基于DALI协议的照明系统配置工具设计

张玉杰，邱金妮，周 洁

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

基于DALI协议的照明系统配置工具设计

张玉杰，邱金妮，周 洁

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

本文针对数字可寻址照明接口(DALI)系统在现场施工中组网麻烦和配置工序繁琐、操作不便等问题，提出一种基于Android并符合IEC62386国际标准的DALI照明系统组网和配置工具。本设计的Android手持设备端通过蓝牙4.0与DALI配置工具硬件工具进行无线通信，实现了DALI系统控制设备以及控制装置的地址分配、地址识别、相关参数设置以及状态查询等功能，经系统测试，该工具运行稳定，可正确的完成配置功能，实现了本文设计的功能要求。

DALI照明系统；Android；IEC62386国际标准；配置；蓝牙4.0

引言

基于数字可寻址照明接口(DALI)的照明系统以其结构简单、灵活等特点在智能家居领域被广泛应用。DALI系统中包括控制设备和控制装置等设备， device(控制设备)是指连接到DALI接口上的设备，并用于发送指令控制其他连接到相同接口上的设备。gear(控制装置)用于给灯具提供电源，接收控制指令并直接控制灯具的装置。

但由于目前DALI系统的gear采用基于PC机的线缆连接式配置方式，如国内深圳百乐思特公司自主研发的基于PC机的DALI Workbench软件和DALI_LINK硬件工具。device的配置采用手动拨码开关配置方式，为了不影响人们的视觉效果及美观感受，device的安装位置都比较高或者偏，手动拨码极为不便，现场施工也具有一定的危险性。随着2014年国际标准IEC62386再度完善，即DALI系统多个device之间的通信机制及其编址、通信、数据交互等问题的规范，目前市场上的DALI系统配置方式显得功能单一、缺乏灵活性。因此设计一种简单、灵活的并符合IEC62386国际标准的DALI系统gear和device配置工具已经成为DALI系统在实际应用中的关键性问题。

本文将结合IEC62386国际标准DALI协议，实现在Android平台利用蓝牙4.0对DALI系统的device和gear进行无线配置操作，这种方式避免了在现场施工中传统繁琐的线缆连接带来的不便，也有效的解决了手动拨码的不便，同时不仅适用于整个DALI系统的配置，而且兼容传统的DALI系统配置。

1 总体设计方案

基于Android的DALI系统配置工具包括DALI配置工具和手持配置端app两部分，两者通过蓝牙4.0实现数据交互，通过手持配置端的操作，实现对DALI系统的device、gear的地址分配，地址识别、状态查询、校准以及相关参数等的配置，如控制方式选择、场景设置等参数的设置，手持设备端具体功能框图如图1所示。

图1 手持设备端功能框图Fig.1 The block diagram of handheld devices function

基于Android的DALI系统配置工具的总体结构如图2所示。

图2 总体结构框图Fig.2 The overall structure diagram

DALI配置工具由DALI接口电路、MCU以及蓝牙通信电路组成。其中DALI接口负责满足DALI配置工具与DALI总线通信的电气特性要求。MCU需要实现DALI协议栈、存储系统及配置参数等功能；蓝牙通信电路负责实现蓝牙协议栈、接收手持配置端操作指令和发送DALI系统反馈信息等功能[2]。

基于Android的DALI系统配置工具的工作过程为：当CC2541蓝牙模块接收到手持配置端配置指令后，进行解析、重新封装后通过串口USART转发给MCU，MCU对蓝牙指令进行解析，并处理为DALI数据帧格式，通过DALI接口电路将指令发给DALI总线，如果此时DALI总线有反馈信息，MCU则等待接收，MCU又将数据进行解析及封装，通过蓝牙模块发送至手持配置端。

2 DALI配置工具硬件设计

DALI配置工具以基于ARM Cortex-M0的微控制器SN32F707作为DALI配置工具的MCU，其主要功能特性有：①32k字节的内置Flash可编程存储器，RAM多达8k字节；②43个GPIO引脚，可配置为上拉或下拉模式，可响应电平或边沿触发中断；③2个16位和2个32位通用定时器；④2个带有波特率发生器的USART控制器。

DALI配置工具硬件电路包括DALI接口电路、蓝牙通信电路、调试接口、LED指示、外部晶振等，DALI配置工具的工作电源均由DALI总线电源提供，其硬件总体框图如图3所示。

