使用 ESP32 和 PlatformIO （arduino框架）实现 Over-the-Air（OTA）固件更新

宁子希2024-06-12 12:51

使用 ESP32 和 PlatformIO 实现 Over-the-Air（OTA）固件更新

摘要：

本文将介绍如何在 ESP32 上使用 PlatformIO 环境实现 OTA（Over-the-Air）固件更新。OTA 更新使得在设备部署在远程位置时，无需物理接触设备，就可以通过网络更新固件，大大提高了设备维护和管理的便捷性。

介绍：

随着物联网技术的发展，越来越多的设备需要进行固件更新以修复漏洞、添加新功能或提高性能。传统的固件更新方式需要通过串口连接或者直接物理接触设备，但是当设备分布在远程位置时，这种方式就显得非常不便。而 OTA 固件更新技术则能够解决这个问题，使得固件更新可以通过网络实现。

工程配置：

创建新分区表： 在项目目录下创建.cvs后缀文件，文件名随意，这里我以partition.csv文件名为例

打开partition.csv将下面的分区配置，直接粘贴上去

cpp 复制代码 
# Name	Type	SubType	Offset		Size	Flags
nvs,    data,   nvs,    0x9000,     0x5000
otadata,data,   ota,    0xe000,     0x2000
app0,   app,    ota_0,  0x10000,    0x140000
app1,   app,    ota_1,  0x150000,   0x140000
spiffs, data,   spiffs, 0x290000,   0x170000

配置 PlatformIO 项目： 在项目的 platformio.ini 文件中添加下面这行 ，配置选用自定义分区表partition.csv改为你自己创建的分区表

cpp 复制代码 
board_build.partitions = partition.csv

Update库

Update 库是 Arduino 核心库中用于 OTA（Over-The-Air）固件更新的一个关键库。它提供了用于在 ESP8266 和 ESP32 上进行固件更新的一组功能和类。

主要功能：

  1. OTA 固件更新： Update 库允许你通过 WiFi 网络进行固件更新，而无需物理连接到设备。这使得你可以远程更新设备上的固件，而不必重新连接电脑或使用串口进行更新。

  2. 简单易用的接口： Update 库提供了一组简单易用的函数和类，用于初始化 OTA 更新功能、写入固件数据和结束 OTA 更新过程。这些函数和类的接口设计得很简洁，使得在代码中集成 OTA 更新功能变得非常容易。

  3. OTA 更新错误处理： Update 库还提供了一些用于处理 OTA 更新过程中可能出现的错误的函数。例如，你可以使用 hasError() 函数检查更新过程是否出现了错误，并使用 printError() 函数打印出错误信息以进行调试。

主要类和函数：

  1. Update 类： Update 类是 Update 库的核心部分，提供了用于 OTA 固件更新的主要功能。它包含了 begin()、write()、end() 等函数，用于初始化更新、写入固件数据和结束更新过程。

  2. begin() 函数： 这个函数用于初始化 OTA 更新功能，并可以指定固件的大小，也可以选择不指定大小，然后在上传固件时自动检测大小。

  3. write() 函数： 这个函数用于将接收到的固件数据写入到更新对象中。通常在上传固件的过程中调用，用于将固件的每个数据块写入到更新对象中。

  4. end() 函数： 这个函数用于结束 OTA 更新过程。你可以选择设置固件大小为当前接收到的数据大小，也可以选择不设置大小，以最后接收到的数据大小为准。

  5. hasError() 函数： 这个函数用于检查 OTA 更新过程中是否发生了错误。如果在更新过程中出现了错误，则返回 true；否则返回 false。

  6. printError() 函数： 这个函数用于打印出 OTA 更新过程中发生的错误信息。通常在发生错误时使用，以便调试和排查问题。

使用 Arduino 的 Update 库进行 OTA（Over-The-Air）固件更新非常简单，下面我将逐步说明基本的使用方法。

步骤 1：包含头文件和声明全局变量

首先，在你的 Arduino 项目中包含 Update 库的头文件，并声明 WiFi 相关的全局变量，例如 WiFi SSID 和密码。

cpp 复制代码 
#include <WiFi.h>
#include <Update.h>

const char* ssid = "YourSSID";
const char* password = "YourPassword";

