邵 健，魏先巍

(安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

智能家居給予現(xiàn)代家庭許多美好的想像，但它的市場始終不如人意，其中的原因是多方面的，功能華而不實且價格高昂，是它沒有廣泛市場的一個重要原因，其中交互性好的控制終端更是大大增加了成本.但隨著3G網(wǎng)絡(luò)在我國的迅速推廣，使得隨時隨地的數(shù)據(jù)傳輸變成了一件方便快捷的事情，同時帶動了智能終端的迅速普及，并且其價格低廉.在當(dāng)前的智能家居系統(tǒng)中，完全可以用隨處可得的3G智能手機來替代系統(tǒng)中的智能控制終端.而且，目前家庭網(wǎng)絡(luò)也得到了極大地普及，并且普遍安裝有WiFi設(shè)備，使得設(shè)備之間的無線互聯(lián)非常方便.根據(jù)現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)格局變化，本文充分利用已有的社會資源，本著實用、可靠的設(shè)計原則，將DALI系統(tǒng)以更低的成本引入到家庭智能控制系統(tǒng).

1 DALI協(xié)議簡述

在市場上眾多的照明控制協(xié)議中，DALI(Digital Addressing Lighting Interface)數(shù)字可尋址照明接口協(xié)議，以其開放性強，支持第三方產(chǎn)品兼容，同時裝備簡單、造價低、易執(zhí)行、抗干擾能力強等眾多優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛用于辦公樓、會議音樂廳、倉庫、學(xué)校、演播室等場合，但在市場上針對家庭的應(yīng)用還比較少.

每個DALI控制系統(tǒng)的控制范圍可達(dá)300m，每一組DALI主控制單元接口最多可以連接64個數(shù)控電子鎮(zhèn)流器，即從節(jié)點，每個從節(jié)點最多可存儲16種燈光場景和16個組地址.從節(jié)點通過兩根控制線連接到DALI主控節(jié)點.DALI接口采用曼徹斯特編碼方式，有效信息傳送速率1200bit/s，發(fā)送端電壓差在11.5～20.5V為邏輯1，在-4.5～4.5V為邏輯0，接收端電壓差在9.5～22.5V為邏輯1，在-6.5～6.5V為邏輯0[1].

DALI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分為前向幀和后向偵，前向幀是主控單元傳到從節(jié)點，后向幀是從節(jié)點傳到主控單元.前向幀數(shù)據(jù)包長度為19bit，包括1bit起始位，8bit位地址位，8bit數(shù)據(jù)位，2bit停止位.后向幀數(shù)據(jù)包長度為11bit，包括1bit起始位，8bit數(shù)據(jù)位，2bit停止位.主控單元發(fā)出查詢命令時，從節(jié)點才會反饋命令[2].

圖1 DALI照明控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在實際應(yīng)用中，尤其是一些比較大的商業(yè)應(yīng)用場合，由于一個主控單元最多可以連接64個從節(jié)點，經(jīng)常是采用RS485等協(xié)議對系統(tǒng)進(jìn)行擴展[3].常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.

2 系統(tǒng)整體設(shè)計和拓樸結(jié)構(gòu)

如果是針對普通家庭進(jìn)行這種總線式的照明控制[4]，筆者認(rèn)為要充分考慮到以下因素，首先是要充分利用家庭中的WiFi網(wǎng)絡(luò)，使用WiFi網(wǎng)絡(luò)作為拓展手段，安全可靠、廉價實用，架設(shè)方便；其次，普通家庭的住房受樓層層高、裝潢空間的限制，同時也是為了日后檢修維護(hù)的方便性，要盡可能地減少布線工作量，即使是新房裝修，也不宜整個照明網(wǎng)絡(luò)使用有線布線結(jié)構(gòu)，因此要根據(jù)家庭房型結(jié)構(gòu)在適當(dāng)?shù)膸讉€點布置若干個DALI控制單元，然后這個控制單元附近的一些燈光點布置DALI總線的從節(jié)點進(jìn)行光源控制；再次，在家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，因節(jié)能的需求，不宜由一臺服務(wù)器長時間開機運行，因此在新的系統(tǒng)設(shè)計時，主控單元和從節(jié)點都應(yīng)有更多的場景記憶能力和自主工作模式，控制服務(wù)器和人機交互則可以使用智能手機或者PAD，或者家中的計算機，在需要進(jìn)行較復(fù)雜的設(shè)置時，才打開相應(yīng)的人機配置界面程序.

基于以上的一些想法，對系統(tǒng)進(jìn)行了扁平化的設(shè)計，新設(shè)計家庭DALI照明控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2.

圖2 基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的DALI協(xié)議照明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能是用戶可能通過智能手機、平板電腦、PC機，以及WiFi面板，對房內(nèi)的所有燈光進(jìn)行單獨或者組合控制，包括開、關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、延時關(guān)燈、人體紅外探測自動開燈等等功能.主控單元負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并且需要記住最近或者常用的場景控制狀態(tài)，實時地控制每一個從節(jié)點，或者接收來自于從節(jié)點的傳感信息.從節(jié)點有兩種工作模式，一種是被動并記憶工作狀態(tài)，直接接受上位機指令，另一種是自動節(jié)能工作狀態(tài)，自動根據(jù)傳感器或者以往的操作記憶進(jìn)行自主的工作.

