2018-10-11
針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種集Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、DALI總線協(xié)議兩種技術(shù)的特點(diǎn)，取其無(wú)線與有線的特性應(yīng)用于智能照明控制的解決方案。數(shù)字可尋址照明接口（DALI）因其具有的低成本、易安裝、可級(jí)聯(lián)以及系統(tǒng)重構(gòu)靈活等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字化照明領(lǐng)域當(dāng)中。而Zig Bee作為一種無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)，因其具有低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，也常被應(yīng)用于智能家居當(dāng)中，將DALI總線協(xié)議嵌入Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，不僅擴(kuò)大了系統(tǒng)控制范圍，而且節(jié)約了布線成本。該系統(tǒng)通過(guò)智能控制面板對(duì)DALI總線上的其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)商場(chǎng)照明的監(jiān)控和管理。
1、DALI協(xié)議簡(jiǎn)介
數(shù)字可尋址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）總線協(xié)議是一種開(kāi)源的，并且專(zhuān)門(mén)用于照明控制的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其具有調(diào)光、場(chǎng)景選擇和燈具地址分配等功能。
DALI系統(tǒng)工作在主從模式：一個(gè)DALI主機(jī)最多控制64從機(jī)。該通信采用異步半雙工串行通信方式，雙線差分驅(qū)動(dòng)，兩線壓差值在9.5～22.5V之間為高電平，在-4.5~4.5V之間為低電平，總線上的電流不能超過(guò)250mA，每個(gè)設(shè)備消耗的電流不超過(guò)2mA。DALI信號(hào)采用曼徹斯特編碼方式，波特率為1200b/s。
2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
基于Zig Bee、DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)是由DALI系統(tǒng)主機(jī)、DALI系統(tǒng)從機(jī)、智能終端、協(xié)調(diào)器、路由器以及傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的分布式控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)中智能終端與DALI系統(tǒng)主機(jī)屬于控制器；傳感器節(jié)點(diǎn)為輸入設(shè)備，用于采集環(huán)境變量，并通過(guò)DALI總線發(fā)送給DALI主機(jī)；DALI從機(jī)屬于執(zhí)行器，主要負(fù)責(zé)接收并解析DALI指令，完成對(duì)燈具的控制；智能終端與DALI系統(tǒng)之間報(bào)文的無(wú)線傳遞是通過(guò)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)以及DALI主機(jī)共同組成。DALI總線電源模塊安裝于配電箱內(nèi)，可以給DALI主機(jī)、DALI從機(jī)和傳感器供電。
信號(hào)傳輸流程說(shuō)明如下：一方面智能終端將燈具控制命令與傳感器參數(shù)配置命令以Mod bus協(xié)議報(bào)文的形式通過(guò)串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將報(bào)文通過(guò)無(wú)線Zig Bee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DALI主機(jī)，DALI主機(jī)解析報(bào)文并以DALI指令形式轉(zhuǎn)發(fā)給DALI從機(jī)或傳感器，從而完成對(duì)燈具的控制或?qū)?shù)的配置等工作；另一方面，如果DALI從機(jī)或傳感器接收到的是查詢(xún)指令，傳感器或DALI從機(jī)根據(jù)查詢(xún)指令類(lèi)型，將環(huán)境參數(shù)，或設(shè)備參數(shù)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(huì)根據(jù)設(shè)置的消息發(fā)送周期將環(huán)境參數(shù)以DALI消息的形式定時(shí)發(fā)送給DALI主機(jī)，DALI主機(jī)根據(jù)環(huán)境信息對(duì)所在區(qū)域的燈具進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)以帶有Win CE操作系統(tǒng)的平板設(shè)備作為監(jiān)控中心，用戶(hù)通過(guò)操作安裝在控制室的智能終端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的監(jiān)控，從而方便地完成以下功能：
?。?/span>1）實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的單燈控制、組地址控制、廣播方式控制以及場(chǎng)景切換等功能；
?。?/span>2）對(duì)DALI從機(jī)與傳感器進(jìn)行初始化地址分配與參數(shù)分配；
?。?/span>3）根據(jù)劃分工作時(shí)間段，設(shè)置燈具的工作模式，使燈具在不同時(shí)間段工作于不同的亮度等級(jí)；按周循環(huán)設(shè)置燈具工作模式，使燈具在周內(nèi)、周末和節(jié)假日工作于不同的工作模式；
?。?/span>4）系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的工作模式與環(huán)境信息，智能化控制燈具；
（5）查詢(xún)實(shí)時(shí)燈具亮度與環(huán)境參數(shù)，方便管理人員對(duì)超市整體照明情況進(jìn)行監(jiān)控與管理。
3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件包括智能終端硬件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器、路由器、DALI主機(jī)硬件設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、DALI從機(jī)硬件設(shè)計(jì)。
3.1智能控制面板硬件設(shè)計(jì)
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(shí)時(shí)時(shí)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。
?。?/span>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?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，智能終端選用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡的讀/寫(xiě)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(shí)序簡(jiǎn)單通用，考慮到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較小，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)頻率低，因此采用SPI總線模式。
?。?/span>2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563，使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，可在系統(tǒng)掉電的情況下，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)還為商場(chǎng)LED照明的定時(shí)控制提供時(shí)間基準(zhǔn)。
?。?/span>3）觸摸屏電路
觸摸屏電路為用戶(hù)提供了良好的人機(jī)交互界面，方便用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行操作。本系統(tǒng)采用了7寸電容式觸摸屏，可以給用戶(hù)更好的操作感受。