步骤 2：连接到 WiFi 网络

在 setup() 函数中，连接到你的 WiFi 网络。

cpp 复制代码 
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    WiFi.begin(ssid, password);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(1000);
        Serial.println("Connecting to WiFi...");
    }

    Serial.println("Connected to WiFi!");
}

步骤 3：初始化 OTA 更新

在 setup() 函数中，初始化 OTA 更新功能。

cpp 复制代码 
void setup() {
    // 连接到 WiFi 网络（省略）
    
    // 初始化 OTA 更新
    if (Update.begin()) {
        Serial.println("OTA update begin...");
        // 在这里写入固件数据
        // 结束 OTA 更新过程
        Update.end();
        Serial.println("OTA update complete!");
    } else {
        Serial.println("OTA update failed!");
    }
}

步骤 4：写入固件数据

在初始化 OTA 更新后，你可以通过 Update.write() 函数将固件数据写入更新对象。你可以在这里接收固件数据的回调函数中调用此函数。

cpp 复制代码 
void setup() {
    // 连接到 WiFi 网络（省略）
    
    // 初始化 OTA 更新（省略）
    
    // 接收固件数据的回调函数
    server.on("/update", HTTP_POST, []() {
        // 结束 OTA 更新过程
        Update.end(true);
    }, []() {
        HTTPUpload& upload = server.upload();
        if (upload.status == UPLOAD_FILE_START) {
            if (!Update.begin(UPDATE_SIZE_UNKNOWN)) {
                Update.printError(Serial);
            }
        } else if (upload.status == UPLOAD_FILE_WRITE) {
            if (Update.write(upload.buf, upload.currentSize) != upload.currentSize) {
                Update.printError(Serial);
            }
        } else if (upload.status == UPLOAD_FILE_END) {
            if (Update.end(true)) {
                Serial.println("OTA update complete!");
            } else {
                Update.printError(Serial);
            }
        }
    });

    // 开启 Web 服务器（省略）
}

步骤 5：结束 OTA 更新

最后，在你写入完所有固件数据后，调用 Update.end() 函数结束 OTA 更新过程。

cpp 复制代码 
void setup() {
    // 连接到 WiFi 网络（省略）
    
    // 初始化 OTA 更新（省略）
    
    // 写入固件数据（省略）
    
    // 结束 OTA 更新
    Update.end(true);
}

项目案例

这里我为大家提供了一个项目案例，这个项目实现了一个简单的ESP32固件OTA（Over-The-Air）更新方法，大家稍作修改就可以直接移植到你自己的项目中，它利用ESP32的WiFi功能搭建了个小AP热点，让我们通过一个简单的Web界面上传新的固件文件，然后用Arduino的Update库自动更新固件。通过这个项目，我们可以方便地在没有外部网络连接的情况下，通过无线方式更新ESP32设备的固件。

案例代码

cpp 复制代码 
#include <Arduino.h>
#include <TFT_eSPI.h>
#include <math.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <Update.h>
// #include <ArduinoMDNS.h> // 引入mDNS库

const char* ssid = "ESP32-c3_OTAdemo"; // AP的名称
const char* password = "123456789"; // AP的密码

IPAddress local_IP(192, 168, 4, 1); // 静态IP地址
IPAddress gateway(192, 168, 4, 1); // 网关IP地址


WebServer server(80);

TFT_eSPI tft;

const char* updateIndex =
  "<html>"
  "<head>"
  "<meta charset=\"UTF-8\">"
  "<title>ESP32 OTA 更新</title>"
  "<style>"
  "body { font-family: Arial, sans-serif; text-align: center; }"
  "h1 { color: #333; }"
  "form { margin-top: 20px; }"
  "input[type=file] { display: block; margin: 20px auto; }"
  "input[type=submit] { margin-top: 20px; padding: 10px 20px; font-size: 18px; }"
  "</style>"
  "</head>"
  "<body>"
  "<h1>欢迎使用 ESP32 OTA 更新</h1>"
  "<form method='POST' action='/update' enctype='multipart/form-data'>"
  "<input type='file' name='update' accept='.bin'>"
  "<input type='submit' value='上传固件'>"
  "</form>"
  "</body>"
  "</html>";


void handleRoot() {
  server.sendHeader("Location", "/update");
  server.send(302, "text/plain", "");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200); // 初始化串口，波特率为115200
  Serial.println("Booting...");

