智能照明系统常见通信协议的对比浅析

李 军

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海 200041)

0 引 言

随着绿色建筑和节能建筑的理念深入人心,建筑电气设计中常采用智能照明系统作为绿色建筑或者节能建筑的技术选项之一。随着技术的发展,智能照明控制系统的通信协议出现很多种,如DALI、KNX、DMX512、ZigBee、Z-Wave及自定义协议等,如何选择这些通信协议,是电气设计人员面临的技术挑战[1]。

1 常见的几种智能照明通信协议

1.1 DALI协议

数字式可寻址照明控制接口(Digital Addressable Lighting Interface,DALI)标准是一种实现电子镇流器和控制模块之间进行数字化通信的接口标准,利用数字化控制方式调节荧光灯输出光通量。DALI的管理层与监控层间采用RS-485通信,监控层与现场层采用DALI通信。DALI电气特征:异步串行通信协议;信息传送速率为1 200 b/s;半双工,双向编码;双线连接方式;通信方式采用主控单元控制,可连接64个从控单元,且均可独立编址。根据IEC 60929标准,DALI总线的线路长度不超过300 m。DALI协议中,主从机只有在主控器查询时才向主机发送数据。从机向主机发送的数据由11 bit数据组成。DALI主控指令如图1所示。DALI从控指令如图2所示。

图1 DALI主控指令

图2 DALI从控指令

DALI信息包含地址信息和调光信息,其中用8位来表示调光的亮度水平。DALI镇流器的编码地址在系统调试时完成,当系统中某镇流器发生故障而需要更换时,需要借助专用调试设备重新对镇流器地址进行编址。其特性如下:浮动电压控制输入;双线控制,不采用极性负载;每盏灯的信息都可反馈到控制中心。

1.2 DMX512协议

DMX512协议规定以数据包的形式来组织数据,每个数据帧分为1位起始位、8位数据位以及停止位,数据传输率为250 kb/s,每帧数据对应一条调光回路[2]。DMX512信号时序如图3所示。

图3 DMX512信号时序

调光系统中每帧数据都表示每路的调光亮度值,规定0～255代表0%～100%的亮度值,所以每个调光器都有固定的地址,从起始码后的第一帧开始,调光器对帧数据进行计数,如果发送过来的数据帧中通道数值与调光器编号匹配,系统接收帧数据,否则丢掉该帧数据,然后再接收另外一帧数据,再重新进行匹配,直到通道数值与调光器编号相同为止。DMX512传输线缆采用屏蔽双绞线,物理接口采用RS-485。

1.3 KNX

KNX以EIB为基础,兼顾BatiBus和EHSA的物理层规范,并吸收BatiBus和EHSA中配置模式等优点。所有的总线设备连接到KNX介质上(这些介质包括双绞线、射频、电力线或IP/以太网)就可以进行信息交换。总线设备可为传感器、执行器,用于控制楼宇管理装置。

KNX物理层支持双绞线(TP1)、电力线(PL110)、射频和以太网,其中TP1介质应用最多(9 600 b/s)。KNX总线设备通过报文传输信息,应用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)和报文优先级来控制介质访问。

KNX是基于事件控制的分布式总线系统,只有当总线上有事件发生及需要传输信息时才将报文发送到总线上。当KNX系统有事件发生时,总线设备会向总线发送报文。经过不短于T1的总线空闲时间后开始进行传输。报文传输完毕后,总线设备将在T2时间内检查报文是否已被成功接收。如果没有总线设备来应答,发送的报文会被重复。当系统规模较大,有部分设备发生故障而无法应答时,系统的控制延迟可能将被放大。KNX报文传输时间如图4所示。

图4 KNX报文传输时间

1.4 基于RS-485物理接口的自定义协议

企业根据自身产品自定义数据包格式,同时提供多种接口模块,与DALI、RS-232、Modbus、KNX等协议进行无缝对接。RS-485半双工异步通信总线是广泛使用的数据通信总线,但任一时刻只能存在一个主机,故往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。

1.5 ZigBee

ZigBee技术的基础是IEEE 802.15.4标准,这是IEEE无线个人区域(Personal Area Network,PAN)工作组所定的一项标准,被称为IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准,而遵循此标准的无线网络通信技术则是由国际ZigBee联盟所定义的。

