分布式LON總線架構(gòu)平臺(tái)模式下的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

楊帥　姜亞南　薛嵐

摘要：為解決我國(guó)農(nóng)業(yè)管理長(zhǎng)期依賴(lài)人工勞動(dòng)力的局面，設(shè)計(jì)一種基于LON平臺(tái)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全分布式監(jiān)控系統(tǒng)，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)管理的高效性和科學(xué)性。本系統(tǒng)采用LON現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)，依托以太網(wǎng)和GPRS通信終端，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心的信息交互。重點(diǎn)剖析LON平臺(tái)的核心設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)在Host Based架構(gòu)模式下，利用Slave_A模式并行接口的虛擬令牌乒乓式傳遞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了LON現(xiàn)場(chǎng)總線與和RS232串口總線的無(wú)縫銜接。試驗(yàn)證明該系統(tǒng)性能良好。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；LON平臺(tái)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；Slave_A模式；虛擬令牌傳遞；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP2772；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0426-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-02-18

基金項(xiàng)目：江蘇省淮安市農(nóng)業(yè)科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：SN12052；江蘇省淮安市創(chuàng)新載體平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃（編號(hào)：HAP201313。

作者簡(jiǎn)介：楊帥（1981—，男，遼寧錦州人，碩士，講師、工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化與控制技術(shù)。Tel：（051783808243；E-mail：lnyangshuai@163com。

信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)的高速發(fā)展促使一種新穎農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理思想的誕生，從而產(chǎn)生了利用LON平臺(tái)對(duì)農(nóng)作物實(shí)施現(xiàn)代化管理?；贚ON平臺(tái)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全分布式監(jiān)控系統(tǒng)依托LON現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)，LON平臺(tái)致力于綠色節(jié)能和智能管理，為不同設(shè)備的集成并網(wǎng)提供有效可行的實(shí)施方案，該平臺(tái)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分散自治，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式實(shí)現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不僅實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的分段成組，而且還實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)向上級(jí)信息系統(tǒng)的集成。平臺(tái)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的輸入輸出、內(nèi)部參數(shù)和狀態(tài)特征值都以網(wǎng)絡(luò)變量的形式進(jìn)行傳輸，按照節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系形成現(xiàn)場(chǎng)采集回路。LON總線采用數(shù)字傳輸技術(shù)，能夠有效防止數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤發(fā)生率，同時(shí)工程施工量小，采用的通信電纜少，無(wú)需中繼就可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)角字?，這種完全分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常適合在農(nóng)田中應(yīng)用。

1現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心三部分組成，對(duì)不同地域、不同農(nóng)作物及農(nóng)作物不同生長(zhǎng)周期對(duì)土壤水分、溫濕度、化學(xué)成分的進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖1。土壤分析儀采樣的土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口總線將其傳送到LON現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上。由于LON現(xiàn)場(chǎng)總線和RS232串口總線通信協(xié)議不同，需要協(xié)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成2種協(xié)議數(shù)據(jù)信息格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩信道的互通。土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)采樣農(nóng)作物環(huán)境的溫濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)，并將參數(shù)傳送到LON現(xiàn)場(chǎng)總線上。網(wǎng)絡(luò)攝像頭又可以對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將LON現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，并借助GPRS通信終端服務(wù)器克服地域限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)遠(yuǎn)程處理中心將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)與上位機(jī)中數(shù)據(jù)庫(kù)相比，得出科學(xué)的農(nóng)業(yè)策略。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備內(nèi)部均含有Neuron智能芯片，每個(gè)設(shè)備均是一個(gè)獨(dú)立智能處理單元，兩者之間的數(shù)據(jù)交換可以直接現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，無(wú)需上位機(jī)處理，這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互模式徹底構(gòu)建系統(tǒng)的全分布模式。LON平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)集成，該平臺(tái)采用的算法是優(yōu)先級(jí)帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)，該協(xié)議能夠預(yù)測(cè)LON平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，輕載時(shí)給網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)分配較少的隨機(jī)時(shí)隙以減少節(jié)點(diǎn)媒介訪問(wèn)延時(shí)；重載時(shí)給網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)分配較多的隨機(jī)時(shí)隙以減少各節(jié)點(diǎn)因同時(shí)發(fā)送消息帶來(lái)的沖突，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)時(shí)隙數(shù)目以概率P值的動(dòng)態(tài)調(diào)整。這種機(jī)制有效保證了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分布式監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性和可靠性。

[F（W11][TPYS11tif][F]

2系統(tǒng)的核心設(shè)備——網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

21網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的原理模型設(shè)計(jì)

