張玉杰，邱金妮，周 潔

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

基于DALI協(xié)議的照明系統(tǒng)配置工具設(shè)計

張玉杰，邱金妮，周 潔

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

本文針對數(shù)字可尋址照明接口(DALI)系統(tǒng)在現(xiàn)場施工中組網(wǎng)麻煩和配置工序繁瑣、操作不便等問題，提出一種基于Android并符合IEC62386國際標準的DALI照明系統(tǒng)組網(wǎng)和配置工具。本設(shè)計的Android手持設(shè)備端通過藍牙4.0與DALI配置工具硬件工具進行無線通信，實現(xiàn)了DALI系統(tǒng)控制設(shè)備以及控制裝置的地址分配、地址識別、相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)查詢等功能，經(jīng)系統(tǒng)測試，該工具運行穩(wěn)定，可正確的完成配置功能，實現(xiàn)了本文設(shè)計的功能要求。

DALI照明系統(tǒng)；Android；IEC62386國際標準；配置；藍牙4.0

引言

基于數(shù)字可尋址照明接口(DALI)的照明系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、靈活等特點在智能家居領(lǐng)域被廣泛應用。DALI系統(tǒng)中包括控制設(shè)備和控制裝置等設(shè)備， device(控制設(shè)備)是指連接到DALI接口上的設(shè)備，并用于發(fā)送指令控制其他連接到相同接口上的設(shè)備。gear(控制裝置)用于給燈具提供電源，接收控制指令并直接控制燈具的裝置。

但由于目前DALI系統(tǒng)的gear采用基于PC機的線纜連接式配置方式，如國內(nèi)深圳百樂思特公司自主研發(fā)的基于PC機的DALI Workbench軟件和DALI_LINK硬件工具。device的配置采用手動撥碼開關(guān)配置方式，為了不影響人們的視覺效果及美觀感受，device的安裝位置都比較高或者偏，手動撥碼極為不便，現(xiàn)場施工也具有一定的危險性。隨著2014年國際標準IEC62386再度完善，即DALI系統(tǒng)多個device之間的通信機制及其編址、通信、數(shù)據(jù)交互等問題的規(guī)范，目前市場上的DALI系統(tǒng)配置方式顯得功能單一、缺乏靈活性。因此設(shè)計一種簡單、靈活的并符合IEC62386國際標準的DALI系統(tǒng)gear和device配置工具已經(jīng)成為DALI系統(tǒng)在實際應用中的關(guān)鍵性問題。

本文將結(jié)合IEC62386國際標準DALI協(xié)議，實現(xiàn)在Android平臺利用藍牙4.0對DALI系統(tǒng)的device和gear進行無線配置操作，這種方式避免了在現(xiàn)場施工中傳統(tǒng)繁瑣的線纜連接帶來的不便，也有效的解決了手動撥碼的不便，同時不僅適用于整個DALI系統(tǒng)的配置，而且兼容傳統(tǒng)的DALI系統(tǒng)配置。

1 總體設(shè)計方案

基于Android的DALI系統(tǒng)配置工具包括DALI配置工具和手持配置端app兩部分，兩者通過藍牙4.0實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過手持配置端的操作，實現(xiàn)對DALI系統(tǒng)的device、gear的地址分配，地址識別、狀態(tài)查詢、校準以及相關(guān)參數(shù)等的配置，如控制方式選擇、場景設(shè)置等參數(shù)的設(shè)置，手持設(shè)備端具體功能框圖如圖1所示。

圖1 手持設(shè)備端功能框圖Fig.1 The block diagram of handheld devices function

基于Android的DALI系統(tǒng)配置工具的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The overall structure diagram

DALI配置工具由DALI接口電路、MCU以及藍牙通信電路組成。其中DALI接口負責滿足DALI配置工具與DALI總線通信的電氣特性要求。MCU需要實現(xiàn)DALI協(xié)議棧、存儲系統(tǒng)及配置參數(shù)等功能；藍牙通信電路負責實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧、接收手持配置端操作指令和發(fā)送DALI系統(tǒng)反饋信息等功能[2]。

基于Android的DALI系統(tǒng)配置工具的工作過程為：當CC2541藍牙模塊接收到手持配置端配置指令后，進行解析、重新封裝后通過串口USART轉(zhuǎn)發(fā)給MCU，MCU對藍牙指令進行解析，并處理為DALI數(shù)據(jù)幀格式，通過DALI接口電路將指令發(fā)給DALI總線，如果此時DALI總線有反饋信息，MCU則等待接收，MCU又將數(shù)據(jù)進行解析及封裝，通過藍牙模塊發(fā)送至手持配置端。

2 DALI配置工具硬件設(shè)計

DALI配置工具以基于ARM Cortex-M0的微控制器SN32F707作為DALI配置工具的MCU，其主要功能特性有：①32k字節(jié)的內(nèi)置Flash可編程存儲器，RAM多達8k字節(jié)；②43個GPIO引腳，可配置為上拉或下拉模式，可響應電平或邊沿觸發(fā)中斷；③2個16位和2個32位通用定時器；④2個帶有波特率發(fā)生器的USART控制器。

