淺談智能照明系統KNX與DALI協議網關的應用

黃琴

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）的照明系統以其專業、靈活等特點在智能家居領域得到了普遍的重視，但由于DALI照明系統控制節點數的限制，其組網規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，在智能樓宇控制領域取得了廣泛應用；為了融合這兩種系統的優勢，設計一種KNX與DALI協議的轉換網關，在分析DALI和KNX系統特點的基礎上，完成了系統軟硬件架構設計，實現了DALI協議和KNX協議的相互轉換，并對網關性能進行了測試，達到了設計要求。

【關鍵字】：KNX協議；DALI協議；網關；智能照明；樓宇建設

0引言

數據可照明接口（digitaladdressablelightinginterface，DALI）作為一個開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點，可靈活的實現分組控制、場景設置以及狀態反饋等功能，在燈光控制上具有專業、細致的特點，受到照明設備制造商的廣泛支持，并已經成為國際電工委員會的標準。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。為了發揮DALI系統在照明控制方面的優勢，對DALI系統進行擴展勢在必行。

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、*的通信機制以及節能運行等方面的優勢，在智能樓宇控制領域取得了廣泛應用，目前已經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，可以發揮各自的優勢，進一步提高樓宇智能化水平，降低樓宇能耗。而KNX－DALI網關成為兩種系統結合的關鍵。

１總體設計方案

DALI協議是一種異步串行通信協議，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。傳輸數據分為前向幀和后向幀，前向幀由主控制器發送給從控制器，后向幀是從控制器的反饋信息。

KNX總線協議遵循ＯＳＩ模型協議規范，并進行了合理的簡化，由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層五層組成，KNX網絡為采用域（Domain）、區（Zone）、線（Line）三層結構，是一個對等（peer-topeer）的分布式網絡，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構的劃分，組地址用于邏輯功能的劃分。

KNX－DALI網關包含完整的KNX協議和DALI協議實現，并且完成KNX報文與DALI數據幀的互相轉換。該網關主要實現KNX設備對DALI裝置的控制及監測功能。

網關的總體結構如圖１所示。

圖1網關結構框圖

該網關由KNX收發模塊、收發控制器、DALI接口等組成。其中KNX收發模塊主要負責接收和發送收發控制器的信號、監測總線電壓以等；收發控制器需要運行KNX通信內核和DALI協議棧、存儲系統及用戶參數、完成協議轉換等功能；DALI接口負責滿足網關與DALI系統通信接口的電氣特性要求。

KNX-DALI網關不僅是KNX系統中的一個KNX設備節點，也是DALI系統的一個DALI主機。網關工作過程為：當接收到KNX報文時，網關會解析該報文完成到DALI指令的轉換，如果對應的是電弧功率控制指令，則在DALI總線空閑狀態下，發送指令到DALI系統中，實現對DALI裝置控制功能；如果是狀態查詢指令，網關會將保存的對應DALI裝置狀態信息組裝成KNX報文發送到KNX控制設備中；另外，網關會周期地對DALI裝置的狀態進行查詢，保存DALI裝置的狀態信息，如果DALI裝置發生故障，網關會主動發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網關收發控制器，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議。

KNX總線收發器選擇西門子公司的FZE1066,FZE1066是用于KNX總線的收發模塊，通信介質為雙絞線，可以接收和發送比特流信號，提供直接同收發控制芯片連接的端口；轉換電壓，能夠將KNX總線上的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。收發控制器的工作電源由KNX總線提供，通過FZE1066實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使用雙線差分驅動，要滿足總線傳輸高電平時電壓差在9.5~22.5V、傳輸低電平時電壓差小于6.5V、總線電流小于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，發送電路由D4、Q3及U4組成。其中DALIRX與DALITX連接在收發控制器的串口上，U3和U4為光電耦合器；D4為整流橋，實現將電壓差轉化為單向的直流電壓；D5為穩壓管，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，U3導通，RX為高；當總線傳輸低電平時，D5截止，U3不導通，RX為低。發送時，由TX來改變Q3的工作狀態，從而改變總線傳輸的電平高低。

3網關軟件設計

3.1網關軟件架構

根據網關的設計要求，軟件部分不僅包括對KNX及DA-LI協議棧的設計和實現，還包括協議間的轉換功能。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，即把整個軟件分為三層：底層驅動層、協議層和應用層；底層驅動層完成和硬件相關的交互，協議層完成通信協議棧的設計，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層主要包括FZE1066收發器模塊驅動，完成報文的發送和接收；通信協議層主要實現數據鏈路層、網絡層以及傳輸層的相應功能，實現KNX報文的裝配和分解；DALI通信模塊的驅動層包括DALI接口底層驅動，通信協議層主要完成DALI指令的發送及解析、沖突檢測、指令優先級配置等功能。KNX應用進程和DALI應用進程間的通信完成數據解析及轉換等功能。

