（模式识别与智能系统专业论文）基于dali的智能照明系统硬件设计.pdf

摘要 智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将建筑物内的 各种照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制，具有高效节能、管理 简单、控制多样化的优势。在大力提倡节能减排的今天，智能照明的发展已成为 社会的潮流，论文选题具有重要的现实意义和实际应用价值。 论文分析了智能照明系统的历史与现状，讨论了常用的智能照明网络协议： d a l i ( 数字化可寻址调光接口) 协议，给出了由多个荧光灯组成的智能照明系统 方案，整个系统由基于上位机u s b 的无线收发模块、d a l i 主控系统和d a l i 从 控系统三部分组成。论文着重设计了主控系统的d a l i 接口、无线收发接口、红 外热释电检测、光照度检测等电路，还设计了从控系统的d a l i 接口、模拟调光 接口、荧光灯关断等电路，使设计的智能照明系统具有对组内荧光灯的调光控制、 开关控制、可寻址控制等功能，从而可以对照明区域实现自动感应、个性化调光 设置、场景设置等。 关键字：照明系统智能技术d a l i 协议调光控制无线通信 a b s t r a c t u s i n gt h et e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i c ，c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rn e t w o r k ，t h e i n t e l l i g e n tl i g h t i n gs y s t e mc a l lc o m b i n ed i f f e r e n tl i g h t i n gi m p l e m e n t si nb u i l d i n g st o g e te f f i c i e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n t i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c yi n e n e r g ys a v i n g ，s i m p l em a n a g e m e n ta n dm u l t i p l el i g h t i n gc o n t r o l s n o w a d a y s ，w i t h e n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o ns t r o n g l ya d v o c a t e d ，t h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tl i g h t i n gh a sb e c o m et h e s o c i a lt r e n d s ot h i sr e s e a r c hh a ss i g n i f i c a n t r e a l i s t i cm e a n i n g sa n da p p l i c a t i o nv a l u e t h eh i s t o r ya n ds t a t u eo fi n t e l l i g e n tl i g h t i n gs y s t e ma r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ed a l i ( d i g i t a la d d r e s s a b l el i g h t i n gi n t e r f a c e ) p r o t o c o l ，w h i c hi s ap o p u l a r p r o t o c o lo fi n t e l l i g e n tl i g h t i n gn e t w o r k , i sd i s c u s s e d ad e s i g n s c h e m eo ft h e i n t e l l i g e n tl i g h t i n gs y s t e mi sg i v e n , w h i c hi sm a d eu po fm u l t i p l ef l u o r e s c e n tl a m p s t h ed a l ii n t e l l i g e n tl i g h t i n gs y s t e mi sc o m p o s e do fw i r e l e s st r a n s c e i v e rb a s e do n u s bo fh o s tc o m p u t e r ，d a l im a s t e rc o n t r o ls y s t e ma n dd a l is l a v ec o n t r o ls y s t