ZigBee技术分别提供250 kb/s(频段2.4 GHz)、40 kb/s(频段915 MHz)、20 kb/s(频段868 MHz)。一般,ZigBee的数据传输覆盖范围为10～100 m,而且在增加射频发射功率后可将范围扩大到1～2 km,这只是相邻节点之间的距离。如果再通过路由器和节点之间通信的接力,ZigBee网络的数据传输范围可更远。

ZigBee定义27个物理信道,其中868 MHz频段定义1个信道,915 MHz频段定义10个信道,2.4 GHz频段定义16个信道。ZigBee频率和信道分布如图5所示。信道之间预留较大的频率空间,可以简化滤波器的设计,并减少信道间的干扰。

ZigBee的物理层和媒体访问控制层(MAC)采用的是IEEE 802.15.4标准。应用层(APL)、应用支持子层(APS)、网络层(NWK)采用ZigBee联盟标准。应用层要根据用户需要进行开发利用。相比于其他常见的无线通信标准,ZigBee协议紧凑、简单。ZigBee帧结构如图6所示。

图5 ZigBee频率和信道分布

图6 ZigBee帧结构

几种无线通信技术的比较如表1所示。

表1 几种无线通信技术的比较

1.6 Z-Wave

Z-Wave是一种短距离无线通信技术,工作频带为868.42 MHz(欧洲)至908.42 MHz(美国),采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,数据传输速率为9.6 kb/s,信号的有效覆盖范围是室内为30 m,室外超过100 m,采用小数据格式传输,适合智能家居无线控制领域。Z-Wave采用动态路由技术,当某个链路失效后通过周边的设备动态建立新的链路。

2 几种协议的对比与分析

2.1 有线通信协议对比

在DALI技术的开发之初,控制对象针对数字化电子镇流器(DALI镇流器)。但随着LED照明技术的发展,LED灯具替代荧光灯,DALI技术的发展遇到较大的挑战。另外,LED灯具自身数字化的快速发展,也会给DALI技术的应用提供各种可能。目前,若多盏照明灯具采用同一配电回路供电的情况下,DALI技术也是为数不多的针对每盏灯具的控制协议[3]。

DMX512协议采用数据包的形式来组织数据,每帧数据对应相应的控制模块,地址符合的控制模块接收数据并执行,不符合的则丢弃数据。数据流一直在总线上传输,控制目标变化很快,非常适合与时序控制紧密的照明控制场合,例如舞台灯控、与音乐联动的照明控制。

KNX协议是目前国内外产品中大量使用的照明控制通信协议,通过一条总线将各个分散的设备连接并分组,赋予不同的功能。系统采用串行数据通信进行控制、监测和状态报告。

基于RS-485自定义的控制协议定义数据包格式,报文中的内容更符合产品通信,同时提供多种接口模块,与DALI、RS-232、Modbus、KNX等协议进行无缝对接,总线中的设备支持总线形、星形等接线方式,便于项目上布线施工,同时采用中断侦听防冲突机制,避免报文间冲突,杜绝丢包;缺点是设备通用性较差。

基于传统BA的照明控制手段单一,照明配电回路只能实现开与关,已经不能适应照明控制的多样化需要。另外,BA控制的单回路造价高于采用KNX或基于RS-485自定义协议的照明控制系统。

几种有线通信协议的比较如表2所示。

2.2 无线通信协议

随着无线通信技术的飞速发展,照明控制领域ZigBee和Z-Wave技术发展较快[4]。ZigBee与Z-Wave通信协议的部分技术参数的对比如表3所示。

表2 几种有线通信协议的比较

表3 ZigBee与Z-Wave通信协议的部分技术参数的对比

3 结 语

介绍目前常用的几种智能照明控制系统通信协议,分析几种主要通信协议的主要特点和部分协议的数据帧格式,得出以下结论:

(1) DALI协议主要针对单灯控制,控制响应时间最快。

(2) DMX512协议对时序控制高效,响应快。

(3) KNX协议控制功能多元,控制规模大。

(4) 基于RS-485自定义协议灵活,适应性强。

(5) ZigBee与Z-Wave两种无线协议技术各有所长。

因此,没有一种通信协议适合所有的场合,故在工程项目设计中需多角度考虑,选择合理的照明控制协议。在建筑智能照明设计中,可根据通信协议特点合理选择智能照明的控制协议,也可以根据建筑中的不同场合设置不同的智能照明控制协议。

收稿日期：2018-06-15