2022年 / 第6期 物联网技术
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0 引 言
LoRa （Long Range Radio, LoRa ）是一种远距离无线电，因采用线性调频扩频技术，具有长距离和低功耗的特点，工作于非授权频段，被广泛部署于智能表计、智慧农业、智能物流等多个物联网垂直行业，前景广阔[1-3]。
然而，由于LoRa 通信通常采用星形组网，且目前较多应用使用LoRa “点对点”通信模式，在大面积工程应用时存在频点冲突和固件升级困难的问题[4-5]。现有的全量升级方案常用于初始化设备和恢复出 厂设置时的批量升级，固件体积庞大，升级耗时，不适用于低速率的LoRa 通信场景。增量升级，又称差分升级，通过使用新旧版本的差异文件对旧固件做还原操作，差分固件体积小，适用于应用升级（In Application Programming, IAP ）[6-8]和空中固件升级（Over the Air, OTA ）[9-10]。 本文提出了一种用于LoRa 通信的OTA 差分升级方法，使用开源差分算法Bsdiff 和压缩算法FastLz77对新旧固件做差异提取并压缩，以减小固件体积。为保证固件传输的可靠性，固件数据包使用LoRa 跳频和循环异或加密技术传输。文中详细介绍了OTA 系统构成、固件包制作和传输过程，最后搭建了OTA 测试环境以验证升级方案的可靠性。 1 OTA 升级原理和系统组成
自制路由器天线由于LoRa 通信的速率不高，以最高速率（扩频因子SF=7、编码率CR=4/5、带宽BW=500 kHz 时）传输255字
节的理论时间为135 ms 。因此，OTA 升级方案应选择差分固件升级，通过对待升级的固件做差分，减小固件体积。
差分升级的基本原理如图1所示，主要包括差分包制作、差分包传输、差分包还原三部分。首先将新固件与旧固件做差分，得到补丁文件；之后将补丁文件通过LoRa 通信下发至待升级的终端设备；最
后终端设备根据补丁文件和已有旧固件执行还原操作得到新固件。将新固件写入FLASH ，设置终端程序跳转到新固件的位置并执行，实现空中升级
。
图1 差分升级基本原理
本文执行OTA 差分升级系统组成如图2所示。系统由LoRa 主、从节点构成，相关定义如下：LoRa 服务器为Master 节点，由PC 上位机和USB 转LoRa 设备构成；LoRa 待升级终端为Slave 节点。每个Slave 节点有唯一的ID 号，服务器已知各Slave 节点ID 号。待升级的新固件定义为New ，旧固件定义为Old ，补丁文件定义为Patch 。 此外，需按功能划分Slave 节点固件和升级参数的存储区域，在应用程序执行过程中，将OTA 接收的固件包存入相应区域。FLASH 分区为BootLoader_Flash 、APPA_Flash 、APPB_Flash 、Patch_Fla
sh 、Update_Flash 、Other_Flash 。其中， BootLoader_Flash 用于启动固件存放空间，负责patch 文
刘 洋1，王 剑2
（1.中国民用航空飞行学院 航空电子电气学院，四川 广汉 618307；
载客电动三轮车2.清华四川能源互联网研究院，四川 成都 610213）
摘 要：
LoRa 通信技术具有长距离、低功耗和ISM 通信的特点，在物联网领域有着广泛的应用场景。目前使用较多的“点对点”通信模式在大面积工程应用时存在频点冲突和固件升级困难的问题。为此，文中提出了一种适用于LoRa 通信的OTA 差分升级方法，基于Bsdiff 差分和FastLz77压缩算法可靠降低了固件体积；采用跳频和循环异或加密技术，避免对正常业务信道数据造成干扰；详细描述了差分固件的制作、LoRa 传输等流程。通过对SX1278和STM32F103搭建的测试节点开展测试，验证了提出的OTA 差分升级方法稳定可靠，适用于LoRa 通信设备的固件升级应用。
关键词：
LoRa ；OTA ；差分升级；Bsdiff 差分；FastLz77压缩；跳频；循环异或加密中图分类号：TP39；TN914 文献标识码：A 文章编号：
2095-1302（2022）06-0041-04收稿日期：2021-05-18 修回日期：2021-06-23
