一種應(yīng)用于智能照明的自動組網(wǎng)方法

劉洪雷, 馬建設(shè), 蘇 萍

(清華大學(xué)，北京 100084)

1 引言

近年來，智能家居的概念滲透到了生活的各個(gè)方面，智能照明更是其中的主力軍，其在打造安全、節(jié)能、舒適、高效的照明環(huán)境方面發(fā)揮著越來越大的作用。智能照明中對燈具的控制，主要是通過尋址的方式實(shí)現(xiàn)，如DALI協(xié)議，在主機(jī)發(fā)送指令之前，需要為各個(gè)從機(jī)分配地址并在主機(jī)內(nèi)注冊[1]。在分配地址時(shí)，現(xiàn)行的方式往往是在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，為從機(jī)燒錄程序時(shí)燒錄入不同的地址，或者在從機(jī)上設(shè)置撥碼盤等方式進(jìn)行分配地址。這不但大大影響了燈具的生產(chǎn)效率，同時(shí)也造成了安裝時(shí)的極大的不便利。而其他的一些自動組網(wǎng)的方法，一種需要按照接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間不同實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)，另一種搶占式組網(wǎng)則會大大降低網(wǎng)絡(luò)利用效率，容易引發(fā)阻塞[2]。而且更重要的是，如果燈具失效,為保證通信，更換后的燈具不得不采用同之前相同的地址，這不但造成了相當(dāng)?shù)牟槐憷⑶以斐闪藢τ谝话慵彝ビ脩舨僮鞯牟豢蓪?shí)現(xiàn)性[3]。因此如何實(shí)現(xiàn)一種可靠的自動分配地址并組網(wǎng)的方法，將對智能照明的推廣有著重要的意義。

2 網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成

常用于家庭或者寫字樓內(nèi)的照明網(wǎng)絡(luò)，具有多對多的形式，即不同的主機(jī)可以同時(shí)控制所有的通信燈具，而主機(jī)在控制功能上是相同的，系統(tǒng)可簡化為一對多的控制方式，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology

圖1中master為主機(jī)，各個(gè)燈具節(jié)點(diǎn)以任意方式連接到總線上，可以為樹狀、網(wǎng)狀或者星型等，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證網(wǎng)內(nèi)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括主機(jī))發(fā)出的命令都可以被其他節(jié)點(diǎn)(包括主機(jī))收到。而為了能夠?qū)崿F(xiàn)基本的通訊和組網(wǎng)功能，主機(jī)和燈具應(yīng)具有表1中所述功能。

表1 節(jié)點(diǎn)功能要求Table 1 Function request of the nodes

所謂網(wǎng)絡(luò)的自動構(gòu)成，即自動完成燈具的地址分配，并在主機(jī)內(nèi)注冊。

3 自動組網(wǎng)原理

由于系統(tǒng)是一對多的控制方式，主機(jī)發(fā)出的命令以廣播的形式廣播到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個(gè)燈具，而燈具的反饋命令除總機(jī)收到之外，其余燈具也能接收。因此，實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)的關(guān)鍵在于燈具接收到主機(jī)的組網(wǎng)命令之后，可以產(chǎn)生不同的反饋時(shí)間，以類似時(shí)分的方式，在各自得到的通信時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成地址的分配和注冊。

為了得到不同的反饋時(shí)間，需要一個(gè)不同的基碼。而燈具內(nèi)的控制芯片剛好可以提供這樣一個(gè)基碼。芯片制作廠商在生產(chǎn)芯片時(shí)，會為芯片寫入一個(gè)全球唯一識別碼(UID，unique ID)，每個(gè)芯片的號碼均有不同。所以，在組網(wǎng)時(shí)，燈具首先應(yīng)按照各自命令將識別碼讀出，然后再接收到主機(jī)發(fā)出的組網(wǎng)命令時(shí)，方可以識別碼為基碼，產(chǎn)生不同的反饋時(shí)間，并在此時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成地址分配和注冊。該時(shí)間長短以8到12倍的通信周期為宜(一個(gè)通信周期為主機(jī)和從機(jī)完成一次相互通信的時(shí)間)。

