淺談智能照明系統(tǒng)KNX與DALI協(xié)議網(wǎng)關的應用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】：基于數(shù)字可尋址照明接口（DALI）的照明系統(tǒng)以其專業(yè)、靈活等特點在智能家居領域得到了普遍的重視，但由于DALI照明系統(tǒng)控制節(jié)點數(shù)的限制，其組網(wǎng)規(guī)模小限制了它的推廣和應用；KNX／EIB總線作為樓宇自動化國際標準，憑借良好的互操作性和開放性，在智能樓宇控制領域取得了廣泛應用；為了融合這兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，設計一種KNX與DALI協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，在分析DALI和KNX系統(tǒng)特點的基礎上，完成了系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設計，實現(xiàn)了DALI協(xié)議和KNX協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，并對網(wǎng)關性能進行了測試，達到了設計要求。

【關鍵字】：KNX協(xié)議；DALI協(xié)議；網(wǎng)關；智能照明；樓宇建設

0引言

數(shù)據(jù)可照明接口（digitaladdressablelightinginterface，DALI）作為一個開放的數(shù)字化智能照明控制系統(tǒng)，具有配置靈活、安全可靠和成本低等優(yōu)點，可靈活的實現(xiàn)分組控制、場景設置以及狀態(tài)反饋等功能，在燈光控制上具有專業(yè)、細致的特點，受到照明設備制造商的廣泛支持，并已經(jīng)成為國際電工委員會的標準。然而DALI系統(tǒng)由于受到規(guī)模的限制，一般應用于中小規(guī)模的照明控制中。為了發(fā)揮DALI系統(tǒng)在照明控制方面的優(yōu)勢，對DALI系統(tǒng)進行擴展勢在必行。

KNX（Konnex，KNX）是住宅和樓宇控制標準，能對照明、遮陽、安防、監(jiān)控等所有的家居和樓宇終端設備進行控制。KNX憑借良好的互操作性和開放性、完善的通信機制以及節(jié)能運行等方面的優(yōu)勢，在智能樓宇控制領域取得了廣泛應用，目前已經(jīng)成為我國樓宇控制的國家參考標準。

將DALI照明控制系統(tǒng)與KNX系統(tǒng)相結(jié)合，將DALI照明控制系統(tǒng)作為KNX樓宇控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，進一步提高樓宇智能化水平，降低樓宇能耗。而KNX－DALI網(wǎng)關成為兩種系統(tǒng)結(jié)合的關鍵。

１總體設計方案

DALI協(xié)議是一種異步串行通信協(xié)議，采用曼徹斯特編碼方式，系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)，*多可接入６４個可尋址的DALI裝置，可設置１６個可尋址組和１６種燈光場景，DALI總線的控制裝置均通過短地址、組地址或廣播地址進行照明控制。傳輸數(shù)據(jù)分為前向幀和后向幀，前向幀由主控制器發(fā)送給從控制器，后向幀是從控制器的反饋信息。

KNX總線協(xié)議遵循ＯＳＩ模型協(xié)議規(guī)范，并進行了合理的簡化，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層五層組成，KNX網(wǎng)絡為采用域（Domain）、區(qū)（Zone）、線（Line）三層結(jié)構(gòu)，是一個完全對等（peer-topeer）的分布式網(wǎng)絡，總線上的設備具有同等地位。KNX設備具有物理地址（PA）和組地址（GA），物理地址用于拓撲結(jié)構(gòu)的劃分，組地址用于邏輯功能的劃分。

KNX－DALI網(wǎng)關包含完整的KNX協(xié)議和DALI協(xié)議實現(xiàn)，并且完成KNX報文與DALI數(shù)據(jù)幀的互相轉(zhuǎn)換。該網(wǎng)關主要實現(xiàn)KNX設備對DALI裝置的控制及監(jiān)測功能。

