浅谈智能照明系统KNX与DALI协议网关的应用

【摘要】：基于数字可寻址照明接口（DALI）的照明系统以其专业、灵活等特点在智能家居领域得到了普遍的重视，但由于DALI照明系统控制节点数的限制，其组网规模小限制了它的推广和应用；KNX／EIB总线作为楼宇自动化标准，凭借良好的互操作性和开放性，在智能楼宇控制领域取得了广泛应用；为了融合这两种系统的优势，设计一种KNX与DALI协议的转换网关，在分析DALI和KNX系统特点的基础上，完成了系统软硬件架构设计，实现了DALI协议和KNX协议的相互转换，并对网关性能进行了测试，达到了设计要求。

【关键字】：KNX协议；DALI协议；网关；智能照明；楼宇建设

0引言

数据可照明接口（digitaladdressablelightinginterface，DALI）作为一个开放的数字化智能照明控制系统，具有配置灵活、安全可靠和成本低等优点，可灵活的实现分组控制、场景设置以及状态反馈等功能，在灯光控制上具有专业、细致的特点，受到照明设备制造商的广泛支持，并已经成为电工委员会的标准。然而DALI系统由于受到规模的限制，一般应用于中小规模的照明控制中。为了发挥DALI系统在照明控制方面的优势，对DALI系统进行扩展势在必行。

KNX（Konnex，KNX）是住宅和楼宇控制标准，能对照明、遮阳、安防、监控等所有的家居和楼宇终端设备进行控制。KNX凭借良好的互操作性和开放性、完善的通信机制以及节能运行等方面的优势，在智能楼宇控制领域取得了广泛应用，目前已经成为我国楼宇控制的参考标准。

将DALI照明控制系统与KNX系统相结合，将DALI照明控制系统作为KNX楼宇控制系统的子系统，可以发挥各自的优势，进一步提高楼宇智能化水平，降低楼宇能耗。而KNX－DALI网关成为两种系统结合的关键。

１总体设计方案

DALI协议是一种异步串行通信协议，采用曼彻斯特编码方式，系统为主从式结构，*多可接入６４个可寻址的DALI装置，可设置１６个可寻址组和１６种灯光场景，DALI总线的控制装置均通过短地址、组地址或广播地址进行照明控制。传输数据分为前向帧和后向帧，前向帧由主控制器发送给从控制器，后向帧是从控制器的反馈信息。

KNX总线协议遵循ＯＳＩ模型协议规范，并进行了合理的简化，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层组成，KNX网络为采用域（Domain）、区（Zone）、线（Line）三层结构，是一个对等（peer-topeer）的分布式网络，总线上的设备具有同等地位。KNX设备具有物理地址（PA）和组地址（GA），物理地址用于拓扑结构的划分，组地址用于逻辑功能的划分。

KNX－DALI网关包含完整的KNX协议和DALI协议实现，并且完成KNX报文与DALI数据帧的互相转换。该网关主要实现KNX设备对DALI装置的控制及监测功能。

网关的总体结构如图１所示。

图1网关结构框图

该网关由KNX收发模块、收发控制器、DALI接口等组成。其中KNX收发模块主要负责接收和发送收发控制器的信号、监测总线电压以等；收发控制器需要运行KNX通信内核和DALI协议栈、存储系统及用户参数、完成协议转换等功能；DALI接口负责满足网关与DALI系统通信接口的电气特性要求。

KNX-DALI网关不仅是KNX系统中的一个KNX设备节点，也是DALI系统的一个DALI主机。网关工作过程为：当接收到KNX报文时，网关会解析该报文完成到DALI指令的转换，如果对应的是电弧功率控制指令，则在DALI总线空闲状态下，发送指令到DALI系统中，实现对DALI装置控制功能；如果是状态查询指令，网关会将保存的对应DALI装置状态信息组装成KNX报文发送到KNX控制设备中；另外，网关会周期地对DALI装置的状态进行查询，保存DALI装置的状态信息，如果DALI装置发生故障，网关会主动发起一次通信告知对应的KNX设备。

选择Atmel公司增强型的ATxmega32E5作为KNX-DA-LI网关收发控制器，ATxmega32E5是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，*高工作频率可达到32MHZ,高达64KB的FLASH程序存储区，4KB的RAM和1KB的EEPROM,由于具有USART等丰富的外设，可以方便功能的扩展。另外，还具有创新型的XMEGA自定义逻辑模块(XCL),该模块与USART结合使用，可以支持自定义通信协议。

