分布式LON總線架構平臺模式下的現代農業監控系統

楊帥　姜亞南　薛嵐

摘要：為解決我國農業管理長期依賴人工勞動力的局面，設計一種基于LON平臺的現代農業全分布式監控系統，促進了農業現代化，實現了農業管理的高效性和科學性。本系統采用LON現場總線實時監控農業現場的參數，依托以太網和GPRS通信終端，實現了農業現場與遠程數據處理中心的信息交互。重點剖析LON平臺的核心設備網關節點，該節點在Host Based架構模式下，利用Slave_A模式并行接口的虛擬令牌乒乓式傳遞機制，實現了LON現場總線與和RS232串口總線的無縫銜接。試驗證明該系統性能良好。

關鍵詞：現代農業；LON平臺；網關節點；Slave_A模式；虛擬令牌傳遞；監控系統

中圖分類號： TP2772；S126文獻標志碼： A

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

收稿日期：2014-02-18

基金項目：江蘇省淮安市農業科技支撐計劃（編號：SN12052；江蘇省淮安市創新載體平臺建設計劃（編號：HAP201313。

作者簡介：楊帥（1981—，男，遼寧錦州人，碩士，講師、工程師，研究方向為機電一體化與控制技術。Tel：（051783808243；E-mail：lnyangshuai@163com。

信息網絡技術和人工智能技術的高速發展促使一種新穎農業生產管理思想的誕生，從而產生了利用LON平臺對農作物實施現代化管理。基于LON平臺的現代農業全分布式監控系統依托LON現場總線網絡技術平臺，LON平臺致力于綠色節能和智能管理，為不同設備的集成并網提供有效可行的實施方案，該平臺內的節點分散自治，以點對點的通信方式實現分散基礎上的融合，網關節點不僅實現了平臺內節點的分段成組，而且還實現了平臺向上級信息系統的集成。平臺內節點的輸入輸出、內部參數和狀態特征值都以網絡變量的形式進行傳輸，按照節點間的邏輯關系形成現場采集回路。LON總線采用數字傳輸技術，能夠有效防止數據傳輸的錯誤發生率，同時工程施工量小，采用的通信電纜少，無需中繼就可以將數據傳輸到千米之外，這種完全分布的系統結構非常適合在農田中應用。

1現代農業分布式監控系統的設計方案

系統由現場采集、數據通信和遠程數據處理中心三部分組成，對不同地域、不同農作物及農作物不同生長周期對土壤水分、溫濕度、化學成分的進行監測（圖1。土壤分析儀采樣的土壤監測數據通過RS232串口總線將其傳送到LON現場總線網絡上。由于LON現場總線和RS232串口總線通信協議不同，需要協網關節點完成2種協議數據信息格式的轉換，實現兩信道的互通。土壤參數監測節點和環境參數監測節點定時采樣農作物環境的溫濕度和二氧化碳濃度等參數，并將參數傳送到LON現場總線上。網絡攝像頭又可以對農作物的生長狀態實時監控。利用網關節點將LON現場總線和以太網有機結合，并借助GPRS通信終端服務器克服地域限制，實現遠程監控。通過遠程處理中心將現場采集的數據與上位機中數據庫相比，得出科學的農業策略。系統的現場采集設備內部均含有Neuron智能芯片，每個設備均是一個獨立智能處理單元，兩者之間的數據交換可以直接現場進行，無需上位機處理，這種點對點的交互模式徹底構建系統的全分布模式。LON平臺實現了現代農業分布式監控系統中所有設備的網絡集成，該平臺采用的算法是優先級帶預測的P-堅持CSMA（載波監聽多路訪問，該協議能夠預測LON平臺網絡負載，輕載時給網上節點分配較少的隨機時隙以減少節點媒介訪問延時；重載時給網絡上節點分配較多的隨機時隙以減少各節點因同時發送消息帶來的沖突，從而實現隨機時隙數目以概率P值的動態調整。這種機制有效保證了現代農業分布式監控系統監測數據的精確性、穩定性和可靠性。

[F（W11][TPYS11tif][F]

2系統的核心設備——網關節點

21網關節點的原理模型設計

LON平臺是現代農業分布式監控系統的基礎，而網關節點又是LON平臺的關鍵，該設備承擔LON現場總線與以太網、LON現場總線與和RS232串口總線無縫銜接的任務，這里重點設計對LON現場總線與和RS232串口總線的無縫銜接。網關節點采用Host Base設計框架，即雙處理器（Neuron智能芯片3150和MCU芯片AT89C55之間數據交換的方法[1-2]。Neuron智能芯片3150是一種專門為設備提供智能和網絡控制能力的集成芯片，由于3150將復雜的通信過程簡化為網絡變量以及捆綁和連接，為充分發揮其優異的通信特性，將其定位從機角色，只承擔信息通信任務。AT89C55是一款片內具有20 kB Flash存儲器，該存儲空間大，適合數據存儲和處理，將其定位主機角色，承擔數據的存儲和處理。為了提高網關節點的數據處理速度，3150和AT89C55之間采用Slave_ A[JP2]模式并行接口進行連接，網關節點的原理模型如圖2所示。AT89C55通過RS232接口接收和發送RS232串口總線的數據報文；3150通過FTT-10A收發器接收和發送LON現場總線的數據報文；RS232串口總線的數據報文和LON現場總線的數據報文通過Slave_A模式的并行接口實現相互轉換。

[F（W8][TPYS22tif；S+3mm][F]

