基于藍牙與MQTT服務器的DALI智能照明系統(tǒng)設計

張玉杰， 郭向陽， 李 棟

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

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基于藍牙與MQTT服務器的DALI智能照明系統(tǒng)設計

張玉杰， 郭向陽， 李 棟

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

針對目前DALI系統(tǒng)控制規(guī)模小、管理不便以及智能化程度低的問題，提出了一種基于藍牙與MQTT服務器的DALI智能照明系統(tǒng).該系統(tǒng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用手持設備APP通過云端服務遠程控制DALI系統(tǒng)，實現(xiàn)對DALI系統(tǒng)組網(wǎng)分區(qū)、設備管理、參數(shù)查詢以及實時監(jiān)控等功能.同時，在局域控制范圍內(nèi)DALI系統(tǒng)采用藍牙4.0無線控制和DALI總線控制相結(jié)合的方法，使不便布線的場所實現(xiàn)無線控制，進一步拓展DALI系統(tǒng)的應用范圍.實驗表明該系統(tǒng)功能完善，運行穩(wěn)定.

DALI系統(tǒng)； 藍牙4.0； MQTT服務器； 智能照明

0 引言

在信息化、網(wǎng)絡化的今天，智能照明控制技術(shù)已經(jīng)將現(xiàn)代照明推向了節(jié)能化、智能化、人性化、藝術(shù)化以及個性化的全新高度[1].DALI(Digital Addressable Lighting Interface)照明系統(tǒng)因其安裝簡捷、易于維護、結(jié)構(gòu)靈活、價格低廉等優(yōu)勢，備受照明控制領(lǐng)域的青睞，為業(yè)界廣泛采用的智能照明技術(shù).傳統(tǒng)的DALI照明系統(tǒng)最多可接入64個可尋址設備，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控，在較大規(guī)模照明場合的應用中往往受到限制，并且在現(xiàn)實中對舊樓照明的智能化改造以及一些復雜特殊的場所，也會面臨安裝布線難等問題[2].

針對以上問題，本文提出一種基于MQTT服務器和藍牙4.0通信技術(shù)的DALI智能照明系統(tǒng)設計方案.使傳統(tǒng)DALI系統(tǒng)具備接入云端的能力，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)服務的加載，形成“云+端”的典型架構(gòu)，從而實現(xiàn)DALI照明系統(tǒng)大規(guī)模擴展和網(wǎng)絡化控制.用戶可以通過APP端完成遠程控制，并且利用服務器云計算、大數(shù)據(jù)處理的特點，為DALI照明系統(tǒng)提供實時運行狀態(tài)分析、能源管理、故障分析等增值服務.同時在局域控制范圍內(nèi)，將藍牙4.0通信技術(shù)應用于DALI系統(tǒng)中，將DALI系統(tǒng)由單一通信介質(zhì)(雙線)的控制，拓展到射頻RF控制，使不便布線的場所實現(xiàn)無線控制，從而增加DALI照明控制系統(tǒng)的應用范圍.

1 總體設計方案

DALI智能照明控制系統(tǒng)主要由手持設備APP、MQTT服務器、WiFi路由設備、應用控制器、控制面板、DALI傳感器、燈具節(jié)點設備以及DALI電源組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.每個區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)設備有兩種通信方式，掛載到總線上的設備通過DALI總線通信，無線控制部分之間采用藍牙4.0通信.

MQTT服務器為硬件設備和APP提供靈活的接入方式，當手持設備APP和應用控制器在云端完成注冊、綁定之后，即可通過MQTT服務器進行控制命令和數(shù)據(jù)的傳輸.

手持設備APP作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心，可實現(xiàn)對控制面板、DALI傳感器和燈具節(jié)點設備地址分配，地址識別以及系統(tǒng)參數(shù)配置與查詢，如控制方式選擇、場景設置、上電功率等級、最大功率等級、最小功率等級、漸變時間和漸變速率等參數(shù)的設置.同時，還具有單燈控制、分組控制、場景記憶以及場景切換等控制功能.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應用控制器作為APP、DALI總線設備、藍牙通信設備信息傳輸中樞，內(nèi)置MICO互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，通過對WiFi通信任務、藍牙4.0通信任務、DALI接口通信任務以及存儲系統(tǒng)任務合理調(diào)度，實現(xiàn)對DALI系統(tǒng)設備的地址分配、參數(shù)配置、狀態(tài)查詢、實時控制等功能.

DALI主機包括控制面板和傳感器.控制面板通過DALI總線將操作信息反饋至應用控制器，應用控制器根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)以及反饋信息統(tǒng)一調(diào)度控制指令，從而實現(xiàn)燈具節(jié)點的控制.傳感器通過對周圍環(huán)境亮度以及人流量信息進行實時檢測，并將采集到的信息反饋至應用控制器，進而對本區(qū)域的燈具進行實時的亮度控制.

