基于LON平臺的現代農業全分布式監控系統

薛嵐 姜亞南 楊帥

摘要：為促進我國現代化農業發展，實現農業管理的高效性和科學性，設計了一種基于LON平臺的現代農業全分布式監控系統，系統由現場采集層、數據通信層和遠程數據處理中心層3層組成。系統的現場采集層采用LON平臺實時監控農業現場參數，數據通信層依托以太網和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，遠程數據處理中心層通過科學計算得出農業策略。重點對LON平臺的重要設備網關節點的原理模型、核心硬件和軟件進行了分析，網關節點在Host Based架構模式下通過Slave_A模式并行接口實現虛擬令牌乒乓式數據通信，完成了LON現場總線與和RS232串口總線的無縫銜接。

關鍵詞：現代農業;LON平臺;Host Based架構;Slave_A模式;虛擬令牌傳遞

中圖分類號：TP393.04 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：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

當今世界農業發展的新潮流是由信息技術支持的根據空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現代化農業操作技術與管理的系統。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了有效可行的實施方案。LON總線采用數字傳輸技術，能夠有效地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 ?系統設計架構及監控過程原理

系統由現場采集層、數據通信層和遠程數據處理中心層3部分組成，能夠對不同地域、不同農作物及農作物不同生長周期的土壤水分、溫濕度、化學成分進行監測（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平臺上。由于LON現場總線和RS232串口總線通信協議的不同，需要網關節點完成兩種協議數據信息格式的轉換，實現LON信道與RS232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集農作物環境的溫濕度和二氧化碳等參數，并將參數傳送到LON平臺上。網絡攝像頭又可以對農作物的生長狀態實時監控，該攝像頭通過內置的高性能圖像視頻轉換硬件芯片和MPEG-4壓縮視頻算法保證了被監控農作物視頻圖像的清晰和連貫。同時利用網關節點又將LON平臺和以太網有機結合，并借助GPRS通信終端服務器克服地域的限制，實現了遠程監控。通過遠程的處理中心將現場采集到的數據與上位機中的數據庫相比較，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，無需上位機的處理，這種點對點的交互模式徹底構建系統的全分布模式。

2 ?系統監控的主要算法

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，該平臺的主要算法是帶預測的P-堅持CSMA（載波監聽多路訪問），基于帶預測的P-堅持CSMA算法的LON平臺根據網絡積壓參數等待隨機時間片來訪問介質。這就有效地避免了網絡的頻繁碰撞，每個節點發送前隨機地插入0～W個很小的隨機時間片。因此網絡中任意節點在發送普通報文前平均插入W/2個隨機時間片，而W則根據網絡積壓參數（Backlog）變化進行調整，其公式為W=BLWbase（其中Wbase=16，BL為網絡積壓的估計值，它是對當前的發送周期需要多少個節點發送報文的估計）。該協議能夠預測LON平臺網絡負載，輕載時給網關節點分配數目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數目的隨機時隙以減少各節點因同時發送消息帶來的沖突，從而實現了隨機時隙數目以概率P值的動態調整。為提高緊急事件的響應時間，該算法提供一個可選擇優先級的機制，該機制允許用戶為每個需要優先級的節點分配一個特定的優先級時間片。在發送過程中，優先級數據報文將在那個時間片里將報文發送出去。這種機制有效地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。

3 ?系統網關節點的設計

3.1 ?網關節點的模型設計原理

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RS232串口總線的無縫銜接。網關節點采用Host Based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捆綁和連接，為充分發揮其優異的通信特性，將其定位為從機角色，只承擔信息通信任務。AT89C55具有20 K Flash存儲器，存儲空間大，適合數據存儲和處理，將其定位為主機角色，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。

3.2 ?網關節點的Slave-A模式并口硬件設計

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3.3 M[3]，極大地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AT89C55兩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、數據阻塞問題[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。

3.3 ?網關節點的Slave_A模式并口軟件設計

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，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信號線選用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，當輸入的網絡變量值被更新時，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[5，6]，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。

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;當網絡變量更新后，將更新后的網絡變量消息傳遞到網絡層，網絡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絡變量消息中，并將消息傳遞到LON網絡上[5，6]。利用LonMaker軟件對監測系統進行邏輯組網，當LON平臺任意節點兩個進行網絡變量連接時，LonMaker軟件會檢查數據類型是否匹配，若匹配就會給該連接分配一個網絡變量選擇號，已綁定的網絡變量選擇號為0～0x2FFF，為綁定的網絡變量選擇號為0x3000～0x3FFF。LON平臺節點中3150對每個已經聲明過的網絡變量設定一個配置表，配置表中包含一個地址索引表，它為每一個連接指定相關參數。網絡變量配置表存儲了網絡變量選擇號和有關連接的重要信息，網絡變量確保節點之間數據的正確傳送。LON平臺的接收節點有一個輸入網絡變量的選擇器的值與發送網絡變量中的選擇器的值相同，那么接收節點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、令牌傳遞等過程，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4所示。

4 ?小結與討論

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工具訪問LON平臺數據，實現網關節點的網絡集成，修改網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，當每秒要傳輸的數據報文達500～1 000包時，網絡碰撞率穩定在10%，網關節點性能良好。

參考文獻：

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[3] 楊 ?帥.基于Slave_B并行傳輸模式的雙絞線LON節點[J].儀表技術與傳感器，2011（5）：48-50.

[4] 田 ?敏.一種采用Slave_B傳輸模式的LonWorks電力線節點[J].自動化儀表，2011，31（12）：13-15.

[5] 成建生.基于電力線通信模式的LON控制器的設計[J].電測與儀表，2011，48（4）：86-89.

[6] 楊 ?帥.采用LonWorks電力載波技術的控制器[J].低壓電器，2011（13）：41-44.