（检测技术与自动化装置专业论文）基于dali协议的智能家居照明系统关键技术的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的不断进步，人们对家居照明的节能化和智能化的要求不断提 高，传统的照明控制方式显然己不能满足人们对生活照明的要求，智能家居照明 系统应运而生。智能家居照明系统充分利用网络通讯技术、计算机技术和自动控 制技术将建筑物内的各种照明设备有机的连接在一起，实现高效的管理和控制， 具有高效节能、管理简单、控制多样化、重构灵活等特点。 本文选择了照明业界最近几年发展势头十分迅猛的基于d a l i 协议的智能家 居照明系统作为研究对象，在深刻剖析d a l i 通信协议的基础上，结合国内居民 的生活习惯和消费水平提出了相应的智能家居照明系统解决方案，并对系统各组 成模块的关键技术进行了设计与实现。在智能照明成为当今家居照明界发展主流 的背景下，进行全面而具有开拓性的工作，为家居照明行业的发展积累一些新的 经验，提供新的探索思路和方法。 本文首先分析了智能家居照明系统的发展背景、国内外发展现状、研究意义 及选题依据。在深入阐述d a l i 协议的电气特性、d a l i 系统编码与指令格式等的 基础上，提出了一个基于d a l i 协议的智能家居照明系统总体方案。 本文研发了一个r s 2 3 2 d a l i 网关，该网关是主控设备与从控设备的信号转 换器。本文介绍了r s 2 3 2 d a l i 网关的硬件体系结构，给出了硬件系统构造框图， 并重点分析了硬件电路中m c u 电路、r s 2 3 2 接口电路、d a l i 接口电路、i s p 调 试下载电路的硬件构成与电路实现。同时，本文设计了该网关的系统软件功能模 块图和系统主程序流程图，最后还给出了软件程序实现中的部分关键代码。 本文研发了一个d a l i 触摸屏控制器，该控制器是基于d a l i 家居照明系统 的主控设备。本文给出了该控制器的硬件结构和电路图，定制与移植了一个嵌入 式操作系统w i n d o w sc e n e t ，实现了控制器应用软件d a l ic o n t r o l 2 的研发，并 将应用软件下载到嵌入式系统中运行，而且给出了软件主程序流程图和实现的部 分关键代码。 本文研发了一个上位机控制软件，该控制软件可实现对照明系统的所有功能 操作。本文深入剖析了该控制软件的设计原理和主程序流程图，并对软件的界面 广东工业大学硕士学位论文 及功能进行了全面介绍。 此外，本论文还给出了家居照明系统的调试与实现过程。通过对系统各部分 的构建与调试，本文成功的完成了嵌入式最小系统构建与实现。调试试验数据显 示，智能照明最小系统硬件构建合理、软件可实现预期全部操作，输出波形符合 要求，系统各指标正常，基本达到预期设计的所有目标。 最后，论文给出了本d a l i 智能家居照明系统的后续研发工作的改进措施， 为以后系统的进一步完善及产品成熟指明了发展方向。 关键词：智能家居照明系统；d a l i 协议；r s 2 3 2 d a l i 网关；d a l i 触摸 屏控制器；嵌入式最小系统 i i a b s tr a c t a b s t r a c t w i t hs o c i a le c o n o m yd e v e l o p e dr a p i d l y ，t h ed e m a n d so ns a v i n gt h ee l e c t r o n i c r e s o u r c ea n dm a k i n gt h ep e o p l e sh o m e l i g h t i n gi n t e l l i g e n ti sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t o b v i o u s l y ，t r a d i t i o n a ll i g h t i n gc o n t r o lm e t h o d sc a n n o ts a t i s f yt h e n e e d so fp e o p l e sh o m e - l i g h t i n g ，t h e r e f o r e ，i n t e l l i g e n th o m e l i g h t i n gs y s t e mc o m e s o u t i n t e l l i g e n th o m e - l i g h t i n gs y s t e mm a k e sg o o du s eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m b i n e s d i f f e r e n tl i g h t i n g a p p l i a n c e st or e a l i z ee f f i c i e n t c o n t r o la n dm a n a g e m e n t i th a s a d v a n t a g eo fs a v i n ge