0 引言

    隨著人們生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)的模擬照明控制系統(tǒng)已不能滿足用戶的需求，靈活的照明控制成為人們追求的目標(biāo),，而功能豐實(shí),、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的DALI照明系統(tǒng)既能夠營(yíng)造溫馨和諧的家居氛圍^[1],，又能達(dá)到綠色節(jié)能的目的,，正被各大照明設(shè)備廠商所使用，成為全球統(tǒng)一規(guī)范,。但傳統(tǒng)的DALI控制設(shè)備產(chǎn)品帶有的傳感器種類單一,，特別是國(guó)內(nèi)的DALI產(chǎn)品，通常只采用觸摸面板或觸摸屏控制方式,，對(duì)燈具的控制缺乏靈活性。在對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行配置時(shí),，往往采用有線連接方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制設(shè)備的通信,，不利于系統(tǒng)安裝后的參數(shù)配置工作。

    針對(duì)以上問(wèn)題,，本文提出了一種多傳感器集中連接在同一控制設(shè)備的設(shè)計(jì)方案,。使系統(tǒng)可采用紅外遙控控制方式，對(duì)燈具進(jìn)行亮度調(diào)節(jié),、場(chǎng)景喚醒,、模式切換等，多功能遙控器的使用使得燈具控制更加靈活,；亮度實(shí)時(shí)監(jiān)控,，確保了燈具在恒亮度模式下的恒亮度輸出；人體移動(dòng)探測(cè)的配合使用可實(shí)現(xiàn)燈具在節(jié)能模式下的自動(dòng)控制,；WiFi模塊使控制設(shè)備參數(shù)配置與環(huán)境信息查詢更方便,。

1 DALI協(xié)議簡(jiǎn)介

    數(shù)字可尋址照明接口(Digital Addressable Lighting Interface，DALI)總線協(xié)議是一種專門(mén)用于照明控制的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),。其具有調(diào)光,、場(chǎng)景選擇和燈具地址分配等功能。DALI系統(tǒng)中包含控制設(shè)備和控制裝置等設(shè)備,?？刂圃O(shè)備是指連接到接口上的設(shè)備，并用于發(fā)送指令控制其他連接到相同接口上的設(shè)備,?？刂蒲b置用于給燈具提供電源，接收控制指令并直接控制燈具的裝置,。DALI系統(tǒng)工作在主從模式：一個(gè)接口上最多控制64臺(tái)獨(dú)立可尋址的控制裝置/控制設(shè)備^[2],。該通信采用異步半雙工串行通信方式，雙線差分驅(qū)動(dòng)，兩線壓差值在9．5 V～22．5 V之間為高電平,，-4.5 V~+4.5 V之間為低電平,，總線上的電流不能超過(guò)250 mA，每個(gè)從設(shè)備消耗的電流不超過(guò)2 mA,。DALI信號(hào)采用曼徹斯特編碼方式,，波特率為1 200 b/s^[3]。

2 DALI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    帶有多傳感器的DALI系統(tǒng)由控制設(shè)備和控制裝置組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。控制設(shè)備通過(guò)紅外接收器接收遙控器下達(dá)的對(duì)燈具的控制命令（包括場(chǎng)景喚醒命令,、亮度控制命令,、模式切換命令等）并轉(zhuǎn)發(fā)給控制裝置。系統(tǒng)工作模式分為自動(dòng)模式,、恒亮度模式,、節(jié)能模式和一般模式。各模式的描述如下：

    (1)自動(dòng)模式：系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具亮度,，參數(shù)由上位機(jī)配置,，參數(shù)格式為某時(shí)間段某燈具的亮度等級(jí)。

    (2)恒亮度模式：為達(dá)到環(huán)境恒亮度目的,，根據(jù)亮度傳感器采集到當(dāng)前環(huán)境亮度,，調(diào)節(jié)燈具亮度使環(huán)境亮度達(dá)到預(yù)設(shè)值，恒亮度模式下移動(dòng)傳感器不起作用,。

