一種應用于智能照明的自動組網方法

劉洪雷, 馬建設, 蘇 萍

(清華大學，北京 100084)

1 引言

近年來，智能家居的概念滲透到了生活的各個方面，智能照明更是其中的主力軍，其在打造安全、節能、舒適、高效的照明環境方面發揮著越來越大的作用。智能照明中對燈具的控制，主要是通過尋址的方式實現，如DALI協議，在主機發送指令之前，需要為各個從機分配地址并在主機內注冊[1]。在分配地址時，現行的方式往往是在產品生產時，為從機燒錄程序時燒錄入不同的地址，或者在從機上設置撥碼盤等方式進行分配地址。這不但大大影響了燈具的生產效率，同時也造成了安裝時的極大的不便利。而其他的一些自動組網的方法，一種需要按照接入網絡的時間不同實現自動組網，另一種搶占式組網則會大大降低網絡利用效率，容易引發阻塞[2]。而且更重要的是，如果燈具失效,為保證通信，更換后的燈具不得不采用同之前相同的地址，這不但造成了相當的不便利并且造成了對于一般家庭用戶操作的不可實現性[3]。因此如何實現一種可靠的自動分配地址并組網的方法，將對智能照明的推廣有著重要的意義。

2 網絡的基本構成

常用于家庭或者寫字樓內的照明網絡，具有多對多的形式，即不同的主機可以同時控制所有的通信燈具，而主機在控制功能上是相同的，系統可簡化為一對多的控制方式，如圖1所示。

圖1 網絡拓撲圖Fig.1 Network topology

圖1中master為主機，各個燈具節點以任意方式連接到總線上，可以為樹狀、網狀或者星型等，網絡的拓撲結構保證網內任何一個節點(包括主機)發出的命令都可以被其他節點(包括主機)收到。而為了能夠實現基本的通訊和組網功能，主機和燈具應具有表1中所述功能。

表1 節點功能要求Table 1 Function request of the nodes

所謂網絡的自動構成，即自動完成燈具的地址分配，并在主機內注冊。

3 自動組網原理

由于系統是一對多的控制方式，主機發出的命令以廣播的形式廣播到網絡內的每一個燈具，而燈具的反饋命令除總機收到之外，其余燈具也能接收。因此，實現自動組網的關鍵在于燈具接收到主機的組網命令之后，可以產生不同的反饋時間，以類似時分的方式，在各自得到的通信時間區間內完成地址的分配和注冊。

為了得到不同的反饋時間，需要一個不同的基碼。而燈具內的控制芯片剛好可以提供這樣一個基碼。芯片制作廠商在生產芯片時，會為芯片寫入一個全球唯一識別碼(UID，unique ID)，每個芯片的號碼均有不同。所以，在組網時，燈具首先應按照各自命令將識別碼讀出，然后再接收到主機發出的組網命令時，方可以識別碼為基碼，產生不同的反饋時間，并在此時間區間內完成地址分配和注冊。該時間長短以8到12倍的通信周期為宜(一個通信周期為主機和從機完成一次相互通信的時間)。

4 時間段劃分的數據處理及算法

唯一識別碼(UID)為儲存在芯片上的一系列二進制數據，通常有幾十位。以STC某款芯片為例，其UID由7組8位二進制數構成。若單以該UID碼的差異來進行時間劃分，則可以劃分256即7.2×1016個時間區間，這樣的數量級，即使對于周期為微秒級的傳輸協議也是無法實現的，因為兩個傳輸時間段的間隔可能達到7.2×1016/1000/1000/3600=2×107秒，這樣的時間間隔是無法被接受的。所以，必須對該數值進行加權處理。處理時，將0X00 00 00 00 00 00 00到0XFF FF FF FF FF FF FF區間段劃分為若干小區域，而不同的UID值會落入不同的小區域，區域的劃分應保證落入每個區域內的UID數量盡可能相等，同時應保證第一個區域和最后一個區域的時間差在一個可接受的時間范圍內。

