设置，如在表2的例子，固件数据包的长度设置为1024个字节。索引号表示当前传输的数据包是第几包，当出现传输错误，CRC32效验不正确时，终端仪器会返回错误接收的数据包的索引号，服务器根据索引号，重新发送此索引号的数据包。当终端仪器正确接收完当前包数据后，给服务器返回应答信号，直到固件升级完成。

结束语：本文着重讲述了基于4G网络和STM32远程系统升级的硬件设计框架，IAP的远程升级原理，系统的程序逻辑设计和固件升级的通信协议。在野外分布式监控系统中，该远程升级系统的运用，极大的提高了生产效率。此设计方案也可以运用到其他的一些需要远程操作的应用场合。