引 言

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是利用傳感器獲取被感知物理對象的信息,通過無線通信將獲取的感知信息傳送給遠端的監(jiān)控終端,并在通信中間環(huán)節(jié)或終端對數(shù)據(jù)進行壓縮、融合、分析等處理的一種無線通信網(wǎng)絡(luò)。WSN使用方便靈活,可以實現(xiàn)重大裝備、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域中的關(guān)鍵指標監(jiān)測、安全預警等[1]。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點負責感知、采集和處理感知對象的物理信息,是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最重要的一環(huán),節(jié)點的軟硬件研究是無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重點。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般是被隨機部署至惡劣環(huán)境中,不易取回。但節(jié)點的設(shè)計研究,尤其是軟件部分,不可能是一步到位的,需根據(jù)使用者的需求及時的對節(jié)點軟件進行更新[2]。傳統(tǒng)的更新方法是取回節(jié)點,通過下載器對節(jié)點軟件進行更新,該方法受設(shè)備、更新地點和操作人員的限制。目前較先進的更新技術(shù)是通過物理總線與無線設(shè)備協(xié)同作業(yè)將編譯器生成的程序文件直接寫入MCU的ROM中[3]。此方法只需節(jié)點與網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用層實現(xiàn)連接,無需對硬件做任何改動即可實現(xiàn)節(jié)點軟件更新,但此方法存在可靠性低、傳輸效率不高等問題。針對此問題,本文基于MSP430F149單片機,設(shè)計了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件高效更新方法,本方法采取程序文件差異、可變格式傳輸比較等措施提高了數(shù)據(jù)傳輸效率,通過強制更新等措施提高了節(jié)點軟件遠程更新的可靠性。

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　　1 系統(tǒng)概述

　　本無線傳感網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、客戶端等組成,其組成及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　節(jié)點的主控制器(MCU)采用TI公司的MSP430F149單片機,MSP430F149單片機是一款超低功耗的16位單片機,采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式和大量的片內(nèi)存儲器。MSP430F149的具有60 KB的程序ROM(FLASH)和2 KB的RAM,能夠完全滿足系統(tǒng)程序駐留和用戶程序存儲的要求[3]。

　　MSP430F149的程序存儲在FLASH中,其FLASH可在正常工作電壓下擦寫。因此只要對MSP430F149的FLASH的存儲內(nèi)容進行更新即可實現(xiàn)對節(jié)點軟件的遠程更新。本文為提高節(jié)點運行的可靠性,在FLASH中存儲一個更新引導程序和兩個應(yīng)用程序。當某應(yīng)用程序更新失敗時,節(jié)點自動運行另一應(yīng)用程序,從而保證節(jié)點的正常工作。

　　對節(jié)點軟件進行遠程更新時,擁有管理員權(quán)限的用戶首先向程序開發(fā)人員索取欲更新程序文件,然后在客戶端通過節(jié)點遠程更新軟件將程序數(shù)據(jù)按照預定協(xié)議更新至節(jié)點的內(nèi)部FLASH。節(jié)點的更新引導程序與客戶端進行程序數(shù)據(jù)交互,完成節(jié)點軟件遠程更新。

　　2 更新流程

　　2.1 程序數(shù)據(jù)格式

　　本文對MSP430F149的程序編譯采用IAR公司提供的MSP430系列單片機的集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境IAR Embedded Workbench。其可生成txt格式程序文件,其樣式如下:

　　“@”后的“3000”表示后面的程序數(shù)據(jù)從3 000地址后依次寫入MSP430F149的FLASH,每一個“@”對應(yīng)一個中斷向量,“q”表示程序文件結(jié)束。只需將程序文件里的數(shù)據(jù)按地址寫入FLASH的相應(yīng)位置,即可實現(xiàn)節(jié)點軟件的更新[4?5]。

　　2.2 節(jié)點軟件更新流程

　　節(jié)點正常情況下運行的是應(yīng)用程序。用戶欲對節(jié)點軟件進行遠程更新時,選中節(jié)點后,用戶首先選取相應(yīng)的程序更新文件,然后點擊節(jié)點軟件遠程更新按鈕。節(jié)點在收到更新命令后進入更新引導程序,并向上位機索要程序數(shù)據(jù)。上位機軟件收到該命令后判斷并下發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù),判斷是否更新完成。具體更新過程分為以下七步:

　　(1)客戶端發(fā)送節(jié)點遠程更新命令。

　　(2)節(jié)點收到更新命令后將更新標志位置1,回復后程序指針PC指向復位向量。

　　(3)節(jié)點程序重新運行,檢測更新標志位,跳轉(zhuǎn)到更新程序后向客戶端索要程序數(shù)據(jù)。

　　(4)客戶端節(jié)點遠程更新軟件讀取、處理并發(fā)送程序數(shù)據(jù)。

　　(5)節(jié)點解析程序數(shù)據(jù),擦除相應(yīng)的FLASH后寫入新的程序數(shù)據(jù)并向客戶端繼續(xù)索要。

　　(6)客戶端判斷程序數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢,如果發(fā)送完畢,則發(fā)送節(jié)點軟件更新完成指令,否則繼續(xù)發(fā)送程序數(shù)據(jù)。

