張玉杰， 郭向陽(yáng)， 李 棟

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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基于藍(lán)牙與MQTT服務(wù)器的DALI智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉杰， 郭向陽(yáng)， 李 棟

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

針對(duì)目前DALI系統(tǒng)控制規(guī)模小、管理不便以及智能化程度低的問(wèn)題，提出了一種基于藍(lán)牙與MQTT服務(wù)器的DALI智能照明系統(tǒng).該系統(tǒng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用手持設(shè)備APP通過(guò)云端服務(wù)遠(yuǎn)程控制DALI系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI系統(tǒng)組網(wǎng)分區(qū)、設(shè)備管理、參數(shù)查詢以及實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能.同時(shí)，在局域控制范圍內(nèi)DALI系統(tǒng)采用藍(lán)牙4.0無(wú)線控制和DALI總線控制相結(jié)合的方法，使不便布線的場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，進(jìn)一步拓展DALI系統(tǒng)的應(yīng)用范圍.實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定.

DALI系統(tǒng)； 藍(lán)牙4.0； MQTT服務(wù)器； 智能照明

0 引言

在信息化、網(wǎng)絡(luò)化的今天，智能照明控制技術(shù)已經(jīng)將現(xiàn)代照明推向了節(jié)能化、智能化、人性化、藝術(shù)化以及個(gè)性化的全新高度[1].DALI(Digital Addressable Lighting Interface)照明系統(tǒng)因其安裝簡(jiǎn)捷、易于維護(hù)、結(jié)構(gòu)靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，備受照明控制領(lǐng)域的青睞，為業(yè)界廣泛采用的智能照明技術(shù).傳統(tǒng)的DALI照明系統(tǒng)最多可接入64個(gè)可尋址設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在較大規(guī)模照明場(chǎng)合的應(yīng)用中往往受到限制，并且在現(xiàn)實(shí)中對(duì)舊樓照明的智能化改造以及一些復(fù)雜特殊的場(chǎng)所，也會(huì)面臨安裝布線難等問(wèn)題[2].

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于MQTT服務(wù)器和藍(lán)牙4.0通信技術(shù)的DALI智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.使傳統(tǒng)DALI系統(tǒng)具備接入云端的能力，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的加載，形成“云+端”的典型架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)DALI照明系統(tǒng)大規(guī)模擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)化控制.用戶可以通過(guò)APP端完成遠(yuǎn)程控制，并且利用服務(wù)器云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，為DALI照明系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)分析、能源管理、故障分析等增值服務(wù).同時(shí)在局域控制范圍內(nèi)，將藍(lán)牙4.0通信技術(shù)應(yīng)用于DALI系統(tǒng)中，將DALI系統(tǒng)由單一通信介質(zhì)(雙線)的控制，拓展到射頻RF控制，使不便布線的場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，從而增加DALI照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍.

1 總體設(shè)計(jì)方案

DALI智能照明控制系統(tǒng)主要由手持設(shè)備APP、MQTT服務(wù)器、WiFi路由設(shè)備、應(yīng)用控制器、控制面板、DALI傳感器、燈具節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及DALI電源組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.每個(gè)區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備有兩種通信方式，掛載到總線上的設(shè)備通過(guò)DALI總線通信，無(wú)線控制部分之間采用藍(lán)牙4.0通信.

MQTT服務(wù)器為硬件設(shè)備和APP提供靈活的接入方式，當(dāng)手持設(shè)備APP和應(yīng)用控制器在云端完成注冊(cè)、綁定之后，即可通過(guò)MQTT服務(wù)器進(jìn)行控制命令和數(shù)據(jù)的傳輸.

手持設(shè)備APP作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制面板、DALI傳感器和燈具節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址分配，地址識(shí)別以及系統(tǒng)參數(shù)配置與查詢，如控制方式選擇、場(chǎng)景設(shè)置、上電功率等級(jí)、最大功率等級(jí)、最小功率等級(jí)、漸變時(shí)間和漸變速率等參數(shù)的設(shè)置.同時(shí)，還具有單燈控制、分組控制、場(chǎng)景記憶以及場(chǎng)景切換等控制功能.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用控制器作為APP、DALI總線設(shè)備、藍(lán)牙通信設(shè)備信息傳輸中樞，內(nèi)置MICO互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)WiFi通信任務(wù)、藍(lán)牙4.0通信任務(wù)、DALI接口通信任務(wù)以及存儲(chǔ)系統(tǒng)任務(wù)合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI系統(tǒng)設(shè)備的地址分配、參數(shù)配置、狀態(tài)查詢、實(shí)時(shí)控制等功能.

