具有雙模固件升級的水文遙測終端機應用

郭 濤

水文遙測終端機是水文水利各類監測站中必不可少的設備，隨著社會的發展和進步，各種水文水利遙測要素不斷更新，對水文遙測終端機的性能指標要求也不斷提高。水文監測站點一般無人值守，實現遠程固件升級及性能提升已成為現代信息化建設必不可少的功能，為水文工作者帶來極大的便捷，同時對水文遙測終端機的發展進步具有重要意義。

一、概述

水文遙測終端機是一種應用于水文監測的設備，主要對降雨量、水位、墑情等要素進行采集，將采集數據轉發至服務器平臺。該設備一般應用于野外且無人值守，采用太陽能加電池供電，分布范圍廣，站點繁多，數據傳輸采用GPRS 通信方式。根據該設備的應用特點，從側面反映出設備維護和固件升級的繁瑣性，也給工作人員帶來龐大的工作量。

水文遙測終端機是一種新興的物聯網應用產品，目前的水文遙測終端機形態各異，功能強大，但是針對水文遙測終端機的固件升級往往只停留在本地現場操作。隨著國家對水文遙測終端機的標準化，產品的性能不斷完善，功能不斷豐富，在原有設備上通過遠程升級固件成為必備的功能。

本文所述的具有雙模固件升級的水文遙測終端機，在基于《水文監測數據通信規約》（SL651-2014）的基礎上實現遠程升級固件及本地升級固件的雙模式固件升級，同時支持本地固件存儲及恢復，避免了升級失敗帶來的產品不能使用的問題，大大提高了水文遙測終端機實用價值。

二、技術原理

1.BootLoader 的固件升級技術

水文遙測終端機的程序固件由兩部分組成：一是BootLoader 引導程序，在MCU 上電或復位后率先執行；二是用戶程序，是設備正常工作時的運行程序，也是需要更新升級的固件。

BootLoader 是一段引導程序，是雙模固件升級的核心程序，當MCU 上電或復位后執行該段引導程序，判斷是否有新固件升級。如果不需要升級，程序指針直接跳轉至用戶程序的起始位置，開始執行用戶程序；如果需要更新程序，BootLoader 引導程序會將用戶程序單元擦除，通過uart 或SPI 串行接口接收新的用戶程序，寫入MCU指定的用戶程序單元。用戶程序以行為單位，每行程序指令均含有校驗，確保了寫入程序代碼的正確性。

BootLoader 引導程序一般存放于MCU 的程序空間的前端，從程序空間的0x400 開始，空間大小為0xC00。BootLoader 引導程序比較小，本文所述的雙模固件升級水文遙測終端機充分利用了引導程序設計了Uart 和SPI兩種Boot 方式，Uart 方式用于本地固件升級，SPI 用于遠程固件升級。用戶程序從0x1000 開始，用于存放用戶正常運行的代碼。官方示例程序空間分配見圖1。

2.基于水文監測數據通信規約的固件升級擴展

水文監測數據傳輸的通信協議應采用《水文監測數據通信規約》（SL651-2014）規定的上行報文幀結構框架和下行報文幀結構框架。無論傳輸的字符采用何種編碼，均應滿足此幀結構框架規定。傳輸順序為高位字節在前，低位字節在后。數據傳輸結構如圖2。

圖1 官方示例程序空間分配圖

固件升級過程采用M2 發送方式，由中心站主動發起申請，再由遙測站響應申請固件內容，直至固件接收完畢后執行升級。

遙測終端固件升級，功能碼為EAH。由中心站先向遙測終端發出固件升級申請，再由遙測終端依次向中心站申請固件內容。固件接收完畢后遙測終端自動復位，執行新固件。傳輸固件過程中，需水文遙測終端常在線，確保鏈路上數據的正常傳輸。水文遙測終端將固件數據按照行為單位存儲于存儲芯片中，GPRS 模塊切換為透傳模式便于接收數據。遙測終端也可主動申請固件升級，再由中心站向遙測終端機發出固件申請，確保了遙測終端機對自身固件更新的實時性。

3.固件文件的解析

PIC 單片機嵌入式HEX 固件是遵循 Intel HEX 文件格式的 ASCII 文本文件。HEX 由任意數量的十六進制記錄組成。每個記錄包含5 個域，按以下格式排列：Start Code、Byte count、Address、Record type、Data、Checksum。

