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,，而功能豐實,、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的DALI照明系統(tǒng)既能夠營造溫馨和諧的家居氛圍^[1]，又能達到綠色節(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，對燈具的控制缺乏靈活性,。在對系統(tǒng)的參數(shù)進行配置時,，往往采用有線連接方式實現(xiàn)上位機與控制設(shè)備的通信，不利于系統(tǒng)安裝后的參數(shù)配置工作,。

    針對以上問題,，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)計方案。使系統(tǒng)可采用紅外遙控控制方式,，對燈具進行亮度調(diào)節(jié),、場景喚醒、模式切換等,，多功能遙控器的使用使得燈具控制更加靈活,；亮度實時監(jiān)控，確保了燈具在恒亮度模式下的恒亮度輸出,；人體移動探測的配合使用可實現(xiàn)燈具在節(jié)能模式下的自動控制,；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)議是一種專門用于照明控制的協(xié)議標準,。其具有調(diào)光、場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,。控制設(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,。控制裝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：一個接口上最多控制64臺獨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,，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250 mA,，每個從設(shè)備消耗的電流不超過2 mA,。DALI信號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?？刂圃O(shè)備通過紅外接收器接收遙控器下達的對燈具的控制命令（包括場景喚醒命令,、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)自動模式：系統(tǒng)根據(jù)存儲的參數(shù)自動調(diào)節(jié)燈具亮度,，參數(shù)由上位機配置，參數(shù)格式為某時間段某燈具的亮度等級,。

    (2)恒亮度模式：為達到環(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)境亮度達到預(yù)設(shè)值,，恒亮度模式下移動傳感器不起作用,。

    (3)節(jié)能模式：環(huán)境亮度小于閾值且探測到人員移動時，點亮燈具至設(shè)定的亮度,，數(shù)分鐘（由上位機配置）后自動關(guān)閉燈具,，以達到節(jié)能的目的。節(jié)能模式中移動傳感器和亮度傳感器協(xié)同工作,。

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

    控制設(shè)備通過WiFi模塊接收上位機下達的參數(shù)配置命令,，并存儲在控制設(shè)備的存儲區(qū),，上位機可以配置的參數(shù)包括：每天8個時間段的場景值、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,。同時控制設(shè)備可上傳當(dāng)前LED燈具的運行狀態(tài)和傳感器測量值，供查詢使用,?？刂蒲b置通過DALI接口接收控制設(shè)備發(fā)送的控制命令,，并對控制命令進行解析，實現(xiàn)對LED燈具的控制,。本文重點設(shè)計控制設(shè)備的設(shè)計,。

3 控制設(shè)備硬件設(shè)計

    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16位和3個32位通用定時器，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)點符合本設(shè)計要求。

    控制設(shè)備硬件電路包括WiFi通信電路,、DALI接口電路,、光照度測量電路、移動探測電路,、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)進行參數(shù)配置和查詢，在此通過無線WiFi實現(xiàn)上位機與控制設(shè)備之間的通信,。用戶可根據(jù)要求對控制設(shè)備參數(shù)進行靈活配置^[4],。WiFi通信電路以ESP8266為核心，該芯片是專門針對WiFi協(xié)議的SOC系統(tǒng)解決方案,。無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UART接口與微控制器SN32F248進行數(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)動光耦。電路如圖3所示,。

    在發(fā)送電路中,，單片機輸出高電平，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,，電流經(jīng)過整流橋，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,，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 光照度測量電路

    光照度測量電路以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)字型光強度傳感器集成電路,，能將光照度轉(zhuǎn)化成16位標準I²C數(shù)字量輸出信號，測量范圍1～65535lx,。通過微控制器P0.6和P0.7兩個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，微控制器通過光照度測量電路獲得當(dāng)前小區(qū)域內(nèi)環(huán)境亮度,，控制設(shè)備通過發(fā)送調(diào)亮/調(diào)暗指令調(diào)節(jié)燈具亮度，直到達到設(shè)定亮度為止,，達到恒亮度控制的目的,。

