（系统工程专业论文）基于数字可寻址照明接口协议的控制系统研发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，消费者对照明的多样性、可靠 性、高效和易用性的要求不断提高；另外，由于照明的能耗巨大，节能减排也成 ， 为了各国经济发展的核心议题由此，智能与节能逐渐成为当前电气照明设备及 系统发展的主要方向，智能照明技术也应运而生：基于电子技术、通信技术和控 制技术的智能照明系统有机地整合建筑物内的各种照明器具，同时可以与其他的 电气设备或传感器实时通讯，真正实现了有效的管理和控制，并且采用合理的调 光策略，最大限度地节约能量，本文以基于数字可寻址照明接口协议( 1 ) a l l ) 的 控制系统作为研究对象，在深刻理解、剖析该通信协议的基础上，汲取国际照明 领域的最新科研成果和课题组的工程实践经验，对d a l i 协议作了进一步的完善： 增加了兼容d a l i 协议的本地控制功能，提出了智能照明的三状态反馈机制解决方 案和电子调光镇流器易损件分离的结构，并设计开发了相关的原型机。 本文首先分析智能家居中的照明系统发展历史和现状，对国内外几种影响较 大的智能家居协议进行介绍并阐述智能照明的重要作用，然后从以下几个方面对 基于数字可寻址照明接口协议的控制系统进行创新性的研究( 相关专利已授权) ： 针对传统d a l i 智能照明系统无法进行本地控制的缺陷，增加了单点本地控制 从节点和场景本地控制从节点，设计基于d a l i 智能照明系统的兼容解决方案。设 计多功能的主控单元，实现基于传感器的智能场景控制。 研究照明控制系统中执行器的控制单元、执行单元和受控对象的工作状态反 馈机制，设计基于专用芯片a t 9 0 p 嘲2 的d a l i 执行器，实现三状态反馈功能。在 执行器设计时采取易损件分离策略，有效降低了总体拥有成本。 设计了基于l a b v l e w 的d a l i 系统监控软件，采用i t 领域主流的图形化语言 编程，软件具有开发周期短、可维护、可扩展和优异的易用性。 关键字：智能照明系统，d a l i ，本地控制功能，三状态反馈，易损件分离结构 浙江大学硕士学位论文 a b st l a c t w it ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c e t e c h n o l o g y a n d s o c i e t y e v e n d e v e l o p i n gd i v e r sit y ，r e li a b i1it y ，e f f e c ti v ea n de a s yu s ew e r e r e q u i r e db yc u s t o m e r b e s i d e s ，b e c a u s eo fl a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ， e n e r g ys a v i n g is r e g a r d e d a so n eo f i m p o r t a n tt o p i c so ft h ew o r i d s e c o n o m y t h u s ，i n t e lii g e n c ea n de n e r g ys a y i n gg r a d u a ll yb e c o m et h em a i n d e v e l o p i n gd ir e c t i o no fc u r r e n te l e c t r i cii g h ti n ge q u i p m e n t sa n ds y s t e m s i n t e l l i g e n t1 i g h t i n gt e c h n o l o g i e se m e r g e a st h et i m e sr e q u ir e ： i n t e l l i g e n t1 i g h t i n gs y s t e mb a s e do nm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a ti o n s t e c h n o l o g y a n dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，w h i c hi n t e g r a t e 1 i g h t i n gi m p l e m e n t si nb u il d i n g se f f e c t i v e l y i tm a yc o m m u n i c a t ew i t h o t h e re l e c t r i ce q u i p m e n t so rs e n s o r si nt e a l t i m e t h ei n t e l l i g e n t 1 i g h t i n gs y s t e mr e a l i z e st e l l i n gm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l ，u t i l i z e ss o u n d d i m m i n gs o l u ti o n f o rf a r t h e s te n e r g ys a v i n g t h i s p a p e rr e s e a r c h e s c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd i g i t a la d d r e ss a b l el i g h ti n gi n t e r f a c e ( d a l i ) 。 