基于DALI2.0协议的多类型灯光整合系统

刘 颖，黄钉劲，费 韩

（1.西安工业大学 光电工程学院，西安710021；2.西安北方光电科技防务有限公司，西安710000）

随着科技的飞速发展与社会的进步，人们对照明的需求正从基础性光照向多样性、舒适性、通用性以及节能性等多方位延展，灯光照明系统的改善也因此受到了越来越多的关注[1-2]。在一些商场、办公场所以及仓库等区域为达到人们对生活环境以及安全的要求，采用应急照明、情景照明以及普通照明协调工作的方式，但是目前大多为分开控制[3-4]。这种控制方法带来了很多不利的因素，如安装麻烦、资源浪费、操作及维修方式复杂[5-6]等。针对以上问题，本文提出了一种采用DALI2.0 协议控制多种类型灯光整合系统，将传统的灯具、DALI 灯具以及应急照明灯具组成照明网络，并且配合传感器使用，既能满足人们对工作环境的照明、场景控制，又能将消防灯具接入系统达到应急照明的功能。本文通过设计DALI 传感器、DALI 网关以及DALI 控制器来控制多种灯光组成照明网络，设计红外遥控模块、WIFI 通讯模块实现智能照明系统的场景、色温以及照度的分配与控制。采用人体移动传感器、光照度传感器和实时时钟系统配合工作进行不同时间、不同环境下多种场景模式的切换。设计基于C/S架构的控制软件通过WIFI 与控制器进行通讯，实现了场景、色温切换和定时巡检以及根据实时时钟进行一周不同时段不同操作的自动控制。

1 DALI2.0 协议介绍

DALI（digital addressable lighting interface）协议是一个数字化可寻址的照明协议，是专门用于照明控制的数字化协议。最早是由Tridonic 提出的，在1998年由Philips，Tridonic 等一些欧洲照明厂商联合开发，2002年被纳入EN60929 标准的附录E 和G 中[7-9]。在2018年DIIA 联盟提出了DALI2.0 的概念，在之前的DALI 协议基础上添加输入设备以及能源监测，促进了DALI 灯具在智能照明控制领域的应用。DALI2.0 协议采用寻址控制的模式，每条DALI总线上可挂载64 个地址，并且可对这64 个灯具进行16 个场景和16 个分组控制。通过直接控制电弧功率和间接电弧功率控制的方式将LED 的亮度等级从0%～100%分为255 个等级控制。DALI 总线采用差分式总线通讯，高电平为9.5 V～22 V，低电平为-4.5 V～4.5 V，信号采用曼彻斯特码的编码方式，上升沿为“1”，下降沿为“0”[10-12]。DALI 镇流器分为DT6（DALI Type 6）和DT8（DALI Type 8）两种模式，DT6 只能进行DALI 的亮暗调节，DT8 既可以进行亮度调节又可以进行色温调节。本文采用DALI2.0控制协议和DT6、DT8 两种模式的镇流器进行设计。

2 系统总体方案设计

本设计在DALI2.0 协议上进行多类型灯光控制的设计，通过设计DALI 主控、DALI 传感器、DALI网关、DALI 控制面板等输入设备与DALI 灯具、消防照明灯具、普通灯具以及其它设备连接，组成基于DALI2.0协议的多类型灯光照明系统。

系统的总体方案如图1所示，系统总共分为人机交互层、云服务器数据转换层、DALI 控制层。人机交互层主要是将人们的需求通过上位机软件、遥控器、控制面板发送出来，经过云服务器转换或者直接发送到DALI 系统中。云服务器数据转换层是将上位机软件发送过来的需求转换为控制命令发给DALI 系统。DALI 控制层是DALI 命令执行的部分，通过此部分进行多类型灯光的控制。将输入和输出设备挂接在DALI 总线上，DALI 电源为DALI总线提供稳定的16 V 电源，保证系统正常通讯。输入设备包括DALI 主控、DALI 传感器、DALI 控制面板，将环境信息或者人员操作信息解析成DALI 命令并转发到DALI 总线上。输出设备包括DT6 和DT8 两种类型的DALI 镇流器、DALI 网关，通过接收DALI 总线上命令来控制不同灯具进行不同场景、色温、照度转变以及控制排气扇窗帘等设备。用户在操作系统时可选择通过人机交互层直接控制，也可选择配置系统信息，使DALI 系统进行内部的自适应控制。对于应急照明系统，包括系统的定时巡检与应急照明方案配置，可定期对DALI 应急照明设备进行巡检以及在遇到特殊情况是启动应急照明方案。

