基于ZigBee?DALI协议的智能照明系统设计

弓盼　王嘉梅　孙善通

摘要：针对目前商业照明系统耗电严重、控制不灵活、智能化程度低等问题，提出一种将ZigBee技术与数字可寻址照明接口（DALI）协议相结合的智能照明控制系统方案。取其无线与有线的特性应用于智能照明控制中，以达到节约安装成本，智能化系统控制、低耗节能的效果。介绍了系统架构，对系统进行硬件设计与软件设计。实际应用表明系统稳定、可靠、节电效果好。

关键词：DALI； ZigBee； 智能照明； 传感器

中图分类号： TN911?34； TP271 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0063?04

Abstract： Aiming at serious consumption， inflexible control， and low intelligence of the current commercial lighting system， a scheme that combines ZigBee technology with the digital addressable lighting interface （DALI） protocol is proposed. In which its wireless and wire characteristics are applied to intelligent lighting control to achieve the effects of installation cost saving， intelligent system control， low?power consumption. The system architecture， hardware design and software design are introduced in this paper. The application effect shows that the system is stable， reliable and energy?saving.

Keywords： DALI； ZigBee； intelligent lighting； sensor

0 引 言

随着人们生活水平的提高，对于商业照明也提出了更高的要求，不仅仅要为消费者提供一个舒适的购物环境，实现最大限度的节能，同时，还要兼顾智能化、集中化的控制方式，给管理人员提供方便，这些对照明系统提出了更多的要求，传统的照明技术已无法满足人们多元化的要求[1]。针对以上问题，本文提出了一种集ZigBee无线网络、DALI总线协议两种技术的特点，取其无线与有线的特性应用于智能照明控制的解决方案。数字可寻址照明接口（DALI）因其具有的低成本、易安装、可级联以及系统重构灵活等特点，被广泛地应用于数字化照明领域当中。而 ZigBee作为一种无线个人局域网，因其具有低成本、低功耗、低数据速率的特点，也常被应用于智能家居当中[2]，将DALI总线协议嵌入ZigBee无线网络中，不仅扩大了系统控制范围，而且节约了布线成本。该系统通过智能控制面板对DALI总线上的其他节点设备进行监控和管理，从而实现对整个商场照明的监控和管理。

1 DALI协议简介

数字可寻址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface， DALI）总线协议是一种开源的，并且专门用于照明控制的协议标准。其具有调光、场景选择和灯具地址分配等功能。DALI系统工作在主从模式：一个DALI主机最多控制64从机。该通信采用异步半双工串行通信方式，双线差分驱动，两线压差值在9.5～22.5 V之间为高电平，在-4.5～4.5 V之间为低电平，总线上的电流不能超过250 mA，每个设备消耗的电流不超过2 mA。DALI信号采用曼彻斯特编码方式，波特率为1 200 b/s。

2 系统总体设计方案

基于ZigBee?DALI协议的智能照明系统是由DALI系统主机、DALI系统从机、智能终端、协调器、路由器以及传感器节点所组成的分布式控制系统[3]。系统中智能终端与DALI系统主机属于控制器；传感器节点为输入设备，用于采集环境变量，并通过DALI总线发送给DALI主机；DALI从机属于执行器，主要负责接收并解析DALI指令，完成对灯具的控制；智能终端与DALI系统之间报文的无线传递是通过 ZigBee网络来实现的，该网络是由协调器、路由器节点以及DALI主机共同组成。DALI总线电源模块安装于配电箱内，可以给DALI主机、DALI从机和传感器供电。