DALI配置工具硬件電路包括DALI接口電路、藍牙通信電路、調(diào)試接口、LED指示、外部晶振等，DALI配置工具的工作電源均由DALI總線電源提供，其硬件總體框圖如圖3所示。

圖3 DALI硬件框圖Fig.3 DALI hardware block diagram

2.1 DALI接口電路

DALI系統(tǒng)與DALI配置工具通信必須滿足DALI協(xié)議的電氣特性。DALI總線采用雙線差分驅(qū)動，總線傳輸高電平時電壓差在9.5V～22.5V，傳輸?shù)碗娖綍r電壓差小于6.5V，總線電流小于250 mA的電氣參數(shù)規(guī)范。為了保證通信電路的穩(wěn)定可靠，本文使用光電耦合器進行隔離[3]。

DALI接口電路的設(shè)計如圖4所示，空閑時，DALI總線保持高電平，接收電路由U2、U3、R4、R5、和穩(wěn)壓管D2構(gòu)成，當DALI總線為高電平時，電流經(jīng)整流橋B1流經(jīng)D2，通過R5和U3后產(chǎn)生1 mA的電流用來驅(qū)動光耦合器U2，U2導通后，DALI_RX為低；當DALI總線為低電平時，U2不導通，DALI_RX為高。發(fā)送電路由T1、U1、R1、R2、R3構(gòu)成，當DALI_TX為高電平時，U1 、T1不導通，DALI總線維持高電平；當DALI_TX為低電平時，U1、T1導通，DALI回路流經(jīng)整流橋和T1，整個回路阻抗很小，幾乎為0，故DALI總線為低電平。

圖4 DALI通信電路Fig.4 DALI communication circuit

2.2 藍牙通信電路

本文選用CC2541藍牙4.0芯片作為藍牙通信模塊的主控制器，CC2451集成了2.4GHz射頻收發(fā)器，是一款完全兼容8051內(nèi)核的無線射頻單片機，CC2541有兩個串行通信接口：USART0、USART1，它們能夠分別運行于異步UART模式或者同步SPI模式。兩個USART具體同樣的功能，也可以作為I/O口使用。本設(shè)計中USART0采用異步UART模式，用于藍牙通信模塊與DALI通信模塊之間的通信；USART1采用同步SPI模式，用于程序的下載和調(diào)試。

藍牙通信電路框圖如圖5所示，CC2451外圍電路包括時鐘電路、阻抗匹配電路及單極性PCB天線等。時鐘電路采用2個外部晶振，32MHz晶振和32.768KHz晶振。天線設(shè)計可以使用PCB天線，如倒F天線、螺旋天線等，本文中選用倒F天線。阻抗匹配電路實現(xiàn)將由CC2451輸出的雙端信號轉(zhuǎn)換成兩倍的單端信號輸出以達到與倒F天線的匹配。CC2541通過串口與微控制器SN32F707進行數(shù)據(jù)交換。

圖5 藍牙通信電路Fig.5 Bluetooth communication circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 DALI配置工具軟件設(shè)計

DALI配置工具的軟件設(shè)計采用模塊化的思想，將每個功能模塊劃分為不同的層次，每一層實現(xiàn)各自的功能，相鄰層之間通過接口函數(shù)進行數(shù)據(jù)交換，不同功能模塊之間通過應用層進行通信，這種方式降低了層與層之間的耦合程度，提高了系統(tǒng)的可維護性和移植性。

3.1.1 軟件架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，軟件部分主要實現(xiàn)的功能包括：①按照modbus協(xié)議的要求實現(xiàn)手持配置端與藍牙模塊的數(shù)據(jù)交換，即能夠正確接收和發(fā)送配置指令；②MCU與CC2541藍牙模塊通過串口進行數(shù)據(jù)交互；③MCU按照DALI協(xié)議與DALI總線進行通信，即能夠正確接收和發(fā)送DALI數(shù)據(jù)。

DALI配置工具的軟件架構(gòu)圖如6所示。

圖6 DALI配置工具軟件架構(gòu)圖Fig.6 DALI configuration tool software architecture

3.1.2 DALI通信模塊軟件設(shè)計

本文將DALI通信模塊軟件分為應用層、協(xié)議層和底層驅(qū)動層。底層驅(qū)動層是直接與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序，如GPIO驅(qū)動、USART驅(qū)動等，協(xié)議層主要完成DALI協(xié)議棧的設(shè)計，包括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。應用層則實現(xiàn)具體的功能。

根據(jù)DALI配置工具的功能需求，將DALI通信模塊的軟件分為以下幾個任務(wù)：

1)串口任務(wù)：將DALI后向幀數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙通信模塊；接收、解析并轉(zhuǎn)發(fā)藍牙通信模塊串口的數(shù)據(jù)命令；

2)DALI數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)：發(fā)送DALI通信模塊串口接收的數(shù)據(jù)至DALI總線；接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)DALI控制設(shè)備或者控制裝置經(jīng)DALI總線回復的后向幀數(shù)據(jù)；

