基于家庭WIFI网络的DALI智能照明系统设计

邵 健，魏先巍

(安徽工业职业技术学院，安徽 铜陵 244000)

智能家居给予现代家庭许多美好的想像，但它的市场始终不如人意，其中的原因是多方面的，功能华而不实且价格高昂，是它没有广泛市场的一个重要原因，其中交互性好的控制终端更是大大增加了成本.但随着3G网络在我国的迅速推广，使得随时随地的数据传输变成了一件方便快捷的事情，同时带动了智能终端的迅速普及，并且其价格低廉.在当前的智能家居系统中，完全可以用随处可得的3G智能手机来替代系统中的智能控制终端.而且，目前家庭网络也得到了极大地普及，并且普遍安装有WiFi设备，使得设备之间的无线互联非常方便.根据现今的网络格局变化，本文充分利用已有的社会资源，本着实用、可靠的设计原则，将DALI系统以更低的成本引入到家庭智能控制系统.

1 DALI协议简述

在市场上众多的照明控制协议中，DALI(Digital Addressing Lighting Interface)数字可寻址照明接口协议，以其开放性强，支持第三方产品兼容，同时装备简单、造价低、易执行、抗干扰能力强等众多优点，目前已经广泛用于办公楼、会议音乐厅、仓库、学校、演播室等场合，但在市场上针对家庭的应用还比较少.

每个DALI控制系统的控制范围可达300m，每一组DALI主控制单元接口最多可以连接64个数控电子镇流器，即从节点，每个从节点最多可存储16种灯光场景和16个组地址.从节点通过两根控制线连接到DALI主控节点.DALI接口采用曼彻斯特编码方式，有效信息传送速率1200bit/s，发送端电压差在11.5～20.5V为逻辑1，在-4.5～4.5V为逻辑0，接收端电压差在9.5～22.5V为逻辑1，在-6.5～6.5V为逻辑0[1].

DALI系统的数据分为前向帧和后向侦，前向帧是主控单元传到从节点，后向帧是从节点传到主控单元.前向帧数据包长度为19bit，包括1bit起始位，8bit位地址位，8bit数据位，2bit停止位.后向帧数据包长度为11bit，包括1bit起始位，8bit数据位，2bit停止位.主控单元发出查询命令时，从节点才会反馈命令[2].

图1 DALI照明控制系统拓扑图

在实际应用中，尤其是一些比较大的商业应用场合，由于一个主控单元最多可以连接64个从节点，经常是采用RS485等协议对系统进行扩展[3].常见拓扑结构如图1.

2 系统整体设计和拓朴结构

如果是针对普通家庭进行这种总线式的照明控制[4]，笔者认为要充分考虑到以下因素，首先是要充分利用家庭中的WiFi网络，使用WiFi网络作为拓展手段，安全可靠、廉价实用，架设方便；其次，普通家庭的住房受楼层层高、装潢空间的限制，同时也是为了日后检修维护的方便性，要尽可能地减少布线工作量，即使是新房装修，也不宜整个照明网络使用有线布线结构，因此要根据家庭房型结构在适当的几个点布置若干个DALI控制单元，然后这个控制单元附近的一些灯光点布置DALI总线的从节点进行光源控制；再次，在家庭网络系统中，因节能的需求，不宜由一台服务器长时间开机运行，因此在新的系统设计时，主控单元和从节点都应有更多的场景记忆能力和自主工作模式，控制服务器和人机交互则可以使用智能手机或者PAD，或者家中的计算机，在需要进行较复杂的设置时，才打开相应的人机配置界面程序.

基于以上的一些想法，对系统进行了扁平化的设计，新设计家庭DALI照明控制网络拓扑如图2.

图2 基于WiFi网络的DALI协议照明网络拓扑

系统实现的主要功能是用户可能通过智能手机、平板电脑、PC机，以及WiFi面板，对房内的所有灯光进行单独或者组合控制，包括开、关、亮度调节、延时关灯、人体红外探测自动开灯等等功能.主控单元负责协议转换，并且需要记住最近或者常用的场景控制状态，实时地控制每一个从节点，或者接收来自于从节点的传感信息.从节点有两种工作模式，一种是被动并记忆工作状态，直接接受上位机指令，另一种是自动节能工作状态，自动根据传感器或者以往的操作记忆进行自主的工作.

3 主控单元(网关)设计

在这样的控制系统中，主控单元负责接受各类来自于WiFi网络的控制指令，同时它也充当着网关的作用，将控制信息发送给相应的从节点.