n e r g ye f f i c i e n t l y ，m a n a g i n gt h es y s t e ms i m p l y ，c o n t r o l l i n gt h e s y s t e mf l e x i b l ya n ds m a r t i n gc o n s t r u c t i o n ，a n ds oo n t h i sp a p e rc h o o s e sa ni n t e l l i g e n th o m e l i g h t i n gs y s t e mw h i c hb a s e do nd a l i p r o t o c o la sar e s e a r c ho b j e c ta n di th a sd e v e l o p e dr a p i d l yr e c e n ty e a r s o nt h eb a s i so f a n a l y s i so fd a l ic o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，a n dr e f e rt op e o p l el i f e h a b i ta n d s t a n d a r d so fc o n s u m p t i o n ，w ep u tf o r w a r dap r o p o s a lw h i c hr e s o l v e i n t e l l i g e n t h o m e - l i g h t i n gi l l u m i n a t i o n ，a n dw o r ka td e s i g n i n ga n dd e v e l o p m e n tt h e c o r e t e c h n i q u eo fr e l e v a n t l yp r o d u c t s t h er e s e a r c hi s s ig n i f i c a n ti nt h es i t u a t i o nt h a t d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o nc o m e st ob es o c i e t y i ta l s oa c c u m u l a t e ss o m e n e we x p e r i e n c e sa n dr e n d e r i n gn e wm e a n sf o rh o m e - l i g h t i n gi n d u s t r yd e v e l o p i n g f i r s t l y t h i s p a p e ra n a l y z e s t h e d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d o f i n t e l l i g e n t h o m e - l i g h t i n gs y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n t s t a t u sa l lo v e rt h ew o r l d ，r e s e a r c h s i g n i f i c a n c ea n ds e l e c t i n gf o u n d a t i o n a n dt h e n ，o nt h eb a s i so fd e e p l ya n a l y z eo f e l e c t r i cs p e c i f i c a t i o na n dd a t am o d ea n dc o m m a n df o r mo fd a l is y s t e m ，w ep u t f o r w a r dat o t a l l yp r o p o s a lo fi n t e l l i g e n th o m e l i g h t i n gs y s t e mb a s e do nd a l i p r o t o c 0 1 t h i sp a p e rd e v e l o p e dar s 2 3 2 - d a l ig a t e w a y i ti sam e s s a g er e p e a t e rb e t w e e n m a s t e rc o n t r o le q u i p m e n ta n ds l a v ec o n t r o le q u i p m e n t t h isp a p e ri n t r o d u c e st h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fr s 2 3 2 - d a l ig a t e w a y ，a n dp r o v i d e sh a r d w a r es