基于構(gòu)件的自動(dòng)氣象站嵌入式程序遠(yuǎn)程更新※＊

茅正沖，葉臻，黃芳

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，無錫214122）

茅正沖（副教授）、葉臻（碩士研究生），主要從事嵌入式軟件構(gòu)件技術(shù)方向的研究；黃芳（講師），主要從事工業(yè)控制方向的研究。

引 言

為了確保氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要每隔一定距離架設(shè)一個(gè)自動(dòng)氣象站，與中心站形成一個(gè)自動(dòng)氣象站網(wǎng)。因此，自動(dòng)氣象站數(shù)量多、分布廣，而且很多是架設(shè)在無人值守地區(qū)。由于業(yè)務(wù)上的需求，采集器時(shí)常需要進(jìn)行應(yīng)用程序更新。目前的程序更新方式比較傳統(tǒng)：首先由開發(fā)人員修改源代碼，編譯生成單塊式的應(yīng)用程序，然后由維護(hù)人員帶至現(xiàn)場進(jìn)行更新。這樣的更新方式需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且在一些環(huán)境、氣候惡劣的情況下還難以進(jìn)行。

本文提出的基于構(gòu)件的遠(yuǎn)程更新方案如圖1所示。

1 硬件結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)由客戶端和服務(wù)器端兩部分組成?？蛻舳擞刹杉骱虶PRS模塊兩部分組成，安裝在自動(dòng)氣象站采集箱內(nèi)；上位機(jī)作為遠(yuǎn)程更新服務(wù)器，軟件維護(hù)人員可通過上位機(jī)上的遠(yuǎn)程更新控制軟件與采集器連接，進(jìn)行程序更新。

圖1 基于構(gòu)件的遠(yuǎn)程更新方案

采 集 器 采 用ARM 處理器和嵌入式 Linux 操 作 系統(tǒng)。／mnt／data1／和／mnt／data2／目 錄 采用的是yaffs文件系統(tǒng)，用于保存用戶數(shù)據(jù)；其他目錄采用的是ramdisk文件系統(tǒng)，用于保存系統(tǒng)文件，系統(tǒng)重啟后，保存的內(nèi)容消失，數(shù)據(jù)重新加載，可以防止系統(tǒng)文件被篡改。GPRS模塊使用的是宏電公司的H7118GPRS DTU，用串行通信數(shù)據(jù)線將其與采集器的串行接口連接，即可使采集器通過其與上位機(jī)通信。上位機(jī)上的遠(yuǎn)程更新控制軟件是基于宏電公司提供的數(shù)據(jù)中心開發(fā)包和微軟的MFC類庫開發(fā)的。

圖2 遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 文件傳輸協(xié)議

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇

在自動(dòng)氣象站嵌入式程序遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)氖怯蒐inux共享庫文件、ARM 可執(zhí)行文件、xml文件以及更新配置文件經(jīng)壓縮形成的壓縮包文件，若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生任何錯(cuò)誤、丟包等現(xiàn)象，都有可能導(dǎo)致更新包失效，程序更新無法進(jìn)行。由此可見，本應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蠛芨?，?duì)傳輸速率的要求相對(duì)較低，因此應(yīng)該選用TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

2.2 文件傳輸數(shù)據(jù)包格式

對(duì)TCP包的封包和解包都由DTU 和配套的數(shù)據(jù)中心開發(fā)包中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，所以只需設(shè)計(jì)基于串行接口的文件傳輸數(shù)據(jù)包格式，采集器和上位機(jī)根據(jù)約定的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行文件的傳輸。

為了保證文件傳輸與數(shù)據(jù)采集可以同時(shí)進(jìn)行，在此設(shè)計(jì)了一種與自動(dòng)氣象站通信協(xié)議兼容的文件傳輸數(shù)據(jù)包格式。

