分享：ZigBee空中下載技術研究及其優(yōu)化設計

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　　無線傳感網絡是由大量體積小，供電資源有限，并配置一定計算能力和無線通訊能力的傳感節(jié)點組成。對于傳感網絡系統，一定存在程序代碼更新和維護的需求，但由于傳感節(jié)點分散部署的特點，使得網絡遠程節(jié)點的程序升級變得異常困難。為此，空中下載（over the air， OTA）提供了一種有效的更新手段。本文首先介紹基于 ZigBee協議的OTA系統，并在CC2530F256 硬件平臺作出驗證。最后，在Z-Stack協議棧中，設計出一種鏡像頁請求的OTA更新方式，并通過實驗測試，與原有的鏡像塊請求方式進行了比較分析。實驗結果表明，鏡像頁請求方式可以大大減少網絡的更新流量，從而提高節(jié)點的更新效率。

　　引言

　　近年來，由于硬件成本的下降以及制造工藝的進步，無線傳感網絡技術逐步取得大規(guī)模商業(yè)應用，如醫(yī)療監(jiān)控，智能電網和智能家居［1］。對于任何一個嵌入式計算機系統，都存在程序代碼升級的需要。在無線傳感網絡的應用環(huán)境中，由于大量節(jié)點分散性部署，節(jié)點的回收工作變得異常困難，使傳統的物理連接的程序更新手段不再適用。對此，一種有效的解決方案是OTA技術。

　　空中下載技術起源于移動電話網絡，能夠通過移動通信網絡（如GSM）對SIM卡數據進行遠程管理與更新［2］。借鑒于移動通信網絡，空中下載技術也能應用于無線傳感網絡。與網絡層的路由協議［3］不同，代碼分發(fā)協議［4］是支撐OTA的核心技術。前者關注的是如何迅速高效地中轉網絡中的數據信息，后者關注的是如何向各節(jié)點完整無誤地傳遞更新代碼［5］。目前，成熟的代碼分發(fā)協議已經提出，典型的如基于TinyOS系統的Xnp［6］與Deluge［7］，前者提出了單跳網絡的更新方案，后者支持多跳網絡更新功能，但都需要具體的硬件平臺支持。

　　本文移植并驗證了一種基于ZigBee協議［8］的空中下載技術，其分發(fā)協議支持點對多傳輸更新功能，多跳網絡的代碼分發(fā)功能由路由協議支撐。在Z-Stack協議棧［9］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，設計出一種高效的鏡像頁請求功能，能夠提高點對多的傳輸更新效率，并減少網絡流量。

　　1. OTA概述

　　ZigBee協議規(guī)范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介質訪問層（MAC），并在此基礎上定義了網絡層（NWK）應用層（APL）。針對無線傳感網絡重編程技術的需求，ZigBee聯盟在原有協議的框架上，提出了一種OTA規(guī)范［10］，作為一個系統可選的功能模塊。

　　圖1為OTA系統的結構示意圖，整個系統主要由3部分構成：OTA應用控制臺，OTA服務器，OTA客戶端。其中OTA應用控制臺是上位機管理軟件，負責OTA鏡像管理，網絡節(jié)點信息陳列與發(fā)送更新命令；OTA服務器負責向遠程節(jié)點無線發(fā)送升級鏡像，并通過串口與上位機連接，向應用控制臺匯報各節(jié)點更新進度信息等；OTA客戶端是指遠程網絡中的待升級節(jié)點。

　　根據代碼的更新范圍，分為整體代碼更新與基于差異性的更新［11］。前者是把所有可執(zhí)行的二進制代碼打包成一個鏡像分發(fā)給節(jié)點，后者是通過比較新舊鏡像文件之間的差異，產生一個編輯腳本，然后把這個腳本分發(fā)到網絡中的節(jié)點進行差異性更新。毫無疑問，前者需要傳輸的數據量較大，一般為上千字節(jié)級，增加了網絡負擔，但代碼更新操作相對簡單；后者發(fā)送的數據量雖少，但增加了更新過程的復雜度，對處理器產生更大的負擔，帶來較大的能源損耗。由于ZigBee協議對網絡節(jié)點的低功耗標準有嚴格的要求，其OTA代碼分發(fā)協議采用前者的鏡像傳輸方式。

　　服務器與客戶端之間的數據交互過程如圖2所示。首先OTA服務器通過單播或者廣播方式向OTA客戶端（節(jié)點）發(fā)送鏡像公告（Image Notify），指示新鏡像已經準備好。收到鏡像提示信息后，節(jié)點就向OTA服務器發(fā)送查詢下一個鏡像請求（Query Next Image Request），此請求信息包含了當前運行固件的版本信息。收到該請求后，OTA服務器作出響應（Query Next Image Response）。隨后，OTA客戶端與OTA服務器通過二次握手機制，鏡像塊請求（Image Block Request）和鏡像塊響應（Image Block Response），完成整個鏡像傳輸過程。當OTA客戶端收到鏡像塊數據后，把塊數據寫到第二存儲區(qū)（客戶端當前運行的鏡像保存在第一存儲區(qū)）。完成下載后，節(jié)點將對下載后的鏡像進行CRC校驗。最后，當節(jié)點需要更新時，把新鏡像從第二存儲區(qū)復制到第一存儲區(qū)，新固件開始運行，從而完成了整個升級過程。