基于TCP/IP 及DALI 总线技术的智能照明控制系统

张玉杰，吴安安

(陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安710021)

随着物联网技术以及网络技术的不断进步，控制设备间的数据传输量逐渐增大以及所要实现的功能更加多样化，采用多种总线互联、融合的方式改善传统照明控制方式单一、智能程度低的缺点，实现丰富的照明场景、便捷的照明控制以及高效的能源利用将成为照明发展的趋势［1］。

DALI(Digital Addressable Lighting Interface)作为标准的照明接口协议，已成为国际电子电工协会标准(IEC62386)，它具有灵活的控制方式、低廉的价格优势等，备受照明控制领域的青睐［2］。但是由于DALI 系统组网规模小的缺点限制了它的推广和应用;以太网作为广域网基础骨干网络已经非常普及。将以太网与DALI 系统互联的方式实现DALI 系统的扩展，使得DALI 命令能够在以太网上传输，从而DALI 系统将不再受传输距离以及灯具数量限制。另一方面，出于低功耗方面的考虑，在DALI 系统中接入照度及人流量探测传感器，控制DALI 灯具亮度的自动调节;并且控制面板具有预设定工作时间表的功能，照明设备根据时间表定时开关灯及调节灯具亮度，从而实现照明系统的自适应以及低功耗的控制。

1 系统整体架构

智能照明控制系统主要由智能控制面板、TCP/IP－DALI网关、DALI 电源、DALI 传感器模块以及灯具节点组成。图1所示为智能照明系统的整体结构。智能控制面板固定在监控室的墙面上，通过网络模块接入以太网，当用户操作智能面板时，指令通过以太网发送至TCP/IP－DALI 网关，网关将TCP/UDP 数据报文转换为DALI 指令，实现对灯具节点的参数配置和亮度调节，另一方面灯具节点将状态信息上传至TCP/IP－DALI 网关，继而通过网关反馈至智能控制面板。系统旨在为用户提供安全、舒适、便捷及低能耗的照明管理方式。

图1 系统整体结构图

智能控制面板作为系统的监控中心，接收用的户操作指令实现对灯具的管理。除了能够进行单灯控制、分组控制、场景记忆以及场景切换这些操作外;还具有对DALI 系统初始化调试的功能，在DALI 系统搭建完毕后，实现对DALI 系统的初始化调试以及相关参数的设置;智能控制面板还具有预设时间表的功能，使照明系统在不同的时段有不同的工作模式，提高系统自动化管理能力，最大限度地避免能源浪费。

TCP/IP－DALI 网关接收智能面板的控制指令并担任DALI 主机的角色，将智能面板的指令转发给灯具节点，实现对灯具的控制，并且灯具节点能够将状态信息通过网关回馈至智能面板。TCP/IP－DALI 网关包含完整的TCP/IP 协议栈以及DALI 协议栈，并实现DALI 协议与TCP/IP 协议相互转换。DALI 照明控制系统与TCP/IP 相结合，将DALI 系统作为TCP/IP 的子系统接入以太网，弥补了DALI 控制规模小限制的缺点。

DALI 传感器节点通过定时轮询的方式对灯具周围环境亮度以及人流量信息进行检测，传感器将采集到的信息经过网关反馈至智能控制面板，面板通过这些数据对相应区域的灯具进行实时的亮度控制，实现智能化、人性化的管理方式。

灯具节点由DALI 从机、LED 灯具驱动模块以及LED 灯具这3 部分组成。DALI 从机能够执行网关转发智能面板的指令，执行调光、存储系统参数以及反馈灯具状态等任务。从机的MCU 将PWM 信号输出至LED 驱动电路的调光引脚，通过逐级改变PWM 信号的占空比实现对LED 灯具亮度的平滑调节。

2 系统硬件设计

系统的硬件主要包括智能控制面板硬件、TCP/IP－DALI 网关、DALI 电源、DALI 传感器节点硬件以及LED 灯具节点。

2.1 电源模块设计

所述电源模块为DALI 总线进行供电，DALI 总线连接一电源模块，电源模块输入220 VAC，输出16 VDC，同时为传感器节点、灯具节点的控制部分供电。

2.2 智能面板设计

控制面板采用以Cortex－M3 为核心的32 位微控制器STM32F103ZET6，最高频率可达72 MHz，高达64 kbyte 的SRAM，512 kbyte 的ROM，包含4 个通用16 位定时器和2 个PWM 定时器，以及2 个I2C 接口、3 个SPI 接口、2 个I2S 接口、5 个USART 接口等，具有睡眠、停机和待机3 种低功耗模式，控制面板的硬件框图如图2 所示。

