向緒友，周 超，賀 藝，李 亮，楊雨辰

（湖南省農業(yè)信息與工程研究所，湖南 長沙 410125）

智能化育苗盤架是一種環(huán)境完全可控工廠化育苗生產設備，架體為金屬構件，設置2個盤組，每個盤組設置5～7層盤托，育苗盤穴置于盤托中，支持包括潮汐式育苗在內的多種工廠化育苗模式[1-2]；具有統(tǒng)一的構件接口、網(wǎng)絡接口、電源接口和灌溉接口，可用模塊化組裝方法聯(lián)結成復合盤架；內置通信網(wǎng)絡（TCN,tray communication network）連接內部變送器和執(zhí)行器等ECU（Electronic Control Unit）設備，用于實現(xiàn)對盤架內水肥、光照等環(huán)境因子進行高可靠自主容錯控制，進一步降低育苗管理、投入品使用和能耗等成本[3-5]。筆者設計了一種育苗盤架通信網(wǎng)絡（TCN）的網(wǎng)絡結構和通信協(xié)議，較好地滿足了智能化育苗的實際應用需求。

1 網(wǎng)絡結構設計

TCN總體結構如圖1所示。上層為工業(yè)以太網(wǎng)（NE），是育苗盤架的標準網(wǎng)絡接口，用于連接外部網(wǎng)絡、育苗盤架內置寬帶網(wǎng)絡設備（如攝像頭）以及級聯(lián)育苗盤架。下層為CAN總線（NC），用于連接育苗盤架內變送器和執(zhí)行器等節(jié)點設備。NE與NC之間通過協(xié)議轉換模塊連接，使NC節(jié)點能通過NE與外部網(wǎng)絡通信。

圖1 TCN結構示意圖

實際應用中，通常將多個育苗盤架級聯(lián)后再集成上位系統(tǒng)組成可管理的基本生產單元（PU）。PU包含一個上位系統(tǒng)和n（n≤15）個育苗盤架，其網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 PU網(wǎng)絡拓撲結構示意圖

2 NC節(jié)點設備設計

NC網(wǎng)絡節(jié)點是一種CAN總線設備，除了具有基本CAN總線設備屬性外，還包含基于統(tǒng)一編碼的節(jié)點標識符、尋址寄存器（CTR）、位置寄存器（CLR）和節(jié)點共享變量（NSV）等特征，這些特征用于滿足育苗盤架智能化的特殊需求。

2.1 標識符定義

NC節(jié)點標識符（NID）用于節(jié)點尋址，由第一標識符、第二標識符和第三標識符組成。第一標識符是統(tǒng)一分配給入網(wǎng)節(jié)點設備的分類編碼（NDT），第二標識符是部署時分配給同類在網(wǎng)節(jié)點設備的編號（NDN），第三標識符是在網(wǎng)節(jié)點設備作用的盤組號（NDG）。這種形式的NID用于在多主通信模式下支持點到點、點到多點和廣播3種通信方式，原則上不允許NC中存在NDT、NDN和NDG均相同的節(jié)點。

利用NDT將一種物理設備劃分成多種不同類型的節(jié)點設備/邏輯設備，將節(jié)點應用和節(jié)點間通信建立在邏輯設備之上，有利于降低設備研發(fā)和使用成本。例如，該設計中的溢水流量變送器和進水流量變送器本質上是NDT不同的流量變送器。

具體實現(xiàn)時，NDT是圖3所示意的5位位組，保留位組00000B和11111B后，可編碼30個類型的邏輯設備。00000B保留給廣播通信方式，11111B保留給協(xié)議網(wǎng)關。

圖3 NDT編碼示意圖

NDN是圖4所示的3位位組，保留位組000B后，可編碼6個邏輯設備。000B保留給點對多點通信方式。

圖4 NDN編碼示意圖

例如，NID中包含11101001B的節(jié)點是NC中的1號溢水控制執(zhí)行器，NID中包含11101010B的節(jié)點是NC中的2號溢水控制執(zhí)行器。當溢水流變變送器（NDT為00010B）感知到存在溢水流量時，用點對多點消息通信方式修改NDT為11101B的節(jié)點的溢水監(jiān)控共享變量值，從而1號溢水控制執(zhí)行器和2號溢水控制執(zhí)行器觸發(fā)關閉進水閥的處理過程。

2.2 CTR和CLR寄存器

CTR和CLR寄存器用于存儲節(jié)點標識符和在PU中的位置信息。位置信息是一個三元組（LX, LY,LZ），作用范圍僅限于節(jié)點所屬的PU，用于方便設備維護。