图3 DALI硬件框图Fig.3 DALI hardware block diagram

2.1 DALI接口电路

DALI系统与DALI配置工具通信必须满足DALI协议的电气特性。DALI总线采用双线差分驱动，总线传输高电平时电压差在9.5V～22.5V，传输低电平时电压差小于6.5V，总线电流小于250 mA的电气参数规范。为了保证通信电路的稳定可靠，本文使用光电耦合器进行隔离[3]。

DALI接口电路的设计如图4所示，空闲时，DALI总线保持高电平，接收电路由U2、U3、R4、R5、和稳压管D2构成，当DALI总线为高电平时，电流经整流桥B1流经D2，通过R5和U3后产生1 mA的电流用来驱动光耦合器U2，U2导通后，DALI_RX为低；当DALI总线为低电平时，U2不导通，DALI_RX为高。发送电路由T1、U1、R1、R2、R3构成，当DALI_TX为高电平时，U1 、T1不导通，DALI总线维持高电平；当DALI_TX为低电平时，U1、T1导通，DALI回路流经整流桥和T1，整个回路阻抗很小，几乎为0，故DALI总线为低电平。

图4 DALI通信电路Fig.4 DALI communication circuit

2.2 蓝牙通信电路

本文选用CC2541蓝牙4.0芯片作为蓝牙通信模块的主控制器，CC2451集成了2.4GHz射频收发器，是一款完全兼容8051内核的无线射频单片机，CC2541有两个串行通信接口：USART0、USART1，它们能够分别运行于异步UART模式或者同步SPI模式。两个USART具体同样的功能，也可以作为I/O口使用。本设计中USART0采用异步UART模式，用于蓝牙通信模块与DALI通信模块之间的通信；USART1采用同步SPI模式，用于程序的下载和调试。

蓝牙通信电路框图如图5所示，CC2451外围电路包括时钟电路、阻抗匹配电路及单极性PCB天线等。时钟电路采用2个外部晶振，32MHz晶振和32.768KHz晶振。天线设计可以使用PCB天线，如倒F天线、螺旋天线等，本文中选用倒F天线。阻抗匹配电路实现将由CC2451输出的双端信号转换成两倍的单端信号输出以达到与倒F天线的匹配。CC2541通过串口与微控制器SN32F707进行数据交换。

图5 蓝牙通信电路Fig.5 Bluetooth communication circuit

3 系统软件设计

3.1 DALI配置工具软件设计

DALI配置工具的软件设计采用模块化的思想，将每个功能模块划分为不同的层次，每一层实现各自的功能，相邻层之间通过接口函数进行数据交换，不同功能模块之间通过应用层进行通信，这种方式降低了层与层之间的耦合程度，提高了系统的可维护性和移植性。

3.1.1 软件架构

根据系统的设计要求，软件部分主要实现的功能包括：①按照modbus协议的要求实现手持配置端与蓝牙模块的数据交换，即能够正确接收和发送配置指令；②MCU与CC2541蓝牙模块通过串口进行数据交互；③MCU按照DALI协议与DALI总线进行通信，即能够正确接收和发送DALI数据。

DALI配置工具的软件架构图如6所示。

图6 DALI配置工具软件架构图Fig.6 DALI configuration tool software architecture

3.1.2 DALI通信模块软件设计

本文将DALI通信模块软件分为应用层、协议层和底层驱动层。底层驱动层是直接与硬件相关的驱动程序，如GPIO驱动、USART驱动等，协议层主要完成DALI协议栈的设计，包括DALI指令的发送及解析、冲突检测、指令优先级配置等功能。应用层则实现具体的功能。

根据DALI配置工具的功能需求，将DALI通信模块的软件分为以下几个任务：

1)串口任务：将DALI后向帧数据发送给蓝牙通信模块；接收、解析并转发蓝牙通信模块串口的数据命令；

2)DALI数据收发任务：发送DALI通信模块串口接收的数据至DALI总线；接收、解析、转发DALI控制设备或者控制装置经DALI总线回复的后向帧数据；

3)轮询任务：定时轮询DALI总线上的所有设备的状态信息，如果检测到故障，则立即发送该信息给蓝牙通信模块，并以Message短信消息的形式发送至手持配置端。

3.1.3 蓝牙通信模块软件设计

本设计中的蓝牙通信部分软件使用TI公司的蓝牙协议栈，该协议栈采用OSAL系统，程序开始运行后进入初始化程序，完成对软硬件初始化，随后系统会根据任务优先级不间断的对各个任务各个事件进行扫描，当扫描到有任务需要执行时，系统会根据优先级逐次执行。根据系统功能，蓝牙通信部分应用层软件任务划分为：

