胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】：基于數字可尋址照明接口（DALI）的照明系統以其專(zhuān)業(yè)、靈活等特點(diǎn)在智能家居領(lǐng)域得到了普遍的重視，但由于DALI照明系統控制節點(diǎn)數的限制，其組網(wǎng)規模小限制了它的推廣和應用；KNX／EIB總線(xiàn)作為樓宇自動(dòng)化國際標準，憑借良好的互操作性和開(kāi)放性，在智能樓宇控制領(lǐng)域取得了廣泛應用；為了融合這兩種系統的優(yōu)勢，設計一種KNX與DALI協(xié)議的轉換網(wǎng)關(guān)，在分析DALI和KNX系統特點(diǎn)的基礎上，完成了系統軟硬件架構設計，實(shí)現了DALI協(xié)議和KNX協(xié)議的相互轉換，并對網(wǎng)關(guān)性能進(jìn)行了測試，達到了設計要求。

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

0引言

數據可照明接口（digitaladdressablelightinginterface，DALI）作為一個(gè)開(kāi)放的數字化智能照明控制系統，具有配置靈活、安全可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可靈活的實(shí)現分組控制、場(chǎng)景設置以及狀態(tài)反饋等功能，在燈光控制上具有專(zhuān)業(yè)、細致的特點(diǎn)，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(huì )的標準。然而DALI系統由于受到規模的限制，一般應用于中小規模的照明控制中。為了發(fā)揮DALI系統在照明控制方面的優(yōu)勢，對DALI系統進(jìn)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(yáng)、安防、監控等所有的家居和樓宇終端設備進(jìn)行控制。KNX憑借良好的互操作性和開(kāi)放性、完善的通信機制以及節能運行等方面的優(yōu)勢，在智能樓宇控制領(lǐng)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照明控制系統與KNX系統相結合，將DALI照明控制系統作為KNX樓宇控制系統的子系統，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高樓宇智能化水平，降低樓宇能耗。而KNX－DALI網(wǎng)關(guān)成為兩種系統結合的關(guān)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，系統為主從式結構，*多可接入６４個(gè)可尋址的DALI裝置，可設置１６個(gè)可尋址組和１６種燈光場(chǎng)景，DALI總線(xiàn)的控制裝置均通過(guò)短地址、組地址或廣播地址進(jìn)行照明控制。傳輸數據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(xiàn)協(xié)議遵循ＯＳＩ模型協(xié)議規范，并進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，由物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層五層組成，KNX網(wǎng)絡(luò )為采用域（Domain）、區（Zone）、線(xiàn)（Line）三層結構，是一個(gè)W全對等（peer-topeer）的分布式網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)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構的劃分，組地址用于邏輯功能的劃分。

KNX－DALI網(wǎng)關(guān)包含完整的KNX協(xié)議和DALI協(xié)議實(shí)現，并且完成KNX報文與DALI數據幀的互相轉換。該網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現KNX設備對DALI裝置的控制及監測功能。

網(wǎng)關(guān)的總體結構如圖１所示。

圖1網(wǎng)關(guān)結構框圖

該網(wǎng)關(guān)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、監測總線(xiàn)電壓以等；收發(fā)控制器需要運行KNX通信內核和DALI協(xié)議棧、存儲系統及用戶(hù)參數、完成協(xié)議轉換等功能；DALI接口負責滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)與DALI系統通信接口的電氣特性要求。

KNX-DALI網(wǎng)關(guān)不僅是KNX系統中的一個(gè)KNX設備節點(diǎn)，也是DALI系統的一個(gè)DALI主機。網(wǎng)關(guān)工作過(guò)程為：當接收到KNX報文時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì )解析該報文完成到DALI指令的轉換，如果對應的是電弧功率控制指令，則在DALI總線(xiàn)空閑狀態(tài)下，發(fā)送指令到DALI系統中，實(shí)現對DALI裝置控制功能；如果是狀態(tài)查詢(xún)指令，網(wǎng)關(guān)會(huì )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(guān)會(huì )周期地對DALI裝置的狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún)，保存DALI裝置的狀態(tài)信息，如果DALI裝置發(fā)生故障，網(wǎng)關(guān)會(huì )主動(dòng)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(guān)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(jìn)的RISC結構，*高工作頻率可達到32MHZ,高達64KB的FLASH程序存儲區，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結合使用，可以支持自定義通信協(xié)議。