KNX总线收发器选择西门子公司的FZE1066,FZE1066是用于KNX总线的收发模块，通信介质为双绞线，可以接收和发送比特流信号，提供直接同收发控制芯片连接的端口；转换电压，能够将KNX总线上的29V电压转化为5V电压供通信控制芯片使用；监测KNX总线的电压，并能为通信控制芯片提供上电复位和掉电保存信号。

2硬件设计

2.1KNX硬件平台设计

收发器模块FZE1066和KNX总线连接，并由串行端口与ATxmega32E5连接，通过硬件完成KNX报文的物理层信号处理。收发控制器的工作电源由KNX总线提供，通过FZE1066实现数据信号和能量的分离。

KNX硬件平台框图如图2所示。

图2KNX硬件框图

2.2DALI接口电路

DALI接口电路的设计要符合DALI电气规范，DALI使用双线差分驱动，要满足总线传输高电平时电压差在9.5~22.5V、传输低电平时电压差小于6.5V、总线电流小于250mA的电气参数规范。为了保证通信电路的稳定可靠，*好使用光电耦合器进行隔离。

DALI通信电路的设计如图3所示

图3DALI通信电路

接收电路主要由D4、Q1、Q2、U3及D5组成，发送电路由D4、Q3及U4组成。其中DALIRX与DALITX连接在收发控制器的串口上，U3和U4为光电耦合器；D4为整流桥，实现将电压差转化为单向的直流电压；D5为稳压管，保证总线传输电压差符合DALI电气特性要求。

接收时，当总线传输高电平，D5为反向击穿状态，U3导通，RX为高；当总线传输低电平时，D5截止，U3不导通，RX为低。发送时，由TX来改变Q3的工作状态，从而改变总线传输的电平高低。

3网关软件设计

3.1网关软件架构

根据网关的设计要求，软件部分不仅包括对KNX及DA-LI协议栈的设计和实现，还包括协议间的转换功能。本系统的软件架构图如图4所示。

图4系统软件架构图

软件设计首先要考虑的是程序的结构和设计方法。本设计中，采用一种层次化的软件设计方法，即把整个软件分为三层：底层驱动层、协议层和应用层；底层驱动层完成和硬件相关的交互，协议层完成通信协议栈的设计，应用层则根据系统的功能要求定制功能。这种设计方法保证了各程序模块间的独立性和完整性，并且方便系统软件的移植和应用层功能的扩展。

KNX通信模块的硬件驱动层主要包括FZE1066收发器模块驱动，完成报文的发送和接收；通信协议层主要实现数据链路层、网络层以及传输层的相应功能，实现KNX报文的装配和分解；DALI通信模块的驱动层包括DALI接口底层驱动，通信协议层主要完成DALI指令的发送及解析、冲突检测、指令优先级配置等功能。KNX应用进程和DALI应用进程间的通信完成数据解析及转换等功能。

3.2协议转换的实现

3.2.1KNX协议转DALI协议的实现

KNX通信时采用了逐层调用的策略，每一层协议被调用时，都是先读取本层控制字信息，经过信息处理后，将数据提供给上层协议。

KNX协议转DALI协议流程图5如所示。

图5KNX转DALI流程图

网关从KNX总线上收到KNX报文数据后，将KNX报文按照物理层、数据链路层、网络层、传输层到应用层的顺序，逐层进行分解，得到应用协议控制信息(APCI)对应的服务类型及其后的用户数据并进行解析，将解析的结果转换为对应的DALI指令；当ATxmega32E5检测到DALI总线处于空闲状态时，按照DALI前向帧的数据格式发送到DALI总线上。经过分析，KNX设备对DALI装置的控制主要包括开关及调光操作，KNX报文与DALI指令间的对应关系如表1所示。

表1KNX报文与DALI指令对应关系

3.2.2DALI协议转KNX协议的实现

当KNX设备进行状态查询时，需要将DALI装置的状态信息反馈给对应的KNX设备，DALI协议转KNX协议流程图如图6所示。

图6DALI转KNX流程图

DALI装置的反馈信息包括DALI装置电弧功率等级和故障状态，网关通过指令160（查询实际电弧功率等级）和指令144（查询当前状态）来获取并进行保存。

KNX设备获取设备状态信息一般通过查询报文或数据请求报文实现，当接收到KNX设备对DALI装置的查询或者数据请求报文后，网关就会将保存的DALI装置的状态反馈信息告知对应的KNX设备。如果监测到DALI装置发生故障（灯故障、电源故障等），网关会主动发起一次通信告知对应的KNX设备。