    (3)節(jié)能模式：環(huán)境亮度小于閾值且探測(cè)到人員移動(dòng)時(shí),，點(diǎn)亮燈具至設(shè)定的亮度，數(shù)分鐘（由上位機(jī)配置）后自動(dòng)關(guān)閉燈具,，以達(dá)到節(jié)能的目的,。節(jié)能模式中移動(dòng)傳感器和亮度傳感器協(xié)同工作。

    (4)一般模式：燈具亮度通過(guò)紅外遙控器來(lái)控制,，可以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)和喚醒場(chǎng)景等功能,，只有在一般模式下遙控器的亮度調(diào)節(jié)和喚醒場(chǎng)景功能才起作用。一般模式下移動(dòng)傳感器和亮度傳感器不起作用,。

    控制設(shè)備通過(guò)WiFi模塊接收上位機(jī)下達(dá)的參數(shù)配置命令,，并存儲(chǔ)在控制設(shè)備的存儲(chǔ)區(qū)，上位機(jī)可以配置的參數(shù)包括：每天8個(gè)時(shí)間段的場(chǎng)景值,、恒亮度模式下的預(yù)設(shè)亮度,、節(jié)能模式中的亮度閾值、控制裝置地址,、燈具最大/最小亮度,、控制裝置組地址等,。同時(shí)控制設(shè)備可上傳當(dāng)前LED燈具的運(yùn)行狀態(tài)和傳感器測(cè)量值，供查詢使用,?？刂蒲b置通過(guò)DALI接口接收控制設(shè)備發(fā)送的控制命令，并對(duì)控制命令進(jìn)行解析,，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具的控制,。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)控制設(shè)備的設(shè)計(jì)。

3 控制設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

    控制設(shè)備以ARM Cortex-M0為內(nèi)核的32位嵌入式微控制器SN32F248為核心,，其包含64 KB Flash ROM程序內(nèi)存,、8 KB RAM程序內(nèi)存、3個(gè)16位和3個(gè)32位通用定時(shí)器,，共帶有6路捕獲輸入和21路PWM輸出,。通信接口包括兩組I²C、一組USART,、一組UART等,，其低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)符合本設(shè)計(jì)要求,。

    控制設(shè)備硬件電路包括WiFi通信電路,、DALI接口電路,、光照度測(cè)量電路,、移動(dòng)探測(cè)電路、紅外接收電路,、電源電路等,，其硬件電路總體框圖如圖2所示。

3.1 WiFi通信電路

    考慮到控制設(shè)備需要安裝在天花板上,，使用有線連接不利于安裝后的系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置和查詢,，在此通過(guò)無(wú)線WiFi實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制設(shè)備之間的通信。用戶可根據(jù)要求對(duì)控制設(shè)備參數(shù)進(jìn)行靈活配置^[4],。WiFi通信電路以ESP8266為核心,，該芯片是專門(mén)針對(duì)WiFi協(xié)議的SOC系統(tǒng)解決方案。無(wú)線通信電路主要由處理器,、Flash芯片組成,。ESP8266使用3.3 V電源供電，通過(guò)UART接口與微控制器SN32F248進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。

3.2 DALI接口電路

    DALI接口電路主要用于將單片機(jī)的TTL電平與DALI協(xié)議規(guī)定的電平相互轉(zhuǎn)換,。DALI 接口電路包括發(fā)射電路和接收電路，其中發(fā)射電路主要由光耦U1,、三極管T1和整流器B1組成,。U1用于單片機(jī)TTL電平和DALI電平的隔離,；T1控制總線的導(dǎo)通與關(guān)斷；B1的使用可以使兩根總線的接法互換,，避免接線錯(cuò)誤,。接收電路主要由光耦U2、恒流源U3和穩(wěn)壓管D4組成,，其中恒流源U3用于驅(qū)動(dòng)光耦,。電路如圖3所示。

    在發(fā)送電路中,，單片機(jī)輸出高電平,，U1截止，T1處于截止?fàn)顟B(tài),，總線為高電平,；相反，單片機(jī)輸出低電平,，U1導(dǎo)通,，T1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，DALI總線經(jīng)T1和整流橋形成回路,，DALI總線電壓被拉至低電平,。

