引言
本文移植并驗(yàn)證了一種基于ZigBee協(xié)議的空中下載(OTA)技術(shù),，其分發(fā)協(xié)議支持點(diǎn)對多傳輸更新功能，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)議棧下,，僅僅支持鏡像塊請求功能，更新效率并不理想,。針對此問題,，設(shè)計(jì)出一種高效的鏡像頁請求功能，能夠提高點(diǎn)對多的傳輸更新效率,，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)訪問層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL),。針對無線傳感網(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,，其作為一個(gè)系統(tǒng)可選的功能模塊,。OTA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)交互過程略——編者注。

2 OTA系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文的OTA系統(tǒng)基于TI公司的ZigBee SoC芯片CC2530F256設(shè)計(jì),，包括硬件與軟件的設(shè)計(jì),。
2．1 硬件系統(tǒng)
CC2530F256內(nèi)部集成一個(gè)增強(qiáng)型8051單片機(jī)，擁有8 KB SRAM和256 KB內(nèi)部Flash存儲器,。內(nèi)部Flash主要用來保存程序代碼和常量數(shù)據(jù),。由于傳統(tǒng)8051代碼存儲空間尋址范圍只有64 KB，CC2530把內(nèi)部256 KBFlash分成8個(gè)bank,，每一個(gè)bank大小是32 KB,，通過寄存器FMA P．MAP[2：0]選擇不同的bank映射到代碼存儲空間，解決了尋址空間受限的問題,。
對于OTA客戶端,，啟動(dòng)代碼位于bank0的0x0000～0x0800地址區(qū)域，大小為2 KB,。其余的254 KB的Flash空間,，用來存儲當(dāng)前固件和其他信息。值得注意的是,，0x0888～0x088B區(qū)域存放了CRC校驗(yàn)信息,，0x088C～0x0897區(qū)域存放了PREAMBLE,，包括鏡像大小、制造商ID,、鏡像類型和鏡像版本號信息,。另外，bank7最后的14 KB空間(0x7C800～0x7FFFF)用作非易失性(None Volatile,，NV)變量區(qū)(12 KB)和特定信息保留區(qū)(2 KB),。

OTA系統(tǒng)升級方案有兩種，分別是片內(nèi)Flash升級和片外Flash升級,?？紤]到一般程序固件大小都超過128KB和以后程序功能升級的擴(kuò)展性，本文采用片外Flash的方案,。采用的片外Flash(M25PE20)容量為256 KB,，通過SPI總線與CC2530之間傳輸數(shù)據(jù)。

2．2 軟件系統(tǒng)
對于基于任務(wù)事件輪詢機(jī)制的Z-Stack工程,，默認(rèn)沒有添加OTA功能,。如果節(jié)點(diǎn)需要開啟OTA功能，首先需要燒寫OTA的啟動(dòng)代碼,。當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成鏡像接收之后,，對新鏡像進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并清空當(dāng)前鏡像的CRC信息,，然后重啟。當(dāng)節(jié)點(diǎn)重啟后,，首先跳轉(zhuǎn)到啟動(dòng)代碼的地址,，開始執(zhí)行如圖1所示的工作流程。

3 OTA的鏡像頁請求實(shí)現(xiàn)
根據(jù)ZigBee OTA的規(guī)范,，OTA客戶端向OTA服務(wù)器請求鏡像的方式有兩種,，分別是鏡像塊請求與鏡像頁請求。鏡像塊請求的OTA更新方式效率較低,。
本文根據(jù)ZigBee OTA的規(guī)范,，在Z-Stack協(xié)議棧上設(shè)計(jì)出鏡像頁請求的更新方式。頁請求命令與塊請求命令類似,，在數(shù)據(jù)幀當(dāng)中附加了鏡像頁大小與響應(yīng)間隔信息,。當(dāng)OTA服務(wù)器收到一次頁請求后，在一定時(shí)間間隔內(nèi)多次向節(jié)點(diǎn)發(fā)送塊響應(yīng),，免去了多次塊請求,。其中，塊響應(yīng)的次數(shù)由鏡像頁大小決定,，時(shí)間間隔由響應(yīng)間隔設(shè)定,。正因?yàn)檎埱竺畹匿J減,，能夠大大減輕整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)擔(dān)，并提高節(jié)點(diǎn)的傳輸更新效率,。

