基于LON平臺(tái)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全分布式監(jiān)控系統(tǒng)

薛嵐 姜亞南 楊帥

摘要：為促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的高效性和科學(xué)性，設(shè)計(jì)了一種基于LON平臺(tái)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全分布式監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集層、數(shù)據(jù)通信層和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心層3層組成。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集層采用LON平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，數(shù)據(jù)通信層依托以太網(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，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心層通過(guò)科學(xué)計(jì)算得出農(nóng)業(yè)策略。重點(diǎn)對(duì)LON平臺(tái)的重要設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的原理模型、核心硬件和軟件進(jìn)行了分析，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在Host Based架構(gòu)模式下通過(guò)Slave_A模式并行接口實(shí)現(xiàn)虛擬令牌乒乓式數(shù)據(jù)通信，完成了LON現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與和RS232串口總線(xiàn)的無(wú)縫銜接。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代農(nóng)業(yè);LON平臺(tái);Host Based架構(gòu);Slave_A模式;虛擬令牌傳遞

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.04 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）02-0453-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.051

Monitoring System of Modern Agricultural Distribution Based on LON Platform

XUE Lan1，2，JIANG Ya-nan1，2，YANG Shuai1，2

（1.Huaian College of Information and Technology，Huaian ?223003， Jiangsu， China;2.Jiangsu Engineering Technical R&D Center for Equipment Manufacturing of Electronic Products，Huaian ?223003， Jiangsu， China）

Abstract： In order to promote the development of modern agriculture in China and achieve efficient and scientific agricultural management， a monitoring system of modern agricultural distribution based on LON platform was designed. The system was consisted of field acquisition layer， data communication layer and remote data processing center layer. The field acquisition layer of system can achieve real-time monitoring of agricultural field parameters using LON field bus. The data communication layer of system can realize information interaction between the agricultural field and remote data processing center relying on the Ethernet and GPRS communication terminal. The remote data processing center layer of system can produce agriculture strategy through scientific calculation. The core equipment of gateway node on the LON platform has been dissected mainly with principle model， key hardware and key software. The Host Based architecture of gateway node can realize seamless connection between LON bus and RS232 serial bus using Slave_A model of parallel interface with ping-pong passing mechanism of virtual token.

Key words： modern agriculture;LON platform;Host Based architecture;slave_A mode;virtual token passing

當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。基于LON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(xiàn)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)提供了有效可行的實(shí)施方案。LON總線(xiàn)采用數(shù)字傳輸技術(shù)，能夠有效地防止數(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猓@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 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)及監(jiān)控過(guò)程原理

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集層、數(shù)據(jù)通信層和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心層3部分組成，能夠?qū)Σ煌赜颉⒉煌r(nóng)作物及農(nóng)作物不同生長(zhǎng)周期的土壤水分、溫濕度、化學(xué)成分進(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(xiàn)將其傳送到LON平臺(tái)上。由于LON現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和RS232串口總線(xiàn)通信協(xié)議的不同，需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成兩種協(xié)議數(shù)據(jù)信息格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)LON信道與RS232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)采集農(nóng)作物環(huán)境的溫濕度和二氧化碳等參數(shù)，并將參數(shù)傳送到LON平臺(tái)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，該攝像頭通過(guò)內(nèi)置的高性能圖像視頻轉(zhuǎn)換硬件芯片和MPEG-4壓縮視頻算法保證了被監(jiān)控農(nóng)作物視頻圖像的清晰和連貫。同時(shí)利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又將LON平臺(tái)和以太網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，并借助GPRS通信終端服務(wù)器克服地域的限制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)遠(yuǎn)程的處理中心將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)與上位機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)相比較，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)的處理，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。

2 ?系統(tǒng)監(jiān)控的主要算法

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)的主要算法是帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)），基于帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA算法的LON平臺(tái)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機(jī)時(shí)間片來(lái)訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)。這就有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻繁碰撞，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送前隨機(jī)地插入0～W個(gè)很小的隨機(jī)時(shí)間片。因此網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)在發(fā)送普通報(bào)文前平均插入W/2個(gè)隨機(jī)時(shí)間片，而W則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)（Backlog）變化進(jìn)行調(diào)整，其公式為W=BLWbase（其中Wbase=16，BL為網(wǎng)絡(luò)積壓的估計(jì)值，它是對(duì)當(dāng)前的發(fā)送周期需要多少個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文的估計(jì)）。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)關(guān)節(jié)點(diǎn)分配數(shù)目較少的隨機(jī)時(shí)隙以減少節(jié)點(diǎn)媒介訪(fǎng)問(wèn)延時(shí);重載時(shí)給網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)分配較多數(shù)目的隨機(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)了隨機(jī)時(shí)隙數(shù)目以概率P值的動(dòng)態(tài)調(diào)整。為提高緊急事件的響應(yīng)時(shí)間，該算法提供一個(gè)可選擇優(yōu)先級(jí)的機(jī)制，該機(jī)制允許用戶(hù)為每個(gè)需要優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特定的優(yōu)先級(jí)時(shí)間片。在發(fā)送過(guò)程中，優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)報(bào)文將在那個(gè)時(shí)間片里將報(bào)文發(fā)送出去。這種機(jī)制有效地保證了現(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。

