基于ZigBee?DALI協議的智能照明系統設計

弓盼　王嘉梅　孫善通

摘要：針對目前商業照明系統耗電嚴重、控制不靈活、智能化程度低等問題，提出一種將ZigBee技術與數字可尋址照明接口（DALI）協議相結合的智能照明控制系統方案。取其無線與有線的特性應用于智能照明控制中，以達到節約安裝成本，智能化系統控制、低耗節能的效果。介紹了系統架構，對系統進行硬件設計與軟件設計。實際應用表明系統穩定、可靠、節電效果好。

關鍵詞：DALI； ZigBee； 智能照明； 傳感器

中圖分類號： TN911?34； TP271 文獻標識碼： A 文章編號： 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，對于商業照明也提出了更高的要求，不僅僅要為消費者提供一個舒適的購物環境，實現最大限度的節能，同時，還要兼顧智能化、集中化的控制方式，給管理人員提供方便，這些對照明系統提出了更多的要求，傳統的照明技術已無法滿足人們多元化的要求[1]。針對以上問題，本文提出了一種集ZigBee無線網絡、DALI總線協議兩種技術的特點，取其無線與有線的特性應用于智能照明控制的解決方案。數字可尋址照明接口（DALI）因其具有的低成本、易安裝、可級聯以及系統重構靈活等特點，被廣泛地應用于數字化照明領域當中。而 ZigBee作為一種無線個人局域網，因其具有低成本、低功耗、低數據速率的特點，也常被應用于智能家居當中[2]，將DALI總線協議嵌入ZigBee無線網絡中，不僅擴大了系統控制范圍，而且節約了布線成本。該系統通過智能控制面板對DALI總線上的其他節點設備進行監控和管理，從而實現對整個商場照明的監控和管理。

1 DALI協議簡介

數字可尋址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface， DALI）總線協議是一種開源的，并且專門用于照明控制的協議標準。其具有調光、場景選擇和燈具地址分配等功能。DALI系統工作在主從模式：一個DALI主機最多控制64從機。該通信采用異步半雙工串行通信方式，雙線差分驅動，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，每個設備消耗的電流不超過2 mA。DALI信號采用曼徹斯特編碼方式，波特率為1 200 b/s。

2 系統總體設計方案

基于ZigBee?DALI協議的智能照明系統是由DALI系統主機、DALI系統從機、智能終端、協調器、路由器以及傳感器節點所組成的分布式控制系統[3]。系統中智能終端與DALI系統主機屬于控制器；傳感器節點為輸入設備，用于采集環境變量，并通過DALI總線發送給DALI主機；DALI從機屬于執行器，主要負責接收并解析DALI指令，完成對燈具的控制；智能終端與DALI系統之間報文的無線傳遞是通過 ZigBee網絡來實現的，該網絡是由協調器、路由器節點以及DALI主機共同組成。DALI總線電源模塊安裝于配電箱內，可以給DALI主機、DALI從機和傳感器供電。

信號傳輸流程說明如下：一方面智能終端將燈具控制命令與傳感器參數配置命令以Modbus協議報文的形式通過串口發送給協調器，協調器將報文通過無線ZigBee網絡發送給DALI主機，DALI主機解析報文并以DALI指令形式轉發給DALI從機或傳感器，從而完成對燈具的控制或對參數的配置等工作；另一方面，如果DALI從機或傳感器接收到的是查詢指令，傳感器或DALI從機根據查詢指令類型，將環境參數，或設備參數按照燈具控制指令相反的路徑傳送給智能終端；并且傳感器會根據設置的消息發送周期將環境參數以DALI消息的形式定時發送給DALI主機，DALI主機根據環境信息對所在區域的燈具進行控制。系統總體結構框圖如圖1所示。

系統以帶有WinCE操作系統的平板設備作為監控中心，用戶通過操作安裝在控制室的智能終端即可實現對燈具的監控，從而方便地完成以下功能：

（1） 實現對燈具的單燈控制、組地址控制、廣播方式控制以及場景切換等功能；

（2） 對DALI從機與傳感器進行初始化地址分配與參數分配；

（3） 根據劃分工作時間段，設置燈具的工作模式，使燈具在不同時間段工作于不同的亮度等級；按周循環設置燈具工作模式，使燈具在周內、周末和節假日工作于不同的工作模式；

（4） 系統根據設置的工作模式與環境信息，智能化控制燈具；

（5） 查詢實時燈具亮度與環境參數，方便管理人員對超市整體照明情況進行監控與管理。

3 系統硬件設計

系統的硬件包括智能終端硬件設計、協調器、路由器、DALI主機硬件設計、傳感器節點硬件設計、DALI從機硬件設計。

3.1 智能控制面板硬件設計

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、實時時鐘接口電路、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，依然能夠保持數據的完整性，智能終端選用SD卡作為存儲設備。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總線模式時序簡單通用，考慮到本系統的數據量較小，對數據的讀取與存儲頻率低，因此采用SPI總線模式。

3.1.2 實時時鐘電路

實時時鐘電路選用實時時鐘芯片PCF8563，使用標準的I2C接口，可在系統掉電的情況下，繼續進行計時，同時還為商場LED照明的定時控制提供時間基準。

3.1.3 觸摸屏電路

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

3.2 協調器硬件設計

協調器在整個ZigBee無線網絡的建立以及維護過程中起著極為重要的作用。協調器、路由器、DALI主機的微控制器均選用德州儀器公司的CC2530芯片。CC2530的片內外設包括調試、閃存控制器、I/O控制器、ADC、AES加密/解密內核、DMA控制器、定時器、隨機數發生器、看門狗、UART等模塊。8 KB的SRAM和32 KB可編程FLASH。利用豐富的片內外資源，用戶可以進行相應的應用開發[4]。

