基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)遠程監(jiān)控和升級
為實現(xiàn)遠程監(jiān)測和升級野外作業(yè)嵌入式系統(tǒng)，本文提出一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)、以電子郵件為載體的嵌入式系統(tǒng)遠程監(jiān)控和升級方案，達到遠程修改系統(tǒng)參數(shù)、索取系統(tǒng)自檢報告、索取指定數(shù)據(jù)文件和升級系統(tǒng)主控程序等目的，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的遠程監(jiān)控與升級。
與目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)遠程監(jiān)控和升級的途徑相比，這種以電子郵件為載體、系統(tǒng)定時收發(fā)郵件的方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能性與靈活性，同時較好地滿足了野外作業(yè)嵌入式系統(tǒng)低功耗的要求。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及遠程監(jiān)控與升級
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
嵌入式系統(tǒng)中的控制部分由ARM芯片(采用基于三星S3C2440-30的ARM9)和DSP芯片(采用TI公司的TMS320VC5509)[1]組成。ARM和GPRS Modem模塊通過RS232串口進行連接，系統(tǒng)通過ARM利用GPRS Modem模塊上網(wǎng)并訪問網(wǎng)絡(luò)郵箱，從而進行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。DSP作為主控單元完成數(shù)據(jù)采集和處理，ARM則負責數(shù)據(jù)后期處理和網(wǎng)絡(luò)訪問。
ARM是DSP的從設(shè)備,兩者通過串口通信。其中，DSP端是多通道緩沖同步串行端口McBSP[2],而ARM端則是異步串口UART。為了在不增加外部復雜硬件的條件下實現(xiàn)兩者通信，必須統(tǒng)一兩端傳輸數(shù)據(jù)的格式[3]。
遠程監(jiān)控與升級過程中，為保證DSP和ARM之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用CRC8校驗的數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送每組數(shù)據(jù)時都附帶發(fā)送此組數(shù)據(jù)的CRC校驗碼,數(shù)據(jù)接收端收到數(shù)據(jù)后重新計算數(shù)據(jù)的CRC校驗碼,對兩端得到的CRC校驗碼相比較，相等則請求發(fā)送端發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，不相等則請求重發(fā)本組數(shù)據(jù)。
1.2 系統(tǒng)遠程監(jiān)控和升級的總體流程
系統(tǒng)遠程監(jiān)控和升級的示意圖及整體工作流程分別如圖2、圖3所示。系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和升級時，首先登錄指定郵箱，分析后獲取命令列表并記錄各命令郵件的內(nèi)容，然后對命令列表中的每1個命令進行分析，完成相應(yīng)的任務(wù)，包括：修改系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)送系統(tǒng)自檢報告、發(fā)送指定數(shù)據(jù)文件和升級DSP程序。任務(wù)完成后系統(tǒng)自動返回報告郵件，告知本次操作的情況。整個系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)，以電子郵件為載體，通過系統(tǒng)對郵件的讀取和發(fā)送，達到遠程監(jiān)控和升級系統(tǒng)的目的。
2 系統(tǒng)的遠程監(jiān)控
系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，是通過對系統(tǒng)中裝有嵌入式操作系統(tǒng)WinCE[4]的ARM進行網(wǎng)絡(luò)編程[5],基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其對電子郵件的讀取與發(fā)送，其中涉及到了最常用的電子郵件收件協(xié)議POP3(Post Office Protocol 3)和發(fā)件協(xié)議SMTP[6](Simple Mail Transfer Protocol)。[!--empirenews.page--]
2.1 系統(tǒng)遠程監(jiān)控原理
如表1所示，系統(tǒng)接收遠程命令是基于對命令郵件的讀取。命令郵件由兩部分構(gòu)成：主題命令和郵件內(nèi)容。主題命令(即郵件的主題)為單個小寫英文字母,不同的字母代表著系統(tǒng)將要完成的功能；郵件內(nèi)容則包括了系統(tǒng)的新參數(shù)、需反饋的數(shù)據(jù)文件名、新的DSP程序等具體數(shù)據(jù)信息。
系統(tǒng)發(fā)送的郵件包括數(shù)據(jù)文件和報告文件，都以電子郵件附件的形式傳送。數(shù)據(jù)文件反映系統(tǒng)采集的物理數(shù)據(jù)或自身的狀態(tài)信息；報告文件則是對每次遠程監(jiān)控命令的回執(zhí)，表明本次操作是否成功。
2.2 遠程監(jiān)控中郵件的讀取和發(fā)送
系統(tǒng)遠程監(jiān)控時檢查郵箱中郵件的流程如圖4所示。所發(fā)送郵件的主題subject即代表了系統(tǒng)需要完成的任務(wù)，例如“修改系統(tǒng)參數(shù)”、“發(fā)送自檢報告”、“索取指定文件”和“更新DSP程序”的郵件主題分別是單個小寫字母a、b、c、d，而其余類型主題的郵件都被系統(tǒng)識別為無效郵件而濾掉。因此，系統(tǒng)在讀取郵件時，先選出符合系統(tǒng)要求的郵件加入命令列表，再根據(jù)其代表的命令實現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中，最后一步刪除郵件是為下次讀郵件做準備，保證了系統(tǒng)再次讀取的郵件都是最新的，避免了對已讀郵件的重復操作，提高了可靠性。
系統(tǒng)以電子郵件附件的形式發(fā)送數(shù)據(jù)文件和報告文件。實驗中發(fā)現(xiàn),當發(fā)送的郵件小于2 KB時偶而會出現(xiàn)發(fā)送“偽成功”的情況，即程序顯示郵件發(fā)送成功，但郵箱中卻沒有收到郵件。所以，在發(fā)送小于2 KB的郵件時，先用“空格”將其補足2 KB后再發(fā)送。實驗證明，在進行郵件大小補足后，沒有再出現(xiàn)過“偽成功”的現(xiàn)象。
