基于DALI和ZigBee集成網(wǎng)絡(luò)的照明技術(shù)研究

莊裕浩，黃文鑒，陳宣仲，曾祥澤，吳為敬

(華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641)

引言

隨著科技的迅猛發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，智能照明的應(yīng)用滲透到生活的各個方面，在打造安全、節(jié)能、舒適、高效的照明環(huán)境方面發(fā)揮著越來越大的作用[1]。

在智能照明系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的選擇和構(gòu)建是非常重要的，它決定了系統(tǒng)的穩(wěn)健性、互操作性、施工難度和成本。按照網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)拿浇椴煌梢詫⑵浞譃橛芯€和無線網(wǎng)絡(luò)兩種類型。其中，有線網(wǎng)絡(luò)在小規(guī)模的照明系統(tǒng)應(yīng)用中具有低成本的優(yōu)勢，但在大規(guī)模的應(yīng)用中會出現(xiàn)布線復(fù)雜，施工困難、靈活性降低等問題并進(jìn)而導(dǎo)致成本太高；無線網(wǎng)絡(luò)具有靈活性高，無需布線等優(yōu)勢，但其單個節(jié)點(diǎn)的成本比有線節(jié)點(diǎn)的要高。由于有線和無線網(wǎng)絡(luò)各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此研究具有這兩種網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢互補(bǔ)的集成網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

1 DALI和ZigBee協(xié)議簡介

數(shù)字可尋址調(diào)光接口(Digital Addressable Lighting Interface，簡稱DALI)和ZigBee無線光鏈路(ZigBee Light Link，簡稱ZLL)是智能照明領(lǐng)域內(nèi)被廣泛認(rèn)可的兩種照明網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[2-8]。其中DALI作為一種有線照明總線于1994年被列入了國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC60929，逐漸得到了推廣和應(yīng)用。而ZigBee則是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線個人局域網(wǎng)協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大、功耗低、具備自組網(wǎng)能力等優(yōu)點(diǎn)，使其成為搭建智能照明網(wǎng)絡(luò)的首選。2012年4月ZigBee聯(lián)盟更是推出了專用于支持消費(fèi)照明解決方案的公共應(yīng)用子集ZLL，進(jìn)一步推動了ZigBee在智能照明應(yīng)用中的發(fā)展。

2 集成網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)

2.1 集成網(wǎng)絡(luò)基本原理

無線網(wǎng)絡(luò)具有安裝方便,無需布線等優(yōu)點(diǎn),但節(jié)點(diǎn)成本較高。有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成本低，但布線復(fù)雜，安裝不方便。由于這兩種網(wǎng)絡(luò)各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短的效果，本文提出一種折中的解決方法，即在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZLL的基礎(chǔ)上擴(kuò)展DALI有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種無線和有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的集成網(wǎng)絡(luò)解決方案，在距離近、無布線障礙且燈具集中分布的燈具群內(nèi)部采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，而距離遠(yuǎn)、布線不方便且分布較為分散的燈具群之間采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。這樣即保留了無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的便捷性與靈活性，又進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的總成本。

2.2 集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的集成網(wǎng)絡(luò)以ZLL網(wǎng)絡(luò)為主，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行DALI有線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。為了保證與ZLL網(wǎng)絡(luò)的兼容，DALI有線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)將在ZLL網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層上完成。集成網(wǎng)絡(luò)的DALI接口位于燈具群主控單元上，該設(shè)備不僅是ZLL網(wǎng)絡(luò)的路由器，同時(shí)也是DALI網(wǎng)絡(luò)的主控單元，集成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依然是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖1所示為DALI/ZLL集成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

從圖1中可以看出，相對于傳統(tǒng)的ZLL網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展后的集成網(wǎng)絡(luò)會表現(xiàn)出許多不同之處。集成網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)過程中依然采用了傳統(tǒng)ZLL網(wǎng)絡(luò)便捷的TouchLink機(jī)制，但TouchLink的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)已不僅是一個獨(dú)立的燈具，而可能是一個擴(kuò)展了DALI總線的燈具群主控單元，在這種情況下，TouchLink將導(dǎo)致燈具群中的所有燈具都接入到網(wǎng)絡(luò)中。

2.2.1 集成網(wǎng)絡(luò)的單播方案

DALI/ZLL集成網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的地址由ZigBee短地址+DALI短地址組成，集成網(wǎng)絡(luò)的單播尋址方式為先根據(jù)ZigBee短地址尋址到該節(jié)點(diǎn)所在的燈具群，再根據(jù)DALI地址在該燈具群中尋址到該節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 集成網(wǎng)絡(luò)的組播方案