Z-Stack運(yùn)行在一個(gè)OSAL操作系統(tǒng)上,，OSAL是一種基于任務(wù)事件調(diào)度機(jī)制的操作系統(tǒng)。每個(gè)任務(wù)包含若干事件,，每個(gè)事件對應(yīng)一個(gè)事件號,。當(dāng)一個(gè)事件需要產(chǎn)生時(shí)，可以通過API函數(shù)設(shè)置相應(yīng)的事件號,，然后提交給操作系統(tǒng)調(diào)度觸發(fā),。本文設(shè)計(jì)的鏡像頁請求功能正是基于這種機(jī)制。OTA服務(wù)器的鏡像頁請求處理流程如圖2所示,，OTA服務(wù)器為每一個(gè)請求更新的節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)事件號,，并通過請求節(jié)點(diǎn)的短地址索引，設(shè)置特定的事件,。進(jìn)入事件后,，OTA服務(wù)器通過串口向OTA應(yīng)用控制臺請求鏡像數(shù)據(jù)塊，并向節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏡像塊數(shù)據(jù),。通過把事件添加到定時(shí)器鏈表,，就能夠以響應(yīng)間隔為時(shí)間單位，循環(huán)發(fā)送鏡像塊數(shù)據(jù),，直到累計(jì)的發(fā)送鏡像塊大小等于節(jié)點(diǎn)的請求鏡像頁大小,，從而完成一次鏡像頁請求的傳輸過程。

Z-Stack協(xié)議棧有一個(gè)MAC定時(shí)器為操作系統(tǒng)提供計(jì)時(shí),。該定時(shí)器以每1 ms為單位,，更新系統(tǒng)的定時(shí)器事件鏈表。定時(shí)器事件鏈表如圖3所示,，鏈表的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)記錄了任務(wù)號(task_id),、事件號(event_flag)，計(jì)時(shí)時(shí)間(timeout)和下一個(gè)結(jié)點(diǎn)地址(*next),。圖中的ZCL_OTA_MT_ READ n定義為每個(gè)請求節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的事件號,，Response Spacing即為節(jié)點(diǎn)請求的響應(yīng)間隔，把兩者添加到鏈表當(dāng)中,。當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間減為0后,，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定對應(yīng)的事件號，從而使OTA服務(wù)器循環(huán)地向OTA應(yīng)用控制臺索取鏡像塊數(shù)據(jù),，并向節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏡像塊響應(yīng),。

OTA服務(wù)器處理鏡像頁請求的部分代碼段如下：

4 驗(yàn)證與分析
4．1 功能驗(yàn)證
為了驗(yàn)證OTA功能，在CC2530F256平臺上搭建一個(gè)小型樹狀網(wǎng)絡(luò),，并使用Packet Sniffer對OTA更新時(shí)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抓包分析,。4個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的固件并沒有添加溫度采集功能,，所以溫度顯示為0。在新的固件中添加了溫度采集函數(shù),，用于驗(yàn)證OTA更新成功,。
對于某些特定應(yīng)用，需要節(jié)點(diǎn)更新固件后能夠保持原來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。內(nèi)部Flash的NV區(qū)能夠保存節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息,，只要在工程添加NV_INIT與NV_RESTORE預(yù)編譯項(xiàng)，節(jié)點(diǎn)在掉電后還能恢復(fù)原來網(wǎng)絡(luò)信息,。
對4個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行OTA更新,。OTA更新后，溫度采集功能成功添加,，而且傳感節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)短地址沒有發(fā)生變化,，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持完整，驗(yàn)證了進(jìn)行OTA鏡像升級過程中,，并不會(huì)對NV區(qū)進(jìn)行擦除,，有利于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信息的恢復(fù)。
OTA服務(wù)器被配置為路由器(0x06BC),，對傳感節(jié)點(diǎn)(0x0002)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)更新,。第一條短幀是子路由向OTA服務(wù)器發(fā)送Image Block Reque st，應(yīng)用層載荷從第4字節(jié)開始記錄了新鏡像的制造商ID(0x5678),、鏡像類型(0x1234),、版本號(0x00000002)和鏡像塊偏移量。最后1個(gè)字節(jié)記錄了每次傳送最大鏡像塊大小(OTA_MAX_MTU),，默認(rèn)為0x20,，即為32字節(jié)。第二條長幀是OTA服務(wù)器發(fā)送的Image Block Response,，載荷記錄格式與前者類似,，并在最大鏡像塊大小字節(jié)后面附上32字節(jié)鏡像塊信息,，從而完成一個(gè)鏡像塊傳輸周期,。
4．2 效率分析
搭建一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，把OTA服務(wù)器配置成協(xié)調(diào)器,，把所有OTA客戶端配置成節(jié)點(diǎn),，并進(jìn)行如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。
4．2．1 實(shí)驗(yàn)一
為了對比分析兩種更新手段的效率,，分別使用鏡像塊請求命令與鏡像頁請求命令,，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行OTA更新。星形網(wǎng)絡(luò)中,，通過廣播Image Notify,，能夠?qū)Χ喙?jié)點(diǎn)進(jìn)行批量更新,。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模分別為1～6個(gè)節(jié)點(diǎn)，測量了不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點(diǎn)完成更新傳輸所需的時(shí)間,。Min與Max分別
指最快與最慢完成更新傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間,，Ave指平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成更新傳輸所需時(shí)間(使用Max值計(jì)算)。
其中,，鏡像頁請求設(shè)置的Response Spacing為100 ms,，鏡像頁大小為640字節(jié)。鏡像大小統(tǒng)一為113 KB,，并修改OTA_MAX_MTU大小為64字節(jié),。節(jié)點(diǎn)與OTA服務(wù)器間隔均為5 m。鏡像塊,、鏡像頁請求的傳輸時(shí)間分別如表1,、表2所列，響應(yīng)間隔均為100 ms,。

