深入探讨KNX与DALI协议网关在智能照明系统中的应用

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[关键词]：KNX协议； DALI协议；网关；智能照明；建筑施工

0简介

数字可寻址照明接口（DALI）作为开放式数字智能照明控制系统，具有配置灵活、安全可靠、成本低廉等优点。可灵活实现群控、场景设置、状态反馈等功能。在照明控制方面，具有专业、细致的特点，受到照明设备制造商的广泛支持，并已成为国际电工委员会的标准。但由于规模限制，DALI系统一般应用于中小型照明控制。为了充分发挥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）是一种住宅和楼宇控制标准，可以控制所有家庭和楼宇终端设备，如照明、遮阳、安全和监控等。 KNX以其良好的互操作性和开放性、完善的通信机制、节能运行等优点，在智能楼宇控制领域得到广泛应用，现已成为我国楼宇控制的国家参考标准。

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，可以充分发挥各自的优势，进一步提高建筑智能化水平，降低建筑能耗。 KNX-DALI网关成为了两个系统结合的关键。

1 总体设计方案

DALI协议是一种使用曼彻斯特编码的异步串行通信协议。系统采用主从结构，最多可接入64个可寻址DALI设备。可设置16个可寻址组和16个灯光场景。DALI总线控制设备都是通过短地址、组地址或广播地址来进行灯光控制。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简化。它由五层组成：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。 KNX网络采用Domain和Zone。线路（Line）三层结构是点对点的分布式网络，总线上的设备地位相同。 KNX 设备具有物理地址(PA) 和组地址(GA)。物理地址用于划分拓扑结构，组地址用于划分逻辑功能。

KNX-DALI网关包含完整的KNX协议和DALI协议实现，并完成KNX消息和DALI数据帧的相互转换。网关主要实现KNX设备对DALI设备的控制和监控功能。

网关整体结构如图1所示。

图1 网关结构框图

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信号、监控总线电压等；收发控制器需要运行KNX通信内核和DALI协议栈，存储系统和用户参数，完成协议转换等功能； DALI接口负责满足网关与DALI系统之间通信接口的电气特性要求。

KNX-DALI网关既是KNX系统中的KNX设备节点，又是DALI系统的DALI主机。网关的工作过程是：当收到KNX消息时，网关会解析该消息，完成到DALI命令的转换。如果对应的电弧功率控制命令是电弧功率控制命令，则该命令将在DALI总线空闲状态下发送至DALI系统。实现控制DALI设备的功能；如果是状态查询命令，网关会将保存的对应DALI设备的状态信息组装成KNX消息并发送给KNX控制设备；另外，网关会定期查询DALI设备的状态，并保存DALI设备的状态信息。如果DALI设备出现故障，网关会主动发起通信，通知对应的KNX设备。

Atmel 的增强型ATxmega32E5 被选为KNX-DA-LI 网关收发器控制器。 ATxmega32E5是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。它采用先进的RISC结构，最高工作频率可达32MHZ，最大可达64KB。 FLASH程序存储区，4KB RAM和1KB EEPROM。具有USART等丰富的外设，可以方便功能扩展。此外，它还具有创新的XMEGA定制逻辑模块（XCL），与USART配合使用，支持定制通信协议。

KNX总线收发器选用西门子的FZE1066。 FZE1066是KNX总线的收发器模块。通信介质是双绞线。它可以接收和发送比特流信号，并提供直接连接到收发控制芯片的端口。它进行电压转换，可以将KNX总线上的29V电压转换成5V电压供通信控制芯片使用；监测KNX总线电压，为通讯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

收发模块FZE1066连接在KNX总线上，通过串口与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实现数据信号与能量的分离。

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接口电路的设计必须符合DALI电气规范。 DALI采用两线差分驱动，必须满足总线传输高电平时9.5~22.5V，传输低电平时小于6.5V，总线电流小于250mA的电气参数。规格。为了保证通信电路的稳定性和可靠性，最好采用光耦进行隔离。

DALI通信电路设计如图3所示

图3DALI通讯电路

接收电路主要由D4、Q1、Q2、U3和D5组成，发射电路由D4、Q3和U4组成。其中DALIRX和DALITX连接到收发控制器的串口。 U3、U4为光耦； D4为整流桥，将电压差转换为单向直流电压； D5为稳压管，保证总线传输压差满足DALI电气特性要求。