图2 DALI 智能控制面板硬件框图

1)存储电路

为保证系统在掉电或断网的情况下数据不丢失，采用SD卡作为智能控制面板的存储设备。SD 卡的供电电压为3.3 V，通过SPI 模式与微控制器进行数据交换。

2)触摸屏电路

触摸屏电路为用户提供便捷的人机交互方式，通过点按屏幕选择选择相应菜单及功能。

3)网络接口电路

智能面板通过网络接口连接到以太网，实现与在以太网上其他设备之间的相互通信。

4)实时时钟电路

实时时钟电路选用PCF8563，它具有I2C 总线接口且功耗的极低多功能时钟/日历芯片;为智能面板实现定时控制、设定工作时间表提供时间基准。

2.3 DALI-TCP/IP 网关硬件设计

网关采用以Cortex－M0 为核心的微控制器SN32F248，该处理器内部集成了8 kbyte RAM 以及64 kbyte 可编程Flash，主频高达50 MHz，16 位与32 位定时器各3 组，具有普通、睡眠、深度睡眠和深度掉电4 种工作模式。网关的硬件设计包括DALI 接口电路设计以及TCP/IP 网络模块设计，实现DALI指令与以太网数据的交换。总体结构如图3 所示。

图3 DALI－TCP/IP 网关总体结构图

2.3.1 TCP/IP 网络模块设计

TCP/IP 通信模块的网络接口芯片选择RTL8019AS，它是全双工即插即用的一款高集成度的以太网控制器。由于通信模块接口接入以太网不可避免地会引入噪声信号，需要在TCP/IP 网络通信模块的接口与以太网连接的中间放置网络变压器，而且还能够起到隔离的效果;选用网络变压器的型号为PM44－11BP。RTL8019AS 通过4 根地址总线、16 根数据总线、3 个读写时序控制引脚以及软启动引脚(RSTDRV)与微控制器相连。RTL8019AS 与PM44－11BP 之间通过TPIN+、TPIN－、TPOUT+以及TPOUT－这4 个引脚的连接实现双绞线上差分信号的发送与接收，PM44－11BP 的4 个引脚Tx+、Tx－、Rx+、Rx－则与RJ－45 接口相连［3］。

2.3.2 DALI 接口电路设计

DALI 系统通过DALI 接口电路实现通信功能，主要完成TTL 电平与DALI 协议规定标准电平之间的转换，DALI 协议规定高电平的范围是9.5 ～22.5 V，低电平的范围是－6.5 ～6.5 V，且总线上的电流不大于250 mA。

DALI 接口电路如图4 所示，D_DATA1 和D_DATA2 连接到DALI 总线上。U2、U3为光电耦合器，采用隔离的方式保证通信电路的可靠性。整流桥D4将DALI 总线上的差分信号转化为直流信号。发送部分由D4、V3及U3组成，发送高电平时，DALI_TX 为高，U3不导通，DALI 总线维持高电平;发送低电平时，则DALI 总线电平变低。接收部分D4、V1、V2、U2及VD5组成，接收数据时，若总线电平为高，V1导通，U2导通，VD5反向击穿，DALI_RX 为高电平;若总线电平为低，则DALI_RX 为低电平。

图4 DALI 接口电路

2.4 传感器节点硬件设计

传感器节点包括光照传感器与行动探测器这两个部分。光照传感器的核心部件是光敏电阻。其阻值取决于外界环境的光强，亮度越大，电阻越小;光照度传感器采用具有I2C 接口的芯片BH1750FVI，实现对外界的光强度进行信息采集。行动探测器采用BISS0001 传感信号处理模块，当有人出现在它的探测区域内，感光元件可产生极化压差，便触发有人的识别信号。传感器节点定时地进行状态轮询，上传其采集到的灯具附近的环境亮度和人流量。图5 为硬件框图。

图5 传感器节点硬件框图

2.5 灯具控制模块的设计

如图6 所示为灯具控制模块硬件框图。DALI 灯具控制模块在DALI 从机的基础上加入了LED 驱动模块。LED 驱动电路主要包括AD/DC 转换电路、PFC 功率因数校正电路、BUCK 降压电路以及恒流源控制部分。MCU 将PWM 调制信号输出至恒流源驱动芯片的调光引脚，通过逐级改变PWM信号的占空比来改变恒流源的输出电流比，实现对LED 灯具亮度的平滑调节。

图6 灯具控制模块硬件框图

3 系统软件设计

系统软件采用分层设计的思想，将软件划分为几个不同的层次。每一层实现各自的功能，相邻两层之间通过接口函数相互通信，层与层之间具有较低耦合度。这种方式能够提高系统的可维护性与移植性，保证了系统良好的扩展性。

