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

 更新日期:2023-11-27 點擊量:273

丁姍姍

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(lǐng)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(lǐng)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(guān),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(guān)性能進行了測試,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(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(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(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(guān)成為兩種系統(tǒng)結(jié)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(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(guān)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(guān)主要實現(xiàn)KNX設備對DALI裝置的控制及監(jiān)測功能。

網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)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(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(guān)與DALI系統(tǒng)通信接口的電氣特性要求。

KNX-DALI網(wǎng)關(guān)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(guān)工作過程為:當接收到KNX報文時,網(wǎng)關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(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(guān)軟件設計

3.1網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

根據(jù)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(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(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(guān)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(guān)及調(diào)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

KNX報文

DALI指令

開燈報文

指令5:回到*大功率等級

關(guān)燈報文

指令0:關(guān)斷

調(diào)亮報文

指令1:調(diào)亮

調(diào)暗報文

指令2:調(diào)暗

定值調(diào)光

直接電弧功率控制指令

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(guān)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(guān)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(guān)會主動發(fā)起一次通信告知對應的KNX設備。

4網(wǎng)關(guān)測試

為了測試開發(fā)的KNX-DALI網(wǎng)關(guān)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(guān)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(guān)、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(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(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(guān)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(guān)的供電由KNX總線提供。

當KNX傳感器節(jié)點向網(wǎng)關(guān)發(fā)送開關(guān)或調(diào)光報文時,通過ETS工具可以監(jiān)測到網(wǎng)關(guān)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(guān)或調(diào)光操作;當KNX傳感器節(jié)點向網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢報文時,網(wǎng)關(guān)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(guān)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(shù),技術(shù)成熟可靠,安全穩(wěn)定。開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)控制;每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān),也可以一個模塊或者整個樓層實現(xiàn)開關(guān)控制。

4)開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)的狀態(tài)。

7)點擊場景控件,打開或者關(guān)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(guān)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(guān),實現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)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

名稱

型號

功能

備注

安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

ALIBUS

可通過控制面板、人體感應、照度感應、微波感應、上位機系統(tǒng)、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實現(xiàn)靈活多樣的智能化控制


名稱

型號

上行

下行

外形尺寸

備注

智能通信管理機

Anet-1E1S1

1路以太網(wǎng)

1路RS485

140*90*50


智能通信管理機

Anet-1E2S1

1路以太網(wǎng)

1路RS485

140*90*50


智能通信管理機

Anet-2E4S1

2路以太網(wǎng)

4路RS485

168*113*54


智能通信管理機

Anet-2E8S1

2路以太網(wǎng)

8路RS485

168*113*54


名稱

型號

負載電流

安裝方式

外形尺寸

備注

4路開關(guān)驅(qū)動器

ASL220Z-S4/16

16A

導軌式

144*90*70

1.控制火線

2.每回路額定電流16A

3.磁保持繼電器

4.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

8路開關(guān)驅(qū)動器

AS220Z-S8/16

16A

導軌式

216*90*70

1.控制火線

2.每回路額定電流16A

3.磁保持繼電器

4.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

12路開關(guān)驅(qū)動器

ASL220Z-S12/16

16A

導軌式

288*90*70

1.控制火線

2.每回路額定電流16A

3.磁保持繼電器

4.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

16路開關(guān)驅(qū)動器

ASL220Z-S16/16

16A

導軌式

360*90*70

1.控制火線

2.每回路額定電流16A

3.磁保持繼電器

4.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

8路調(diào)光驅(qū)動器

ASL220Z-SD8/16

16A

導軌式

360*90*70

1.控制火線

2.每回路額定電流16A

3.磁保持繼電器

4.延時控制

5.0-10V調(diào)光

名稱

型號

性能

安裝方式

外形尺寸

備注

紅外感應傳感器

ASL220-PM/T

3-5m

120°

嵌入式吸頂

φ80

開孔55mm

微波感應傳感器

ASL220-RM/T

5-7m

120°

嵌入式吸頂

φ80

開孔55mm

微動感應傳感器

ASL220-PR/T

5-7m

120°

嵌入式吸頂

φ80

開孔55mm

IP網(wǎng)關(guān)

ASL200-485-IP

ALIBUSnet/IP

導軌式

14*28*39

系統(tǒng)組網(wǎng)元件

監(jiān)控軟件接口設備

1聯(lián)2鍵智能面板

ASL220-F1/2

2組控制指令

86盒

86*24*86

開關(guān)

調(diào)光

場景

2聯(lián)4鍵智能面板

ASL220-F2/4

4組控制指令

86盒

86*24*86

3聯(lián)6鍵智能面板

ASL220-F3/6

6組控制指令

86盒

86*24*86

4聯(lián)8鍵智能面板

ASL220-F4/8

8組控制指令

86盒

86*24*86

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(guān),該網(wǎng)關(guān)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(guān)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(guān)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)