摘要
设计了一种基于LoRa技术的STM32F4无线程序升级系统。此系统由PC及相关STM32软件开发环境、LoRa通信模块及控制器和STM32F4终端三部分组成。
本系统采用LoRa技术将程序数据无线发送到终端，终端通过IAP技术实现远程无线程序自动升级。测试结果表明，此系统能够有效地进行无线传感网络终端的程序升级，极大节约了时间和人力成本。
引言
近年来，基于物联网应用的各种嵌入式产品层出不穷。但由于物联网应用中节点众多、分布广泛，为嵌入式终端固件升级带来了很多不便，于是远程、无线程序升级方法吸引了很多学者的研究，其中基于IAP编程模式的程序升级方法应用较多。
有文献提出了利用GPRS通信技术实现51单片机的远程IAP功能；还有文献提出了一种基于HTTP协议的远程嵌入式产品程序升级方法；还有文献实现了一种基于nRF905通信技术的无线程序编程器，可以实现对51系列单片机的无线程序烧写；还有文献提到了Wi-Fi环境覆盖下的嵌入式产品系统升级方法；还由文献提出了一种基于蓝牙串口模块，通过ymodem传输协议实现的IAP方案。
以上的程序升级方法很难在节点众多的物联网应用中取得广泛应用。LoRa技术适合组建低功耗无线传感器网络，广泛应用于物联网研究中。
本文尝试将LoRa技术和IAP技术相结合，实现一种应用与STM32F4控制器的无线程序升级系统。
采用此方案进行程序升级，节约了成本，减少了人力物力的消耗，对同类无线终端和节点的程序升级有借鉴意义。
STM32F4芯片IAP编程基础
IAP即在应用中编程，是指通过一种通信接口（USART、USB、CAN等）下载程序或应用数据到存储器中。
通常用户在实现IAP功能时，需要人为地将芯片内部存储区分为两块：一块用于存储IAP程序，称为BOOT区；另一块用于存储除IAP功能外的应用程序，称为常态存储区。
通过设置BOOT0和BOOT1两引脚的高低电平来设置程序的启动区域。一般将程序烧录到主存储区，启动区域设置为主存储区。
STM32F4系列控制器加入IAP后，程序流程为：先取出栈顶地址，然后是复位中断向量，跳转至复位程序处执行，接下来程序便跳转至main函数处（为IAP程序的main）执行IAP过程。
IAP过程中控制器会接收功能程序，写入FLASH并执行。执行过程与IAP程序开始执行过程相似，此时FLASH内部存在着两个不同位置的向量表，当应用程序运行时，产生的中断首先仍然返回地址为0x08000004处的向量表，然后根据设置的向量表偏移量找到向量中断源并执行中断服务程序，执行完成后会返回应用程序的main函数。
系统总体设计
本系统由PC及相关STM32软件开发环境、LoRa通信模块及控制器和STM32F4终端三部分组成。
- 利用STM32软件开发工具完成程序的编写、调试，生成bin文件；
- PC机与LoRa模块控制器通过串口相连，收到数据后，串口会将数据每512字节打成一个数据包，然后发送给LoRa模块进行无线发送；
- 与终端相连的LoRa模块接收到数据后会发送给STM32F4终端，终端判断完成数据接收后会写入FLASH并执行。
LoRa模块及控制器设计与分析
近年来，LoRa技术因支持远距离传输、大数量子节点和低功耗技术，在物联网应用中取得了广泛的使用。
本设计采用成都亿百特电子有限公司的LoRa模块，该模块采用Semtech公司SX1278射频芯片，传输距离最远可达到8km，工作频段为411~441MHz；该模块支持4种工作模式和空中唤醒，可最大限度降低功耗；模块通过串口实现外部通信，易于实现。
该模块共有7个引脚，通过串口实现与外部设备通信，引脚M0,M1来设置模块工作模式，AUX用来指示模块工作状态。
LoRa模块控制器的流程图如图所示，LoRa模块与控制器的连接关系如图所示：
控制器从PC接收程序代码，由于LoRa模块接收缓存有限，控制器须将代码分包，以一定时间间隔发送给LoRa模块。
