基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)

通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS(General Packet Radio Service)是一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，該技術(shù)能滿足日常網(wǎng)絡(luò)行為，具有廣域覆蓋、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。野外作業(yè)的數(shù)據(jù)采集嵌入式系統(tǒng)工作于偏遠(yuǎn)無人地區(qū)，通常這些采集系統(tǒng)基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)受到距離和環(huán)境的較大限制，不但成本高，而且周期長。
　為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和升級(jí)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(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)方案，達(dá)到遠(yuǎn)程修改系統(tǒng)參數(shù)、索取系統(tǒng)自檢報(bào)告、索取指定數(shù)據(jù)文件和升級(jí)系統(tǒng)主控程序等目的，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級(jí)。
   與目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)的途徑相比，這種以電子郵件為載體、系統(tǒng)定時(shí)收發(fā)郵件的方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能性與靈活性，同時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控與升級(jí)
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(jìn)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(jìn)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(fù)責(zé)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(fù)雜硬件的條件下實(shí)現(xiàn)兩者通信，必須統(tǒng)一兩端傳輸數(shù)據(jù)的格式[3]。
　遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級(jí)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(yàn)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(shí)都附帶發(fā)送此組數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼,數(shù)據(jù)接收端收到數(shù)據(jù)后重新計(jì)算數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼,對(duì)兩端得到的CRC校驗(yàn)碼相比較，相等則請(qǐng)求發(fā)送端發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，不相等則請(qǐng)求重發(fā)本組數(shù)據(jù)。
1.2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)的總體流程
　系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)的示意圖及整體工作流程分別如圖2、圖3所示。系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)時(shí)，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(duì)命令列表中的每1個(gè)命令進(jìn)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(bào)告、發(fā)送指定數(shù)據(jù)文件和升級(jí)DSP程序。任務(wù)完成后系統(tǒng)自動(dòng)返回報(bào)告郵件，告知本次操作的情況。整個(gè)系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)，以電子郵件為載體，通過系統(tǒng)對(duì)郵件的讀取和發(fā)送，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)系統(tǒng)的目的。

2 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控
　系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，是通過對(duì)系統(tǒng)中裝有嵌入式操作系統(tǒng)WinCE[4]的ARM進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程[5],基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其對(duì)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(yuǎn)程監(jiān)控原理
　如表1所示，系統(tǒng)接收遠(yuǎn)程命令是基于對(duì)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(gè)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(bào)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(bào)告文件則是對(duì)每次遠(yuǎn)程監(jiān)控命令的回執(zhí)，表明本次操作是否成功。
2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中郵件的讀取和發(fā)送
　系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)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(bào)告”、“索取指定文件”和“更新DSP程序”的郵件主題分別是單個(gè)小寫字母a、b、c、d，而其余類型主題的郵件都被系統(tǒng)識(shí)別為無效郵件而濾掉。因此，系統(tǒng)在讀取郵件時(shí)，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(shí)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(zhǔn)備，保證了系統(tǒng)再次讀取的郵件都是最新的，避免了對(duì)已讀郵件的重復(fù)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(bào)告文件。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)送的郵件小于2 KB時(shí)偶而會(huì)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(shí)，先用“空格”將其補(bǔ)足2 KB后再發(fā)送。實(shí)驗(yàn)證明，在進(jìn)行郵件大小補(bǔ)足后，沒有再出現(xiàn)過“偽成功”的現(xiàn)象。
3 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)
　系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)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(shí)現(xiàn)DSP程序的遠(yuǎn)程升級(jí)。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(jī)制，保證了通信的穩(wěn)定性。
3.1 遠(yuǎn)程升級(jí)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(dǎo)加載程序Bootloader(簡(jiǎn)稱“DSP5509”),其Bootloader設(shè)置為外部SPI串行啟動(dòng)模式，外部?jī)?chǔ)存媒介為 Flash。系統(tǒng)上電后，DSP5509在Bootloader引導(dǎo)下自動(dòng)加載儲(chǔ)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(yùn)行。
　遠(yuǎn)程升級(jí)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(dòng)復(fù)位并重啟DSP5509，在Bootloader的引導(dǎo)下DSP5509從外部Flash中加載并運(yùn)行新程序，從而完成DSP5509程序的更新升級(jí)。
3.2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)時(shí)的流程
　在系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)時(shí)，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(jī)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(jìn)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(gè)(M/x取整)字節(jié)，最后一組發(fā)送剩下的s=(M-m×x)個(gè)字節(jié)(若M/x為整數(shù)，則只需發(fā)送x組數(shù)據(jù)）。同時(shí)，DSP或ARM每次發(fā)送的數(shù)據(jù)格式均為3in1模式，即：(第1個(gè)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(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼)，如圖5所示。

    遠(yuǎn)程升級(jí)DSP程序時(shí)，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(yàn)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?jī)?chǔ)存程序的地址空間，保證了遠(yuǎn)程升級(jí)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(jí)，保證系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]

 　實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)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(shí)，成功地將數(shù)據(jù)文件和報(bào)告文件以電子郵件附件的形式發(fā)送到指定郵箱；測(cè)試遠(yuǎn)程升級(jí)功能時(shí)，準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的主控程序更新。整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)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(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級(jí)，既能遠(yuǎn)程修改系統(tǒng)的參數(shù)，又能獲取系統(tǒng)自檢報(bào)告、指定數(shù)據(jù)文件，并且實(shí)現(xiàn)主控程序的遠(yuǎn)程更新升級(jí)。整個(gè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信的過程中都采用了嚴(yán)密的應(yīng)答機(jī)制和數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則，充分地保證了通信的可靠性和快速性,從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在保證穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了維護(hù)周期，并且具有良好的擴(kuò)展性。
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