如何使用ESP32微控制器及其ESP－IDF执行空中下载 (OTA) 更新？

作者：Jacob Beningo

物联网 (IoT) 产品的设计者需要不断地评估平台和组件的选择，以降低成本和功率，同时提高性能和加快连接应用的设计。目前有相当多的解决方案可供选择，但设计者面临的挑战是，一旦部署，如何进行无线空中下载 (OTA) 更新以保持设备固件的更新。

关键是要看一下现有的平台，看看它们有哪些额外的工具和支持来支持 OTA 更新。这样的支持可以大大简化过程，但前期可能需要一些关注。

本文讨论了 OTA 基本原理，以及为什么它是几乎每个物联网系统都需要支持的关键功能，尽管开发者面临着诸多挑战。然后以 Espressif Systems 的 ESP32 支持蓝牙和 Wi-Fi 的微控制器以及相关模块、套件和 ESP 物联网开发框架 (ESP-IDF) 为例，展示如何打造一个 OTA 分区，并利用 otatool.py 脚本在应用仍在运行时执行固件更新。

OTA 更新介绍

大多数开发团队的核心重点是实现其产品的特定功能，也就是产品差异化业务逻辑。然而，每个物联网产品都有一个基本功能集，需要在设备的整个生命周期内进行部署、配置和维护。安全更新是一个很好的例子。鉴于需要执行这些更新，在评估一个合适的开发平台时，一个重要但容易被忽视的功能是引导程序或固件 OTA (FOTA) 更新（有时只称为 OTA）能力。

OTA 为工程师提供了根据技术和业务要求远程维护和升级其产品的能力，而不需要派维护人员到设备上或让终端客户主动对设备做一些更新。相反，所有这些成本都可以通过让设备在后台默默地或在半夜操作之类“停工”时间内升级其固件方式来消除。

OTA 架构可以有许多不同的形式和配置，从定制的解决方案一直到云提供商提供的标准实现方案。图 1 中可以看到一个典型的架构实例。

图 1：OTA 架构概览展示在现场向所部署设备更新应用固件的示例过程。（图片来源：Beningo Embedded Group）

在这个例子中，一个 OEM 使用亚马逊网络服务 (AWS) 物联网内核上传新的固件版本，然后使用内置的作业功能将更新部署到现场的设备。这只是众多例子中的一个，几乎每个云供应商都有类似的解决方案。

今天有许多支持 OTA 的微控制器可供选择。一个广受低成本系统和制造商欢迎的微控制器是 ESP32。ESP32 之所以如此受欢迎，有以下几个原因：

· 它有一个集成的微控制器，有 Wi-Fi/蓝牙认证模块可用
· 低成本
· 开源开发环境和软件框架，如 ESP-IDF 和 ESP 音频开发框架 (ESP-ADF)
· 许多现有的应用实例可在网上免费获得
· 选择一个 ESP32 模块进行 OTA 测试

有几种不同的 ESP32 模块和开发板可供用户购买，以便了解 OTA 实例。以 Adafruit 3405 ESP32 Huzzah Feather 板为例（图 2）。这是一块低成本的开发板，包括对 ESP32 进行编程的所有电路，并通过一个 USB 连接器为其供电。

图 2：3405 Huzzah Feather 板包含一个 ESP32 WROOM-32D 认证型 Wi-Fi/蓝牙模块，带 4 Mb 闪存。该板包括所有必要的硬件，可通过 USB 编程和与模块通信。（图片来源：Adafruit）

3405 的核心是一个 ESP32-WROOM-32D 模块，它配备了 4 Mb 闪存、Wi-Fi、蓝牙和一套完整的外设，几乎适用于任何应用。

另一块可以使用的开发板是 Espressif Systems 的 ESP32-LYRATD-SYNA 音频板（图 3）。该开发板包括 ESP32-WROVER-B 模块。

图3 ：ESP32-LYRATD-SYNA 板基于 ESP32 WROVER-B 认证型 Wi-Fi/蓝牙模块，带 4 Mb 闪存。除了能够让设计者通过 USB 编程和与模块通信外，它还具有开发音频应用所需的电路。（图片来源：Espressif Systems）

ESP32-LYRATD-SYNA 模块也有 4 Mb 闪存，以及用于音频应用的所有电路。该板包括一个音频编解码器、一个音频放大器以及耳机和扬声器插孔，以全面测试音频应用。

最后一块可用于 OTA 测试的开发板是 Espressif 的 ESP32-S2-SAOLA-1RI 开发板（图 4）。说到开发板，这款最不昂贵的。该板包含一个 ESP32 Wrover 模块，以及对该芯片进行编程的电路。除了它所包含的引脚可以很容易地放到试验板上进行测试外，没有任何其他的装饰。

图 4：基于 Wrover 模块的 ESP32-S2-SAOLA-1RI 是一块裸开发板，成本低，但包括足够的电路来对板载模块编程。（图片来源：Espressif Systems）

为测试而选择的具体板子并不太重要，因为每个 ESP32 模块都利用了 ESP-IDF。这个框架旨在通过包括驱动程序、中间件、RTOS 以及对本文而言很重要的引导程序和 OTA 库，从而为开发者简化了软件开发活动。