服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)包的基本格式為：

PU［……］↙

那么，什么是“創(chuàng)造力”?德國學(xué)者海納特在《創(chuàng)造力》一書中指出:“創(chuàng)造力”一詞來源于拉丁語，大意是創(chuàng)造、創(chuàng)建、生產(chǎn)、造成。它與“成長”詞義相近。從詞源上看，“創(chuàng)造力”指在原先一無所有的情況下，創(chuàng)造出新東西。青年時(shí)代是質(zhì)疑、求索和發(fā)現(xiàn)的時(shí)代，是一個(gè)發(fā)展創(chuàng)造力和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造的階段?！皠?chuàng)造”本來就包含著“成長”的意思。每個(gè)青年在求學(xué)期間，既是在求知，也是在增強(qiáng)創(chuàng)造力，是知識(shí)和能力成長的時(shí)期。

“PU”為包頭，“↙”表示換行符，“［……］”為數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。下面對(duì)不同類型數(shù)據(jù)包的格式做詳細(xì)介紹。

文件名包：

PU［Nn……n［cc］］↙

“N”為文件名包的標(biāo)識(shí)；“n……n”為文件名，長度不定，不超過64字節(jié)；“cc”為校驗(yàn)和，占兩字節(jié)，計(jì)算方法是求出文件名中每個(gè)字符ASCII碼之和，保留最低字節(jié)，再轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的兩字節(jié)ASCII碼。

校驗(yàn)包：

PU［Cm……mcc］↙

“C”為校驗(yàn)包的標(biāo)識(shí)，“m……m”為md5信息摘要的字符串形式，占32字節(jié)；“cc”為校驗(yàn)和，占兩字節(jié)，計(jì)算方法是求出32字節(jié)信息摘要之和，保留最低字節(jié)，再轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的兩字節(jié)ASCII碼。校驗(yàn)包的作用是保證文件內(nèi)容的準(zhǔn)確無誤，這對(duì)提高遠(yuǎn)程更新的可靠性至關(guān)重要，會(huì)在后面的內(nèi)容中詳細(xì)闡述。

PU［Dnnd……dcc］↙

“D”為文件內(nèi)容包的標(biāo)識(shí)；“nn”為包號(hào)，占兩字節(jié)，為一字節(jié)包號(hào)對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)的ASCII碼?！癲……d”為文件內(nèi)容，占512字節(jié)，為256字節(jié)二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)的ASCII碼；“cc”為校驗(yàn)和，占兩字節(jié)，計(jì)算方法是求出512字節(jié)數(shù)據(jù)之和，保留最低字節(jié)，再轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的兩字節(jié)ASCII碼。更新包中的內(nèi)容就是通過此類數(shù)據(jù)包發(fā)送的。其他內(nèi)容包消息略——編者注。

客戶端在收到服務(wù)器端發(fā)送的其他消息后，會(huì)根據(jù)情況給服務(wù)器端回復(fù)ASCII碼表中定義的ACK、NAK 或者CAN 信號(hào)。

2.3 文件傳輸流程

文件傳輸流程如圖3所示。上位機(jī)依次發(fā)送文件名包、校驗(yàn)包、文件內(nèi)容包、文件內(nèi)容包結(jié)束消息、傳輸結(jié)束消息，根據(jù)采集器回復(fù)的信號(hào)決定重發(fā)、發(fā)送下一個(gè)包或者終止發(fā)送。若收到NAK 信號(hào)或者超過設(shè)置的超時(shí)時(shí)間后還未收到信號(hào)，則會(huì)進(jìn)行重發(fā)。重發(fā)超過設(shè)置的次數(shù)之后，將會(huì)終止發(fā)送。這樣可以防止因?yàn)橐恍┨厥馇闆r導(dǎo)致不斷重發(fā)、浪費(fèi)流量的情況。

2.4 更新包的組成

更新包為壓縮文件，壓縮文件中至少應(yīng)包含ARM 可執(zhí)行文件、Linux共享庫文件、xml文件中的一種，更新配置文件必不可少。更新配置文件記錄更新包中的文件名稱以及對(duì)應(yīng)的類型，采集器接收到更新包后，解壓更新包，然后根據(jù)更新配置文件中的配置信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。