y s t e ms k e t c h m a pa n ds e l e c t i v ea n a l y s i st h eh a r d w a r es t r u c t u r e a n dc i r c u i ti m p l e m e n to fm c u h l 广东工业大学硕士学位论文 c i r c u i t ，r s 一2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t ，d a l ii n t e r f a c ec i r c u i ta n di s pd e b u g g i n ga n d d o w n l o a d i n gc i r c u i t m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rd e s i g ns y s t e ms o f t w a r ef u n c t i o nm a p a n dt h ef l o wc h a r to fm a i np r o g r a m f i n a l l y ，i ta l s op r o v i d e ss o m ec o r ec o d eo f s o f t w a r ep r o g r a m t h i sp a p e rd e v e l o p sad a l il c dc o n t r o l l e r i ti sam a s t e rc o n t r o le q u i p m e n to f h o m e - l i g h t i n gs y s t e mb a s e do nd a l ip r o t o c 0 1 t h i sp a p e rp r o v i d e sh a r d w a r es y s t e m s k e t c ha n dc i r c u i t m a p ，c u s t o m i z e a n d t r a n s p l a n t a ne m b e d o p e r a t i o n s y s t e m - - w i n d o w s c e n e t ， a n dh a s d e v e l o p e d a c o n t r o l l e r a p p l i c a t i o n s o f t w a r e - - d a l ic o n t r o l 2 ，a n dr u n n i n gi ti nt h ee m b e d e ds y s t e m i ta l s op r o v i d e st h e f l o wc h a r to fm a i np r o g r a ma n ds o m ec o r ec o d eo fs o f t w a r ep r o g r a m t h i sp a p e rd e v e l o p sac o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r e i tc a nc o m p l e t ea l lo p e r a t i o n f u n c t i o no fh o m e - l i g h t i n gs y s t e m t h i sp a p e rd e e p l ya n a l y z e st h ew o r k p r i n c i p l ea n d t h ef l o wc h a r to fm a i np r o g r a m i ta l s oi n t r o d u c e ss o f t w a r ei n t e r f a c ea n ds y s t e m f u n c t i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sd a t ad e b u g g i n ga n di m p l e m e n tc o u r s eo f h o m e - l i g h t i n gs y s t e m b ym e a n so fb u i l d i n g a n d d e b u g g i n go fs y s t e m ，w e s u c c e s s f u l l yc o m p l e t et h ee m b e d d e dm i n i m i z es y s t e m t h ed e b u g g i n gs t a t i s t i c a ld a t a s h o w st h a tt h eh a r d w a r eo fm i n i m i z es y s t e mi su s e f u la n dt h es o f t w a r ec a nb e o p e r a t e da l lt h ew a y m e