桑田 武繼榮 周澤

1.合肥一六八中學(xué) 安徽合肥 230000；2.美的集團(tuán)電冰箱事業(yè)部 安徽合肥 230000

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，芯片和軟件都在不斷發(fā)展。組成互聯(lián)網(wǎng)的已經(jīng)不只是電腦和手機(jī)，比如電視、冰箱、音箱、汽車、門禁都可以接入網(wǎng)絡(luò)。越來越多的廠商開發(fā)出智能家電并接入網(wǎng)絡(luò)。

通過家電互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享，給人們的生活帶來了便利。但與此同時，廠商也在不斷探索，如何通過聯(lián)網(wǎng)，使家電獲得更高的品質(zhì)、更佳的可擴(kuò)展性，或者在廠商內(nèi)部取得價值鏈?zhǔn)找?，而不是僅僅作為一個賣點(diǎn)噱頭；用戶也期望得到更好的使用體驗(yàn)。

OTA（Over－The－Air）顧名思義空中升級。是一種基于聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程升級技術(shù)。在手機(jī)固件、APP中應(yīng)用較多，近年在汽車電子中快速發(fā)展。在用戶需求多變、開發(fā)周期收緊、可靠性要求提高的大環(huán)境下，OTA技術(shù)被視為智能產(chǎn)品開發(fā)的有效支撐。

本文旨在討論OTA技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用，并提出有效的解決方案，提高可靠性、可擴(kuò)展性、用戶體驗(yàn)。為廠商、用戶帶來正向收益。暫以冰箱應(yīng)用為實(shí)例進(jìn)行說明。

案例：某系列智能冰箱產(chǎn)品，由于功能配置接近，其電控板的硬件設(shè)計已經(jīng)通用化，但因?yàn)椴煌脑O(shè)定溫度范圍及規(guī)則需要，軟件并不兼容。隨著產(chǎn)品量產(chǎn)，給工廠防呆帶來較大困擾，電控板的外觀十分相似，裝配錯誤時有發(fā)生，等到通電檢測才能發(fā)現(xiàn)，返修耗費(fèi)了大量時間，影響工廠作業(yè)效率。在上市之后，其衍生產(chǎn)品開發(fā)出了更優(yōu)的控制規(guī)則，使得保鮮效果更好，雖然之后的產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用，但已經(jīng)上市的產(chǎn)品無法體現(xiàn)，銷售端也未能宣傳，影響市場表現(xiàn)。

2 技術(shù)方案

將OTA技術(shù)作為主要方案。實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：市場端軟件版本后臺受控；工廠PBA在裝配端通用；新技術(shù)、新功能智能推送，用戶自主選擇。

以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)，在于電控軟件的遠(yuǎn)程升級，方案中，采用云端服務(wù)器存儲電控固件版本，使用公司內(nèi)部的軟件編碼（唯一）作為區(qū)分，在聯(lián)網(wǎng)后，冰箱通過Wi-Fi模塊或者其他媒介查詢本地電控固件版本與云端固件版本，如果云端有更新版本，就運(yùn)行版本校驗(yàn)和白名單校驗(yàn)規(guī)則。對于符合校驗(yàn)規(guī)則的冰箱，Wi-Fi模塊從云端下載固件，校驗(yàn)正確后，通知電控板下載，電控板下載完成并校驗(yàn)正確后，電控軟件進(jìn)入待切換狀態(tài)，在確認(rèn)當(dāng)前工作場景后進(jìn)行切換。如圖1所示。

在應(yīng)用中，開發(fā)者上傳固件包時，云服務(wù)器端核對編碼并進(jìn)行MD5校驗(yàn)，將結(jié)果補(bǔ)充在固件數(shù)據(jù)之后，待Wi-Fi模塊下載完成時進(jìn)行校驗(yàn)?？紤]到冰箱MCU的運(yùn)算能力，在冰箱下載完成之后進(jìn)行CRC16校驗(yàn)。

在電控軟件設(shè)計時，因?yàn)镸CU的RAM資源有限，同時沒有其他輔助存儲區(qū)域用于存儲固件包，故實(shí)例中使用分區(qū)的方案。將電控MCU的FLASH切分為BOOT區(qū)域、APP區(qū)域、BACKUP區(qū)域，其中BOOT區(qū)域用于存在引導(dǎo)相關(guān)代碼，APP區(qū)域?yàn)楫?dāng)前運(yùn)行固件代碼，BACKUP區(qū)域?yàn)閭溆霉碳鎯^(qū)域。為了減少RAM資源和運(yùn)行時間的占用，電控下載固件包時分幀下載，如每幀下載128個字節(jié)，單幀校驗(yàn)使用CRC8，下載全部完成用CRC16進(jìn)行固件包的完整性校驗(yàn)，如圖2所示。

