基于DALI和ZigBee集成網絡的照明技術研究

莊裕浩，黃文鑒，陳宣仲，曾祥澤，吳為敬

(華南理工大學 發光材料與器件國家重點實驗室，廣東 廣州 510641)

引言

隨著科技的迅猛發展和人們環保意識的提高，智能照明的應用滲透到生活的各個方面，在打造安全、節能、舒適、高效的照明環境方面發揮著越來越大的作用[1]。

在智能照明系統中，網絡的選擇和構建是非常重要的，它決定了系統的穩健性、互操作性、施工難度和成本。按照網絡信息傳輸的媒介不同，可以將其分為有線和無線網絡兩種類型。其中，有線網絡在小規模的照明系統應用中具有低成本的優勢，但在大規模的應用中會出現布線復雜，施工困難、靈活性降低等問題并進而導致成本太高；無線網絡具有靈活性高，無需布線等優勢，但其單個節點的成本比有線節點的要高。由于有線和無線網絡各具優缺點，因此研究具有這兩種網絡優勢互補的集成網絡具有重要意義。

1 DALI和ZigBee協議簡介

數字可尋址調光接口(Digital Addressable Lighting Interface，簡稱DALI)和ZigBee無線光鏈路(ZigBee Light Link，簡稱ZLL)是智能照明領域內被廣泛認可的兩種照明網絡通信協議[2-8]。其中DALI作為一種有線照明總線于1994年被列入了國際電工委員會標準IEC60929，逐漸得到了推廣和應用。而ZigBee則是一種基于IEEE802.15.4標準的無線個人局域網協議，其網絡節點容量大、功耗低、具備自組網能力等優點，使其成為搭建智能照明網絡的首選。2012年4月ZigBee聯盟更是推出了專用于支持消費照明解決方案的公共應用子集ZLL，進一步推動了ZigBee在智能照明應用中的發展。

2 集成網絡總體設計

2.1 集成網絡基本原理

無線網絡具有安裝方便,無需布線等優點,但節點成本較高。有線網絡節點成本低，但布線復雜，安裝不方便。由于這兩種網絡各有優缺點，為了達到優勢互補、取長補短的效果，本文提出一種折中的解決方法，即在無線網絡協議ZLL的基礎上擴展DALI有線網絡協議，設計了一種無線和有線網絡相結合的集成網絡解決方案，在距離近、無布線障礙且燈具集中分布的燈具群內部采用有線網絡進行控制，而距離遠、布線不方便且分布較為分散的燈具群之間采用無線網絡進行連接。這樣即保留了無線網絡組網的便捷性與靈活性，又進一步降低了系統的總成本。

2.2 集成網絡設計方案

本文所設計的集成網絡以ZLL網絡為主，在其基礎上進行DALI有線網絡的擴展。為了保證與ZLL網絡的兼容，DALI有線網絡的實現將在ZLL網絡的應用層上完成。集成網絡的DALI接口位于燈具群主控單元上，該設備不僅是ZLL網絡的路由器，同時也是DALI網絡的主控單元，集成網絡的拓撲結構依然是網狀結構。圖1所示為DALI/ZLL集成網絡的結構。

從圖1中可以看出，相對于傳統的ZLL網絡，擴展后的集成網絡會表現出許多不同之處。集成網絡在組網過程中依然采用了傳統ZLL網絡便捷的TouchLink機制，但TouchLink的目標節點已不僅是一個獨立的燈具，而可能是一個擴展了DALI總線的燈具群主控單元，在這種情況下，TouchLink將導致燈具群中的所有燈具都接入到網絡中。

2.2.1 集成網絡的單播方案

DALI/ZLL集成網絡中設備的地址由ZigBee短地址+DALI短地址組成，集成網絡的單播尋址方式為先根據ZigBee短地址尋址到該節點所在的燈具群，再根據DALI地址在該燈具群中尋址到該節點。

2.2.2 集成網絡的組播方案

ZLL網絡的組播地址多達6.5萬個，而DALI網絡最多只有16個。這種巨大的差異，對集成網絡的組播功能造成了一定程度的制約。本文中，組播尋址方式將按組播地址不同分為兩種，其一是對于某特定的16個組播地址，先根據組播地址尋址到ZLL網絡中屬于該組的燈具群，再在這些燈具群內部根據組播地址尋址到屬于該組的DALI設備；其二是對于其它的組播地址，先根據組播地址尋址到ZLL網絡中屬于該組的燈具群，再在燈具群內部實行DALI廣播尋址到所有設備。

2.2.3 集成網絡的廣播方案

網絡的廣播要求可以尋址到網絡中的所有設備。為了能兼容傳統ZLL網絡，集成網絡的廣播指令保持與傳統ZLL網絡一致。因此集成網絡的廣播尋址方式為先根據廣播地址尋址到網絡中的所有燈具群，再在燈具群內部實行DALI廣播尋址到所有的設備。

2.3 集成網絡的優勢

相對于單一的ZLL或DALI網絡，基于集成網絡的智能照明系統將具備以下優勢：

1)有效降低照明控制系統的建設成本。由于系統中部分節點采用有線連接方式，這些有線的DALI節點可以使用普通的51單片機或ARM架構的32位單片機來實現(如本文用到的價格為1美元左右的LPC1114)，其成本遠低于無線的ZLL節點所采用控制器成本(如價格高達3.5美元左右的CC2530等)，因此單從控制芯片來看，集成網絡照明控制系統相對于純粹的ZLL網絡照明控制系統可以大幅度地節約成本。