網(wǎng)關的總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。

圖1網(wǎng)關結(jié)構(gòu)框圖

該網(wǎng)關由KNX收發(fā)模塊、收發(fā)控制器、DALI接口等組成。其中KNX收發(fā)模塊主要負責接收和發(fā)送收發(fā)控制器的信號、監(jiān)測總線電壓以等；收發(fā)控制器需要運行KNX通信內(nèi)核和DALI協(xié)議棧、存儲系統(tǒng)及用戶參數(shù)、完成協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能；DALI接口負責滿足網(wǎng)關與DALI系統(tǒng)通信接口的電氣特性要求。

KNX-DALI網(wǎng)關不僅是KNX系統(tǒng)中的一個KNX設備節(jié)點，也是DALI系統(tǒng)的一個DALI主機。網(wǎng)關工作過程為：當接收到KNX報文時，網(wǎng)關會解析該報文完成到DALI指令的轉(zhuǎn)換，如果對應的是電弧功率控制指令，則在DALI總線空閑狀態(tài)下，發(fā)送指令到DALI系統(tǒng)中，實現(xiàn)對DALI裝置控制功能；如果是狀態(tài)查詢指令，網(wǎng)關會將保存的對應DALI裝置狀態(tài)信息組裝成KNX報文發(fā)送到KNX控制設備中；另外，網(wǎng)關會周期地對DALI裝置的狀態(tài)進行查詢，保存DALI裝置的狀態(tài)信息，如果DALI裝置發(fā)生故障，網(wǎng)關會主動發(fā)起一次通信告知對應的KNX設備。

選擇Atmel公司增強型的ATxmega32E5作為KNX-DA-LI網(wǎng)關收發(fā)控制器，ATxmega32E5是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，*高工作頻率可達到32MHZ,高達64KB的FLASH程序存儲區(qū)，4KB的RAM和1KB的EEPROM,由于具有USART等豐富的外設，可以方便功能的擴展。另外，還具有創(chuàng)新型的XMEGA自定義邏輯模塊(XCL),該模塊與USART結(jié)合使用，可以支持自定義通信協(xié)議。

KNX總線收發(fā)器選擇西門子公司的FZE1066,FZE1066是用于KNX總線的收發(fā)模塊，通信介質(zhì)為雙絞線，可以接收和發(fā)送比特流信號，提供直接同收發(fā)控制芯片連接的端口；轉(zhuǎn)換電壓，能夠?qū)NX總線上的29V電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓供通信控制芯片使用；監(jiān)測KNX總線的電壓，并能為通信控制芯片提供上電復位和掉電保存信號。

2硬件設計

2.1KNX硬件平臺設計

收發(fā)器模塊FZE1066和KNX總線連接，并由串行端口與ATxmega32E5連接，通過硬件完成KNX報文的物理層信號處理。收發(fā)控制器的工作電源由KNX總線提供，通過FZE1066實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號和能量的分離。

KNX硬件平臺框圖如圖2所示。

圖2KNX硬件框圖

2.2DALI接口電路

DALI接口電路的設計要符合DALI電氣規(guī)范，DALI使用雙線差分驅(qū)動，要滿足總線傳輸高電平時電壓差在9.5~22.5V、傳輸?shù)碗娖綍r電壓差小于6.5V、總線電流小于250mA的電氣參數(shù)規(guī)范。為了保證通信電路的穩(wěn)定可靠，*好使用光電耦合器進行隔離。

DALI通信電路的設計如圖3所示

圖3DALI通信電路

接收電路主要由D4、Q1、Q2、U3及D5組成，發(fā)送電路由D4、Q3及U4組成。其中DALIRX與DALITX連接在收發(fā)控制器的串口上，U3和U4為光電耦合器；D4為整流橋，實現(xiàn)將電壓差轉(zhuǎn)化為單向的直流電壓；D5為穩(wěn)壓管，保證總線傳輸電壓差符合DALI電氣特性要求。

接收時，當總線傳輸高電平，D5為反向擊穿狀態(tài)，U3導通，RX為高；當總線傳輸?shù)碗娖綍r，D5截止，U3不導通，RX為低。發(fā)送時，由TX來改變Q3的工作狀態(tài)，從而改變總線傳輸?shù)碾娖礁叩汀?/p>

