智能照明系統(tǒng)常見通信協(xié)議的對比淺析

李 軍

(上海建筑設計研究院有限公司, 上海 200041)

0 引 言

隨著綠色建筑和節(jié)能建筑的理念深入人心,建筑電氣設計中常采用智能照明系統(tǒng)作為綠色建筑或者節(jié)能建筑的技術選項之一。隨著技術的發(fā)展,智能照明控制系統(tǒng)的通信協(xié)議出現(xiàn)很多種,如DALI、KNX、DMX512、ZigBee、Z-Wave及自定義協(xié)議等,如何選擇這些通信協(xié)議,是電氣設計人員面臨的技術挑戰(zhàn)[1]。

1 常見的幾種智能照明通信協(xié)議

1.1 DALI協(xié)議

數(shù)字式可尋址照明控制接口(Digital Addressable Lighting Interface,DALI)標準是一種實現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器和控制模塊之間進行數(shù)字化通信的接口標準,利用數(shù)字化控制方式調節(jié)熒光燈輸出光通量。DALI的管理層與監(jiān)控層間采用RS-485通信,監(jiān)控層與現(xiàn)場層采用DALI通信。DALI電氣特征:異步串行通信協(xié)議;信息傳送速率為1 200 b/s;半雙工,雙向編碼;雙線連接方式;通信方式采用主控單元控制,可連接64個從控單元,且均可獨立編址。根據(jù)IEC 60929標準,DALI總線的線路長度不超過300 m。DALI協(xié)議中,主從機只有在主控器查詢時才向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。從機向主機發(fā)送的數(shù)據(jù)由11 bit數(shù)據(jù)組成。DALI主控指令如圖1所示。DALI從控指令如圖2所示。

圖1 DALI主控指令

圖2 DALI從控指令

DALI信息包含地址信息和調光信息,其中用8位來表示調光的亮度水平。DALI鎮(zhèn)流器的編碼地址在系統(tǒng)調試時完成,當系統(tǒng)中某鎮(zhèn)流器發(fā)生故障而需要更換時,需要借助專用調試設備重新對鎮(zhèn)流器地址進行編址。其特性如下:浮動電壓控制輸入;雙線控制,不采用極性負載;每盞燈的信息都可反饋到控制中心。

1.2 DMX512協(xié)議

DMX512協(xié)議規(guī)定以數(shù)據(jù)包的形式來組織數(shù)據(jù),每個數(shù)據(jù)幀分為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位以及停止位,數(shù)據(jù)傳輸率為250 kb/s,每幀數(shù)據(jù)對應一條調光回路[2]。DMX512信號時序如圖3所示。

圖3 DMX512信號時序

調光系統(tǒng)中每幀數(shù)據(jù)都表示每路的調光亮度值,規(guī)定0～255代表0%～100%的亮度值,所以每個調光器都有固定的地址,從起始碼后的第一幀開始,調光器對幀數(shù)據(jù)進行計數(shù),如果發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀中通道數(shù)值與調光器編號匹配,系統(tǒng)接收幀數(shù)據(jù),否則丟掉該幀數(shù)據(jù),然后再接收另外一幀數(shù)據(jù),再重新進行匹配,直到通道數(shù)值與調光器編號相同為止。DMX512傳輸線纜采用屏蔽雙絞線,物理接口采用RS-485。

1.3 KNX

KNX以EIB為基礎,兼顧BatiBus和EHSA的物理層規(guī)范,并吸收BatiBus和EHSA中配置模式等優(yōu)點。所有的總線設備連接到KNX介質上(這些介質包括雙絞線、射頻、電力線或IP/以太網(wǎng))就可以進行信息交換?？偩€設備可為傳感器、執(zhí)行器,用于控制樓宇管理裝置。

KNX物理層支持雙絞線(TP1)、電力線(PL110)、射頻和以太網(wǎng),其中TP1介質應用最多(9 600 b/s)。KNX總線設備通過報文傳輸信息,應用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)和報文優(yōu)先級來控制介質訪問。

KNX是基于事件控制的分布式總線系統(tǒng),只有當總線上有事件發(fā)生及需要傳輸信息時才將報文發(fā)送到總線上。當KNX系統(tǒng)有事件發(fā)生時,總線設備會向總線發(fā)送報文。經(jīng)過不短于T1的總線空閑時間后開始進行傳輸。報文傳輸完畢后,總線設備將在T2時間內檢查報文是否已被成功接收。如果沒有總線設備來應答,發(fā)送的報文會被重復。當系統(tǒng)規(guī)模較大,有部分設備發(fā)生故障而無法應答時,系統(tǒng)的控制延遲可能將被放大。KNX報文傳輸時間如圖4所示。

圖4 KNX報文傳輸時間

1.4 基于RS-485物理接口的自定義協(xié)議

企業(yè)根據(jù)自身產品自定義數(shù)據(jù)包格式,同時提供多種接口模塊,與DALI、RS-232、Modbus、KNX等協(xié)議進行無縫對接。RS-485半雙工異步通信總線是廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線,但任一時刻只能存在一個主機,故往往應用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。

1.5 ZigBee

ZigBee技術的基礎是IEEE 802.15.4標準,這是IEEE無線個人區(qū)域(Personal Area Network,PAN)工作組所定的一項標準,被稱為IEEE 802.15.4(ZigBee)技術標準,而遵循此標準的無線網(wǎng)絡通信技術則是由國際ZigBee聯(lián)盟所定義的。