4 時(shí)間段劃分的數(shù)據(jù)處理及算法

唯一識別碼(UID)為儲存在芯片上的一系列二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通常有幾十位。以STC某款芯片為例，其UID由7組8位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成。若單以該UID碼的差異來進(jìn)行時(shí)間劃分，則可以劃分256即7.2×1016個(gè)時(shí)間區(qū)間，這樣的數(shù)量級，即使對于周期為微秒級的傳輸協(xié)議也是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閮蓚€(gè)傳輸時(shí)間段的間隔可能達(dá)到7.2×1016/1000/1000/3600=2×107秒，這樣的時(shí)間間隔是無法被接受的。所以，必須對該數(shù)值進(jìn)行加權(quán)處理。處理時(shí)，將0X00 00 00 00 00 00 00到0XFF FF FF FF FF FF FF區(qū)間段劃分為若干小區(qū)域，而不同的UID值會落入不同的小區(qū)域，區(qū)域的劃分應(yīng)保證落入每個(gè)區(qū)域內(nèi)的UID數(shù)量盡可能相等，同時(shí)應(yīng)保證第一個(gè)區(qū)域和最后一個(gè)區(qū)域的時(shí)間差在一個(gè)可接受的時(shí)間范圍內(nèi)。

劃分時(shí)，常常采用類哈希(hash)表方法處理，欲劃分為N個(gè)時(shí)間段，則hash處理[5]：UID hash N。不過此處并不是一個(gè)完全的hash，因?yàn)閔ash以除以N處理之后的余數(shù)作為劃分依據(jù)，而此處的類hash以除以N之后的除數(shù)作為劃分依據(jù)。該劃分將使UID落入各個(gè)不同的區(qū)域，然后對落入此區(qū)域內(nèi)的芯片分配一個(gè)相同的注冊時(shí)間。然后，若是簡單的進(jìn)行hash處理，既有可能導(dǎo)致有些區(qū)域內(nèi)落入大量的數(shù)值，而有些區(qū)域內(nèi)落入的數(shù)值極少，則hash處理的意義不大。

為了能夠進(jìn)行有效的hash，需要首先進(jìn)行采樣，抽取一定數(shù)量的芯片，讀取UID值，并得出其大致分布，由此得出UID值中對區(qū)間劃分影響最大的位數(shù)，即首先得出UID集中分布的一個(gè)大區(qū)間，然后對該區(qū)間進(jìn)行hash處理，則可以有效防止大量數(shù)據(jù)落入同一區(qū)間內(nèi)。

為了能夠?qū)ID值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，首先，我們需要建立一個(gè)完整的二叉樹來存放數(shù)據(jù)。以STC某款芯片為例，由于STC芯片內(nèi)的UID為56位，故需建立一個(gè)完整57級二叉樹，頂層為0(或1)，二叉樹建立如圖2所示。

圖2 存儲UID數(shù)據(jù)的二叉樹Fig.2 Binary tree of UID data

二叉樹每一層上的鍵(key)代表的即為UID相應(yīng)位數(shù)的值，每一個(gè)值(value)代表該孩子出現(xiàn)的次數(shù)[6]。Value初始化為0，建立好二叉樹后，應(yīng)對欲采用的STC芯片做抽樣處理，取出一定數(shù)量的芯片并讀取UID后，對每一位UID出現(xiàn)時(shí)二叉樹上對應(yīng)的鍵的值做加一處理。如果某位數(shù)對UID值的分布影響不大，則該數(shù)的大部分為0或者大部分為1，否則，0和1的數(shù)量應(yīng)該大致相等，也即該位數(shù)統(tǒng)計(jì)值中0和1的數(shù)量越相近，則該位數(shù)對UID分布影響越大，反映在二叉樹上，即左右孩子值越相近。將整個(gè)抽樣芯片數(shù)值處理完成后，遍歷二叉樹，對任意相鄰左右孩子value值做商，用大值除以小值得到C1，C2，C3……，然后在內(nèi)存中建立一二維map表存儲之，見表2。

表2 二叉樹鍵值比較表Table 2 Comparison of the Key in binary tree

第一行表示其在二叉樹中的層數(shù)，第二行表示其左右孩子的商值。商值初始化時(shí)賦值為0，然后二叉樹中每層相鄰左右孩子做商后填入，如同層有更小的值，則覆蓋原值，如果沒有，則丟棄，遍歷二叉樹后，該map即表示每層對UID分布的影響圖。為了能夠?qū)r(shí)間段劃分為N段，對于二進(jìn)制數(shù)而言，至少需要n=log2N位二進(jìn)制數(shù)。從該表中挑選出C值最小的n層，則可以查找出對劃分時(shí)間區(qū)段影響最大的UID值中的n位，得到一個(gè)新的n位的ID值。此時(shí)，對此新的ID進(jìn)行類hash處理，則可有效提高區(qū)間劃分平均性和有效性。