3 主控單元(網(wǎng)關(guān))設(shè)計

在這樣的控制系統(tǒng)中，主控單元負(fù)責(zé)接受各類來自于WiFi網(wǎng)絡(luò)的控制指令，同時它也充當(dāng)著網(wǎng)關(guān)的作用，將控制信息發(fā)送給相應(yīng)的從節(jié)點.

主控單元在硬件上主要包括電源模塊、雙串口微處理器、WiFi模塊、TTL/DALI電平轉(zhuǎn)換模、閃存模塊.主控制單元電路圖如圖3所示.

圖3 主控單元電路結(jié)構(gòu)

在這個主控單元結(jié)構(gòu)中，沒有設(shè)計液晶顯示屏、按鍵面板之類的輸入輸出通道，這樣做主要是可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，大大降低這個主控器的軟硬件成本.對外的輸入輸出信號主要是通過WiFi模塊進(jìn)行交流，有些傳感器和開關(guān)面板的信號通過TTL/DALI轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行輸入.對于系統(tǒng)較為復(fù)雜的配置和控制也是通過上位機功能全面的人機界面軟件進(jìn)行操作，并存儲在閃存模塊中.這個主控器的主要任務(wù)就是轉(zhuǎn)換并存儲指令和信息，并正確執(zhí)行即可.輕化這個模塊的設(shè)計，除具有降低成本的好處外，還在于它將更多的功能和機動性轉(zhuǎn)移到上位機的控制軟件上，這樣便于系統(tǒng)的優(yōu)化升級.

系統(tǒng)的CPU選擇宏晶公司的具有雙串口的STC12C5A60S2，該芯片抗干擾能力強，通過2萬伏靜電測試；功耗低，正常工作電流2～7mA；可在系統(tǒng)編程、遠(yuǎn)程升級等諸多優(yōu)點.處理器主要處于通信中斷狀態(tài)，進(jìn)行各種狀態(tài)判斷、指令轉(zhuǎn)換、信息的存儲與提取，并且可以大部分時間處于休眠狀態(tài).

WiFi模塊選用市場成熟的Uart-Wifi模塊，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換.同時支持多種安全認(rèn)證機制WEP64/WEP128/ TKIP/CCMP(AES)和WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等等.接口電路簡單，安全可靠.線路連接如下圖4.

圖4 WiFi模塊接線圖

對于系統(tǒng)工作狀態(tài)的存儲，因為都是簡單指令和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常小，存儲芯片使用ATMEL公司的AT24C16.AT24C16提供16384位的串行電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)，組織形式為2048字×8位字長.AT24C16適用于許多要求低功耗和低電壓操作的工業(yè)級或商業(yè)級應(yīng)用.

DALI電路接口主要作用是不同協(xié)議電平的轉(zhuǎn)換，并有光隔離保護(hù)的功能，為了讓效果更好，將其設(shè)計為兩種類型，一類是給主控單元使用的DALI接口電路，另一類是從節(jié)點的DALI接口電路.它們均采用低成本的分立元件構(gòu)成，電路成熟可靠，并且成本很低.具體電路如圖5、圖6、圖7所示.

圖5 主控電路DALI接口發(fā)送電路

圖6 主控電路DALI接口接收電路

圖7 從節(jié)點DALI接口電路

4 從節(jié)點控制器設(shè)計

從節(jié)點的設(shè)計除了要實現(xiàn)DALI協(xié)議的功能，更主要的工作是通過驅(qū)動電路實現(xiàn)燈光控制，以及光照度或者人體紅外傳感器的接入.燈光的控制分為可調(diào)光型和不可調(diào)光型.因此結(jié)構(gòu)設(shè)計上分為簡單的三大塊：DALI接口、控制器、傳感輸入和燈光控制接口電路，其中DALI接口電路如圖6，控制器選用STC12C5206PWM，該芯片耗電省，穩(wěn)定可靠，功能強，適合做前端控制.

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的設(shè)計包括兩大塊，一塊是安裝在家庭平板和PC上的客戶界面，其主要功能包括以下幾個方面.首先是整個智能照明系統(tǒng)的配置、策略設(shè)置；其次是對主控單元的配置、從節(jié)點的配置和數(shù)據(jù)發(fā)放；再者就是實時的控制界面.系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的主要配置信息，同時會被下載到主控單元和相應(yīng)的從節(jié)點中.因此客戶界面的程序可以隨時打開或者關(guān)閉，不會影響整個燈光控制系統(tǒng)的運行.并且客戶界面的程序結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均比較簡單.因此開發(fā)成本低，同時功能實現(xiàn)也方便快捷，非常有利于系統(tǒng)與軟件本身的快速升級改造.

軟件系統(tǒng)的另一大塊內(nèi)容就是主控單元和從節(jié)點中嵌入的程序，這一部分程序主要是負(fù)責(zé)DALI指令的讀寫、傳感器與控制器的信息匯總、存儲；工作模式的記憶等等.從節(jié)點的程序則相對簡單，實現(xiàn)工作模式的記憶和對燈光的實際控制即可.

6 結(jié)束語

本文在對智能家居市場進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重新定義了家庭智能燈光系統(tǒng)的框架，充分利用了當(dāng)前家庭用戶中已有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).在系統(tǒng)的高層，使用家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)和3G終端的軟硬件；系統(tǒng)的底層主要依賴于成熟且成本低廉的高性能單片機技術(shù)，將DALI系統(tǒng)以更低的成本引入到家庭智能控制系統(tǒng)中，使整個系統(tǒng)更適合市場的需求.

參考文獻(xiàn)：

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[3]張開羽，劉鸝，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，2004，30(9):76-80.

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