劃分時，常常采用類哈希(hash)表方法處理，欲劃分為N個時間段，則hash處理[5]：UID hash N。不過此處并不是一個完全的hash，因為hash以除以N處理之后的余數作為劃分依據，而此處的類hash以除以N之后的除數作為劃分依據。該劃分將使UID落入各個不同的區域，然后對落入此區域內的芯片分配一個相同的注冊時間。然后，若是簡單的進行hash處理，既有可能導致有些區域內落入大量的數值，而有些區域內落入的數值極少，則hash處理的意義不大。

為了能夠進行有效的hash，需要首先進行采樣，抽取一定數量的芯片，讀取UID值，并得出其大致分布，由此得出UID值中對區間劃分影響最大的位數，即首先得出UID集中分布的一個大區間，然后對該區間進行hash處理，則可以有效防止大量數據落入同一區間內。

為了能夠對UID值進行統計，首先，我們需要建立一個完整的二叉樹來存放數據。以STC某款芯片為例，由于STC芯片內的UID為56位，故需建立一個完整57級二叉樹，頂層為0(或1)，二叉樹建立如圖2所示。

圖2 存儲UID數據的二叉樹Fig.2 Binary tree of UID data

二叉樹每一層上的鍵(key)代表的即為UID相應位數的值，每一個值(value)代表該孩子出現的次數[6]。Value初始化為0，建立好二叉樹后，應對欲采用的STC芯片做抽樣處理，取出一定數量的芯片并讀取UID后，對每一位UID出現時二叉樹上對應的鍵的值做加一處理。如果某位數對UID值的分布影響不大，則該數的大部分為0或者大部分為1，否則，0和1的數量應該大致相等，也即該位數統計值中0和1的數量越相近，則該位數對UID分布影響越大，反映在二叉樹上，即左右孩子值越相近。將整個抽樣芯片數值處理完成后，遍歷二叉樹，對任意相鄰左右孩子value值做商，用大值除以小值得到C1，C2，C3……，然后在內存中建立一二維map表存儲之，見表2。

表2 二叉樹鍵值比較表Table 2 Comparison of the Key in binary tree

第一行表示其在二叉樹中的層數，第二行表示其左右孩子的商值。商值初始化時賦值為0，然后二叉樹中每層相鄰左右孩子做商后填入，如同層有更小的值，則覆蓋原值，如果沒有，則丟棄，遍歷二叉樹后，該map即表示每層對UID分布的影響圖。為了能夠將時間段劃分為N段，對于二進制數而言，至少需要n=log2N位二進制數。從該表中挑選出C值最小的n層，則可以查找出對劃分時間區段影響最大的UID值中的n位，得到一個新的n位的ID值。此時，對此新的ID進行類hash處理，則可有效提高區間劃分平均性和有效性。

5 具體實現方式

本文在實現時以DALI協議為例，搭建系統平臺。

5.1 DALI協議基本要求

DALI協議是用于照明系統控制的開放式異步串行數字通信協議。DALI系統采用主從式結構，系統最多可以連接64個從機單元[7]，每個DALI從機使用唯一的個體標識地址，該地址在系統初始化時設定，使用過程中根據需要修改從機的地址，其主要特征如下：

(1)采用異步串行通信；

(2)雙線差分驅動；

(3)信息傳輸速率1200kb/s,半雙工傳輸；

(4)編碼形式采用曼徹斯特編碼[8].