5 具體實(shí)現(xiàn)方式

本文在實(shí)現(xiàn)時(shí)以DALI協(xié)議為例，搭建系統(tǒng)平臺。

5.1 DALI協(xié)議基本要求

DALI協(xié)議是用于照明系統(tǒng)控制的開放式異步串行數(shù)字通信協(xié)議。DALI系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)最多可以連接64個(gè)從機(jī)單元[7]，每個(gè)DALI從機(jī)使用唯一的個(gè)體標(biāo)識地址，該地址在系統(tǒng)初始化時(shí)設(shè)定，使用過程中根據(jù)需要修改從機(jī)的地址，其主要特征如下：

(1)采用異步串行通信；

(2)雙線差分驅(qū)動；

(3)信息傳輸速率1200kb/s,半雙工傳輸；

(4)編碼形式采用曼徹斯特編碼[8].

5.2 組網(wǎng)流程

按照DALI協(xié)議具體要求網(wǎng)絡(luò)鏈接結(jié)束后，組網(wǎng)前，主機(jī)內(nèi)存儲足量的地址，建立地址池。組網(wǎng)時(shí)，主機(jī)發(fā)出命令，所有從機(jī)接收到命令后，會將自身狀態(tài)設(shè)置為組網(wǎng)狀態(tài)(置位標(biāo)志位fNet)，此時(shí)只進(jìn)行組網(wǎng)操作，然后根據(jù)STC芯片提供的UID地址讀取出UID，并按照上文所述算法將UID簡化為n為ID，并判斷ID所在區(qū)間，然后根據(jù)所在區(qū)間得到一個(gè)時(shí)間基數(shù)b，然后由b乘以10倍通信周期(協(xié)議通信周期為833μs×30=24990μs≈0.25ms)，約為0.25ms，因此可以取3ms為基，再收到主機(jī)的注冊命令后，各個(gè)燈具將在3ms，6ms……的時(shí)間進(jìn)行向主機(jī)發(fā)送反饋信息。DALI協(xié)議中，通過6位地址位控制64個(gè)燈具，因此我們可以劃分512個(gè)區(qū)間段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足協(xié)議要求。而3×512=1536ms，也即兩秒鐘之內(nèi)將完成網(wǎng)絡(luò)的自動組網(wǎng)，符合我們的要求。發(fā)送前，首先讀取總線狀態(tài)，如果總線繁忙，則等待2個(gè)周期，若總線空閑，則可進(jìn)行收發(fā)，其中反饋信息中，將自身UID的后7位作為臨時(shí)地址反饋給主機(jī)進(jìn)行通信，主機(jī)收到該反饋信息后，將從自身儲存的地址池中取出一個(gè)地址，作為主機(jī)信息的數(shù)據(jù)位部分，按照之前收到的臨時(shí)地址和從機(jī)進(jìn)行通信，然后從機(jī)收到該地址后儲存入自身flash，并且主機(jī)也將此信息存入自身flash中，而沒有向主機(jī)發(fā)送反饋信息的燈具將會忽略主機(jī)后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)。至此，一個(gè)燈具的地址分配及注冊完成[2]。完整的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)注冊流程圖Fig.3 Process of registering

5.3 更換燈具時(shí)的處理

如果某個(gè)燈具失效，則需要更換燈具。將燈具更換后，主機(jī)首先發(fā)送報(bào)檢命令，此時(shí)所有的燈具將按照上文所述算法在不同時(shí)間進(jìn)行報(bào)檢，報(bào)檢時(shí)，所有燈具收到命令后會將自身狀態(tài)置位為報(bào)檢，而主機(jī)收到報(bào)檢燈具的地址。對于無故障燈具，也即原先即存在與網(wǎng)絡(luò)中的燈具，主機(jī)內(nèi)是存有其地址的，因此總機(jī)可以對此進(jìn)行識別并對其發(fā)送標(biāo)志，將燈具狀態(tài)修改為正常。此時(shí)，主機(jī)可以獲得所有無故障燈具的地址，然后從地址池中挑選與此不同的地址作為新更換的燈具的地址，而此時(shí)最新更換的燈具和原來存在的無故障燈具通過標(biāo)志位是否為報(bào)檢便可進(jìn)行區(qū)分，此時(shí)，僅對標(biāo)志位為報(bào)檢的燈具進(jìn)行地址分配即可完成。

