基于TCP/IP 及DALI 總線技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)

張玉杰，吳安安

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，控制設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸量逐漸增大以及所要實現(xiàn)的功能更加多樣化，采用多種總線互聯(lián)、融合的方式改善傳統(tǒng)照明控制方式單一、智能程度低的缺點，實現(xiàn)豐富的照明場景、便捷的照明控制以及高效的能源利用將成為照明發(fā)展的趨勢［1］。

DALI(Digital Addressable Lighting Interface)作為標準的照明接口協(xié)議，已成為國際電子電工協(xié)會標準(IEC62386)，它具有靈活的控制方式、低廉的價格優(yōu)勢等，備受照明控制領(lǐng)域的青睞［2］。但是由于DALI 系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模小的缺點限制了它的推廣和應(yīng)用;以太網(wǎng)作為廣域網(wǎng)基礎(chǔ)骨干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常普及。將以太網(wǎng)與DALI 系統(tǒng)互聯(lián)的方式實現(xiàn)DALI 系統(tǒng)的擴展，使得DALI 命令能夠在以太網(wǎng)上傳輸，從而DALI 系統(tǒng)將不再受傳輸距離以及燈具數(shù)量限制。另一方面，出于低功耗方面的考慮，在DALI 系統(tǒng)中接入照度及人流量探測傳感器，控制DALI 燈具亮度的自動調(diào)節(jié);并且控制面板具有預(yù)設(shè)定工作時間表的功能，照明設(shè)備根據(jù)時間表定時開關(guān)燈及調(diào)節(jié)燈具亮度，從而實現(xiàn)照明系統(tǒng)的自適應(yīng)以及低功耗的控制。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能照明控制系統(tǒng)主要由智能控制面板、TCP/IP－DALI網(wǎng)關(guān)、DALI 電源、DALI 傳感器模塊以及燈具節(jié)點組成。圖1所示為智能照明系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。智能控制面板固定在監(jiān)控室的墻面上，通過網(wǎng)絡(luò)模塊接入以太網(wǎng)，當用戶操作智能面板時，指令通過以太網(wǎng)發(fā)送至TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將TCP/UDP 數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換為DALI 指令，實現(xiàn)對燈具節(jié)點的參數(shù)配置和亮度調(diào)節(jié)，另一方面燈具節(jié)點將狀態(tài)信息上傳至TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)，繼而通過網(wǎng)關(guān)反饋至智能控制面板。系統(tǒng)旨在為用戶提供安全、舒適、便捷及低能耗的照明管理方式。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

智能控制面板作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心，接收用的戶操作指令實現(xiàn)對燈具的管理。除了能夠進行單燈控制、分組控制、場景記憶以及場景切換這些操作外;還具有對DALI 系統(tǒng)初始化調(diào)試的功能，在DALI 系統(tǒng)搭建完畢后，實現(xiàn)對DALI 系統(tǒng)的初始化調(diào)試以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置;智能控制面板還具有預(yù)設(shè)時間表的功能，使照明系統(tǒng)在不同的時段有不同的工作模式，提高系統(tǒng)自動化管理能力，最大限度地避免能源浪費。

TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)接收智能面板的控制指令并擔(dān)任DALI 主機的角色，將智能面板的指令轉(zhuǎn)發(fā)給燈具節(jié)點，實現(xiàn)對燈具的控制，并且燈具節(jié)點能夠?qū)顟B(tài)信息通過網(wǎng)關(guān)回饋至智能面板。TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)包含完整的TCP/IP 協(xié)議棧以及DALI 協(xié)議棧，并實現(xiàn)DALI 協(xié)議與TCP/IP 協(xié)議相互轉(zhuǎn)換。DALI 照明控制系統(tǒng)與TCP/IP 相結(jié)合，將DALI 系統(tǒng)作為TCP/IP 的子系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，彌補了DALI 控制規(guī)模小限制的缺點。

DALI 傳感器節(jié)點通過定時輪詢的方式對燈具周圍環(huán)境亮度以及人流量信息進行檢測，傳感器將采集到的信息經(jīng)過網(wǎng)關(guān)反饋至智能控制面板，面板通過這些數(shù)據(jù)對相應(yīng)區(qū)域的燈具進行實時的亮度控制，實現(xiàn)智能化、人性化的管理方式。