u n d e r s t a n d sa n da n a l y z e s p r o t o c 0 1d e e p l y ，d e r i v e se ss e n c ef r o mn e w e s t a c a d e m i cr e s u l t si ni n t e r n a ti o n a l1i g h t i n gf i e l da n de n g i n e e r i n g e x p e r i e n c eo fg r o u p ，i m p r o v e sd a l ii nf a r t h e rs t e p ：i n c r e a s e sc o m p a t i b l e l o c a lc o n t r 0 1f u n c t i o n ，p r o p o s e st h r e e s t a t ef e e d b a c km e c h a n is m s o l u ti o no fi n t e l1i g e n t 1i g h ti n ga n dv u l n e r a b l ec o m p o n e n ts e p a r a t e d f r a m e w o r ko fe l e c t r o n i cd i m m i n gb a l l a s t ，d e v e l o p sa n dd e s i g n sr e l a t e d p r o t o t y p em a c hi n e s t h i sp a p e ra n a l y z e sd e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo f1 i g h t i n gs y s t e mo f i n t e l1i g e n th o m e ，i n t r o d u c e sh i g h i n f l u e n c ei n t e i1i g e n th o m ep r o t o c o ls a th o m ea n da b r o a d ，e x p o u n d si m p o r t a n tf u n c ti o n so fi n t e l1i g e n t1i g h ti n g ， t h e nr e s e a r c h e sc o n t r o ls y s t e mb a s e do no i g it a la d d r e s s a b l el i g h ti n g i n t e r f a c ei ni n n o v a ti o nw a ya sf 0 1l o w i n g ：( r e l a t e dp a t e n tsa u t h o r i z e d ) 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 b e c a u s et r a d i t i o n a ld a l ii n t e l l i g e n t1 i g h t i n gs y s t e ml a c k s l o c a l c o n t r o l ，s i m p l el o c a ic o n t r o ls l a v eu n i ta n ds c e n el o c a lc o n t r o ls l a v e u n ita r ei n c r e a s e d c h a p t e rt h r e ed e si g n sc o m p a ti b l es o l u ti o n so f i n t e l li g e n t 1 i g h t i n gs y s t e m b a s e do nd a l i m a s t e ru n i tw i t h m u l t i f u n c t i o n si sd e s i g n e df o ri n t e l l i g e n ts c e n ec o n t r o lb a s e do n s e n s o rs w o r ks t a t e si nt h ef e e d b a c km e c h a n is mo fc o n t r o lu n i t ，i m p l e m e n tu n i t a n do b j e c tc o n t r o ll e da r er e s e a r c h e d c h a p t e r f o u rd e si g n sd a l i i m p l e m e n tu n itb a s e do ns p e c i a ic h i pa t 9 0 p w m 2f o rr e a li z