e m i n d a l im a s t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h ed a l ii n t e r f a c e ，w i r e l e s st r a n s c e i v e ri n t e r f a c e ， i n f r a r e dp y r o e l e c t r i cd e t e c t i o na n dl i g h t - i n t e n s i t y d e t e c t i o nc i r c u i t sa r ed e s i g n e d e m p h a t i c a l l y i nd a l is l a v ec o n t r o ls y s t e m ，t h ed a l ii n t e r f a c e ，a n a l o gd i m m i n g i n t e r f a c ea n ds w i t c ho ff l u o r e s c e n tl a m pc i r c u i t sa l eg i v e na sw e l l t h ed a l i i n t e l l i g e n tl i g h t i n gs y s t e mi nt h i sp a p e rh a st h ef u n c t i o n so fs w i t c hc o n t r o l ，d i m m i n g c o n t r o l ，a d d r e s s a b l ec o n t r o lt ot h ef l u o r e s c e n tl a m p c o n s e q u e n t l y ，i tc a na c h i e v ea u t o i n d u c t i o n ，p e r s o n a l i z e dd i m m i n gs e t t i n ga n ds c e n es e t t i n gf o rl i g h t i n ga r e a k e yw o r d s ：l i g h t i n gs y s t e m i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y d a l ip r o t o c o l d i m m i n gc o n t r o l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：娅 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：瓤 导师签名：o 日期：逸! ：! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着我国经济的飞速发展，人们对照明的需求也越来越高，从最初提供亮度 的基本功能到现在多方面的需求，包括提供适宜的环境亮度以外，还要营造优雅 舒适的氛围等。如用户希望控制方式灵活方便，能实现按需配置，同时实现节能、 降低运行费用；施工方则希望安装简单、维护方便；设计者也要求系统稳定，并 能提供满足用户多样性要求的各种技术手段。 自2 0 0 3 年以来，几乎每年夏季电荒来袭时的拉闸限电，严重影响人民群众正 常的生产和生活。2 0 0 9 年1 1 月，在寒潮的袭击之下，从南到北很多城市如杭州、 重庆、武汉等城市相继爆发气荒，导致工农业停产，甚至连居民日常生活受到严 重影响，经济损失惨重【l 】。我国人均能源资源匮乏，约为3 1 9 3 吨标准煤，相当于 世界平均水平的1 8 4 。然而，由于技术水平不足，能源利用效率低下，2 0 0 6 年， 中国l 亿美元g d p 所消耗的能源是1 2 0 3 万吨标准煤，大约是日本的7 2 0 倍、德 国的5 6 2 倍、美国的3 5 2 倍、印度的1 1 8 倍，世界平均水平的3 2 8 倍，因此节 能潜力巨大 2 1 。承载着地球未来的哥本哈根会议刚落下帷幕，中国宣布了自己的 减排目标：到2 0 2 0 年，把单位国内生产总值( g d p ) 二氧化碳排放量在2 0 0 5 年 的基础上减少4 0 到4 5 t 引。2 0 0 8 年，全国全口径发电量3 4 3 3 4 亿千瓦时，其中 火电2 7 7 9 3 亿千瓦时，约占全部发电量8 0 9 5 t 引。照明在我国电力消费中所占的 比重很大，照明耗电大体占全国总发电量的1 0 1 2 。如果能全面实现节能照明， 达到省电1 0 的目标，所产生的社会效益将远远超过经济收益不仅能节省几 十亿建设电厂的资金，有效缓解电荒气荒，煤炭供应，保障能源安全，而且能减 少几亿吨二氧化碳和几百万吨二氧化硫的排放量，显著地改善生态环境。因此节 能减排，意义巨大。综上所述，无论从节约能源还是从提高照明质量出发，都要 求照明的控制方式从传统的机械式开关演变为现在综合计算机网络技术、通信技 术、电子技术于一体的智能照明系统。 中国政府历来十分重视节能工作。早在上个世纪8 0 年代初，就制定了“开发 与节约并重，近期把节约放在优先地位”的方针。