燈具節(jié)點由DALI 從機、LED 燈具驅(qū)動模塊以及LED 燈具這3 部分組成。DALI 從機能夠執(zhí)行網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)智能面板的指令，執(zhí)行調(diào)光、存儲系統(tǒng)參數(shù)以及反饋燈具狀態(tài)等任務(wù)。從機的MCU 將PWM 信號輸出至LED 驅(qū)動電路的調(diào)光引腳，通過逐級改變PWM 信號的占空比實現(xiàn)對LED 燈具亮度的平滑調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要包括智能控制面板硬件、TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)、DALI 電源、DALI 傳感器節(jié)點硬件以及LED 燈具節(jié)點。

2.1 電源模塊設(shè)計

所述電源模塊為DALI 總線進行供電，DALI 總線連接一電源模塊，電源模塊輸入220 VAC，輸出16 VDC，同時為傳感器節(jié)點、燈具節(jié)點的控制部分供電。

2.2 智能面板設(shè)計

控制面板采用以Cortex－M3 為核心的32 位微控制器STM32F103ZET6，最高頻率可達72 MHz，高達64 kbyte 的SRAM，512 kbyte 的ROM，包含4 個通用16 位定時器和2 個PWM 定時器，以及2 個I2C 接口、3 個SPI 接口、2 個I2S 接口、5 個USART 接口等，具有睡眠、停機和待機3 種低功耗模式，控制面板的硬件框圖如圖2 所示。

圖2 DALI 智能控制面板硬件框圖

1)存儲電路

為保證系統(tǒng)在掉電或斷網(wǎng)的情況下數(shù)據(jù)不丟失，采用SD卡作為智能控制面板的存儲設(shè)備。SD 卡的供電電壓為3.3 V，通過SPI 模式與微控制器進行數(shù)據(jù)交換。

2)觸摸屏電路

觸摸屏電路為用戶提供便捷的人機交互方式，通過點按屏幕選擇選擇相應(yīng)菜單及功能。

3)網(wǎng)絡(luò)接口電路

智能面板通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到以太網(wǎng)，實現(xiàn)與在以太網(wǎng)上其他設(shè)備之間的相互通信。

4)實時時鐘電路

實時時鐘電路選用PCF8563，它具有I2C 總線接口且功耗的極低多功能時鐘/日歷芯片;為智能面板實現(xiàn)定時控制、設(shè)定工作時間表提供時間基準。

2.3 DALI-TCP/IP 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)采用以Cortex－M0 為核心的微控制器SN32F248，該處理器內(nèi)部集成了8 kbyte RAM 以及64 kbyte 可編程Flash，主頻高達50 MHz，16 位與32 位定時器各3 組，具有普通、睡眠、深度睡眠和深度掉電4 種工作模式。網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計包括DALI 接口電路設(shè)計以及TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計，實現(xiàn)DALI指令與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的交換。總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 DALI－TCP/IP 網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

TCP/IP 通信模塊的網(wǎng)絡(luò)接口芯片選擇RTL8019AS，它是全雙工即插即用的一款高集成度的以太網(wǎng)控制器。由于通信模塊接口接入以太網(wǎng)不可避免地會引入噪聲信號，需要在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的接口與以太網(wǎng)連接的中間放置網(wǎng)絡(luò)變壓器，而且還能夠起到隔離的效果;選用網(wǎng)絡(luò)變壓器的型號為PM44－11BP。RTL8019AS 通過4 根地址總線、16 根數(shù)據(jù)總線、3 個讀寫時序控制引腳以及軟啟動引腳(RSTDRV)與微控制器相連。RTL8019AS 與PM44－11BP 之間通過TPIN+、TPIN－、TPOUT+以及TPOUT－這4 個引腳的連接實現(xiàn)雙絞線上差分信號的發(fā)送與接收，PM44－11BP 的4 個引腳Tx+、Tx－、Rx+、Rx－則與RJ－45 接口相連［3］。

2.3.2 DALI 接口電路設(shè)計

DALI 系統(tǒng)通過DALI 接口電路實現(xiàn)通信功能，主要完成TTL 電平與DALI 協(xié)議規(guī)定標準電平之間的轉(zhuǎn)換，DALI 協(xié)議規(guī)定高電平的范圍是9.5 ～22.5 V，低電平的范圍是－6.5 ～6.5 V，且總線上的電流不大于250 mA。

