分布式LON总线架构平台模式下的现代农业监控系统

杨帅　姜亚南　薛岚

摘要：为解决我国农业管理长期依赖人工劳动力的局面，设计一种基于LON平台的现代农业全分布式监控系统，促进了农业现代化，实现了农业管理的高效性和科学性。本系统采用LON现场总线实时监控农业现场的参数，依托以太网和GPRS通信终端，实现了农业现场与远程数据处理中心的信息交互。重点剖析LON平台的核心设备网关节点，该节点在Host Based架构模式下，利用Slave_A模式并行接口的虚拟令牌乒乓式传递机制，实现了LON现场总线与和RS232串口总线的无缝衔接。试验证明该系统性能良好。

关键词：现代农业；LON平台；网关节点；Slave_A模式；虚拟令牌传递；监控系统

中图分类号： TP2772；S126文献标志码： A

文章编号：1002-1302（201412-0426-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-02-18

基金项目：江苏省淮安市农业科技支撑计划（编号：SN12052；江苏省淮安市创新载体平台建设计划（编号：HAP201313。

作者简介：杨帅（1981—，男，辽宁锦州人，硕士，讲师、工程师，研究方向为机电一体化与控制技术。Tel：（051783808243；E-mail：lnyangshuai@163com。

信息网络技术和人工智能技术的高速发展促使一种新颖农业生产管理思想的诞生，从而产生了利用LON平台对农作物实施现代化管理。基于LON平台的现代农业全分布式监控系统依托LON现场总线网络技术平台，LON平台致力于绿色节能和智能管理，为不同设备的集成并网提供有效可行的实施方案，该平台内的节点分散自治，以点对点的通信方式实现分散基础上的融合，网关节点不仅实现了平台内节点的分段成组，而且还实现了平台向上级信息系统的集成。平台内节点的输入输出、内部参数和状态特征值都以网络变量的形式进行传输，按照节点间的逻辑关系形成现场采集回路。LON总线采用数字传输技术，能够有效防止数据传输的错误发生率，同时工程施工量小，采用的通信电缆少，无需中继就可以将数据传输到千米之外，这种完全分布的系统结构非常适合在农田中应用。

1现代农业分布式监控系统的设计方案

系统由现场采集、数据通信和远程数据处理中心三部分组成，对不同地域、不同农作物及农作物不同生长周期对土壤水分、温湿度、化学成分的进行监测（图1。土壤分析仪采样的土壤监测数据通过RS232串口总线将其传送到LON现场总线网络上。由于LON现场总线和RS232串口总线通信协议不同，需要协网关节点完成2种协议数据信息格式的转换，实现两信道的互通。土壤参数监测节点和环境参数监测节点定时采样农作物环境的温湿度和二氧化碳浓度等参数，并将参数传送到LON现场总线上。网络摄像头又可以对农作物的生长状态实时监控。利用网关节点将LON现场总线和以太网有机结合，并借助GPRS通信终端服务器克服地域限制，实现远程监控。通过远程处理中心将现场采集的数据与上位机中数据库相比，得出科学的农业策略。系统的现场采集设备内部均含有Neuron智能芯片，每个设备均是一个独立智能处理单元，两者之间的数据交换可以直接现场进行，无需上位机处理，这种点对点的交互模式彻底构建系统的全分布模式。LON平台实现了现代农业分布式监控系统中所有设备的网络集成，该平台采用的算法是优先级带预测的P-坚持CSMA（载波监听多路访问，该协议能够预测LON平台网络负载，轻载时给网上节点分配较少的随机时隙以减少节点媒介访问延时；重载时给网络上节点分配较多的随机时隙以减少各节点因同时发送消息带来的冲突，从而实现随机时隙数目以概率P值的动态调整。这种机制有效保证了现代农业分布式监控系统监测数据的精确性、稳定性和可靠性。

[F（W11][TPYS11tif][F]

2系统的核心设备——网关节点

21网关节点的原理模型设计

LON平台是现代农业分布式监控系统的基础，而网关节点又是LON平台的关键，该设备承担LON现场总线与以太网、LON现场总线与和RS232串口总线无缝衔接的任务，这里重点设计对LON现场总线与和RS232串口总线的无缝衔接。网关节点采用Host Base设计框架，即双处理器（Neuron智能芯片3150和MCU芯片AT89C55之间数据交换的方法[1-2]。Neuron智能芯片3150是一种专门为设备提供智能和网络控制能力的集成芯片，由于3150将复杂的通信过程简化为网络变量以及捆绑和连接，为充分发挥其优异的通信特性，将其定位从机角色，只承担信息通信任务。AT89C55是一款片内具有20 kB Flash存储器，该存储空间大，适合数据存储和处理，将其定位主机角色，承担数据的存储和处理。为了提高网关节点的数据处理速度，3150和AT89C55之间采用Slave_ A[JP2]模式并行接口进行连接，网关节点的原理模型如图2所示。AT89C55通过RS232接口接收和发送RS232串口总线的数据报文；3150通过FTT-10A收发器接收和发送LON现场总线的数据报文；RS232串口总线的数据报文和LON现场总线的数据报文通过Slave_A模式的并行接口实现相互转换。

[F（W8][TPYS22tif；S+3mm][F]