3.2協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器在整個(gè)Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立以及維護(hù)過(guò)程中起著極為重要的作用。協(xié)調(diào)器、路由器、DALI主機(jī)的微控制器均選用德州儀器公司的CC2530芯片。
CC2530的片內(nèi)外設(shè)包括調(diào)試、閃存控制器、I/O控制器、ADC、AES加密/解密內(nèi)核、DMA控制器、定時(shí)器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、看門(mén)狗、UART等模塊。8KB的SRAM和32KB可編程FLASH。利用豐富的片內(nèi)外資源，用戶(hù)可以進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
一方面，協(xié)調(diào)器將DALI系統(tǒng)中傳感器采集到的環(huán)境信息和燈具狀態(tài)等信息上傳給智能終端；另一方面，智能終端發(fā)送的燈具控制命令通過(guò)協(xié)調(diào)器經(jīng)Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給DALI主機(jī)。其中協(xié)調(diào)器與智能終端的通信由UART接口電路負(fù)責(zé)。如圖3所示。
3.3 DALI主機(jī)硬件設(shè)計(jì)
DALI主機(jī)同時(shí)作為Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的的終端，通過(guò)射頻模塊接收路由器發(fā)送來(lái)的報(bào)文信息，解析后轉(zhuǎn)發(fā)給DALI從機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)。與協(xié)調(diào)器電路不同的是，DALI主機(jī)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(shè)計(jì)。一方面通過(guò)將DALI主機(jī)與DALI總線相連接，從而完成DALI指令的接收與發(fā)送；另一方面DALI接口電路從總線取電，為DALI主機(jī)提供電源。省去了電源電路的設(shè)計(jì)與供電布線。
3.4 DALI從機(jī)硬件設(shè)計(jì)
DALI從機(jī)電路主要由驅(qū)動(dòng)電路和控制電路兩部分構(gòu)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(diào)試接口、復(fù)位電路、振蕩電路以及DALI接口電路。
驅(qū)動(dòng)電路主要由四個(gè)部分組成，包括PFC功率因數(shù)校正電路、AC/DC轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路和DC/DC降壓電路，通過(guò)調(diào)節(jié)微控制器輸出PWM占空比，從而來(lái)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(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在過(guò)道或窗戶(hù)旁，用于采集環(huán)境亮度與人員流動(dòng)狀況，以發(fā)送實(shí)時(shí)環(huán)境消息給DALI主機(jī)。照度傳感器選用BH1750，微控制器通過(guò)I2C總線讀取測(cè)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(cè)紅外輻射，采用雙敏感元互補(bǔ)方法能夠抑制由于溫度變化所帶來(lái)的干擾，從而提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。采集信號(hào)經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的信號(hào)處理芯片BIS0001，放大處理后輸出人員移動(dòng)狀態(tài)。有人員移動(dòng)時(shí)為高電平，無(wú)人員移動(dòng)時(shí)輸出低電平，其硬件框圖如圖5所示。
4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含智能終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器、路由器、DALI主機(jī)、DALI從機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，各個(gè)設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)均以C#語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。
4.1 DALI協(xié)議內(nèi)核
DALI從機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)植入DALI協(xié)議內(nèi)核，完成對(duì)DALI指令的解析與處理。DALI協(xié)議內(nèi)核分為三層，分別為I/O層、協(xié)議層和應(yīng)用層。其中I/O層主要完成定時(shí)器初始化、外部中斷初始化、I/O口初始化與數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等任務(wù)；協(xié)議層文件主要完成指令的解析與執(zhí)行、參數(shù)的寫(xiě)入與讀取、曼徹斯特編解碼等工作；應(yīng)用層主要完成從機(jī)的按鍵識(shí)別、低功耗、PWM輸出等功能。
4.2 Zig Bee網(wǎng)絡(luò)組成部分軟件設(shè)計(jì)
Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、DALI主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是基于Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的。
其中協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)，智能終端報(bào)文接收與發(fā)送等工作，工作過(guò)程如圖6所示。
DALI主機(jī)即終端節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)加入，報(bào)文解析，DALI消息接收，DALI指令發(fā)送，根據(jù)工作模式控制自動(dòng)控制燈具等功能。工作過(guò)程如圖7所示。
4.3智能終端軟件設(shè)計(jì)
智能終端以WinCE系統(tǒng)為操作平臺(tái)，WinCE操作系統(tǒng)具有較好的可靠性與實(shí)時(shí)性，支持多線程、基于優(yōu)先級(jí)可搶占式操作系統(tǒng)，它提供靈活的內(nèi)存訪問(wèn)機(jī)制，可以檢查出應(yīng)用造成的系統(tǒng)異常，抑制由于應(yīng)用不正常直接破壞系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。智能終端通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器通信，同時(shí)采用Microsoft Visual Studio2005編程技術(shù)和Access 2007數(shù)據(jù)庫(kù)完成開(kāi)發(fā)。智能終端的功能包括：用戶(hù)管理、狀態(tài)查詢(xún)、系統(tǒng)控制、其他等部分。智能終端功能模塊如圖8所示。
總結(jié)
本文基于Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與DALI總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種智能化照明系統(tǒng)。有線與無(wú)線的結(jié)合既減少了布線成本，提高了系統(tǒng)的靈活性，又融合了DALI系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的調(diào)光效果。智能終端的使用使監(jiān)控更加自動(dòng)化、智能化，減少人員工作量，提高服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)工作環(huán)境對(duì)照明要求的不同，采用分時(shí)控制、分區(qū)控制、傳感器自動(dòng)控制、集中控制等方式，在滿(mǎn)足節(jié)能的條件下達(dá)到最佳照明效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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