信号传输流程说明如下：一方面智能终端将灯具控制命令与传感器参数配置命令以Modbus协议报文的形式通过串口发送给协调器，协调器将报文通过无线ZigBee网络发送给DALI主机，DALI主机解析报文并以DALI指令形式转发给DALI从机或传感器，从而完成对灯具的控制或对参数的配置等工作；另一方面，如果DALI从机或传感器接收到的是查询指令，传感器或DALI从机根据查询指令类型，将环境参数，或设备参数按照灯具控制指令相反的路径传送给智能终端；并且传感器会根据设置的消息发送周期将环境参数以DALI消息的形式定时发送给DALI主机，DALI主机根据环境信息对所在区域的灯具进行控制。系统总体结构框图如图1所示。

系统以带有WinCE操作系统的平板设备作为监控中心，用户通过操作安装在控制室的智能终端即可实现对灯具的监控，从而方便地完成以下功能：

（1） 实现对灯具的单灯控制、组地址控制、广播方式控制以及场景切换等功能；

（2） 对DALI从机与传感器进行初始化地址分配与参数分配；

（3） 根据划分工作时间段，设置灯具的工作模式，使灯具在不同时间段工作于不同的亮度等级；按周循环设置灯具工作模式，使灯具在周内、周末和节假日工作于不同的工作模式；

（4） 系统根据设置的工作模式与环境信息，智能化控制灯具；

（5） 查询实时灯具亮度与环境参数，方便管理人员对超市整体照明情况进行监控与管理。

3 系统硬件设计

系统的硬件包括智能终端硬件设计、协调器、路由器、DALI主机硬件设计、传感器节点硬件设计、DALI从机硬件设计。

3.1 智能控制面板硬件设计

智能终端以德州仪器公司OMAP3530微控制器为核心，包括控制SD卡接口电路、UART接口电路、实时时钟接口电路、触摸屏电路、处理器外围电路、电源电路、JTAG接口电路等。智能终端的硬件电路总体框图如图2所示。

3.1.1 SD卡接口电路

为了使智能终端在掉电的情况下，依然能够保持数据的完整性，智能终端选用SD卡作为存储设备。SD卡的读/写有两种总线模式可供选择：一种是SPI总线模式；另一种是 SD总线模式。相比之下，SD总线模式的传输速度更快，但是SPI总线模式时序简单通用，考虑到本系统的数据量较小，对数据的读取与存储频率低，因此采用SPI总线模式。

3.1.2 实时时钟电路

实时时钟电路选用实时时钟芯片PCF8563，使用标准的I2C接口，可在系统掉电的情况下，继续进行计时，同时还为商场LED照明的定时控制提供时间基准。

3.1.3 触摸屏电路

触摸屏电路为用户提供了良好的人机交互界面，方便用户对其进行操作。本系统采用了7寸电容式触摸屏，可以给用户更好的操作感受。

3.2 协调器硬件设计

协调器在整个ZigBee无线网络的建立以及维护过程中起着极为重要的作用。协调器、路由器、DALI主机的微控制器均选用德州仪器公司的CC2530芯片。CC2530的片内外设包括调试、闪存控制器、I/O控制器、ADC、AES加密/解密内核、DMA控制器、定时器、随机数发生器、看门狗、UART等模块。8 KB的SRAM和32 KB可编程FLASH。利用丰富的片内外资源，用户可以进行相应的应用开发[4]。

一方面，协调器将DALI系统中传感器采集到的环境信息和灯具状态等信息上传给智能终端；另一方面，智能终端发送的灯具控制命令通过协调器经ZigBee无线网络转发给DALI主机[5]。其中协调器与智能终端的通信由UART接口电路负责。如图3所示。

3.3 DALI主机硬件设计

DALI主机同时作为ZigBee网络的的终端，通过射频模块接收路由器发送来的报文信息，解析后转发给DALI从机和传感器节点。

与协调器电路不同的是，DALI主机省去了电源模块和UART接口电路，增加了DALI接口电路，DALI接口电路非隔离式的设计。一方面通过将DALI主机与DALI总线相连接，从而完成DALI指令的接收与发送；另一方面DALI接口电路从总线取电，为DALI主机提供电源。省去了电源电路的设计与供电布线[6]。

