基于ZigBee?DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

弓盼　王嘉梅　孫善通

摘要：針對(duì)目前商業(yè)照明系統(tǒng)耗電嚴(yán)重、控制不靈活、智能化程度低等問題，提出一種將ZigBee技術(shù)與數(shù)字可尋址照明接口（DALI）協(xié)議相結(jié)合的智能照明控制系統(tǒng)方案。取其無線與有線的特性應(yīng)用于智能照明控制中，以達(dá)到節(jié)約安裝成本，智能化系統(tǒng)控制、低耗節(jié)能的效果。介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、節(jié)電效果好。

關(guān)鍵詞：DALI； ZigBee； 智能照明； 傳感器

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0063?04

Abstract： Aiming at serious consumption， inflexible control， and low intelligence of the current commercial lighting system， a scheme that combines ZigBee technology with the digital addressable lighting interface （DALI） protocol is proposed. In which its wireless and wire characteristics are applied to intelligent lighting control to achieve the effects of installation cost saving， intelligent system control， low?power consumption. The system architecture， hardware design and software design are introduced in this paper. The application effect shows that the system is stable， reliable and energy?saving.

Keywords： DALI； ZigBee； intelligent lighting； sensor

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)于商業(yè)照明也提出了更高的要求，不僅僅要為消費(fèi)者提供一個(gè)舒適的購物環(huán)境，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能，同時(shí)，還要兼顧智能化、集中化的控制方式，給管理人員提供方便，這些對(duì)照明系統(tǒng)提出了更多的要求，傳統(tǒng)的照明技術(shù)已無法滿足人們多元化的要求[1]。針對(duì)以上問題，本文提出了一種集ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、DALI總線協(xié)議兩種技術(shù)的特點(diǎn)，取其無線與有線的特性應(yīng)用于智能照明控制的解決方案。數(shù)字可尋址照明接口（DALI）因其具有的低成本、易安裝、可級(jí)聯(lián)以及系統(tǒng)重構(gòu)靈活等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字化照明領(lǐng)域當(dāng)中。而 ZigBee作為一種無線個(gè)人局域網(wǎng)，因其具有低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，也常被應(yīng)用于智能家居當(dāng)中[2]，將DALI總線協(xié)議嵌入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，不僅擴(kuò)大了系統(tǒng)控制范圍，而且節(jié)約了布線成本。該系統(tǒng)通過智能控制面板對(duì)DALI總線上的其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)商場照明的監(jiān)控和管理。

1 DALI協(xié)議簡介

數(shù)字可尋址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface， DALI）總線協(xié)議是一種開源的，并且專門用于照明控制的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其具有調(diào)光、場景選擇和燈具地址分配等功能。DALI系統(tǒng)工作在主從模式：一個(gè)DALI主機(jī)最多控制64從機(jī)。該通信采用異步半雙工串行通信方式，雙線差分驅(qū)動(dòng)，兩線壓差值在9.5～22.5 V之間為高電平，在-4.5～4.5 V之間為低電平，總線上的電流不能超過250 mA，每個(gè)設(shè)備消耗的電流不超過2 mA。DALI信號(hào)采用曼徹斯特編碼方式，波特率為1 200 b/s。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee?DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)是由DALI系統(tǒng)主機(jī)、DALI系統(tǒng)從機(jī)、智能終端、協(xié)調(diào)器、路由器以及傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的分布式控制系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)中智能終端與DALI系統(tǒng)主機(jī)屬于控制器；傳感器節(jié)點(diǎn)為輸入設(shè)備，用于采集環(huán)境變量，并通過DALI總線發(fā)送給DALI主機(jī)；DALI從機(jī)屬于執(zhí)行器，主要負(fù)責(zé)接收并解析DALI指令，完成對(duì)燈具的控制；智能終端與DALI系統(tǒng)之間報(bào)文的無線傳遞是通過 ZigBee網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，該網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)以及DALI主機(jī)共同組成。DALI總線電源模塊安裝于配電箱內(nèi)，可以給DALI主機(jī)、DALI從機(jī)和傳感器供電。

