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STM32 EVSE OTA Test Application

STM32F429ZI 기반 EVSE OTA 기능을 실제 제어 Application에 통합하기 전에 독립적으로 구축하고 end-to-end 동작을 검증하기 위한 Test Application입니다.

ESP8266 Wi-Fi 연결부터 Wakaama/LwM2M registration, Firmware Object /5, CoAP Block2 download, Internal Flash Bank2 staging, image 검증, reset recovery 및 Bootloader handoff까지 전체 OTA pipeline을 한 프로젝트에서 실행합니다.

이 프로젝트에서 검증한 OTA/Wi-Fi 기능은 이후 EVSE_APP/PACKAGE/OTA_WIFI로 정리하여 별도의 add-on package로 추출했습니다. TestApp은 충전기 제어 로직이 없는 OTA reference/verification application이며 실제 EVSE Application 자체는 아닙니다.

External Flash는 사용하지 않습니다. W25Q128 staging 방식은 검토 후 폐기했으며 STM32F429ZI Internal Flash Bank2를 최종 staging 영역으로 사용합니다.

프로젝트 목적

  • Custom Bootloader 이후 wireless OTA 전체 경로 구축
  • ESP8266 AT command와 UDP transport 검증
  • Wakaama 기반 LwM2M client와 server registration 검증
  • Firmware Update Object /5 동작 검증
  • CoAP Block2 firmware download와 retry 처리
  • Internal Flash Bank2 staging erase/write/read-back 검증
  • Firmware size, vector table 및 CRC32 검증
  • Backup SRAM metadata와 reset recovery 검증
  • Application에서 Bootloader로 전달하는 install handoff 검증
  • OTA 기능을 실제 EVSE에 이식하기 전 package 경계와 public API 확립

전체 구조

┌──────────────────────────────────────────┐
│ LwM2M Server                             │
│ Firmware Update Object /5                │
└────────────────────┬─────────────────────┘
                     │ UDP / CoAP
                     ▼
┌──────────────────────────────────────────┐
│ STM32 EVSE Test Application              │
│                                          │
│ ESP8266 Wi-Fi                            │
│   ↓                                      │
│ UDP Network Bridge                       │
│   ↓                                      │
│ Wakaama / LwM2M                          │
│   ↓                                      │
│ CoAP Block2 Downloader                   │
│   ↓                                      │
│ Firmware Update Service                  │
│   ↓                                      │
│ Internal Flash Bank2 Staging             │
│   ↓                                      │
│ Metadata Commit / Install Pending        │
└────────────────────┬─────────────────────┘
                     │ Boot Request + Reset
                     ▼
┌──────────────────────────────────────────┐
│ Compatible Bootloader                    │
│ Staging 검증 → Application 설치 → 실행   │
└──────────────────────────────────────────┘

Source 구조

EVSE_APP/
├── AP/                         # TestApp 초기화 및 RTOS task entry
├── BSP/                        # TestApp LED 등 board 기능
├── COMMON/                     # Version, task 주기, integration 설정
├── HW/                         # TestApp hardware 접근
└── PACKAGE/OTA_WIFI/
    ├── BSP/                    # Wi-Fi, UDP, staging, boot metadata 정책
    ├── COMMON/                 # Memory map, Backup SRAM layout
    ├── DRIVER/                 # ESP8266 AT command/parser
    ├── MIDDLEWARE/
    │   ├── LWM2M/              # Wakaama client와 Object /5
    │   ├── NETWORK/            # Datagram abstraction와 task bridge
    │   ├── OTA/                # CoAP transport와 STM32 backend
    │   └── OTA_SERVICE/        # OTA facade와 runtime state
    ├── PLATFORM/STM32/         # UART/Flash/Backup SRAM/Time port
    └── TASK/
        ├── WIFI/               # Wi-Fi worker
        └── OTA/                # OTA runtime와 Boot request

대상 환경

항목 설정
MCU/Board STM32F429ZI / NUCLEO-F429ZI
Application version 0.2.1
RTOS FreeRTOS / CMSIS-RTOS2
Wi-Fi module ESP8266 AT firmware
Debug UART USART3
ESP8266 UART USART6
Network UDP
Device management Eclipse Wakaama / LwM2M
Firmware download CoAP Block2
기본 download block 512 bytes
Staging storage STM32 Internal Flash Bank2
Image 검증 Size, MSP, Reset Handler, CRC32

주요 의존성:

  • STM32 HAL/CMSIS
  • FreeRTOS와 CMSIS-RTOS2
  • Eclipse Wakaama (ThirdParty/wakaama)
  • ESP8266 AT firmware
  • LwM2M/CoAP server
  • Staging installer가 구현된 호환 Bootloader

Wakaama의 license와 notice는 ThirdParty/wakaama에 포함된 원문을 확인해야 합니다.

