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# 区域主控 MicroPython OTA 升级方案
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## 1. 概述
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### 1.1. 目标
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实现区域主控 (ESP32-S3-N16R8, MicroPython 固件) 的安全、可靠的远程固件升级 (OTA)。
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### 1.2. 核心思想
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* **AB 分区模式**: 区域主控采用 AB 分区模式，允许在设备运行时更新非活动分区，升级失败时可回滚到上一个已知的工作版本。
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* **平台主导**: 升级过程由平台完全控制，包括固件准备、文件分发和升级指令下发。
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* **LoRa 传输层自动分片**: 充分利用 LoRa 传输层自动分片和重组的能力，简化应用层协议设计。
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* **逐文件校验**: 设备在接收每个文件后立即进行 MD5 校验，确保文件完整性，并处理重试。
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* **清单文件**: 使用清单文件管理所有待更新文件的元数据和校验信息。
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* **设备自驱动**: 设备主动请求清单文件和固件文件，并在所有文件校验成功后自行激活新固件并重启。
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* **平台记录升级任务**: 平台将记录 OTA 升级任务的创建、进度和最终状态。
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* **配置文件独立管理**: OTA 升级过程将不涉及配置文件的更新，配置文件由平台提供独立的远程修改功能。
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### 1.3. 涉及组件
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* **平台**: 负责固件包管理、清单文件生成、数字签名（未来）、文件分发、指令下发、状态接收和**升级任务记录**。
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* **LoRa 传输层**: 负责应用层数据的分片、传输和重组。
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* **区域主控 (ESP32-S3-N16R8)**: 负责接收文件、存储到非活动分区、文件校验、分区切换、新固件启动验证和状态上报。
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## 2. 固件包结构与准备
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### 2.1. 原始固件包 (由开发者提供给平台)
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* 一个标准的压缩包（例如 `.zip`），其中包含所有 MicroPython `.py` 文件、资源文件等。
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* 压缩包内的文件结构应与期望在设备上部署的路径结构一致。
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### 2.2. 平台处理流程
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1. **接收**: 平台接收开发者上传的 MicroPython 项目压缩包。
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2. **解压**: 平台将该压缩包解压到内部的一个临时目录。
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3. **分析与生成清单**: 平台遍历解压后的所有文件，为每个文件计算：
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* 文件名 (`name`)
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* 在设备上的目标路径 (`path`)
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* MD5 校验和 (`md5`)
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* 文件大小 (`size`)
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* **排除配置文件**: 平台会识别配置文件（例如通过文件名约定），并**排除**这些文件，不将其包含在清单文件中，也不通过 OTA 传输。
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4. **生成清单文件**: 平台根据上述信息，生成一个 JSON 格式的清单文件。
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5. **数字签名 (未来扩展)**: 平台使用其私钥对**清单文件**的内容进行数字签名，并将签名添加到清单文件中。此步骤目前可跳过，但为未来安全性预留。
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### 2.3. 清单文件 (Manifest File) 结构
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清单文件是一个 JSON 对象，包含新固件的元数据和所有文件的详细信息。
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```json
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{
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"version": "1.0.1", // 新固件版本号
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"signature": "...", // 清单文件内容的数字签名 (未来扩展)
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"files": [
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{
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"name": "manifest.json", // 清单文件本身
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"path": "/manifest.json",
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"md5": "a1b2c3d4e5f6a7b8c9d0e1f2a3b4c5d6",
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"size": 1024
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},
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{
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"name": "main.py",
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"path": "/main.py",
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"md5": "b2c3d4e5f6a7b8c9d0e1f2a3b4c5d6a1",
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"size": 10240
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},
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{
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"name": "lib/sensor.py",
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"path": "/lib/sensor.py",