国务院总理温家宝在2 0 0 9 年十 一届全国人大二次会议的政府报告中强调：毫不松懈地加强节能减排，突出抓好 工业、交通、建筑三大领域节能，继续推进十大重点节能工程建设，落实电机、 锅炉、汽车、空调、照明等方面的节能措施【5 】。2 0 0 6 年修订的中国节能技术大 纲强调了绿色照明技术，具体为：1 ) 推广绿色照明技术和产品；2 ) 推广高光 效、长寿命、显色性好的光源、灯具和镇流器，同时推广稀土节能灯等高效荧光 2 基于d a m 的智能照明系统硬件设计 灯类产品；3 ) 一般建筑内部采用紧凑型荧光灯或t 5 、t 8 荧光灯，减少普通白炽 灯，提高高效节能荧光灯使用比例；4 ) 实施照明产品能效标准。规划发展城市绿 色照明技术；5 ) 城区道路、宽大场所要采用金属卤化物灯和高压钠灯，发展城市 景观l e d 灯泛光照明1 6 j 。照明节能主要有两种途径：一是使用新型照明器件，如 前面提到的l e d 、荧光灯等；另一种是在现有灯具的基础上使用智能照明系统， 即通过优化照明系统的运行来达到节能的效果。本文着重论述后者。 智能照明行业自从上世纪9 0 年代进入中国市场以来，受市场的消费意识、市 场环境、产品价格、推广力度等各方面的影响，一直没有太大的动作和起色。国 外智能照明产品价格太高，国内由于技术水平不足，开发此类产品相对滞后，进 展缓慢。 但是随着网络技术及通信技术的发展、数字城市概念的提出及发展，使智能 建筑进入了一个新的发展时期。新技术、新产品不断应用于智能建筑，使智能建 筑的市场容量不断扩大。1 9 8 4 年，美国建成了世界上第一座智能型大厦“都 市大厦之后，一大批智能建筑相继在美国、日本、西欧及亚洲建成。日本在新 建的建筑物中6 0 以上属于智能型建筑。美国自1 9 9 5 年以后新建、改造的办公 楼中7 0 以上是智能型建筑。目前，除单体智能建筑继续发展外，已向智能化街 区、智能化大厦群、智能化国际信息城等方向发展。1 9 9 8 年，前美国副总统戈尔 首次提出“数字地球的概念；同年，江泽民主席提出了“数字中国”的战略构 想；1 9 9 9 年，原北京市长刘淇提出要启动“数字北京工程；很多中小城市也相 继提出“数字化城市 的规划，如数字武汉、数字沈阳、数字济南、数字青岛、 数字长沙等。几年以来，全国各地如上海、北京、广州、深圳等各大城市相继建 成总数达几百座且颇具规模的智能建筑。智能建筑已大举向写字楼、酒店、图书 馆、医院、学校、博物馆、会展中心、体育场馆、居民住宅区发展，特别是居民 住宅智能化发展尤为迅速。目前，在大城市几乎所有的新建居民小区都对智能化 提出了需求。随着“数字城市 的发展，已经出现了一批数字化社区。今后，随 着居民住宅建设的发展，对智能化、数字化的需求愈来愈高。智能照明实际上就 是建筑智能化向室内的扩展和延伸，它与人们的日常生活息息相关，是人们使用 频率最高的智能化设备。智能照明作为智能建筑的重要组成部分而被各个智能化 厂家所重视起来。智能照明系统涉及千家万户，多种场合，将是未来市场需求量 最大的智能产品。跨国企业如锐高、路创、飞利浦、欧司朗等纷纷在中国市场发 力，国内企业如海尔，欧普，清华同方等已把注意力瞄准这块市场，相信不久就 将形成燎原之势。种种迹象表明，随着经济的进一步发展和人民生活水平的提高， 同时伴随着通信技术、网络技术、传媒业的飞速发展和高度结合，技术也将进一 步的成熟，各类通信标准和市场也将得到进一步的规范。在不久的将来，智能照 明将真正飞入寻常百姓家。而操作方便、简洁的智能灯控系统也将成为家居、酒 第一章绪论 店智能照明的首选产品。 1 2 课题的意义 与传统的照明系统相比，智能照明系统具有操作安全( 一般采用2 4 v 低压而 非2 2 0 v 高压) 、安装简单、维护方便、功能丰富( 可实现灯光的任意组合) 、 可扩展性好( 使用软件设置) 、便于系统集成( 配有通讯单元) 等优点。 目前在国内智能照明领域存在多种协议，其中c b u s 、d y n e t 、l u t r o n 进入中 国市场较早。由于历史的原因，这类系统在国内有一定的市场。但因为协议的封 闭性，导致技术进步缓慢，产品的品种、规格、功能相对有限，无法满足用户个 性化需求。封闭协议违背了技术发展的世界潮流，市场前景堪忧。迄今为止，国 内厂家尚未推出拥有自主知识产权并得到广泛认同的智能照明系统，而附属楼宇 自控系统和智能家居的照明系统，无一例外都是基于自定义的封闭协议，产品的 技术水平与国外同行存在较大差异。现阶段我国技术标准大多参照发达国家的相 关标准制定，智能照明系统的国家标准也概莫能外。 数字化可寻址调光接口( d i g i t a la d d r e s s a b l el i g h t i n gi n t e r f a c e ，简称d a l i ) 协议，是一种面向荧光灯照明控制系统的通信协议。1 9 9 4 年列入国际电工委员会 标准i e c 6 0 9 2 9 。1 9 9 9 年p h i l i p s 公司对d a l i 协议作了进一步完善工作。