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、結構簡單,、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控制設備產品帶有的傳感器種類單一，特別是國內的DALI產品，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備的設計方案,。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)中包含控制設備和控制裝置等設備?？刂圃O備是指連接到接口上的設備,，并用于發(fā)送指令控制其他連接到相同接口上的設備?？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：一個接口上最多控制64臺獨立可尋址的控制裝置/控制設備^[2],。該通信采用異步半雙工串行通信方式,，雙線差分驅動，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)結構

    帶有多傳感器的DALI系統(tǒng)由控制設備和控制裝置組成,，系統(tǒng)結構如圖1所示,。控制設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前環(huán)境亮度,，調節(jié)燈具亮度使環(huán)境亮度達到預設值,，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,，點亮燈具至設定的亮度,，數(shù)分鐘（由上位機配置）后自動關閉燈具,，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,、恒亮度模式下的預設亮度,、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。同時控制設備可上傳當前LED燈具的運行狀態(tài)和傳感器測量值,，供查詢使用,。控制裝置通過DALI接口接收控制設備發(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。本文重點設計控制設備的設計,。

3 控制設備硬件設計

    控制設備以ARM Cortex-M0為內核的32位嵌入式微控制器SN32F248為核心,，其包含64 KB Flash ROM程序內存、8 KB RAM程序內存、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)點符合本設計要求,。

    控制設備硬件電路包括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)上位機與控制設備之間的通信,。用戶可根據(jù)要求對控制設備參數(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控制總線的導通與關斷；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處于截止狀態(tài)，總線為高電平,；相反,，單片機輸出低電平，U1導通,，T1處于飽和導通狀態(tài),，DALI總線經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DALI總線為高電平時，電流經過整流橋,，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導通,，RX端為高電平。相反,，當總線為低電平時,，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前小區(qū)域內環(huán)境亮度，控制設備通過發(fā)送調亮/調暗指令調節(jié)燈具亮度,，直到達到設定亮度為止,，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,、定時器等構成的數(shù)模混合專用集成電路,。當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，傳感器內的熱釋電元件失去電荷平衡,，向外釋放電荷,，電荷經過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,。同時可以通過調節(jié)R12與C10的參數(shù)來調節(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，將紅外光信號轉變?yōu)殡娦盘?。該電信號經放大器放大后再經過選頻電路選頻,。然后經過檢波電路取出調制信號，再經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,，可使軟件設計更加簡潔^[6],。

4 控制設備的軟件設計

    控制設備的軟件以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,、任務的創(chuàng)建與調度來實現(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內核,。μC/OS-II在SN32F248上的移植根據(jù)處理器的內部資源,，將與處理器相關的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 軟件任務管理的設計

    μC/OS-Ⅱ主要完成任務的創(chuàng)建、任務間的通信和任務調度與切換^[8],。根據(jù)功能要求,，將系統(tǒng)劃分為6個任務，根據(jù)任務的實時性和重要性,整個系統(tǒng)中的任務按優(yōu)先級由高到低分為:系統(tǒng)初始化任務,、接收上位機指令任務,、接收紅外遙控器指令任務、DALI總線通信任務,、數(shù)據(jù)采集任務,、數(shù)據(jù)處理與存儲任務。另外,，μC/OS-II本身還帶有統(tǒng)計,、任務創(chuàng)建、空閑3個任務^[9],。

4.2.1 任務創(chuàng)建

    μC/OS-Ⅱ任務的創(chuàng)建通過函數(shù)OSTaskCreate()完成,。首先，進行任務的優(yōu)先級和堆棧分配,，7個任務：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，隨后在start_task中再創(chuàng)建另外6個任務,，在6個任務被創(chuàng)建后start_task任務被掛起。至此,完成所有任務的創(chuàng)建,。

4.2.2 任務間的通信與同步

    為了協(xié)調任務的運行,，采用信號量方式實現(xiàn)任務間的通信與同步^[10]。首先,，利用函數(shù)OSSemCreate()創(chuàng)建信號量,，信號量創(chuàng)建后任務可通過調用函數(shù)OSSemPend()請求信號量。任務獲得信號量,，并在訪問共享資源結束以后,，通過OSSemPost()函數(shù)釋放信號量^[11],。各任務信號量的設置如表1所示。

4.2.3 任務調度與切換

    任務調度就是將CPU分配給符合條件的任務使用,。μC/OS-II采用基于優(yōu)先級和中斷級任務調度的方法實現(xiàn)任務的調度,。在完成中斷服務函數(shù)后，根據(jù)各任務的優(yōu)先級先由任務調度函數(shù)OSSched()實現(xiàn)任務的調度,調用OS_SchedNew()函數(shù)進行任務的切換,，切換到需要運行的任務并執(zhí)行,。

5 結束語

    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構成的調光控制系統(tǒng)具有安裝簡單,、價格低廉,、系統(tǒng)重構靈活、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)議的基礎上設計了帶有多種傳感器的DALI系統(tǒng)，大量試驗結果表明,，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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