物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者需要不斷地評(píng)估平臺(tái)和組件的選擇，以降低成本和功率，同時(shí)提高性能和加快連接應(yīng)用的設(shè)計(jì)。目前有相當(dāng)多的解決方案可供選擇，但設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是，一旦部署，如何進(jìn)行無(wú)線空中下載 (OTA) 更新以保持設(shè)備固件的更新。
關(guān)鍵是要看一下現(xiàn)有的平臺(tái)，看看它們有哪些額外的工具和支持來(lái)支持 OTA 更新。這樣的支持可以大大簡(jiǎn)化過(guò)程，但前期可能需要一些關(guān)注。
本文討論了 OTA 基本原理，以及為什么它是幾乎每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都需要支持的關(guān)鍵功能，盡管開(kāi)發(fā)者面臨著諸多挑戰(zhàn)。然后以 Espressif Systems 的 ESP32 支持藍(lán)牙和 Wi-Fi 的微控制器以及相關(guān)模塊、套件和 ESP 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)框架 (ESP-IDF) 為例，展示如何打造一個(gè) OTA 分區(qū)，并利用 otatool.py 腳本在應(yīng)用仍在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行固件更新。
OTA 更新介紹
大多數(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的核心重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品的特定功能，也就是產(chǎn)品差異化業(yè)務(wù)邏輯。然而，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都有一個(gè)基本功能集，需要在設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行部署、配置和維護(hù)。安全更新是一個(gè)很好的例子。鑒于需要執(zhí)行這些更新，在評(píng)估一個(gè)合適的開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)，一個(gè)重要但容易被忽視的功能是引導(dǎo)程序或固件 OTA (FOTA) 更新（有時(shí)只稱(chēng)為 OTA）能力。
OTA 為工程師提供了根據(jù)技術(shù)和業(yè)務(wù)要求遠(yuǎn)程維護(hù)和升級(jí)其產(chǎn)品的能力，而不需要派維護(hù)人員到設(shè)備上或讓終端客戶(hù)主動(dòng)對(duì)設(shè)備做一些更新。相反，所有這些成本都可以通過(guò)讓設(shè)備在后臺(tái)默默地或在半夜操作之類(lèi)“停工”時(shí)間內(nèi)升級(jí)其固件方式來(lái)消除。
OTA 架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方案。圖 1 中可以看到一個(gè)典型的架構(gòu)實(shí)例。
圖 1：OTA 架構(gòu)概覽展示在現(xiàn)場(chǎng)向所部署設(shè)備更新應(yīng)用固件的示例過(guò)程。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）
在這個(gè)例子中，一個(gè) OEM 使用亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù) (AWS) 物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)核上傳新的固件版本，然后使用內(nèi)置的作業(yè)功能將更新部署到現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。這只是眾多例子中的一個(gè)，幾乎每個(gè)云供應(yīng)商都有類(lèi)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(gè)廣受低成本系統(tǒng)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(gè)原因：
它有一個(gè)集成的微控制器，有 Wi-Fi/藍(lán)牙認(rèn)證模塊可用
低成本
開(kāi)源開(kāi)發(fā)環(huán)境和軟件框架，如 ESP-IDF 和 ESP 音頻開(kāi)發(fā)框架 (ESP-ADF)
許多現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)例可在網(wǎng)上免費(fèi)獲得
選擇一個(gè) ESP32 模塊進(jìn)行 OTA 測(cè)試
有幾種不同的 ESP32 模塊和開(kāi)發(fā)板可供用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)，以便了解 OTA 實(shí)例。以 Adafruit 3405 ESP32 Huzzah Feather 板為例（圖 2）。這是一塊低成本的開(kāi)發(fā)板，包括對(duì) ESP32 進(jìn)行編程的所有電路，并通過(guò)一個(gè) USB 連接器為其供電。
