一種基于移動網(wǎng)絡(luò)多功能航標(biāo)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程更新的實現(xiàn)

◎ 張義欣 吳昊 黃加順 天津海事局

李棟 天津天元?？萍奸_發(fā)有限公司

1.引言

港域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一個建于港口，用于監(jiān)測港域海洋環(huán)境素（如水溫、潮流、流向、水位、風(fēng)力、風(fēng)向等），并為船舶進(jìn)出港、離靠泊提供安全保障的監(jiān)測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。其核心是及時將海洋環(huán)境要素觀測值予以傳輸和顯示。系統(tǒng)的使用更好地輔助海事管理人員進(jìn)行通航環(huán)境的監(jiān)測、日常船舶通行的管理以及水上交通安全事故的應(yīng)急處置工作，進(jìn)一步提升天津海事局船舶交通管理能力，并進(jìn)一步促進(jìn)提升天津海事局其海事業(yè)務(wù)信息化水平。

多功能航標(biāo)作為觀測設(shè)備載體，航標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是多功能航標(biāo)的核心。其通信手段可以采用移動網(wǎng)絡(luò)（移動、電信、聯(lián)通三大運營商）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（短報文功能）、海事衛(wèi)星、甚高頻VHF（Very high frequency）等。本文介紹一種基于移動網(wǎng)絡(luò)通信的多功能航標(biāo)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程更新的實現(xiàn)。

圖1 STM32 flash分配布局圖

近年來隨著移動網(wǎng)絡(luò)的大力建設(shè)，擴大了近海移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，也為多功能航標(biāo)的大規(guī)模布放提供了通信支撐，加速推進(jìn)了多功能航標(biāo)的發(fā)展。移動網(wǎng)絡(luò)作為多功能航標(biāo)數(shù)據(jù)交換的媒介已廣泛使用。依托移動網(wǎng)絡(luò)對多功能航標(biāo)采集系統(tǒng)功能更新升級也成為一種手段，使用無線方式升級可以節(jié)省大量的人力、物力和財力。

由于移動網(wǎng)絡(luò)信號作用距離有限，并且受天氣、風(fēng)向等環(huán)境因素影響嚴(yán)重，大多數(shù)海上多功能航標(biāo)信號不夠穩(wěn)定，通信丟包情況嚴(yán)重，所以需要借助應(yīng)用內(nèi)編程、分包傳輸與中斷續(xù)傳等方式保證多功能航標(biāo)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程更新的可靠性和成功率。

2.關(guān)鍵技術(shù)

2.1 應(yīng)用內(nèi)編程(IAP)

應(yīng)用內(nèi)編程(IAP In Application Programming)即應(yīng)用內(nèi)編程，是用戶自己的程序在運行過程中對User Flash的部分區(qū)域進(jìn)行燒寫，目的是為了在產(chǎn)品發(fā)布后可以方便地通過預(yù)留的通信口對產(chǎn)品中的固件程序進(jìn)行更新升級。通常在實現(xiàn)IAP功能時，即用戶程序在運行過程中進(jìn)行自身程序的更新操作，需要在設(shè)計程序時編寫兩個部分的代碼，第一個部分的程序不執(zhí)行正常的功能操作，只是通過某種通信管道(如USB、USART)接收程序或數(shù)據(jù)，用來執(zhí)行對第二部分代碼的更新操作，第二個部分的代碼才是真正的功能代碼。這兩部分代碼都同時燒錄在User Flash中，當(dāng)芯片上電后，第一部分代碼開始運行，檢查是否需要對第二部分代碼進(jìn)行更新，如果需要更新就直接運行第二部分代碼，如果需要更新，先執(zhí)行更新操作，等更新完成后執(zhí)行第二部分代碼。

圖2 更新流程圖

本文的IAP功能的實現(xiàn)，使用基于Arm Coretex-M3架構(gòu)的STM32F10x系列芯片。STM32復(fù)位后，從0x08000004地址取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷服務(wù)程序，在運行完復(fù)位中斷服務(wù)程序之后跳轉(zhuǎn)到IAP的main函數(shù)。在執(zhí)行完IAP以后跳轉(zhuǎn)至新寫入程序的復(fù)位向量表，取出新程序的復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至新程序的main函數(shù)。

2.2 分包傳輸與中斷續(xù)傳

盡管在陸地上移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍很廣，但在近海很多區(qū)域移動網(wǎng)絡(luò)信號強度有限，尤其是部分區(qū)域信號非常弱并且不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)連接時斷時續(xù)，這對遠(yuǎn)程更新的實現(xiàn)提出了不小的挑戰(zhàn)。本文提出分包傳輸和記錄中斷續(xù)傳的方式，用來提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

表2 請求更新的消息結(jié)構(gòu)

表3 更新時的消息結(jié)構(gòu)

表4 消息頭格式

3.實現(xiàn)方式

3.1 更新流程

整個數(shù)據(jù)傳輸過程為應(yīng)答-響應(yīng)模式，啟動更新升級模式后，根據(jù)本地保存的已更新的數(shù)據(jù)包，請求遠(yuǎn)程服務(wù)器未更新的數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行校驗，如果校驗成功就保存數(shù)據(jù)包，直到所有數(shù)據(jù)包更新完畢。其中，每次應(yīng)答都需要有超時控制，流程見下圖。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式定義

所有傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)均是數(shù)據(jù)幀中的載荷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀包括數(shù)據(jù)長度、CRC16校驗碼、payload數(shù)據(jù)和幀分隔符四部分，具體內(nèi)容和所占字節(jié)見表1。

請求更新的消息結(jié)構(gòu)和更新時的數(shù)據(jù)消息結(jié)構(gòu)兩類不同的數(shù)據(jù)類型根據(jù)消息類型來區(qū)分。見表2 和表3。

更新的數(shù)據(jù)包采用CRC64校驗，保證數(shù)據(jù)的可靠性。請求更新的消息結(jié)構(gòu)和更新時的數(shù)據(jù)消息結(jié)構(gòu)的消息頭格式見表4。

4.結(jié)語

本文的提出的一種基于移動網(wǎng)絡(luò)多功能航標(biāo)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程更新的實現(xiàn)方案，在實際使用中的一次更新成功率很高，還未出現(xiàn)過多次更新不成功的情況。但有一種情形需考慮，因更新時，每成功接收一包數(shù)據(jù)，更新一次flash中的數(shù)據(jù)，這個過程必須持續(xù)結(jié)束才可以。如果網(wǎng)絡(luò)信號長時間不穩(wěn)定，就會導(dǎo)致正常業(yè)務(wù)功能長時間無法工作。為解決此問題，可以考慮將flash中的用戶數(shù)據(jù)區(qū)域分為兩部分，一部分為更新下載的數(shù)據(jù)區(qū)域，另一部分為原來的用戶數(shù)據(jù)在區(qū)域，只有在全部下載完畢后，才跳轉(zhuǎn)到更新后的區(qū)域，保證如果網(wǎng)絡(luò)長時間不穩(wěn)定，可以切換回原先的業(yè)務(wù)流程，擇機再繼續(xù)更新，這樣不會長時間中斷正常的業(yè)務(wù)功能。雖然實際使用中還未遇見過此類極端的情況，但可以作為今后優(yōu)化完善的方向。