Over-the-air firmware update for mission critical embedded devices

Abstract

Sulautetut laitteet ovat tulleet yleisiksi matalampien hintojen ja teknologisten kehitysaskelten johdosta. Sulautettuja laitteita voidaan käyttää kriittisissä systeemeissä, joissa on vaatimuksia ennustettavissa olevalle prosessointiajalle ja luotettavuudelle. Niillä voi myös olla samaan aikaan vaatimuksia virrankäytölle ja hinnalle. Tämän johdosta ohjelmiston luominen näille laitteille voi olla hankalaa. Sulautettujen laitteiden ohjelmisto tarvitsee usein päivityksiä virheiden korjaamisen tai uusien ominaisuuksien lisäämistä varten. Laitteiden suuresta määrästä johtuen voi kuitenkin usein olla epäkäytännöllistä päivittää niitä paikallisesti. Siitä syystä on tarve laiteohjelmiston etäpäivitysjärjestelmälle.

Jotta päivitysdata voidaan siirtää luotettavasti laiteohjelmistopäivitysjärjestelmässä, data pitää vahvistaa tarkistussummilla. Salausta ja todennusta tarvitaan myös, jotta voidaan varmistaa, että data tulee luotetusta lähteestä eikä sitä ole muokattu. Systeemin pitää myös pystyä toipumaan, jos laite menettää virrat päivitysprosessin aikana. Tämä on mahdollista kun käytetään useaa muistipankkia eri ohjelmistoversioiden säilyttämiseksi.

Lopputyön tarkoituksena oli luoda toimiva laiteohjelmistopäivitysjärjestelmä, jota voidaan käyttää kriittisissä järjestelmissä. Systeemissä käytettiin nRF52480-mikrokontrolleria päivitettävänä laitteena ja Raspberry Pi:tä ohjelmistopaketin hakemiseen langattomasti. nRF52480-mikrokontrolleria käytettiin ilman käyttöjärjestelmää ja Raspberry Pi käytti Linux-pohjaista Raspbian-käyttöjärjestelmää. nRF52480 ja Raspberry Pi kommunikoivat UART:in kautta päivityspaketin siirtämistä varten.

Lopputyön tuloksena luotiin toimiva laiteohjelmistopäivitysjärjestelmä. Ohjelmistopaketin siirtämiseksi luotettavasti UART:in kautta käytettiin itsetehtyä protokollaa. Päivityksen varmistamiseen ja asentamiseen käytettiin käynnistyslatainta nRF-ohjelmistokehityspaketista. Järjestelmässä käytettiin kahta muistipankkia, jotta se olisi luotettavampi. Systeemiä testattiin, jotta sen voitiin varmistaa toimivan oikein. Systeemi pystyi toipumaan päivitysprosessin keskeyttämisestä. Systeemi ei pystynyt palautumaan, jos sille lähetettiin viallinen ohjelmisto. Lopputyön lopussa kerrotaan parannuksista, joiden avulla systeemistä voisi tulla luotettavampi.

Due to lower cost and advancements in technology embedded devices have become widespread in the recent years. Embedded devices can be used in mission critical applications with requirements for predictable processing time and reliability. At the same time, they can also have requirements on power usage and cost. As a result of these requirements creating software for these devices can be challenging. The firmware on these devices often needs to be updated to fix bugs or add new features. However, due to the large number of these devices its often impractical to update them locally. For that reason remote firmware update systems are needed.

In order to transmit the update data reliably in a firmware update system the data needs to be validated with checksums. Encryption and authentication are also needed to make sure the data comes from a trusted source and hasn't been modified. The system also needs to be able to recover if the device loses power during the update process. This can be done by using multiple memory banks to store different firmware versions.

The purpose of the thesis was to create a working firmware update system that can be used in mission critical systems. The devices used for the system were an nRF52480 microcontroller for the device that was updated and a Raspberry Pi for fetching the firmware package wirelessly. The nRF52480 was used without an operating system and the Raspberry Pi used the Linux-based Raspbian operating system. The nRF52480 and the Raspberry Pi communicated through UART to transfer the update package.

As a result of the thesis a working firmware update system was created. A custom protocol was created to reliably transfer the firmware package through UART. The bootloader from the nRF software development kit was used to verify and install the update. Two memory banks were used for updates to make the system more reliable. Testing was conducted to verify that the system works correctly. The system was able to recover if the update process was interrupted. The system could not recover if a faulty firmware was sent to the system. At the end of the thesis improvements to make the system more reliable are discussed.