i n gt h r e e s t a t e f e e d b a c kf u n c ti o n v u l n e r a b l es e p a r a t e ds o l u ti o ni sa d o p t e dt od e c r e a s e t h ew h o l ep o s s e s s i o nc o s t c h a p t e rf i v ed e s i g n sd a l is y s t e ms u p e r v is o r yc o n t r o ls o f t w a r eb a s e d l a b v l e ww h i c hisam a i n s t r e a mg r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ei ni tf i e l d i th a sm a n yc h a r a c t e r is t i c si n c l u d i n gs h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，e a s y m a i n t e n a n c ea n de x t e n s i o n ，a n df r i e n d l yo p e r a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l1i g e n t 1i g h ti n gs y s t e m ，d a l i ，l o c a lc o n t r o lf u n c ti o n ， t h r e e - st a t ef e e d b a c k ，v u l n e r a b l ec o m p o n e n ts e p a r a t e df r a m e w o r k i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝壅盘堂或其他教育机构的学位或 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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李白曩 签字日期：多b ，口年3 月比日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权节) 学位论文作者签名：瓿有、 签字日期：支胛矿年弓月履日 导师签名：矢t f 周芳u 签字日期：弦l 口年7 月，多日 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此硕士论文完成之际，衷心地感谢我的导师吴明光教授几年来在各个方面 给予我的关怀和帮助。在我的科研工作和论文写作过程中，吴老师始终给予了精 心的指导和热心的帮助。同时，吴老师渊博的知识素养、严谨的治学态度以及高 尚的人格魅力都深深的影n 向和教育了我，这必将成为我人生路上一笔宝贵的财 富，使我受益菲浅。 感谢已经毕业的师姐吴巍，师兄张岳军、倪彬斌、杨丕楠、陈波、傅炜钢、 安庆敏。你们在我的科研上给予了很大的帮助，并且业务精通，处事严谨从你 们身上我学到了很多尤其是仲玉芳老师作为毕业了的师兄给了我很多帮助，踏 实肯干的精神令人钦佩。 感谢实验室的同学吴宁宁，以及师妹王慧芬、师弟邵旭敏、徐晓忻、黄忠。 在你们身上我学到了不少新知识和新方法，你们对我学习和工作提出的中肯的意 见和建议使我能够更好更快地完成课题。 感谢所有教育过我和帮助过我的老师们，你们的谆谆教导是我一生中最宝贵 的财富感谢我所有的朋友和同学，尤其是寝室里的室友们，一起生活和学习的 美好时光里，你们给予我的真诚的鼓励和无私的帮助是终生难忘的 我的点滴成长也离不开家人的支持和理解，愿以更大的进步来报答老师恩 情、家人亲情和同窗友情。 李化东 2 0 1 0 年1 月 于淅大求是园 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景 1 8 7 9 年1 0 月2 1 日，美国发明家爱迪生( t h o m a sa e d is o n ) 经过不断试验， 成功地实现了白炽灯照明的实用化和商品化，使白炽灯成为可以方便使用的光源 。从此人类照明摆脱了蜡烛、油灯、煤气灯的束缚，生活变得五彩缤纷。自爱 迪生发明电灯以来，电气照明系统已伴随人类度过了一个多世纪的时间。在这漫 长的岁月中，人们尽力发挥他们的聪明才智，发明了很多新工艺、新材料，并产 生了许多新型灯具和开关，但电气照明系统本身的结构和理念并未出现实质性的 突破。直至二十世纪九十年代，随着微电子技术，有线乃至无线网络技术的发展， 照明系统获得了有效的技术支撑，并且与其他电气装置实现互联，成为智能家居 中重要的组成部分。 智能家居中的照明系统发展迅速，迎合了当今电气设备节能和智能化的社会 潮流n 3 t5 胡：一方面，传统的外延扩展方式受资源和环境两方面的约束，难以持 续发展。我国能源供量形势严峻，作为主要能源煤炭的大量使用，造成二氧 化硫和二氧化碳的大量排放，其中前者导致国土面积的3 0 以上为酸雨区，且多 为人1 2 i 密集的经济发达地区；另外，2 0 0 5 年我国的二氧化碳排放量高达约5 1 亿 吨。