【導讀】物聯網 (IoT) 產品的設計者需要不斷地評估平臺和組件的選擇，以降低成本和功率，同時提高性能和加快連接應用的設計。目前有相當多的解決方案可供選擇，但設計者面臨的挑戰(zhàn)是，一旦部署，如何進行無線空中下載 (OTA) 更新以保持設備固件的更新。
物聯網 (IoT) 產品的設計者需要不斷地評估平臺和組件的選擇，以降低成本和功率，同時提高性能和加快連接應用的設計。目前有相當多的解決方案可供選擇，但設計者面臨的挑戰(zhàn)是，一旦部署，如何進行無線空中下載 (OTA) 更新以保持設備固件的更新。
關鍵是要看一下現有的平臺，看看它們有哪些額外的工具和支持來支持 OTA 更新。這樣的支持可以大大簡化過程，但前期可能需要一些關注。
本文討論了 OTA 基本原理，以及為什么它是幾乎每個物聯網系統都需要支持的關鍵功能，盡管開發(fā)者面臨著諸多挑戰(zhàn)。然后以 Espressif Systems 的 ESP32 支持藍牙和 Wi-Fi 的微控制器以及相關模塊、套件和 ESP 物聯網開發(fā)框架 (ESP-IDF) 為例，展示如何打造一個 OTA 分區(qū)，并利用 otatool.py 腳本在應用仍在運行時執(zhí)行固件更新。
OTA 更新介紹
大多數開發(fā)團隊的核心重點是實現其產品的特定功能，也就是產品差異化業(yè)務邏輯。然而，每個物聯網產品都有一個基本功能集，需要在設備的整個生命周期內進行部署、配置和維護。安全更新是一個很好的例子。鑒于需要執(zhí)行這些更新，在評估一個合適的開發(fā)平臺時，一個重要但容易被忽視的功能是引導程序或固件 OTA (FOTA) 更新（有時只稱為 OTA）能力。
OTA 為工程師提供了根據技術和業(yè)務要求遠程維護和升級其產品的能力，而不需要派維護人員到設備上或讓終端客戶主動對設備做一些更新。相反，所有這些成本都可以通過讓設備在后臺默默地或在半夜操作之類“停工”時間內升級其固件方式來消除。
OTA 架構可以有許多不同的形式和配置，從定制的解決方案一直到云提供商提供的標準實現方案。圖 1 中可以看到一個典型的架構實例。
圖 1：OTA 架構概覽展示在現場向所部署設備更新應用固件的示例過程。（圖片來源：Beningo Embedded Group）
在這個例子中，一個OEM 使用亞馬遜網絡服務 (AWS) 物聯網內核上傳新的固件版本，然后使用內置的作業(yè)功能將更新部署到現場的設備。這只是眾多例子中的一個，幾乎每個云供應商都有類似的解決方案。
今天有許多支持OTA 的微控制器可供選擇。一個廣受低成本系統和制造商歡迎的微控制器是ESP32。ESP32 之所以如此受歡迎，有以下幾個原因：
它有一個集成的微控制器，有 Wi-Fi/藍牙認證模塊可用
低成本
開源開發(fā)環(huán)境和軟件框架，如 ESP-IDF 和 ESP 音頻開發(fā)框架 (ESP-ADF)
許多現有的應用實例可在網上免費獲得
選擇一個ESP32 模塊進行 OTA 測試
有幾種不同的ESP32 模塊和開發(fā)板可供用戶購買，以便了解 OTA 實例。以 Adafruit 3405 ESP32 Huzzah Feather 板為例（圖 2）。這是一塊低成本的開發(fā)板，包括對 ESP32 進行編程的所有電路，并通過一個 USB 連接器為其供電。
圖2 3405 的核心是一個 ESP32-WROOM-32D 模塊，它配備了 4 Mb 閃存、Wi-Fi、藍牙和一套完整的外設，幾乎適用于任何應用。
另一塊可以使用的開發(fā)板是 Espressif Systems 的 ESP32-LYRATD-SYNA 音頻板（圖 3）。該開發(fā)板包括 ESP32-WROVER-B 模塊。
圖3 ESP32-LYRATD-SYNA模塊也有 4 Mb 閃存，以及用于音頻應用的所有電路。該板包括一個音頻編解碼器、一個音頻放大器以及耳機和揚聲器插孔，以全面測試音頻應用。
最后一塊可用于OTA 測試的開發(fā)板是 Espressif 的 ESP32-S2-SAOLA-1RI 開發(fā)板（圖 4）。說到開發(fā)板，這款最不昂貴的。該板包含一個 ESP32 Wrover 模塊，以及對該芯片進行編程的電路。除了它所包含的引腳可以很容易地放到試驗板上進行測試外，沒有任何其他的裝飾。
圖4 為測試而選擇的具體板子并不太重要，因為每個 ESP32 模塊都利用了 ESP-IDF。這個框架旨在通過包括驅動程序、中間件、RTOS 以及對本文而言很重要的引導程序和 OTA 庫，從而為開發(fā)者簡化了軟件開發(fā)活動。
引導程序允許開發(fā)者利用 OTA 更新，并在主要應用仍在運行時對內存進行分區(qū)以更新固件，這有助于最大限度地減少停機時間。引導程序的設置一開始可能看起來很復雜，但如果指導得當，是很簡單的。
OTA 開發(fā)工作流
