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通用分組無線服務技術GPRS(General Packet Radio Service)是一種移動數據業務，該技術能滿足日常網絡行為，具有廣域覆蓋、高速傳輸等優點。野外作業的數據采集嵌入式系統工作于偏遠無人地區，通常這些采集系統基于GPRS無線網絡來傳輸遠程數據，但系統的維護和升級受到距離和環境的較大限制，不但成本高，而且周期長。 為實現遠程監測和升級野外作業嵌入式系統，本文提出一種基于GPRS網絡、以電子郵件為載體的嵌入式系統遠程監控和升級方案，達到遠程修改系統參數、索取系統自檢報告、索取指定數據文件和升級系統主控程序等目的，實現嵌入式系統的遠程監控與升級。 與目前大多數嵌入式系統遠程監控和升級的途徑相比，這種以電子郵件為載體、系統定時收發郵件的方法，實現了系統的多功能性與靈活性，同時較好地滿足了野外作業嵌入式系統低功耗的要求。 1 系統結構及遠程監控與升級 1.1 系統結構 嵌入式系統中的控制部分由ARM芯片(采用基于三星S3C2440-30的ARM9)和DSP芯片(采用TI公司的TMS320VC5509)組成。ARM和GPRS Modem模塊通過RS232串口進行連接，系統通過ARM利用GPRS Modem模塊上網并訪問網絡郵箱，從而進行相應的操作。系統結構如圖1所示。DSP作為主控單元完成數據采集和處理，ARM則負責數據后期處理和網絡訪問。 ARM是DSP的從設備,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,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兩者通信，必須統一兩端傳輸數據的格式。 遠程監控與升級過程中，為保證DSP和ARM之間數據傳輸的可靠性與穩定性，系統采用CRC8校驗的數據傳輸方式：數據發送端發送每組數據時都附帶發送此組數據的CRC校驗碼,數據接收端收到數據后重新計算數據的CRC校驗碼,對兩端得到的CRC校驗碼相比較，相等則請求發送端發送下一組數據，不相等則請求重發本組數據。 1.2 系統遠程監控和升級的總體流程 系統遠程監控和升級的示意圖及整體工作流程分別如圖2、圖3所示。系統進行遠程監控和升級時，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容，然后對命令列表中的每1個命令進行分析，完成相應的任務，包括：修改系統參數、發送系統自檢報告、發送指定數據文件和升級DSP程序。任務完成后系統自動返回報告郵件，告知本次操作的情況。整個系統基于GPRS網絡，以電子郵件為載體，通過系統對郵件的讀取和發送，達到遠程監控和升級系統的目的。 2 系統的遠程監控 系統的遠程監控，是通過對系統中裝有嵌入式操作系統WinCE的ARM進行網絡編程,基于GPRS無線網絡實現其對電子郵件的讀取與發送，其中涉及到了最常用的電子郵件收件協議POP3(Post Office Protocol 3)和發件協議SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)。 2.1 系統遠程監控原理 如表1所示，系統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成：主題命令和郵件內容。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將要完成的功能；郵件內容則包括了系統的新參數、需反饋的數據文件名、新的DSP程序等具體數據信息。 系統發送的郵件包括數據文件和報告文件，都以電子郵件附件的形式傳送。數據文件反映系統采集的物理數據或自身的狀態信息；報告文件則是對每次遠程監控命令的回執，表明本次操作是否成功。 2.2 遠程監控中郵件的讀取和發送 系統遠程監控時檢查郵箱中郵件的流程如圖4所示。所發送郵件的主題subject即代表了系統需要完成的任務，例如“修改系統參數”、“發送自檢報告”、“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識別為無效郵件而濾掉。因此，系統在讀取郵件時，先選出符合系統要求的郵件加入命令列表，再根據其代表的命令實現相應的功能。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。 系統以電子郵件附件的形式發送數據文件和報告文件。實驗中發現,當發送的郵件小于2 KB時偶而會出現發送“偽成功”的情況，即程序顯示郵件發送成功，但郵箱中卻沒有收到郵件。所以，在發送小于2 KB的郵件時，先用“空格”將其補足2 KB后再發送。實驗證明，在進行郵件大小補足后，沒有再出現過“偽成功”的現象。 3 系統的遠程升級 系統基于GPRS網絡，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技術實現DSP程序的遠程升級。系統內部的ARM和DSP采用串口通信，統一了兩端收發數據的格式并建立了可靠的數據傳輸機制，保證了通信的穩定性。 3.1 遠程升級系統DSP程序原理 系統采用TI公司的TMS320VC5509芯片作為主控單元。TMS320VC5509片內具有128 KB的高速靜態RAM,片內ROM中固化了引導加載程序Bootloader(簡稱“DSP5509”),其Bootloader設置為外部SPI串行啟動模式，外部儲存媒介為 Flash。系統上電后，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的高速RAM中運行。 遠程升級系統中,DSP程序是基于DSP5509的Bootloader技術。將新的DSP5509程序按照一定的格式編碼后發送到系統指定的郵箱中，系統利用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送給DSP5509且保存到片外Flash的指定地址空間中。發送和保存結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 系統遠程升級時的流程 在系統進行遠程升級時，內部的DSP和ARM之間存在著較大數據量的傳送，必須建立可靠的數據傳輸機制才能保證通信的穩定性。因此，系統將待發送的數據進行分割以分組形式傳輸，即將待發送的M字節數據分割成(x+1)組發送，前x組每次發送m=M/x個(M/x取整)字節，最后一組發送剩下的s=(M-m×x)個字節(若M/x為整數，則只需發送x組數據）。同時，DSP或ARM每次發送的數據格式均為3in1模式，即：(第1個字節表示本次發送數據的字節數+中間部分為m或者s字節的數據+最后1個字節為數據的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，數據的傳送采用基于CRC8校驗的數據傳輸方式。其中，DSP先將ARM發送來的數據保存到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發送來的程序代碼后,才將sector7中的數據轉存到地址為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超過上限N，則說明此次傳輸可靠性降低，系統取消本次升級，保證系統的安全與穩定。 實驗中,系統準確識別和讀取了郵箱中的命令郵件，根據命令完成了相應任務；系統發送郵件時，成功地將數據文件和報告文件以電子郵件附件的形式發送到指定郵箱；測試遠程升級功能時，準確無誤地實現了系統的主控程序更新。整個遠程監控和升級的過程穩定、可靠。 本系統基于GPRS網絡、SMTP協議、POP3協議、串口通信和DSP的Bootloader等技術實現了嵌入式系統的遠程監控與升級，既能遠程修改系統的參數，又能獲取系統自檢報告、指定數據文件，并且實現主控程序的遠程更新升級。整個系統在網絡通信和串口通信的過程中都采用了嚴密的應答機制和數據校驗規則，充分地保證了通信的可靠性和快速性,從而實現了系統的穩定性。實驗證明，該系統在保證穩定性和可靠性的同時，降低了設計成本，縮短了維護周期，并且具有良好的擴展性。 |
