藺 晨，李懷良，牟雪嬌

(西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境保護(hù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621010)

0 引言

分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由各類(lèi)資源(如計(jì)算、內(nèi)存及傳輸帶寬等)受限的嵌入式節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)成，需要長(zhǎng)期野外作業(yè)，存在應(yīng)用維護(hù)(漏洞修復(fù))、需求更新(功能升級(jí))等實(shí)際需求[1]。但是，目前快速的應(yīng)用升級(jí)更新技術(shù)在地震儀器的應(yīng)用升級(jí)方面應(yīng)用遠(yuǎn)少于通用電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

目前，嵌入式節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的程序更新方式主要分為單節(jié)點(diǎn)下載器燒寫(xiě)和基于各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)掛載的更新方法兩類(lèi)。前者主要利用外界媒質(zhì)(如紫外線、高壓電、低壓電等)、專(zhuān)用燒寫(xiě)工具和軟件[2]，但是在分布式系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)該方法存在耗時(shí)耗力、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，因此人工采用下載器燒錄的方式不能滿足實(shí)際需求[3]；后者主要利用宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)(采集站)上的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)各采集站的程序升級(jí)更新[4]，如NFS、TFTP、TCP/UDP、SAMBA和SSH等，但是該方法要求操作人員具備嵌入式軟件開(kāi)發(fā)能力，僅適用于設(shè)備研發(fā)和調(diào)試階段。

上述兩種方式均存在重復(fù)人工操作、耗時(shí)耗力等問(wèn)題，不適用于已投入生產(chǎn)的儀器，且開(kāi)發(fā)人員和用戶角色分離的實(shí)際對(duì)應(yīng)用升級(jí)方式提出更加便捷、高效的要求[1-3]。因此，本文提出一種基于UDP和FTP協(xié)議的分布式地震儀的應(yīng)用升級(jí)方法，整合了基于網(wǎng)絡(luò)方式的應(yīng)用升級(jí)步驟，開(kāi)發(fā)了一套用于固件程序更新和命令消息發(fā)送的軟件，主要分為Windows PC上的C#程序和采集站上的嵌入式Linux C應(yīng)用程序，利用各節(jié)點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)來(lái)批量完成各類(lèi)重復(fù)操作，方便快捷、提高效率。該方法的研究與測(cè)試主要在課題組研制的復(fù)雜山地多波寬頻帶分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5]上進(jìn)行。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用升級(jí)方法總體方案

圖1所示為分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該方法所依附的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，主要由同一局域網(wǎng)內(nèi)的若干搭載嵌入式Linux系統(tǒng)的采集站、中央服務(wù)器和用戶控制臺(tái)Windows PC機(jī)(運(yùn)行地震數(shù)據(jù)處理軟件)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回收、數(shù)據(jù)可視化以及固件在線升級(jí)[6]。而Linux PC機(jī)主要用于開(kāi)發(fā)者進(jìn)行儀器功能程序開(kāi)發(fā)，提供待更新的固件程序，可通過(guò)U盤(pán)、SAMBA等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方式將固件包下載到Windows PC上。

圖1 分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 在線更新方法依賴(lài)的系統(tǒng)架構(gòu)圖

用戶控制臺(tái)負(fù)責(zé)準(zhǔn)備待更新的固件數(shù)據(jù)包，并發(fā)送相應(yīng)的更新消息、控制命令。中央服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)用戶控制臺(tái)發(fā)送的固件數(shù)據(jù)包、指令消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。采集站對(duì)中央服務(wù)器傳來(lái)的更新消息或命令消息進(jìn)行解析，執(zhí)行相關(guān)指令。

1.2 固件包上傳的兩級(jí)目錄機(jī)制

固件包主要包括可執(zhí)行程序文件、采集站配置參數(shù)文件等，要求更新機(jī)制具有很強(qiáng)的可靠性。對(duì)于采集站固件更新，系統(tǒng)中采用雙目錄將固件執(zhí)行與固件存儲(chǔ)分離，若當(dāng)前升級(jí)失敗，在系統(tǒng)未損壞條件下重啟后還可回到上一穩(wěn)定版本。具體過(guò)程：首先，將固件包上傳更新目錄，再由采集站解析軟件包從更新目錄拷貝到執(zhí)行目錄。其次，需在嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核中開(kāi)啟FTP服務(wù)并設(shè)置開(kāi)機(jī)啟動(dòng)相關(guān)進(jìn)程，而Windows PC主要根據(jù)待升級(jí)節(jié)點(diǎn)IP列表建立FTP連接，初始化連接參數(shù)(FTP連接個(gè)數(shù)、被動(dòng)模式、端口等)，再獲取待更新固件包的絕對(duì)路徑，將文件上傳到指定目錄。最后，在嵌入式Linux系統(tǒng)新建目錄/var/ftp/update.iso/作為固件包的存儲(chǔ)目錄，在本軟件更新操作執(zhí)行完成后，固件程序?qū)⒈淮嫒氩杉竟δ艹绦虻膱?zhí)行目錄/home/station/。這種兩級(jí)目錄更新機(jī)制，可以有效避免采集站在更新過(guò)程中由于異常(如：突然斷電)造成重啟時(shí)系統(tǒng)崩潰的問(wèn)題。