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42后写入，升级固件需要按扇区大小分包写入。因此，patch 补丁固件按FLASH 扇区大小进行分块做差分，每个FLASH 块的差分结果增加相应块序号信息和校验信息，组成patch 固件子包patch_pkg_i 。最后将新固件信息和patch 固件子包信息合并成完整的patch 补丁固件。子包差分固件生成示意图如图3所示。Patch 补丁固件包具体生成步骤如下：（1）固件分块。将新固件和旧固件按Slave 节点的FLASH 扇区大小（Flash_Page_Size=1 024 B ，2 048 B 等）分成若干个固件子块，如式（1）。
New New pkg 1New pkg 2New pkg Old Old pkg 1Old p =⋅⋅⋅{}=__,__,,____,_n k g 2Old pkg _,,__⋅⋅⋅{}
m （1）
（2）子块差分。对比具有相同块号的新、旧固件子块（New_pkg_i ，
Old_pkg_i ）内容的一致性，若两子块内容相同，则不对该新固件子块创建补丁内容，否则使用开源差分算法Bsdiff 计算两子块内容的差分结果bsdiff_out_i ，若新固件的子块数大于旧固件子块数（n >m ），则多出的新固件子块不计算差分，直接将该新固件子块内容作为差分结果。
（3）差分块压缩。由于差分结果具有高度稀疏特性，采用压缩算法可进一步减小固件的数据量。调用fastLz77算法对新固件子块差分结果bsdiff_out_i 进行压缩，得到新固件第i 个子块的补丁bsdiff_fastLz77_out_i 。
（4）合并子块补丁。将新固件信息和压缩后的固件子块补丁组合，创建patch 固件。patch 固件由头信息块patch_header 和各子信息块patch_pkg_i 依次排列构成，其中头信息patch_header 包括总差分包数patch_pkg_total 、新固件的文件大小newFile_size 、新固件的md5信息摘要newFile_md5；子信息块patch_pkg_i 由当前子块序号i 、子块差分压缩包大小size_i 、子块差分压缩包bsdiff_fastLz77_out_i 、子块差分压缩包的CRC8校验值组成。
图3 子包差分固件生成示意图
3 LoRa 固件传输
由于LoRa 传输容量有限，单次无法发送全部patch 补丁固件，需要拆分patch 补丁固件进行多次传输。Master 节点将Patch 补丁固件按照单次最大传输字节长度（Max_Send_Size ）可分为若干（nSend ）包，send_pkg_1，send_pkg_2，...，send_pkg_n 。Master 与Slave 每次交互发送一个OTA 数据包OTA_pkg_i ，OTA 数据包由OTA_header 、OTA_Size 、send_pkg_i 和sum32校验值构成，发送至Slave 节点，采用报文内容加密和跳频方式传输。3.1 报文加密
采用指定密钥循环异或（XOR-Cycle ）的方式对报文加密。首先计算Slave 节点ID 值的128位信息摘要MD5，将明文报文与计算的MD5值依次按字节遍历做异或处理，生成加密报文。由于采用异或加密，因此解密与加密的过程相同。其中，Master 对报文加密，Slave 对报文解密。加解密方法描述如
下：
假设原始报文的明文字节数组A =[a 1, a 2, ..., a n ]，密文字节数组为B =[b 1, b 2, ..., b n ]，共计n 字节；Slave 节点的ID 为ID=[id 1, id 2, ..., id m ]共计m 字节。
（1）计算MD5。计算Slave 节点ID 的128位MD5信息
摘要值，MD5（ID ）=[md5_1, md5_2, ..., md5_16]。（2）循环异或加密。将明文与计算的MD5值依次按字节遍历做异或加/解密处理：b 1=a 1⊕md5_1； b 2=a 2⊕md5_2；…；b 16=a 16⊕md5_16；b 17=a 17⊕md5_1；b 18=a 18⊕md5_2；…；b n =a n ⊕md5_x 。完成加解密。3.2 跳频传输
