- 分享：ZigBee空中下载技术研究及其优化设计

　　4. 2效率分析

　　搭建一个星形网络，把OTA服务器配置成协调器，把所有OTA客户端配置成节点，并进行如下两个实验。

　　实验一（测试数据如表1、表2所示）：为了对比分析两种更新手段的效率，分别使用镜像块请求命令与镜像页请求命令，对节点进行OTA更新。星形网络中，通过广播Image Notify，能够对多节点进行批量更新。网络规模分别为1个节点到6个节点，测量了不同规模网络下节点完成更新传输所需的时间。Min与Max分别指最快与最慢完成更新传输的节点对应的时间，Ave指平均每个节点完成更新传输所需时间（使用Max值计算）。其中镜像页请求设置的Response Spacing为100ms，Page size为640字节。镜像大小统一为113K字节，并修改OTA_MAX_MTU大小为64字节。节点与OTA服务器间隔均为5米。

　　表1 镜像块请求的传输时间（响应间隔= 100ms）

　　网络节点数123456

　　Min. Time/s207.2209.3214.4217.5221.4230.0

　　Max. Time/s207.2209.3214.4217.5222.9231.7

　　Ave. Time/s207.2104.771.554.444.638.6

　　表2 镜像页请求的传输时间（响应间隔= 100ms）

　　网络节点数123456

　　Min. Time/s179.6108.1180.6181.3182.6184.0

　　Max. Time/s179.6180.1180.6181.3184.7193.0

　　Ave. Time/s179.690.160.245.336.932.7

　　实验二（测试数据如表3所示）：为了测试镜像页请求在点对点更新情况下的最高效率，设定最短的Response Spacing为10ms，分别测量不同Page Size下的单个节点更新传输时间。使用CC2531（支持USB）作为OTA服务器，能够缩短服务器向应用控制台索取镜像块数据的时间，进一步加快更新传输效率。镜像大小统一为113K字节，OTA_MAX_MTU大小为64字节，节点与OTA服务器间隔均为5米。

　　表3 不同镜像页大小下的传输时间（Response Spacing = 10ms）

　　Page Size/byte64

　　（1）128

　　（1/2）192

　　（1/3）256

　　（1/4）320

　　（1/5）640

　　（1/10）1024

　　（1/16）3200

　　（1/50）6400

　　（1/100）

　　Time/s77.253.746.243.436.431.529.928.327.3

　　实验一中，使用镜像块请求，节点发送镜像块请求所需时间为15.5ms，OTA服务器返回镜像块响应所需时间实际为96ms左右，来回确认帧时间大概为1.92+3.84=5.76ms。一个更新周期传输镜像块大小为64字节，完成113K字节大小的镜像传送需要1765个周期。总时间为（96+15.5+5.76）*1765=206963ms，这与表1测量值207.2基本符合。本文设计的镜像页请求，镜像页大小为640字节，每次传输镜像块大小为64字节，即节点发送1次页请求可以得到10次块响应。当更新1个节点时，使用镜像页请求可以把原来的1765条请求命令和1765条确认帧减少十分之九，共减少3177条传输帧。减少的传输帧数量随着节点数目成比例增长。对比表1与表2，可以发现无论节点数目为多少，页请求的平均每个节点的更新传输时间都比块请求的要短。其中发送镜像页请求时间为15.5ms，请求确认帧时间为1.92ms，节点为1时，共减少时间为（15.5+1.92）*1765*0.9=27672ms，此值与表1表2的测量值207.2-179.6=27.6s基本符合。

　　实验二中，由于采用了支持USB的CC2531，能够把OTA服务器返回的镜像块响应所需时间缩短为22.5ms，节点发送镜像页请求所需时间保持为15.5ms不变，来回确认帧时间为5.76ms。当镜像页大小为64字节时，传输所需时间为（22.5+15.5+5.76）*1765=77236ms，也与表3的测量值77.2基本相符。当镜像页大小为6400字节时候，即请求命令减少到原来的百分之一，时间缩短了50s，更新效率大幅度提高，基本达到了单个节点更新速度的极限。

　　5. 结论

　　介绍了一种基于ZigBee的空中下载技术，非常适用于短距离的无线传感网络应用场合。通过无线更新固件，免去了回收更新节点所需时间，可以达到更新完成后不破坏当前网络拓扑结构的效果。另外，在Z-Stack协议栈设计了一种镜像页请求更新方式，实验结果表明，当批量更新整个网络时，既可以提高节点的更新效率，又可以大大减少网络的更新流量，并节省节点的功耗；当进行点对点更新时，如果把响应间隔缩减为10ms，并把镜像页设置为足够大，单个节点的更新时间可以缩减为27.3s，接近单个节点更新速度的极限。至于使用批量的更新方式还是点对点的更新方式，视具体的应用场合而定。