프로젝트 구성 파일

파일 역할
Application.ioc STM32CubeMX MCU peripheral, UART, GPIO, Clock 및 FreeRTOS 설정 원본
CMakeLists.txt Application source, OTA_WIFI, STM32CubeMX 및 Wakaama target 구성
CMakePresets.json Debug/Release configure와 build preset
STM32F429xx_FLASH.ld Application을 0x08020000부터 896 KiB 범위에 배치
startup_stm32f429xx.s STM32F429ZI startup code
TestApp.bin 0x08020000에 기록할 수 있도록 build된 시험 Application binary

이 파일들은 TestApp 검증 환경을 재현하는 기준입니다. 다른 board나 실제 EVSE 프로젝트로 이식할 때는 해당 프로젝트의 CubeMX, linker 및 build 설정에 동일한 memory/peripheral 조건을 반영해야 합니다.

Flash memory map

0x08000000 ┌──────────────────────────────┐
           │ Bootloader                  │ 128 KiB
0x08020000 ├──────────────────────────────┤
           │ Running Test Application    │ 896 KiB
0x08100000 ├──────────────────────────────┤
           │ OTA Staging                 │ 896 KiB
0x081E0000 ├──────────────────────────────┤
           │ Reserved                    │ 128 KiB
0x08200000 └──────────────────────────────┘
영역 주소
Bootloader 0x08000000 ~ 0x0801FFFF
Running Application 0x08020000 ~ 0x080FFFFF
OTA Staging 0x08100000 ~ 0x081DFFFF
Reserved 0x081E0000 ~ 0x081FFFFF

Application과 staging capacity는 각각 896 KiB입니다. STM32F429xx_FLASH.ld의 Application link 영역과 ota_memory_config.h의 memory map을 함께 유지해야 합니다.

External Flash address와 driver는 사용하지 않습니다.

Backup SRAM layout

TestApp와 Bootloader가 공유하는 persistent contract입니다.

Offset 용도
+0 Boot request magic
+4 Boot request inverse magic
+8 Staging metadata magic
+12 Staging metadata inverse magic
+16 Staging image size
+20 Staging image CRC32
+24 Bootloader update result
+28 Wakaama MID journal slot A
+48 Wakaama MID journal slot B

Magic/inverse 또는 magic/commit 조합을 사용하여 기록 도중 reset된 값을 정상 metadata로 오인하지 않도록 했습니다.

Wakaama nextMID는 두 slot을 교대로 사용합니다. 새 slot commit 전까지 이전 정상 slot을 유지하여 reset 이후에도 Message ID sequence를 복구합니다.

RTOS Task 구성

TestApp는 세 개의 main task 흐름으로 구성됩니다.

Control Task
├─ Application/OTA 초기화
├─ Wi-Fi 상태 LED 반영
└─ Install Pending 확인 및 TestApp 자동 commit

WiFi Task
├─ ESP8266/Wi-Fi 상태머신
└─ UDP command/RX queue worker

OTA Task
├─ Datagram 처리
├─ Wakaama/LwM2M runtime
├─ CoAP firmware downloader
└─ Deferred Boot request/reset

WiFi Task와 OTA Task 사이의 network 접근은 CMSIS-RTOS2 message queue와 mutex로 분리합니다. ESP8266 UART와 UDP socket 제어는 WiFi Task가 담당하고 OTA Task는 datagram port interface만 사용합니다.

Firmware update 흐름

ESP8266 Wi-Fi 연결
→ UDP socket open
→ LwM2M server registration
→ Firmware Object /5 Package URI 수신
→ CoAP Block2 GET 반복
→ Bank2 staging erase/write/read-back
→ 전체 image 수신
→ Size/Vector/CRC32 검증
→ Staging metadata commit
→ DOWNLOADED / Install Pending
→ TestApp에서 Install Commit
→ Deferred Boot Request
→ Backup SRAM request commit
→ MCU Reset
→ Bootloader 설치
→ 새 Application 실행

CoAP downloader는 기본 512-byte block을 요청합니다. Server가 응답한 block number, size 및 offset을 검사하며 timeout 발생 시 2초부터 최대 8초까지 backoff하고 최대 4회 retry합니다.