1.3 自定義格式消息包發(fā)送

消息包主要包括程序更新消息和命令控制消息兩類(lèi)，格式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小。因此選擇傳輸延遲小、效率高的UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸[7]，用于告知采集節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的消息命令或進(jìn)行程序升級(jí)操作。本方法自定義的消息包格式說(shuō)明如表1所示。

表1 自定義消息包格式說(shuō)明

注：固件更新消息內(nèi)容的前綴為固件名稱(chēng)，后綴是以時(shí)間命名的版本號(hào)；程序固件以課題組研發(fā)的分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的程序命名。

2 程序升級(jí)更新軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 Windows PC端的固件及消息發(fā)送軟件

本文以降低儀器設(shè)備維護(hù)難度、便于用戶使用為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了與地震數(shù)據(jù)處理軟件共用同一主機(jī)的固件更新軟件。該軟件流程如圖3所示，主要功能是選擇采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜舾刹杉?jié)點(diǎn)，建立FTP連接上傳固件包、建立UDP連接發(fā)送消息命令等。

圖3 Windows PC端C#.NET發(fā)送軟件流程圖

本發(fā)送軟件主要采用C#在.NET框架下開(kāi)發(fā)而成。首先，Windows PC發(fā)送軟件打包固件包和消息包，通過(guò)TcpClient對(duì)象連接中央服務(wù)器IP，通過(guò)3333端口的Netty服務(wù)以StartWrite方法將固件包和消息包發(fā)送至服務(wù)器，并且最終在服務(wù)器提供的Tomcat容器中獲取分布式采集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅰＦ浯?，中央服?wù)器整理數(shù)據(jù)包格式，以自定義協(xié)議格式將數(shù)據(jù)包在Netty服務(wù)下轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)采集站。此外，服務(wù)器還提供了Jfinal Java Web服務(wù)，用于獲取分布式地震數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)信息。最后，采集節(jié)點(diǎn)在21端口提供FTP服務(wù)，用于支持?jǐn)?shù)據(jù)文件傳輸，在8000端口提供UDP服務(wù)，支持接收更新消息和命令控制消息。

2.2 Linux采集節(jié)點(diǎn)端的ANALYSIS消息解析軟件

Linux采集節(jié)點(diǎn)端的消息解析軟件主要實(shí)現(xiàn)固件包的接收、消息包的解析功能。解析軟件主要是在Linux PC(宿主機(jī))上通過(guò)Eclipse IDE工具，借助arm-linux-交叉編譯工具鏈，采用C/C++語(yǔ)言進(jìn)行交叉編譯開(kāi)發(fā)而成，再將其下載到嵌入式Linux采集站(目標(biāo)機(jī))上運(yùn)行。

為了使新的固件程序能夠在采集站程序更新后或系統(tǒng)重啟后自動(dòng)加載運(yùn)行，需要修改嵌入式Linux系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)啟動(dòng)腳本文件/etc/init.d/rcS，以便重啟自動(dòng)運(yùn)行新版本程序[8]。開(kāi)機(jī)啟動(dòng)項(xiàng)設(shè)置如表2所示。

對(duì)于固件程序，需在節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Linux內(nèi)核源碼包編譯成內(nèi)核映像uImage時(shí)，需要在配置菜單項(xiàng)menuconfig過(guò)程中，配置“FTP protocol support->”相關(guān)服務(wù)使得節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)支持FTP協(xié)議，并開(kāi)啟FTP相關(guān)服務(wù)，使系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程中央服務(wù)器訪問(wèn)，接收服務(wù)器上傳至采集站上的固件程序包。

表2 自開(kāi)機(jī)啟動(dòng)項(xiàng)設(shè)置說(shuō)明

對(duì)于消息包，主要通過(guò)ANALYSIS解析軟件在8000端口接收服務(wù)器發(fā)送的UDP消息包。ANALYSIS解析軟件根據(jù)程序功能主要分為4部分：建立連接、接收消息、提取消息和執(zhí)行操作。首先，由中央服務(wù)器發(fā)來(lái)連接請(qǐng)求，通過(guò)握手機(jī)制建立連接。其次，采集站通過(guò)recvfrom()函數(shù)實(shí)現(xiàn)消息包的接收。然后，根據(jù)自定義消息格式提取“：”分隔符前的消息頭并判別類(lèi)型，若為命令消息則保存消息內(nèi)容，若為固件更新消息則去除版本信息后保存消息內(nèi)容。最后，執(zhí)行命令或更新操作，若為固件更新消息則將程序拷貝至/home/station/下，并將程序名、版本名和當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間寫(xiě)入自建的更新日志/var/ftp/update.log中；若為命令消息則調(diào)用system()系統(tǒng)，創(chuàng)建子進(jìn)程執(zhí)行命令。圖4所示為節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)端指令解析軟件程序流程圖。