ZigBee技術分別提供250 kb/s(頻段2.4 GHz)、40 kb/s(頻段915 MHz)、20 kb/s(頻段868 MHz)。一般,ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍為10～100 m,而且在增加射頻發(fā)射功率后可將范圍擴大到1～2 km,這只是相鄰節(jié)點之間的距離。如果再通過路由器和節(jié)點之間通信的接力,ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸范圍可更遠。

ZigBee定義27個物理信道,其中868 MHz頻段定義1個信道,915 MHz頻段定義10個信道,2.4 GHz頻段定義16個信道。ZigBee頻率和信道分布如圖5所示。信道之間預留較大的頻率空間,可以簡化濾波器的設計,并減少信道間的干擾。

ZigBee的物理層和媒體訪問控制層(MAC)采用的是IEEE 802.15.4標準。應用層(APL)、應用支持子層(APS)、網(wǎng)絡層(NWK)采用ZigBee聯(lián)盟標準。應用層要根據(jù)用戶需要進行開發(fā)利用。相比于其他常見的無線通信標準,ZigBee協(xié)議緊湊、簡單。ZigBee幀結構如圖6所示。

圖5 ZigBee頻率和信道分布

圖6 ZigBee幀結構

幾種無線通信技術的比較如表1所示。

表1 幾種無線通信技術的比較

1.6 Z-Wave

Z-Wave是一種短距離無線通信技術,工作頻帶為868.42 MHz(歐洲)至908.42 MHz(美國),采用FSK(BFSK/GFSK)調制方式,數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kb/s,信號的有效覆蓋范圍是室內為30 m,室外超過100 m,采用小數(shù)據(jù)格式傳輸,適合智能家居無線控制領域。Z-Wave采用動態(tài)路由技術,當某個鏈路失效后通過周邊的設備動態(tài)建立新的鏈路。

2 幾種協(xié)議的對比與分析

2.1 有線通信協(xié)議對比

在DALI技術的開發(fā)之初,控制對象針對數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器(DALI鎮(zhèn)流器)。但隨著LED照明技術的發(fā)展,LED燈具替代熒光燈,DALI技術的發(fā)展遇到較大的挑戰(zhàn)。另外,LED燈具自身數(shù)字化的快速發(fā)展,也會給DALI技術的應用提供各種可能。目前,若多盞照明燈具采用同一配電回路供電的情況下,DALI技術也是為數(shù)不多的針對每盞燈具的控制協(xié)議[3]。

DMX512協(xié)議采用數(shù)據(jù)包的形式來組織數(shù)據(jù),每幀數(shù)據(jù)對應相應的控制模塊,地址符合的控制模塊接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行,不符合的則丟棄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流一直在總線上傳輸,控制目標變化很快,非常適合與時序控制緊密的照明控制場合,例如舞臺燈控、與音樂聯(lián)動的照明控制。

KNX協(xié)議是目前國內外產品中大量使用的照明控制通信協(xié)議,通過一條總線將各個分散的設備連接并分組,賦予不同的功能。系統(tǒng)采用串行數(shù)據(jù)通信進行控制、監(jiān)測和狀態(tài)報告。

基于RS-485自定義的控制協(xié)議定義數(shù)據(jù)包格式,報文中的內容更符合產品通信,同時提供多種接口模塊,與DALI、RS-232、Modbus、KNX等協(xié)議進行無縫對接,總線中的設備支持總線形、星形等接線方式,便于項目上布線施工,同時采用中斷偵聽防沖突機制,避免報文間沖突,杜絕丟包;缺點是設備通用性較差。

基于傳統(tǒng)BA的照明控制手段單一,照明配電回路只能實現(xiàn)開與關,已經(jīng)不能適應照明控制的多樣化需要。另外,BA控制的單回路造價高于采用KNX或基于RS-485自定義協(xié)議的照明控制系統(tǒng)。

幾種有線通信協(xié)議的比較如表2所示。

2.2 無線通信協(xié)議

隨著無線通信技術的飛速發(fā)展,照明控制領域ZigBee和Z-Wave技術發(fā)展較快[4]。ZigBee與Z-Wave通信協(xié)議的部分技術參數(shù)的對比如表3所示。

表2 幾種有線通信協(xié)議的比較

表3 ZigBee與Z-Wave通信協(xié)議的部分技術參數(shù)的對比

3 結 語

介紹目前常用的幾種智能照明控制系統(tǒng)通信協(xié)議,分析幾種主要通信協(xié)議的主要特點和部分協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式,得出以下結論:

(1) DALI協(xié)議主要針對單燈控制,控制響應時間最快。

(2) DMX512協(xié)議對時序控制高效,響應快。

(3) KNX協(xié)議控制功能多元,控制規(guī)模大。

(4) 基于RS-485自定義協(xié)議靈活,適應性強。

(5) ZigBee與Z-Wave兩種無線協(xié)議技術各有所長。

因此,沒有一種通信協(xié)議適合所有的場合,故在工程項目設計中需多角度考慮,選擇合理的照明控制協(xié)議。在建筑智能照明設計中,可根據(jù)通信協(xié)議特點合理選擇智能照明的控制協(xié)議,也可以根據(jù)建筑中的不同場合設置不同的智能照明控制協(xié)議。

收稿日期：2018-06-15