a n t i m e ，t h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mi sn o r m a l i th a sa c h i e v e d a ta l la n t i c i p a t et a r g e t f i n a l l y ，t h i sp a p e rp r o v i d e ss o m ei m p r o v em e a s u r e st ot h es y s t e m ，i ta l s op o i n t s o u tt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o rt h ed a l ih o m e - l i g h t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n th o m e - l i g h t i n gs y s t e m ；d a l ip r o t o c o l ；r s 2 3 2 d a l i g a t e w a y ；d a l il c dc o n t r o l l e r ； e m b e d d e dm i n i m i z es y s t e m 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，。特此声明。 论文作者签字：孑次走栋 指导教师签字：诉湃靠 d7 r 年月矽日 6 3 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国经济的飞速发展，各地区电力供应不足现象十分普遍。从广东南方电 网公司召开的2 0 0 8 年电力工作会议上获悉，广东0 8 年电力缺口仍超过6 0 0 万千瓦， 缺电的情况十分严峻。2 0 0 8 年国家发改委一项统计表明，目前我国照明用电消费巨 大，约占全社会总用电量的12 ，如果把白炽灯全部更换成节能灯，全国一年可节 电6 0 0 多亿千瓦，几乎相当于三峡水电站全年的发电量。有此可见，如何解决照 明节能问题，已成为构建节能型社会的一大难题。 照明控制按其原理一般可分为三种方式【：】：开关控制、模拟控制和数字控制。 开关和模拟这两种控制方式技术较为成熟，使用的也较为广泛，但由于其功能简单 及使用效率低下，电能浪费严重，己不能满足人们对于照明多样化和节能化的要求。 因此，选择数字型、可调光、可寻址、节能性强的新一代智能照明系统将是今后照 明系统的发展方向和市场主流。 所谓智能照明系统【，】，就是根据某一区域的功能、时段、室内光亮度或该区 域的用途，采用计算机通讯技术等方法，使照明系统自动化。与传统的照明系统 相比，智能照明系统还具有使用成本低、操作安全、安装简单、功能丰富等一系 列优点。当前智能照明系统的种类多种多样，例如有基于x 1 0 、c e b u s 、e i b 等 协议的智能照明系统h 6 1 。这些控制技术较为成熟，主要用于舞台灯光及大型住 宅小区、酒店等场合，但由于一次安装价格较贵、移植性差等原因，一直未在小 型家居领域广泛的应用。因此，p h i l i p s 、o s r a m 等几个著名照明电器公司在1 9 9 0 年起提出了基于数字化可寻址照明接口( d a l i ) 的智能照明控制系统。 1 2 国内外研究现状 近年来，在智能家居照明领域，诸多知名厂商纷纷推出自己的智能照明产品。 但值得注意的是，大多数厂商没有采用国际通用的协议来规划设计，而是自定协议， 各自为战【 。实践证明，这种非开放型模式开发成本昂贵，且无法实现不同厂商产 品之间的互联互操，也不能达到即插即用的方便效果，长远来说会严重浪费开发资 广东工业大学硕士学位论文 源，增加拓宽市场的难度。因此，选择一个基于中立的、非营利组织管理，以不依 赖某一特定制造商的国际标准协议来构建设计照明控制系统，将成为智能家居照明 发展的必然趋势【s 】，而本论文的研究课题一一基于d a l i 协议的智能家居照明系统关 键技术的研究与开发就是基于以上原因提出的。 基于d a l i 技术的智能照明系统在西方发达国家发展的较为成熟，应用也较为 普遍。国际市场的一些大公司，如p h i l i p s 、o s r a m 、h a l v a r 等都开发了自己的d a l i 照明系统和产品，技术处于领先水平。下图是p h i l i p s 公司开发的基于d a l i 协议的 s c e n i o 照明控制系统【9 】。 按键开关 ；1 - 1 0 v d c i l 一一 p c 图1 1 基于d a l i 协议的s c e n i o 照明控制系统 f i g 1 1s c e n t ol i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd a l ip r o t o c o l s c e n i o 照明控制系统包含一个主照明控制器，它由总线连接着一个或者多 个扩展照明控制器。