DALI主機(jī)包括控制面板和傳感器.控制面板通過(guò)DALI總線將操作信息反饋至應(yīng)用控制器，應(yīng)用控制器根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)以及反饋信息統(tǒng)一調(diào)度控制指令，從而實(shí)現(xiàn)燈具節(jié)點(diǎn)的控制.傳感器通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境亮度以及人流量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將采集到的信息反饋至應(yīng)用控制器，進(jìn)而對(duì)本區(qū)域的燈具進(jìn)行實(shí)時(shí)的亮度控制.

燈具節(jié)點(diǎn)由DALI控制電路、LED燈具驅(qū)動(dòng)電路以及LED燈具這三部分組成.DALI從機(jī)能夠接受應(yīng)用控制器的指令信息，執(zhí)行調(diào)光、存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)以及反饋燈具狀態(tài)等任務(wù)[3,4].

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)用控制器硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用控制器采用以ARM Cortex-M4為核心的32位微控制器STM32F411RET6，其主要功能特性有：①512 K字節(jié)的內(nèi)置Flash可編程存儲(chǔ)器，SRAM多達(dá)128 K字節(jié)，最高頻率可達(dá)100 MHz；②50個(gè)GPIO引腳，可配置為下拉或上拉模式，響應(yīng)電平或邊沿觸發(fā)中斷；③6個(gè)16位和2個(gè)32位通用定時(shí)器；④3個(gè)USART控制器和5個(gè)SPI控制器.

應(yīng)用控制器主要包括WiFi通信模塊、DALI接口電路、藍(lán)牙通信模塊、調(diào)試接口、LED指示以及電源電路等，應(yīng)用控制器工作電源由DALI總線電源提供，其硬件框圖如圖2所示.

圖2 應(yīng)用控制器硬件框圖

2.1.1 WiFi通信電路

WiFi通信電路主要用于實(shí)現(xiàn)APP端與應(yīng)用控制器在云端注冊(cè)、綁定以及通信等功能.該通信電路以ESP8266芯片為核心，具有強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力.ESP8266使用3.3 V電源供電，通過(guò)SPI接口與主控制器STM32F411RET6進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

2.1.2 DALI接口電路

DALI系統(tǒng)與應(yīng)用控制器通信必須滿足DALI協(xié)議的電氣特性.DALI總線采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，總線傳輸高電平范圍是9.5～22.5 V，傳輸?shù)碗娖椒秶?6.5～6.5 V，并且總線電流小于250 mA.為了保證通信電路的穩(wěn)定可靠，DALI接口電路采用光電耦合器進(jìn)行隔離[5,6]，其接口電路如圖3所示.

圖3 DALI通信電路

2.1.3 藍(lán)牙4.0通信電路

藍(lán)牙通信模塊采用CC2541F256K芯片為主控制器，CC2451集成了2.4 GHZ射頻收發(fā)器，是一款完全兼容8051內(nèi)核的無(wú)線射頻單片機(jī)[7].藍(lán)牙通信電路如圖4所示，其外圍電路包括外部晶振電路、巴倫匹配電路及單極性PCB天線等.外部晶振電路采用2個(gè)晶振，32.768 KHZ晶振和32 MHZ晶振；天線電路采用倒F天線；巴倫匹配電路將CC2451輸出的雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩倍的單端信號(hào)以與倒F天線相匹配[8].CC2541通過(guò)UART串口與微控制器STM32F411進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

圖4 藍(lán)牙通信電路

2.2 藍(lán)牙控制面板硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙控制面板以CC2541F256K芯片為核心，主要包括電源電路、天線電路、調(diào)試接口電路以及按鍵電路，其硬件框圖如圖5所示.無(wú)線控制面板采用低功耗藍(lán)牙BLE通信，并且使用紐扣電池供電，無(wú)需信號(hào)線和電源線，用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景要求隨意變換安裝位置，從而便于系統(tǒng)安裝以及后期維護(hù).