LON平臺(tái)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分布式監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又是LON平臺(tái)的關(guān)鍵，該設(shè)備承擔(dān)LON現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)、LON現(xiàn)場(chǎng)總線與和RS232串口總線無(wú)縫銜接的任務(wù)，這里重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)LON現(xiàn)場(chǎng)總線與和RS232串口總線的無(wú)縫銜接。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用Host Base設(shè)計(jì)框架，即雙處理器（Neuron智能芯片3150和MCU芯片AT89C55之間數(shù)據(jù)交換的方法[1-2]。Neuron智能芯片3150是一種專(zhuān)門(mén)為設(shè)備提供智能和網(wǎng)絡(luò)控制能力的集成芯片，由于3150將復(fù)雜的通信過(guò)程簡(jiǎn)化為網(wǎng)絡(luò)變量以及捆綁和連接，為充分發(fā)揮其優(yōu)異的通信特性，將其定位從機(jī)角色，只承擔(dān)信息通信任務(wù)。AT89C55是一款片內(nèi)具有20 kB Flash存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)空間大，適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，將其定位主機(jī)角色，承擔(dān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。為了提高網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理速度，3150和AT89C55之間采用Slave_ A[JP2]模式并行接口進(jìn)行連接，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的原理模型如圖2所示。AT89C55通過(guò)RS232接口接收和發(fā)送RS232串口總線的數(shù)據(jù)報(bào)文；3150通過(guò)FTT-10A收發(fā)器接收和發(fā)送LON現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)報(bào)文；RS232串口總線的數(shù)據(jù)報(bào)文和LON現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)Slave_A模式的并行接口實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

[F（W8][TPYS22tif；S+3mm][F]

22網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

221網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)Slave_A模式并行接口

Neuron智能芯片3150與MCU芯片AT89C55之間的Slave_A模式并行接口原理電路如圖3所示，Slave_A模式并行接口由8根雙向數(shù)據(jù)總線IO0～I(xiàn)O7、1根片選信號(hào)～CS、1根握手信號(hào)HS、1根讀寫(xiě)控制信號(hào)R/～W構(gòu)成，支持最高速率33 Mb/s，極大提高數(shù)據(jù)報(bào)文處理的實(shí)時(shí)性。Neuron智能芯片3150的IO0～I(xiàn)O7管腳依次與MCU芯片AT89C55的P00～P07管腳相連形成數(shù)據(jù)總線，3150的IO8管腳與AT89C55的P12管腳相連形成片選信號(hào)線，3150的IO9管腳與AT89C55的P11管腳相連形成讀寫(xiě)控制線，3150的IO10管腳與AT89C55的P10管腳相連形成握手控制線。3150與AT89C55等2個(gè)處理器之間在基于虛擬令牌乒乓式傳遞機(jī)制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的交換，有效解決了數(shù)據(jù)總線頻繁占用、數(shù)據(jù)阻塞的瓶頸弊端[4-5]。3150與AT89C55之間互相傳遞虛擬令牌，擁有令牌的處理器具有寫(xiě)數(shù)據(jù)報(bào)文的主動(dòng)權(quán)。當(dāng)片選信號(hào)線～CS為低電平時(shí)，讀寫(xiě)操作由R/～W控制信號(hào)線決定；當(dāng)R/～W為低電平時(shí)，AT89C55占有令牌，當(dāng)R/～W 為高電平時(shí)，3150占有令牌。握手信號(hào)HS為高電平時(shí)，3150處于忙狀態(tài)；握手信號(hào)HS為低電平時(shí)，3150處于空閑狀態(tài)。當(dāng)AT89C55檢測(cè)握手信號(hào)線HS為低電平時(shí)，在～CS信號(hào)的下降沿將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)總線。

222網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)RS232接口

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的RS232串口總線采用的是標(biāo)準(zhǔn)EIA電平，MCU芯片AT89C55采用的是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，實(shí)現(xiàn)AT89C55與RS232串口總線的數(shù)據(jù)報(bào)文相互傳遞，采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而形成RS232接口。AT89C55的P14、P15、RXD、TXD管腳依次與MAX232芯片的R2OUT、T2IN、R1OUT、T1IN管腳相連，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的RS232接口電路如圖4所示。[FL]

[F（W17][TPYS33tif][F]

[F（W10][TPYS44tif][F]