3網(wǎng)關軟件設計

3.1網(wǎng)關軟件架構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)關的設計要求，軟件部分不僅包括對KNX及DA-LI協(xié)議棧的設計和實現(xiàn)，還包括協(xié)議間的轉(zhuǎn)換功能。本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

軟件設計首先要考慮的是程序的結(jié)構(gòu)和設計方法。本設計中，采用一種層次化的軟件設計方法，即把整個軟件分為三層：底層驅(qū)動層、協(xié)議層和應用層；底層驅(qū)動層完成和硬件相關的交互，協(xié)議層完成通信協(xié)議棧的設計，應用層則根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制功能。這種設計方法保證了各程序模塊間的獨立性和完整性，并且方便系統(tǒng)軟件的移植和應用層功能的擴展。

KNX通信模塊的硬件驅(qū)動層主要包括FZE1066收發(fā)器模塊驅(qū)動，完成報文的發(fā)送和接收；通信協(xié)議層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層以及傳輸層的相應功能，實現(xiàn)KNX報文的裝配和分解；DALI通信模塊的驅(qū)動層包括DALI接口底層驅(qū)動，通信協(xié)議層主要完成DALI指令的發(fā)送及解析、沖突檢測、指令優(yōu)先級配置等功能。KNX應用進程和DALI應用進程間的通信完成數(shù)據(jù)解析及轉(zhuǎn)換等功能。

3.2協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

3.2.1KNX協(xié)議轉(zhuǎn)DALI協(xié)議的實現(xiàn)

KNX通信時采用了逐層調(diào)用的策略，每一層協(xié)議被調(diào)用時，都是先讀取本層控制字信息，經(jīng)過信息處理后，將數(shù)據(jù)提供給上層協(xié)議。

KNX協(xié)議轉(zhuǎn)DALI協(xié)議流程圖5如所示。

圖5KNX轉(zhuǎn)DALI流程圖

網(wǎng)關從KNX總線上收到KNX報文數(shù)據(jù)后，將KNX報文按照物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層到應用層的順序，逐層進行分解，得到應用協(xié)議控制信息(APCI)對應的服務類型及其后的用戶數(shù)據(jù)并進行解析，將解析的結(jié)果轉(zhuǎn)換為對應的DALI指令；當ATxmega32E5檢測到DALI總線處于空閑狀態(tài)時，按照DALI前向幀的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到DALI總線上。經(jīng)過分析，KNX設備對DALI裝置的控制主要包括開關及調(diào)光操作，KNX報文與DALI指令間的對應關系如表1所示。

表1KNX報文與DALI指令對應關系

3.2.2DALI協(xié)議轉(zhuǎn)KNX協(xié)議的實現(xiàn)

當KNX設備進行狀態(tài)查詢時，需要將DALI裝置的狀態(tài)信息反饋給對應的KNX設備，DALI協(xié)議轉(zhuǎn)KNX協(xié)議流程圖如圖6所示。

圖6DALI轉(zhuǎn)KNX流程圖

DALI裝置的反饋信息包括DALI裝置電弧功率等級和故障狀態(tài)，網(wǎng)關通過指令160（查詢實際電弧功率等級）和指令144（查詢當前狀態(tài)）來獲取并進行保存。

KNX設備獲取設備狀態(tài)信息一般通過查詢報文或數(shù)據(jù)請求報文實現(xiàn)，當接收到KNX設備對DALI裝置的查詢或者數(shù)據(jù)請求報文后，網(wǎng)關就會將保存的DALI裝置的狀態(tài)反饋信息告知對應的KNX設備。如果監(jiān)測到DALI裝置發(fā)生故障（燈故障、電源故障等），網(wǎng)關會主動發(fā)起一次通信告知對應的KNX設備。