    接收電路中，當(dāng)DALI總線為高電平時(shí),，電流經(jīng)過(guò)整流橋,，D4處于反向擊穿狀態(tài)，U3的REXT端和VS端電壓被穩(wěn)定在3 V左右,，U3工作,，光耦U2導(dǎo)通，RX端為高電平,。相反,，當(dāng)總線為低電平時(shí)，RX端為低電平,。DALI數(shù)據(jù)的接收需要用到外部中斷,，SN32F248的每個(gè)引腳都可以配置成外部中斷使用，在此,，RX端接到微控制器的P0.5引腳,。

3.3 光照度測(cè)量電路

    光照度測(cè)量電路以ROHM公司推出的BH1750FVI為核心。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路,，能將光照度轉(zhuǎn)化成16位標(biāo)準(zhǔn)I²C數(shù)字量輸出信號(hào),，測(cè)量范圍1～65535lx。通過(guò)微控制器P0.6和P0.7兩個(gè)I²C總線引腳讀取相應(yīng)寄存器的值就可以得到環(huán)境亮度,。

    恒亮度模式下,，微控制器通過(guò)光照度測(cè)量電路獲得當(dāng)前小區(qū)域內(nèi)環(huán)境亮度,，控制設(shè)備通過(guò)發(fā)送調(diào)亮/調(diào)暗指令調(diào)節(jié)燈具亮度，直到達(dá)到設(shè)定亮度為止,，達(dá)到恒亮度控制的目的,。

3.4 移動(dòng)探測(cè)電路

    為了在自動(dòng)模式下通過(guò)對(duì)是否有人員移動(dòng)的探測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的自動(dòng)化控制，系統(tǒng)采用被動(dòng)式熱釋電紅外線傳感器探測(cè)人體移動(dòng),。移動(dòng)探測(cè)電路以BISS0001為核心,，其是由運(yùn)算放大器、狀態(tài)控制器,、電壓比較器,、定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路,。當(dāng)人體進(jìn)入傳感器報(bào)警區(qū)域,，人體發(fā)射的紅外線穿過(guò)菲涅爾濾鏡照射在傳感器表面，傳感器內(nèi)的熱釋電元件失去電荷平衡,，向外釋放電荷,，電荷經(jīng)過(guò)OP1進(jìn)行第一級(jí)放大，再由C3耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)放大,，輸出到BIS0001的2OUT引腳,，如BIS0001檢出有效觸發(fā)信號(hào)，則啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器,，并從RC1端輸出報(bào)警信號(hào),。通過(guò)讀取引腳電平，即可判斷是否有人員流動(dòng),，達(dá)到移動(dòng)探測(cè)的目的,。同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)R12與C10的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出延遲時(shí)間,。電路如圖4所示,。

3.5 紅外遙控接收電路

    紅外接收電路采用一體化紅外接收頭，內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管,、放大器,、限幅器、帶通濾波器,、積分電路,、比較器等^[5]。紅外遙控信號(hào)通過(guò)紅外濾光片后作用于紅外光電二極管,，將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),。該電信號(hào)經(jīng)放大器放大后再經(jīng)過(guò)選頻電路選頻。然后經(jīng)過(guò)檢波電路取出調(diào)制信號(hào),，再經(jīng)過(guò)施密特電路整形后,，還原成代碼波形,，最后送給微處理器進(jìn)行信息識(shí)別和處理。利用SN32F248 16 bit定時(shí)器的捕獲中斷功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼,，可使軟件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔^[6],。

4 控制設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

    控制設(shè)備的軟件以μC/OS-II操作系統(tǒng)為平臺(tái)。在SN32F248上移植后,，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的初始化,、任務(wù)的創(chuàng)建與調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)功能要求。

