IoT2 — STM32 OTA 空中升级项目

MCU: STM32F103C8T6 (Cortex-M3, 72MHz, 64KB Flash, 20KB RAM) 网关: ESP32-S3 (ESP-IDF 5.5.2, WiFi + MQTT) 外部存储: W25Q32 SPI NOR Flash (4MB) RTOS: FreeRTOS v10.0.1 方案: 内部 Bootloader + 外部 Download（方案 A）

项目进度总览

阶段	内容	状态
Phase 1	RTOS 框架 + UART/DMA 双缓冲通信	✅ 完成
Phase 2	Flash 驱动（内部 flash_if + 外部 w25qxx）	✅ 完成
Phase 3	Bootloader（SPI 读取 + 固件拷贝 + 跳转）	✅ 完成
Phase 4	OTA Task 完整实现（协议 + 状态机 + CRC32）	✅ 完成
Phase 5	ESP32-S3 WiFi/MQTT 透明桥接网关	✅ 完成
Phase 6	回滚机制（BOOT_COUNTING + W25Q32 Backup 区）	✅ 完成
Phase 7	安全加固（TLS + MQTT 认证 + HMAC-SHA256 签名 + 防回滚）	✅ 完成
Phase 8	IWDG 硬件看门狗（运行时崩溃检测 + Bootloader 联动喂狗）	✅ 完成
Phase 9	远程诊断（MQTT 实时上报诊断数据 + Python 监控脚本）	✅ 完成

硬件架构

PC (Python ota_mqtt_sender.py)
    │  WiFi / MQTT TLS (paho-mqtt, QoS 1)
    ▼
[MQTT Broker (Mosquitto TLS:8883)]  ← 局域网 192.168.0.3
    │  认证: username/password
    │  加密: TLSv1.2 + CA 证书验证
    │  WiFi
    ▼
ESP32-S3 (ESP-IDF 5.5.2)
  ├─ WiFi STA (wifi_station.c)
  ├─ MQTT Client (mqtt_client_task.c)
  │    ├─ 订阅 ota/cmd → 入队 s_ota_tx_queue
  │    ├─ uart_ota_tx_task (prio 6): 出队 → UART1 发送
  │    └─ mqtt_heartbeat_task (prio 3): 10s JSON 心跳
  └─ UART1 GPIO17(TX)/GPIO18(RX) ──────────────► STM32F103C8T6
       115200 8N1, TX buf=512B                     ├─ USART2 PA2/PA3: ESP32 通信
                                                   │   └─ vEsp32CommTask (prio 2)
                                                   │       SOF 帧重同步 → ota_process_frame()
                                                   ├─ USART1 PA9/PA10: PC 调试 + 直连 OTA
                                                   │   └─ vOtaProcessTask (prio 3)
                                                   │       DMA 双缓冲 + IDLE 检测
                                                   └─ SPI1 PA4/PA5/PA6/PA7: W25Q32
                                                       固件暂存 + 备份

测试结果（全部通过）

测试	内容	验证点	结果
T1	系统启动 + Bootloader 跳转	RTOS 双任务打印 ready，Bootloader VTOR 正确	✅ PASS
T2	W25Q32 SPI 读写 + OTA 协议状态机	假固件写入 W25Q32，CRC32 校验，Bootloader 拷贝	✅ PASS
T3	错误注入（CRC16 / 序号 / ABORT）	3 个 Case 全部正确响应 NACK/ERR	✅ PASS
T4	完整 OTA 流程（USART1 直连）	真实固件传输，CRC32 OK，新固件启动	✅ PASS
T5	MQTT 端到端 OTA（Python→MQTT→ESP32→STM32）	v3.0→v4.0 固件升级，BOOT_COUNTING→CONFIRMED	✅ PASS
T6	回滚机制（假固件 → 3次失败 → 自动回滚）	count=03 触发回滚，从 Backup 恢复，旧固件运行	✅ PASS
T7	TLS + HMAC + 防回滚（Python→MQTT(TLS)→STM32）	29KB 真实固件，247 帧全部 ACK，HMAC 校验通过，版本 1.0.0→1.0.1	✅ PASS

T5/T6/T7 关键输出节选：

[BOOT] Flag -> BOOT_COUNTING(1)            ← T5: 新固件首次启动
[OTA] New firmware confirmed OK.           ← T5: App 写入 CONFIRMED
[OTA] Task started v4.0.                  ← T5: 升级成功