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"md5": "c3d4e5f6a7b8c9d0e1f2a3b4c5d6a1b2",
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"size": 5120
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}
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// ... 更多文件 (不包含配置文件)
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]
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}
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```
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## 3. 通信协议定义 (Protobuf Messages)
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以下是 OTA 过程中平台与区域主控之间通信所需的 Protobuf 消息定义。
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```protobuf
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// OTA 升级指令和状态消息
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// PrepareUpdateReq: 平台发送给设备，通知设备准备开始 OTA 升级
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message PrepareUpdateReq {
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string version = 1; // 新固件版本号
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string task_id = 2; // 升级任务唯一ID
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}
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// RequestFile: 设备向平台请求特定文件 (包括清单文件和固件文件)
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message RequestFile {
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string task_id = 1; // 升级任务ID
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string filename = 2; // 请求的文件名 (例如 "manifest.json" 或 "main.py")
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string filepath = 3; // 请求的文件路径 (例如 "/manifest.json" 或 "/main.py")
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uint32 retry_count = 4; // 设备请求该文件的重试次数
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}
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// FileResponse: 平台响应设备请求，发送单个文件的完整内容
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// LoRa 传输层会自动处理分片和重组，因此应用层可以直接发送完整的单个文件内容
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message FileResponse {
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string task_id = 1; // 升级任务ID
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string filename = 2; // 文件名 (例如 "manifest.json" 或 "main.py")
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string filepath = 3; // 设备上的目标路径 (例如 "/manifest.json" 或 "/main.py")
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bytes content = 4; // 文件的完整内容
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// MD5 字段已从此处移除，设备将根据清单文件中的 MD5 进行统一校验
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}
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// UpdateStatusReport: 设备向平台报告升级状态
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message UpdateStatusReport {
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string device_id = 1; // 设备ID
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string task_id = 2; // 升级任务ID
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string current_version = 3; // 设备当前运行的固件版本
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enum Status {
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UNKNOWN = 0;
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SUCCESS = 1; // 升级成功，新固件已运行
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FAILED_PREPARE = 2; // 准备阶段失败 (如清空分区失败)
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FAILED_FILE_REQUEST = 3; // 文件请求失败 (如平台未找到文件)
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FAILED_FILE_RECEIVE = 4; // 文件接收失败 (如LoRa传输层错误)
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FAILED_FILE_VERIFY = 5; // 文件MD5校验失败 (单个文件校验失败)
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FAILED_MANIFEST_VERIFY = 6; // 清单文件验证失败 (如签名或格式错误)
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FAILED_ACTIVATE = 7; // 激活失败 (如设置启动分区失败)
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ROLLED_BACK = 8; // 新固件启动失败，已回滚到旧版本
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IN_PROGRESS = 9; // 升级进行中 (可用于报告阶段性进度)
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}
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Status status = 4; // 升级状态
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string error_message = 5; // 错误信息 (可选，用于详细说明失败原因)
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string failed_file = 6; // 如果是文件相关失败，可包含文件名
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}
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```
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## 4. 平台侧操作流程
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### 4.1. 准备升级任务