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

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KNX和DA-LI协议栈的设计与实现，还包括协议之间的转换功能。该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。本设计中采用分层软件设计方法，即整个软件分为三层：底层驱动层、协议层和应用层；底层驱动层完成与硬件的交互，协议层完成通信协议栈。设计和应用层根据系统的功能需求定制功能。这种设计方法保证了各程序模块的独立性和完整性，有利于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收发模块驱动，完成消息的发送和接收；通信协议层主要实现数据链路层、网络层和传输层的相应功能，实现KNX消息的组装和分解。 DALI通信模块的驱动层包括DALI接口的底层驱动。通信协议层主要完成DALI指令的发送和解析、冲突检测、指令优先级配置等功能。 KNX应用进程与DALI应用进程之间的通信完成数据分析、转换等功能。

3.2 协议转换的实现

3.2.1 KNX协议转换为DALI协议的实现

KNX通信采用逐层调用策略。每层协议调用时，首先读取本层的控制字信息，经过信息处理后，将数据提供给上层协议。

KNX协议转换为DALI协议的流程图如图5所示。

图5 KNX转DALI流程图

网关接收到来自KNX总线的KNX消息数据后，按照物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层的顺序将KNX消息逐层分解，得到应用协议控制信息（APCI）解析对应的业务类型及后续的用户数据，并将解析结果转换为对应的DALI指令；当ATxmega32E5检测到DALI总线空闲时，按照DALI前向帧的数据格式发送到DALI总线。经过分析，KNX设备对DALI设备的控制主要包括开关和调光操作。 KNX消息与DALI指令的对应关系如表1所示。

表1 KNX消息与DALI指令对应关系

KNX消息

DALI命令

消息亮起

命令5：返回最大功率级别

关灯消息

命令0：关机

照亮消息

命令1：增亮

暗淡的消息

命令2：变暗

定值调光

直接电弧功率控制命令

3.2.2 DALI协议转换为KNX协议的实现

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

图6 DALI转KNX流程图

DALI设备的反馈信息包括DALI设备的电弧功率水平和故障状态。网关通过命令160（查询实际电弧功率等级）和命令144（查询当前状态）获取并保存。

KNX设备一般通过查询消息或者数据请求消息来获取设备状态信息。网关接收到KNX设备对DALI设备的查询或数据请求消息后，会将保存的DALI设备的状态反馈信息通知给对应的设备。 KNX 设备。如果检测到DALI设备出现故障（光故障、断电等），网关会主动发起通信，通知对应的KNX设备。

4网关测试

为了测试所开发的KNX-DALI网关的功能，设计了一个简单的测试系统。该系统由KNX系统和DALI系统组成。两个系统通过被测KNX-DALI 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、DALI调光器和灯具等。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；在DALI系统中，所有的DALI装置和设备都挂在DALI总线上。 DALI系统具有主从结构，每次通信均由主机发起。

系统测试结构如图7所示。

图7 系统测试框图

系统测试使用KNX传感器节点来测试网关KNX消息的发送和接收。在PC上使用ETS配置工具配置KNX节点的物理地址和组地址，下载通讯对象表、地址表和对象关联表，并对KNX消息进行监控。 DALI系统由多个DALI设备（DALI调光器）和灯具组成。网关的电源由KNX总线提供。

当KNX传感器节点向网关发送开关或调光消息时，可以通过ETS工具监听到网关返回的确认消息，并在DALI总线上监听到相应的DALI转发帧数据，灯具进行开关或调光操作。当KNX传感器节点向网关发送查询消息时，网关会将对应DALI设备的状态信息组装成KNX消息并发送给KNX传感器节点。当DALI设备出现故障时，网关可以及时将故障信息反馈给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，成熟可靠、安全稳定。开关驱动器具有独立工作的能力，适合一些中小型项目；模块化设计，可随意拼接和扩展，并预留I/O端口和Modbus接口，也能满足与AcrelEMS企业微电网管理云平台进行数据交换的要求。

5.2 应用场所

适用于各类智慧社区、医院、学校、酒店以及体育场馆、机场、隧道、车站等大型公共建设项目的照明控制需求。

5.3 系统结构

5.4 系统功能

1）实时检测并显示各模块的在线状态，反馈现场控制回路的开关状态。根据楼层各分区的布局及环路列表浏览监控界面。

2）当模块离线、网关设备离线、或者状态反馈与下发的控制命令不一致时，会产生故障报警，并记录故障报警信息并显示在界面上。

3）可实现对单个照明电路的开关控制；每个模块和楼层都有相应的模块控制开关和楼层控制开关，也可以实现对一个模块或整个楼层的开关控制。

4) 开关驱动器支持过零触发功能。仅当交流电源过零时才进行负载（灯）的开关操作；能有效减少电磁干扰和对电网的影响，延长灯具和控制装置的使用寿命。

5) 每个照明电路均可预设断电状态。当照明电源断电时，开关驱动器会自动切换到预设的断电状态；保证再次上电时灯的开关状态确定可控。