ZLL網(wǎng)絡(luò)的組播地址多達(dá)6.5萬個，而DALI網(wǎng)絡(luò)最多只有16個。這種巨大的差異，對集成網(wǎng)絡(luò)的組播功能造成了一定程度的制約。本文中，組播尋址方式將按組播地址不同分為兩種，其一是對于某特定的16個組播地址，先根據(jù)組播地址尋址到ZLL網(wǎng)絡(luò)中屬于該組的燈具群，再在這些燈具群內(nèi)部根據(jù)組播地址尋址到屬于該組的DALI設(shè)備；其二是對于其它的組播地址，先根據(jù)組播地址尋址到ZLL網(wǎng)絡(luò)中屬于該組的燈具群，再在燈具群內(nèi)部實(shí)行DALI廣播尋址到所有設(shè)備。

2.2.3 集成網(wǎng)絡(luò)的廣播方案

網(wǎng)絡(luò)的廣播要求可以尋址到網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。為了能兼容傳統(tǒng)ZLL網(wǎng)絡(luò)，集成網(wǎng)絡(luò)的廣播指令保持與傳統(tǒng)ZLL網(wǎng)絡(luò)一致。因此集成網(wǎng)絡(luò)的廣播尋址方式為先根據(jù)廣播地址尋址到網(wǎng)絡(luò)中的所有燈具群，再在燈具群內(nèi)部實(shí)行DALI廣播尋址到所有的設(shè)備。

2.3 集成網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

相對于單一的ZLL或DALI網(wǎng)絡(luò)，基于集成網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)將具備以下優(yōu)勢：

1)有效降低照明控制系統(tǒng)的建設(shè)成本。由于系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)采用有線連接方式，這些有線的DALI節(jié)點(diǎn)可以使用普通的51單片機(jī)或ARM架構(gòu)的32位單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)(如本文用到的價(jià)格為1美元左右的LPC1114)，其成本遠(yuǎn)低于無線的ZLL節(jié)點(diǎn)所采用控制器成本(如價(jià)格高達(dá)3.5美元左右的CC2530等)，因此單從控制芯片來看，集成網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)相對于純粹的ZLL網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)可以大幅度地節(jié)約成本。

2)提高系統(tǒng)的兼容性。集成網(wǎng)絡(luò)全面兼容ZLL協(xié)議和DALI協(xié)議。對于已經(jīng)安裝有DALI系統(tǒng)的住宅，可以借此直接升級到無線控制的方式。對于準(zhǔn)備安裝智能照明系統(tǒng)的用戶在購買燈具時(shí)也可以有更多的選擇。

3)極大提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。理論上其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量最大可以達(dá)到普通ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的64倍，因此可以在規(guī)模更大的照明控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

3 集成網(wǎng)絡(luò)硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 燈具群主控單元

燈具群主控單元實(shí)際上也是集成網(wǎng)絡(luò)中的DALI/ZLL網(wǎng)關(guān)，不但具備傳統(tǒng)ZLL燈具的所有功能，而且還集成有DALI總線接口。本文采用TI公司提供的片上集成系統(tǒng)CC2530作為其主控芯片。ZLL協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用TI公司提供的并通過ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的黃金單元Z-Stack Lighting1.0.2協(xié)議棧，DALI協(xié)議直接在該協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)，圖2和圖3描述了如何將DALI協(xié)議整合到ZLL協(xié)議棧中。具體過程如下：

圖2 工作流程圖1Fig.2 Work flow chart 1

圖3 工作流程圖2Fig.3 Work flow chart 2

1)系統(tǒng)上電后，完成ZLL網(wǎng)絡(luò)的初始化工作；

2)在DALI接口底層驅(qū)動的支持下完成DALI網(wǎng)絡(luò)的初始化工作；

3)在DALI接口底層驅(qū)動的支持下為DALI總線上未分配DALI地址的設(shè)備分配地址；

4)進(jìn)入操作系統(tǒng)，開始系統(tǒng)輪詢；

5)輪詢并處理和ZLL網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的任務(wù)；

6)在DALI接口底層驅(qū)動的支持下輪詢并處理協(xié)議棧中和擴(kuò)展DALI網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的任務(wù)。

其中DALI接口底層驅(qū)動包含一系列驅(qū)動DALI總線的函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)DALI信號的發(fā)送和接收。對于DALI的發(fā)送，首先需要將待發(fā)送指令進(jìn)行曼徹斯特編碼，然后啟動CC2530的8位計(jì)時(shí)器T3，每隔416.67μs送出半位數(shù)據(jù)，直至發(fā)送完畢。對于DALI的接收需要使用CC2530計(jì)時(shí)器T3的捕捉功能并設(shè)置為上升沿和下降沿都產(chǎn)生捕獲中斷，當(dāng)捕獲中斷發(fā)生時(shí)，記錄中斷發(fā)生的時(shí)間并通過I/O口讀取電平狀態(tài)，然后進(jìn)行解碼獲得應(yīng)答信號，完成信號的接收過程。