DALI 接口電路如圖4 所示，D_DATA1 和D_DATA2 連接到DALI 總線上。U2、U3為光電耦合器，采用隔離的方式保證通信電路的可靠性。整流橋D4將DALI 總線上的差分信號轉(zhuǎn)化為直流信號。發(fā)送部分由D4、V3及U3組成，發(fā)送高電平時，DALI_TX 為高，U3不導(dǎo)通，DALI 總線維持高電平;發(fā)送低電平時，則DALI 總線電平變低。接收部分D4、V1、V2、U2及VD5組成，接收數(shù)據(jù)時，若總線電平為高，V1導(dǎo)通，U2導(dǎo)通，VD5反向擊穿，DALI_RX 為高電平;若總線電平為低，則DALI_RX 為低電平。

圖4 DALI 接口電路

2.4 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點包括光照傳感器與行動探測器這兩個部分。光照傳感器的核心部件是光敏電阻。其阻值取決于外界環(huán)境的光強，亮度越大，電阻越小;光照度傳感器采用具有I2C 接口的芯片BH1750FVI，實現(xiàn)對外界的光強度進行信息采集。行動探測器采用BISS0001 傳感信號處理模塊，當有人出現(xiàn)在它的探測區(qū)域內(nèi)，感光元件可產(chǎn)生極化壓差，便觸發(fā)有人的識別信號。傳感器節(jié)點定時地進行狀態(tài)輪詢，上傳其采集到的燈具附近的環(huán)境亮度和人流量。圖5 為硬件框圖。

圖5 傳感器節(jié)點硬件框圖

2.5 燈具控制模塊的設(shè)計

如圖6 所示為燈具控制模塊硬件框圖。DALI 燈具控制模塊在DALI 從機的基礎(chǔ)上加入了LED 驅(qū)動模塊。LED 驅(qū)動電路主要包括AD/DC 轉(zhuǎn)換電路、PFC 功率因數(shù)校正電路、BUCK 降壓電路以及恒流源控制部分。MCU 將PWM 調(diào)制信號輸出至恒流源驅(qū)動芯片的調(diào)光引腳，通過逐級改變PWM信號的占空比來改變恒流源的輸出電流比，實現(xiàn)對LED 燈具亮度的平滑調(diào)節(jié)。

圖6 燈具控制模塊硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計的思想，將軟件劃分為幾個不同的層次。每一層實現(xiàn)各自的功能，相鄰兩層之間通過接口函數(shù)相互通信，層與層之間具有較低耦合度。這種方式能夠提高系統(tǒng)的可維護性與移植性，保證了系統(tǒng)良好的擴展性。

3.1 智能面板軟件實現(xiàn)

智能控制面板為用戶提供一個友好的可視化交互界面，提升集中管理能力以及智能化的控制。智能面板具有人性化的菜單操作界面，如圖7 所示，它的功能包括:用戶管理、系統(tǒng)調(diào)試、信息查詢、燈具分組控制與場景切換，工作模式設(shè)置等部分。

3.2 TCP/IP-DALI 網(wǎng)關(guān)軟件實現(xiàn)

1)TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的軟件架構(gòu)如圖8 所示，由硬件驅(qū)動層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用層這3 個部分組成。DALI 通信模塊包括DALI 底層驅(qū)動函數(shù)，協(xié)議棧層主要的功能是完成內(nèi)存管理、數(shù)據(jù)管理以及DALI 指令的解析和發(fā)送等。應(yīng)用層根據(jù)系統(tǒng)的功能要求專門制定［4］。TCP/IP 通信模塊的硬件驅(qū)動層包括RTL8019AS網(wǎng)卡驅(qū)動。為實現(xiàn)一種精簡的TCP/IP 協(xié)議棧，對傳統(tǒng)的TCP/IP 協(xié)議棧進行針對性的裁剪，經(jīng)裁剪后的協(xié)議包括數(shù)據(jù)鏈路層的ARP 協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層的ICMP 協(xié)議與IP 協(xié)議、傳輸層的TCP 協(xié)議與UDP 協(xié)議。DALI 以及TCP/IP 的數(shù)據(jù)解析及轉(zhuǎn)換是通過進程間的通信完成的［5］。