3)輪詢?nèi)蝿?wù)：定時輪詢DALI總線上的所有設(shè)備的狀態(tài)信息，如果檢測到故障，則立即發(fā)送該信息給藍牙通信模塊，并以Message短信消息的形式發(fā)送至手持配置端。

3.1.3 藍牙通信模塊軟件設(shè)計

本設(shè)計中的藍牙通信部分軟件使用TI公司的藍牙協(xié)議棧，該協(xié)議棧采用OSAL系統(tǒng)，程序開始運行后進入初始化程序，完成對軟硬件初始化，隨后系統(tǒng)會根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級不間斷的對各個任務(wù)各個事件進行掃描，當掃描到有任務(wù)需要執(zhí)行時，系統(tǒng)會根據(jù)優(yōu)先級逐次執(zhí)行。根據(jù)系統(tǒng)功能，藍牙通信部分應用層軟件任務(wù)劃分為：

1)設(shè)備狀態(tài)掃描任務(wù)：周期性的對藍牙設(shè)備狀態(tài)進行掃描，監(jiān)測是否連接正常，不正常則嘗試重新自動連接，嘗試失敗則返回故障信息至手持配置端；

2)藍牙收發(fā)任務(wù)：接收手持配置端的命令，發(fā)送串口接收的數(shù)據(jù)至手持配置端；

3)串口收發(fā)任務(wù)：實現(xiàn)與DALI通信模塊的數(shù)據(jù)交互，完成串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；

4)串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)：主要用于處理接收的數(shù)據(jù)，如校驗，解析，重新封裝等處理；

5)LED指示任務(wù)：完成系統(tǒng)狀態(tài)的指示工作。

3.2 手持設(shè)備端APP軟件設(shè)計

手持設(shè)備端APP軟件設(shè)計以Android操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，主要包括用戶界面、軟件通信及數(shù)據(jù)存儲等三大任務(wù)：①Android系統(tǒng)為開發(fā)者提供了豐富的類庫，整個平臺具有良好的開放性和可擴展性，使人機互動界面人性化；②軟件通信采用藍牙Socket通信方式，即客戶端與服務(wù)器雙方建立起連接后直接進行數(shù)據(jù)的傳輸，在連接的同時實現(xiàn)信息的主動推送，而不需要每次由客戶端服務(wù)器發(fā)送請求。并且Socket通信具有數(shù)據(jù)丟失率低，使用簡單且易于移植等特點；③數(shù)據(jù)存儲采用SQLite數(shù)據(jù)庫，SQLite支持NULL、INTEGER、REAL、TEXT等數(shù)據(jù)類型，通過SQLiteDatabase類和SQLiteOpenHelper類實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改以及查詢等操作。手持設(shè)備端部分界面如圖7所示。

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

4 系統(tǒng)測試

為了測試開發(fā)的DALI系統(tǒng)的組網(wǎng)和配置工具的功能，本文將待測DALI配置工具接入到DALI系統(tǒng)中，該系統(tǒng)主要包括待測DALI配置工具、待測手持配置端、DALI電源、傳感器、場景控制面板、組控制面板、恒壓驅(qū)動及燈具等。DALI系統(tǒng)中，所有的DALI系統(tǒng)控制裝置和控制設(shè)備均掛在DALI總線上。經(jīng)過測試，本文開發(fā)的DALI系統(tǒng)組網(wǎng)和配置工具穩(wěn)定性強，通過藍牙4.0可以快速對DALI系統(tǒng)進行組網(wǎng)配置，并可將DALI系統(tǒng)device、gear的故障信息通過推送消息的方式反饋至手持設(shè)備端。

DALI配置工具應用實物圖如8所示。

圖8 DALI配置工具應用實物圖Fig.8 DALI configuration tool application object graph

5 結(jié)束語

本文開發(fā)了一種DALI系統(tǒng)組網(wǎng)和配置工具，該工具以Android操作系統(tǒng)為手持設(shè)備APP開發(fā)平臺，以SN32F707為控制器，以CC2541作為藍牙通信模塊，構(gòu)建了DALI配置工具的硬件平臺。手持設(shè)備通過藍牙與DALI配置工具通信，從而實現(xiàn)對DALI系統(tǒng)的無線配置。經(jīng)過應用測試，本文所設(shè)計的DALI系統(tǒng)組網(wǎng)和配置工具具有靈活、高效、穩(wěn)定等特點，應用前景較好。

[1] 佘咸寧.支持智能手機控制的DALI智能照明系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學,2013.

[2] 張玉杰,鄭培.KNX-TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2014,12:49-52.

[3] 張岳軍.智能照明系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].杭州：浙江大學,2006.

[4] 張開羽,劉驪,呂楊.基于DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].電子工程師,2004,9:76-80.

[5] 傅煒鋼.基于DALI的智能照明系統(tǒng)設(shè)計[D].杭州：浙江大學,2008.

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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

陜西省科技計劃項目(編號：2014K07-17),西安市科技計劃項目(編號：CXY1436(1))

TN915

A

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