图1 系统的总体方案Fig.1 Total scheme of the system

3 系统硬件设计

本系统的硬件电路是选用STM32F103ZET6 作为主控芯片，系统电路包括DALI 主控、DALI 传感器、DALI 网关、DALI 控制面板电路。

3.1 DALI 主控

DALI 主控是接收人机交互层发送过来的信息并转发到DALI 总线上，DALI 主控的功能包括WIFI 通讯接口、红外接收电路、DALI 接口电路、实时时钟电路。主控系统的硬件框图如图2所示。

图2 DALI 主控电路Fig.2 DALI master control circuit

WIFI 通讯电路采用ESP8266 通讯模块，该模块为3.3 V 供电，与主控芯片通过UART 的方式通讯，通过该模块可直接与云服务器连接，并与云服务器进行数据交互。红外接收电路采用HX1838 作为红外接收器，HX1838 的数据输出端与STM32 的通用定时器连接，通过定时器的输入捕获来读取遥控器发过来的指令。实时时钟采用DS3231 时钟芯片，DS3231 是高精度的IIC 的实时时钟，一年的运行误差小于1 min。在设计电路时只需要将该芯片的IIC接口与主控芯片的IIC 接口连接就可读取实时时钟。电路如图3所示，图中R21～R24为上拉电阻，可以加大通讯线路的通讯能力，保证信号的准确性。32 kHz 接电路中32.768 kHz 晶振，为芯片提供准确的震荡频率。SQW 为DS3231 的复位接口，与单片机的IO 连接，通过检测低电平来复位时钟。SCL 和SDA 为IIC 通讯接口，与单片机的IIC 接口连接，进行时钟数据的发送。

图3 实时时钟电路Fig.3 Real-time clock circuit

3.2 DALI 传感器

DALI 传感器采集周围环境的信息并将信息发送给DALI 主控，DALI 主控根据接收的信息进行相应的灯具操作。DALI 传感器的硬件框图如图4所示，系统包括DALI 通信及取电接口、光照度传感器电路、人感电路以及其它环境传感器电路。

图4 DALI 传感器电路Fig.4 DALI sensor circuit

DALI 传感器由于功率小、位置不定等因素，因此为了方便安装采用从DALI 总线取电的方式。DALI 协议规定DALI 总线上不能超过250 mA 的电流且每个设备的电流不能超过2 mA，因此在设计电路时既要保证可以取到电能又要保证总线可以正常通讯，设计电路如图5所示。

图5 DALI 接口及取电电路Fig.5 DALI interface and power circuit

DALI 总线通过光耦TLP521 将微控制器发送过来的TTL 电平转换成DALI 总线所需要的电平，由于DALI 总线没有正负之分，因此选用整流桥来对输入电压进行整流并输入到电路中，RM1和D15分别为自恢复保险和瞬态抑制二极管对电路起保护作用。将整流桥输出的电压通过1N4148 单向导通隔离后为系统提供16 V 电源，在经过HT7533 将电平转换为3.3 V 供芯片使用。C16的作用为储能，通常时间为其充电，当DALI 总线进行信号传输且为低电平不能提供电量时，通过电容放电来保证电路正常工作。BZX84C5V6 为稳压二极管，保证PSSI212021SAY 和光耦的输入信号为稳定5 V 电平。PSSI2021SAY 为限流芯片，通过R17不同的阻值来控制系统的电流不超过2 mA，R18阻值通过式（1）计算得出。

光照度传感器采用BH1750FVI 光照度传感器，BH1750FVI 是16 位数字输出传感器，采用IIC 通讯，可探测1～65535 lx 的光照度。将检测到的光照度通过IIC 接口发送到单片机中，单片机通过计算将光照度分为255 个等级，采用DALI 协议中预留的指令将光照度信息传送到主控中。人感传感器采用HM412 人体移动模块，HM412 将信号转化为ADC 信号输出，当检测到有人存在时输出3 V 电平，无人时输出1 V 电平，采用2 个NPN 三极管将ADC电平转化为高低电平输出到单片机中。设计时，在电路中预留传感器接口，可连接普通的环境传感器采集环境信息。

3.3 DALI 网关

DALI 网关是通过设计DALI 接口电路及开关电路配合使用。DALI 接口电路接收信号，并通过微处理器转换信号并控制开关电路进行相应的模式控制。该模块包括了多个开关电路，DALI 总线不能为其提供足够的电能，且DALI 网关距离灯具设备较近，因此可采用交流转直流模块直接从市电中取电。通过LDE02_23B05 模块将电压转化为5 V 电平，电源电路如图6所示，NTC 热敏电阻主要是防止电路中短路导致电流过大。MOV 压敏电阻是限压元件，限制电路的输入电压。C32为安规电容，主要用于电路的抗干扰以及滤波作用。D31为瞬态二极管，起保护作用，C31、C37为滤波电容。通过ASM1117 稳压芯片将LDE02_23B05 输出的5 V 电压转换为3.3 V为单片机提供电平。开关电路是通过多组继电器进行的开关控制，可对普通的灯具进行分组安装起到场景变换的作用，还可以连接应急照明灯具，有电时继电器吸合应急照明关闭，蓄电池充电，没有电时继电器调至另一侧应急照明灯开启。