[BOOT] BOOT_COUNTING: count=03            ← T6: 第3次失败
[BOOT] Too many failed boots! Rolling back ← T6: 触发回滚
[BOOT] Rollback complete. Flag -> CONFIRMED
[OTA] Task started v4.0.                  ← T6: 旧固件恢复运行

[OTA] START: fw_size=29604, CRC32=0xC1C65F82, ver=1.0.1  ← T7: Phase 7 协议
[OTA] ACK seq=0 (120/29604 bytes)         ← T7: QoS 1 全帧成功
[OTA] HMAC-SHA256 OK                      ← T7: 签名校验
[OTA] Meta written (ver=1.0.1)            ← T7: 版本记录
[BOOT] Meta: ver=1.0.1, ts=2026-02-20     ← T7: Bootloader 读取元数据

Flash 分区规划

内部 Flash (64KB)

分区	起始地址	大小	作用
Bootloader	`0x08000000`	8KB	上电首先运行，含 SPI 驱动
App	`0x08002000`	55KB	主业务代码（FreeRTOS + 各任务）
OTA Flag	`0x0800FC00`	1KB	升级标志位（state + boot_count）

外部 W25Q32 (4MB)

分区	起始地址	大小	作用
Download	`0x000000`	64KB	新固件暂存（App OTA 接收时写入）
Backup	`0x010000`	64KB	旧固件备份（OTA START 时自动备份，回滚用）
Meta	`0x020000`	4KB	版本号/CRC32/固件大小（预留）
Free	`0x021000`	~3.8MB	日志/配置预留

OTA Flag 区（内部 Flash 0x0800FC00）

偏移	字段	说明
+0	state (4B)	见下表
+4	boot_count (4B)	BOOT_COUNTING 时的启动尝试次数

state 值	含义
`0xFFFFFFFF`	空（擦除后默认值）
`0xAA55AA55`	UPGRADE_PENDING — 新固件待拷贝
`0xC3A5C3A5`	BOOT_COUNTING — 新固件已拷贝，等待 App 确认（超过 3 次则回滚）
`0x5A5AA5A5`	CONFIRMED — App 已确认正常运行
`0x55AA55AA`	DONE — 兼容旧版

OTA 升级完整流程（Phase 7 含回滚）

PC (Python) -- MQTT --> ESP32-S3 -- USART2 --> STM32 App (OTA Task v4.0)
  1. 收 START 帧
     a. 备份当前 App (55KB) 到 W25Q32 Backup 区 (0x010000)  ← 回滚数据源
     b. 擦除 W25Q32 Download 区 (0x000000)
  2. 收 DATA 帧xN -> 逐包写入 W25Q32 Download，滚动计算 CRC32
  3. 收 END 帧 -> 校验 CRC32
  4. Flash_If_SetFlagEx(UPGRADE_PENDING, 0)
  5. HAL_NVIC_SystemReset()

Bootloader（0x08000000）— 正常升级路径
  1. 读 Flag == UPGRADE_PENDING
  2. 初始化 SPI1，探测 W25Q32 前 8 字节（全 0xFF 则跳过）
  3. 擦除 App 区（55KB）
  4. 从 W25Q32 Download (0x000000) 拷贝 -> 内部 Flash App 区
  5. 写 Flag = BOOT_COUNTING(1) -> 跳转 App

App 首次成功启动（OTA Task 初始化完成）
  -> 检测 Flag == BOOT_COUNTING -> 写 Flag = CONFIRMED  ← 确认新固件健康

Bootloader — 回滚路径（新固件连续失败 3 次）
  1. 读 Flag == BOOT_COUNTING, count >= 3
  2. 从 W25Q32 Backup (0x010000) 恢复 -> 内部 Flash App 区
  3. 写 Flag = CONFIRMED -> 跳转旧 App

OTA UART 帧协议

USART1 IDLE 检测触发，单帧最大 256 字节（等于 DMA 缓冲区大小）。

[SOF:1][CMD:1][SEQ:2][LEN:2][PAYLOAD:0~248][CRC16:2]

SOF  = 0xAA
CMD  : 0x01=START  0x02=DATA  0x03=END  0x04=ABORT
SEQ  : 包序号（大端序，从 0 递增）
LEN  : PAYLOAD 字节数（大端序）
CRC16: CRC16-CCITT，覆盖 [CMD..PAYLOAD]