22网关节点的硬件设计

221网关节点Slave_A模式并行接口

Neuron智能芯片3150与MCU芯片AT89C55之间的Slave_A模式并行接口原理电路如图3所示，Slave_A模式并行接口由8根双向数据总线IO0～IO7、1根片选信号～CS、1根握手信号HS、1根读写控制信号R/～W构成，支持最高速率33 Mb/s，极大提高数据报文处理的实时性。Neuron智能芯片3150的IO0～IO7管脚依次与MCU芯片AT89C55的P00～P07管脚相连形成数据总线，3150的IO8管脚与AT89C55的P12管脚相连形成片选信号线，3150的IO9管脚与AT89C55的P11管脚相连形成读写控制线，3150的IO10管脚与AT89C55的P10管脚相连形成握手控制线。3150与AT89C55等2个处理器之间在基于虚拟令牌乒乓式传递机制下实现数据报文的交换，有效解决了数据总线频繁占用、数据阻塞的瓶颈弊端[4-5]。3150与AT89C55之间互相传递虚拟令牌，拥有令牌的处理器具有写数据报文的主动权。当片选信号线～CS为低电平时，读写操作由R/～W控制信号线决定；当R/～W为低电平时，AT89C55占有令牌，当R/～W 为高电平时，3150占有令牌。握手信号HS为高电平时，3150处于忙状态；握手信号HS为低电平时，3150处于空闲状态。当AT89C55检测握手信号线HS为低电平时，在～CS信号的下降沿将数据写入数据总线。

222网关节点RS232接口

网关节点的RS232串口总线采用的是标准EIA电平，MCU芯片AT89C55采用的是标准的TTL电平，实现AT89C55与RS232串口总线的数据报文相互传递，采用MAX232芯片进行电平转换，从而形成RS232接口。AT89C55的P14、P15、RXD、TXD管脚依次与MAX232芯片的R2OUT、T2IN、R1OUT、T1IN管脚相连，网关节点的RS232接口电路如图4所示。[FL]

[F（W17][TPYS33tif][F]

[F（W10][TPYS44tif][F]

[FL（22]23网关节点的Slave_A并口数据软件设计

实现网关节点主机AT89C55与从机3150的数据交换，采用虚拟令牌乒乓式传输，在网关节点上电复位后，AT89C55发送同步值，3150读取后向AT89C55发送应答同步，当AT89C55和3150同步后，两处理器开始交换数据报文，AT89C55置低R/～W信号线占有令牌，通过置低～CS信号线选通3150并时刻监听从机3150的闲忙状态，当检测到信号线HS为低电平，即3150处于空闲状态，AT89C55立即将RS232串口总线发送过来的数据报文写到Slave_A模式并行接口的数据总线上，同时置高R/～W信号线交出虚拟令牌给3150，然后置高～CS信号线（同时迫使HS信号线也置高开始读取Slave_A模式并行接口数据总线。当3150占有虚拟令牌后，3150轮巡检测When（nv_update_occurs（输入网络变量 语句，当输入网络变量的值被更新时，通过io_out（函数将数据报文发送到Slave_A模式并行接口数据总线上，同时交出虚拟令牌，然后置低HS信号线，并通过任务驱动语句When（和io_in（函数读取AT89C55发送过来的数据报文，由Neuron C语言设计的调度程序将报文数据赋值给输出网络变量，并通过3150内部固化的LON协议的网络层、MAC层将类型、源地址、目标地址、变量名、变量内容等消息层层打包[6-7]，将打包后的数据帧发送给LON总线平台上的LON协议目标设备，LonTalk协议数据帧的格式如下：

[F（W3][BG（！][BHDG2，4。4，62，32]同步码域ID地址码配置表网络变量消息校验码[BG][F]

网络变量消息的代码第一字节的第1位是1，表明该消息是网络变量；第2位表明该消息是输入网络变量还是输出网络变量（0为输入，1为输出，3～8位是网络变量选择器的高有效位；网络变量消息的代码第二字节是网络变量选择器的低有效位；余下的字节是网络变量的值；当网络变量修改消息发送后，如果LON总线平台的接收设备有一个输入网络变量的选择器的值与发送消息中的选择器的值相同，那么接收设备上对应的输入网络变量修改事件发生，输入网络变量的值修改为发送网络变量消息的值，实现网关节点与其他LON标准协议设备的通信。网关节点中3150固化的LON协议能够自动完成虚拟令牌乒乓式传输机制，采用Neuron C语言将3150的IO口声明为Slave_A并行接口：IO_0 parallel slave io_object_name；虚拟令牌的传递依靠事件io_out_ready（和io_out_request（完成，io_out_ready（为真时，3150交出令牌，io_out_request（为真时，3150拥有令牌。AT89C55不能自动完成虚拟令牌传递，需要用C语言编制虚拟令牌传递协议，包括主机的同步、握手、数据读写、令牌传递过程，传送的数据要遵从一定的格式，传送的数据要遵从一定的格式。3150与AT89C55的令牌传递完整软件流程如图5所示。

3结论

利用LonMaker组网工具把网关节点添加到现代农业分布式监控系统上，通过LNS DDE SERVER或NL-OPC Server工[CM（25]具访问LON平台数据，实现网关节点的网络集成，修改网[CM]

[F（W24][TPYS55tif][F]

关节点的网络变量数值，土壤分析仪通过RS232端口传送数据，网关节点接收到数据报文后，进行LRC校验，然后解析，通过LonMaker软件监测返回的数据报文。结果表明，通过LonMaker监测到的返回数据正确，当要传输的数据报文达500～1000包/s时，网络碰撞率稳定在10%，监控网络即使在过载的情况下，仍可以达到最大的通信量，而不至于发生因冲突过多致使网络吞吐量急剧下降，系统性能良好。本系统以平衡地力、提高产量为目标，实施科学农业管理，实现高效利用各类科技资源最大限度提高农业现实生产力，是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

[HS2][HT85H]参考文献：[HT8SS]

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