基于DALI和ZigBee集成网络的照明技术研究

庄裕浩，黄文鉴，陈宣仲，曾祥泽，吴为敬

(华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510641)

引言

随着科技的迅猛发展和人们环保意识的提高，智能照明的应用渗透到生活的各个方面，在打造安全、节能、舒适、高效的照明环境方面发挥着越来越大的作用[1]。

在智能照明系统中，网络的选择和构建是非常重要的，它决定了系统的稳健性、互操作性、施工难度和成本。按照网络信息传输的媒介不同，可以将其分为有线和无线网络两种类型。其中，有线网络在小规模的照明系统应用中具有低成本的优势，但在大规模的应用中会出现布线复杂，施工困难、灵活性降低等问题并进而导致成本太高；无线网络具有灵活性高，无需布线等优势，但其单个节点的成本比有线节点的要高。由于有线和无线网络各具优缺点，因此研究具有这两种网络优势互补的集成网络具有重要意义。

1 DALI和ZigBee协议简介

数字可寻址调光接口(Digital Addressable Lighting Interface，简称DALI)和ZigBee无线光链路(ZigBee Light Link，简称ZLL)是智能照明领域内被广泛认可的两种照明网络通信协议[2-8]。其中DALI作为一种有线照明总线于1994年被列入了国际电工委员会标准IEC60929，逐渐得到了推广和应用。而ZigBee则是一种基于IEEE802.15.4标准的无线个人局域网协议，其网络节点容量大、功耗低、具备自组网能力等优点，使其成为搭建智能照明网络的首选。2012年4月ZigBee联盟更是推出了专用于支持消费照明解决方案的公共应用子集ZLL，进一步推动了ZigBee在智能照明应用中的发展。

2 集成网络总体设计

2.1 集成网络基本原理

无线网络具有安装方便,无需布线等优点,但节点成本较高。有线网络节点成本低，但布线复杂，安装不方便。由于这两种网络各有优缺点，为了达到优势互补、取长补短的效果，本文提出一种折中的解决方法，即在无线网络协议ZLL的基础上扩展DALI有线网络协议，设计了一种无线和有线网络相结合的集成网络解决方案，在距离近、无布线障碍且灯具集中分布的灯具群内部采用有线网络进行控制，而距离远、布线不方便且分布较为分散的灯具群之间采用无线网络进行连接。这样即保留了无线网络组网的便捷性与灵活性，又进一步降低了系统的总成本。

2.2 集成网络设计方案

本文所设计的集成网络以ZLL网络为主，在其基础上进行DALI有线网络的扩展。为了保证与ZLL网络的兼容，DALI有线网络的实现将在ZLL网络的应用层上完成。集成网络的DALI接口位于灯具群主控单元上，该设备不仅是ZLL网络的路由器，同时也是DALI网络的主控单元，集成网络的拓扑结构依然是网状结构。图1所示为DALI/ZLL集成网络的结构。

从图1中可以看出，相对于传统的ZLL网络，扩展后的集成网络会表现出许多不同之处。集成网络在组网过程中依然采用了传统ZLL网络便捷的TouchLink机制，但TouchLink的目标节点已不仅是一个独立的灯具，而可能是一个扩展了DALI总线的灯具群主控单元，在这种情况下，TouchLink将导致灯具群中的所有灯具都接入到网络中。

2.2.1 集成网络的单播方案

DALI/ZLL集成网络中设备的地址由ZigBee短地址+DALI短地址组成，集成网络的单播寻址方式为先根据ZigBee短地址寻址到该节点所在的灯具群，再根据DALI地址在该灯具群中寻址到该节点。

2.2.2 集成网络的组播方案

ZLL网络的组播地址多达6.5万个，而DALI网络最多只有16个。这种巨大的差异，对集成网络的组播功能造成了一定程度的制约。本文中，组播寻址方式将按组播地址不同分为两种，其一是对于某特定的16个组播地址，先根据组播地址寻址到ZLL网络中属于该组的灯具群，再在这些灯具群内部根据组播地址寻址到属于该组的DALI设备；其二是对于其它的组播地址，先根据组播地址寻址到ZLL网络中属于该组的灯具群，再在灯具群内部实行DALI广播寻址到所有设备。

2.2.3 集成网络的广播方案

网络的广播要求可以寻址到网络中的所有设备。为了能兼容传统ZLL网络，集成网络的广播指令保持与传统ZLL网络一致。因此集成网络的广播寻址方式为先根据广播地址寻址到网络中的所有灯具群，再在灯具群内部实行DALI广播寻址到所有的设备。

2.3 集成网络的优势

相对于单一的ZLL或DALI网络，基于集成网络的智能照明系统将具备以下优势：

1)有效降低照明控制系统的建设成本。由于系统中部分节点采用有线连接方式，这些有线的DALI节点可以使用普通的51单片机或ARM架构的32位单片机来实现(如本文用到的价格为1美元左右的LPC1114)，其成本远低于无线的ZLL节点所采用控制器成本(如价格高达3.5美元左右的CC2530等)，因此单从控制芯片来看，集成网络照明控制系统相对于纯粹的ZLL网络照明控制系统可以大幅度地节约成本。

2)提高系统的兼容性。集成网络全面兼容ZLL协议和DALI协议。对于已经安装有DALI系统的住宅，可以借此直接升级到无线控制的方式。对于准备安装智能照明系统的用户在购买灯具时也可以有更多的选择。