[FL（22]23網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的Slave_A并口數(shù)據(jù)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主機(jī)AT89C55與從機(jī)3150的數(shù)據(jù)交換，采用虛擬令牌乒乓式傳輸，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，AT89C55發(fā)送同步值，3150讀取后向AT89C55發(fā)送應(yīng)答同步，當(dāng)AT89C55和3150同步后，兩處理器開(kāi)始交換數(shù)據(jù)報(bào)文，AT89C55置低R/～W信號(hào)線占有令牌，通過(guò)置低～CS信號(hào)線選通3150并時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)從機(jī)3150的閑忙狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)線HS為低電平，即3150處于空閑狀態(tài)，AT89C55立即將RS232串口總線發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文寫(xiě)到Slave_A模式并行接口的數(shù)據(jù)總線上，同時(shí)置高R/～W信號(hào)線交出虛擬令牌給3150，然后置高～CS信號(hào)線（同時(shí)迫使HS信號(hào)線也置高開(kāi)始讀取Slave_A模式并行接口數(shù)據(jù)總線。當(dāng)3150占有虛擬令牌后，3150輪巡檢測(cè)When（nv_update_occurs（輸入網(wǎng)絡(luò)變量 語(yǔ)句，當(dāng)輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值被更新時(shí)，通過(guò)io_out（函數(shù)將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到Slave_A模式并行接口數(shù)據(jù)總線上，同時(shí)交出虛擬令牌，然后置低HS信號(hào)線，并通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)句When（和io_in（函數(shù)讀取AT89C55發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文，由Neuron C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的調(diào)度程序?qū)?bào)文數(shù)據(jù)賦值給輸出網(wǎng)絡(luò)變量，并通過(guò)3150內(nèi)部固化的LON協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層、MAC層將類(lèi)型、源地址、目標(biāo)地址、變量名、變量?jī)?nèi)容等消息層層打包[6-7]，將打包后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給LON總線平臺(tái)上的LON協(xié)議目標(biāo)設(shè)備，LonTalk協(xié)議數(shù)據(jù)幀的格式如下：

[F（W3][BG（！][BHDG2，4。4，62，32]同步碼域ID地址碼配置表網(wǎng)絡(luò)變量消息校驗(yàn)碼[BG][F]

網(wǎng)絡(luò)變量消息的代碼第一字節(jié)的第1位是1，表明該消息是網(wǎng)絡(luò)變量；第2位表明該消息是輸入網(wǎng)絡(luò)變量還是輸出網(wǎng)絡(luò)變量（0為輸入，1為輸出，3～8位是網(wǎng)絡(luò)變量選擇器的高有效位；網(wǎng)絡(luò)變量消息的代碼第二字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)變量選擇器的低有效位；余下的字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)變量的值；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變量修改消息發(fā)送后，如果LON總線平臺(tái)的接收設(shè)備有一個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)變量的選擇器的值與發(fā)送消息中的選擇器的值相同，那么接收設(shè)備上對(duì)應(yīng)的輸入網(wǎng)絡(luò)變量修改事件發(fā)生，輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值修改為發(fā)送網(wǎng)絡(luò)變量消息的值，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與其他LON標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)備的通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中3150固化的LON協(xié)議能夠自動(dòng)完成虛擬令牌乒乓式傳輸機(jī)制，采用Neuron C語(yǔ)言將3150的IO口聲明為Slave_A并行接口：IO_0 parallel slave io_object_name；虛擬令牌的傳遞依靠事件io_out_ready（和io_out_request（完成，io_out_ready（為真時(shí)，3150交出令牌，io_out_request（為真時(shí)，3150擁有令牌。AT89C55不能自動(dòng)完成虛擬令牌傳遞，需要用C語(yǔ)言編制虛擬令牌傳遞協(xié)議，包括主機(jī)的同步、握手、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、令牌傳遞過(guò)程，傳送的數(shù)據(jù)要遵從一定的格式，傳送的數(shù)據(jù)要遵從一定的格式。3150與AT89C55的令牌傳遞完整軟件流程如圖5所示。

3結(jié)論

利用LonMaker組網(wǎng)工具把網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)添加到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)分布式監(jiān)控系統(tǒng)上，通過(guò)LNS DDE SERVER或NL-OPC Server工[CM（25]具訪問(wèn)LON平臺(tái)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)集成，修改網(wǎng)[CM]

[F（W24][TPYS55tif][F]

關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)值，土壤分析儀通過(guò)RS232端口傳送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，進(jìn)行LRC校驗(yàn)，然后解析，通過(guò)LonMaker軟件監(jiān)測(cè)返回的數(shù)據(jù)報(bào)文。結(jié)果表明，通過(guò)LonMaker監(jiān)測(cè)到的返回?cái)?shù)據(jù)正確，當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文達(dá)500～1000包/s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)碰撞率穩(wěn)定在10%，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)即使在過(guò)載的情況下，仍可以達(dá)到最大的通信量，而不至于發(fā)生因沖突過(guò)多致使網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降，系統(tǒng)性能良好。本系統(tǒng)以平衡地力、提高產(chǎn)量為目標(biāo)，實(shí)施科學(xué)農(nóng)業(yè)管理，實(shí)現(xiàn)高效利用各類(lèi)科技資源最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。

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