5.4 硬件平臺的搭建及實(shí)驗(yàn)

基于DALI協(xié)議的要求，需要搭建主機(jī)和燈具的硬件平臺。為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通信的功能，主機(jī)采用ARM開發(fā)板，板載S3C2440A芯片，核為ARM920T，板載64M SDRAM，128M掉電非易失NAND FLASH[9]。從機(jī)模塊是DALI協(xié)議中的接收模塊，在每盞LED燈具上均應(yīng)配備，因此能否降低燈具成本，從機(jī)模塊的設(shè)計(jì)尤為重要。鑒于成本及功能的綜合考慮，選用STC12LE5204AD作為從機(jī)的主控芯片，該芯片內(nèi)置4K FLASH,可以滿足系統(tǒng)要求[10]。而算法中提及的UID即為該STC芯片的UID。主控芯片的主要作用是接收來自總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并反饋[4]。主控芯片在地址匹配成功之后將執(zhí)行來自主機(jī)的命令，其實(shí)現(xiàn)過程是通過將主機(jī)命令轉(zhuǎn)換為不同的PWM波形，然后將此波形傳輸給LED驅(qū)動芯片L3404HVMA，從而實(shí)現(xiàn)對LED燈組的控制。燈具電路板見圖4[11]。

圖4 燈具電路板Fig.4 The PCB board

主機(jī)內(nèi)采用u/cos操作系統(tǒng)，通過在系統(tǒng)下建立任務(wù)及移植DALI協(xié)議，可以方便的實(shí)現(xiàn)4.2節(jié)中介紹的操作流程[12]。通過主機(jī)操作相應(yīng)組網(wǎng)命令時(shí)，程序設(shè)定從機(jī)在得到地址后亮燈，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用32組燈進(jìn)行驗(yàn)證，燈幾乎在同一時(shí)間內(nèi)陸續(xù)亮起，無明顯的等待時(shí)間。

6 結(jié)語

通過以上方法，可以方便的實(shí)現(xiàn)智能照明產(chǎn)品自組網(wǎng)絡(luò)，該方法大大提高了產(chǎn)品的自動性和智能性，同時(shí)也可以廣泛應(yīng)用于其他智能家居產(chǎn)品，同時(shí)，可以方便的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)故障后的更換產(chǎn)品時(shí)的組網(wǎng)工作。并且，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以該方法組成的小型網(wǎng)絡(luò)，可以在幾秒內(nèi)即可完成網(wǎng)絡(luò)的組建。

[1] 張?jiān)儡? 吳明光. 智能照明系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2004,15(4): 16～18.

[2] 段曙彬，高安邦.LON智能節(jié)點(diǎn)開發(fā)及組網(wǎng)研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11(1):100～104.

[3] 王秀錦, 馬劍. 智能化照明[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2003, 14(2): 52～55.

[4] 張文成，王景存，袁雪萍.基于DALI協(xié)議的智能調(diào)光主控模塊設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011(1):155～158.

[5] 嚴(yán)蔚敏, 吳偉民. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(第2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2007.

[6] 韓家煒, Kamber M, 裴健，等. 數(shù)據(jù)挖掘概念與技術(shù)(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[7] 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.DALI規(guī)范指南[M].廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2005.

[8] JIANG Wei, DING Li, JIANG Yujian, et al. Research on the Device Auto Networking and Key Technologies of the Entertainment Lighting System (Pt.1)[J]. Entertainment Technology,2011,4:006.

[9] 肖利平, 孫巖, 陳桂生，等. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測控技術(shù), 2007, 6(8):58～60.

[10] WU Wei， WU Mingguang，LIU Yanpeng. A Design of Embedded DALI Controller[C]. 2006 IEEE International Conference on Industrial Informatics, INDIN’06, 1237～1240 (in chinese).

[11] 張旭東，繆希仁.DALI系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2006(3)：29～32.

[12] 賈冬穎, 王巍. 基于STC單片機(jī) LED 智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2010，21(2): 71～73.