3)极大提高了网络节点的数量。理论上其网络节点数量最大可以达到普通ZigBee网络节点数量的64倍，因此可以在规模更大的照明控制系统中得到应用。

3 集成网络硬件及软件设计

3.1 灯具群主控单元

灯具群主控单元实际上也是集成网络中的DALI/ZLL网关，不但具备传统ZLL灯具的所有功能，而且还集成有DALI总线接口。本文采用TI公司提供的片上集成系统CC2530作为其主控芯片。ZLL协议的实现采用TI公司提供的并通过ZigBee联盟认证的黄金单元Z-Stack Lighting1.0.2协议栈，DALI协议直接在该协议栈中实现，图2和图3描述了如何将DALI协议整合到ZLL协议栈中。具体过程如下：

图2 工作流程图1Fig.2 Work flow chart 1

图3 工作流程图2Fig.3 Work flow chart 2

1)系统上电后，完成ZLL网络的初始化工作；

2)在DALI接口底层驱动的支持下完成DALI网络的初始化工作；

3)在DALI接口底层驱动的支持下为DALI总线上未分配DALI地址的设备分配地址；

4)进入操作系统，开始系统轮询；

5)轮询并处理和ZLL网络相关的任务；

6)在DALI接口底层驱动的支持下轮询并处理协议栈中和扩展DALI网络相关的任务。

其中DALI接口底层驱动包含一系列驱动DALI总线的函数，以实现DALI信号的发送和接收。对于DALI的发送，首先需要将待发送指令进行曼彻斯特编码，然后启动CC2530的8位计时器T3，每隔416.67μs送出半位数据，直至发送完毕。对于DALI的接收需要使用CC2530计时器T3的捕捉功能并设置为上升沿和下降沿都产生捕获中断，当捕获中断发生时，记录中断发生的时间并通过I/O口读取电平状态，然后进行解码获得应答信号，完成信号的接收过程。

硬件的设计相对简单，只需在CC2530最小系统上增加DALI的发送(见图4)和接收电路(见图5)，完成CC2530的TTL电平到DALI电平的转换即可[10]。图中P07为CC2530的DALI发送引脚，P13和P14为其接收引脚，DALI0和DALI1为DALI总线接口。

图4 DALI接口发送电路Fig.4 Transmission circuit of DALI interface

图5 DALI接口接收电路Fig.5 Receiver circuit of DALI interface

3.2 控制桥

控制桥是上位机和DALI/ZLL集成网络之间信息交互的桥梁。控制桥同样采用TI公司提供的CC2530片上集成系统和黄金单元Z-Stack Lighting1.0.2协议栈。控制桥在硬件上不需要做任何扩展，软件方面的扩展也相对简单，只需在协议栈中增加一些获取DALI设备信息的指令并反馈给上位机，以便上位机有足够信息控制网络中的DALI设备。上位机即可以是普通的PC，也可以是专用的嵌入式设备。如果采用后者，则可以和控制桥一起构成专用的控制网关，以便将集成网络的信息上传到互联网或通过WiFi进行发送，从而提供网页控制、手机APP控制和云服务等高级功能。

3.3 DALI从控单元

DALI从控单元可以是任何一种符合DALI协议的灯具，本文采用了一款主控芯片为LPC1114、符合DALI协议标准的可调光LED灯具。LPC1114是NXP公司生产的低价位、低功耗、高性能，基于ARM架构Cortex-M0内核的32位处理器，价格大约为一美元左右。

4 上位机程序设计

完整的照明控制系统除了要有底层照明通信网络的支持外还需有一个简单、易用、美观的上位机软件以方便用户对照明网络及网络中的设备进行统一管理。本文所设计上位机软件运行在PC上，采用美国NI(National Instruments, 美国国家仪器)公司研制开发的图形化编程语言LabVIEW编写，包括系统管理员界面、设备管理界面和设备操作界面，并通过一个选项卡进行组织。其中系统管理员界面主要用于设置上位机和控制桥之间通信的相关参数，另外就是对集成网络照明控制系统的一些重要属性进行配置，包括将网络中某些设备恢复出厂设置，如图6所示。设备管理界面用于向系统中添加新设备、修改设备备注名称、查看设备信息等，如图7所示。设备控制界面用于控制集成网络照明控制系统的灯光效果，包括控制灯具设备的开关、亮度、颜色和饱和度等，如图8所示。图9所示为在该上位机程序控制下基于DALI和ZigBee的控制照明系统的实际效果图。当然，除了使用上位机程序进行控制外，也可以和传统的ZLL网络一样，使用遥控器进行更直观的控制，包括控制灯光设备的开关、颜色和亮度等较为简单的功能。

图6 系统管理员界面Fig.6 Administrator interface

图7 设备管理界面Fig.7 Device management interface

图8 设备控制界面Fig.8 Device control interface

图9 实际效果图Fig.9 The photo of actual effect

5 结论

本文所提出的DALI/ZigBee集成网络解决方案可以解决单一网络照明控制系统的弊端，进一步降低照明控制系统的建设成本，提高系统对不同网络的兼容性，解决大规模照明控制系统中网络地址不足等问题，符合当前智能照明控制系统的需求，具有很高的实用和研究价值。

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