ESP32 的 OTA 開發(fā)工作流將根據業(yè)務需求和產品組件選擇而略有不同。例如，一個利用 AWS 的團隊可能會使用 AWS 的入門指南和例子來啟動其 ESP32 OTA 解決方案。另一方面，一個正在定制自己解決方案的公司也可能會利用ESP32 的說明文檔。在這篇文章中，我們要看的是 ESP32 層面內容，而不是在云端。原因是這些內容是通用的，適用于 ESP32 的 OTA，無論使用哪個云提供商或解決方案。
一般來說，在ESP32 上設置 OTA 更新的過程包括以下步驟：
配置 ESP32 分區(qū)表
下載支持 OTA 的固件
開發(fā)一個工具，充當服務器，推送新的固件
將最新的固件下載到ESP32 上
很明顯，這是簡化的方法。開發(fā)人員應再次查看圖 1 以了解整個固件更新過程。這個過程可能相當復雜，所以建議利用位于 GitHub 上的現有 ESP32 OTA 實例。這些例子提供了幾個關鍵實例，如：
HTTPS OTA
本地 OTA
簡單 OTA
OTA 工具（python 腳本示例）
調換到新應用
圖 5 顯示了部署和更新過程的步驟。開發(fā)者需要先執(zhí)行紅色的步驟，將 OTA 解決方案部署到 ESP32 模塊上。橙色的步驟是下一步，執(zhí)行這些步驟是為了推進 OTA 更新。
圖5 為 OTA 配置一個 ESP32 應用程序
ESP32 包含一個分區(qū)表，描述了什么類型的數據位于微控制器上以及它的位置。例如，一個標準的 ESP32 分區(qū)表看起來像表 1。
表1 有一個工廠應用，然后是 NVS 庫和物理層 (PHY) 初始化(init) 數據部分。為了使用 OTA 功能，該表需要更新，以便除了主要（工廠）應用外，還要為 OTA 更新固件指定存儲器位置。對于 OTA，通常有兩個分區(qū)被分配用于更新。一個是正在更新的固件，一個是正在下載的固件，它將成為最新版本。這使得工廠應用能夠保持不變。更新后的 OTA 分區(qū)表將看起來像表 2。
表2：典型的 ESP32 更新 OTA 分區(qū)表。（表格來源：Beningo Embedded）
如表所示，現在有一個ota_0 和 一個ota_1 應用部分，其大小為 1Mb，此外還有一個數據部分 (otadata)，是為更新過程分配的 RAM。這個表可以由開發(fā)者修改和更新，以適應應用。
為了運行 OTA 例子，有一套簡單的說明，列在 GitHub 的“如何使用實例”部分。該部分描述了如何構建應用并對其進行編程。
還有 otatool，可以用來更新固件。這個腳本通常用于：
讀取、寫入和擦除OTA 分區(qū)
切換引導分區(qū)
切換到工廠分區(qū)
該示例腳本可以通過使用命令在終端運行該示例來執(zhí)行。
./otatool_example.sh
或者使用Python。
python otatool_example.py
當談到為 OTA 配置 ESP32 時，確保分區(qū)的設置是一個關鍵步驟。
使用的技巧和訣竅
EPS32 OTA 解決方案可以加速和簡化開發(fā)者的固件更新方案。為了防止解決方案成為開發(fā)負擔，有幾個“技巧和訣竅”應該牢記在心。
如果可能的話，利用該公司的云供應商所包含的現有 OTA 框架。這可以極大地簡化開發(fā)和集成。
使用低成本的開發(fā)板來測試 OTA 功能和引導程序。ESP32 有幾個選項，可能需要一些實驗來確定哪一個是最適合手頭的應用。
對于定制解決方案，可利用 GitHub 上的 ESP32 OTA 實例。
對于產品作為Wi-Fi 路由器或集線器的應用，考慮將固件鏡像下載到外部存儲器，并從大容量存儲設備執(zhí)行更新。
花一些時間查看關于分區(qū)表的 ESP32 說明文檔。這與典型的微控制器實現有點不同。
出于安全考慮，最好禁用應用回滾。如果應用可以回滾到以前的版本，潛在的攻擊者就有可能推送一個帶有已知漏洞的版本，并破壞系統。
遵循這些“技巧和決竅”的開發(fā)者會發(fā)現，當他們試圖利用 ESP32 或任何其他 OTA 解決方案時，他們可以節(jié)省大量的時間并免受煎熬。
結語
OTA 更新是越來越多的物聯網和嵌入式系統的一個重要功能。開發(fā)人員需要很好地掌握這種功能的有效實現方法，以便在設計和開發(fā)過程中以及在產品出廠后節(jié)省前期時間。
ESP32 無線微控制器已經廣泛用于各種類型的設備，如上所述，它有一個現成的OTA 解決方案。通過利用 ESP-IDF 和相關的模塊和平臺，并使用一些基于經驗的技巧和決竅，開發(fā)者可以大大減輕他們的設計時間，并完成他們的 OTA 解決方案并使之可靠地運行。
(作者： Jacob Beningo，來源：得捷電子DigiKey微信公眾號)
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