硬件的設(shè)計(jì)相對簡單，只需在CC2530最小系統(tǒng)上增加DALI的發(fā)送(見圖4)和接收電路(見圖5)，完成CC2530的TTL電平到DALI電平的轉(zhuǎn)換即可[10]。圖中P07為CC2530的DALI發(fā)送引腳，P13和P14為其接收引腳，DALI0和DALI1為DALI總線接口。

圖4 DALI接口發(fā)送電路Fig.4 Transmission circuit of DALI interface

圖5 DALI接口接收電路Fig.5 Receiver circuit of DALI interface

3.2 控制橋

控制橋是上位機(jī)和DALI/ZLL集成網(wǎng)絡(luò)之間信息交互的橋梁。控制橋同樣采用TI公司提供的CC2530片上集成系統(tǒng)和黃金單元Z-Stack Lighting1.0.2協(xié)議棧。控制橋在硬件上不需要做任何擴(kuò)展，軟件方面的擴(kuò)展也相對簡單，只需在協(xié)議棧中增加一些獲取DALI設(shè)備信息的指令并反饋給上位機(jī)，以便上位機(jī)有足夠信息控制網(wǎng)絡(luò)中的DALI設(shè)備。上位機(jī)即可以是普通的PC，也可以是專用的嵌入式設(shè)備。如果采用后者，則可以和控制橋一起構(gòu)成專用的控制網(wǎng)關(guān)，以便將集成網(wǎng)絡(luò)的信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)或通過WiFi進(jìn)行發(fā)送，從而提供網(wǎng)頁控制、手機(jī)APP控制和云服務(wù)等高級功能。

3.3 DALI從控單元

DALI從控單元可以是任何一種符合DALI協(xié)議的燈具，本文采用了一款主控芯片為LPC1114、符合DALI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的可調(diào)光LED燈具。LPC1114是NXP公司生產(chǎn)的低價(jià)位、低功耗、高性能，基于ARM架構(gòu)Cortex-M0內(nèi)核的32位處理器，價(jià)格大約為一美元左右。

4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

完整的照明控制系統(tǒng)除了要有底層照明通信網(wǎng)絡(luò)的支持外還需有一個簡單、易用、美觀的上位機(jī)軟件以方便用戶對照明網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。本文所設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件運(yùn)行在PC上，采用美國NI(National Instruments, 美國國家儀器)公司研制開發(fā)的圖形化編程語言LabVIEW編寫，包括系統(tǒng)管理員界面、設(shè)備管理界面和設(shè)備操作界面，并通過一個選項(xiàng)卡進(jìn)行組織。其中系統(tǒng)管理員界面主要用于設(shè)置上位機(jī)和控制橋之間通信的相關(guān)參數(shù)，另外就是對集成網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)的一些重要屬性進(jìn)行配置，包括將網(wǎng)絡(luò)中某些設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置，如圖6所示。設(shè)備管理界面用于向系統(tǒng)中添加新設(shè)備、修改設(shè)備備注名稱、查看設(shè)備信息等，如圖7所示。設(shè)備控制界面用于控制集成網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)的燈光效果，包括控制燈具設(shè)備的開關(guān)、亮度、顏色和飽和度等，如圖8所示。圖9所示為在該上位機(jī)程序控制下基于DALI和ZigBee的控制照明系統(tǒng)的實(shí)際效果圖。當(dāng)然，除了使用上位機(jī)程序進(jìn)行控制外，也可以和傳統(tǒng)的ZLL網(wǎng)絡(luò)一樣，使用遙控器進(jìn)行更直觀的控制，包括控制燈光設(shè)備的開關(guān)、顏色和亮度等較為簡單的功能。

圖6 系統(tǒng)管理員界面Fig.6 Administrator interface

圖7 設(shè)備管理界面Fig.7 Device management interface

圖8 設(shè)備控制界面Fig.8 Device control interface

圖9 實(shí)際效果圖Fig.9 The photo of actual effect

5 結(jié)論

本文所提出的DALI/ZigBee集成網(wǎng)絡(luò)解決方案可以解決單一網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)的弊端，進(jìn)一步降低照明控制系統(tǒng)的建設(shè)成本，提高系統(tǒng)對不同網(wǎng)絡(luò)的兼容性，解決大規(guī)模照明控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)地址不足等問題，符合當(dāng)前智能照明控制系統(tǒng)的需求，具有很高的實(shí)用和研究價(jià)值。

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