5.2 組網流程

按照DALI協議具體要求網絡鏈接結束后，組網前，主機內存儲足量的地址，建立地址池。組網時，主機發出命令，所有從機接收到命令后，會將自身狀態設置為組網狀態(置位標志位fNet)，此時只進行組網操作，然后根據STC芯片提供的UID地址讀取出UID，并按照上文所述算法將UID簡化為n為ID，并判斷ID所在區間，然后根據所在區間得到一個時間基數b，然后由b乘以10倍通信周期(協議通信周期為833μs×30=24990μs≈0.25ms)，約為0.25ms，因此可以取3ms為基，再收到主機的注冊命令后，各個燈具將在3ms，6ms……的時間進行向主機發送反饋信息。DALI協議中，通過6位地址位控制64個燈具，因此我們可以劃分512個區間段，遠遠滿足協議要求。而3×512=1536ms，也即兩秒鐘之內將完成網絡的自動組網，符合我們的要求。發送前，首先讀取總線狀態，如果總線繁忙，則等待2個周期，若總線空閑，則可進行收發，其中反饋信息中，將自身UID的后7位作為臨時地址反饋給主機進行通信，主機收到該反饋信息后，將從自身儲存的地址池中取出一個地址，作為主機信息的數據位部分，按照之前收到的臨時地址和從機進行通信，然后從機收到該地址后儲存入自身flash，并且主機也將此信息存入自身flash中，而沒有向主機發送反饋信息的燈具將會忽略主機后續發送的數據。至此，一個燈具的地址分配及注冊完成[2]。完整的流程圖如圖3所示。

圖3 系統注冊流程圖Fig.3 Process of registering

5.3 更換燈具時的處理

如果某個燈具失效，則需要更換燈具。將燈具更換后，主機首先發送報檢命令，此時所有的燈具將按照上文所述算法在不同時間進行報檢，報檢時，所有燈具收到命令后會將自身狀態置位為報檢，而主機收到報檢燈具的地址。對于無故障燈具，也即原先即存在與網絡中的燈具，主機內是存有其地址的，因此總機可以對此進行識別并對其發送標志，將燈具狀態修改為正常。此時，主機可以獲得所有無故障燈具的地址，然后從地址池中挑選與此不同的地址作為新更換的燈具的地址，而此時最新更換的燈具和原來存在的無故障燈具通過標志位是否為報檢便可進行區分，此時，僅對標志位為報檢的燈具進行地址分配即可完成。

5.4 硬件平臺的搭建及實驗

基于DALI協議的要求，需要搭建主機和燈具的硬件平臺。為了實現主機人機交互和數據通信的功能，主機采用ARM開發板，板載S3C2440A芯片，核為ARM920T，板載64M SDRAM，128M掉電非易失NAND FLASH[9]。從機模塊是DALI協議中的接收模塊，在每盞LED燈具上均應配備，因此能否降低燈具成本，從機模塊的設計尤為重要。鑒于成本及功能的綜合考慮，選用STC12LE5204AD作為從機的主控芯片，該芯片內置4K FLASH,可以滿足系統要求[10]。而算法中提及的UID即為該STC芯片的UID。主控芯片的主要作用是接收來自總線的數據進行判斷并反饋[4]。主控芯片在地址匹配成功之后將執行來自主機的命令，其實現過程是通過將主機命令轉換為不同的PWM波形，然后將此波形傳輸給LED驅動芯片L3404HVMA，從而實現對LED燈組的控制。燈具電路板見圖4[11]。

圖4 燈具電路板Fig.4 The PCB board

主機內采用u/cos操作系統，通過在系統下建立任務及移植DALI協議，可以方便的實現4.2節中介紹的操作流程[12]。通過主機操作相應組網命令時，程序設定從機在得到地址后亮燈，實驗時，采用32組燈進行驗證，燈幾乎在同一時間內陸續亮起，無明顯的等待時間。

6 結語

通過以上方法，可以方便的實現智能照明產品自組網絡，該方法大大提高了產品的自動性和智能性，同時也可以廣泛應用于其他智能家居產品，同時，可以方便的實現產品出現故障后的更換產品時的組網工作。并且，通過實驗驗證，以該方法組成的小型網絡，可以在幾秒內即可完成網絡的組建。

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