主照明控制器和扩展照明控制器通过回路连接的方法和中继 器、d a l i 电子镇流器相连，以此来实现灯光的开关和调节功能。系统功能强大， 最多可连接6 4 个电子镇流器，并可对每个电子镇流器进行单独和组的操作，也可 以预设16 种照明场景和可自由变化场景切换的时间。该照明系统功能不仅可由上 位机控制软件设定，也可通过开关面板、触摸屏控制面板甚至是特制的红外线编 2 第章绪论 程器来设定。 中国是一个电器大国，国内电气照明厂家争相研究d a l i 技术，发展势头十 分猛烈。但通过查阅大量论文资料，发现在我国市场上只有几个将基于d a l i 协 议的智能照明控制系统应用于工程实践的实例，应用水平仍十分低下1 1 0 。主要原 因一是由于受到技术的制约。中国引进基于d a l i 的照明技术较晚，有关这方面 的技术人员严重缺乏，人才培养和国外先进人才引进还远远不能满足。二是受到 价格的制约，由于国内相关厂家技术水平有限，到目前为止国内公司基本上还没 有研发出成熟的基于d a l i 技术的照明系统，现在国内有研究开发这方面的公司 也基本都是国外大公司的代理，如广州周立功有限公司的d a l i 照明系统是 p h i l i p s 公司的代理商，这导致了安装该系统价格严重的虚高，就一套小型家居照 明系统而言，大约为西方国家的5 倍价格。而且，在现有的家居照明控制系统中， 所用的控制面板多为普通开关面板，使用起来功能简单，不符合当今社会人性化 和智能化的主流。以上制约因素大大的阻碍了基于d a l i 协议的智能照明系统在 我国家居照明上的发展与应用。 1 3 选题意义及选题依据 伴随着经济社会的发展，全球能源短缺问题日渐严峻。中国十一五规划文件对 节能减耗的提出，标志着节能问题已成为国内外企业界和学术界的一个重点攻关课 题。绿色照明作为节能减耗的一个主要内容，将在中国新时期构建节约型社会中发 挥重要作用。 照明控制作为当今社会一个主要的民生问题，广泛应用于社会的各个领域，特 别是在对照明环境要求比较高的场所，包括各种会议厅、演讲厅、宴会厅、高级家 居场所等，往往需要用到高品质的照明控制。照明控制的现实作用可以归纳为以下 两个方面【1 1 】。 1 营造良好的照明环境 随着社会生产力的发展，人们从事的社会活动呈现出场所多样化和照明功能智 能化的特点，照明环境的改变与其从事的活动密切相关。这就需要我们营造各种不 同的照明环境，以满足不同的要求t 1 2 。具体如下：( 1 ) 、控制光环境来划分空间。当 房间功能及作用变化时，控制方式也随之灵活转换。( 2 ) 、使用控制手段在同一场 广东工业大学硕士学位论文 所中创造出不同类型的灯光效果，给人以不同的视觉感受，从生理和心理上给人积 极的影响。 2 节约能源 节能问题一直来都是我们社会可持续发展的头等大事之一。改革开放三十年 来，人们对生活质量要求不断提高，各种电器设备应有尽有，人均耗电量急剧加大， 照明所用能耗在整个建筑能耗中所占的分量也日益剧增。实践表明，应用智能化照 明技术，可以使传统建筑的照明消耗减少3 0 以上，新型建筑减少2 5 以上，从而 大大地节约能源。同时，相比于其它控制方式，智能照明控制方式是在不影响视觉 条件下完成调节目的，具有很好的实用性和可操作性- - 引。 基于d a l i ( d i g i t a la d d r e s s a b l el i g h t i n gi n t e r f a c e ) 的智能照明控制系统开放性 好，它采用数字控制技术，具有造价低、重构灵活、能耗少、可以级联等特点。更 显著的是它可以作为一个子系统集成在整个智能楼宇的大型系统中，很适用于办公 楼、会议厅、音乐厅、仓库、大学、医院和家居等建筑的智能照明控制s 】。 本课题以一个基于d a l i 协议的智能家居照明系统的研究与开发为出发点，主 要对象是基于d a l i 协议的智能家居照明系统中的各个基本模块关键技术的研发与 实现。他们包括家居照明嵌入式最小系统中的r s 2 3 2 d a l i 网关模块的软硬件设计 与实现、d a l i 触摸屏控制器模块的软硬件设计与实现、上位机控制软件模块的设 计与实现、数字镇流器及外围传感器等的设计与实现。通过对上述基本模块关键技 术的研发与实现，搭建起一个简单的嵌入式最小智能家居照明系统，以此来进一步 促进基于d a l i 协议的小型智能家居照明系统在我国的发展和应用，并为构建大型 智能照明控制系统及整个智能楼宇系统作技术基础准备。因此，本课题对我国的家 居照明行业建设、智能楼宇系统发展以及省电节能、照明智能化等方面都有重大的 社会和经济效益。 1 4 研究目标及主要内容 本文从智能照明系统的主流协议d a l i 协议入手，提出了一个基于d a l i 协 议的智能家居照明系统的总体方案与系统架构，并对系统各组成部分模块的关键 技术进行了研究与实现。本论文内容架构如下： ( 1 ) 对本论文的研究背景、选题意义、研究目标和主要内容进行了全面的阐 4 第一章绪论 述及介绍。 ( 2 ) 在介绍d a l i 协议的使用优势、电气特性、编码与指令格式等基础上， 参考其他公司设计的基于d a l i 协议智能照明系统，自行提出了一个基于d a l i 协议的智能家居照明系统总体方案，并对系统各组成部分的关键技术进行了初步 的论述。 ( 3 ) 自行开发与设计r s 2 3 2 d a l i 网关。阐述了r s 2 3 2 d a l i 网关的硬件原 理及硬件组成，详细分析了r s 2 3 2 d a l i 网关功能模块框图和应用软件主程序流 程图，并给出了软件关键代码的实现过程。 ( 4 ) 自行开发与设计d a l i 触摸屏控制器。阐述了d a l i 触摸屏控制器的硬 件原理与组成部分，在硬件构建的基础上，定制与移植w i n d o w sc e n e t 嵌入式操 作系统，并研发合适的d a l i 触摸屏应用软件。 ( 5 ) 开发与设计上位机控制软件。阐述了上位机控制软件的功能模块框图和 主程序流程图，并对控制软件的界面进行了功能介绍。 ( 6 ) 对嵌入式最小家居照明系统的各组成部分模块进行了调试与实现，并给 出相关数据与波形图，验证系统的合理性。 ( 7 ) 总结本论文的研究工作，并对基于d a l i 协议的智能家居照明系统提出 了改进的方向及建议。 广东工业大学硕士学位论文 第二章基于d a ll 协议的智能家居照明系统总体方案 2 1d a li 协议概述 d a l i 是英文d i g i t a la d d r e s s a b l el i g h t i n gi n t e r f a c e l 拘缩写，意为数字式可寻址照 明控制接口标准。它是一种定义了实现现代数字电子镇流器和控制模块之间进行数 字化通信的接口标准，普遍应用于各种场合的智能照明【1 6 】。 与d a l i 有关的研究工作始于2 0 世纪9 0 年代中期。在初期阶段，d a l i 被称为 d b i ( d i g i t a lb a l l a s ti n t e r f a c e ) ，意为数字式电子镇流器接口，它是利用数字化控制 方式调节荧光灯输出光通量来达到调光的一种控制技术。在欧洲o s r a m 、p h i l i p s 、 t r i d o n i c 、t r i l u x 、h e l v a r 等电子镇流器制造商都己经研究开发出符合d a l i 标准的产 品。该标准支持“开放系统”的概念，不同厂商的产品只要遵守d a l i 标准就可以即 插即用，以保证不同制造厂生产的d a l i 设备能全部兼容【，j 。 d a l i 系统具有分布式智能模块，各个智能化d a l i 模块单元都具有数字控制 和数字通信能力，地址和灯光场景信息等都存储在各个d a l i 模块单元的存储器内。 d a l i 模块单元通过d a l i 的双胶线总线进行数字通信、传递指令和状态信息，以此 来实现灯的开关、调光控制和系统设置等功能。 d a l i 系统有三种连接方式【1 8 】，分别是串行连接方式、星形连接方式和混合连 接方式。三种连接方式各具特点，使用范围多变，给施工方和客户方的安装使用提 供了极大方便。同时，d a l i 系统使用的是对数曲线调光，这种非线性的调光方式 相对于人眼的视觉特性为线性变化规律，符合人眼的视觉习惯【旧】。 d a l i 系统可以独立运行，也可以作为b m s ( 建筑管理系统) 的子系统，通过网 关或者中继器实现双向通信，与楼宇自动化的其他子系统实现无缝集成f 2 0 】。d a l i 系统使用数字技术，节能效果显著，与其它非智能照明系统相比，能耗可节省3 0 以上，非常适用于办公楼、会议厅、音乐厅、仓库、大学、医院和家居等建筑的 智能照明控制。 2 1 1d a li 系统的电气特性 d a l i 系统使用双绞线进行双向通信 2 h 。通过双线之间的电压差来判断是高电 6 第二章基于d a l i 协议的智能家居照明系统总体方案 平还是低电平，在发射端( 即控制单元) 和接收端( 从控单元) 之间最大可有2 v 的电压 损失。一般情况下，系统在没有信号传输( 即闲置状态) 时，d a l i 接1 ：3 电压为高电平 状态。d a l i 总线上传输的信号，其传输时间范围无论是上升沿还是下降沿都在 10 u s - - - 10 0 u s 之间。当它们的电压差大于9 5 v 时则被认为是高电平，低于6 5 v 则被 认为是低电平。而当压差在6 5 v 9 5 v 之间的区间则没有定义。具体的d a l i 信号 电压示意图如下图所示： 1 ) 低电平区同；- 6 5 v 计6 5 v标准僵0 v 2 ) 高电平区间： 9 5 v , - , + 2 2 5 v 标准值1 6 v 图2 1d a l i 信号电压示意图 f i g 2 - 1s k e t c hm a po fv o l t a g eo fd a l is i g n a l d a l i 总线上的最大电流限制为2 5 0 m a ，每个镇流器的电流消耗设定在2 m a 。 控制线和电源线可以同槽布置，为了保证压降符合d a l i 协议物理层电气指标要求， 布线直径根据传输距离的长短规定如下1 2 2 1 ：当传输距离小于1o o 时，最小布线直径 为0 5 r a m 2 ：当传输距离在1o o m 15 0 m 之间时，最小布线直径为o 7 5 m m 2 ；当传输 距离大于15 0 m 时，最小布线直径为1 5 r a m 2 。