CTR是8位寄存器，分成2個位組，格式如圖5所示，第7位到第3位存儲節(jié)點的NDT，第2位到第0位存儲節(jié)點NDN。

圖5 CTR位組格式

CLR是8位寄存器，分成3個位組，格式如圖6所示，第7位至第4位為盤架號（育苗盤架在PU中的編號），第3位為盤組號，第2位至第0位是盤層號。LX、LY和LZ約束了一個PU最多包含15個育苗盤架（保留0000B），一個育苗架最多存在2個盤組，一個盤組最多存在7個盤層。LY也是節(jié)點的第三標識符。

圖6 CLR位組格式

CTR和CLR在節(jié)點啟動時被初始化，初始化值取自于持久化裝置（如非易失性存儲器、DIP開關等）。

2.3 共享變量

節(jié)點共享變量（NSV）用于存儲節(jié)點的配置、狀態(tài)和過程數(shù)據(jù)，節(jié)點間通過消息讀寫彼此的NSV。NSV是一個如圖7所示TAV結構的實例，由Tage、Attri和Value這3個域組成，Tage域是統(tǒng)一分配的NSV的唯一標識符，Attri域是NSV的操作屬性，Value域是NSV的值。通信時，NSV的值轉換成兩字節(jié)格式（TBF，two byte format）后封裝在PDU中。

圖7 TAV結構

如圖8所示，Attri域各位組的語義為：

圖8 Attri域位組格式

A1，訪問權限，00B表示可讀寫，01B表示只讀，10B和11B保留；

A2，掃描優(yōu)先級，用于指定節(jié)點應用掃描和處理NSV的時間周期；

A3，Value域長度（字節(jié)數(shù)）。

節(jié)點初始化后，節(jié)點應用周期性地掃描NSV表，并根據(jù)NSV值的變化情況觸發(fā)相應的處理過程。掃描周期定義為相隔多少個時鐘脈沖掃描一次NSV表，一個NSV可關聯(lián)多個掃描周期，每個掃描周期的大小可動態(tài)設置。掃描優(yōu)先級基于掃描周期定義，缺省定義3個優(yōu)先級SP1、SP2和SP3，對應掃描周期的時鐘脈沖數(shù)分別為s1、s2和s3，s3＜s2＜s1，約定A2.0為1B時按周期s3觸發(fā)NSV為SP3定義的處理過程，A2.1為1B時按周期s2觸發(fā)NSV為SP2定義的處理過程，A2.2為1B時按周期s1觸發(fā)NSV為SP1定義的處理過程。通常，SP3用于觸發(fā)高實效性處理過程（如關閉進水閥），SP1用于觸發(fā)低時效性處理過程（如感知數(shù)據(jù)上傳）。

3 通信協(xié)議設計

該設計僅討論NC的應用層通信協(xié)議。

NC是基于CAN總線的網(wǎng)絡，CAN 協(xié)議只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，需要針對育苗盤架通信網(wǎng)絡特定應用需求（可靠、自主、容錯等）自定義應用層協(xié)議——NCAP?；贜CAP的NC基本通信模型如圖9所示，PDU是協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

圖9 基于NCAP的NC基本通信模型

NCAP設計成無連接和無會話管理的通信協(xié)議，只支持R2（request，response）通信模式，僅包含請求信息（R1M）和應答信息（R2M）2種消息對象，相對DeviceNet、CANopen等基于CAN總線的應用層協(xié)議[6-7]而言是一種簡單協(xié)議。

3.1 消息事務

NCAP將一個完整的通信過程定義成消息事務（MT，簡稱為事務），事務關聯(lián)參與通信的左節(jié)點和右節(jié)點，包含一個R1M、一個或多個R2M、起始時間（MTT）和生命期（MTP）4個基本屬性，MTT是左節(jié)點創(chuàng)建事務時的節(jié)點事務時間（節(jié)點系統(tǒng)時間的一種表達形式），MTP是事務從創(chuàng)建到終止所經歷的時間，MTT和MTP定義了事務的時間邊（起止時間窗口），表示為tw（mtt，tvp），其中，mtt是事務的MTT值，tvp是事務的MTP值。

通信時，左節(jié)點創(chuàng)建事務后生成該事務的M1R并發(fā)送給右節(jié)點，右節(jié)點接收處理M1R后生成同一事務下的M2R后發(fā)送給左節(jié)點，一個右節(jié)點只能產生一個M2R。事務中的R1M與R2M之間存在一對多關系，節(jié)點應用利用事務屬性識別R1M與R2M之間的對應關系，判斷R1M和R2M的時效性。NCAP未定義事務間上下文關系，因此協(xié)議層面不支持分段傳輸。