4網(wǎng)關測試

為了測試開發(fā)的KNX-DALI網(wǎng)關的功能，設計了一個簡單的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由KNX系統(tǒng)與DALI系統(tǒng)組成，兩個系統(tǒng)間由KNX-DALI待測網(wǎng)關連接。

系統(tǒng)主要包括ETS配置工具、KNX傳感器節(jié)點、待測網(wǎng)關、電源供應和DALI調(diào)光器及燈具等。KNX節(jié)點設備通過KNX總線進行通信，通過ETS客戶端對KNX節(jié)點設備進行配置；DALI系統(tǒng)中，所有的DALI裝置和設備均掛在DALI總線上，DALI系統(tǒng)為主從式的結(jié)構(gòu)，每次通信均有主機發(fā)起。

系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7系統(tǒng)測試框圖

系統(tǒng)測試由一個KNX傳感器節(jié)點來測試網(wǎng)關對KNX報文的發(fā)送和接收，利用PC機上的ETS配置工具配置KNX節(jié)點的物理地址和組地址，下載通信對象表、地址表和對象關聯(lián)表，并對KNX報文進行監(jiān)控。DALI系統(tǒng)由若干DALI裝置(DALI調(diào)光器）和燈具組成，網(wǎng)關的供電由KNX總線提供。

當KNX傳感器節(jié)點向網(wǎng)關發(fā)送開關或調(diào)光報文時，通過ETS工具可以監(jiān)測到網(wǎng)關回復的確認報文，并且在DALI總線上監(jiān)測到了對應的DALI前向幀數(shù)據(jù)，燈具執(zhí)行開關或調(diào)光操作；當KNX傳感器節(jié)點向網(wǎng)關發(fā)送查詢報文時，網(wǎng)關會將對應的DALI裝置的狀態(tài)信息組裝成KNX報文發(fā)送到KNX傳感器節(jié)點上。當DALI裝置出現(xiàn)故障時，網(wǎng)關可以及時的將故障信息反饋給KNX設備。

5安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

5.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術，技術成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關驅(qū)動器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進行數(shù)據(jù)交換。

5.2應用場所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場受控回路的開關狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關設備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時會發(fā)生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個照明回路實現(xiàn)開關控制；每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關和樓層控制開關，也可以一個模塊或者整個樓層實現(xiàn)開關控制。

4）開關驅(qū)動器支持過零觸發(fā)功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個照明回路可以預設掉電狀態(tài)，當照明電源掉電時，開關驅(qū)動器會自動切換到預設的掉電狀態(tài)；確保重新上電時燈具的開關狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動調(diào)光控件，照明設備從0%到100%進行調(diào)光，可以對單個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對一個模塊的照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對多個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場開關的狀態(tài)。

7）點擊場景控件，打開或者關閉對應場景設置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標的亮滅顯示對應的場景狀態(tài)是打開還是關閉。

8）設置定時時間，確認時間點后，對該事件點執(zhí)行的動作進行設置，設置燈在設定的時間點亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預設的當?shù)亟?jīng)緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據(jù)天文時鐘控制照明開關，實現(xiàn)日落開燈、日出關燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動模塊；當上位機系統(tǒng)故障或模塊離線時，驅(qū)動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設定實現(xiàn)功能的多樣性。

12）預留BA或第三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

5.5設備選型

6結(jié)束語

本文開發(fā)了一種基于KNX協(xié)議和DALI協(xié)議網(wǎng)關，該網(wǎng)關以ATxmega32E5作為收發(fā)控制器，以FZE1066作為KNX總線收發(fā)模塊，構(gòu)建了KNX-DALI協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關的硬件平臺，并在此平臺上實現(xiàn)了KNX通信協(xié)議棧、DALI協(xié)議棧的設計，以及KNX協(xié)議與DALI協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過實驗測試，實現(xiàn)了KNX報文到DALI指令間轉(zhuǎn)換，驗證了KNX-DALI網(wǎng)關所設計的功能，對DALI系統(tǒng)及KNX系統(tǒng)在國內(nèi)的應用及推廣具有借鑒意義。

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（陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

審核編輯 黃宇