START payload (48 bytes, Phase 7 v3 协议):
  [fw_size:4][fw_crc32:4][hmac_sha256:32][ver_major:1][ver_minor:1][ver_patch:1][rsv:1][timestamp:4]

DATA  payload (1~248 bytes): 固件原始数据
END   payload: 空

项目目录结构

IoT2/
├── CMakeLists.txt                          App 构建系统（arm-none-eabi-gcc）
├── App/
│   ├── OTA/
│   │   ├── Inc/ota_task.h                  OTA 协议定义 + 帧格式
│   │   └── Src/ota_task.c                  OTA 状态机 + CRC 校验 + 回滚备份
│   └── Test/
│       └── Src/comm_test.c                 硬件通信测试套件
├── Bootloader/
│   ├── CMakeLists.txt                      独立构建（无 FreeRTOS）
│   ├── STM32F103C8Tx_BOOT.ld              链接脚本 (0x08000000, 8KB)
│   ├── main.c                              升级/回滚/跳转逻辑
│   └── system_boot.c                       HSI 8MHz 时钟（无 PLL）
├── Core/
│   ├── Inc/
│   │   ├── flash_if.h                      内部 Flash 分区 + OTA Flag 定义
│   │   ├── FreeRTOSConfig.h                6KB 堆, 1000Hz Tick, prio≥5 for ISR
│   │   ├── usart1.h                        DMA 双缓冲 (256B)
│   │   └── usart2.h                        DMA 双缓冲 (257B, 防 TC/IDLE 竞争)
│   ├── Src/
│   │   ├── flash_if.c                      内部 Flash 擦/写/读 + SetFlagEx
│   │   ├── main.c                          App 入口: 外设初始化→信号量→任务
│   │   ├── stm32f1xx_it.c                  USART1/2 IDLE ISR (双缓冲切换)
│   │   ├── sys_config.c                    PLL 64MHz + GPIO
│   │   └── syscalls.c                      printf → USART1 重定向
│   └── Startup/
│       ├── startup_stm32f103xb.s           启动文件 + 向量表
│       └── STM32F103C8Tx_FLASH.ld          App 链接脚本 (0x08002000, 55KB)
├── ESP_Firmware/
│   ├── CMakeLists.txt                      ESP-IDF 构建
│   └── main/
│       ├── hello_world_main.c              ESP32 入口: WiFi→MQTT→UART→任务
│       ├── wifi_station.c/h                WiFi STA 连接（事件组等待）
│       ├── mqtt_client_task.c/h            MQTT 订阅 + OTA 帧队列 + 心跳
│       ├── mqtt_config.h                   Broker URI + 主题定义
│       └── wifi_config.h                   SSID/密码
├── Hardware/
│   ├── ESP32/
│   │   └── esp32_comm.c/h                  STM32 侧 ESP32 通信任务
│   └── W25Qxx/
│       └── w25qxx.c/h                      SPI Flash 驱动（JEDEC 自动检测）
└── tests/
    ├── ota_mqtt_sender.py                  MQTT OTA 发送器（协议/错误/完整测试）
    ├── ota_sender.py                       串口直连 OTA 发送器
    ├── diag_serial.py                      串口诊断工具
    └── diag_monitor.py                     MQTT 远程诊断监控（Phase 9）

硬件配置

接口	引脚	用途
USART1	PA9(TX) / PA10(RX)	调试 + OTA 接收（115200 baud）
USART2	PA2(TX) / PA3(RX)	ESP32-S3 通信
SPI1	PA5(SCK) / PA6(MISO) / PA7(MOSI) / PA4(CS)	W25Q32（Mode0，APB2/4=16MHz）
ESP32 UART1	GPIO17(TX) / GPIO18(RX)	STM32 通信（115200 baud）

时钟配置：

App：HSI/2 × PLL16 = 64MHz（system_stm32f1xx.c，VECT_TAB_OFFSET=0x2000）
Bootloader：HSI 8MHz（无 PLL，system_boot.c，VTOR 在 0x08000000）

STM32 任务分配

任务	优先级	栈	功能
`vOtaProcessTask`	3（高）	512 words	USART1 DMA 接收 + OTA 协议处理
`vEsp32CommTask`	2（中）	512 words	USART2 DMA 接收 + ESP32 帧转发