4网关测试

为了测试开发的KNX-DALI网关的功能，设计了一个简单的测试系统，该系统由KNX系统与DALI系统组成，两个系统间由KNX-DALI待测网关连接。

系统主要包括ETS配置工具、KNX传感器节点、待测网关、电源供应和DALI调光器及灯具等。KNX节点设备通过KNX总线进行通信，通过ETS客户端对KNX节点设备进行配置；DALI系统中，所有的DALI装置和设备均挂在DALI总线上，DALI系统为主从式的结构，每次通信均有主机发起。

系统测试结构如图7所示。

图7系统测试框图

系统测试由一个KNX传感器节点来测试网关对KNX报文的发送和接收，利用PC机上的ETS配置工具配置KNX节点的物理地址和组地址，下载通信对象表、地址表和对象关联表，并对KNX报文进行监控。DALI系统由若干DALI装置(DALI调光器）和灯具组成，网关的供电由KNX总线提供。

当KNX传感器节点向网关发送开关或调光报文时，通过ETS工具可以监测到网关回复的确认报文，并且在DALI总线上监测到了对应的DALI前向帧数据，灯具执行开关或调光操作；当KNX传感器节点向网关发送查询报文时，网关会将对应的DALI装置的状态信息组装成KNX报文发送到KNX传感器节点上。当DALI装置出现故障时，网关可以及时的将故障信息反馈给KNX设备。

5安科瑞智能照明控制系统

5.1概述

ALIBUS智能照明产品采用RS485总线技术，技术成熟可靠，安全稳定。开关驱动器具备独立工作的能力，适用于一些中小型的项目；模块化设计，可以任意拼接扩展，同时预留I/O口以及Modbus接口，还可以满足与AcrelEMS企业微电网管理云平台进行数据交换。

5.2应用场所

适合于各类智能小区、医院、学校、酒店，以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明控制需求。

5.3系统结构

5.4系统功能

1）实时检测并显示各个模块的在线状态，反馈现场受控回路的开关状态，监控界面按照楼层各分区的布局和回路列表来浏览。

2）当发生模块离线、网关设备掉线或者状态反馈和下发控制命令不一致时会发生故障，并将故障信息记录并显示在界面中。

3）可以对单个照明回路实现开关控制；每个模块、楼层都有相应的模块控制开关和楼层控制开关，也可以一个模块或者整个楼层实现开关控制。

4）开关驱动器支持过零触发功能，负载（灯具）的分合操作仅在交流电过零时进行；可有效减少电磁干扰以及对电网的冲击，延长灯具与控制装置的寿命。

5）对每个照明回路可以预设掉电状态，当照明电源掉电时，开关驱动器会自动切换到预设的掉电状态；确保重新上电时灯具的开关状态是确定与可控的。

6）拖动调光控件，照明设备从0%到100%进行调光，可以对单个照明回路实现调光控制，调光总控可以对一个模块的照明回路实现调光控制，也可以对多个照明回路实现调光控制，通过图标的亮灭状态反馈现场开关的状态。

7）点击场景控件，打开或者关闭对应场景设置，软件界面上显示不同的场景模式和场景功能，通过图标的亮灭显示对应的场景状态是打开还是关闭。

8）设置定时时间，确认时间点后，对该事件点执行的动作进行设置，设置灯在设定的时间点亮或者灭。

9）系统可以通过预设的当地经纬度信息，自动计算每天的日升日落时间；根据天文时钟控制照明开关，实现日落开灯、日出关灯的功能。

10）所有定时控制计划均可下发保存至驱动模块；当上位机系统故障或模块离线时，驱动模块可以利用自带的RTC时钟维持定时控制计划的正常执行，不影响日常的照明控制效果。

11）系统结构是分布式总线结构；系统内各元件不依赖于其他元件而能够独立工作；系统内各元件可以通过程序的设定实现功能的多样性。

12）预留BA或第三方集成平台接口，采用modbus、opc等方式。

5.5设备选型

6结束语

本文开发了一种基于KNX协议和DALI协议网关，该网关以ATxmega32E5作为收发控制器，以FZE1066作为KNX总线收发模块，构建了KNX-DALI协议转换网关的硬件平台，并在此平台上实现了KNX通信协议栈、DALI协议栈的设计，以及KNX协议与DALI协议间的转换。经过实验测试，实现了KNX报文到DALI指令间转换，验证了KNX-DALI网关所设计的功能，对DALI系统及KNX系统在国内的应用及推广具有借鉴意义。

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（陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)