構(gòu)件式的數(shù)據(jù)采集程序由框架構(gòu)件、功能構(gòu)件、解析器和配置構(gòu)件4個(gè)部分組成，對(duì)應(yīng)更新包中的ARM 可執(zhí)行文件、Linux共享庫文件和xml文件。

2.5 斷點(diǎn)續(xù)傳的實(shí)現(xiàn)

為了防止GPRS信號(hào)不穩(wěn)定造成通信鏈路中斷、更新包傳輸失敗，從而導(dǎo)致整個(gè)更新包重新傳輸、浪費(fèi)通信流量、增加傳輸時(shí)間，設(shè)計(jì)了一種斷點(diǎn)續(xù)傳機(jī)制，下面詳細(xì)介紹其實(shí)現(xiàn)方法。

在采集器中創(chuàng)建一個(gè)更新包信息記錄文件來記錄未接收完畢的更新包信息，如文件名、信息摘要、接收時(shí)間、斷點(diǎn)位置等。在發(fā)送更新包之前，上位機(jī)會(huì)首先發(fā)送獲取待續(xù)傳文件信息消息給采集器，若采集器中有未接收完成的臨時(shí)文件，則會(huì)返回待續(xù)傳文件信息給上位機(jī)。上位機(jī)從接收到的斷點(diǎn)位置開始發(fā)送文件，采集器在接收過程中，每收到一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包，就會(huì)把新的斷點(diǎn)位置同步到更新包信息記錄文件中。若更新包接收成功，則會(huì)從更新包信息記錄文件中刪除對(duì)應(yīng)的信息。這樣，無論是什么原因?qū)е碌膫鬏斨袛?，在下一次傳輸時(shí)，都能保證采集器從斷點(diǎn)處開始接收更新包。

圖3 文件傳輸流程

2.6 更新包正確性的保證

為了確保更新包的內(nèi)容在傳輸過程中沒有發(fā)生改變，使用了md5算法來驗(yàn)證服務(wù)器端發(fā)送的更新包與客戶端接收到的更新包的一致性。

md5算法是一種不可逆的字符串變換算法，經(jīng)過它計(jì)算得到的md5信息摘要是唯一的，不管字符串發(fā)生了什么變化，計(jì)算得出的md5信息摘要都是不一樣的。通過這種機(jī)制，既保證了更新包內(nèi)容的正確性，又大大提高了更新成功的幾率。

3 自動(dòng)更新的實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用程序目錄結(jié)構(gòu)

應(yīng)用程序目錄結(jié)構(gòu)如圖4 所 示。在／mnt／data1／目 錄 下 有data、info、program＿a、program＿b、program＿download 幾 個(gè)子目錄以及采集程序、更新控制程序和啟動(dòng)腳本。data目錄用于存放采集進(jìn)程生成的氣象數(shù)據(jù)文件；info目錄用于存放應(yīng)用程序的配置文件；program＿a與program＿b目錄用于存放兩個(gè)版本的應(yīng)用采集程序，以確保更新的可靠性；program＿download用于保存接收到的更新包；更新程序、采集程序和啟動(dòng)腳本的作用將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。

圖4 應(yīng)用程序目錄結(jié)構(gòu)

3.2 更新機(jī)制

采集器啟動(dòng)后首先會(huì)運(yùn)行啟動(dòng)腳本，啟動(dòng)腳本根據(jù)加載位置配置文件，從program＿a或program＿b目錄加載采集程序，然后加載更新控制程序。啟動(dòng)腳本執(zhí)行完畢后，采集控制程序和更新進(jìn)程就同時(shí)存在于內(nèi)存之中了。