  // 将 ESP32 设置为 AP 模式并指定静态 IP 地址
  WiFi.softAP(ssid, password);
  WiFi.softAPConfig(local_IP, gateway, IPAddress(255, 255, 255, 0));
  
  Serial.print("Access Point IP address: ");
  Serial.println(WiFi.softAPIP()); // 打印 ESP32 的 AP IP 地址

  // 设置服务器处理函数
  server.on("/", HTTP_GET, handleRoot); // 根路由重定向到 OTA 页面

  server.on("/update", HTTP_GET, []() {
    server.sendHeader("Connection", "close");
    server.send(200, "text/html", updateIndex);
  });

  server.on("/update", HTTP_POST, []() {
    server.sendHeader("Connection", "close");

    //动态显示结果
  String message = Update.hasError() ? "更新失败" : "更新成功。重新启动...";
  server.sendHeader("Content-Type", "text/html; charset=utf-8");
  server.send(200, "text/html", "<span style='font-size: 24px;'>" + message + "</span>");


    delay(1000);
    ESP.restart();
  }, []() {
    HTTPUpload& upload = server.upload(); //用于处理上传的文件数据
    if (upload.status == UPLOAD_FILE_START) {
      Serial.printf("Update: %s\n", upload.filename.c_str());
      if (!Update.begin(UPDATE_SIZE_UNKNOWN)) { // 以最大可用大小开始
        Update.printError(Serial);
      }
    } else if (upload.status == UPLOAD_FILE_WRITE) {
      // 将接收到的数据写入Update对象
      if (Update.write(upload.buf, upload.currentSize) != upload.currentSize) {
        Update.printError(Serial);
      }
    } else if (upload.status == UPLOAD_FILE_END) {
      if (Update.end(true)) { // 设置大小为当前大小
        Serial.printf("Update Success: %u bytes\n", upload.totalSize);
      } else {
        Update.printError(Serial);
      }
    }
  });

  server.begin();
  Serial.println("HTTP server started");


  //程序逻辑 版本1.1
  Serial.println();
  Serial.println("NEW ESP32C3!!");
  tft.begin();
  tft.setRotation(3);
  tft.setTextFont(2);
  tft.fillScreen(TFT_BLACK);
  tft.drawString("NEW ESP32C3!!", 0, 0);
  tft.drawRect(2, 20, 100, 20, TFT_BROWN);
}

void loop() {
  server.handleClient();

}

获取固件文件

PlatformIO 本身并不提供直接导出固件文件的功能，但你可以在 PlatformIO 中构建项目，并手动在构建目录中找到生成的固件文件。

一般情况下，PlatformIO 会将编译生成的固件文件放置在项目的 .pio 目录中。具体来说，对于 ESP32 来说，固件文件通常位于 .pio/build/<board_name>/firmware.bin，其中 <board_name> 是你的开发板名称，例如 esp32dev。

OTA操作

程序烧录到开发板之后，在电脑端连接wifi ESP32-c3_OTAdemo，密码为123456789

连接上WIFI之后，打开浏览器输入URL

http://192.168.4.1/update

下图即是我们的OTA上传页面

点击选择文件

选择需要下载的固件文件.bin文件

点击上传固件

如果上传成功，显示更新成功，并且重新启动，如果失败，显示更新失败。

总结：

通过使用 PlatformIO 环境和 ESP32 开发板，我们可以轻松实现 OTA 固件更新功能。这使得固件更新变得更加灵活和便捷，大大提高了设备管理的效率。在物联网应用中，OTA 技术将会发挥越来越重要的作用，帮助我们更好地维护和管理设备。

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