主控单元在硬件上主要包括电源模块、双串口微处理器、WiFi模块、TTL/DALI电平转换模、闪存模块.主控制单元电路图如图3所示.

图3 主控单元电路结构

在这个主控单元结构中，没有设计液晶显示屏、按键面板之类的输入输出通道，这样做主要是可以简化硬件结构，大大降低这个主控器的软硬件成本.对外的输入输出信号主要是通过WiFi模块进行交流，有些传感器和开关面板的信号通过TTL/DALI转换模块进行输入.对于系统较为复杂的配置和控制也是通过上位机功能全面的人机界面软件进行操作，并存储在闪存模块中.这个主控器的主要任务就是转换并存储指令和信息，并正确执行即可.轻化这个模块的设计，除具有降低成本的好处外，还在于它将更多的功能和机动性转移到上位机的控制软件上，这样便于系统的优化升级.

系统的CPU选择宏晶公司的具有双串口的STC12C5A60S2，该芯片抗干扰能力强，通过2万伏静电测试；功耗低，正常工作电流2～7mA；可在系统编程、远程升级等诸多优点.处理器主要处于通信中断状态，进行各种状态判断、指令转换、信息的存储与提取，并且可以大部分时间处于休眠状态.

WiFi模块选用市场成熟的Uart-Wifi模块，支持串口透明数据传输模式，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换.同时支持多种安全认证机制WEP64/WEP128/ TKIP/CCMP(AES)和WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等等.接口电路简单，安全可靠.线路连接如下图4.

图4 WiFi模块接线图

对于系统工作状态的存储，因为都是简单指令和数据，数据量非常小，存储芯片使用ATMEL公司的AT24C16.AT24C16提供16384位的串行电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)，组织形式为2048字×8位字长.AT24C16适用于许多要求低功耗和低电压操作的工业级或商业级应用.

DALI电路接口主要作用是不同协议电平的转换，并有光隔离保护的功能，为了让效果更好，将其设计为两种类型，一类是给主控单元使用的DALI接口电路，另一类是从节点的DALI接口电路.它们均采用低成本的分立元件构成，电路成熟可靠，并且成本很低.具体电路如图5、图6、图7所示.

图5 主控电路DALI接口发送电路

图6 主控电路DALI接口接收电路

图7 从节点DALI接口电路

4 从节点控制器设计

从节点的设计除了要实现DALI协议的功能，更主要的工作是通过驱动电路实现灯光控制，以及光照度或者人体红外传感器的接入.灯光的控制分为可调光型和不可调光型.因此结构设计上分为简单的三大块：DALI接口、控制器、传感输入和灯光控制接口电路，其中DALI接口电路如图6，控制器选用STC12C5206PWM，该芯片耗电省，稳定可靠，功能强，适合做前端控制.

5 软件系统设计

软件系统的设计包括两大块，一块是安装在家庭平板和PC上的客户界面，其主要功能包括以下几个方面.首先是整个智能照明系统的配置、策略设置；其次是对主控单元的配置、从节点的配置和数据发放；再者就是实时的控制界面.系统运行时产生的主要配置信息，同时会被下载到主控单元和相应的从节点中.因此客户界面的程序可以随时打开或者关闭，不会影响整个灯光控制系统的运行.并且客户界面的程序结构与数据结构均比较简单.因此开发成本低，同时功能实现也方便快捷，非常有利于系统与软件本身的快速升级改造.

软件系统的另一大块内容就是主控单元和从节点中嵌入的程序，这一部分程序主要是负责DALI指令的读写、传感器与控制器的信息汇总、存储；工作模式的记忆等等.从节点的程序则相对简单，实现工作模式的记忆和对灯光的实际控制即可.

6 结束语

本文在对智能家居市场进行分析的基础上，重新定义了家庭智能灯光系统的框架，充分利用了当前家庭用户中已有的网络结构.在系统的高层，使用家庭WiFi网络和3G终端的软硬件；系统的底层主要依赖于成熟且成本低廉的高性能单片机技术，将DALI系统以更低的成本引入到家庭智能控制系统中，使整个系统更适合市场的需求.

参考文献：

[1]王鹏鹏，刘振兴，邓洁.基于RS-485总结技术的DALI照明系统的设计[J].照明工程学报，2012，23(1):107-111.

[2]傅炜钢.基于DALI的智能照明系统设计[D].杭州:浙江大学，2008.

[3]张开羽，刘鹂，吕杨.基于DALI协议的智能照明系统设计[J].电子工程师，2004，30(9):76-80.

[4]辛龙威，李晓卉，方康玲.基于DALI协议的楼宇智能照明控制系统[J].建筑电气，2012，31(10):24-27.