上位機(jī)發(fā)送更新包時(shí)，采集進(jìn)程會(huì)根據(jù)2.2節(jié)規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式解析數(shù)據(jù)包，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)、文件信息的存儲(chǔ)、文件內(nèi)容的存儲(chǔ)以及應(yīng)答信號(hào)的發(fā)送。更新包接收完畢并確保正確后，若用戶發(fā)送“更新程序消息”，采集進(jìn)程則會(huì)通過消息隊(duì)列發(fā)送消息給更新進(jìn)程，通知更新控制進(jìn)程進(jìn)行采集程序的更新。

更新控制程序流程圖如圖5所示。采集進(jìn)程啟動(dòng)后，會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直至被消息隊(duì)列傳來更新控制程序請(qǐng)求喚醒。接著更新進(jìn)程會(huì)終止當(dāng)前正在運(yùn)行的采集進(jìn)程，解壓更新包，根據(jù)更新配置文件中的配置信息將可執(zhí)行程序、共享庫文件或xml文件移動(dòng)到相應(yīng)的目錄，覆蓋舊版的文件。

然后更新控制進(jìn)程清空消息隊(duì)列，啟動(dòng)新版采集程序。若新版采集程序運(yùn)行成功，則會(huì)向消息隊(duì)列發(fā)送新版采集進(jìn)程信息，在一定時(shí)間內(nèi)，若更新進(jìn)程從消息隊(duì)列中接收到新版采集進(jìn)程信息，則更新成功，否則更新失敗。若更新成功，則修改加載位置配置文件，使加載位置指向新版采集程序的目錄；若更新失敗，則啟動(dòng)舊版采集程序。

通過此種機(jī)制，提高了更新的可靠性，即使更新包存在問題、導(dǎo)致新版采集程序運(yùn)行失敗，也可以運(yùn)行舊版采集程序，保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。由于自動(dòng)氣象站需要不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此這種保證是至關(guān)重要的。

圖5 更新控制程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為根據(jù)此套方案開發(fā)的自動(dòng)氣象站嵌入式程序遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)服務(wù)器，使用此程序與配套的客戶端程序進(jìn)行了多次遠(yuǎn)程更新測試。測試結(jié)果表明，此套方案可以成功地實(shí)現(xiàn)采集程序的遠(yuǎn)程更新。采集程序維護(hù)人員首先通過服務(wù)器設(shè)置配置IP地址和端口號(hào)，DTU 模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)行連接。連接成功后即可選擇更新包發(fā)送，發(fā)送成功后單擊“更新程序”按鈕即可控制采集器自動(dòng)進(jìn)行程序更新。

圖6 自動(dòng)氣象站嵌入式程序遠(yuǎn)程更新服務(wù)器

本方案最大的優(yōu)點(diǎn)是基于構(gòu)件，更新時(shí)，只需發(fā)送由若干構(gòu)件組成的更新包，與傳統(tǒng)的單塊式嵌入式應(yīng)用程序相比，大大節(jié)省了傳輸?shù)牧髁?，提高了更新的效率。?gòu)件化前后的文件大小表略——編者注。

構(gòu)件化之后，雖然文件的總大小191.4KB略大于構(gòu)件化之前的大小175.6KB，但是最大構(gòu)件只有31.8KB，遠(yuǎn)小于單塊式采集程序的大小171.1KB。而在更新時(shí)，更新包中往往只有一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件，因此絕大多數(shù)情況下，構(gòu)件化采集程序更新時(shí)需要耗費(fèi)的流量遠(yuǎn)小于單塊式采集程序，更新成本更低，效率更高。

結(jié) 語

本文基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及嵌入式文件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)氣象站采集程序遠(yuǎn)程更新方案，創(chuàng)新點(diǎn)是以構(gòu)件的形式進(jìn)行更新，更加節(jié)省流量。實(shí)驗(yàn)表明，該方案取得了良好的效果。下一步的工作目標(biāo)是優(yōu)化文件傳輸協(xié)議和壓縮算法，進(jìn)一步提高更新包傳輸?shù)男省p少流量的消耗。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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