3 ?系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

3.1 ?網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的模型設(shè)計(jì)原理

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(xiàn)與以太網(wǎng)、LON現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與RS232串口總線(xiàn)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(xiàn)與RS232串口總線(xiàn)的無(wú)縫銜接。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用Host Based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)變量捆綁和連接，為充分發(fā)揮其優(yōu)異的通信特性，將其定位為從機(jī)角色，只承擔(dān)信息通信任務(wù)。AT89C55具有20 K Flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)空間大，適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，將其定位為主機(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(xiàn)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(xiàn)的數(shù)據(jù)報(bào)文;RS232串口總線(xiàn)的數(shù)據(jù)報(bào)文和LON現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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。

3.2 ?網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的Slave-A模式并口硬件設(shè)計(jì)

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(xiàn)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3.3 M[3]，極大地提高數(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(xiàn)，3150的IO8管腳與AT89C55的P12管腳相連形成片選信號(hào)線(xiàn)，3150的IO9管腳與AT89C55的P11管腳相連形成讀寫(xiě)控制線(xiàn)，3150的IO10管腳與AT89C55的P10管腳相連形成握手控制線(xiàn)。3150與AT89C55兩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(xiàn)頻繁占用、數(shù)據(jù)阻塞問(wèn)題[4]。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(xiàn)～CS為低電平時(shí)，讀寫(xiě)操作由R/～W控制信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。

3.3 ?網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的Slave_A模式并口軟件設(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，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(xiàn)占有令牌，通過(guò)置低～CS信號(hào)線(xiàn)選用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(xiàn)HS為低電平，即3150處于空閑狀態(tài)，AT89C55立即將RS232串口總線(xiàn)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(xiàn)上，同時(shí)置高R/～W信號(hào)線(xiàn)交出虛擬令牌給3150，然后置高～CS信號(hào)線(xiàn)（同時(shí)迫使HS信號(hào)線(xiàn)也置高）開(kāi)始讀取Slave_A模式并行接口數(shù)據(jù)總線(xiàn)。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)輸入的網(wǎng)絡(luò)變量值被更新時(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(xiàn)上，同時(shí)交出虛擬令牌，然后置低HS信號(hào)線(xiàn)，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[5，6]，將打包后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給LON總線(xiàn)平臺(tái)上的LON協(xié)議目標(biāo)設(shè)備。

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)變量更新后，將更新后的網(wǎng)絡(luò)變量消息傳遞到網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將地址信息附加到消息中后傳遞到MAC層，MAC層再附加上更多的信息到網(wǎng)絡(luò)變量消息中，并將消息傳遞到LON網(wǎng)絡(luò)上[5，6]。利用LonMaker軟件對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯組網(wǎng)，當(dāng)LON平臺(tái)任意節(jié)點(diǎn)兩個(gè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量連接時(shí)，LonMaker軟件會(huì)檢查數(shù)據(jù)類(lèi)型是否匹配，若匹配就會(huì)給該連接分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量選擇號(hào)，已綁定的網(wǎng)絡(luò)變量選擇號(hào)為0～0x2FFF，為綁定的網(wǎng)絡(luò)變量選擇號(hào)為0x3000～0x3FFF。LON平臺(tái)節(jié)點(diǎn)中3150對(duì)每個(gè)已經(jīng)聲明過(guò)的網(wǎng)絡(luò)變量設(shè)定一個(gè)配置表，配置表中包含一個(gè)地址索引表，它為每一個(gè)連接指定相關(guān)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)變量配置表存儲(chǔ)了網(wǎng)絡(luò)變量選擇號(hào)和有關(guān)連接的重要信息，網(wǎng)絡(luò)變量確保節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的正確傳送。LON平臺(tái)的接收節(jié)點(diǎn)有一個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)變量的選擇器的值與發(fā)送網(wǎng)絡(luò)變量中的選擇器的值相同，那么接收節(jié)點(diǎn)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)、令牌傳遞等過(guò)程，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4所示。

4 ?小結(jié)與討論

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工具訪(fǎng)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)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)每秒要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文達(dá)500～1 000包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)碰撞率穩(wěn)定在10%，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)性能良好。

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