燈具節(jié)點由DALI控制電路、LED燈具驅(qū)動電路以及LED燈具這三部分組成.DALI從機能夠接受應用控制器的指令信息，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[3,4].

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 應用控制器硬件設計

應用控制器采用以ARM Cortex-M4為核心的32位微控制器STM32F411RET6，其主要功能特性有：①512 K字節(jié)的內(nèi)置Flash可編程存儲器，SRAM多達128 K字節(jié)，最高頻率可達100 MHz；②50個GPIO引腳，可配置為下拉或上拉模式，響應電平或邊沿觸發(fā)中斷；③6個16位和2個32位通用定時器；④3個USART控制器和5個SPI控制器.

應用控制器主要包括WiFi通信模塊、DALI接口電路、藍牙通信模塊、調(diào)試接口、LED指示以及電源電路等，應用控制器工作電源由DALI總線電源提供，其硬件框圖如圖2所示.

圖2 應用控制器硬件框圖

2.1.1 WiFi通信電路

WiFi通信電路主要用于實現(xiàn)APP端與應用控制器在云端注冊、綁定以及通信等功能.該通信電路以ESP8266芯片為核心，具有強大的片上處理和存儲能力.ESP8266使用3.3 V電源供電，通過SPI接口與主控制器STM32F411RET6進行數(shù)據(jù)交換.

2.1.2 DALI接口電路

DALI系統(tǒng)與應用控制器通信必須滿足DALI協(xié)議的電氣特性.DALI總線采用雙線差分驅(qū)動，總線傳輸高電平范圍是9.5～22.5 V，傳輸?shù)碗娖椒秶?6.5～6.5 V，并且總線電流小于250 mA.為了保證通信電路的穩(wěn)定可靠，DALI接口電路采用光電耦合器進行隔離[5,6]，其接口電路如圖3所示.

圖3 DALI通信電路

2.1.3 藍牙4.0通信電路

藍牙通信模塊采用CC2541F256K芯片為主控制器，CC2451集成了2.4 GHZ射頻收發(fā)器，是一款完全兼容8051內(nèi)核的無線射頻單片機[7].藍牙通信電路如圖4所示，其外圍電路包括外部晶振電路、巴倫匹配電路及單極性PCB天線等.外部晶振電路采用2個晶振，32.768 KHZ晶振和32 MHZ晶振；天線電路采用倒F天線；巴倫匹配電路將CC2451輸出的雙端信號轉(zhuǎn)換成兩倍的單端信號以與倒F天線相匹配[8].CC2541通過UART串口與微控制器STM32F411進行數(shù)據(jù)交換.

圖4 藍牙通信電路

2.2 藍牙控制面板硬件設計

藍牙控制面板以CC2541F256K芯片為核心，主要包括電源電路、天線電路、調(diào)試接口電路以及按鍵電路，其硬件框圖如圖5所示.無線控制面板采用低功耗藍牙BLE通信，并且使用紐扣電池供電，無需信號線和電源線，用戶可根據(jù)實際應用場景要求隨意變換安裝位置，從而便于系統(tǒng)安裝以及后期維護.

圖5 無線控制面板硬件框圖

2.3 藍牙傳感器硬件設計

藍牙傳感器硬件主要包括藍牙通信電路、光照采集電路以及人體探測電路，硬件框圖如圖6所示.其中，光照采集模塊采用BH1750FIV芯片，實現(xiàn)對環(huán)境亮度實時采集；人體探測傳感器模塊采用熱釋電紅外檢測元件，通過BISS0001對傳感信號進行處理實現(xiàn)人體識別.無線傳感器節(jié)點根據(jù)配置的工作模式，將采集的信息傳輸至應用控制器.

圖6 無線傳感器硬件框圖

2.4 無線燈具節(jié)點硬件設計

無線燈具節(jié)點在藍牙通信電路的基礎上加入了LED驅(qū)動模塊.LED驅(qū)動電路主要包括AC/DC轉(zhuǎn)換電路、BUCK降壓電路、PFC功率因數(shù)校正電路以及恒流源控制部分，其硬件框圖如圖7所示.燈具控制器MCU將PWM信號通過光耦輸出至恒流源驅(qū)動芯片的調(diào)光引腳，并根據(jù)PWM調(diào)制信號調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流，實現(xiàn)對LED燈具亮度的平滑調(diào)節(jié).同時MCU通過電流檢測電路實時采集驅(qū)動電流，以此判斷燈具是否正常工作.