d a l i 由欧洲著名照明设备厂商p h i l i p s 、o s r a m 、t r o d o n i c 、t r i l u x 、v o s s l o n 、s c h w a b e 等联合起草，得到发达国家主要电子镇流器生产厂商的广泛支持，由设在德国的 非营利机构d a l i a g 负责日常管理和产品认证。d a l i 是一种开放的标准协议， 协议不涉及专利保护，其目的是保证不同厂家生产的调光镇流器之间具有互换性， 代表了当前照明技术朝着数字化、简单、可靠方向发展的总趋势。 数字可寻址照明接口( d a l i ) 的功能完备实用、结构简单、定义清晰。d a l i 设计针对卤素灯和荧光灯调光，可用于室内智能高性能照明管理，可以通过专用 接口集成到建筑物管理系统中。d a l l 支持单个荧光灯的调光控制和自设定场景 的调光控制，对每种调光控制提供自动和手动两种调光方式，操作简单，应用广 泛。 目前国内市场还少有支持d a l i 协议的调光产品，一方面由于国内智能照明 领域的发展远远落后于欧美发达国家，另一方面由于国际大公司的资料保密和技 术垄断，它们研发的d a l i 系统一般灌注在s o c ( 片上集成系统) 芯片内出售， 具有很少的参考价值，增加了自主研发d a l i 系统的难度。本文没有购买外国公 司生产的价格高昂的专用d a l i 芯片，而是完全使用单片机、通用芯片和常用模 拟、数字电路，自主设计研发，实现了d a l i 主控系统、从控系统的功能，并完 成了对传统模拟调光的电子镇流器进行数字改造，具有较好的市场前景。 4 基于d a l i 的智能照明系统硬件设计 1 3 智能照明系统研究现状 随着楼宇自动化和智能家居的兴起，智能照明控制系统的应用从剧场的舞台 灯光逐渐转向建筑物和住宅的照明。近二十年来，智能照明控制技术经历了集中 控制、分散控制转变到分布式控制的三个阶段，这与工业自动化控制技术的演变 十分相似。根据智能照明系统通信协议的开放封闭性和系统功能的特点大致可以 分为以下三类： 一、 封闭式智能照明节电系统：澳大利亚c l i p s a l 公司的c b u s 协议、 d y n a l i t e 公司的d y n e t 协议、美国路创公司的l u t r o n 灯光控制技术是国内最具代 表性的三种系统，封闭式智能照明节电系统的共同特点是协议封闭，不同公司间 的产品互不兼容，自成体系。 二、开放式智能照明节电系统：由照明设备主要生产厂家发起，行业成员 广泛参与共同制定协议规范。通常协议的修订和产品的认证委托非营利的第三方 组织实施，确保各成员以平等的地位参与市场竞争。不同的公司遵循统一的开放 式协议，实现不同公司产品的兼容，也便于第三方进行二次开发，代表了当今技 术发展的潮流。d a l i 协议就是一种典型的开放式智能照明节电系统协议，本课 题研发的智能节电照明系统采用d a l i 协议。 三、楼字自动化和智能家居中的照明子系统：美国的b a c n e t 、x 1 0 、 c e b u s 、欧洲的e i b ，日本的e c h o n e t 等是楼宇自动化和智能家居领域的开放式国 际主流协议，照明控制以子系统的形式出现。 进入2 1 世纪，国内智能照明厂家和商家如雨后春笋般迅速发展，涌现出如百 分百照明、瑞朗、索博、海尔、清华同方等大小几十家企业，智能照明处于由市 场导入期向快速发展期的过渡阶段。由于市场没有成型，还没有形成大的消费市 场，大部分智能照明厂家还在极力引导消费者，在渠道的建设上也一直在探索着 适合这个行业的模式。 但是，随着网络技术及通信技术的发展，数字化家居概念的提出及发展，智 能照明作为数字化家居的重要组成部分而被各个智能化厂家所重视起来。数字化 家居集成了人类通信、网络、建材、安防、家居等行业发展的需要，受到社会极 大地关注。随着i b m 、m i c r o s o f t 、h a i e r 、s a m s u n g 、p a n a s o n i c 等一大批跨国企业 的加入，进一步加速了行业的发展及渠道的形成。近年来，在上海、北京等地开 始出现了专业的数字化家居集成商，同时大型的家居数字化体验馆也开始出现， 如上海市电信大楼的家居体验馆、上海永乐数字生活体验馆、青岛海尔数字生活 体验馆等。 种种迹象表明，随着经济的进一步发展和生活水平的提高，通信技术、网络 技术、传媒业的飞速发展和高度结合，数字化家居将得到进一步的快速提升，技 第一章绪论 术也将进一步的成熟，各类通信标准和市场也将得到进一步的规范。在不久的将 来，智能照明将真正飞入寻常百姓家。而操作方便、简洁的智能灯控系统也将成 为家居、酒店智能照明的首选产品。 1 4 论文的主要内容 本文从智能照明控制网络的主流协议d a l i 入手，介绍了d a l i 智能照明系 统的电气规范、通讯机制和系统架构，并重点阐述了系统的硬件设计与实现，论 文结构如下： 第一章对本论文的研究背景、选题意义和论文主要内容进行阐述。 第二章简要介绍目前智能照明领域的主流协议，并对它们的发展历史和特色 进行分析和比较，重点介绍了d a l i 协议。 第三章研究d a l i 智能照明系统的硬件电路设计，重点论述主控系统和从控 系统的硬件设计，以及模拟调光电子镇流器的数字改造。 第四章总结本文的研究工作，并对智能照明系统的未来提出展望。 