其中，d a l i 系统设备之间的连接导线 不能超过3 0 0 m 。d a l i 系统的安装布线图如图2 2 所示： 图2 2d a l i 系统安装布线图 f i g 2 - 2w i r i n gd i a g r a mo fd a l is y s t e m 广东工业大学硕士学位论文 2 1 2d a li 系统的编码与指令格式 d a l i 采用双向曼彻斯特编码格式， 从逻辑低电平转变到高电平表示值“1 ”， 图2 3 所示： 逻辑“1 ” 值“1 ”和“o ”表示为两种不同的电平的跃变， 从逻辑高电平转变到低电平表示值“o ”。如 逻辑“o ” 蚓斟 图2 3 曼彻斯特编码方式 f i g 2 3m o d eo fm a c h e s t e rc o d e d a l i 总线上传输的数据分为两类：前向帧和后向帧。前向帧的传输方向是从 主控单元向从控单元发出的指令数据。数据由19 b i t 数据组成，如图2 4 所示。第l 位 是起始位，第2 到第9 位是地址位( 这就决定了只能对6 4 个从控设备进行单独编址) ， 第10 到第17 位是数据位，第18 和19 位是停止位i ：，】。 l 起始 地址位 数据位 停止位 图2 4d a l i 主控命令 f i g 2 4m a s t e rc o n t r o lc o m m a n do fd a l i d a l i 协议中从机只有在主控制器查询时，才向主机发送反馈数据，称为后 向帧。后向帧数据由1 1b i t 数据组成，如图2 5 所示。第1 位是起始位，第2 到第 9 位是数据位，第10 和第1 1 位是停止位。只有符合上述指令标准的信息，d a l i 设备才对其做出反应，否则将不予理睬1 2 4 】。 l 起始l 数据位 l 停止位l 图2 5d a l i 从控命令 f i g 2 - 5s l a v ec o n t r o lc o m m a n do fd a l i 第二章基于d a l 协议的智能家居照明系统总体方案 d a l i 协议允许多种指令，d a l i 指令的地址部分决定命令是控制哪一个d a l i 模块，所有的模块都可以执行带有广播式地址的指令。指令的地址字节有多种形式， 包括短地址、组地址、广播地址和专用命令形式1 2 5 1 。短地址形式是单独控制单个从 机的个体地址，编址形式为“0 a a a a a a s ”。其中“a a a a a a ”是地址位，编址范围 是0 6 3 ，可控制6 4 个不同地址。组地址形式是成组控制的地址指令，编址形式为 “10 0 a a a a s ”，其中“a a a a ”是地址位，编址范围是0 l5 ，最多可进行16 组成组控 制。广播命令的编址形式为“1 111 11 1s ”，对所控制的所有从机的统一指令。另外还 有专用指令，可进行特殊的命令，编码形式为“10 1 c c c c s ”，其中“c c c c ”为指令代 码。s 是一个选择标志位，当s = “0 ”表示后面的是调光等级值，当s = “1 ”表示后面的 是指令。如表2 1 所示。 表2 1d a l i 地妇t 信息 t a b 2 1a d d r e s sm e s s a g eo fd a l i 地址形式字节形式 短地址 o a a a a a a s ( a a a a a a = 0 6 3 ，s = 0 1 ) 组地址 10 0 a a a a s ( a a a a = 0 - - - 15 ，s = 0 1 ) 广播地址 11 11 1 11s ( s = 0 i ) 专用命令10 1c c c c s ( c c c c = 命令码，s = 0 1 ) 2 1 3d a ll 数据访问规则 d a l i 的数据通信有自己的数据访问规则，不符合规范的数据将被丢弃，发出 的信息被拒绝1 7 m s 后可以重发。d a l i 系统的通信冲突检测和处理主要包括三方 面：指令监控、访问优先级和冲突检测。 每个d a l i 控制单元可以检测到指令2 5 8 ( 初始化) 和指令2 5 6 ( 中止) 。当一个控制 设备在执行寻址定位操作时，其它所有设备都不能发送任何数据，d a l i 总线处于 锁定状态。直到设备接收到“中止”指令或者“初始化指令后，d a l i 总线才能 重新使用，最长等待时间3 0 分钟。 d a l i 系统定义了5 个优先级：0 ，1 ，2 ，3 ，4 。0 最高，4 最低，优先级的高低 是根据数据帧之间不同的稳定时间定义的。优先级高低情况如下所示：( 1 ) 优先级 9 广东工业大学硕七学位论文 o ：临时优先级，用于那些必须重传的指令。( 2 ) 优先级1 ：用户手动操作的指令或 者对电弧功率手动调整有影响的指令。( 3 ) 优先级2 ：总体配置指令。( 4 ) 优先级3 ： 自动电弧功率控制指令。( 5 ) 优先级4 ：查询指令。优先级x ( o , - - - 4 ) 的新数据帧在上 个数据帧的最后一位后相应的1 2 m s + x m s 后开始传输。 