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【分享】ZigBee空中下载技术研究及其优化设计

2014-10-16 11:24
路过的码农
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  无线传感网络是由大量体积小,供电资源有限,并配置一定计算能力和无线通讯能力的传感节点组成。对于传感网络系统,一定存在程序代码更新和维护的需求,但由于传感节点分散部署的特点,使得网络远程节点的程序升级变得异常困难。为此,空中下载(over the air, OTA)提供了一种有效的更新手段。本文首先介绍基于 ZigBee协议的OTA系统,并在CC2530F256 硬件平台作出验证。最后,在Z-Stack协议栈中,设计出一种镜像页请求的OTA更新方式,并通过实验测试,与原有的镜像块请求方式进行了比较分析。实验结果表明,镜像页请求方式可以大大减少网络的更新流量,从而提高节点的更新效率。

  引言

  近年来,由于硬件成本的下降以及制造工艺的进步,无线传感网络技术逐步取得大规模商业应用,如医疗监控,智能电网和智能家居。对于任何一个嵌入式计算机系统,都存在程序代码升级的需要。在无线传感网络的应用环境中,由于大量节点分散性部署,节点的回收工作变得异常困难,使传统的物理连接的程序更新手段不再适用。对此,一种有效的解决方案是OTA技术。

  空中下载技术起源于移动电话网络,能够通过移动通信网络(如GSM)对SIM卡数据进行远程管理与更新。借鉴于移动通信网络,空中下载技术也能应用于无线传感网络。与网络层的路由协议不同,代码分发协议是支撑OTA的核心技术。前者关注的是如何迅速高效地中转网络中的数据信息,后者关注的是如何向各节点完整无误地传递更新代码。目前,成熟的代码分发协议已经提出,典型的如基于TinyOS系统的Xnp与Deluge,前者提出了单跳网络的更新方案,后者支持多跳网络更新功能,但都需要具体的硬件平台支持。

  本文移植并验证了一种基于ZigBee协议的空中下载技术,其分发协议支持点对多传输更新功能,多跳网络的代码分发功能由路由协议支撑。在Z-Stack协议栈下,仅仅支持镜像块请求功能,更新效率并不理想。针对此问题,设计出一种高效的镜像页请求功能,能够提高点对多的传输更新效率,并减少网络流量。

  1. OTA概述

  ZigBee协议规范使用了IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC),并在此基础上定义了网络层(NWK)应用层(APL)。针对无线传感网络重编程技术的需求,ZigBee联盟在原有协议的框架上,提出了一种OTA规范,作为一个系统可选的功能模块。

  图1为OTA系统的结构示意图,整个系统主要由3部分构成:OTA应用控制台,OTA服务器,OTA客户端。其中OTA应用控制台是上位机管理软件,负责OTA镜像管理,网络节点信息陈列与发送更新命令;OTA服务器负责向远程节点无线发送升级镜像,并通过串口与上位机连接,向应用控制台汇报各节点更新进度信息等;OTA客户端是指远程网络中的待升级节点。

【分享】ZigBee空中下载技术研究及其优化设计

  根据代码的更新范围,分为整体代码更新与基于差异性的更新。前者是把所有可执行的二进制代码打包成一个镜像分发给节点,后者是通过比较新旧镜像文件之间的差异,产生一个编辑脚本,然后把这个脚本分发到网络中的节点进行差异性更新。毫无疑问,前者需要传输的数据量较大,一般为上千字节级,增加了网络负担,但代码更新操作相对简单;后者发送的数据量虽少,但增加了更新过程的复杂度,对处理器产生更大的负担,带来较大的能源损耗。由于ZigBee协议对网络节点的低功耗标准有严格的要求,其OTA代码分发协议采用前者的镜像传输方式。

【分享】ZigBee空中下载技术研究及其优化设计

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