第二章智能照明的发展及主流协议的介绍 7 第二章智能照明的发展及主流协议的介绍 随着人们生活水平的提高，人们对生活品质的追求也越来越高，照明作为生 活中一个不可缺少的部分，人们希望能随心所欲地控制光源的发光时间、亮度， 按需配置实现任意组合的场景功能，操作简单、管理方便，并且系统具有良好的 可扩展性和可维护性，传统的照明系统已无法满足这些要求，智能照明系统由此 应运而生。它不仅具有调光，全开全关等基本功能，而且具有如场景设置、分区 照明并与其它智能系统集成而产生的各种高级功能。照明系统的智能化无疑会给 人们的生活带来深刻的影响，它不仅大大方便了人们的生活，从一定程度上来说， 它还改变了人们的生活方式，提高人们的生活质量。 2 1 智能照明系统的历史 现代意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的：1 9 8 6 年美国 影视剧场技术协会( u s i t t ) 的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字 式传输标准_ d 似5 1 2 协议，1 9 9 0 年发布正式文本。现在调光网络领域中影响 较大的a c n 协议和a r t - n e t 协议都是在此基础上发展而来的。世界上一些厂商己 经开始设计符合以上标准的灯光网络系统构架，制造相应的灯光网络产品。 随着楼宇自动化和办公自动化的兴起，智能照明控制系统的应用从剧场的舞 台灯光逐渐转向各种建筑物，照明控制范围和规模己从单个厅室扩展到整个高层 所有厅室，甚至控制整个城市的许多大楼。照明控制方式已由集中控制方式转变 到集散控制和分布式控制，特别是分布式控制的出现，使照明控制方式达到了比 较完美的应用。 2 2 智能照明系统主流协议介绍 2 2 1 娱乐行业调光网络协议 随着计算机网络技术的普及和快速发展，网络技术已经渗透到各个行业，灯 光控制领域各生产厂家纷纷研制并推出应用网络技术的相关调光设备。但是由于 没有统一的标准，各厂家的设备之间无法互联，于是网络通讯协议呼之欲出。网 络通讯协议一般具备以下基本要素：设备连接方法，数据交换方式，数据定义， 设备模型。 1 9 8 6 年由美国影视剧场技术协会的工程委员会开发并于1 9 9 0 年完成版本的 d m x 5 1 2 协议是这样定义的：“控制灯光设备和附件的传输数字式数据的标准 。 基于d a l i 的智能照明系统硬件设计 d m x 5 1 2 己获得国际业界认可，目前遍布娱乐业调光领域，它结束了模拟调光和 产品互不兼容的时代，同时开创了数字调光和其它产品可互相兼容的新时代。它 使用e i a 4 8 5 通讯协议传输d m x 5 1 2 数据，从而把不同厂家产品连接起来实现相 应控制，但d m x 51 2 数字信号控制技术也有其缺点，比如信号传输速度低，传输 信号错误率高，只能单向传输，控制数量有限，地址码设定繁琐等。网络化技术 在灯光控制领域的应用能够克服上述缺点，为灯光控制提供一种安全方便的运行 平台【7 】o 为了使网络化技术尽快应用到灯光控制领域，世界上各灯光控制设备生产厂 家纷纷研制并推出一系列的网络化灯光控制技术方案。灯光网络控制技术的基本 原理是将灯光控制信号由d m x 终端设备打包映射为标准的以太网信号，在更为 快捷的以太网上传输。在接收端解包成d m x 信号实现灯光控制。目前在娱乐行 业调光领域较被看好的两个协议是北美地区的a c n 协议和欧洲业界提出的 a r t - n e t 协议。 a c n ，全称为a d v a n c e dc o n t r o ln e t w o r k ( 先进网络控制协议) ，是美国e s t a 组织标准工作办公室的网络控制协议组正在建立的一种先进的网络控制标准。 a c n 的组成部分，包括系统组件，协议数据单元，设备管理协议，会话数据传输 协议和设备描述语言【8 1 ，下面将一一介绍。 ( 1 ) 组件 一个a c n 组件就是一个发送和接收a c n 数据的终端节点。所有的a c n 通 讯发生在组件之间。a c n 组件都有一个惟一而且跨越空间和时间的1 2 8 位数值的 组件标识符( c i d ) ，即不管网络是否相同或者供电中断，网络中的独一组件总 是使用相同的标识符。 ( 2 ) 协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t s ) a c n 包格式确保所有a c n 协议都能以相同的方式构造各自的信息包。各个 a c n 命令和信息被编码成包头结构均相同的各自协议数据单元p d u 。每个a c n 信息包由一个p d u 块构成，一个p d u 块是一组p d u 。 p d u 结构和包头格式可以确保命令和数据的有效打包，增加一个新协议或命 令仅需简单地在包头相应域里更新其值。标准的包头允许接收设备快速和容易地 识别并跳过那些不被支持的特殊协议或命令。 ( 3 ) 设备管理协议d m p ( d e v i c em a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) d m p 是a c n 在网络上用作控制和设置组件的协议。