分享：ZigBee空中下載技術(shù)研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

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　　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小，供電資源有限，并配置一定計(jì)算能力和無(wú)線通訊能力的傳感節(jié)點(diǎn)組成。對(duì)于傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一定存在程序代碼更新和維護(hù)的需求，但由于傳感節(jié)點(diǎn)分散部署的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的程序升級(jí)變得異常困難。為此，空中下載（over the air， OTA）提供了一種有效的更新手段。本文首先介紹基于 ZigBee協(xié)議的OTA系統(tǒng)，并在CC2530F256 硬件平臺(tái)作出驗(yàn)證。最后，在Z-Stack協(xié)議棧中，設(shè)計(jì)出一種鏡像頁(yè)請(qǐng)求的OTA更新方式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，與原有的鏡像塊請(qǐng)求方式進(jìn)行了比較分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鏡像頁(yè)請(qǐng)求方式可以大大減少網(wǎng)絡(luò)的更新流量，從而提高節(jié)點(diǎn)的更新效率。

　　引言

　　近年來(lái)，由于硬件成本的下降以及制造工藝的進(jìn)步，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步取得大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，如醫(yī)療監(jiān)控，智能電網(wǎng)和智能家居［1］。對(duì)于任何一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，都存在程序代碼升級(jí)的需要。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境中，由于大量節(jié)點(diǎn)分散性部署，節(jié)點(diǎn)的回收工作變得異常困難，使傳統(tǒng)的物理連接的程序更新手段不再適用。對(duì)此，一種有效的解決方案是OTA技術(shù)。

　　空中下載技術(shù)起源于移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)，能夠通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（如GSM）對(duì)SIM卡數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與更新［2］。借鑒于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，空中下載技術(shù)也能應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。與網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議［3］不同，代碼分發(fā)協(xié)議［4］是支撐OTA的核心技術(shù)。前者關(guān)注的是如何迅速高效地中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息，后者關(guān)注的是如何向各節(jié)點(diǎn)完整無(wú)誤地傳遞更新代碼［5］。目前，成熟的代碼分發(fā)協(xié)議已經(jīng)提出，典型的如基于TinyOS系統(tǒng)的Xnp［6］與Deluge［7］，前者提出了單跳網(wǎng)絡(luò)的更新方案，后者支持多跳網(wǎng)絡(luò)更新功能，但都需要具體的硬件平臺(tái)支持。

　　本文移植并驗(yàn)證了一種基于ZigBee協(xié)議［8］的空中下載技術(shù)，其分發(fā)協(xié)議支持點(diǎn)對(duì)多傳輸更新功能，多跳網(wǎng)絡(luò)的代碼分發(fā)功能由路由協(xié)議支撐。在Z-Stack協(xié)議棧［9］下，僅僅支持鏡像塊請(qǐng)求功能，更新效率并不理想。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種高效的鏡像頁(yè)請(qǐng)求功能，能夠提高點(diǎn)對(duì)多的傳輸更新效率，并減少網(wǎng)絡(luò)流量。

　　1. OTA概述

　　ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC），并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）應(yīng)用層（APL）。針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)重編程技術(shù)的需求，ZigBee聯(lián)盟在原有協(xié)議的框架上，提出了一種OTA規(guī)范［10］，作為一個(gè)系統(tǒng)可選的功能模塊。

　　圖1為OTA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：OTA應(yīng)用控制臺(tái)，OTA服務(wù)器，OTA客戶端。其中OTA應(yīng)用控制臺(tái)是上位機(jī)管理軟件，負(fù)責(zé)OTA鏡像管理，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息陳列與發(fā)送更新命令；OTA服務(wù)器負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)送升級(jí)鏡像，并通過(guò)串口與上位機(jī)連接，向應(yīng)用控制臺(tái)匯報(bào)各節(jié)點(diǎn)更新進(jìn)度信息等；OTA客戶端是指遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中的待升級(jí)節(jié)點(diǎn)。

　　根據(jù)代碼的更新范圍，分為整體代碼更新與基于差異性的更新［11］。前者是把所有可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼打包成一個(gè)鏡像分發(fā)給節(jié)點(diǎn)，后者是通過(guò)比較新舊鏡像文件之間的差異，產(chǎn)生一個(gè)編輯腳本，然后把這個(gè)腳本分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行差異性更新。毫無(wú)疑問(wèn)，前者需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，一般為上千字節(jié)級(jí)，增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，但代碼更新操作相對(duì)簡(jiǎn)單；后者發(fā)送的數(shù)據(jù)量雖少，但增加了更新過(guò)程的復(fù)雜度，對(duì)處理器產(chǎn)生更大的負(fù)擔(dān)，帶來(lái)較大的能源損耗。由于ZigBee協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格的要求，其OTA代碼分發(fā)協(xié)議采用前者的鏡像傳輸方式。

　　服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)交互過(guò)程如圖2所示。首先OTA服務(wù)器通過(guò)單播或者廣播方式向OTA客戶端（節(jié)點(diǎn)）發(fā)送鏡像公告（Image Notify），指示新鏡像已經(jīng)準(zhǔn)備好。收到鏡像提示信息后，節(jié)點(diǎn)就向OTA服務(wù)器發(fā)送查詢下一個(gè)鏡像請(qǐng)求（Query Next Image Request），此請(qǐng)求信息包含了當(dāng)前運(yùn)行固件的版本信息。收到該請(qǐng)求后，OTA服務(wù)器作出響應(yīng)（Query Next Image Response）。隨后，OTA客戶端與OTA服務(wù)器通過(guò)二次握手機(jī)制，鏡像塊請(qǐng)求（Image Block Request）和鏡像塊響應(yīng)（Image Block Response），完成整個(gè)鏡像傳輸過(guò)程。當(dāng)OTA客戶端收到鏡像塊數(shù)據(jù)后，把塊數(shù)據(jù)寫(xiě)到第二存儲(chǔ)區(qū)（客戶端當(dāng)前運(yùn)行的鏡像保存在第一存儲(chǔ)區(qū)）。完成下載后，節(jié)點(diǎn)將對(duì)下載后的鏡像進(jìn)行CRC校驗(yàn)。最后，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要更新時(shí)，把新鏡像從第二存儲(chǔ)區(qū)復(fù)制到第一存儲(chǔ)區(qū)，新固件開(kāi)始運(yùn)行，從而完成了整個(gè)升級(jí)過(guò)程。