在實(shí)例中，電控MCU使用瑞薩電子（Renesas）的R5F100MGA，其有效FALSH 128kB，其中BOOT區(qū)分配8kB，APP和BACKUP區(qū)域均為59kB，OCDROM作為仿真使用，預(yù)留2kB，其中BOOT區(qū)功能按照圖3所示步驟設(shè)計。

思蓉和思遠(yuǎn)走后，楚墨重新扎進(jìn)廚房。這次他要為念蓉榨一杯西瓜汁，他說天太熱，喝杯西瓜汁去暑。念蓉不理他，去浴室洗好澡，出來，楚墨已經(jīng)將兩杯西瓜汁榨好。

BOOT區(qū)域代碼設(shè)計時不使用定時器、UART等硬件資源，在初始化時也僅設(shè)定看門狗運(yùn)行、時鐘選擇等基本資源。盡量小的占用系統(tǒng)資源和ROM大小。

APP區(qū)域中需要設(shè)計UART分幀接收固件包，并利用自編程寫入BACKUP區(qū)對應(yīng)地址。其功能按照圖4所示設(shè)計。

在下載之前，首先需要確認(rèn)BACKUP區(qū)域?yàn)槿?，否則先進(jìn)行擦除，下載中按照順序?qū)懭?，在完成后進(jìn)行完整性校驗(yàn)，校驗(yàn)合法之后根據(jù)使用場景，如用戶沒有打開冰箱門等，在合適的場景下完成切換。

在本實(shí)例中，APP區(qū)域/BACKUP區(qū)域大小為59kB，使用8M的振蕩器時鐘，經(jīng)過測試，BOOT區(qū)引導(dǎo)完成切換的時間為640mS左右，配合切換場景的選擇，可以達(dá)成對用戶體驗(yàn)無影響。分幀下載的長度，需要綜合RAM的可用資源和下載速度綜合選擇。如圖5所示。

實(shí)例中兼容框架通訊協(xié)議，如每次下載64Byte，實(shí)際通訊字節(jié)86Byte。在9600bps的速率下，通訊接收耗時約87ms，接受完成后需要進(jìn)行校驗(yàn)、解析、FALSH寫入和讀取校驗(yàn)，綜合約每222ms完成一幀固件數(shù)據(jù)的下載。59kB的數(shù)據(jù)包總計需要：

圖1 冰箱OTA的功能流程圖

圖3 BOOT區(qū)功能狀態(tài)機(jī)圖

圖4 APP區(qū)域OTA分幀下載功能的狀態(tài)機(jī)圖

圖5 分幀下載中的UART接收波形圖

圖6 OTA下載時，冰箱功能時基有輕微的累計誤差

222mS×（59×1024/64）= 209.6秒

在下載過程中，還需要冰箱電控功能正常運(yùn)行，考慮系統(tǒng)負(fù)載率和電控功能的時鐘準(zhǔn)確性。本實(shí)例中最終使用每次下載128Byte，固件包下載總耗時122秒。同時因?yàn)榇谡加弥袛噘Y源，在相同中斷優(yōu)先級的情況下，電控功能的定時器時基，響應(yīng)中斷時間可能滯后（本實(shí)例中冰箱功能運(yùn)行的時基為1ms）。在實(shí)際使用時，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)綜合考慮，協(xié)調(diào)下載速率、RAM資源占用、系統(tǒng)負(fù)載率、電控基本功能的協(xié)調(diào)性，以保證用戶體驗(yàn)不受影響，如圖6所示。

3 方案應(yīng)用

通過方案的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了市場端電控軟件版本的受控和后臺管理。為了進(jìn)一步給價值鏈和用戶體驗(yàn)帶來價值，實(shí)施了兩個拓展應(yīng)用：