3.2協議轉換的實現

3.2.1KNX協議轉DALI協議的實現

KNX通信時采用了逐層調用的策略，每一層協議被調用時，都是先讀取本層控制字信息，經過信息處理后，將數據提供給上層協議。

KNX協議轉DALI協議流程圖5如所示。

圖5KNX轉DALI流程圖

網關從KNX總線上收到KNX報文數據后，將KNX報文按照物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層到應用層的順序，逐層進行分解，得到應用協議控制信息(APCI)對應的服務類型及其后的用戶數據并進行解析，將解析的結果轉換為對應的DALI指令；當ATxmega32E5檢測到DALI總線處于空閑狀態時，按照DALI前向幀的數據格式發送到DALI總線上。經過分析，KNX設備對DALI裝置的控制主要包括開關及調光操作，KNX報文與DALI指令間的對應關系如表1所示。

表1KNX報文與DALI指令對應關系

3.2.2DALI協議轉KNX協議的實現

當KNX設備進行狀態查詢時，需要將DALI裝置的狀態信息反饋給對應的KNX設備，DALI協議轉KNX協議流程圖如圖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，網關通過指令160（查詢實際電弧功率等級）和指令144（查詢當前狀態）來獲取并進行保存。

KNX設備獲取設備狀態信息一般通過查詢報文或數據請求報文實現，當接收到KNX設備對DALI裝置的查詢或者數據請求報文后，網關就會將保存的DALI裝置的狀態反饋信息告知對應的KNX設備。如果監測到DALI裝置發生故障（燈故障、電源故障等），網關會主動發起一次通信告知對應的KNX設備。

4網關測試

為了測試開發的KNX-DALI網關的功能，設計了一個簡單的測試系統，該系統由KNX系統與DALI系統組成，兩個系統間由KNX-DALI待測網關連接。

系統主要包括ETS配置工具、KNX傳感器節點、待測網關、電源供應和DALI調光器及燈具等。KNX節點設備通過KNX總線進行通信，通過ETS客戶端對KNX節點設備進行配置；DALI系統中，所有的DALI裝置和設備均掛在DALI總線上，DALI系統為主從式的結構，每次通信均有主機發起。

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KNX傳感器節點來測試網關對KNX報文的發送和接收，利用PC機上的ETS配置工具配置KNX節點的物理地址和組地址，下載通信對象表、地址表和對象關聯表，并對KNX報文進行監控。DALI系統由若干DALI裝置(DALI調光器）和燈具組成，網關的供電由KNX總線提供。

當KNX傳感器節點向網關發送開關或調光報文時，通過ETS工具可以監測到網關回復的確認報文，并且在DALI總線上監測到了對應的DALI前向幀數據，燈具執行開關或調光操作；當KNX傳感器節點向網關發送查詢報文時，網關會將對應的DALI裝置的狀態信息組裝成KNX報文發送到KNX傳感器節點上。當DALI裝置出現故障時，網關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

5.1概述

ALIBUS智能照明產品采用RS485總線技術，技術成熟可靠，安全穩定。開關驅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企業微電網管理云平臺進行數據交換。

5.2應用場所

適合于各類智能小區、醫院、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系統結構

5.4系統功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態，反饋現場受控回路的開關狀態，監控界面按照樓層各分區的布局和回路列表來瀏覽。

2）當發生模塊離線、網關設備掉線或者狀態反饋和下發控制命令不一致時會發生故障報警，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開關控制；每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關和樓層控制開關，也可以一個模塊或者整個樓層實現開關控制。

4）開關驅動器支持過零觸發功能，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，當照明電源掉電時，開關驅動器會自動切換到預設的掉電狀態；確保重新上電時燈具的開關狀態是確定與可控的。

6）拖動調光控件，照明設備從0%到100%進行調光，可以對單個照明回路實現調光控制，調光總控可以對一個模塊的照明回路實現調光控制，也可以對多個照明回路實現調光控制，通過圖標的亮滅狀態反饋現場開關的狀態。

7）點擊場景控件，打開或者關閉對應場景設置，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是打開還是關閉。

8）設置定時時間，確認時間點后，對該事件點執行的動作進行設置，設置燈在設定的時間點亮或者滅。

9）系統可以通過預設的當地經緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據天文時鐘控制照明開關，實現日落開燈、日出關燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發保存至驅動模塊；當上位機系統故障或模塊離線時，驅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行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統結構是分布式總線結構；系統內各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統內各元件可以通過程序的設定實現功能的多樣性。

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

6結束語

本文開發了一種基于KNX協議和DALI協議網關，該網關以ATxmega32E5作為收發控制器，以FZE1066作為KNX總線收發模塊，構建了KNX-DALI協議轉換網關的硬件平臺，并在此平臺上實現了KNX通信協議棧、DALI協議棧的設計，以及KNX協議與DALI協議間的轉換。經過實驗測試，實現了KNX報文到DALI指令間轉換，驗證了KNX-DALI網關所設計的功能，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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（陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

作者簡介：黃琴，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能照明控制系統領域。