實(shí)驗(yàn)一中,，使用鏡像塊請求，節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏡像塊請求所需時(shí)間為15．5 ms,，OTA服務(wù)器返回鏡像塊響應(yīng)所需時(shí)間實(shí)際為96 ms,，來回確認(rèn)幀時(shí)間大概為1．92+3．84=5．76ms。一個(gè)更新周期傳輸鏡像塊大小為64字節(jié),，完成113KB大小的鏡像傳送需要1765個(gè)周期,。總時(shí)間為(96+15．5 +5．76)×1765=206 963 ms,，這與表1中的測量值207．2 s基本符合,。
本文設(shè)計(jì)的鏡像頁請求中鏡像頁大小為640字節(jié)，每次傳輸鏡像塊大小為64字節(jié),，即節(jié)點(diǎn)發(fā)送1次頁請求可以得到10次塊響應(yīng),。當(dāng)更新1個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，使用鏡像頁請求可以把原來的1 765條請求命令和1 765條確認(rèn)幀減少9／10,，共減少3 177條傳輸幀,。減少的傳輸幀數(shù)量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目成比例增長。
對比表1與表2,，可以發(fā)現(xiàn)無論節(jié)點(diǎn)數(shù)目為多少,，頁請求的平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)的更新傳輸時(shí)間都比塊請求的要短。其中,，發(fā)送鏡像頁請求時(shí)間為15．5 ms,，請求確認(rèn)幀時(shí)間為1．92 ms，節(jié)點(diǎn)為1時(shí)，共減少時(shí)間為(15．5+1．92)×1765×0．9=27 672 ms,，此值與表1和表2的測量值207．2-179．6=27．6 s基本符合,。
4．2．2 實(shí)驗(yàn)二
為了測試鏡像頁請求在點(diǎn)對點(diǎn)更新情況下的最高效率，設(shè)定最短的響應(yīng)間隔為10 ms,，分別測量不同鏡像頁大小的單個(gè)節(jié)點(diǎn)更新傳輸時(shí)間,。使用CC2531(支持USB)作為OTA服務(wù)器，能夠縮短服務(wù)器向應(yīng)用控制臺索取鏡像塊數(shù)據(jù)的時(shí)間,，進(jìn)一步加快更新傳輸效率,。鏡像大小統(tǒng)一為113 KB，OTA_MAX_MTU大小為64字節(jié),，節(jié)點(diǎn)與OTA服務(wù)器間隔均為5 m,。不同鏡像頁大小下的傳輸時(shí)間如表3所列。

實(shí)驗(yàn)二中,，由于采用了支持USB的CC2531,，能夠把OTA服務(wù)器返回的鏡像塊響應(yīng)所需時(shí)間縮短為22．5ms，節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏡像頁請求所需時(shí)間保持為15．5 ms不變,，來回確認(rèn)幀時(shí)間為5．76 ms,。當(dāng)鏡像頁大小為64字節(jié)時(shí)，傳輸所需時(shí)間為(22．5+15．5+5．76)×1765=77 236ms,，也與表3中的測量值77．2 s基本相符,。當(dāng)鏡像頁大小為6 400字節(jié)時(shí)，即請求命令減少到原來的1／100,，時(shí)間縮短了50 s,，更新效率大幅度提高，基本達(dá)到了單個(gè)節(jié)點(diǎn)更新速度的極限,。

結(jié)語
通過無線更新固件,，免去了回收更新節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間，可以達(dá)到更新完成后不破壞當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效果,。另外,，在Z-Stack協(xié)議棧設(shè)計(jì)了一種鏡像頁請求更新方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，當(dāng)批量更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí),，既可以提高節(jié)點(diǎn)的更新效率，又可以大大減小網(wǎng)絡(luò)的更新流量,，并節(jié)省節(jié)點(diǎn)的功耗,。當(dāng)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)更新時(shí),，如果把響應(yīng)間隔縮減為10 ms,，并把鏡像頁設(shè)置得足夠大，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的更新時(shí)間可以縮減為27．3 s,，接近單個(gè)節(jié)點(diǎn)更新速度的極限,。至于使用批量的更新方式還是點(diǎn)對點(diǎn)的更新方式,，視具體的應(yīng)用場合而定。