4.1 μC/OS-II在SN32F248上的移植

    μC/OS-II是一個(gè)搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,。μC/OS-II在SN32F248上的移植根據(jù)處理器的內(nèi)部資源,，將與處理器相關(guān)的μC/OS-II的3個(gè)文件(os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm,、os_cpu.h)進(jìn)行必要的修改,。主要是將文件中的匯編指令,改為T(mén)humb的匯編指令,并根據(jù)SN32F248特點(diǎn)對(duì)文件中寄存器的初值進(jìn)行改寫(xiě)^[7]。

4.2 軟件任務(wù)管理的設(shè)計(jì)

    μC/OS-Ⅱ主要完成任務(wù)的創(chuàng)建,、任務(wù)間的通信和任務(wù)調(diào)度與切換^[8],。根據(jù)功能要求，將系統(tǒng)劃分為6個(gè)任務(wù),，根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性和重要性,整個(gè)系統(tǒng)中的任務(wù)按優(yōu)先級(jí)由高到低分為:系統(tǒng)初始化任務(wù),、接收上位機(jī)指令任務(wù)、接收紅外遙控器指令任務(wù),、DALI總線通信任務(wù),、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)任務(wù),。另外,，μC/OS-II本身還帶有統(tǒng)計(jì)、任務(wù)創(chuàng)建,、空閑3個(gè)任務(wù)^[9],。

4.2.1 任務(wù)創(chuàng)建

    μC/OS-Ⅱ任務(wù)的創(chuàng)建通過(guò)函數(shù)OSTaskCreate()完成。首先,，進(jìn)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和堆棧分配,，7個(gè)任務(wù)：start_task、OS_Stat_Init_task,、Re_Computer_Cmd_task,、Re_IR_Cmd_task、DALI_task,、Data_col_task和Data_deal_task的優(yōu)先級(jí)從5開(kāi)始依次增大,，每個(gè)任務(wù)分配128 B大小的堆棧。在主函數(shù)中只創(chuàng)建start_task一個(gè)任務(wù),，隨后在start_task中再創(chuàng)建另外6個(gè)任務(wù),，在6個(gè)任務(wù)被創(chuàng)建后start_task任務(wù)被掛起,。至此,完成所有任務(wù)的創(chuàng)建。

4.2.2 任務(wù)間的通信與同步

    為了協(xié)調(diào)任務(wù)的運(yùn)行,，采用信號(hào)量方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信與同步^[10],。首先，利用函數(shù)OSSemCreate()創(chuàng)建信號(hào)量,，信號(hào)量創(chuàng)建后任務(wù)可通過(guò)調(diào)用函數(shù)OSSemPend()請(qǐng)求信號(hào)量,。任務(wù)獲得信號(hào)量，并在訪問(wèn)共享資源結(jié)束以后,，通過(guò)OSSemPost()函數(shù)釋放信號(hào)量^[11],。各任務(wù)信號(hào)量的設(shè)置如表1所示。

4.2.3 任務(wù)調(diào)度與切換

    任務(wù)調(diào)度就是將CPU分配給符合條件的任務(wù)使用,。μC/OS-II采用基于優(yōu)先級(jí)和中斷級(jí)任務(wù)調(diào)度的方法實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度,。在完成中斷服務(wù)函數(shù)后，根據(jù)各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)先由任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSSched()實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度,調(diào)用OS_SchedNew()函數(shù)進(jìn)行任務(wù)的切換,，切換到需要運(yùn)行的任務(wù)并執(zhí)行,。

5 結(jié)束語(yǔ)

    DALI協(xié)議已成為燈光控制系統(tǒng)中的一種重要協(xié)議，采用DALI構(gòu)成的調(diào)光控制系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單,、價(jià)格低廉,、系統(tǒng)重構(gòu)靈活、可以級(jí)聯(lián)等特點(diǎn),，被世界主要的鎮(zhèn)流器廠商采用,。本文在研究DALI協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了帶有多種傳感器的DALI系統(tǒng)，大量試驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)可靠性強(qiáng),，效率高，操作方便靈活,，實(shí)時(shí)性好,，具有良好的前景和較大的現(xiàn)實(shí)意義。

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