圖 2：3405 Huzzah Feather 板包含一個(gè) ESP32 WROOM-32D 認(rèn)證型 Wi-Fi/藍(lán)牙模塊，帶 4 Mb 閃存。該板包括所有必要的硬件，可通過(guò) USB 編程和與模塊通信。（圖片來(lái)源：Adafruit）
3405 的核心是一個(gè) ESP32-WROOM-32D 模塊，它配備了 4 Mb 閃存、Wi-Fi、藍(lán)牙和一套完整的外設(shè)，幾乎適用于任何應(yīng)用。
另一塊可以使用的開(kāi)發(fā)板是 Espressif Systems 的 ESP32-LYRATD-SYNA 音頻板（圖 3）。該開(kāi)發(fā)板包括 ESP32-WROVER-B 模塊。
圖3 ：ESP32-LYRATD-SYNA 板基于 ESP32 WROVER-B 認(rèn)證型 Wi-Fi/藍(lán)牙模塊，帶 4 Mb 閃存。除了能夠讓設(shè)計(jì)者通過(guò) USB 編程和與模塊通信外，它還具有開(kāi)發(fā)音頻應(yīng)用所需的電路。（圖片來(lái)源：Espressif Systems）
ESP32-LYRATD-SYNA 模塊也有 4 Mb 閃存，以及用于音頻應(yīng)用的所有電路。該板包括一個(gè)音頻編解碼器、一個(gè)音頻放大器以及耳機(jī)和揚(yáng)聲器插孔，以全面測(cè)試音頻應(yīng)用。
最后一塊可用于 OTA 測(cè)試的開(kāi)發(fā)板是 Espressif 的 ESP32-S2-SAOLA-1RI 開(kāi)發(fā)板（圖 4）。說(shuō)到開(kāi)發(fā)板，這款最不昂貴的。該板包含一個(gè) ESP32 Wrover 模塊，以及對(duì)該芯片進(jìn)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(yàn)板上進(jìn)行測(cè)試外，沒(méi)有任何其他的裝飾。
圖 4：基于 Wrover 模塊的 ESP32-S2-SAOLA-1RI 是一塊裸開(kāi)發(fā)板，成本低，但包括足夠的電路來(lái)對(duì)板載模塊編程。（圖片來(lái)源：Espressif Systems）
為測(cè)試而選擇的具體板子并不太重要，因?yàn)槊總€(gè) ESP32 模塊都利用了 ESP-IDF。這個(gè)框架旨在通過(guò)包括驅(qū)動(dòng)程序、中間件、RTOS 以及對(duì)本文而言很重要的引導(dǎo)程序和 OTA 庫(kù)，從而為開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)。
引導(dǎo)程序允許開(kāi)發(fā)者利用 OTA 更新，并在主要應(yīng)用仍在運(yùn)行時(shí)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分區(qū)以更新固件，這有助于最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。引導(dǎo)程序的設(shè)置一開(kāi)始可能看起來(lái)很復(fù)雜，但如果指導(dǎo)得當(dāng)，是很簡(jiǎn)單的。
OTA 開(kāi)發(fā)工作流
ESP32 的 OTA 開(kāi)發(fā)工作流將根據(jù)業(yè)務(wù)需求和產(chǎn)品組件選擇而略有不同。例如，一個(gè)利用 AWS 的團(tuán)隊(duì)可能會(huì)使用 AWS 的入門(mén)指南和例子來(lái)啟動(dòng)其 ESP32 OTA 解決方案。另一方面，一個(gè)正在定制自己解決方案的公司也可能會(huì)利用 ESP32 的說(shuō)明文檔。在這篇文章中，我們要看的是 ESP32 層面內(nèi)容，而不是在云端。原因是這些內(nèi)容是通用的，適用于 ESP32 的 OTA，無(wú)論使用哪個(gè)云提供商或解決方案。
一般來(lái)說(shuō)，在 ESP32 上設(shè)置 OTA 更新的過(guò)程包括以下步驟：
配置 ESP32 分區(qū)表
下載支持 OTA 的固件
開(kāi)發(fā)一個(gè)工具，充當(dāng)服務(wù)器，推送新的固件
將最新的固件下載到 ESP32 上
調(diào)換到新應(yīng)用
很明顯，這是簡(jiǎn)化的方法。開(kāi)發(fā)人員應(yīng)再次查看圖 1 以了解整個(gè)固件更新過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可能相當(dāng)復(fù)雜，所以建議利用位于 GitHub 上的現(xiàn)有 ESP32 OTA 實(shí)例。這些例子提供了幾個(gè)關(guān)鍵實(shí)例，如：
HTTPS OTA
本地 OTA
簡(jiǎn)單 OTA
OTA 工具（python 腳本示例）
圖 5 顯示了部署和更新過(guò)程的步驟。開(kāi)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(jìn) OTA 更新。
圖 5：位于 GitHub 上的 Espressif Systems OTA 更新例子為開(kāi)發(fā)者提供了幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子，以讓其 ESP32 執(zhí)行 OTA 更新。（圖片來(lái)源：Espressif Systems）