补丁固件使用LoRa 传输时会极大占用当前通信信道，严重干扰其他使用当前信道的设备正常工作。因此，在传输补丁固件包时使用跳频传输方式，在多个业务信道随机传输，
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（2）Master 节点设置信道信息。Master 节点发送（ch_x ）的报文中带有Slave 响应节点的跳频信息ch_y ，Master 节点发送结束后在对应的Slave 响应频点（ch_y ）接收Slave 回复报文，如果Slave 节点未及时响应，则Master 节点使用上次的频点（ch_x ）重发报文信息，并切换至Slave 响应频点（ch_y ）等待响应，再次超时响应则结束当前数据传输。（3）频点选择。跳频频点ch_y 由Master 节点随机在所有备选信道中选取。3.3 传输流程3.3.1 Master 固件传输
Master 节点固件传输流程如图4所示。Master 节点首先
设置Slave 节点应答频点ch_x 并切换Master 的接收频点为ch_x ，等待终端应答。若终端正常应常，Master 发送第i 个OTA 数据包，并指定终端应答频点ch_y ，切换Mastert 的接收频点为ch_y ，等待终端应答，重复该过程直到patch 固件发送完成。
3.3.2 Slave 固件接收
Slave 节点接收patch 补丁固件的流程如图5所示。Slave 节点处于空闲状态时，切换LoRa 通信模式为接收模式，并设定接收信道为默认信道（ch_1）。接收到报文信息后，立即进行解密处理，如果解密后的报文满足patch 补丁固件传输流程，则根据报文进行回复
。
图4 Master 节点传输流程 图5 Slave 节点传输流程
4 Slave 节点固件更新
Slave 节点接收完OTA 升级包后，将执行固件更新操作，还原固件并检查固件的一致性。运行BootLoader 引导程序，读取Patch_Flash 区域的patch 补丁固件信息，提取patch_header 和patch 子信息块patch_pkg_i ；从patch 子信息块patch_pkg_i 提取子块差分压缩包bsdiff_fastLz77_out_i 和子块差分压缩包的CRC8校验值。使用fastLz77解压算法www.123ctCT
对子块差分压缩包bsdiff_fastLz77_out_i 解压，计算解压后数据包的CRC8校验值，如果计算的校验值与子信息块patch_pkg_i 的校验值相同，则使用bspatch 还原算法和APPB_Flash 存储区第i 个扇区的固件信息还原新固件子包，并将其写入APPA_Flash 存储区第i 个扇区，重复直到还原所有子信息块。
一致性校验根据OTA 升级信息，从APPA_Flash 存储区读取指定长度为新固件newFile_size 字节数的数据，计
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44将APPB_Flash 存储区的旧固件拷贝至APPA_Flash 存储区，清除Patch_Flash 存储区和相关OTA 升级信息
。
5 OTA 升级测试
为验证基于LoRa 通信的OTA 升级的可靠性，搭建包括1个Master 节点和10个Slave 节点的测试环境，其中 Master 节点由PC 端电脑软件和LoRa 透传模组组成。PC 端电脑软件完成对Slave 节点的OTA 升级流程和协议控制，此外还制作patch 文件；LoRa 透传模组接口为USB 转LoRa ，模组如图6 所示，负责将PC 端电脑软件发出到USB 口的数据转换成LoRa 通信无线方式发送。Slave 节点的参数信息见表1 所列。
图6 USB 转LoRa 模组表1 Slave 节点参数
参 数指 标MCU STM32F103RBT6
主频72 MHz FLASH 容量128 KB ，扇区1 KB
LoRa 模组SX1278工作频段470～490 MHz 节点ID
0x211830～0x21183A
同步Master 节点和Slave 节点的LoRa 跳频信道划分，配置默认信道为ch_1：472.5 MHz ，从472.7～485.1 MHz ，间隔0.2 MHz ，共计62个跳频信道。其余LoRa 通信参数设置为带宽500 kHz 、编码率4/5、扩频因子12。为模拟信道冲突，10个Slave 节点都在ch_1信道每隔10 s 随机发送业务 数据。