KNX總線(xiàn)收發(fā)器選擇西門(mén)子公司的FZE1066,FZE1066是用于KNX總線(xiàn)的收發(fā)模塊，通信介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，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；轉換電壓，能夠將KNX總線(xiàn)上的29V電壓轉化為5V電壓供通信控制芯片使用；監測KNX總線(xiàn)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(xiàn)連接，并由串行端口與ATxmega32E5連接，通過(guò)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(xiàn)提供，通過(guò)FZE1066實(shí)現數據信號和能量的分離。

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電氣規范，DALI使用雙線(xiàn)差分驅動(dòng)，要滿(mǎn)足總線(xiàn)傳輸高電平時(shí)電壓差在9.5~22.5V、傳輸低電平時(shí)電壓差小于6.5V、總線(xiàn)電流小于250mA的電氣參數規范。為了保證通信電路的穩定可靠，*好使用光電耦合器進(jìn)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(shí)現將電壓差轉化為單向的直流電壓；D5為穩壓管，保證總線(xiàn)傳輸電壓差符合DALI電氣特性要求。

接收時(shí)，當總線(xiàn)傳輸高電平，D5為反向擊穿狀態(tài)，U3導通，RX為高；當總線(xiàn)傳輸低電平時(shí)，D5截止，U3不導通，RX為低。發(fā)送時(shí)，由TX來(lái)改變Q3的工作狀態(tài)，從而改變總線(xiàn)傳輸的電平高低。

3網(wǎng)關(guān)軟件設計

3.1網(wǎng)關(guān)軟件架構

根據網(wǎng)關(guān)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(shí)現，還包括協(xié)議間的轉換功能。本系統的軟件架構圖如圖4所示。

圖4系統軟件架構圖

軟件設計首先要考慮的是程序的結構和設計方法。本設計中，采用一種層次化的軟件設計方法，即把整個(gè)軟件分為三層：底層驅動(dòng)層、協(xié)議層和應用層；底層驅動(dòng)層完成和硬件相關(guān)的交互，協(xié)議層完成通信協(xié)議棧的設計，應用層則根據系統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，并且方便系統軟件的移植和應用層功能的擴展。

KNX通信模塊的硬件驅動(dòng)層主要包括FZE1066收發(fā)器模塊驅動(dòng)，完成報文的發(fā)送和接收；通信協(xié)議層主要實(shí)現數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層以及傳輸層的相應功能，實(shí)現KNX報文的裝配和分解；DALI通信模塊的驅動(dòng)層包括DALI接口底層驅動(dòng)，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(jìn)程和DALI應用進(jìn)程間的通信完成數據解析及轉換等功能。

3.2協(xié)議轉換的實(shí)現

3.2.1KNX協(xié)議轉DALI協(xié)議的實(shí)現

KNX通信時(shí)采用了逐層調用的策略，每一層協(xié)議被調用時(shí)，都是先讀取本層控制字信息，經(jīng)過(guò)信息處理后，將數據提供給上層協(xié)議。

KNX協(xié)議轉DALI協(xié)議流程圖5如所示。

圖5KNX轉DALI流程圖

網(wǎng)關(guān)從KNX總線(xiàn)上收到KNX報文數據后，將KNX報文按照物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層到應用層的順序，逐層進(jìn)行分解，得到應用協(xié)議控制信息(APCI)對應的服務(wù)類(lèi)型及其后的用戶(hù)數據并進(jìn)行解析，將解析的結果轉換為對應的DALI指令；當ATxmega32E5檢測到DALI總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，按照DALI前向幀的數據格式發(fā)送到DALI總線(xiàn)上。經(jīng)過(guò)分析，KNX設備對DALI裝置的控制主要包括開(kāi)關(guān)及調光操作，KNX報文與DALI指令間的對應關(guān)系如表1所示。