ESP32 任务分配

任务	优先级	栈	功能
`uart_ota_tx_task`	6（高）	3072	OTA 帧出队 → UART 发送（mqtt_client_task.c）
`uart_tx_task`	5	3072	心跳发送（OTA session 期间自动抑制）
`uart_rx_task`	5	3072	STM32 回复接收 → MQTT status 转发
`mqtt_heartbeat_task`	3	3072	MQTT JSON 心跳（10s 间隔）

MQTT 主题

主题	方向	内容	QoS
`device/stm32_iot2/ota/cmd`	PC → STM32	OTA 二进制帧（HMAC 签名）	QoS 1（Phase 7 修复）
`device/stm32_iot2/ota/status`	STM32 → PC	ACK/NACK/状态文本	QoS 1
`device/stm32_iot2/heartbeat`	STM32 → PC	ESP32 心跳（OTA 期间自动抑制）	QoS 0
`device/stm32_iot2/sensor/data`	STM32 → PC	传感器 JSON（温湿度 + 平均值）	QoS 0
`device/stm32_iot2/sensor/alert`	STM32 → PC	阈值告警 JSON	QoS 1
`device/stm32_iot2/diagnostics`	STM32 → PC	远程诊断 JSON（~30s 周期）	QoS 0

测试脚本（tests/ota_mqtt_sender.py）

依赖：pip install paho-mqtt，需要 MQTT Broker（如 Mosquitto）在局域网运行。

# Phase 7: TLS + 认证（推荐，生产环境）
python tests/ota_mqtt_sender.py --broker 192.168.0.3 \
  --tls-ca certs/ca.crt --mqtt-user iot2_sender --mqtt-pass sender_secure_2026 \
  --firmware build/STM32_AIoT_Project.bin --fw-version 1.0.1

# 明文测试（仅限 localhost 调试）
python tests/ota_mqtt_sender.py --broker 127.0.0.1 --mqtt-port 1883 \
  --firmware build/STM32_AIoT_Project.bin

# 协议状态机测试（假固件 1KB）
python tests/ota_mqtt_sender.py --broker 192.168.0.3 --tls-ca certs/ca.crt \
  --mqtt-user iot2_sender --mqtt-pass sender_secure_2026 --test-protocol

# 错误注入测试（CRC16 / 序号跳变 / ABORT 恢复）
python tests/ota_mqtt_sender.py --broker 192.168.0.3 --tls-ca certs/ca.crt \
  --mqtt-user iot2_sender --mqtt-pass sender_secure_2026 --test-error-injection

构建与烧录

# App 构建
cd IoT2 && mkdir build && cd build
cmake -G "Ninja" -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=../arm-gcc-toolchain.cmake ..
ninja

# Bootloader 构建
cd IoT2/Bootloader && mkdir build && cd build
cmake -G "Ninja" -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=../../arm-gcc-toolchain.cmake ..
ninja

# 烧录（STM32CubeProgrammer CLI）
STM32_Programmer_CLI -c port=SWD -d Bootloader.bin 0x08000000
STM32_Programmer_CLI -c port=SWD -d App.bin 0x08002000

# ESP32 构建与烧录
cd IoT2/ESP_Firmware
idf.py build
idf.py -p COMx flash monitor

Phase 7 安全特性详解

传输层安全（TLS）

# Mosquitto TLS 配置（deploy/mosquitto/mosquitto_tls.conf）
listener 8883
cafile   E:\IoT2\certs\ca.crt
certfile E:\IoT2\certs\server.crt
keyfile  E:\IoT2\certs\server.key
tls_version tlsv1.2
allow_anonymous false
password_file C:\Program Files\mosquitto\passwd

ESP32 使用 mbedTLS 验证服务器证书
Python 使用 OpenSSL 验证服务器证书
关键经验: TLS 证书必须包含 IP SAN（Subject Alternative Name），仅 CN 字段不足

固件完整性（HMAC-SHA256）

// 发送端（Python）
hmac_digest = hmac.new(OTA_HMAC_KEY, fw_data, hashlib.sha256).digest()  // 32 字节