HEX 文件以行為單位。每行以字符 ‘：’ (0x3a)開頭，以回車換行符0x0d, 0x0a 為結束。每行開始和結束之間的所有內容，都是以字符形式表現的。例如數據如果是 0x1A ，那么轉換到HEX 格式的行里面就是0x31 0x41。如果數據是16bit 的，例如地址，則先顯示高位，后顯示底位。例如 0x1234，轉換成HEX 格式文件后變成 0x31 0x32 0x33 0x34，顯示出來以后就是1234。將數據部分內容每2個字符看作一個HEX 數據。

圖2 數據傳輸結構圖

例如：“：020000040000FA”把它轉換為十六進制為 0x02 0x00 0x00 0x04 0x00 0x00 0xFA。

三、實現方法

1.水文遙測終端機硬件的設計

本文所述水文遙測終端機的硬件平臺是基于Microchip 的PIC24FJ 系列MCU，該硬件平臺性能穩定可靠，具有良好的工業特性。存儲芯片采用64Mbit 大小的Flash 存儲器，用于存儲最新的固件，存儲芯片使用SPI 接口與MCU 連接。無線數據傳輸采用SIMcom 的GPRS 模 塊，采 用Uart 串口與MCU 連接，RS232 接口通過Uart串口與MCU 連接，用于本地固件升級。

2.BootLoader 引導程序的設計

首先，建立工程項目，設置.gld配置文件為“program (xr) ： ORIGIN = 0x400, LENGTH = 0xC00”分配Boot-Loader 引導程序的程序空間。

編輯Uart 和SPI 串行通信驅動、Flash 芯片的讀寫驅動以及Boot 驅動。

然后進行Boot 邏輯構建，當水文遙測終端機上電或復位后，先MCU通過串口發送“＞”，如果串口無任何回復，則進入SPI 讀取Flash 內容判斷是否有新固件存在需要更新。若都無需要更新固件，則利用“(*((void(*)(void))APP_START))()；”進入用戶程序進行正常工作。

3.本地固件升級的設計

將RS232 通信線連接電腦和水文遙測終端機，給終端機重新上電，電腦串口助手會收到終端機發送的“＞”字符，電腦給設備發送回車字符，等待設備返回“Uart＞”。

將準備好的用戶“APP.hex”程序固件利用串口助手，逐行發送水文遙測終端機，每行發送成功后均會回復“Y”字符，如果失敗則會發送“X”字符。

最后更新完畢后，回復“Done”，水文遙測終端機會自動跳轉執行新固件。

4.遠程固件升級的設計

根據水文遙測終端機應用的特殊性，該設備在工作時的數據傳輸采用GPRS 通信，遙測終端機會定時向中心站詢問固件更新申請，如果中心站需要更新固件回復Hex 固件行數，如果不需要更新固件則回復Hex固件行數為0。

當需要更新固件時，中心站會將新固件按內容分包，水文遙測終端會根據《水文監測數據通信規約》的固件升級擴展應用，進行逐包詢要每個固件包，然后下載至Flash 存儲芯片內。每包固件包均含有包號及CRC 校驗，確保了Hex 固件的完整性和正確性。

完成固件下載后，水文遙測終端機，在Flash 芯片內放置更新固件標志，利用軟件指令“__asm__ volatile ("RESET")；”將設備復位。

復位后的MCU 執行BootLoader引導程序，在無串口更新固件的情況下，MCU 利用SPI 通信提取Flash 內的更新固件標志，確定需要更新固件后，逐行提取新固件并執行。最后更新完畢后，水文遙測終端機會自動跳轉執行新固件。

5.固件存儲的設計

水文遙測終端機會在第一次使用時利用RS232 向其Flash 的固定存儲位置置入固定的用戶程序。當本地固件升級和遠程固件升級失敗后，設備可提取該用戶程序進行固件恢復，確保了設備工作的可靠性。

四、結語

雙模升級固件的水文遙測終端機設計方案穩定可靠，現場使用效果良好，工作運行穩定。雙模升級固件的應用為水文遙測終端機的性能提升了保障，為水文工作者大大節省了工作量。該固件的應用也是工業物聯網應用的體現，在無人值守的野外環境下，可穩定可靠地實現自更新固件。總之，具有雙模升級固件的水文遙測終端機還在不斷改進，隨著科技的進步，防汛理念的創新，該技術必將作為新技術變革得到廣泛應用■