表1KNX報文與DALI指令對應關(guān)系

3.2.2DALI協(xié)議轉KNX協(xié)議的實(shí)現

當KNX設備進(jìn)行狀態(tài)查詢(xún)時(shí)，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KNX協(xié)議流程圖如圖6所示。

圖6DALI轉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(guān)通過(guò)指令160（查詢(xún)實(shí)際電弧功率等級）和指令144（查詢(xún)當前狀態(tài)）來(lái)獲取并進(jìn)行保存。

KNX設備獲取設備狀態(tài)信息一般通過(guò)查詢(xún)報文或數據請求報文實(shí)現，當接收到KNX設備對DALI裝置的查詢(xún)或者數據請求報文后，網(wǎng)關(guān)就會(huì )將保存的DALI裝置的狀態(tài)反饋信息告知對應的KNX設備。如果監測到DALI裝置發(fā)生故障（燈故障、電源故障等），網(wǎng)關(guān)會(huì )主動(dòng)發(fā)起一次通信告知對應的KNX設備。

4網(wǎng)關(guān)測試

為了測試開(kāi)發(fā)的KNX-DALI網(wǎng)關(guān)的功能，設計了一個(gè)簡(jiǎn)單的測試系統，該系統由KNX系統與DALI系統組成，兩個(gè)系統間由KNX-DALI待測網(wǎng)關(guān)連接。

系統主要包括ETS配置工具、KNX傳感器節點(diǎn)、待測網(wǎng)關(guān)、電源供應和DALI調光器及燈具等。KNX節點(diǎn)設備通過(guò)KNX總線(xiàn)進(jìn)行通信，通過(guò)ETS客戶(hù)端對KNX節點(diǎn)設備進(jìn)行配置；DALI系統中，所有的DALI裝置和設備均掛在DALI總線(xiàn)上，DALI系統為主從式的結構，每次通信均有主機發(fā)起。

系統測試結構如圖7所示。

圖7系統測試框圖

系統測試由一個(gè)KNX傳感器節點(diǎn)來(lái)測試網(wǎng)關(guān)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節點(diǎn)的物理地址和組地址，下載通信對象表、地址表和對象關(guān)聯(lián)表，并對KNX報文進(jìn)行監控。DALI系統由若干DALI裝置(DALI調光器）和燈具組成，網(wǎng)關(guān)的供電由KNX總線(xiàn)提供。

當KNX傳感器節點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送開(kāi)關(guān)或調光報文時(shí)，通過(guò)ETS工具可以監測到網(wǎng)關(guān)回復的確認報文，并且在DALI總線(xiàn)上監測到了對應的DALI前向幀數據，燈具執行開(kāi)關(guān)或調光操作；當KNX傳感器節點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢(xún)報文時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì )將對應的DALI裝置的狀態(tài)信息組裝成KNX報文發(fā)送到KNX傳感器節點(diǎn)上。當DALI裝置出現故障時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以及時(shí)的將故障信息反饋給KNX設備。

5安科瑞智能照明控制系統

5.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線(xiàn)技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩定。開(kāi)關(guān)驅動(dòng)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(shí)預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿(mǎn)足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行數據交換。

5.2應用場(chǎng)所

適合于各類(lèi)智能小區、醫院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機場(chǎng)、隧道、車(chē)站等大型公建項目的照明控制需求。

5.3系統結構

6結束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了一種基于KNX協(xié)議和DALI協(xié)議網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)以ATxmega32E5作為收發(fā)控制器，以FZE1066作為KNX總線(xiàn)收發(fā)模塊，構建了KNX-DALI協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，并在此平臺上實(shí)現了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)議間的轉換。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，實(shí)現了KNX報文到DALI指令間轉換，驗證了KNX-DALI網(wǎng)關(guān)所設計的功能，對DALI系統及KNX系統在國內的應用及推廣具有借鑒意義。

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