Master 节点选择测试用新固件new.bin ，大小为31.2 KB ； 旧固件old.bin ，大小为33 KB ；依次执行固件分包、子包差分、子包压缩、patch 文件拼包操作，生成patch 补丁固件源文件。其中，固件按照扇区1 KB 进行分包，patch 补丁固件源文件（patch.bin ）大小为2.3 KB 。
OTA 传输的有效patch 数据包设置为255字节，Master 节点将patch 补丁固件按照255字节分成10个数据包，每个数据包增加头文件信息OTA_header 、整包数据量OTA_Size 和sum32校验值，构成OTA 数据包。Master 节点发送
响应信道ch_x 为17，即476.1 MHz ，设置Master 节点在 476.1 MHz 等待接收Slave 节点1的回复报文，等待延时 120 ms 后Master 报文接收成功。
Master 节点在信道476.1 MHz 发送第一帧OTA 数据报文，并随机指定Slave 节点的响应跳频信道ch_x 为32，即479.1 MHz ，发送之后设置Master 节点在479.1 MHz 等待接收Slave 节点的回复报文，等待延时260 ms 后Master 报文接收成功。
Master 节点依次发送至最后一帧OTA 数据报文，Slave 节点均正常响应。此时，Slave 节点重启进入BootLoader 引导程序，执行固件还原操作，校验新固件MD5，并将该新固件写入APPB_Flash 区进行备份，程序跳转至APPA_Flash 区，正确执行，OTA 升级完毕。多次测试结果见表2所列，成功率为100%。
表2 OTA 升级结果
次 数升级耗时/s 升级结果112.640成功211.800成功3 12.480成功412.460成功5
11.660
成功
6 结 语
本文提出了用于LoRa 通信的OTA 差分升级方案，通过Bsdiff 差分和FastLz77压缩进一步减小了固件的体积以适应LoRa 低速率传输场景。为避免对现有业务信道的传输冲突，使用LoRa 跳频和循环异或加密方式对固件传输信道和固件数据包进行优化，显著提高了固件升级的成功率。验证结果表明，本方案适用于LoRa “点对点”通信场景下的固件升级应用。
参
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（下转第47页）
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时会导致源节点通信范围相邻节点的正常信号接收受到影响。和一般的陆地相似网络相比，水下无线
通信网络还需要一个或以上的水面节点作为网关节点，便于水上无线网络相互连接。所以，完全的分布式网络难以满足水下无线通信网络的需求。
（3）混合式。从上述两种情况来看，无论哪种都不能满足水下网络通信的相关需求，所以目前应用最多的网络拓扑为混合式，即将水面网关节点或水下汇聚节点看作中心节点，重点汇总处理水下网络采集的数据信息，并实现有效管控。
总之，水下无线通信网络拓扑需要基于具体的应用需求，针对性地开展研究设计，建立最优的拓扑结构。当前最常见的包含了水面网关部署类以及水下网络拓扑类。其中，前者主要有单一网关以及多网关两种，但单一网关能耗大，存在延时问题，而多网关正好可以解决这一问题，但也会在一定程度上增加被破坏和发现的风险。后者主要包含二维静态、三维静态以及动态类3种，但各自都有自身特性和适用范围，所以在实际建立网络拓扑的过程中，还需基于实际的应用需求与场景，选择最适合的结构，之后再基于此确定科学的控制方法，以使拓扑与节点的控制都能实现最优。
3 结 语
蜂鸣器封装
虽然目前水下无线通信技术具有众多优势，也被应用在多个领域，但在实际应用时却依然面临各种安全威胁，诸如
洋环境监测、资源开发等都具有极高的经济价值与现实意义。对此，需要根据实际情况落实安全设计，从构建安全体系着手，加强网络安全管理，进一步优化网络拓扑结构，提升安全性，从根本上保证整体网络的使用安全，满足基本的应用需求。
参
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（上接第44页）