圖7 無線燈具節(jié)點硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 MQTT服務器架設

MQTT服務器作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、存儲、分析以及任務調(diào)度的中心，主要包括云端數(shù)據(jù)代理轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、MQTT協(xié)議通信系統(tǒng)、API接口系統(tǒng).其中，云端數(shù)據(jù)代理轉(zhuǎn)發(fā)模塊負責數(shù)據(jù)連接、發(fā)布和訂閱的編碼/解碼，以及心跳包的連接；設備管理模塊負責設備連接、數(shù)據(jù)采集、存儲、分析以及處理等；用戶管理模塊負責用戶注冊、管理設備列表等；MQTT協(xié)議通信模塊負責設備APP、服務器、設備之間的消息通信.API接口模塊負責調(diào)用相應的應用程序.

在設計過程中，采用Mosquitto開源軟件搭建MQTT代理服務器.該軟件支持訂閱/發(fā)布的消息模式，提供一到多的消息分發(fā)機制，降低應用的耦合度，并且具有良好的跨平臺性[9].在系統(tǒng)命令行中，mosquitto工具用于啟動代理，mosquitto_passwd工具用于管理密碼，mosquitto_pub用于發(fā)布消息，mosquitto_sub用于訂閱消息，配置文件mosquitto.conf中設置端口、心跳時間以及客戶端最大并發(fā)數(shù)等重要參數(shù)[10,11].

3.2 手持設備APP軟件設計

手持設備APP作為系統(tǒng)監(jiān)控中心，實現(xiàn)與智能硬件的注冊以及綁定，并通過MQTT服務器通信服務，實現(xiàn)APP與DALI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)對DALI系統(tǒng)的遠程控制、參數(shù)配置以及狀態(tài)查詢等功能.

手持設備APP采用Android操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，手持設備APP軟件的開發(fā)包括三個方面：①用戶交互界面的設計，界面層主要包括用戶管理界面、參數(shù)配置界面、燈具控制界面以及地址分配界面等；②系統(tǒng)邏輯控制的設計，該部分主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)設備的管控；③數(shù)據(jù)存儲采用SQLite數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對DALI系統(tǒng)的用戶信息、配置參數(shù)信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)等的存儲，并且利用MQTT通信服務實現(xiàn)手持設備端與云端的數(shù)據(jù)通信.APP軟件設計架構(gòu)按照分層的思想，對程序進行層層處理[12-15]，如圖8所示.

圖8 APP軟件架構(gòu)圖

3.3 應用控制器軟件設計

應用控制器的軟件開發(fā)以MICO物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)為平臺，通過對系統(tǒng)初始化、任務創(chuàng)建、任務調(diào)度來實現(xiàn)系統(tǒng)功能.應用控制器的軟件架構(gòu)如圖9所示.其中，主控制器軟件主要包括底層驅(qū)動程序、MICO物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、高級應用程序和用戶應用程序[16].底層驅(qū)動程序是保證硬件正常工作的基礎，主要包括Flash驅(qū)動、UART驅(qū)動、WiFi驅(qū)動、LED驅(qū)動以及DALI接口驅(qū)動等.高級應用程序主要包括各種通信協(xié)議棧以及邏輯運算函數(shù)等.應用程序通過調(diào)用各種接口函數(shù)，實現(xiàn)應用控制器與APP端通信，DALI協(xié)議棧的移植和應用調(diào)度，以及通過串口與CC2541藍牙模塊通信等功能.

圖9 應用控制器軟件架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試

為測試系統(tǒng)性能，搭建了一個測試平臺，其中主要包括1部Android智能手機， MQTT服務器，1個WiFi路由設備，1個應用控制器，基于雙線控制的DALI照明控制部分和基于藍牙通信的無線照明控制部分.系統(tǒng)測試主要分為系統(tǒng)通信測試和系統(tǒng)功能測試.

(1)系統(tǒng)通信測試.完成手持設備APP和應用控制器在MQTT服務器的注冊、綁定之后.手持APP端發(fā)送配置命令，利用DALI測試工具可以監(jiān)測到DALI總線的前向幀數(shù)據(jù)和后向幀數(shù)據(jù)，如圖10所示.同時，利用藍牙數(shù)據(jù)分析儀可以監(jiān)測到藍牙無線網(wǎng)絡傳輸?shù)呐渲弥噶钚畔?，如圖11所示.經(jīng)過反復測試，系統(tǒng)整體通信正常、穩(wěn)定，并且具有實時性.

圖10 DALI總線通信測試圖

圖11 藍牙網(wǎng)絡通信測試圖

(2)系統(tǒng)功能測試主要包括對系統(tǒng)設備的地址分配、參數(shù)配置、狀態(tài)查詢、實時控制等功能測試.通過操作手持APP發(fā)送配置指令、查詢指令以及控制指令，完成系統(tǒng)各個功能測試，測試實物圖如圖12所示.