组件在需被控制或需提 供状态信息时，用一组属性值来描述其状态。属性值可以反映任何从放大器增益 到网络参数( 如会话标识) 等信息。通过获取或设置属性，组件可查询或控制另 一组件。 d m p 协议需要一个低层会话传输协议保证所有组件可以接收发送给它们的 第二章智能照明的发展及主流协议的介绍 9 d m p 信息( 除非是不可靠的数据) ，且信息的接收顺序与发送的顺序相同。在 t c p i p 协议网络( 包括以太网) ，d m p 使用s d t 协议。 ( 4 ) 会话数据传输协议s d t ( s e s s i o nd a t at r a n s p o r t ) s d t 是a c n 在t c p i p 网络中u d p 协议上层使用的一种传输协议，通过建 立数据传输会话来提供所需的可靠性。在s d t 协议中，一次会话包含一对通讯信 道，称作上行流和下行流。会话包头只有二种组件，在会话的下行流发送信息的 组件和在上行流发送应答信息的侦听组件。 会话的包头控制信息包括包的传输，信息包顺序，会话成员和其他特殊网络 或会话目的的可调属性。这说明包头需要相当复杂的性能去支持同样复杂的会话 目的。在会话中的其他所有的组件，既要侦听发给它们的命令并提供应答给会话 包头，又要可能偶尔发送一个丢包信息给会话包头。 ( 5 ) 设备描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) d d l 是一种标准语言，它描述哪些设备包含了哪些特殊组件，它也建立设备 定义去描述设备的属性和功能。d d l 使用可扩展标记语言x m l ( e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e ) 的子集，x m l 是一种描述文件和定义文件模版的标准语言。 a c n 系统工作流程如下：第一步由s l p ( s e r v i c el o c a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议发 现新设备上网在线。第二步由d d l 协议分析和设置这些设备各自的功能。控制 器发送g e t s e t 信息给由d m p 定义的设备。这些信息通过s d t 协议发送，s d t 提供可靠性传送，在线状态和设备组管理等功能。所有的d m p 和s d t 信息用普 通协议数据单元p d u 格式打包成独立的p d u s 。第三步通过u d p 协议在以太网 上传输这些信息包。 a r t n e t 协议是一个基于t c p i p 协议的1 0 b a s e t 以太网协议，其目的是用标 准网络技术远程传输大量的d 似5 1 2 数据。a r t n e t 协议由三个部分组成：a r t n e t 主体部分，r d m ( r e m o t ed e v i c em a n a g e m e m ) ，v i d e o ( 视频信息) 。 所有的数据都使用端口号0 x 1 9 3 6 ，建立在u d p 数据之上【9 】。a r t n e t 协议层 次图如图2 1 所示。 a r t n e t 主体部分r d mvi d e o u d p i p 图2 1a r t n e t 协议层次图 a r t - n e t 调光网络具有以下基本特性： 在a r t n e t 网络中，组u n i v e r s e 是接收a r t - n e t 数据报设备唯一的标识符。两 个不同的接收设备如果具有相同的组，就会接收到相同的a r t n e t 灯光数据。 l o 基于d a l i 的智能照明系统硬件设计 一个组对应一个d 懈5 1 2 数据。 a r t n e t 网络中，理论上规定可有2 5 5 个组，但在1 0 m 网络中，最多只能有 4 0 个组，如果使用a r t n e t 提供的压缩技术则可达到6 0 个组。当预计装置要 超过2 0 组，就应该考虑用1 0 0 b a s e t 的主干网。 a r t n e t 网络设备的i p 地址是根据o e m 码，s w i t c h 开关状态，网络芯片 m a c 地址，然后经过a r t - n e t 协议提供的一个算法计算得到的，所以a r t n e t 网络设备i p 地址不可能重复。 a r t n e t 服务器程序可以发现任何符合a r t n e t 协议的设备，服务器程序可以对 a r t n e t 的接收设备进行组、子网的远程编程。 当a r t n e t 服务器程序检测到网络流量过大时，能自动指定某个a r t n e t 设备 停止以减轻网络的拥塞程度，当然此操作也可以由用户来完成。 在一些特殊的情况下，a r t n e t 服务器程序可以对某个a r t n e t 设备进行i p 地 址远程编程。 当两个a r t n e t 服务器程序对同一个组号发送灯光亮度数据时，接收设备启动 a r t n e t 协议提供的冲突策略，使用h t p 或者u p 方式合并数据包，合并方式 由用户指定，或者由a r t - n e t 服务器告诉接收设备。