圖4 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)端指令解析軟件程序流程圖

3 測(cè)試與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在同一局域網(wǎng)下，測(cè)試發(fā)送軟件和采集站端的解析軟件工作情況。設(shè)置2組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比2種程序升級(jí)方法的更新便捷性：A Linux PC-ARM采集站(宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī))更新測(cè)試。B Windows PC-中央服務(wù)器-ARM采集站更新測(cè)試。各站點(diǎn)IP信息說(shuō)明如表3所示。

表3 各測(cè)試站點(diǎn)IP信息說(shuō)明

注：更新包以GPS為例。更新消息格式為“UpdateFirmware:GPS_20190101”。

實(shí)驗(yàn)A：4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)Linux PC-ARM采集站程序升級(jí)更新。默認(rèn)事先已搭建好NFS服務(wù)、SSH服務(wù)等。

(1)利用puTTY工具SSH遠(yuǎn)程登錄單個(gè)采集站；

(2)在采集站控制臺(tái)輸入“mount -t nfs -o nolock 192.168.1.102:/nfs_root /mnt”，實(shí)現(xiàn)nfs目錄掛載，便于將Linux PC上的固件程序共享到采集站上/mnt目錄下；

(3)將GPS可執(zhí)行文件從宿主機(jī)交叉編譯的工程目錄/Debug/下拷貝至NFS共享目錄/nfs_root；

(4)在SSH遠(yuǎn)程終端上將共享至/mnt目錄下的GPS可執(zhí)行文件拷貝至執(zhí)行目錄/home/station/，修改權(quán)限“chmod 777 /home/station/GPS”后重啟系統(tǒng)，更新程序固件成功；

(5)重復(fù)(1)至(4)步實(shí)現(xiàn)A、B、C 3個(gè)采集站程序升級(jí)更新，共計(jì)12個(gè)步驟。采集站端命令行更新程序操作如圖5所示。

圖5 采集站A端命令行更新程序操作

實(shí)驗(yàn)B：三步實(shí)現(xiàn)Windows PC-中央服務(wù)器-ARM采集站的程序升級(jí)更新。默認(rèn)事先已搭建好SAMBA服務(wù)、FTP服務(wù)等，且默認(rèn)已配置好表2所示的各種開(kāi)機(jī)啟動(dòng)項(xiàng)。更新軟件拓?fù)浍@取界面及消息發(fā)送界面如圖6所示。

(1)Windows PC機(jī)通過(guò)Samba服務(wù)將GPS可執(zhí)行文件從Linux PC下載至本地；

(2)通過(guò)服務(wù)器的Tomcat容器獲取在線采集站A、B、C的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，檢查在線站點(diǎn)；

(3)選中所有待更新的采集站，一次性上傳GPS更新包，發(fā)送更新消息“UpdateFirmware：GPS_20190101”，輸出反饋消息。

(4)測(cè)試命令行控制功能，結(jié)果如圖7所示。測(cè)試將采集站A的home目錄所有文件備份到新建/backup備份目錄中。

圖6 更新軟件拓?fù)浍@取界面及消息發(fā)送界面

圖7 更新軟件命令行控制接口功能界面

3.2 對(duì)比分析

為了直觀分析兩類(lèi)更新方式的特點(diǎn)，作表4所示的兩類(lèi)應(yīng)用升級(jí)方式各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比情況表。隨著分布式系統(tǒng)的規(guī)模增大，基于網(wǎng)絡(luò)掛載的應(yīng)用升級(jí)方式，拖慢工作進(jìn)度，降低地震勘探儀器的作業(yè)效率。而本文實(shí)現(xiàn)的在線更新軟件進(jìn)行程序升級(jí)僅需3步操作，用戶點(diǎn)擊待上傳的固件文件，發(fā)送軟件按固定格式打包，并發(fā)送固件更新消息，隨后等待采集站端的反饋即可。

表4 兩類(lèi)應(yīng)用升級(jí)方式各類(lèi)參數(shù)對(duì)比情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種分布式地震儀的應(yīng)用升級(jí)方法及其軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)發(fā)送軟件和解析軟件進(jìn)行測(cè)試，分析了基于網(wǎng)絡(luò)掛載的程序更新方式與本方法對(duì)應(yīng)的軟件批量更新程序的方式各自的適用情況。由此得到結(jié)論，傳統(tǒng)方式由于交叉編譯的程序開(kāi)發(fā)方式，步驟繁多，對(duì)操作人員有很高的要求，僅適用于儀器開(kāi)發(fā)和調(diào)試階段。在儀器投入生產(chǎn)使用后，本軟件操作簡(jiǎn)單，能夠有效地實(shí)現(xiàn)程序批量升級(jí)，顯著減少重復(fù)燒寫(xiě)、下載等操作，提高生產(chǎn)效率。此外，發(fā)送軟件在用戶控制臺(tái)的Windows系統(tǒng)下采用C#開(kāi)發(fā)與地震數(shù)據(jù)處理軟件共用一臺(tái)主機(jī)，能夠方便用戶批量更新儀器程序、配置文件等，無(wú)需開(kāi)發(fā)者去現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，從而提高程序版本升級(jí)的效率，降低用戶使用過(guò)程中儀器的維護(hù)難度。