// 接收端（STM32）
hmac_sha256_init(&s_hmac_ctx, s_ota_hmac_key, 32);
// DATA 帧逐帧更新
hmac_sha256_update(&s_hmac_ctx, payload, len);
// END 时验证
hmac_sha256_final(&s_hmac_ctx, computed_hmac);
if (memcmp(computed_hmac, expected_hmac, 32) != 0) → 拒绝

防回滚机制

// OTA START 时检查版本号
uint32_t new_ver = (major << 16) | (minor << 8) | patch;
uint32_t cur_ver = OTA_VERSION_TO_U32(1, 0, 0);
if (new_ver < cur_ver) {
    ota_printf("[OTA] ERR: anti-rollback! new=%u.%u.%u < current\r\n");
    goto cleanup;  // 拒绝旧版本固件
}

MQTT 认证

# Mosquitto 密码文件创建
mosquitto_passwd -c "C:\Program Files\mosquitto\passwd" iot2_esp32
mosquitto_passwd -b "C:\Program Files\mosquitto\passwd" iot2_sender sender_secure_2026

Phase 9 远程诊断

诊断 JSON 格式（STM32 → MQTT，~30s 周期）

{
  "type": "diag",
  "up": 3600,           // 系统运行时间（秒）
  "heap": 2048,         // FreeRTOS 空闲堆（字节）
  "tasks": 5,           // 当前任务数
  "ota": 0,             // OTA session 状态（0=idle, 1=active）
  "wdog": 1,            // IWDG 看门狗（1=已启用）
  "s_hwm": 48,          // Sensor 任务栈高水位
  "d_hwm": 32,          // DataProc 任务栈高水位
  "o_hwm": 120,         // OTA 任务栈高水位
  "e_hwm": 80           // ESP32Comm 任务栈高水位
}

数据链路

STM32 vDataProcessTask → USART2 JSON → ESP32 uart_rx_task
  → mqtt_publish_diagnostics() → MQTT topic: device/stm32_iot2/diagnostics
  → Python diag_monitor.py 实时显示

诊断监控脚本

# TLS + 认证
python tests/diag_monitor.py --broker 192.168.0.3 --tls-ca certs/ca.crt \
    --mqtt-user iot2_sender --mqtt-pass sender_secure_2026

# 明文（本地调试）
python tests/diag_monitor.py --broker 127.0.0.1 --mqtt-port 1883

输出示例：

IoT2 Diagnostics Monitor
Connecting to 192.168.0.3:8883 ...
============================================================
[14:30:15] Connected to MQTT broker
  Subscribed: device/stm32_iot2/diagnostics
  Subscribed: device/stm32_iot2/sensor/data
  Subscribed: device/stm32_iot2/sensor/alert
  Subscribed: device/stm32_iot2/heartbeat
  Subscribed: device/stm32_iot2/ota/status
[14:30:25] HB    | status=alive uptime=120s wifi=true
[14:30:30] SENSOR| temp=26C humi=55% avg_t=25 avg_h=54
[14:30:45] DIAG  | uptime=00:02:00 heap=2048 tasks=5 ota=idle wdog=ON
         HWM  | sensor=48 dataproc=32 ota=120 esp_comm=80

下一步（可选）

Phase 7：安全加固（TLS + MQTT 认证 + HMAC-SHA256 + 防回滚）✅
Phase 8：IWDG 硬件看门狗联动（检测运行中崩溃，触发 boot_count 累加）✅
Phase 9：远程诊断（MQTT 实时上报诊断数据 + Python 监控脚本）✅
Phase 10：多设备管理（MQTT 通配符订阅 + 设备 ID 路由）

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 7 Commits
.vscode		.vscode
App		App
Bootloader		Bootloader
Core		Core
Drivers		Drivers
ESP_Firmware		ESP_Firmware
Hardware		Hardware
Middlewares/FreeRTOS		Middlewares/FreeRTOS
deploy/mosquitto		deploy/mosquitto
tests		tests
.gitignore		.gitignore
Bootloader_OTA_Notes.md		Bootloader_OTA_Notes.md
CMakeLists.txt		CMakeLists.txt
README.md		README.md
RTOSknowledge.md		RTOSknowledge.md
build_esp32.bat		build_esp32.bat
build_esp32.ps1		build_esp32.ps1

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OTA UART 帧协议

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ESP32 任务分配

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传输层安全（TLS）

固件完整性（HMAC-SHA256）

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数据链路

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