基于蓝牙与MQTT服务器的DALI智能照明系统设计

张玉杰， 郭向阳， 李 栋

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



基于蓝牙与MQTT服务器的DALI智能照明系统设计

张玉杰， 郭向阳， 李 栋

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

针对目前DALI系统控制规模小、管理不便以及智能化程度低的问题，提出了一种基于蓝牙与MQTT服务器的DALI智能照明系统.该系统结合互联网技术，利用手持设备APP通过云端服务远程控制DALI系统，实现对DALI系统组网分区、设备管理、参数查询以及实时监控等功能.同时，在局域控制范围内DALI系统采用蓝牙4.0无线控制和DALI总线控制相结合的方法，使不便布线的场所实现无线控制，进一步拓展DALI系统的应用范围.实验表明该系统功能完善，运行稳定.

DALI系统； 蓝牙4.0； MQTT服务器； 智能照明

0 引言

在信息化、网络化的今天，智能照明控制技术已经将现代照明推向了节能化、智能化、人性化、艺术化以及个性化的全新高度[1].DALI(Digital Addressable Lighting Interface)照明系统因其安装简捷、易于维护、结构灵活、价格低廉等优势，备受照明控制领域的青睐，为业界广泛采用的智能照明技术.传统的DALI照明系统最多可接入64个可寻址设备，无法实现远程监控，在较大规模照明场合的应用中往往受到限制，并且在现实中对旧楼照明的智能化改造以及一些复杂特殊的场所，也会面临安装布线难等问题[2].

针对以上问题，本文提出一种基于MQTT服务器和蓝牙4.0通信技术的DALI智能照明系统设计方案.使传统DALI系统具备接入云端的能力，实现互联网服务的加载，形成“云+端”的典型架构，从而实现DALI照明系统大规模扩展和网络化控制.用户可以通过APP端完成远程控制，并且利用服务器云计算、大数据处理的特点，为DALI照明系统提供实时运行状态分析、能源管理、故障分析等增值服务.同时在局域控制范围内，将蓝牙4.0通信技术应用于DALI系统中，将DALI系统由单一通信介质(双线)的控制，拓展到射频RF控制，使不便布线的场所实现无线控制，从而增加DALI照明控制系统的应用范围.

1 总体设计方案

DALI智能照明控制系统主要由手持设备APP、MQTT服务器、WiFi路由设备、应用控制器、控制面板、DALI传感器、灯具节点设备以及DALI电源组成，系统结构如图1所示.每个区域内的系统设备有两种通信方式，挂载到总线上的设备通过DALI总线通信，无线控制部分之间采用蓝牙4.0通信.

MQTT服务器为硬件设备和APP提供灵活的接入方式，当手持设备APP和应用控制器在云端完成注册、绑定之后，即可通过MQTT服务器进行控制命令和数据的传输.

手持设备APP作为系统的监控中心，可实现对控制面板、DALI传感器和灯具节点设备地址分配，地址识别以及系统参数配置与查询，如控制方式选择、场景设置、上电功率等级、最大功率等级、最小功率等级、渐变时间和渐变速率等参数的设置.同时，还具有单灯控制、分组控制、场景记忆以及场景切换等控制功能.

图1 系统结构图

应用控制器作为APP、DALI总线设备、蓝牙通信设备信息传输中枢，内置MICO互联网操作系统，通过对WiFi通信任务、蓝牙4.0通信任务、DALI接口通信任务以及存储系统任务合理调度，实现对DALI系统设备的地址分配、参数配置、状态查询、实时控制等功能.

DALI主机包括控制面板和传感器.控制面板通过DALI总线将操作信息反馈至应用控制器，应用控制器根据系统参数以及反馈信息统一调度控制指令，从而实现灯具节点的控制.传感器通过对周围环境亮度以及人流量信息进行实时检测，并将采集到的信息反馈至应用控制器，进而对本区域的灯具进行实时的亮度控制.

灯具节点由DALI控制电路、LED灯具驱动电路以及LED灯具这三部分组成.DALI从机能够接受应用控制器的指令信息，执行调光、存储系统参数以及反馈灯具状态等任务[3,4].

2 系统硬件设计

2.1 应用控制器硬件设计

应用控制器采用以ARM Cortex-M4为核心的32位微控制器STM32F411RET6，其主要功能特性有：①512 K字节的内置Flash可编程存储器，SRAM多达128 K字节，最高频率可达100 MHz；②50个GPIO引脚，可配置为下拉或上拉模式，响应电平或边沿触发中断；③6个16位和2个32位通用定时器；④3个USART控制器和5个SPI控制器.

