【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(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(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)數(shù)的限制，其組網(wǎng)規(guī)模小限制了它的推廣和應(yīng)用；KNX／EIB總線作為樓宇自動(dòng)化國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用；為了融合這兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了DALI協(xié)議和KNX協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，并對(duì)網(wǎng)關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(shè)

0引言

數(shù)據(jù)可照明接口（digitaladdressablelightinginterface，DALI）作為一個(gè)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(diǎn)，可靈活的實(shí)現(xiàn)分組控制、場(chǎng)景設(shè)置以及狀態(tài)反饋等功能，在燈光控制上具有專業(yè)、細(xì)致的特點(diǎn)，受到照明設(shè)備制造商的廣泛支持，并已經(jīng)成為國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。然而DALI系統(tǒng)由于受到規(guī)模的限制，一般應(yīng)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(shì)，對(duì)DALI系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展勢(shì)在必行。

KNX（Konnex，KNX）是住宅和樓宇控制標(biāo)準(zhǔn)，能對(duì)照明、遮陽(yáng)、安防、監(jiān)控等所有的家居和樓宇終端設(shè)備進(jìn)行控制。KNX憑借良好的互操作性和開放性、完善的通信機(jī)制以及節(jié)能運(yùn)行等方面的優(yōu)勢(shì)，在智能樓宇控制領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)成為我國(guó)樓宇控制的國(guó)家參考標(biāo)準(zhǔn)。

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(shì)，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(tǒng)結(jié)合的關(guān)鍵。

1.網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

1.1網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，軟件部分不僅包括對(duì)KNX及DA-LI協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和實(shí)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1所示。

圖1系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

軟件設(shè)計(jì)首先要考慮的是程序的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)中，采用一種層次化的軟件設(shè)計(jì)方法，即把整個(gè)軟件分為三層：底層驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層；底層驅(qū)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(shè)計(jì)，應(yīng)用層則根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制功能。這種設(shè)計(jì)方法保證了各程序模塊間的獨(dú)立性和完整性，并且方便系統(tǒng)軟件的移植和應(yīng)用層功能的擴(kuò)展。

KNX通信模塊的硬件驅(qū)動(dòng)層主要包括FZE1066收發(fā)器模塊驅(qū)動(dòng)，完成報(bào)文的發(fā)送和接收；通信協(xié)議層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及傳輸層的相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)KNX報(bào)文的裝配和分解；DALI通信模塊的驅(qū)動(dòng)層包括DALI接口底層驅(qū)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(cè)、指令優(yōu)先級(jí)配置等功能。KNX應(yīng)用進(jìn)程和DALI應(yīng)用進(jìn)程間的通信完成數(shù)據(jù)解析及轉(zhuǎn)換等功能。

2.協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

2.1KNX協(xié)議轉(zhuǎn)DALI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

KNX通信時(shí)采用了逐層調(diào)用的策略，每一層協(xié)議被調(diào)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(shù)據(jù)提供給上層協(xié)議。

KNX協(xié)議轉(zhuǎn)DALI協(xié)議流程圖2如所示。

圖2KNX轉(zhuǎn)DALI流程圖

網(wǎng)關(guān)從KNX總線上收到KNX報(bào)文數(shù)據(jù)后，將KNX報(bào)文按照物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層到應(yīng)用層的順序，逐層進(jìn)行分解，得到應(yīng)用協(xié)議控制信息(APCI)對(duì)應(yīng)的服務(wù)類型及其后的用戶數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將解析的結(jié)果轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的DALI指令；當(dāng)ATxmega32E5檢測(cè)到DALI總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，按照DALI前向幀的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到DALI總線上。經(jīng)過(guò)分析，KNX設(shè)備對(duì)DALI裝置的控制主要包括開關(guān)及調(diào)光操作，KNX報(bào)文與DALI指令間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1KNX報(bào)文與DALI指令對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2.2DALI協(xié)議轉(zhuǎn)KNX協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)KNX設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢時(shí)，需要將DALI裝置的狀態(tài)信息反饋給對(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備，DALI協(xié)議轉(zhuǎn)KNX協(xié)議流程圖如圖3所示。

圖3DALI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(jí)和故障狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)指令160（查詢實(shí)際電弧功率等級(jí)）和指令144（查詢當(dāng)前狀態(tài)）來(lái)獲取并進(jìn)行保存。

KNX設(shè)備獲取設(shè)備狀態(tài)信息一般通過(guò)查詢報(bào)文或數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收到KNX設(shè)備對(duì)DALI裝置的查詢或者數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)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(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備。如果監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備。

3.網(wǎng)關(guān)測(cè)試

為了測(cè)試開發(fā)的KNX-DALI網(wǎng)關(guān)的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由KNX系統(tǒng)與DALI系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)間由KNX-DALI待測(cè)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(diǎn)、待測(cè)網(wǎng)關(guān)、電源供應(yīng)和DALI調(diào)光器及燈具等。KNX節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)KNX總線進(jìn)行通信，通過(guò)ETS客戶端對(duì)KNX節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行配置；DALI系統(tǒng)中，所有的DALI裝置和設(shè)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(jī)發(fā)起。

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4系統(tǒng)測(cè)試框圖

系統(tǒng)測(cè)試由一個(gè)KNX傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)測(cè)試網(wǎng)關(guān)對(duì)KNX報(bào)文的發(fā)送和接收，利用PC機(jī)上的ETS配置工具配置KNX節(jié)點(diǎn)的物理地址和組地址，下載通信對(duì)象表、地址表和對(duì)象關(guān)聯(lián)表，并對(duì)KNX報(bào)文進(jìn)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(dāng)KNX傳感器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送開關(guān)或調(diào)光報(bào)文時(shí)，通過(guò)ETS工具可以監(jiān)測(cè)到網(wǎng)關(guān)回復(fù)的確認(rèn)報(bào)文，并且在DALI總線上監(jiān)測(cè)到了對(duì)應(yīng)的DALI前向幀數(shù)據(jù)，燈具執(zhí)行開關(guān)或調(diào)光操作；當(dāng)KNX傳感器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢報(bào)文時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)將對(duì)應(yīng)的DALI裝置的狀態(tài)信息組裝成KNX報(bào)文發(fā)送到KNX傳感器節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)DALI裝置出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以及時(shí)的將故障信息反饋給KNX設(shè)備。

4.安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

4.1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(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力，適用于一些中小型的項(xiàng)目；模塊化設(shè)計(jì)，可以任意拼接擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)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(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場(chǎng)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(lái)瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警，并將故障報(bào)警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過(guò)零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過(guò)零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對(duì)每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時(shí)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對(duì)一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對(duì)多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，通過(guò)圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)場(chǎng)景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過(guò)圖標(biāo)的亮滅顯示對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時(shí)時(shí)間，確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后，對(duì)該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過(guò)預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間；根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開關(guān)，實(shí)現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)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(dú)立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過(guò)程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或第三方集成平臺(tái)接口，采用modbus、opc等方式。