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1. 接收开发者提供的 MicroPython 项目压缩包。
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2. 解压压缩包。
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3. 遍历解压后的文件，计算每个文件的 MD5、大小，并确定目标路径。
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4. **排除配置文件**: 平台会识别配置文件（例如通过文件名约定），并**排除**这些文件，不将其包含在清单文件中，也不通过 OTA 传输。
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5. 生成清单文件 (Manifest File)。**注意：清单文件本身也应作为 OTA 的一部分，其元数据（文件名、路径、MD5、大小）应包含在清单文件自身的 `files` 列表中。Manifest文件生成后将被放在解压后的文件夹的根目录下, 方便后续主控设备获取**
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6. （未来扩展）对清单文件进行数字签名。
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7. 将清单文件和所有固件文件存储在平台内部，等待分发。
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8. **记录 OTA 升级任务**: 在数据库中创建一条新的 OTA 升级任务记录（模型名为 `OTATask`，位于 `internal/infra/models/ota.go`），包含任务 ID、目标设备、新固件版本、状态（例如“待开始”）。
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### 4.2. 发送“准备更新”指令
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1. 平台向目标区域主控发送 `PrepareUpdateReq` 消息。
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2. 此消息通知设备即将进行 OTA 升级，并要求设备清空其非活动 OTA 分区。主控收到此指令并开始索要文件即表示准备完毕开始更新，平台记录此状态即可。
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3. 更新任务记录: 平台根据设备开始索要清单文件的动作，更新 OTA 任务记录的状态。
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### 4.3. 响应设备文件请求 (统一处理清单文件和固件文件)
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1. 平台接收区域主控发送的 `RequestFile` 消息。
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2. 平台根据 `task_id`、`filename` 和 `filepath` 在内部存储中找到对应的文件内容。
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3. 平台构建 `FileResponse` 消息，将文件的完整内容、文件名和路径放入其中。
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4. 平台通过 LoRa 传输层发送 `FileResponse` 消息。设备自己发现接收失败或超时会自行重发请求，多次失败设备会直接上报 `UpdateStatusReport` 结束更新。如果需要控制重试次数，可在平台发送的准备更新消息中带上重试次数。
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5. 更新任务记录: 平台根据设备请求文件的动作，更新 OTA 任务记录中该文件的传输状态。
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### 4.4. 处理设备状态上报
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1. 平台接收区域主控发送的 `UpdateStatusReport` 消息。
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2. 根据报告的状态，更新设备在平台上的固件版本和 OTA 任务记录的最终状态。
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3. 如果报告失败或回滚，平台应记录错误信息，并可能触发告警或人工干预。
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## 5. 区域主控侧操作流程 (MicroPython)
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### 5.1. 接收“准备更新”指令
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1. 区域主控接收 `PrepareUpdateReq` 消息。
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2. 清空非活动分区: 使用 MicroPython 的文件系统操作（例如 `os.remove()` 和 `os.rmdir()`），递归删除非活动 OTA 分区（例如 `/ota_b`）下的所有文件和目录，为新固件腾出空间。
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3. 设备准备就绪后，将直接开始请求清单文件，平台将通过设备请求清单文件的动作来判断设备已准备就绪。
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### 5.2. 请求并验证清单文件
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1. 设备完成准备后，向平台发送 `RequestFile` 消息，请求清单文件（例如 `filename: "manifest.json", filepath: "/manifest.json"`）。
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2. 区域主控接收平台响应的 `FileResponse` 消息。
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3. **写入非活动分区**: 将清单文件内容写入非活动分区（例如 `/ota_b/manifest.json`）。
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4. **MD5 校验**: 计算接收到的清单文件的 MD5，并与预期的 MD5（如果设备有预置的清单文件 MD5 或通过其他安全方式获取）进行比对。**注意：由于清单文件本身也是通过 `RequestFile` 获取，其 MD5 校验的来源需要明确。最简单的方式是设备硬编码一个已知安全的清单文件 MD5，或者依赖数字签名。**
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5. **解析 JSON**: 解析清单文件内容，将其转换为 MicroPython 字典对象。
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6. **数字签名验证 (未来扩展)**: 使用预置在设备中的平台公钥，验证清单文件的数字签名。如果签名验证失败，立即中止升级并报告错误。
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7. 向平台发送 `UpdateStatusReport` 报告清单文件接收和验证结果。如果校验失败，设备应再次请求清单文件（并设置重试次数）。
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### 5.3. 请求与存储固件文件 (逐文件校验)
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1. 设备成功接收并验证清单文件后，根据清单文件中的文件列表，**逐个文件**地向平台发送 `RequestFile` 消息。
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2. 对于每个请求的文件：
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* 设备接收平台响应的 `FileResponse` 消息。
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* **写入非活动分区**: 根据 `filepath` 字段，将 `content` 写入到 ESP32 的非活动 OTA 分区。需要确保目标目录存在，如果不存在则创建。
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* 示例 (伪代码):
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```python
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import os
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# 假设非活动分区挂载在 /ota_b