应用控制器主要包括WiFi通信模块、DALI接口电路、蓝牙通信模块、调试接口、LED指示以及电源电路等，应用控制器工作电源由DALI总线电源提供，其硬件框图如图2所示.

图2 应用控制器硬件框图

2.1.1 WiFi通信电路

WiFi通信电路主要用于实现APP端与应用控制器在云端注册、绑定以及通信等功能.该通信电路以ESP8266芯片为核心，具有强大的片上处理和存储能力.ESP8266使用3.3 V电源供电，通过SPI接口与主控制器STM32F411RET6进行数据交换.

2.1.2 DALI接口电路

DALI系统与应用控制器通信必须满足DALI协议的电气特性.DALI总线采用双线差分驱动，总线传输高电平范围是9.5～22.5 V，传输低电平范围是-6.5～6.5 V，并且总线电流小于250 mA.为了保证通信电路的稳定可靠，DALI接口电路采用光电耦合器进行隔离[5,6]，其接口电路如图3所示.

图3 DALI通信电路

2.1.3 蓝牙4.0通信电路

蓝牙通信模块采用CC2541F256K芯片为主控制器，CC2451集成了2.4 GHZ射频收发器，是一款完全兼容8051内核的无线射频单片机[7].蓝牙通信电路如图4所示，其外围电路包括外部晶振电路、巴伦匹配电路及单极性PCB天线等.外部晶振电路采用2个晶振，32.768 KHZ晶振和32 MHZ晶振；天线电路采用倒F天线；巴伦匹配电路将CC2451输出的双端信号转换成两倍的单端信号以与倒F天线相匹配[8].CC2541通过UART串口与微控制器STM32F411进行数据交换.

图4 蓝牙通信电路

2.2 蓝牙控制面板硬件设计

蓝牙控制面板以CC2541F256K芯片为核心，主要包括电源电路、天线电路、调试接口电路以及按键电路，其硬件框图如图5所示.无线控制面板采用低功耗蓝牙BLE通信，并且使用纽扣电池供电，无需信号线和电源线，用户可根据实际应用场景要求随意变换安装位置，从而便于系统安装以及后期维护.

图5 无线控制面板硬件框图

2.3 蓝牙传感器硬件设计

蓝牙传感器硬件主要包括蓝牙通信电路、光照采集电路以及人体探测电路，硬件框图如图6所示.其中，光照采集模块采用BH1750FIV芯片，实现对环境亮度实时采集；人体探测传感器模块采用热释电红外检测元件，通过BISS0001对传感信号进行处理实现人体识别.无线传感器节点根据配置的工作模式，将采集的信息传输至应用控制器.

图6 无线传感器硬件框图

2.4 无线灯具节点硬件设计

无线灯具节点在蓝牙通信电路的基础上加入了LED驱动模块.LED驱动电路主要包括AC/DC转换电路、BUCK降压电路、PFC功率因数校正电路以及恒流源控制部分，其硬件框图如图7所示.灯具控制器MCU将PWM信号通过光耦输出至恒流源驱动芯片的调光引脚，并根据PWM调制信号调节LED驱动电流，实现对LED灯具亮度的平滑调节.同时MCU通过电流检测电路实时采集驱动电流，以此判断灯具是否正常工作.

图7 无线灯具节点硬件框图

3 系统软件设计

3.1 MQTT服务器架设

MQTT服务器作为系统数据传输、存储、分析以及任务调度的中心，主要包括云端数据代理转发系统、用户管理系统、MQTT协议通信系统、API接口系统.其中，云端数据代理转发模块负责数据连接、发布和订阅的编码/解码，以及心跳包的连接；设备管理模块负责设备连接、数据采集、存储、分析以及处理等；用户管理模块负责用户注册、管理设备列表等；MQTT协议通信模块负责设备APP、服务器、设备之间的消息通信.API接口模块负责调用相应的应用程序.

在设计过程中，采用Mosquitto开源软件搭建MQTT代理服务器.该软件支持订阅/发布的消息模式，提供一到多的消息分发机制，降低应用的耦合度，并且具有良好的跨平台性[9].在系统命令行中，mosquitto工具用于启动代理，mosquitto_passwd工具用于管理密码，mosquitto_pub用于发布消息，mosquitto_sub用于订阅消息，配置文件mosquitto.conf中设置端口、心跳时间以及客户端最大并发数等重要参数[10,11].