3.4 DALI从机硬件设计

DALI从机电路主要由驱动电路和控制电路两部分构成，如图4所示。灯具控制电路以STM8S105C6微控制器为核心，由四部分电路组成，包括Debug 调试接口、复位电路、振荡电路以及DALI接口电路[7]。

驱动电路主要由四个部分组成，包括 PFC功率因数校正电路、AC/DC转换电路、恒流源电路和DC/DC降压电路，通过调节微控制器输出PWM占空比[8]，从而来改变恒流源输出电流的大小，以此方式得到输出的恒定电流具有较高的精度，确保了LED光源亮度的一致性。

3.5 传感器节点硬件设计

传感器节点安装在过道或窗户旁，用于采集环境亮度与人员流动状况，以发送实时环境消息给DALI主机。

照度传感器选用BH1750，微控制器通过I2C总线读取测量值。占用传感器以DS203为核心，该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双敏感元互补方法能够抑制由于温度变化所带来的干扰，从而提高了传感器的工作稳定性。采集信号经过专用的信号处理芯片BIS0001，放大处理后输出人员移动状态。有人员移动时为高电平，无人员移动时输出低电平，其硬件框图如图5所示。

4 系统软件设计

本系统的软件设计主要包含智能终端设备、协调器、路由器、DALI主机、DALI从机与传感器节点软件设计，各个设备的软件设计均以C语言为开发语言。

4.1 DALI协议内核

DALI从机与传感器节点通过植入DALI协议内核，完成对DALI指令的解析与处理。DALI协议内核分为三层，分别为I/O层、协议层和应用层。其中I/O层主要完成定时器初始化、外部中断初始化、I/O口初始化与数据的发送与接收等任务[9]；协议层文件主要完成指令的解析与执行、参数的写入与读取、曼彻斯特编解码等工作；应用层主要完成从机的按键识别、低功耗、PWM输出等功能。

4.2 ZigBee网络组成部分软件设计

ZigBee网络中协调器节点、路由器节点、DALI主机的软件设计是基于Z?Stack 协议栈和IAR集成开发环境开发的[10]。其中协调器完成组网，智能终端报文接收与发送等工作，工作过程如图6所示。

DALI主机即终端节点，完成网络加入，报文解析，DALI消息接收，DALI指令发送，根据工作模式控制自动控制灯具等功能[11]。工作过程如图7所示。

4.3 智能终端软件设计

智能终端以WinCE系统为操作平台，WinCE操作系统具有较好的可靠性与实时性，支持多线程、基于优先级可抢占式操作系统，它提供灵活的内存访问机制，可以检查出应用造成的系统异常，抑制由于应用不正常直接破坏系统的危险性。智能终端通过串口与协调器通信，同时采用Microsoft Visual Studio 2005编程技术和Access 2007数据库完成开发。智能终端的功能包括：用户管理、状态查询、系统控制、其他等部分。智能终端功能模块如图8所示。

5 结 语

本文基于ZigBee无线网络与DALI总线协议，设计了一种智能化照明系统。有线与无线的结合既减少了布线成本，提高了系统的灵活性，又融合了DALI系统的优点，具有较好的调光效果。智能终端的使用使监控更加自动化、智能化，减少人员工作量，提高服务质量。根据工作环境对照明要求的不同，采用分时控制、分区控制、传感器自动控制、集中控制等方式，在满足节能的条件下达到最佳照明效果，具有一定的应用价值。

参考文献

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[5] 王党树，王新霞.基于ZigBee技术的矿井监测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2013（3）：53?54.

[6] 凌志浩，周怡頲，郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报（自然科学版），2006（7）：801?805.

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[10] 刘锴，吴明光.数字可寻址照明接口协议及其应用[J].电气自动化，2004（3）：5?8.

[11] 刘志立.基于DALI的LED照明控制系统设计及可靠性分析[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.