信號(hào)傳輸流程說明如下：一方面智能終端將燈具控制命令與傳感器參數(shù)配置命令以Modbus協(xié)議報(bào)文的形式通過串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將報(bào)文通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DALI主機(jī)，DALI主機(jī)解析報(bào)文并以DALI指令形式轉(zhuǎn)發(fā)給DALI從機(jī)或傳感器，從而完成對(duì)燈具的控制或?qū)?shù)的配置等工作；另一方面，如果DALI從機(jī)或傳感器接收到的是查詢指令，傳感器或DALI從機(jī)根據(jù)查詢指令類型，將環(huán)境參數(shù)，或設(shè)備參數(shù)按照燈具控制指令相反的路徑傳送給智能終端；并且傳感器會(huì)根據(jù)設(shè)置的消息發(fā)送周期將環(huán)境參數(shù)以DALI消息的形式定時(shí)發(fā)送給DALI主機(jī)，DALI主機(jī)根據(jù)環(huán)境信息對(duì)所在區(qū)域的燈具進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)以帶有WinCE操作系統(tǒng)的平板設(shè)備作為監(jiān)控中心，用戶通過操作安裝在控制室的智能終端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的監(jiān)控，從而方便地完成以下功能：

（1） 實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的單燈控制、組地址控制、廣播方式控制以及場景切換等功能；

（2） 對(duì)DALI從機(jī)與傳感器進(jìn)行初始化地址分配與參數(shù)分配；

（3） 根據(jù)劃分工作時(shí)間段，設(shè)置燈具的工作模式，使燈具在不同時(shí)間段工作于不同的亮度等級(jí)；按周循環(huán)設(shè)置燈具工作模式，使燈具在周內(nèi)、周末和節(jié)假日工作于不同的工作模式；

（4） 系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的工作模式與環(huán)境信息，智能化控制燈具；

（5） 查詢實(shí)時(shí)燈具亮度與環(huán)境參數(shù)，方便管理人員對(duì)超市整體照明情況進(jìn)行監(jiān)控與管理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件包括智能終端硬件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器、路由器、DALI主機(jī)硬件設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、DALI從機(jī)硬件設(shè)計(jì)。

3.1 智能控制面板硬件設(shè)計(jì)

智能終端以德州儀器公司OMAP3530微控制器為核心，包括控制SD卡接口電路、UART接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路、觸摸屏電路、處理器外圍電路、電源電路、JTAG接口電路等。智能終端的硬件電路總體框圖如圖2所示。

3.1.1 SD卡接口電路

為了使智能終端在掉電的情況下，依然能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，智能終端選用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡的讀/寫有兩種總線模式可供選擇：一種是SPI總線模式；另一種是 SD總線模式。相比之下，SD總線模式的傳輸速度更快，但是SPI總線模式時(shí)序簡單通用，考慮到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較小，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)頻率低，因此采用SPI總線模式。

3.1.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563，使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，可在系統(tǒng)掉電的情況下，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)還為商場LED照明的定時(shí)控制提供時(shí)間基準(zhǔn)。

3.1.3 觸摸屏電路

觸摸屏電路為用戶提供了良好的人機(jī)交互界面，方便用戶對(duì)其進(jìn)行操作。本系統(tǒng)采用了7寸電容式觸摸屏，可以給用戶更好的操作感受。

3.2 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器在整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的建立以及維護(hù)過程中起著極為重要的作用。協(xié)調(diào)器、路由器、DALI主機(jī)的微控制器均選用德州儀器公司的CC2530芯片。CC2530的片內(nèi)外設(shè)包括調(diào)試、閃存控制器、I/O控制器、ADC、AES加密/解密內(nèi)核、DMA控制器、定時(shí)器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、看門狗、UART等模塊。8 KB的SRAM和32 KB可編程FLASH。利用豐富的片內(nèi)外資源，用戶可以進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)[4]。

一方面，協(xié)調(diào)器將DALI系統(tǒng)中傳感器采集到的環(huán)境信息和燈具狀態(tài)等信息上傳給智能終端；另一方面，智能終端發(fā)送的燈具控制命令通過協(xié)調(diào)器經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給DALI主機(jī)[5]。其中協(xié)調(diào)器與智能終端的通信由UART接口電路負(fù)責(zé)。如圖3所示。

3.3 DALI主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

DALI主機(jī)同時(shí)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的的終端，通過射頻模塊接收路由器發(fā)送來的報(bào)文信息，解析后轉(zhuǎn)發(fā)給DALI從機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)。