圖7 DALI 智能控制面板功能模塊圖

圖8 DALI－TCP/IP 網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

2)TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

圖9 為TCP/IP 轉(zhuǎn)DALI 流程圖，當網(wǎng)關(guān)接收到控制面板發(fā)來的TCP/UDP 報文數(shù)據(jù)后，將按照TCP/IP 協(xié)議層的順序?qū)?shù)據(jù)進行逐層分解。網(wǎng)絡(luò)接口層將封裝好的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行校驗和去報頭后，傳輸給網(wǎng)絡(luò)層IP 協(xié)議;IP 協(xié)議再次去報頭、校驗后交給傳輸層TCP/UDP 協(xié)議;TCP 協(xié)議或UDP 協(xié)議讀取報頭信息之后對端口與地址進行驗證;將確認無誤的信息發(fā)送給DALI 協(xié)議模塊;DALI 協(xié)議層接收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行數(shù)據(jù)幀解析任務(wù)，若判斷當前總線處于空閑狀態(tài)，則發(fā)送前向幀至DALI 總線［6］。

圖10 為DALI 轉(zhuǎn)TCP/IP 流程圖，當網(wǎng)關(guān)接收到控制面板發(fā)送給DALI 燈具節(jié)點的查詢報文后，存儲燈具節(jié)點的狀態(tài)信息并反饋至智能控制面板。網(wǎng)關(guān)作為DALI 主機設(shè)備，定時對燈具節(jié)點的狀態(tài)輪詢，當檢測到燈具狀態(tài)異常的情況，發(fā)送報文給控制面板，實現(xiàn)狀態(tài)實時監(jiān)測的功能。

4 應(yīng)用測試

如圖11 所示為系統(tǒng)測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，包括1 個智能控制面板、1 個TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)、4 個LED 燈具模塊、1 個傳感器模塊以及電源供應(yīng)。經(jīng)反復(fù)測試，控制面板能夠?qū)崿F(xiàn)對燈具正常的進行初始化調(diào)試、單燈/分組控制、場景調(diào)用及記憶及設(shè)置系統(tǒng)工作時間表，并匯總燈具反饋的狀態(tài)信息。

圖9 TCP/IP 轉(zhuǎn)DALI 流程圖

圖10 DALI 轉(zhuǎn)TCP/IP 流程圖

圖11 系統(tǒng)測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)的測試，是將網(wǎng)關(guān)一端的網(wǎng)絡(luò)接口與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口相連，通過PC 機上的Windows 超級終端來設(shè)置好服務(wù)器IP 地址以及服務(wù)器端口并接收和發(fā)送TCP/UDP 報文［7］，網(wǎng)關(guān)的另一端通過DALI－LINK 接入PC 機，通過DALI 上位機軟件實現(xiàn)DALI 指令的收發(fā)控制;測試結(jié)果表明DALI 指令與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)正常轉(zhuǎn)換。

傳感器節(jié)點能夠靈敏感知燈具周圍環(huán)境光照度以及人流量變化，達到合理開關(guān)燈、調(diào)節(jié)燈具亮度的效果。經(jīng)過實驗室的測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。

5 結(jié)束語

本文提出將具有網(wǎng)絡(luò)接口的智能控制面板作為系統(tǒng)的監(jiān)管中心;TCP/IP－DALI 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)TCP/IP 與DALI 協(xié)議的轉(zhuǎn)換;傳感器節(jié)點檢測通過燈具區(qū)域周圍的光照度及人流量信息實現(xiàn)自動控制;智能照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與DALI 系統(tǒng)互聯(lián)，將DALI 系統(tǒng)作為TCP/IP 的子系統(tǒng)，拓展了DALI 系統(tǒng)的應(yīng)用。經(jīng)實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)照明管理不便、布線繁雜以及智能化程度低以及能耗高的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］王飛，佘咸寧，許錦標，等.基于DALI 協(xié)議的LED 智能照明系統(tǒng)設(shè)計［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013(4):79－82.

［2］陳波，吳明光.DALI 系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.低壓電器，2006(6)，27－30.

［3］張玉杰，鄭培.KNX－TCP/IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2014(12):49－52.

［4］張丁丁，孫志毅.TCP/IP 協(xié)議棧的實現(xiàn)方法［J］.工業(yè)控制計算機，2013(9):35－36.

［5］ALEKSANDRA M，BORIS P.Covert channels in TCP/IP protocol stack－extended version［J］.Central European Journal of Computer Science，2014(3):42.

［6］蔣月紅，馬小軍，殷文龍.智能照明控制通信協(xié)議的應(yīng)用分析［J］.電氣應(yīng)用，2013(18):28－32.

［7］蘭少華.TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2014.