3.1 智能面板软件实现

智能控制面板为用户提供一个友好的可视化交互界面，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单操作界面，如图7 所示，它的功能包括:用户管理、系统调试、信息查询、灯具分组控制与场景切换，工作模式设置等部分。

3.2 TCP/IP-DALI 网关软件实现

1)TCP/IP－DALI 网关软件架构

网关的软件架构如图8 所示，由硬件驱动层、网络协议层和应用层这3 个部分组成。DALI 通信模块包括DALI 底层驱动函数，协议栈层主要的功能是完成内存管理、数据管理以及DALI 指令的解析和发送等。应用层根据系统的功能要求专门制定［4］。TCP/IP 通信模块的硬件驱动层包括RTL8019AS网卡驱动。为实现一种精简的TCP/IP 协议栈，对传统的TCP/IP 协议栈进行针对性的裁剪，经裁剪后的协议包括数据链路层的ARP 协议、网络层的ICMP 协议与IP 协议、传输层的TCP 协议与UDP 协议。DALI 以及TCP/IP 的数据解析及转换是通过进程间的通信完成的［5］。

图7 DALI 智能控制面板功能模块图

图8 DALI－TCP/IP 网关软件架构

2)TCP/IP－DALI 网关协议转换的实现

图9 为TCP/IP 转DALI 流程图，当网关接收到控制面板发来的TCP/UDP 报文数据后，将按照TCP/IP 协议层的顺序对数据进行逐层分解。网络接口层将封装好的以太网数据进行校验和去报头后，传输给网络层IP 协议;IP 协议再次去报头、校验后交给传输层TCP/UDP 协议;TCP 协议或UDP 协议读取报头信息之后对端口与地址进行验证;将确认无误的信息发送给DALI 协议模块;DALI 协议层接收到数据后执行数据帧解析任务，若判断当前总线处于空闲状态，则发送前向帧至DALI 总线［6］。

图10 为DALI 转TCP/IP 流程图，当网关接收到控制面板发送给DALI 灯具节点的查询报文后，存储灯具节点的状态信息并反馈至智能控制面板。网关作为DALI 主机设备，定时对灯具节点的状态轮询，当检测到灯具状态异常的情况，发送报文给控制面板，实现状态实时监测的功能。

4 应用测试

如图11 所示为系统测试网络结构图，包括1 个智能控制面板、1 个TCP/IP－DALI 网关、4 个LED 灯具模块、1 个传感器模块以及电源供应。经反复测试，控制面板能够实现对灯具正常的进行初始化调试、单灯/分组控制、场景调用及记忆及设置系统工作时间表，并汇总灯具反馈的状态信息。

图9 TCP/IP 转DALI 流程图

图10 DALI 转TCP/IP 流程图

图11 系统测试网络结构图

TCP/IP－DALI 网关的测试，是将网关一端的网络接口与服务器的网络接口相连，通过PC 机上的Windows 超级终端来设置好服务器IP 地址以及服务器端口并接收和发送TCP/UDP 报文［7］，网关的另一端通过DALI－LINK 接入PC 机，通过DALI 上位机软件实现DALI 指令的收发控制;测试结果表明DALI 指令与以太网数据能够实现正常转换。

传感器节点能够灵敏感知灯具周围环境光照度以及人流量变化，达到合理开关灯、调节灯具亮度的效果。经过实验室的测试，系统能够稳定的工作。

5 结束语

本文提出将具有网络接口的智能控制面板作为系统的监管中心;TCP/IP－DALI 网关实现TCP/IP 与DALI 协议的转换;传感器节点检测通过灯具区域周围的光照度及人流量信息实现自动控制;智能照明控制系统实现TCP/IP 网络与DALI 系统互联，将DALI 系统作为TCP/IP 的子系统，拓展了DALI 系统的应用。经实验结果表明，系统能够解决传统照明管理不便、布线繁杂以及智能化程度低以及能耗高的问题，具有广阔的应用前景。

［1］王飞，佘咸宁，许锦标，等.基于DALI 协议的LED 智能照明系统设计［J］.广东工业大学学报，2013(4):79－82.

［2］陈波，吴明光.DALI 系统的研究与开发［J］.低压电器，2006(6)，27－30.

［3］张玉杰，郑培.KNX－TCP/IP 协议转换网关的设计与实现［J］.自动化仪表，2014(12):49－52.

［4］张丁丁，孙志毅.TCP/IP 协议栈的实现方法［J］.工业控制计算机，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］蒋月红，马小军，殷文龙.智能照明控制通信协议的应用分析［J］.电气应用，2013(18):28－32.

［7］兰少华.TCP/IP 网络与协议［M］.北京:清华大学出版社，2014.