Firmware image 검증

  1. 선언된 전체 크기와 수신 크기 일치
  2. Image 크기가 Application/staging capacity 이내
  3. Initial MSP의 8-byte alignment와 SRAM/CCMRAM 범위 확인
  4. Reset Handler Thumb bit 확인
  5. Reset Handler가 실제 Application image 범위에 존재하는지 확인
  6. Staging Flash write 후 read-back 확인
  7. 전체 image CRC32 계산 및 metadata 저장

CRC32는 전송 오류와 storage 손상을 검출하지만 firmware 제작자의 신원이나 악의적 변조를 인증하지는 않습니다.

Reset recovery

TestApp 시작 시 Backup SRAM의 update result와 staging metadata를 읽습니다.

유효한 staging metadata가 있으면:

Image size 검사
→ Staging vector 검사
→ Staging 전체 CRC32 재계산
→ Metadata CRC32 비교
→ DOWNLOADED 상태와 Install Pending 복구

Download 완료 후 reset되더라도 정상 staging image를 다시 받지 않습니다. Download 도중 reset된 경우에는 metadata가 commit되지 않았으므로 완료 image로 복구하지 않습니다.

Bootloader가 기록한 update result는 다음 Application 부팅 후 LwM2M Firmware Object 상태에 반영할 수 있도록 persistence합니다.

Wi-Fi와 LwM2M recovery

  • ESP8266 reset과 AP 재접속 state machine
  • WIFI DISCONNECT 감지 후 retry
  • UDP socket reopen
  • Network 복구 후 LwM2M registration refresh
  • 반복적인 Wakaama runtime 오류 시 context restart
  • Context 재생성 시 Wakaama nextMID 복구
  • Security, Server, Device, Firmware /5 Object 재구성

이 기능은 장시간 동작 중 Wi-Fi 단절이나 server 재연결 이후 OTA service가 다시 사용할 수 있는 상태로 복귀하도록 구성했습니다.

Install Pending과 TestApp 동작

Package는 download와 검증이 끝났다고 즉시 reset하지 않고 다음 API로 설치 대기 상태를 노출합니다.

bool otaTaskIsInstallPending(void);
bool otaTaskCommitInstall(void);

현재 TestApp의 apControlMain()은 Install Pending을 확인하면 즉시 otaTaskCommitInstall()을 호출합니다. 충전 제어 기능이 없는 TestApp에서 OTA E2E를 빠르게 검증하기 위한 의도적인 동작입니다.

실제 EVSE Application에서는 이 부분을 그대로 사용하면 안 됩니다. 다음과 같은 안전 조건을 확인한 뒤 commit해야 합니다.

Install Pending
→ 신규 충전 시작 차단
→ 진행 중 충전 종료
→ Charging current 0 확인
→ Relay/Contactor OFF 확인
→ CAN/BMS 안전 상태 확인
→ otaTaskCommitInstall()

otaTaskCommitInstall()은 configured reset delay가 지난 뒤 Backup SRAM에 Boot request를 기록하고 MCU를 reset합니다. 이 delay는 LwM2M/CoAP 응답이 server에 전달될 시간을 확보하기 위한 것입니다.

UART callback

ESP8266 수신은 UART interrupt를 사용합니다. HAL callback에서 package handler를 호출해야 합니다.

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    otaPlatformUartHandleRxCplt(huart);
}

void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    otaPlatformUartHandleError(huart);
}

실제 EVSE에서 다른 UART module도 callback을 사용한다면 하나의 HAL callback에서 각 consumer로 dispatch해야 합니다. Package가 callback을 독점하게 두면 기존 UART 기능과 충돌할 수 있습니다.

설정

TestApp 연결 설정은 다음 파일에 있습니다.

EVSE_APP/COMMON/ota_integration_config.h

설정 항목:

  • Wi-Fi SSID/password
  • LwM2M endpoint prefix
  • Server host/port
  • Local UDP port
  • Short Server ID
  • Registration lifetime
  • Boot reset delay

현재 설정 파일에는 개발 환경의 실제 연결값이 들어 있습니다. GitHub 공개 전 credential과 사설 server 주소를 제거하고 example 값, 비공개 header, build-time 주입 또는 provisioning 방식으로 교체해야 합니다.