3 系統(tǒng)的遠程升級
系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成對郵箱中DSP新程序代碼的讀取，然后利用串口通信和Bootloader技術(shù)實現(xiàn)DSP程序的遠程升級。系統(tǒng)內(nèi)部的ARM和DSP采用串口通信，統(tǒng)一了兩端收發(fā)數(shù)據(jù)的格式并建立了可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制，保證了通信的穩(wěn)定性。
3.1 遠程升級系統(tǒng)DSP程序原理
系統(tǒng)采用TI公司的TMS320VC5509芯片作為主控單元。TMS320VC5509片內(nèi)具有128 KB的高速靜態(tài)RAM,片內(nèi)ROM中固化了引導加載程序Bootloader(簡稱“DSP5509”),其Bootloader設(shè)置為外部SPI串行啟動模式，外部儲存媒介為 Flash。系統(tǒng)上電后，DSP5509在Bootloader引導下自動加載儲存在片外Flash指定地址空間中的程序到片內(nèi)的高速RAM中運行。
遠程升級系統(tǒng)中,DSP程序是基于DSP5509的Bootloader技術(shù)[7]。將新的DSP5509程序按照一定的格式編碼后發(fā)送到系統(tǒng)指定的郵箱中，系統(tǒng)利用GPRS模塊訪問此郵箱并讀取出新程序，然后將新程序通過串口發(fā)送給DSP5509且保存到片外Flash的指定地址空間中。發(fā)送和保存結(jié)束后自動復位并重啟DSP5509，在Bootloader的引導下DSP5509從外部Flash中加載并運行新程序，從而完成DSP5509程序的更新升級。
3.2 系統(tǒng)遠程升級時的流程
在系統(tǒng)進行遠程升級時，內(nèi)部的DSP和ARM之間存在著較大數(shù)據(jù)量的傳送，必須建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制才能保證通信的穩(wěn)定性。因此，系統(tǒng)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分割以分組形式傳輸，即將待發(fā)送的M字節(jié)數(shù)據(jù)分割成(x+1)組發(fā)送，前x組每次發(fā)送m=M/x個(M/x取整)字節(jié)，最后一組發(fā)送剩下的s=(M-m×x)個字節(jié)(若M/x為整數(shù)，則只需發(fā)送x組數(shù)據(jù)）。同時，DSP或ARM每次發(fā)送的數(shù)據(jù)格式均為3in1模式，即：(第1個字節(jié)表示本次發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)+中間部分為m或者s字節(jié)的數(shù)據(jù)+最后1個字節(jié)為數(shù)據(jù)的CRC校驗碼)，如圖5所示。
遠程升級DSP程序時，DSP端程序流程如圖6所示。ARM將從郵箱中讀取新程序代碼傳送給DSP，數(shù)據(jù)的傳送采用基于CRC8校驗的數(shù)據(jù)傳輸方式。其中，DSP先將ARM發(fā)送來的數(shù)據(jù)保存到Flash中(地址為70000h~7FFFFh的sector7中)。在確保DSP正確無誤地接收完所有從ARM發(fā)送來的程序代碼后,才將sector7中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到地址為00000h~0FFFFh的sector0中。sector0是DSP指定外部儲存程序的地址空間，保證了遠程升級的可靠性。如果傳輸過程中重傳次數(shù)超過上限N，則說明此次傳輸可靠性降低，系統(tǒng)取消本次升級，保證系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]
實驗中,系統(tǒng)準確識別和讀取了郵箱中的命令郵件，根據(jù)命令完成了相應(yīng)任務(wù)；系統(tǒng)發(fā)送郵件時，成功地將數(shù)據(jù)文件和報告文件以電子郵件附件的形式發(fā)送到指定郵箱；測試遠程升級功能時，準確無誤地實現(xiàn)了系統(tǒng)的主控程序更新。整個遠程監(jiān)控和升級的過程穩(wěn)定、可靠。
本系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)、SMTP協(xié)議、POP3協(xié)議、串口通信和DSP的Bootloader等技術(shù)實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的遠程監(jiān)控與升級，既能遠程修改系統(tǒng)的參數(shù)，又能獲取系統(tǒng)自檢報告、指定數(shù)據(jù)文件，并且實現(xiàn)主控程序的遠程更新升級。整個系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信的過程中都采用了嚴密的應(yīng)答機制和數(shù)據(jù)校驗規(guī)則，充分地保證了通信的可靠性和快速性,從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實驗證明，該系統(tǒng)在保證穩(wěn)定性和可靠性的同時，降低了設(shè)計成本，縮短了維護周期，并且具有良好的擴展性。
參考文獻
[1] Texas Instruments Incorporated著.TMS320VC55x系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京:清華大學出版社，2005.
[2] Texas Instruments, Incorporated. TMS320V5501/5502/5503/5507/5509/5510 DSP(McBSP) reference guide[S]. 2004.
[3] 張坤,張冠勇,王樹勛.McBSP在DSP與PC機通信中的研究與設(shè)計[J].電子設(shè)計應(yīng)用,2003,2(7):28-30.
[4] 何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.
[5] 周立功.ARM&WinCE實驗與實踐——基于S3C2410[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2007.
[6] 付祝財,楊莘元,王陽.電子郵件SMTP/POP3收發(fā)協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].信息技術(shù),2004,28(8):57-59.
[7] 徐勝,管慶.TMS320C5000的Bootloader技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界,2003,10(03A):41-44.
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