22網關節點的硬件設計

221網關節點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根雙向數據總線IO0～IO7、1根片選信號～CS、1根握手信號HS、1根讀寫控制信號R/～W構成，支持最高速率33 Mb/s，極大提高數據報文處理的實時性。Neuron智能芯片3150的IO0～IO7管腳依次與MCU芯片AT89C55的P00～P07管腳相連形成數據總線，3150的IO8管腳與AT89C55的P12管腳相連形成片選信號線，3150的IO9管腳與AT89C55的P11管腳相連形成讀寫控制線，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個處理器之間在基于虛擬令牌乒乓式傳遞機制下實現數據報文的交換，有效解決了數據總線頻繁占用、數據阻塞的瓶頸弊端[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數據報文的主動權。當片選信號線～CS為低電平時，讀寫操作由R/～W控制信號線決定；當R/～W為低電平時，AT89C55占有令牌，當R/～W 為高電平時，3150占有令牌。握手信號HS為高電平時，3150處于忙狀態；握手信號HS為低電平時，3150處于空閑狀態。當AT89C55檢測握手信號線HS為低電平時，在～CS信號的下降沿將數據寫入數據總線。

222網關節點RS232接口

網關節點的RS232串口總線采用的是標準EIA電平，MCU芯片AT89C55采用的是標準的TTL電平，實現AT89C55與RS232串口總線的數據報文相互傳遞，采用MAX232芯片進行電平轉換，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，網關節點的RS232接口電路如圖4所示。[FL]

[F（W17][TPYS33tif][F]

[F（W10][TPYS44tif][F]

[FL（22]23網關節點的Slave_A并口數據軟件設計

實現網關節點主機AT89C55與從機3150的數據交換，采用虛擬令牌乒乓式傳輸，在網關節點上電復位后，AT89C55發送同步值，3150讀取后向AT89C55發送應答同步，當AT89C55和3150同步后，兩處理器開始交換數據報文，AT89C55置低R/～W信號線占有令牌，通過置低～CS信號線選通3150并時刻監聽從機3150的閑忙狀態，當檢測到信號線HS為低電平，即3150處于空閑狀態，AT89C55立即將RS232串口總線發送過來的數據報文寫到Slave_A模式并行接口的數據總線上，同時置高R/～W信號線交出虛擬令牌給3150，然后置高～CS信號線（同時迫使HS信號線也置高開始讀取Slave_A模式并行接口數據總線。當3150占有虛擬令牌后，3150輪巡檢測When（nv_update_occurs（輸入網絡變量 語句，當輸入網絡變量的值被更新時，通過io_out（函數將數據報文發送到Slave_A模式并行接口數據總線上，同時交出虛擬令牌，然后置低HS信號線，并通過任務驅動語句When（和io_in（函數讀取AT89C55發送過來的數據報文，由Neuron C語言設計的調度程序將報文數據賦值給輸出網絡變量，并通過3150內部固化的LON協議的網絡層、MAC層將類型、源地址、目標地址、變量名、變量內容等消息層層打包[6-7]，將打包后的數據幀發送給LON總線平臺上的LON協議目標設備，LonTalk協議數據幀的格式如下：

[F（W3][BG（！][BHDG2，4。4，62，32]同步碼域ID地址碼配置表網絡變量消息校驗碼[BG][F]

網絡變量消息的代碼第一字節的第1位是1，表明該消息是網絡變量；第2位表明該消息是輸入網絡變量還是輸出網絡變量（0為輸入，1為輸出，3～8位是網絡變量選擇器的高有效位；網絡變量消息的代碼第二字節是網絡變量選擇器的低有效位；余下的字節是網絡變量的值；當網絡變量修改消息發送后，如果LON總線平臺的接收設備有一個輸入網絡變量的選擇器的值與發送消息中的選擇器的值相同，那么接收設備上對應的輸入網絡變量修改事件發生，輸入網絡變量的值修改為發送網絡變量消息的值，實現網關節點與其他LON標準協議設備的通信。網關節點中3150固化的LON協議能夠自動完成虛擬令牌乒乓式傳輸機制，采用Neuron C語言將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，3150交出令牌，io_out_request（為真時，3150擁有令牌。AT89C55不能自動完成虛擬令牌傳遞，需要用C語言編制虛擬令牌傳遞協議，包括主機的同步、握手、數據讀寫、令牌傳遞過程，傳送的數據要遵從一定的格式，傳送的數據要遵從一定的格式。3150與AT89C55的令牌傳遞完整軟件流程如圖5所示。

3結論

利用LonMaker組網工具把網關節點添加到現代農業分布式監控系統上，通過LNS DDE SERVER或NL-OPC Server工[CM（25]具訪問LON平臺數據，實現網關節點的網絡集成，修改網[CM]

[F（W24][TPYS55tif][F]

關節點的網絡變量數值，土壤分析儀通過RS232端口傳送數據，網關節點接收到數據報文后，進行LRC校驗，然后解析，通過LonMaker軟件監測返回的數據報文。結果表明，通過LonMaker監測到的返回數據正確，當要傳輸的數據報文達500～1000包/s時，網絡碰撞率穩定在10%，監控網絡即使在過載的情況下，仍可以達到最大的通信量，而不至于發生因沖突過多致使網絡吞吐量急劇下降，系統性能良好。本系統以平衡地力、提高產量為目標，實施科學農業管理，實現高效利用各類科技資源最大限度提高農業現實生產力，是實現優質、高產、低耗和環保的可持續發展農業的有效途徑。

[HS2][HT85H]參考文獻：[HT8SS]

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