與協(xié)調(diào)器電路不同的是，DALI主機(jī)省去了電源模塊和UART接口電路，增加了DALI接口電路，DALI接口電路非隔離式的設(shè)計(jì)。一方面通過將DALI主機(jī)與DALI總線相連接，從而完成DALI指令的接收與發(fā)送；另一方面DALI接口電路從總線取電，為DALI主機(jī)提供電源。省去了電源電路的設(shè)計(jì)與供電布線[6]。

3.4 DALI從機(jī)硬件設(shè)計(jì)

DALI從機(jī)電路主要由驅(qū)動(dòng)電路和控制電路兩部分構(gòu)成，如圖4所示。燈具控制電路以STM8S105C6微控制器為核心，由四部分電路組成，包括Debug 調(diào)試接口、復(fù)位電路、振蕩電路以及DALI接口電路[7]。

驅(qū)動(dòng)電路主要由四個(gè)部分組成，包括 PFC功率因數(shù)校正電路、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路和DC/DC降壓電路，通過調(diào)節(jié)微控制器輸出PWM占空比[8]，從而來改變恒流源輸出電流的大小，以此方式得到輸出的恒定電流具有較高的精度，確保了LED光源亮度的一致性。

3.5 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在過道或窗戶旁，用于采集環(huán)境亮度與人員流動(dòng)狀況，以發(fā)送實(shí)時(shí)環(huán)境消息給DALI主機(jī)。

照度傳感器選用BH1750，微控制器通過I2C總線讀取測(cè)量值。占用傳感器以DS203為核心，該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測(cè)紅外輻射，采用雙敏感元互補(bǔ)方法能夠抑制由于溫度變化所帶來的干擾，從而提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。采集信號(hào)經(jīng)過專用的信號(hào)處理芯片BIS0001，放大處理后輸出人員移動(dòng)狀態(tài)。有人員移動(dòng)時(shí)為高電平，無人員移動(dòng)時(shí)輸出低電平，其硬件框圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含智能終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器、路由器、DALI主機(jī)、DALI從機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，各個(gè)設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)均以C語言為開發(fā)語言。

4.1 DALI協(xié)議內(nèi)核

DALI從機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)通過植入DALI協(xié)議內(nèi)核，完成對(duì)DALI指令的解析與處理。DALI協(xié)議內(nèi)核分為三層，分別為I/O層、協(xié)議層和應(yīng)用層。其中I/O層主要完成定時(shí)器初始化、外部中斷初始化、I/O口初始化與數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等任務(wù)[9]；協(xié)議層文件主要完成指令的解析與執(zhí)行、參數(shù)的寫入與讀取、曼徹斯特編解碼等工作；應(yīng)用層主要完成從機(jī)的按鍵識(shí)別、低功耗、PWM輸出等功能。

4.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成部分軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、DALI主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是基于Z?Stack 協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的[10]。其中協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)，智能終端報(bào)文接收與發(fā)送等工作，工作過程如圖6所示。

DALI主機(jī)即終端節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)加入，報(bào)文解析，DALI消息接收，DALI指令發(fā)送，根據(jù)工作模式控制自動(dòng)控制燈具等功能[11]。工作過程如圖7所示。

4.3 智能終端軟件設(shè)計(jì)

智能終端以WinCE系統(tǒng)為操作平臺(tái)，WinCE操作系統(tǒng)具有較好的可靠性與實(shí)時(shí)性，支持多線程、基于優(yōu)先級(jí)可搶占式操作系統(tǒng)，它提供靈活的內(nèi)存訪問機(jī)制，可以檢查出應(yīng)用造成的系統(tǒng)異常，抑制由于應(yīng)用不正常直接破壞系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。智能終端通過串口與協(xié)調(diào)器通信，同時(shí)采用Microsoft Visual Studio 2005編程技術(shù)和Access 2007數(shù)據(jù)庫完成開發(fā)。智能終端的功能包括：用戶管理、狀態(tài)查詢、系統(tǒng)控制、其他等部分。智能終端功能模塊如圖8所示。

5 結(jié) 語

本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與DALI總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種智能化照明系統(tǒng)。有線與無線的結(jié)合既減少了布線成本，提高了系統(tǒng)的靈活性，又融合了DALI系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的調(diào)光效果。智能終端的使用使監(jiān)控更加自動(dòng)化、智能化，減少人員工作量，提高服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)工作環(huán)境對(duì)照明要求的不同，采用分時(shí)控制、分區(qū)控制、傳感器自動(dòng)控制、集中控制等方式，在滿足節(jié)能的條件下達(dá)到最佳照明效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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