3.2 通信方式

為了滿足自主容錯控制需求，NCAP支持點到點、點到多點和廣播通信方式。假定NC中存在n個節(jié)點，點對點指左節(jié)點將R1M發(fā)送給唯一1個右節(jié)點，特點是相關事務包含1個R1M和1個R2M，典型應用場景是變送器將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)議轉換模塊；點對多點指左節(jié)點將1個R1M同時發(fā)送給m（n≥m＞1）NDT相同的右節(jié)點，特點是相關事務包含1個R1M和m個R2M，典型應用場景是溢水變送器將流量值發(fā)送給多個溢水控制執(zhí)行器；廣播指左節(jié)點將R1M同時發(fā)送給所有節(jié)點，特點是相關事務包含一個R1M和n個R2M，典型應用場景是同步節(jié)點系統(tǒng)時間。

具體實現(xiàn)時，節(jié)點應用基于CAN擴展數(shù)據(jù)幀的29位標識符指定通信方式。

3.3 消息格式

NCAP協(xié)議的消息格式以圖10所示的CAN擴展數(shù)據(jù)幀為基礎定義，表示為PDU。PDU由PDU頭（PDUH）和通信數(shù)據(jù)（PDUD）組成，分別對應于CAN擴展數(shù)據(jù)幀的29位標識符和8字節(jié)數(shù)據(jù)域。由于SOF、SRR、IDE、RTR等位組完全由CAN規(guī)范決定，對節(jié)點應用透明，PDU中沒有體現(xiàn)這些位組。通信時，PDU被封裝成CAN擴展數(shù)據(jù)幀后通過物理介質傳送到其他節(jié)點，DLC在封裝時總是置為8。

圖10 CAN擴展數(shù)據(jù)幀

3.3.1 PDUH PDUH是NCAP對CAN擴 展 數(shù) 據(jù) 幀29位標識符（ID.28～ID.0）的一種具體編碼，由8個位組組成，格式如圖11所示。

圖11 PDUH位組格式

以下基于消息m描述PDUH各位組語義。

MC，占用標識符位ID.28～ID.27，值為00B時表示m是內網(wǎng)消息，值為01B時表示m是全網(wǎng)消息，值為10B時表示m是時鐘同步消息，禁用11B。內網(wǎng)消息僅限于在NC節(jié)點間傳遞，全網(wǎng)消息可以在NTCN節(jié)點間傳遞。只有協(xié)議轉換模塊能發(fā)送時鐘同步消息，禁用11B是因為CAN 協(xié)議規(guī)定消息幀標識符前7位不能全為顯性位（1B）。

COT，占用標識符位ID.26，值為0B時表示m是R1M，值1B時表示m是R2M。

DNT，占用標識符位ID.25～ID.21，取值為dnt或00000B，前者表示只有節(jié)點設備類型代碼為dnt的節(jié)點才能接收m，后者表示NC上所有節(jié)點為候選接收節(jié)點。協(xié)議規(guī)定非候選接收節(jié)點不能接收m，M2R中該位組不能置為00000B。

DNN，占用標識符位ID.20～ID.18，取值為dnn或000B，前者表示只有節(jié)點設備編號為dnn的節(jié)點才能接收m，后者表示NC上所有匹配DNT的節(jié)點都能接收m。協(xié)議規(guī)定M2R中該位組總是置為000B。

SNT，占用標識符位ID.17～ID.13，發(fā)送節(jié)點的第一標識符，取值為CTR寄存器的NTC。

SDL，占用標識符位ID.12～ID.5，發(fā)送節(jié)點的部署位置信息，取值于CLR寄存器。

LRI，占用標識符位ID.4，位置相關指示符，值為0B時表示在節(jié)點尋址中使用節(jié)點第三標識符，限定只有匹配SDL.LY的節(jié)點才能接受m；值為1B時表示節(jié)點判斷是否接收m與節(jié)點第三標識符無關。

TVP，占用標識符位ID.3～ID.0，取值為：1+mtp/8，其中，mtp是消息所在事務的生命期。

3.3.2 PDUD PDUD是CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域，長度為8個字節(jié)，格式如圖12所示。

圖12 PDUD格式

MTT，消息的時間戳，值為左節(jié)點創(chuàng)建當前事務時的節(jié)點事務時間。事務時間定義為（節(jié)點系統(tǒng)時間＆ FFFFFFFFH），時間單位為ms。事務中的M1R和M2R均使用同一MTT值。使用MTT時，節(jié)點應通過網(wǎng)絡獲取統(tǒng)一的系統(tǒng)時間。

MTP，消息的通信數(shù)據(jù)，一個TAV結構的對象。當m用于讀寫目標節(jié)點的共享變量nsv時，Tag域填寫這個nsv的標識符；Value域置為這個nsv的有效TBF值；Attri域中各位組的語義為：