為 OTA 配置一個(gè) ESP32 應(yīng)用程序
ESP32 包含一個(gè)分區(qū)表，描述了什么類(lèi)型的數(shù)據(jù)位于微控制器上以及它的位置。例如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 ESP32 分區(qū)表看起來(lái)像表 1。
表 1：標(biāo)準(zhǔn) ESP32 分區(qū)表顯示了數(shù)據(jù)的類(lèi)型及其在微控制器上的位置。（表格來(lái)源：Beningo Embedded）
有一個(gè)工廠應(yīng)用，然后是 NVS 庫(kù)和物理層 (PHY) 初始化 (init) 數(shù)據(jù)部分。為了使用 OTA 功能，該表需要更新，以便除了主要（工廠）應(yīng)用外，還要為 OTA 更新固件指定存儲(chǔ)器位置。對(duì)于 OTA，通常有兩個(gè)分區(qū)被分配用于更新。一個(gè)是正在更新的固件，一個(gè)是正在下載的固件，它將成為最新版本。這使得工廠應(yīng)用能夠保持不變。更新后的 OTA 分區(qū)表將看起來(lái)像表 2。
表2：典型的 ESP32 更新 OTA 分區(qū)表。（表格來(lái)源：Beningo Embedded）
如表所示，現(xiàn)在有一個(gè) ota_0 和 一個(gè)ota_1 應(yīng)用部分，其大小為 1Mb，此外還有一個(gè)數(shù)據(jù)部分 (otadata)，是為更新過(guò)程分配的 RAM。這個(gè)表可以由開(kāi)發(fā)者修改和更新，以適應(yīng)應(yīng)用。
為了運(yùn)行 OTA 例子，有一套簡(jiǎn)單的說(shuō)明，列在 GitHub 的“如何使用實(shí)例”部分。該部分描述了如何構(gòu)建應(yīng)用并對(duì)其進(jìn)行編程。
還有 otatool，可以用來(lái)更新固件。這個(gè)腳本通常用于：
讀取、寫(xiě)入和擦除 OTA 分區(qū)
切換引導(dǎo)分區(qū)
切換到工廠分區(qū)
該示例腳本可以通過(guò)使用命令在終端運(yùn)行該示例來(lái)執(zhí)行。
./otatool_example.sh
或者使用 Python。
python otatool_example.py
當(dāng)談到為 OTA 配置 ESP32 時(shí)，確保分區(qū)的設(shè)置是一個(gè)關(guān)鍵步驟。
使用的技巧和訣竅
EPS32 OTA 解決方案可以加速和簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)者的固件更新方案。為了防止解決方案成為開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)，有幾個(gè)“技巧和訣竅”應(yīng)該牢記在心。
如果可能的話，利用該公司的云供應(yīng)商所包含的現(xiàn)有 OTA 框架。這可以極大地簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)和集成。
使用低成本的開(kāi)發(fā)板來(lái)測(cè)試 OTA 功能和引導(dǎo)程序。ESP32 有幾個(gè)選項(xiàng)，可能需要一些實(shí)驗(yàn)來(lái)確定哪一個(gè)是最適合手頭的應(yīng)用。
對(duì)于定制解決方案，可利用 GitHub 上的 ESP32 OTA 實(shí)例。
對(duì)于產(chǎn)品作為 Wi-Fi 路由器或集線器的應(yīng)用，考慮將固件鏡像下載到外部存儲(chǔ)器，并從大容量存儲(chǔ)設(shè)備執(zhí)行更新。
花一些時(shí)間查看關(guān)于分區(qū)表的 ESP32 說(shuō)明文檔。這與典型的微控制器實(shí)現(xiàn)有點(diǎn)不同。
出于安全考慮，最好禁用應(yīng)用回滾。如果應(yīng)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(gè)帶有已知漏洞的版本，并破壞系統(tǒng)。
遵循這些“技巧和決竅”的開(kāi)發(fā)者會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們?cè)噲D利用 ESP32 或任何其他 OTA 解決方案時(shí)，他們可以節(jié)省大量的時(shí)間并免受煎熬。
結(jié)語(yǔ)
OTA 更新是越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。開(kāi)發(fā)人員需要很好地掌握這種功能的有效實(shí)現(xiàn)方法，以便在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中以及在產(chǎn)品出廠后節(jié)省前期時(shí)間。
ESP32 無(wú)線微控制器已經(jīng)廣泛用于各種類(lèi)型的設(shè)備，如上所述，它有一個(gè)現(xiàn)成的 OTA 解決方案。通過(guò)利用 ESP-IDF 和相關(guān)的模塊和平臺(tái)，并使用一些基于經(jīng)驗(yàn)的技巧和決竅，開(kāi)發(fā)者可以大大減輕他們的設(shè)計(jì)時(shí)間，并完成他們的 OTA 解決方案并使之可靠地運(yùn)行。