一方面，協調器將DALI系統中傳感器采集到的環境信息和燈具狀態等信息上傳給智能終端；另一方面，智能終端發送的燈具控制命令通過協調器經ZigBee無線網絡轉發給DALI主機[5]。其中協調器與智能終端的通信由UART接口電路負責。如圖3所示。

3.3 DALI主機硬件設計

DALI主機同時作為ZigBee網絡的的終端，通過射頻模塊接收路由器發送來的報文信息，解析后轉發給DALI從機和傳感器節點。

與協調器電路不同的是，DALI主機省去了電源模塊和UART接口電路，增加了DALI接口電路，DALI接口電路非隔離式的設計。一方面通過將DALI主機與DALI總線相連接，從而完成DALI指令的接收與發送；另一方面DALI接口電路從總線取電，為DALI主機提供電源。省去了電源電路的設計與供電布線[6]。

3.4 DALI從機硬件設計

DALI從機電路主要由驅動電路和控制電路兩部分構成，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 調試接口、復位電路、振蕩電路以及DALI接口電路[7]。

驅動電路主要由四個部分組成，包括 PFC功率因數校正電路、AC/DC轉換電路、恒流源電路和DC/DC降壓電路，通過調節微控制器輸出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 傳感器節點硬件設計

傳感器節點安裝在過道或窗戶旁，用于采集環境亮度與人員流動狀況，以發送實時環境消息給DALI主機。

照度傳感器選用BH1750，微控制器通過I2C總線讀取測量值。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紅外輻射，采用雙敏感元互補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定性。采集信號經過專用的信號處理芯片BIS0001，放大處理后輸出人員移動狀態。有人員移動時為高電平，無人員移動時輸出低電平，其硬件框圖如圖5所示。

4 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要包含智能終端設備、協調器、路由器、DALI主機、DALI從機與傳感器節點軟件設計，各個設備的軟件設計均以C語言為開發語言。

4.1 DALI協議內核

DALI從機與傳感器節點通過植入DALI協議內核，完成對DALI指令的解析與處理。DALI協議內核分為三層，分別為I/O層、協議層和應用層。其中I/O層主要完成定時器初始化、外部中斷初始化、I/O口初始化與數據的發送與接收等任務[9]；協議層文件主要完成指令的解析與執行、參數的寫入與讀取、曼徹斯特編解碼等工作；應用層主要完成從機的按鍵識別、低功耗、PWM輸出等功能。

4.2 ZigBee網絡組成部分軟件設計

ZigBee網絡中協調器節點、路由器節點、DALI主機的軟件設計是基于Z?Stack 協議棧和IAR集成開發環境開發的[10]。其中協調器完成組網，智能終端報文接收與發送等工作，工作過程如圖6所示。

DALI主機即終端節點，完成網絡加入，報文解析，DALI消息接收，DALI指令發送，根據工作模式控制自動控制燈具等功能[11]。工作過程如圖7所示。

4.3 智能終端軟件設計

智能終端以WinCE系統為操作平臺，WinCE操作系統具有較好的可靠性與實時性，支持多線程、基于優先級可搶占式操作系統，它提供靈活的內存訪問機制，可以檢查出應用造成的系統異常，抑制由于應用不正常直接破壞系統的危險性。智能終端通過串口與協調器通信，同時采用Microsoft Visual Studio 2005編程技術和Access 2007數據庫完成開發。智能終端的功能包括：用戶管理、狀態查詢、系統控制、其他等部分。智能終端功能模塊如圖8所示。

5 結 語

本文基于ZigBee無線網絡與DALI總線協議，設計了一種智能化照明系統。有線與無線的結合既減少了布線成本，提高了系統的靈活性，又融合了DALI系統的優點，具有較好的調光效果。智能終端的使用使監控更加自動化、智能化，減少人員工作量，提高服務質量。根據工作環境對照明要求的不同，采用分時控制、分區控制、傳感器自動控制、集中控制等方式，在滿足節能的條件下達到最佳照明效果，具有一定的應用價值。

參考文獻

[1] 陳迪.淺談商場室內設計中的光環境營造[J].商場現代化，2012（6）：69.

[2] 路秋生.DALI電子鎮流器的調光[J].燈與照明，2005（2）：40?44.

[3] 汪應濤，馮寶林.基于ZigBee技術的高精度溫度監測系統[J].儀表技術與傳感器，2013（2）：70?72.

[4] 陳曉燕，龐濤.基于ZigBee網絡的溫室節水灌溉系統設計[J].傳感器與微系統，2013（5）：82?85.

[5] 王黨樹，王新霞.基于ZigBee技術的礦井監測系統設計[J].自動化與儀器儀表，2013（3）：53?54.

[6] 凌志浩，周怡頲，鄭麗國.ZigBee無線通信技術及其應用研究[J].華東理工大學學報（自然科學版），2006（7）：801?805.

[7] 潘玉靜，余琳，李立，等.基于DALI協議的DALI接口電路設計[J].中國照明電器，2014（3）：11?13.

[8] 劉媛媛，馮宏偉.基于P87LPC768的大功率直流電機驅動控制電路[J].機械工程與自動化，2014（3）：158?160.

[9] 劉蘊.LED智能照明控制系統的研究與設計[D].西安：陜西科技大學，2013.

[10] 劉鍇，吳明光.數字可尋址照明接口協議及其應用[J].電氣自動化，2004（3）：5?8.

[11] 劉志立.基于DALI的LED照明控制系統設計及可靠性分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.