控制器上电会完成两个串口的初始化，串口1用来接收PC发送的bin文件，串口6用来向LoRa模块发送数据。
串口1接收到数据后会进入串口接收中断函数，数据由DMA通道存储到内存特定区域，串口总线空闲中断标志接收代码完成。
发送循环中，控制器每次将一个512字节的数据包（最后一次将剩余全部）发送给LoRa模块。当LoRa模块内部缓冲区的数据被读取时，AUX引脚的电平会发生变化，PA1引脚会捕捉AUX电平变化并产生中断，中断函数会设置发送下一个数据包，程序依次循环直至代码发送完全。
由于AUX的变化智能表示LoRa模块已开始发送缓冲区内的数据，并不能确保数据已被完全发生且接收方LoRa模块也需要足够的时间来接收数据，因此发生下一个数据包之前会有一段延时，确保完整的数据发送和接收，这个延时数值在应用中赢根据无线传输的距离而定，不能小于数据从写进发送端LoRa缓冲区到接收端完全接收的时间间隔，本系统中设置的时间为1s，满足这一要求。
终端IAP程序设计与分析
IAP程序以SWD方式下载至芯片中，IAP程序流程如图3所示。
上电复位后，依照BOOT模式设置，程序会从主存储区开始执行IAP程序。首先完成初始化，LoRa模块处于休眠状态；然后查询存储于FLASH地址为0x080E0000处的更新标志位（upstate_mark）的值，如果该值为0x01，则表示程序需要等待更新，此时需要将LoRa模块从休眠状态唤醒，终端会等待接收程序代码。
终端一旦通过串口接收到LoRa模块发送的程序数据，就会记录所接收的数据的长度，并且以1s的时间间隔查询数据长度，如有两次发现数据长度不变，则判定接收完成，紧接着将update_mark置0x00，表示下次终端上电无需等待更新。
应用程序会被写到起始地址为FLASH_APP1_ADDR的连续FLASH存储区内。在此终端程序中给它分配的值为0x08010000，即在此之前给IAP程序预留的空间为64KB，通过Keil软件查看编译后的IAP程序代码大小完全够用。
向FLASH写入代码前，首先要判断一下复位向量所在的物理存储空间是不是指向FLASH的，代码如下：
(*(u32_t *)(FLASH_APP1_ADDR+4)) & 0xFF000000 == 0x08000000
确认无误后，开始调用向FLASH写应用程序函数，代码如下：
iap_write_app(FLASH_APP1_ADDR,(uint32_t)USART_RX_BUF,REC_CNT);
此函数会调用STM32F4开发库中的写FLASH函数，代码如下：
if(FLASH_ProgramWolrd(WriteAddr, *pBuffer) != FLASH_COMPLETE){
break;
}
WriteAddr += 4;
pBuffer++;
FLASH_ProgramWolrd()每次会向FLASH写入一个字（4字节），接收数组是字节类型的，因此调用时要强调地址类型转换。
执行完写程序后，将upstate_mark变量重写为0x00，下次上电复位标志无需等待更新，直接执行程序调整。
if(((uint32_t *)App1Addr) & 0x2FFE0000) == 0x20000000){
JumpToApp() = (iapfun)*(vu32*)(App1Addr+4); //取出复位函数地址
MSR_MSP(*(uint32_t *)App1Addr); //设置主堆栈指针
JumpToApp(); //跳转执行应用程序
}
首先检查栈顶地址是否合法，App1Addr为应用程序地址，程序代码第一个字为栈顶地址，判断栈顶地址是否在0x2000 0000 ~ 0x2001 FFFF(RAM区域)范围内；取出应用程序复位函数地址；设置栈指针；程序跳转到应用程序复位函数地址处，应用程序开始执行。