2)提高系統的兼容性。集成網絡全面兼容ZLL協議和DALI協議。對于已經安裝有DALI系統的住宅，可以借此直接升級到無線控制的方式。對于準備安裝智能照明系統的用戶在購買燈具時也可以有更多的選擇。

3)極大提高了網絡節點的數量。理論上其網絡節點數量最大可以達到普通ZigBee網絡節點數量的64倍，因此可以在規模更大的照明控制系統中得到應用。

3 集成網絡硬件及軟件設計

3.1 燈具群主控單元

燈具群主控單元實際上也是集成網絡中的DALI/ZLL網關，不但具備傳統ZLL燈具的所有功能，而且還集成有DALI總線接口。本文采用TI公司提供的片上集成系統CC2530作為其主控芯片。ZLL協議的實現采用TI公司提供的并通過ZigBee聯盟認證的黃金單元Z-Stack Lighting1.0.2協議棧，DALI協議直接在該協議棧中實現，圖2和圖3描述了如何將DALI協議整合到ZLL協議棧中。具體過程如下：

圖2 工作流程圖1Fig.2 Work flow chart 1

圖3 工作流程圖2Fig.3 Work flow chart 2

1)系統上電后，完成ZLL網絡的初始化工作；

2)在DALI接口底層驅動的支持下完成DALI網絡的初始化工作；

3)在DALI接口底層驅動的支持下為DALI總線上未分配DALI地址的設備分配地址；

4)進入操作系統，開始系統輪詢；

5)輪詢并處理和ZLL網絡相關的任務；

6)在DALI接口底層驅動的支持下輪詢并處理協議棧中和擴展DALI網絡相關的任務。

其中DALI接口底層驅動包含一系列驅動DALI總線的函數，以實現DALI信號的發送和接收。對于DALI的發送，首先需要將待發送指令進行曼徹斯特編碼，然后啟動CC2530的8位計時器T3，每隔416.67μs送出半位數據，直至發送完畢。對于DALI的接收需要使用CC2530計時器T3的捕捉功能并設置為上升沿和下降沿都產生捕獲中斷，當捕獲中斷發生時，記錄中斷發生的時間并通過I/O口讀取電平狀態，然后進行解碼獲得應答信號，完成信號的接收過程。

硬件的設計相對簡單，只需在CC2530最小系統上增加DALI的發送(見圖4)和接收電路(見圖5)，完成CC2530的TTL電平到DALI電平的轉換即可[10]。圖中P07為CC2530的DALI發送引腳，P13和P14為其接收引腳，DALI0和DALI1為DALI總線接口。

圖4 DALI接口發送電路Fig.4 Transmission circuit of DALI interface

圖5 DALI接口接收電路Fig.5 Receiver circuit of DALI interface

3.2 控制橋

控制橋是上位機和DALI/ZLL集成網絡之間信息交互的橋梁。控制橋同樣采用TI公司提供的CC2530片上集成系統和黃金單元Z-Stack Lighting1.0.2協議棧。控制橋在硬件上不需要做任何擴展，軟件方面的擴展也相對簡單，只需在協議棧中增加一些獲取DALI設備信息的指令并反饋給上位機，以便上位機有足夠信息控制網絡中的DALI設備。上位機即可以是普通的PC，也可以是專用的嵌入式設備。如果采用后者，則可以和控制橋一起構成專用的控制網關，以便將集成網絡的信息上傳到互聯網或通過WiFi進行發送，從而提供網頁控制、手機APP控制和云服務等高級功能。

3.3 DALI從控單元

DALI從控單元可以是任何一種符合DALI協議的燈具，本文采用了一款主控芯片為LPC1114、符合DALI協議標準的可調光LED燈具。LPC1114是NXP公司生產的低價位、低功耗、高性能，基于ARM架構Cortex-M0內核的32位處理器，價格大約為一美元左右。

4 上位機程序設計

完整的照明控制系統除了要有底層照明通信網絡的支持外還需有一個簡單、易用、美觀的上位機軟件以方便用戶對照明網絡及網絡中的設備進行統一管理。本文所設計上位機軟件運行在PC上，采用美國NI(National Instruments, 美國國家儀器)公司研制開發的圖形化編程語言LabVIEW編寫，包括系統管理員界面、設備管理界面和設備操作界面，并通過一個選項卡進行組織。其中系統管理員界面主要用于設置上位機和控制橋之間通信的相關參數，另外就是對集成網絡照明控制系統的一些重要屬性進行配置，包括將網絡中某些設備恢復出廠設置，如圖6所示。設備管理界面用于向系統中添加新設備、修改設備備注名稱、查看設備信息等，如圖7所示。設備控制界面用于控制集成網絡照明控制系統的燈光效果，包括控制燈具設備的開關、亮度、顏色和飽和度等，如圖8所示。圖9所示為在該上位機程序控制下基于DALI和ZigBee的控制照明系統的實際效果圖。當然，除了使用上位機程序進行控制外，也可以和傳統的ZLL網絡一樣，使用遙控器進行更直觀的控制，包括控制燈光設備的開關、顏色和亮度等較為簡單的功能。

圖6 系統管理員界面Fig.6 Administrator interface

圖7 設備管理界面Fig.7 Device management interface

圖8 設備控制界面Fig.8 Device control interface

圖9 實際效果圖Fig.9 The photo of actual effect

5 結論

本文所提出的DALI/ZigBee集成網絡解決方案可以解決單一網絡照明控制系統的弊端，進一步降低照明控制系統的建設成本，提高系統對不同網絡的兼容性，解決大規模照明控制系統中網絡地址不足等問題，符合當前智能照明控制系統的需求，具有很高的實用和研究價值。

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