a r t n e t 服务器离开后，过 l o 秒时间，接受设备就自动退出合并方式。当有3 个或者更多a r t n e t 服务器 对同一个组号进行发送灯光亮度数据，接收设备只接受前面两个服务器数据， 将后面的数据自动屏蔽掉。 a r t - n e t 网络灯光数据包使用了一种巧妙的序列( s e q u e n c e ) 机制，通过这种 机制来保证网络灯光数据包顺序的正确性。 a r t n e t 协议规定有两种类型的i p 地址，主i p 地址( 2 n n n ) 和副i p 地址 ( 1 0 n n n ) 两类地址通过s w i t c h 开关进行切换。副i p 地址为国际标准组织 ( i e t f ) 的r f c l 5 9 7 文档规定的保留i p 地址，所以副i p 地址不会被路由器 路由到国际互联网上，从而使得远程控制设备成为可能。 a c n 和a r t - n e t 协议目标均允许单网络传输很多不同种类的调光相关数据， 并且可以连接来自不同厂家的调光设备，终将统一灯光控制网络。预期将适 用于视频和音响控制及舞台机械设备。 2 2 2x 1 0 协议 x 1 0 是国际通用的智能家居电力载波协议，即一种通讯“语言。用这种“语 言 的兼容产品可以通过电力线互相说话，不需要重新铺设控制线路，电力线在 提供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。 x 1 0 电力载波协议具有以下特点：国际通用、技术成熟；众多大公司的产品 支持；没有主机、中心总控制台；不用额外布控制线路；使用、维护简单；模块 第二章智能照明的发展及主流协议的介绍 l l 化设计，系统搭建容易；系统开放，扩展随意【1 0 】。 x 1 0 系统主要由两部分组成：发射和接收( 就控制指令而言) ，控制指令以 广播的形式在电力线上的传送，在理想状态下可以达到2 l 公里，但是，由于电力 线上带有很多负载设备，所以控制指令会有所衰减，一般在家庭环境下传送距离 可达到5 0 0 米。控制指令的内容包括：地址码和执行码，如：a 1o n ，1o f f 。 系统中涉及了无线遥控技术，采用射频传输技术，3 1 5 m h z 。这种无线指令没有 方向限制，不受障碍物阻碍。无线指令有效半径：空旷地带5 0 米。为了避免无线 信号穿透墙壁后使邻居家的设备开启或关闭，或者邻居在用遥控器开灯时我家的 窗帘被拉开，我们采用了无线加密技术，使每家的遥控器都有一个密码，就像给 门上加把锁一样，除了主人之外别人不能随便进来，遥控器也不会控制别人家的 电灯或电器，邻居之间互不影响。 x - 1 0 系统主要是通过地址码和执行码实现对家庭设备的控制。 1 地址码执行码 在系统中为了识别网络中的不同设备，采用了2 位1 6 进制编码，称之为地址 码，这样系统中的所有被控制设备都被赋予一个唯一地址码，就像给人起名字一 样。 ( 1 ) 两位1 6 进制码： 根码：a 、b 、c 、d p ( 划分区域) 孑码：l 、2 、3 、4 1 6 ( 代表设备) 二位1 6 进制编码分别用字母( a 、b 、c p ) 和数字( 1 、2 、3 1 6 ) 表示， 对应为根码和子码，它们两者之间组合，共有2 5 6 种组合，因此这套系统可容纳 2 5 6 个不同的地址，可以执行的指令包括：o n ，o f f ，d i m ，b r i g h t ，a l ll i g h t s o n ，a l lu n i t so f f 。 ( 2 ) x 1 0 指令：地址码+ 执行码 地址码：a 1 、a 2 、a 3 执行码：o n 、o f f 、d i m 、b g h t 、a l ll i g h t so n 、a l lu n i t so f f 2 地址码的意义 ” 系统指令发射器是通过发出相应控制指令来驱动想要控制的指令接收器执行 相应的动作，从而达到控制电灯、电器的目的。 ( 1 ) x 1 0 控制指令由两部分组成：地址码和操作码 所谓的地址码就相当于给每一个受控设备取一个名字，通过这个名字我们可 以确定我们所要控制的电灯或电器，并对其进行控制。因此系统中的每个指令接 收器都需要有一个唯一的地址码作为各自的标识，这样，一个地址码就代表一路 电灯或电器。 ( 2 ) x - 1 0 地址码是由两部分组成的：根码和子码 1 2 基于d a l i 的智能照明系统硬件设计 根码代表是控制区域，用字母表示：a 、b 、c 、d p ，共1 6 位，比如吊灯 用子码a 表示，窗帘用子码b 表示等等；子码代表的是控制区域内设备编号，数 字表示，1 、2 、3 1 6 ，共1 6 位，比如吊灯用子码1 表示，窗帘用子码2 表示根 码和子码组合起来就像坐标一样能够确定一个用电设备， a 1 ，a 2 ，a 3 a 1 6 ： b 1 ，b 2 ，b 3 b 1 6 ： c 1 ，c 2 ，c 3 c 1 6 ； ( 3 ) x 1 0 控制指令举例：a 1o n ，a 2o f f 由于x 1 0 控制指令是以广播的方式传递的，所以同一瞬间不能有多个指令 同时发出，否则操作失败。