無線照明控制部分 DALI總線控制部分圖12 系統(tǒng)功能測試實物圖

測試結(jié)果表明，該照明控制系統(tǒng)通信正常，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)靈活，便于用戶對DALI系統(tǒng)安裝、組網(wǎng)以及控制.

5 結(jié)束語

本文提出的基于藍牙通信技術(shù)和MQTT服務器的DALI照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對DALI照明系統(tǒng)的遠程配置、組網(wǎng)以及控制，解決了在大規(guī)模照明系統(tǒng)中DALI網(wǎng)絡地址不足弊端.同時，在局

部控制范圍內(nèi)采用藍牙4.0無線通信，使不便布線的場所實現(xiàn)無線控制，進一步拓展了DALI系統(tǒng)的應用范圍.經(jīng)過應用測試表明，本系統(tǒng)功能完善，兼容性強，能夠穩(wěn)定工作，具有廣闊的應用前景.

[1] 梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學報,2014,25(2):15-26.

[2] 莊裕浩,黃文鑒,陳宣仲,等.基于DALI和ZigBee集成網(wǎng)絡的照明技術(shù)研究[J].照明工程學報,2015,26(5):32-36.

[3] 張玉杰,吳安安.基于TCP/IP及DALI總線技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2015,39(22):23-26,43.

[4] 馮 燕,李凌宇.DALI總線照明系統(tǒng)以太網(wǎng)控制網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2010,29(8):50-52.

[5] 李 軍,陳建勝,梁靄明.基于DALI協(xié)議的家居LED智能照明控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(8):11-15.

[6] 張岳軍.智能照明系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].杭州:浙江大學,2006.

[7] 張曉彬,張 珣.基于藍牙組網(wǎng)的燈光控制系統(tǒng)研究與設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015(8):22-24,29.

[8] 丁 磊,張彩祥,馮永晉,等.基于藍牙4.0的低功耗電子貨架標簽設計[J].電子技術(shù)應用,2014,40(5):28-30,40.

[9] 鐘良驥,桂學勤,廖海斌,等.基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)平臺設計與分析[J].鄖陽師范高等?？茖W校學報,2014,34(6):52-55.

[10] 許金喜,張新有.Android平臺基于MQTT協(xié)議的推送機制[J].計算機系統(tǒng)應用,2015,24(1):185-190.

[11] Shinho Lee,Hyeonwoo Kim,Dong kweon Hong.Correlation analysis of MQTT loss and delay according to QoS level[C]//The International Conference on Information Networking.Washington: IEEE Computer Society Washington,2013:714-717.

[12] 關(guān)慶余,李鴻彬,于 波.MQTT協(xié)議在Android平臺上的研究與應用[J].計算機系統(tǒng)應用,2014,23(4):196-200.

[13] 尹京花,王華軍.基于Android開發(fā)的數(shù)據(jù)存儲[J].數(shù)字通信,2012(6):79-81.

[14] 李家科.Android系統(tǒng)分析與開發(fā)[D].蘭州:蘭州交通大學,2014.

[15] 黃偉敏.Android平臺的即時通信系統(tǒng)客戶端設計方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(16):140-142.

[16] 張玉杰,邊旭燁,楊 萍.基于GPRS技術(shù)的遠程互相關(guān)流量測控系統(tǒng)[J].自動化儀表,2014,35(7):44-47.

【責任編輯：蔣亞儒】

Design of DALI intelligent lighting system based on bluetooth and MQTT server

ZHANG Yu-jie， GUO Xiang-yang， LI Dong

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Aiming at current DALI system with small scale,management inconvenience and intelligent degree problem,this paper presents a DALI intelligent lighting system based on Bluetooth technology and MQTT server.The system combined with the Internet technology,and use of handheld devices APP remote control DALI system through the cloud services,to achieve the DALI system network partition,device management,query parameters and real-time monitoring,etc.Meanwhile, in the local control range DALI system uses Bluetooth 4.0 wireless control and DALI bus control method of combining to make place for the inconvenience wiring wireless control,and further expand the scope of application DALI system.The experiment shows that the system has perfect function and stable operation.

DALI system; bluetooth 4.0; MQTT server; intelligent lighting

2016-06-11

陜西省科技廳科技計劃項目(2014K07-17); 西安市科技計劃項目(CXY1436(1))

張玉杰(1966-)，男，陜西咸陽人，教授，碩士生導師，研究方向：信息采集與處理、模式識別、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

1000-5811(2016)05-0152-05

TN915

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