3.2 手持设备APP软件设计

手持设备APP作为系统监控中心，实现与智能硬件的注册以及绑定，并通过MQTT服务器通信服务，实现APP与DALI系统的数据交互，从而实现对DALI系统的远程控制、参数配置以及状态查询等功能.

手持设备APP采用Android操作系统开发平台，手持设备APP软件的开发包括三个方面：①用户交互界面的设计，界面层主要包括用户管理界面、参数配置界面、灯具控制界面以及地址分配界面等；②系统逻辑控制的设计，该部分主要用于系统数据分析以及系统设备的管控；③数据存储采用SQLite数据库，实现对DALI系统的用户信息、配置参数信息、状态数据等的存储，并且利用MQTT通信服务实现手持设备端与云端的数据通信.APP软件设计架构按照分层的思想，对程序进行层层处理[12-15]，如图8所示.

图8 APP软件架构图

3.3 应用控制器软件设计

应用控制器的软件开发以MICO物联网操作系统为平台，通过对系统初始化、任务创建、任务调度来实现系统功能.应用控制器的软件架构如图9所示.其中，主控制器软件主要包括底层驱动程序、MICO物联网操作系统、高级应用程序和用户应用程序[16].底层驱动程序是保证硬件正常工作的基础，主要包括Flash驱动、UART驱动、WiFi驱动、LED驱动以及DALI接口驱动等.高级应用程序主要包括各种通信协议栈以及逻辑运算函数等.应用程序通过调用各种接口函数，实现应用控制器与APP端通信，DALI协议栈的移植和应用调度，以及通过串口与CC2541蓝牙模块通信等功能.

图9 应用控制器软件架构图

4 系统测试

为测试系统性能，搭建了一个测试平台，其中主要包括1部Android智能手机， MQTT服务器，1个WiFi路由设备，1个应用控制器，基于双线控制的DALI照明控制部分和基于蓝牙通信的无线照明控制部分.系统测试主要分为系统通信测试和系统功能测试.

(1)系统通信测试.完成手持设备APP和应用控制器在MQTT服务器的注册、绑定之后.手持APP端发送配置命令，利用DALI测试工具可以监测到DALI总线的前向帧数据和后向帧数据，如图10所示.同时，利用蓝牙数据分析仪可以监测到蓝牙无线网络传输的配置指令信息，如图11所示.经过反复测试，系统整体通信正常、稳定，并且具有实时性.

图10 DALI总线通信测试图

图11 蓝牙网络通信测试图

(2)系统功能测试主要包括对系统设备的地址分配、参数配置、状态查询、实时控制等功能测试.通过操作手持APP发送配置指令、查询指令以及控制指令，完成系统各个功能测试，测试实物图如图12所示.

无线照明控制部分 DALI总线控制部分图12 系统功能测试实物图

测试结果表明，该照明控制系统通信正常，工作稳定，结构灵活，便于用户对DALI系统安装、组网以及控制.

5 结束语

本文提出的基于蓝牙通信技术和MQTT服务器的DALI照明控制系统，实现了对DALI照明系统的远程配置、组网以及控制，解决了在大规模照明系统中DALI网络地址不足弊端.同时，在局

部控制范围内采用蓝牙4.0无线通信，使不便布线的场所实现无线控制，进一步拓展了DALI系统的应用范围.经过应用测试表明，本系统功能完善，兼容性强，能够稳定工作，具有广阔的应用前景.

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【责任编辑：蒋亚儒】

Design of DALI intelligent lighting system based on bluetooth and MQTT server

ZHANG Yu-jie， GUO Xiang-yang， LI Dong

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Aiming at current DALI system with small scale,management inconvenience and intelligent degree problem,this paper presents a DALI intelligent lighting system based on Bluetooth technology and MQTT server.The system combined with the Internet technology,and use of handheld devices APP remote control DALI system through the cloud services,to achieve the DALI system network partition,device management,query parameters and real-time monitoring,etc.Meanwhile, in the local control range DALI system uses Bluetooth 4.0 wireless control and DALI bus control method of combining to make place for the inconvenience wiring wireless control,and further expand the scope of application DALI system.The experiment shows that the system has perfect function and stable operation.

DALI system; bluetooth 4.0; MQTT server; intelligent lighting

2016-06-11

陕西省科技厅科技计划项目(2014K07-17); 西安市科技计划项目(CXY1436(1))

张玉杰(1966-)，男，陕西咸阳人，教授，硕士生导师，研究方向：信息采集与处理、模式识别、嵌入式系统开发

1000-5811(2016)05-0152-05

TN915

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