Build

필요 도구:

  • CMake 3.22 이상
  • Ninja
  • Arm GNU Toolchain (arm-none-eabi-gcc)
  • STM32CubeMX 또는 포함된 CubeMX 생성 source

Debug build:

cmake --preset Debug
cmake --build --preset Debug

Release build:

cmake --preset Release
cmake --build --preset Release

정상적으로 build되면 build/<Preset>/에 다음 파일이 생성됩니다.

Application.elf
Application.hex
Application.bin

현재 repository에는 검증에 사용한 TestApp.bin도 포함되어 있습니다. 이 파일은 Cortex-M image이며 Initial MSP 0x20030000, Application 시작 범위의 Reset Handler를 포함합니다.

STM32CubeProgrammer 다운로드

TestApp는 0x08020000 기준으로 link되어 있습니다.

TestApp.bin → 0x08020000

Bootloader가 필요한 경우 별도 Bootloader binary를 먼저 다음 주소에 기록합니다.

Bootloader.bin → 0x08000000

TestApp binary를 0x08000000에 기록하거나, 일반 0x08000000 기준 Application binary를 0x08020000에 기록하면 정상 실행되지 않습니다.

테스트 도구

파일 용도
tools/udp_echo_server.py ESP8266 UDP 송수신 확인
tools/coap_firmware_probe_server.py 단일 CoAP 요청/응답 확인
tools/coap_artifact_server.py Firmware binary를 제공하는 최소 CoAP Block2 시험 server

이 도구들은 개발용이며 인증, 접근 제어 또는 production server 기능을 제공하지 않습니다.

Bootloader 호환 조건

Wireless OTA install을 완료하려면 Bootloader가 다음 기능을 구현해야 합니다.

  • 동일한 Backup SRAM offset과 magic 값 사용
  • Remote Boot request 감지 및 clear
  • Staging metadata size/CRC32 확인
  • Bank1 erase 전에 Bank2 staging image 검증
  • Staging image를 Application 영역으로 복사
  • 설치 결과를 Backup SRAM에 기록
  • 새 Application vector 검증 및 jump

TestApp는 Bank2 download와 install request까지만 담당하며 staging-to-Application 복사는 수행하지 않습니다. 단순히 remote request 후 command mode로 진입하는 Bootloader만 사용하면 wireless installation이 완료되지 않습니다.

제한사항과 주의사항

  • External Flash와 rollback slot을 사용하지 않습니다.
  • Bank2 staging은 download 중 기존 Application을 보존하지만 install 중 전원 차단 복구는 Bootloader에 의존합니다.
  • 무결성 검증은 CRC32이며 digital signature 검증이 없습니다.
  • 기본 network는 UDP/CoAP이며 DTLS가 구성되어 있지 않습니다.
  • Firmware version, hardware model, downgrade 차단 정책이 없습니다.
  • Wakaama nextMID는 persistence하지만 별도 firmware downloader MID allocator는 동일 journal을 사용하지 않습니다.
  • Message queue depth가 제한되어 있으므로 장시간 task 지연과 burst packet을 주의해야 합니다.
  • 실제 credential과 server 주소를 공개 source에 commit하면 안 됩니다.
  • Application, staging 및 reserved Flash sector를 다른 module이 중복 사용하면 안 됩니다.
  • TestApp의 자동 Install Commit은 실제 충전 중 EVSE에 그대로 적용하면 안 됩니다.
  • 현재 TestApp.bin은 source 변경 후 자동으로 갱신되는 파일이 아니므로 build 산출물과 commit 일치 여부를 별도로 관리해야 합니다.

프로젝트 범위

포함 범위:

  • ESP8266 Wi-Fi와 UDP 통신
  • Wakaama/LwM2M registration
  • Firmware Object /5
  • CoAP Block2 firmware download
  • Internal Flash Bank2 staging
  • Image 검증과 reset recovery
  • Bootloader handoff
  • OTA/Wi-Fi package 구조 검증

별도 책임:

  • 실제 EVSE charging FSM, Relay 및 CAN/BMS 제어
  • Bootloader staging installer
  • Firmware signing과 key management
  • Production credential provisioning
  • Backend server 운영과 access control

About

Test EVSE App for OTA connection

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