圖5 無(wú)線控制面板硬件框圖

2.3 藍(lán)牙傳感器硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙傳感器硬件主要包括藍(lán)牙通信電路、光照采集電路以及人體探測(cè)電路，硬件框圖如圖6所示.其中，光照采集模塊采用BH1750FIV芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境亮度實(shí)時(shí)采集；人體探測(cè)傳感器模塊采用熱釋電紅外檢測(cè)元件，通過(guò)BISS0001對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)人體識(shí)別.無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)配置的工作模式，將采集的信息傳輸至應(yīng)用控制器.

圖6 無(wú)線傳感器硬件框圖

2.4 無(wú)線燈具節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線燈具節(jié)點(diǎn)在藍(lán)牙通信電路的基礎(chǔ)上加入了LED驅(qū)動(dòng)模塊.LED驅(qū)動(dòng)電路主要包括AC/DC轉(zhuǎn)換電路、BUCK降壓電路、PFC功率因數(shù)校正電路以及恒流源控制部分，其硬件框圖如圖7所示.燈具控制器MCU將PWM信號(hào)通過(guò)光耦輸出至恒流源驅(qū)動(dòng)芯片的調(diào)光引腳，并根據(jù)PWM調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具亮度的平滑調(diào)節(jié).同時(shí)MCU通過(guò)電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)電流，以此判斷燈具是否正常工作.

圖7 無(wú)線燈具節(jié)點(diǎn)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 MQTT服務(wù)器架設(shè)

MQTT服務(wù)器作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、分析以及任務(wù)調(diào)度的中心，主要包括云端數(shù)據(jù)代理轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、MQTT協(xié)議通信系統(tǒng)、API接口系統(tǒng).其中，云端數(shù)據(jù)代理轉(zhuǎn)發(fā)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)連接、發(fā)布和訂閱的編碼/解碼，以及心跳包的連接；設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析以及處理等；用戶管理模塊負(fù)責(zé)用戶注冊(cè)、管理設(shè)備列表等；MQTT協(xié)議通信模塊負(fù)責(zé)設(shè)備APP、服務(wù)器、設(shè)備之間的消息通信.API接口模塊負(fù)責(zé)調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序.

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用Mosquitto開源軟件搭建MQTT代理服務(wù)器.該軟件支持訂閱/發(fā)布的消息模式，提供一到多的消息分發(fā)機(jī)制，降低應(yīng)用的耦合度，并且具有良好的跨平臺(tái)性[9].在系統(tǒng)命令行中，mosquitto工具用于啟動(dòng)代理，mosquitto_passwd工具用于管理密碼，mosquitto_pub用于發(fā)布消息，mosquitto_sub用于訂閱消息，配置文件mosquitto.conf中設(shè)置端口、心跳時(shí)間以及客戶端最大并發(fā)數(shù)等重要參數(shù)[10,11].

3.2 手持設(shè)備APP軟件設(shè)計(jì)

手持設(shè)備APP作為系統(tǒng)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)與智能硬件的注冊(cè)以及綁定，并通過(guò)MQTT服務(wù)器通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)APP與DALI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)配置以及狀態(tài)查詢等功能.

手持設(shè)備APP采用Android操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，手持設(shè)備APP軟件的開發(fā)包括三個(gè)方面：①用戶交互界面的設(shè)計(jì)，界面層主要包括用戶管理界面、參數(shù)配置界面、燈具控制界面以及地址分配界面等；②系統(tǒng)邏輯控制的設(shè)計(jì)，該部分主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)設(shè)備的管控；③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI系統(tǒng)的用戶信息、配置參數(shù)信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)等的存儲(chǔ)，并且利用MQTT通信服務(wù)實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備端與云端的數(shù)據(jù)通信.APP軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)按照分層的思想，對(duì)程序進(jìn)行層層處理[12-15]，如圖8所示.