A1，在M1R中，00B表示讀操作，01B表示寫操作，10B和11B保留；在M2R中，用10B表示成功應答，用11B表示失敗應答，00B和01B保留。

A2，在M1R中置為掃描優(yōu)先級；在M2R中，成功應答時置為000B，失敗應答時置成錯誤代碼。

A3，總是置為10B。

TBF值是NSV值的一種編碼形式，編碼規(guī)則參考SAEJ1939規(guī)范制定，TBF值限定在0～65 536范圍內，NCAP統(tǒng)一預定義每個共享變量TBF值的編碼規(guī)則。

3.4 消息處理流程

NCAP協(xié)議規(guī)定節(jié)點產生事務的間隔時間不小于1 ms。通信時，左節(jié)點創(chuàng)建消息事務mt插入到事務列表，生成mt的請求消息m1r發(fā)送給右節(jié)點；所有右節(jié)點接收、處理m1r后生成mt的應答消息m2r響應給左節(jié)點。左節(jié)點收到一個m2r就認為發(fā)送成功。

以下內容以mt、m1r和m2r關系為基礎描述，且用mt.tw（mtt，tvp） 表示mt的起止時間窗口，其中，mtt是mt的開始時間，tvp是mt的生命期。

左節(jié)點生成m1r時，其PDU位組PDUH.COT置成0B、PDUH.TVP置成tvp、PDUD.MTT置為mtt，其它位組根據(jù)實際需要設置。

右節(jié)點收到m1r后執(zhí)行圖13所示的基本處理流程。流程中，m1r被識別為無效消息時直接丟棄，被識別為有效信息時執(zhí)行相應處理過程后響應m2r，被識別為時間同步消息后更新節(jié)點系統(tǒng)時間后響應m2r。消息過期判斷方法為:當左節(jié)點收到m1r時，如果其事務時間不在mt.tw（mtt，tvp）中，視m1r為過期消息。

圖13 M1R基本處理流程

右節(jié)點生成m2r時，其PDU位組PDUH.COT置為1B、PDUH.TVP置為tvp、PDUD.MTT置為mtt，其它位組根據(jù)實際情況設置。

左節(jié)點收到m2r后執(zhí)行圖14所示的基本處理流程。用mtt查詢事務列表，如果查詢結果為空，表示mt已終止，m2r被視為無效消息。當mt存在于事務列表時，表示m2r有效，則更新事務列表。更新包括修改事務狀態(tài)、刪除事務等操作。運行時，左節(jié)點事務監(jiān)控器（monitor）按預定時間周期（如8 ms）掃描事務列表，發(fā)現(xiàn)當前事務時間不在mt.tw （mtt，tvp）中時刪除mt。

圖14 M2R基本處理流程

具體實現(xiàn)時，可利用CAN消息過濾機制省略DNT匹配過程。

3.5 節(jié)點時間同步

NC是CAN總線網(wǎng)絡，支持節(jié)點時鐘同步[8]，包含一個時鐘源節(jié)點（T節(jié)點，如協(xié)議轉換模塊）、n個時間敏感節(jié)點（S節(jié)點，如，變送器，執(zhí)行器），其消息幀傳輸滿足條件：幀到達各右節(jié)點CAN控制器且被完全接收的延時時間小于一個定值（如250 μs）；右節(jié)點從幀接收完成到中斷服務程序處理該幀的延遲時間小于一個定值（如500 μs）。

節(jié)點時間同步僅同步S節(jié)點的系統(tǒng)時間，使任意2個S節(jié)點的系統(tǒng)時間之差小于1 ms或更小?；就搅鞒虨椋海?）T節(jié)點作為左節(jié)點按定義的時間間隔周期性地廣播時間同步消息（sync），sync中封裝了T節(jié)點的系統(tǒng)時間tT；（2）右節(jié)點接收sync，從sync中解析出tT，將tT設置為節(jié)點系統(tǒng)時間；（3）tS為右節(jié)點接收sync時的系統(tǒng)時間，Δt=tS-tT，基于Δt調整各事務的起止時間窗口參數(shù)。

生成sync時，其PDU位組PDUH.MC置為10B、PDUH.DNT置為00000B、PDUH.DNN置為000B、PDUD.LRI置為1B，PDUD置為tT。

4 結 語

設計了一種面向智能化育苗盤架控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡，內容包括網(wǎng)絡結構、節(jié)點組件和通信協(xié)議。通過定義級聯(lián)網(wǎng)絡接口，統(tǒng)一分配節(jié)點標識符，規(guī)范通信數(shù)據(jù)格式，以及引入共享變量、消息事務和節(jié)點系統(tǒng)時間同步機制，較好地解決了育苗盤架多級級聯(lián)和自主容錯控制的通信技術問題，初步驗證能滿足實際應用需求，而且發(fā)現(xiàn)無連接通信對降低節(jié)點應用復雜性、提高可靠性等方面有一定作用。