图6 DALI 网关电源电路Fig.6 DALI gateway power circuit

3.4 DALI 控制面板

DALI 控制面板通过设计串口屏的页面进行相应的信号发送，微控制器将接收到的屏幕信号转换成对应的DALI 信号，并发送到DALI 总线中。对应的DALI 镇流器在接收到信号后进行相应的操作，完成调光、调色以及不同场景、分组的控制。

4 系统软件设计

DALI 多灯光系统的软件设计最主要的为DALI主控的软件设计，总体设计如图7所示。

图7 DALI 主控程序流程Fig.7 DALI master control program flow chart

主控进行初始化并从Flash 中读取所需要的信息，初始化完成后开启中断等待接收传感器和人机交互端发送的指令并解析，同时根据实时时钟定期对系统进行巡检。接收到人机交互端发送过来的指令时，DALI 主控将其解析为DALI 指令并判断该指令是否需要返回，若需要返回则延时18.4 ms 并等待返回信息，DALI 主控将返回的信息发送到人机交互端。若无返回本次循环完成，重新开启中断等待接收指令。当采用传感器自适应控制时，系统一直等待传感器返回指令。当主控接收到有人的指令时，首先判断当前控制方式，若为场景控制，读取当前时间并判断该时段的场景，发送场景指令，并且计时器清零开始计时，主控将对应的中断打开继续检测，若有人则将计时器清零重新计时，若无人且计时时间到设定值，主控认为当前环境无人存在，发送当前时段无人场景。如果为照度控制，首先判断当前时段设置的照度等级，并将计算好的电弧功率等级发出。由于采用DALI2.0 协议传输，每次只能传输8 位数据，为了便于传输将照度分为255 个等级，照度传感器检测范围为0～65535 lx，但是一般的商超的照明只有1000 lx 左右，因此在设计中将0～2000 lx 的照度分为255 等分，超过2000 lx 的默认为255。传感器将采集到的光照度通过式（2）转换为当前照度等级，Lcur为当前照度，M为对应的照度等级。根据DALI 的扩展协议将照度等级发出，主控在接收到传感器发送的照度信息后通过式（3）求出多个传感器的平均照度等级为当前环境的照度等级。

根据当前环境的照度等级以及用户设置的照度等级，采用增量式PID 的算法，算法如式（4）所示，通过改变Kp，Ki，Kd三个参数来改变ΔL的增长快慢，Lk，Lk-1，Lk-2为当前照度值，上一次以及上上一次的照度值。将计算出来的ΔL加上前一次发出的电弧功率值，并发送给灯具后，继续判断照度值，当检测的照度等级达到用户需求时停止计算。并保持当前的照度，直到下一次触发事件发生时，重新计算所需的照度值。若计时时间到了，依然没有检测到有人存在时，通过式（4）将照度调整到无人时的照度等级。

系统定期对应急照明灯具进行巡检，第一步查询灯具当前的状态，发送YAAA AAA1 1001 0001查询镇流器的状态是否正常，正常回复FF，否则不回复。然后发送YAAA AAA1 1001 0101 查询是否丢失短地址，有该短地址则不回复，否则回复FF。灯具状态检查完成后发送YAAA AAA1 1001 1011检查当前电源是否有故障，有则回复故障等级，否则不回复。最后通过YAAA AAA1 1001 1100 查询DTR1 中储存的蓄电池电量值，检测蓄电池是否可以正常储存电量。在检测过程中，若检测到有故障存在，主控板将故障信息和灯具短地址发送给用户。

5 结语

本设计基于DALI2.0协议的多类型灯光整合系统，通过设计DALI 主控、DALI 传感器以及DALI 网关并根据DALI2.0 通讯协议实现了对多种类型灯光的控制。减去了普通照明、情景照明和应急灯具分开布线的麻烦，将DALI 照明、应急照明、普通照明和其他控制设备融合到一起，既可以起到对调色、调光和场景的控制又能对灯具进行状态巡检，保证应急照明的稳定。同时系统内部可根据传感器的信息进行环境、时序的自动控制，既满足人们对照明环境的需求又起到了操作和安装简单的效果。