1)设备状态扫描任务：周期性的对蓝牙设备状态进行扫描，监测是否连接正常，不正常则尝试重新自动连接，尝试失败则返回故障信息至手持配置端；

2)蓝牙收发任务：接收手持配置端的命令，发送串口接收的数据至手持配置端；

3)串口收发任务：实现与DALI通信模块的数据交互，完成串口数据的接收和发送；

4)串口数据处理任务：主要用于处理接收的数据，如校验，解析，重新封装等处理；

5)LED指示任务：完成系统状态的指示工作。

3.2 手持设备端APP软件设计

手持设备端APP软件设计以Android操作系统为开发平台，主要包括用户界面、软件通信及数据存储等三大任务：①Android系统为开发者提供了丰富的类库，整个平台具有良好的开放性和可扩展性，使人机互动界面人性化；②软件通信采用蓝牙Socket通信方式，即客户端与服务器双方建立起连接后直接进行数据的传输，在连接的同时实现信息的主动推送，而不需要每次由客户端服务器发送请求。并且Socket通信具有数据丢失率低，使用简单且易于移植等特点；③数据存储采用SQLite数据库，SQLite支持NULL、INTEGER、REAL、TEXT等数据类型，通过SQLiteDatabase类和SQLiteOpenHelper类实现数据的增加、删除、修改以及查询等操作。手持设备端部分界面如图7所示。

图7 手持配置端部分界面Fig.7 Handheld devices part of the interface

4 系统测试

为了测试开发的DALI系统的组网和配置工具的功能，本文将待测DALI配置工具接入到DALI系统中，该系统主要包括待测DALI配置工具、待测手持配置端、DALI电源、传感器、场景控制面板、组控制面板、恒压驱动及灯具等。DALI系统中，所有的DALI系统控制装置和控制设备均挂在DALI总线上。经过测试，本文开发的DALI系统组网和配置工具稳定性强，通过蓝牙4.0可以快速对DALI系统进行组网配置，并可将DALI系统device、gear的故障信息通过推送消息的方式反馈至手持设备端。

DALI配置工具应用实物图如8所示。

图8 DALI配置工具应用实物图Fig.8 DALI configuration tool application object graph

5 结束语

本文开发了一种DALI系统组网和配置工具，该工具以Android操作系统为手持设备APP开发平台，以SN32F707为控制器，以CC2541作为蓝牙通信模块，构建了DALI配置工具的硬件平台。手持设备通过蓝牙与DALI配置工具通信，从而实现对DALI系统的无线配置。经过应用测试，本文所设计的DALI系统组网和配置工具具有灵活、高效、稳定等特点，应用前景较好。

[1] 佘咸宁.支持智能手机控制的DALI智能照明系统的研究[D].广州：广东工业大学,2013.

[2] 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.

[3] 张岳军.智能照明系统的研究与开发[D].杭州：浙江大学,2006.

[4] 张开羽,刘骊,吕杨.基于DALI协议的智能照明系统设计[J].电子工程师,2004,9:76-80.

[5] 傅炜钢.基于DALI的智能照明系统设计[D].杭州：浙江大学,2008.

[6] LI H, WU M, ZHONG Y.Development and research of lighting system based on DALI[C].IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications,2008:1302-1307.

Design of Lighting System Network and Configuration Tool Based on DALI Protocol

ZHANG Yujie， QIU Jinni， ZHOU Jie

(College of Electrical and information Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’ an 710021, China)

Targeting the issues of the digital addressable lighting interface (DALI) system in the site construction that the configurations process is cumbersome and unwieldy, the article comes up with a new DALI system configuration tool which is based on Android and it meets IEC 62386 international standard. The design of the Android handheld equipment makes a wireless communication with DALI hardware configuration tool through Bluetooth 4.0. And it realizes many functions of DALI system control equipment, such as address distribution, address recognition, related parameter set and state query. Through the experiment test, the tool is validated to run stably and complete configuration function correctly. It achieved the function requirements by design.

DALI system; Android; IEC62386; configuration; Bluetooth 4.0

陕西省科技计划项目(编号：2014K07-17),西安市科技计划项目(编号：CXY1436(1))

TN915

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.026