如果一个d a l i 系统中不止有一个控制器，就有可能出现两个或者两个以上的 控制设备同时发送数据( 并且数据优先级相同) 。为了避免数据相互的冲突，每个 控制设备应该对它自己的数据传输进行监控，即冲突检测。 由于低电平在数据总线上占主导地位，系统的冲突检测就是为了在总线将要变 为低电平之前的8 u s 和在高位传输中的高电平部分这两种情况下，如果控制设备检 测到d a l i 控制线上有低电平，就说明有冲突发生。这也就意味着有另外第二个控 制设备在同一时间内发送数据，此时第一个控制设备将停止它的数据发送，第二个 设备不受影响，继续发送。 d a l i 系统的通信冲突检测和冲突处理是d a l i 协议的主要内容，它保证了在 d a l i 总线上传输数据的可靠性和安全性。在d a l i 系统的实际构建和应用当中，我 们更要特别注意访问规则的合理性。 2 1 4d a li 调光原理 d a l i 系统对每个连接在从控单元的电子镇流器定义了12 5 级对数调光等级，将 灯的电流从10 0 调节到0 1 ，由于人眼对低亮度比对高亮度要敏感得多，而这种 对数规律用人眼看上去是线性的，且无明显闪屏现象出现，符合人眼的视觉习惯。 式( 2 1 ) 为d a l i 对数调光公式。 l ! 垡2 二丛型j ：常量：2 8 ( x ：1 2 5 4 ) ( 2 1 ) p ( x ) 在实际的工程应用中，我们一般把最低的调光级别设置在3 以上，这是为了 保证系统的数字调光不会降低灯的使用寿命。 如果没有检测到接口的电源电压，电子镇流器将处于“系统故障亮度级”，即一 个特定的应急亮度级，“系统故障亮度级”的默认值确保了l0 0 的照明。 如果控制指令的调光亮度值在“最大值”和“最小值”的范围以外，系统则会将电 弧功率等级设置为相应的最大值和最小值。如果灯具原来处于熄灭状态，则系统收 到此命令后会被点亮。 1 0 第二章基于b a l i 协议的智能家居照明系统总体方案 直接电弧功率控制按照式( 2 2 ) 来进行定义： 尸一州( 哥 宰静 2 ， 式中尸枕z z 枕k y 表示电弧功率的绝对值，鼻o 。表示电弧功率的最大物理值。 x x x xx x x x 表示8 位二进制码，计算时应将x x x xx x x x 转化为相应的十进制数 值( o - - - 2 5 5 ) ，两者之间的对应关系可以参见图2 6 。在实际的应用中，有两种特殊情 况不遵循( 2 2 ) 的计算公式：它们是“0 0 0 00 0 0 0 ”指令和“1 1 1 11 1 1 1 ”指令。其 中指令“0 0 0 00 0 0 0 ”是镇流器按照常规的调光时间调到最小值，再熄灭；指令“1 1 1 1 1 11 1 意味着“掩模或者“停止调光”。 1 0 0 9 0 8 0 7 0 亮6 0 度 等 级5 0 4 0 3 0 2 0 l o 0 11 22 33 44 55 66 77 88 9 1 0 01 1 l1 2 21 3 3 1 4 41 5 5 1 6 61 7 71 8 81 9 9 2 1 02 2 12 3 22 4 3 2 5 4 8 位控制值 图2 - 6b a l i 对数曲线调光 f i g 2 - 6l o g a r i t h me u r y el i g h t i n g d i m m e ro fb a l i 广东工业大学硕士学位论文 2 2d a li 智能家居照明系统总体方案设计 通过以上的分析可知，基于d a l i 协议的智能照明系统技术先进、节能效果突 出，发展空间十分广阔。但通过调研发现，d a l i 智能照明技术在我国应用普及的 速度仍十分缓慢，主要原因是国内很多公司开发的d a l i 产品大多为简单的带有 d a l i 接口产品，而对整个系统的构建与技术实现则相对研究的较少，系统各部分 关键技术还没有很好的掌握和实现，这给d a l i 智能家居照明系统在中国的发展带 来了一定的限制【2 6 】。 本论文以智能照明控制系统为研究背景，在参考了国内外知名电子公司基于 d a l i 协议的智能照明控制系统的基础上，根据我国居民的生活习惯和消费水平， 自行研发与设计了一个基于d a l i 协议的智能家居控制照明系统，其系统连接图 如图2 7 所示。 图2 7d a l i 智能家居照明系统图 f i g 2 - 7d i a g r a mo fd a l ii n t e l l i g e n th o m e - l i g h t i n gs y s t e m 1 2 第二章基于d a l i 协议的智能家居照明系统总体方案 本系统结构完善，安装及使用方便，十分适应于小型家居的智能照明。它由 r s 2 3 2 d a l i 网关、d a l i 触摸屏控制器、上位机控制软件、数字电子镇流器、红 外发射接收器、红外编程器、传感器( 运动检测器，温感、湿感等) 、薄膜按键开 关控制面板及其他具有d a l i 接口的任何外设互连d a l i 总线组成。 2 2 1r s 2 3 2 - d a li 网关模块 当用户使用上位机控制软件时，应用程序发出相应的中断指令。上位机的指令 信号是串口信号，它通过r s 2 3 2 向外传送