引导程序允许开发者利用 OTA 更新，并在主要应用仍在运行时对内存进行分区以更新固件，这有助于最大限度地减少停机时间。引导程序的设置一开始可能看起来很复杂，但如果指导得当，是很简单的。

OTA 开发工作流

ESP32 的 OTA 开发工作流将根据业务需求和产品组件选择而略有不同。例如，一个利用 AWS 的团队可能会使用 AWS 的入门指南和例子来启动其 ESP32 OTA 解决方案。另一方面，一个正在定制自己解决方案的公司也可能会利用 ESP32 的说明文档。在这篇文章中，我们要看的是 ESP32 层面内容，而不是在云端。原因是这些内容是通用的，适用于 ESP32 的 OTA，无论使用哪个云提供商或解决方案。

一般来说，在 ESP32 上设置 OTA 更新的过程包括以下步骤：

· 配置 ESP32 分区表
· 下载支持 OTA 的固件
· 开发一个工具，充当服务器，推送新的固件
· 将最新的固件下载到 ESP32 上
· 调换到新应用

很明显，这是简化的方法。开发人员应再次查看图 1 以了解整个固件更新过程。这个过程可能相当复杂，所以建议利用位于 GitHub 上的现有 ESP32 OTA 实例。这些例子提供了几个关键实例，如：

· HTTPS OTA
· 本地 OTA
· 简单 OTA

图 5 显示了部署和更新过程的步骤。开发者需要先执行红色的步骤，将 OTA 解决方案部署到 ESP32 模块上。橙色的步骤是下一步，执行这些步骤是为了推进 OTA 更新。

Espressif Systems OTA 更新实例示意图
图 5：位于 GitHub 上的 Espressif Systems OTA 更新例子为开发者提供了几个简单的例子，以让其 ESP32 执行 OTA 更新。（图片来源：Espressif Systems）

为 OTA 配置一个 ESP32 应用程序

ESP32 包含一个分区表，描述了什么类型的数据位于微控制器上以及它的位置。例如，一个标准的 ESP32 分区表看起来像表 1。

表 1：标准 ESP32 分区表显示了数据的类型及其在微控制器上的位置。（表格来源：Beningo Embedded）

有一个工厂应用，然后是 NVS 库和物理层 (PHY) 初始化 (init) 数据部分。为了使用 OTA 功能，该表需要更新，以便除了主要（工厂）应用外，还要为 OTA 更新固件指定存储器位置。对于 OTA，通常有两个分区被分配用于更新。一个是正在更新的固件，一个是正在下载的固件，它将成为最新版本。这使得工厂应用能够保持不变。更新后的 OTA 分区表将看起来像表 2。

表2：典型的 ESP32 更新 OTA 分区表。（表格来源：Beningo Embedded）

如表所示，现在有一个 ota_0 和 一个ota_1 应用部分，其大小为 1Mb，此外还有一个数据部分 (otadata)，是为更新过程分配的 RAM。这个表可以由开发者修改和更新，以适应应用。

为了运行 OTA 例子，有一套简单的说明，列在 GitHub 的“如何使用实例”部分。该部分描述了如何构建应用并对其进行编程。

还有 otatool，可以用来更新固件。这个脚本通常用于：

· 读取、写入和擦除 OTA 分区
· 切换引导分区
· 切换到工厂分区

该示例脚本可以通过使用命令在终端运行该示例来执行。

./otatool_example.sh
或者使用 Python。
python otatool_example.py

当谈到为 OTA 配置 ESP32 时，确保分区的设置是一个关键步骤。

使用的技巧和诀窍

EPS32 OTA 解决方案可以加速和简化开发者的固件更新方案。为了防止解决方案成为开发负担，有几个“技巧和诀窍”应该牢记在心。

· 如果可能的话，利用该公司的云供应商所包含的现有 OTA 框架。这可以极大地简化开发和集成。
· 使用低成本的开发板来测试 OTA 功能和引导程序。ESP32 有几个选项，可能需要一些实验来确定哪一个是最适合手头的应用。
· 对于定制解决方案，可利用 GitHub 上的 ESP32 OTA 实例。
· 对于产品作为 Wi-Fi 路由器或集线器的应用，考虑将固件镜像下载到外部存储器，并从大容量存储设备执行更新。
· 花一些时间查看关于分区表的 ESP32 说明文档。这与典型的微控制器实现有点不同。
· 出于安全考虑，最好禁用应用回滚。如果应用可以回滚到以前的版本，潜在的攻击者就有可能推送一个带有已知漏洞的版本，并破坏系统。

遵循这些“技巧和决窍”的开发者会发现，当他们试图利用 ESP32 或任何其他 OTA 解决方案时，他们可以节省大量的时间并免受煎熬。

结语

OTA 更新是越来越多的物联网和嵌入式系统的一个重要功能。开发人员需要很好地掌握这种功能的有效实现方法，以便在设计和开发过程中以及在产品出厂后节省前期时间。

ESP32 无线微控制器已经广泛用于各种类型的设备，如上所述，它有一个现成的 OTA 解决方案。通过利用 ESP-IDF 和相关的模块和平台，并使用一些基于经验的技巧和决窍，开发者可以大大减轻他们的设计时间，并完成他们的 OTA 解决方案并使之可靠地运行。