3.1 工廠端制造軟件自適應(yīng)：

對于實(shí)例中的系列產(chǎn)品，設(shè)計了機(jī)型碼和Wi-Fi模塊關(guān)聯(lián)單元，并統(tǒng)一使用公共版的電控板，在制造基地搭建了本地服務(wù)器。公共版電控板設(shè)計了基于系列電控板硬件的檢測軟件，用于完成電控板的制造中硬件檢測（如自檢和FCT檢測），同時寫入了機(jī)型碼和軟件編碼的對應(yīng)關(guān)系；為了不影響冰箱在產(chǎn)線的檢測效率，公共版軟件在運(yùn)行的前4分鐘內(nèi)開啟壓縮機(jī)。關(guān)聯(lián)單元用于產(chǎn)線綁定機(jī)型和Wi-Fi模塊MAC碼的對應(yīng)關(guān)系。本地服務(wù)器用于固件包的本地存儲，并定時與云端服務(wù)器的固件包數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，由于本地連接，只需要本地硬件平臺（如供電）不失效，即可以保證高可靠性，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。系統(tǒng)主要架構(gòu)圖如圖7所示，產(chǎn)線工序設(shè)計如圖8所示。

在生產(chǎn)中，員工1安裝電控板和Wi-Fi模塊，并通過關(guān)聯(lián)模塊掃碼冰箱機(jī)型碼和Wi-Fi模塊MAC碼，獲得對應(yīng)關(guān)系并通過本地網(wǎng)絡(luò)上傳本地服務(wù)器。在此工位，電控板和Wi-Fi模塊都是通用物料，不需要區(qū)分型號。

員工2接通冰箱電源并開始測試，此時Wi-Fi模塊向電控板請求機(jī)型型號，得到通用型號的回復(fù)后，Wi-Fi模塊通過AP向本地服務(wù)器請求與自身MAC關(guān)聯(lián)的機(jī)型號，并發(fā)送給電控板。電控板記錄機(jī)型號并回傳對應(yīng)的軟件編碼信息，后續(xù)同市場端OTA流程。電控板將在幾分鐘內(nèi)完成與整機(jī)機(jī)型對應(yīng)的電控軟件固件下載。因?yàn)楣舶骐娍剀浖谇皫追昼妰?nèi)也會打開壓縮機(jī)，從冰箱制造的實(shí)際場景看，對于產(chǎn)線檢測的效率沒有影響。

通過這項(xiàng)應(yīng)用，工廠端可以實(shí)現(xiàn)電控板安裝的徹底防呆，員工不再需要在安裝電控板之前確認(rèn)型號；同時從實(shí)際生產(chǎn)場景考慮，每當(dāng)電控軟件需要升級迭代時，庫存的電控板不需要再額外安排軟件更新。在新的固件包上傳到云服務(wù)器后，實(shí)例中本地服務(wù)器每1分鐘進(jìn)行一次同步，可以保證新版本快速應(yīng)用在制造端。

本應(yīng)用中，云服務(wù)器與市場端OTA公用，對于制造端，僅需要新增本地服務(wù)器和關(guān)聯(lián)模塊，投入有限，卻大大提升了制造的通用性金額效率，上下游的電控板制造工廠也減小了庫存呆滯的壓力。

3.2 新功能推送

每當(dāng)廠商研發(fā)出新的技術(shù)，可以通過移動端APP向用戶推送，在獲得同意后軟件升級為最新版本，或者獲得新的功能應(yīng)用拓展。推送版本軟件在到達(dá)預(yù)設(shè)的時間后，可以再次向用戶推送是否需要更改回當(dāng)前量產(chǎn)版本。本應(yīng)用僅需要確認(rèn)有更新版本后向用戶推送是否升級的確認(rèn)頁面即可。這樣，通過OTA功能的拓展應(yīng)用，用戶可以持續(xù)使用到最新的保鮮控制技術(shù)；對于廠商，也可以大大增加智能產(chǎn)品的用戶黏性，并使得已銷售產(chǎn)品擁有持續(xù)獲得收益的可能性，其工作框架如圖9所示。

4 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)逐步改變了人們的生活方式和使用習(xí)慣，也給家電產(chǎn)品注入新的活力。隨著芯片和軟件技術(shù)的發(fā)展，家電產(chǎn)品也終將變得智能、靈活起來。

本文討論了基于聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，通過OTA技術(shù)的原理研究、在家電領(lǐng)域方案設(shè)計和實(shí)施應(yīng)用，使得廠商、用戶等價值鏈各環(huán)節(jié)都獲得了新的工作方式；從新的視角，解決了困擾多年的問題，使得家電的控制固件不再是出廠一次性設(shè)定，而是可以促進(jìn)廠商、用戶的多次交互，共同定義家電最終的功能組成。

圖7 制造端使用公共版通用生產(chǎn)的功能組成簡圖

圖8 制造端使用公共版通用生產(chǎn)的線體工序簡圖

圖9 新功能通過OTA向用戶推送的功能簡圖