圖8 APP軟件架構(gòu)圖

3.3 應(yīng)用控制器軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用控制器的軟件開發(fā)以MICO物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能.應(yīng)用控制器的軟件架構(gòu)如圖9所示.其中，主控制器軟件主要包括底層驅(qū)動(dòng)程序、MICO物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、高級(jí)應(yīng)用程序和用戶應(yīng)用程序[16].底層驅(qū)動(dòng)程序是保證硬件正常工作的基礎(chǔ)，主要包括Flash驅(qū)動(dòng)、UART驅(qū)動(dòng)、WiFi驅(qū)動(dòng)、LED驅(qū)動(dòng)以及DALI接口驅(qū)動(dòng)等.高級(jí)應(yīng)用程序主要包括各種通信協(xié)議棧以及邏輯運(yùn)算函數(shù)等.應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用各種接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用控制器與APP端通信，DALI協(xié)議棧的移植和應(yīng)用調(diào)度，以及通過(guò)串口與CC2541藍(lán)牙模塊通信等功能.

圖9 應(yīng)用控制器軟件架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)性能，搭建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，其中主要包括1部Android智能手機(jī)， MQTT服務(wù)器，1個(gè)WiFi路由設(shè)備，1個(gè)應(yīng)用控制器，基于雙線控制的DALI照明控制部分和基于藍(lán)牙通信的無(wú)線照明控制部分.系統(tǒng)測(cè)試主要分為系統(tǒng)通信測(cè)試和系統(tǒng)功能測(cè)試.

(1)系統(tǒng)通信測(cè)試.完成手持設(shè)備APP和應(yīng)用控制器在MQTT服務(wù)器的注冊(cè)、綁定之后.手持APP端發(fā)送配置命令，利用DALI測(cè)試工具可以監(jiān)測(cè)到DALI總線的前向幀數(shù)據(jù)和后向幀數(shù)據(jù)，如圖10所示.同時(shí)，利用藍(lán)牙數(shù)據(jù)分析儀可以監(jiān)測(cè)到藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呐渲弥噶钚畔?，如圖11所示.經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)整體通信正常、穩(wěn)定，并且具有實(shí)時(shí)性.

圖10 DALI總線通信測(cè)試圖

圖11 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試圖

(2)系統(tǒng)功能測(cè)試主要包括對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的地址分配、參數(shù)配置、狀態(tài)查詢、實(shí)時(shí)控制等功能測(cè)試.通過(guò)操作手持APP發(fā)送配置指令、查詢指令以及控制指令，完成系統(tǒng)各個(gè)功能測(cè)試，測(cè)試實(shí)物圖如圖12所示.

無(wú)線照明控制部分 DALI總線控制部分圖12 系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)物圖

測(cè)試結(jié)果表明，該照明控制系統(tǒng)通信正常，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)靈活，便于用戶對(duì)DALI系統(tǒng)安裝、組網(wǎng)以及控制.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于藍(lán)牙通信技術(shù)和MQTT服務(wù)器的DALI照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DALI照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程配置、組網(wǎng)以及控制，解決了在大規(guī)模照明系統(tǒng)中DALI網(wǎng)絡(luò)地址不足弊端.同時(shí)，在局

部控制范圍內(nèi)采用藍(lán)牙4.0無(wú)線通信，使不便布線的場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，進(jìn)一步拓展了DALI系統(tǒng)的應(yīng)用范圍.經(jīng)過(guò)應(yīng)用測(cè)試表明，本系統(tǒng)功能完善，兼容性強(qiáng)，能夠穩(wěn)定工作，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

Design of DALI intelligent lighting system based on bluetooth and MQTT server

ZHANG Yu-jie， GUO Xiang-yang， LI Dong

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Aiming at current DALI system with small scale,management inconvenience and intelligent degree problem,this paper presents a DALI intelligent lighting system based on Bluetooth technology and MQTT server.The system combined with the Internet technology,and use of handheld devices APP remote control DALI system through the cloud services,to achieve the DALI system network partition,device management,query parameters and real-time monitoring,etc.Meanwhile, in the local control range DALI system uses Bluetooth 4.0 wireless control and DALI bus control method of combining to make place for the inconvenience wiring wireless control,and further expand the scope of application DALI system.The experiment shows that the system has perfect function and stable operation.

DALI system; bluetooth 4.0; MQTT server; intelligent lighting

2016-06-11

陜西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014K07-17); 西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1436(1))

張玉杰(1966-)，男，陜西咸陽(yáng)人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：信息采集與處理、模式識(shí)別、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

1000-5811(2016)05-0152-05

TN915

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