o n ( 开启) 、o f f ( 关闭) 、d i m ( 调弱) 、b g h t ( 调强) 、a l ll i g h t so n ( 开启所有电灯) 、a l lu n i t so f f ( 关闭所有设 备) 。 2 2 3c e b u s 协议 c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i cb u s ) 协议由美国电子工业协会( e i a ) 于19 9 2 年 正式推出，并且e i a 成立了c i c 这一非盈利性组织来主导该技术。c i c 有许多知 名度很高的成员：m i c r o s o f t 、i b m 、c o m p a q 、s o n y 等。c e b u s 在作为美国电子 工业推广协议的同时，又是欧美家庭自动化电子产品的工业界推荐标准，它是家 庭的即插即用( p n p ) 的发起者，同时支持无线通信、红外线、电力线、同轴电 缆和双绞线物理媒介，它最大限度地利用了现存的物理媒介以实现“家庭网络 ， 目前c e b u s 在各网络家电互连规范中影响最大，最具有竞争力，很有希望成为网 络家电互连规范的工业标准1 1 1 】。 c e b u s 作为一种较新和较完备的家庭网络标准，是目前家庭网络研究的基础。 从技术上考虑，消费总线具有以下优势： 网络拓扑结构简单，可用于分布式或集中式的家庭控制。消费总线中每个节 点的地位是平等的，因此不需要主控设备。消费总线通过“绑定来联系不 同的节点，使整个家电系统成为一个智能的整体。 安装简单，对一些功能单一的产品，用户无需专门的培训，安装后产品即可 按照即插即用规范实现相互控制。 廉价，对原有的产品只要稍加改造，不会增加太多成本，就能够使其成为消 费总线的兼容产品。 支持多种传输介质，消费总线目前已定义了五种传输介质，大部分是利用原 有的走线或无线方式，而不需要另外布线，因而对于现有住宅的改造非常方 便，而且也能满足不同设备对通讯量的不同要求。 响应迅速，消费总线的数据帧有三种优先级，可满足不同信息对时间的要求。 第二章智能照明的发展及主流协议的介绍 1 3 公平性，任何一个设备都不会长时间占有通讯媒介，采用c s m a c d c r 技 术实现多重访问，具有冲突检测和冲突解决措施。 安全性，设备的交互语言公共应用语言( c o m m o na p p l i c a t i o nl a n g u a g e ， c a l ) 能够满足这个要求，对安防设备的控制有加密算法，只有授权的设备 才能访问这些安防设备。 2 2 4 e i b 协议 欧洲安装总线e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l i n gb u s ) 是在欧洲占主导地位的楼字家 庭自动化标准。截至2 0 0 2 年6 月，全球有3 0 0 余家制造厂商生产5 0 0 0 余种e i b 兼容产品【1 2 1 ，占据欧洲楼宇、家庭自动化设备销售总额的8 0 。e i b 协议由中立 的非盈利组织e i b a 统一管理，任何愿意遵守e i b 协议的制造厂商均可以申请并 通过e i b 认证后生产e i b 产品i l 引。 e i b 系统是一个二线制的总线型智能控制系统，主要用于对照明系统、家电 设备的控制，也可用于安防系统。系统中所有单元器件( 电源除外) 均内置微处 理器和存储单元，由一对信号线( 双绞线) 连接成网络。每个单元均设置唯一的 物理地址并用软件设定其功能，通过输出单元控制各回路负载。输入单元通过组 地址和输出组件建立对应联系。当有输入时，输入单元将其转变为e i b 总线信号 在e i b 总线上广播，所有的输出单元接收并做出判断，控制相应回路输出。 在e i b 通信网络中有两种寻址方式，物理地址和组地址。物理地址是e i b 总 线通信单元的唯一标志。物理地址由2 个字节组成，用十进制表述成如下格式： x x x x x x x ，其最大值为1 5 1 5 2 5 5 。物理地址中的不同段分别代表e i b 网络拓 扑中的域、线和设备。 组地址在e i b 通信机制中扮演了关键角色。e i b 设备之间的相互通信主要是 通过组地址而不是物理地址实现的。组地址使得一控多、多控一、场景控制等方 式变得非常方便。组地址也占用2 个字节，其首位永远是0 ，有效的组地址是1 5 位。组地址通常有两种十进制表述方式，分别是两段式和三段式，格式分别为： m s 和m m s 。不同的分段方式只是功能概念上的划分，其比特数据本身没有任 何区别。例如两段式的组地址1 2 5 7 和三段式的1 1 1 是完全一样的，用二进制表 示都是0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 。组地址的分段与物理地址不同，表述的不是网络拓扑 的结构，而是网络设备在功能上的逻辑划分。例如用第一段区分“开关和“调 光两种功能，第二段区分不同的灯。不同的设备可以属于同一个组地址。图2 2 给出了一个实例，说明了物理地址和组地址的应用。图中显示的e i b 网络包含一 个域z o n e l 和两个线l i n e l ，l i n e 2 ，总线上共有6 个设备，三个按钮，两个双值输 出模块，