　　(7)節(jié)點判斷是否為更新完成指令,如果是,則判斷程序數(shù)據(jù)是否完整,并選擇是否跳入新的應(yīng)用程序;如果不是,則繼續(xù)重復步驟(3)~(7)。

　　3 高效更新設(shè)計

　　程序數(shù)據(jù)在無線傳輸過程易受到電磁干擾,導致數(shù)據(jù)阻塞和丟失[1]。為提高傳輸效率,本文主要采用以下三種措施來提高節(jié)點軟件遠程更新的效率。

　　3.1 程序文件差異比較

　　一個小的程序文件可以從根本上減少遠程更新時間、提高更新效率[6]。一般情況下對節(jié)點的軟件進行維護更新時只是對部分功能進行更新,生成的新程序與節(jié)點正在運行的舊程序內(nèi)容差異不大,沒有必要對節(jié)點的程序進行完全更新。因此本文對節(jié)點軟件進行遠程更新時,首先對新舊程序文件進行差異比對,刪除新舊程序文件中相同的內(nèi)容,保留差異的內(nèi)容,并重新計算差異內(nèi)容在FLASH中存儲的地址,從而生成數(shù)據(jù)量較少的程序文件

　　3.2 變格式傳輸

　　3.3 數(shù)據(jù)壓縮

　　通過分析程序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),程序數(shù)據(jù)可分為以下三類:自定義變量的初始化值、寄存器的地址及寄存器的設(shè)定值。對于自定義變量的初始化值,可以將其設(shè)定為需要的值以便于壓縮,但是寄存器的地址及設(shè)定值則毫無規(guī)律可言,此時對其進行壓縮可能導致越壓越大的反效果。因此本文對于程序文件采用基于變長編碼的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮方法對程序數(shù)據(jù)進行有選擇性的壓縮[7]。首先對程序數(shù)據(jù)進行試壓縮,只有壓縮成功顯著的數(shù)據(jù)幀才對其進行壓縮傳輸,并采用標識字節(jié)的某位對該幀程序數(shù)據(jù)是否進行了壓縮進行標識。

　　經(jīng)過改進后的更新效率提升見表1。

　　4 可靠性設(shè)計

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境復雜多變,影響無線通信質(zhì)量的因素較多,節(jié)點軟件遠程更新的可靠性難以保證。因此本文對提高節(jié)點軟件遠程更新的可靠性進行了設(shè)計研究。

　　4.1 程序冗余存儲

　　程序數(shù)據(jù)冗余存儲是指在MSP430F149的FLASH中存儲多個應(yīng)用程序,由單片機的更新引導程序通過標志位判斷執(zhí)行哪個應(yīng)用程序。對節(jié)點軟件進行更新時,只對某個應(yīng)用程序進行更新,一旦更新失敗,更新引導程序自動修改標志位,執(zhí)行冗余的應(yīng)用程序,從而保證節(jié)點的正常工作。圖3為單片機FLASH中程序存儲圖。

　　4.2 強制更新

　　由于節(jié)點絕大部分時間是在運行應(yīng)用程序,所以上位機給節(jié)點發(fā)送遠程更新命令時,節(jié)點應(yīng)在應(yīng)用程序中響應(yīng)。但是由于兩個應(yīng)用程序在無線傳輸過程中和使用過程中有可能受到強磁干擾等未知的干擾而導致程序遭到破壞,因此,本系統(tǒng)為了增加節(jié)點軟件遠程更新的可靠性,增加了強制更新功能:客戶端設(shè)置無線通信模塊的強制更新管腳為低電平,然后通過無線通信模塊復位單片機,節(jié)點單片機在重啟后首先檢測強制更新管腳電平的高低狀態(tài),若該管腳為低電平,則不再判斷標志位,自動進入更新函數(shù)對節(jié)點的應(yīng)用程序進行更新,從而避免了標志位判斷異常導致無法遠程更新情況的出現(xiàn)。采取強制更新措施后,節(jié)點軟件的可靠性提高了74%,即只要更新引導程序不被破壞,就可實現(xiàn)節(jié)點軟件遠程更新。

　　5 結(jié) 論

　　本文根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點及節(jié)點軟件遠程更新的需求,利用現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,無需對節(jié)點硬件做任何改動,設(shè)計了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件高效遠程更新方法,降低了無線傳感節(jié)點軟件的更新維護成本。目前,該方法已在電磁環(huán)境極為惡劣的京津高鐵某段試用,經(jīng)過近一年的現(xiàn)場實際應(yīng)用結(jié)果表明:該更新方法效果顯著,遠程更新效率和可靠性高,降低了節(jié)點更新維護成本。該更新方法適用于對其他可自編程的嵌入式設(shè)備,具有很高的實用性和通用性。

　　注:本文通信作者為張志新。

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