薛 岚１，２，姜亚南１，２，杨 帅１，２
（１．淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 ２２３００３；２．江苏电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏 淮安 ２２３００３）
摘要：为促进我国现代化农业发展，实现农业管理的高效性和科学性，设计了一种基于ＬＯＮ平台的现代农业全分布式监控系统，系统由现场采集层、数据通信层和远程数据处理中心层3层组成。系统的现场采集层采用ＬＯＮ平台实时监控农业现场参数，数据通信层依托以太网和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，远程数据处理中心层通过科学计算得出农业策略。重点对ＬＯＮ平台的重要设备网关节点的原理模型、核心硬件和软件进行了分析，网关节点在Ｈｏｓｔ Ｂａｓｅｄ架构模式下通过Ｓｌａｖｅ＿Ａ模式并行接口实现虚拟令牌乒乓式数据通信，完成了ＬＯＮ现场总线与和ＲＳ２３２串口总线的无缝衔接。
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关键词 ：现代农业；ＬＯＮ平台；Ｈｏｓｔ Ｂａｓｅｄ架构；Ｓｌａｖｅ＿Ａ模式；虚拟令牌传递
中图分类号：ＴＰ３９３．０４ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）02－0453-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.051
当今世界农业发展的新潮流是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农业操作技术与管理的系统。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了有效可行的实施方案。ＬＯＮ总线采用数字传输技术，能够有效地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 系统设计架构及监控过程原理
系统由现场采集层、数据通信层和远程数据处理中心层3部分组成，能够对不同地域、不同农作物及农作物不同生长周期的土壤水分、温湿度、化学成分进行监测（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平台上。由于ＬＯＮ现场总线和ＲＳ２３２串口总线通信协议的不同，需要网关节点完成两种协议数据信息格式的转换，实现ＬＯＮ信道与ＲＳ２３２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集农作物环境的温湿度和二氧化碳等参数，并将参数传送到ＬＯＮ平台上。网络摄像头又可以对农作物的生长状态实时监控，该摄像头通过内置的高性能图像视频转换硬件芯片和ＭＰＥＧ－４压缩视频算法保证了被监控农作物视频图像的清晰和连贯。同时利用网关节点又将ＬＯＮ平台和以太网有机结合，并借助ＧＰＲＳ通信终端服务器克服地域的限制，实现了远程监控。通过远程的处理中心将现场采集到的数据与上位机中的数据库相比较，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，无需上位机的处理，这种点对点的交互模式彻底构建系统的全分布模式。
２ 系统监控的主要算法
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，该平台的主要算法是带预测的Ｐ－坚持ＣＳＭＡ（载波监听多路访问），基于带预测的Ｐ－坚持ＣＳＭＡ算法的ＬＯＮ平台根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质。这就有效地避免了网络的频繁碰撞，每个节点发送前随机地插入０～Ｗ个很小的随机时间片。因此网络中任意节点在发送普通报文前平均插入Ｗ／２个随机时间片，而Ｗ则根据网络积压参数（Ｂａｃｋｌｏｇ）变化进行调整，其公式为Ｗ＝ＢＬＷｂａｓｅ（其中Ｗｂａｓｅ＝１６，ＢＬ为网络积压的估计值，它是对当前的发送周期需要多少个节点发送报文的估计）。该协议能够预测ＬＯＮ平台网络负载，轻载时给网关节点分配数目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数目的随机时隙以减少各节点因同时发送消息带来的冲突，从而实现了随机时隙数目以概率Ｐ值的动态调整。为提高紧急事件的响应时间，该算法提供一个可选择优先级的机制，该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片。在发送过程中，优先级数据报文将在那个时间片里将报文发送出去。这种机制有效地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。
３ 系统网关节点的设计
３．１ 网关节点的模型设计原理
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ＲＳ２３２串口总线的无缝衔接。网关节点采用Ｈｏｓｔ Ｂａｓｅd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捆绑和连接，为充分发挥其优异的通信特性，将其定位为从机角色，只承担信息通信任务。ＡＴ８９Ｃ５５具有２０ Ｋ Ｆｌａｓｈ存储器，存储空间大，适合数据存储和处理，将其定位为主机角色，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。
３．２ 网关节点的Slave-A模式并口硬件设计
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３．３ Ｍ［３］，极大地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ＡＴ８９Ｃ５５两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、数据阻塞问题［４］。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。
３．３ 网关节点的Ｓｌａｖｅ＿Ａ模式并口软件设计
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，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信号线选用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，当输入的网络变量值被更新时，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［５，６］，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。
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；当网络变量更新后，将更新后的网络变量消息传递到网络层，网络层将地址信息附加到消息中后传递到ＭＡＣ层，ＭＡＣ层再附加上更多的信息到网络变量消息中，并将消息传递到ＬＯＮ网络上［５，６］。利用ＬｏｎＭａｋｅｒ软件对监测系统进行逻辑组网，当ＬＯＮ平台任意节点两个进行网络变量连接时，ＬｏｎＭａｋｅｒ软件会检查数据类型是否匹配，若匹配就会给该连接分配一个网络变量选择号，已绑定的网络变量选择号为０～０ｘ２ＦＦＦ，为绑定的网络变量选择号为０ｘ３０００～０ｘ３ＦＦＦ。ＬＯＮ平台节点中３１５０对每个已经声明过的网络变量设定一个配置表，配置表中包含一个地址索引表，它为每一个连接指定相关参数。网络变量配置表存储了网络变量选择号和有关连接的重要信息，网络变量确保节点之间数据的正确传送。ＬＯＮ平台的接收节点有一个输入网络变量的选择器的值与发送网络变量中的选择器的值相同，那么接收节点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、令牌传递等过程，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４所示。
４ 小结与讨论
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工具访问ＬＯＮ平台数据，实现网关节点的网络集成，修改网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，当每秒要传输的数据报文达５００～１ ０００包时，网络碰撞率稳定在１０％，网关节点性能良好。
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参考文献：
［１］ 杨 帅．基于虚拟令牌传输协议的ＬｏｎＷｏｒｋｓ监控系统设计［Ｊ］．低压电器，２０１０（１４）：４５－４８．
［２］ 冯艳娜．基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线的网关工具的设计［Ｊ］．工矿自动化，２００８（５）：１３９－１４１．
［３］ 杨 帅．基于Ｓｌａｖｅ＿Ｂ并行传输模式的双绞线ＬＯＮ节点［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１１（５）：４８－５０．
［４］ 田 敏．一种采用Ｓｌａｖｅ＿Ｂ传输模式的ＬｏｎＷｏｒｋｓ电力线节点［Ｊ］．自动化仪表，２０１１，３１（１２）：１３－１５．
［５］ 成建生．基于电力线通信模式的ＬＯＮ控制器的设计［Ｊ］．电测与仪表，２０１１，４８（４）：８６－８９．
［６］ 杨 帅．采用ＬｏｎＷｏｒｋｓ电力载波技术的控制器［Ｊ］．低压电器，２０１１（１３）：４１－４４．
（责任编辑 屠 晶）