3.4 移動探測電路

    為了在自動模式下通過對是否有人員移動的探測實現(xiàn)對燈具的自動化控制,，系統(tǒng)采用被動式熱釋電紅外線傳感器探測人體移動。移動探測電路以BISS0001為核心,，其是由運算放大器,、狀態(tài)控制器、電壓比較器,、定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰．?dāng)人體進入傳感器報警區(qū)域,，人體發(fā)射的紅外線穿過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OP1進行第一級放大,，再由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級放大，輸出到BIS0001的2OUT引腳,，如BIS0001檢出有效觸發(fā)信號,，則啟動延遲時間定時器，并從RC1端輸出報警信號,。通過讀取引腳電平,，即可判斷是否有人員流動，達到移動探測的目的,。同時可以通過調(diào)節(jié)R12與C10的參數(shù)來調(diào)節(jié)輸出延遲時間,。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],。紅外遙控信號通過紅外濾光片后作用于紅外光電二極管,，將紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ撾娦盘柦?jīng)放大器放大后再經(jīng)過選頻電路選頻,。然后經(jīng)過檢波電路取出調(diào)制信號,，再經(jīng)過施密特電路整形后，還原成代碼波形,，最后送給微處理器進行信息識別和處理,。利用SN32F248 16 bit定時器的捕獲中斷功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，可使軟件設(shè)計更加簡潔^[6],。

4 控制設(shè)備的軟件設(shè)計

    控制設(shè)備的軟件以μC/OS-II操作系統(tǒng)為平臺,。在SN32F248上移植后,，通過對系統(tǒng)的初始化、任務(wù)的創(chuàng)建與調(diào)度來實現(xiàn)功能要求,。

4.1 μC/OS-II在SN32F248上的移植

    μC/OS-II是一個搶占式實時多任務(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個文件(os_cpu_c.c,、os_cpu_a.asm,、os_cpu.h)進行必要的修改。主要是將文件中的匯編指令,改為Thumb的匯編指令,并根據(jù)SN32F248特點對文件中寄存器的初值進行改寫^[7],。

4.2 軟件任務(wù)管理的設(shè)計

    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個任務(wù),，根據(jù)任務(wù)的實時性和重要性,整個系統(tǒng)中的任務(wù)按優(yōu)先級由高到低分為:系統(tǒng)初始化任務(wù)、接收上位機指令任務(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)處理與存儲任務(wù),。另外，μC/OS-II本身還帶有統(tǒng)計,、任務(wù)創(chuàng)建,、空閑3個任務(wù)^[9]。

4.2.1 任務(wù)創(chuàng)建

    μC/OS-Ⅱ任務(wù)的創(chuàng)建通過函數(shù)OSTaskCreate()完成,。首先,，進行任務(wù)的優(yōu)先級和堆棧分配，7個任務(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)先級從5開始依次增大，每個任務(wù)分配128 B大小的堆棧,。在主函數(shù)中只創(chuàng)建start_task一個任務(wù),，隨后在start_task中再創(chuàng)建另外6個任務(wù)，在6個任務(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)的運行，采用信號量方式實現(xiàn)任務(wù)間的通信與同步^[10]。首先,，利用函數(shù)OSSemCreate()創(chuàng)建信號量,，信號量創(chuàng)建后任務(wù)可通過調(diào)用函數(shù)OSSemPend()請求信號量,。任務(wù)獲得信號量,，并在訪問共享資源結(jié)束以后，通過OSSemPost()函數(shù)釋放信號量^[11],。各任務(wù)信號量的設(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)先級和中斷級任務(wù)調(diào)度的方法實現(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)先級先由任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSSched()實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度,調(diào)用OS_SchedNew()函數(shù)進行任務(wù)的切換，切換到需要運行的任務(wù)并執(zhí)行,。

5 結(jié)束語

    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)具有安裝簡單、價格低廉,、系統(tǒng)重構(gòu)靈活,、可以級聯(lián)等特點，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)計了帶有多種傳感器的DALI系統(tǒng),，大量試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性強,，效率高,，操作方便靈活，實時性好,，具有良好的前景和較大的現(xiàn)實意義,。

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