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target_path = "/ota_b" + file_response.filepath
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target_dir = os.path.dirname(target_path)
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if not os.path.exists(target_dir):
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os.makedirs(target_dir)
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with open(target_path, "wb") as f:
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f.write(file_response.content)
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```
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* **MD5 校验**: 在文件写入完成后，计算该文件的 MD5 校验和。将计算出的 MD5 与清单文件中记录的 MD5 进行比对。
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* MicroPython 的 `hashlib` 模块通常提供 MD5 算法。
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* 如果校验失败或接收超时，设备应再次发送 `RequestFile` 消息请求该文件（并设置重试次数，例如连续三次失败则报告 `FAILED_FILE_VERIFY` 并中止升级）。平台不需等待每个文件的接收和校验状态报告。
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### 5.4. 自激活与重启
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1. **所有文件接收并校验成功后**，设备将自行执行以下操作：
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* **配置 OTA 分区**: 使用 MicroPython 提供的 ESP-IDF OTA API（通常通过 `esp` 模块或特定 OTA 模块），设置下一个启动分区为刚刚写入新固件的非活动分区。
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* **自触发重启**: 在成功配置 OTA 分区后，区域主控自行触发重启。
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### 5.5. 新版本启动与验证
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1. 设备重启后，启动加载器会从新的 OTA 分区加载 MicroPython 固件。
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2. **自检**: 新固件启动后，应执行必要的自检和健康检查，确保核心功能正常。
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3. **标记有效**: 新固件在成功启动并完成自检后，必须调用相应的 MicroPython API（例如 `esp.ota_mark_app_valid_cancel_rollback()`）来标记自身为有效，以防止自动回滚。
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4. **版本上报**: 向平台发送 `UpdateStatusReport` 报告当前运行的版本号和升级成功状态。
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5. **看门狗与回滚**:
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* ESP-IDF 的 OTA 机制通常包含一个“启动计数器”或“验证机制”。如果新固件在一定次数的尝试后仍未标记自身为有效，启动加载器会自动回滚到上一个有效固件。
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* 在 MicroPython 应用层，如果自检失败，不标记有效，以触发回滚。
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### 5.6. 报告最终状态
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1. 无论是成功升级到新版本还是回滚到旧版本，区域主控都应向平台发送 `UpdateStatusReport` 报告最终的升级状态。
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## 6. 关键技术点与注意事项
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### 6.1. LoRa 传输层
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* 确保 `internal/infra/transport/lora/lora_mesh_uart_passthrough_transport.go` 实现的 LoRa 传输层能够稳定、可靠地处理大尺寸 Protobuf 消息的分片和重组。
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* 注意 LoRa 传输的速率和可靠性，合理设置超时和重试机制。
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### 6.2. 文件系统操作 (MicroPython)
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* MicroPython 在 ESP32 上通常使用 LittleFS 或 FATFS。确保文件系统操作（创建目录、写入文件、删除文件）的正确性和鲁棒性。
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* 清空非活动分区时，需要递归删除文件和目录。
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* 注意文件系统空间管理，确保非活动分区有足够的空间接收新固件。
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### 6.3. MD5 校验 (MicroPython)
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* MicroPython 的 `hashlib` 模块通常提供 MD5 算法。确保在设备上计算 MD5 的效率和准确性。
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### 6.4. OTA 分区管理 (MicroPython)
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* 熟悉 ESP-IDF 的 OTA 机制在 MicroPython 中的绑定和使用方法。
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* 正确调用 API 来设置下一个启动分区和标记当前应用为有效。
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### 6.5. 回滚机制
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* 依赖 ESP-IDF 提供的 OTA 回滚机制。新固件必须在启动后标记自身为有效，否则在多次重启后会自动回滚。
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* 在 MicroPython 应用层，如果自检失败，不标记有效，以触发回滚。
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### 6.6. 错误处理与重试
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* 在平台和设备两侧，都需要实现完善的错误处理逻辑。
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* 设备在请求文件时应包含重试次数，平台可以根据重试次数决定是否继续响应。
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* 设备应能向平台准确报告错误类型和原因。
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### 6.7. 安全性 (未来扩展)
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* **数字签名**: 尽管目前暂时忽略密钥管理，但强烈建议在未来实现清单文件的数字签名。这将有效防止恶意固件注入和篡改。平台使用私钥签名，设备使用硬编码的公钥验证。
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* **LoRaWAN 安全**: 确保 LoRaWAN 的网络层和应用层密钥管理得当，防止未经授权的设备加入网络或窃听数据。 |