2 0 0 9 年1 2 月，哥本哈根会议中国政府宣布控制温室气体排放的行动目标， 庄严承诺到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧化碳排放较2 0 0 5 年下降4 0 - - 4 5 同时，中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要提出了“十 一五”期间单位国内生产总值能耗降低2 0 左右，主要污染物排放总量降低1 0 的约束性指标 1 。由于照明耗电大体占全国总发电量的1 0 一1 3 ，是三峡水利 发电工程全年发电量能力8 4 0 亿度的两倍多，所以( 国家中长期科学和技术发展 纲要、关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见、 高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法以及( ( 浙江省节能减排综合性 工作实施方案等文件给予照明节能化以政策性导向i lg , i o , 1 1 。2 0 0 7 年，国务院专 门印发了节能减排的综合性工作方案，提出了1 0 个方面的4 5 条措施。方案第八 条：“加快实施十大重点节能工程。着力抓好十大重点节能工程，十一五期间 浙江大学硕士学位论文 形成2 4 亿吨标准煤的节能能力。今年形成5 0 0 0 万吨标准煤节能能力，重点之 一是：组织实施低能耗、绿色建筑示范项目3 0 个，推动北方采暖区既有居住建 筑供热计量及节能改造1 5 亿平方米，开展大型公共建筑节能运行管理与改造示 范，启动2 0 0 个可再生能源在建筑中规模化应用示范推广项目；推广高效照明产 品5 0 0 0 万支，中央国家机关率先更换节能灯n 2 1 。”另一方面，随着我国经济的飞 速发展，人民生活水平的提升对照明及控制提出了两方面的要求：提升光效，易 于操作维护；营造舒适的工作环境、温馨的家庭氛围。随着大量商用办公楼，复 式住宅的推出，办公楼管理人员和住户需要对电器的实时工况予以监视，而传统 技术对此无能为力。至于提供安全、舒适、便利的生活环境，实现电器联动，根 据环境自动调整或控制灯光亮度等，用传统技术实现更是无法想象“3 1 t ”1 。 电气化照明系统发展到今天，历经了多个阶段： 1 、传统的照明系统，作为基本的电气系统目前仍被广泛地使用着，其基本 结构是进户总线通过电表和总闸进入配电箱，在配电箱处分线，在每条分线上， 根据用户控制需求二次铺设线路“们。动力线与控制线重叠是传统的照明系统特 点：通过机械式开关直接控制电源的通断，不存在独立的控制信息流概念。尽管 结构简单，但传统的照明系统已不能满足现代化、个性化的控制要求。它的应用 范围日渐缩小，将逐步退出历史舞台。 2 、非网络的本地一照明系统，较之传统照明系统，它的改进在于将动力线 和控制线分离，在实现本地集中控制的同时，大大增强了照明系统的控制功能。 开关分为本地开关和远程主控开关：本地开关直接安装在靠近动力线的地方，可 以就近控制该路灯具；远程主控开关可安装在中央控制室“ 。本地开关的状态通 过控制线传到主控开关显示，达到远程监视功能；主控开关的控制信号通过控制 线传到本地开关，控制其动作，达到远程控制功能。此类照明系统相对传统照明 系统有了很大的进步。由于控制线上传递的控制信号为小于3 6 v 的电压或毫安级 的电流，因此，用户安全性得到有效的技术保障，同时控制线的布线要求较传统 照明系统大大降低n 引。但是，随着控制要求复杂度的提高，控制线的布线复杂度 也相应提高，尤其系统规模达到一定程度后，本地集中照明系统也会力不从心。 3 、基于网络技术的智能照明系统，通讯与网络技术推动了传统行业的技术 进步。针对传统照明系统控制技术的不足，人们将这些先进技术融入到现代照明 绪论 控制中：利用计算机对照明系统的自动化控制，在结构简易化的同时强调功能多 样性。所有的控制开关和驱动器在基于网络技术的智能照明系统中都是通过控制 总线相连的。如图1 1 所示，图中的控制总线用虚线表示可以是普通的双绞线， 无线电，也可以是红外线，甚至动力线都是不错的选择，即通过电力线载波形式， 将控制信号耦合到动力线上传播。从网络拓扑上来说，控制开关、定时器、传感 器、网关和驱动器在总线上的地位是平等的，控制关系是通过地址绑定预设的： 通过对控制开关的设置，可将一个或多个驱动器的地址存储在内，从而实现控制 开关对驱动器的一控一、一控多、多控一联动关系。这种控制关系可以在系统运 行时在线改变，整个系统结构具有极大的灵活性“引。摩尔定律推动下，微处理器 已经越来越被广为接受；其较高性能价格比也为计算机技术进入照明控制领域提 供了经济现实性。 图1 1 基于网络技术的智能照明系统示意图 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。 跨国公司如e b f b 、路创、d y n a li t e 、w i e l a g d 等虽然相比技术先进、研发能力 雄厚，有强大的财务实力和成功安装优秀智能照明系统的丰富经验，但跨国公司 提供的智能化照明系统一般价格过于昂贵，主要做一些高端产品，市场份额很小， 销售渠道和网络尚不健全，本地化有待加强。而对于国内智能照明系统厂家，如 清华同方，索博、瑞朗、周立功单片机等，具有一定的价格优势，部分厂家采用 c e b u s 、a c n 、a r t n e t 等协议，但技术实力薄弱，智能化和节能程度不高、也不 成熟。因此国内智能照明厂家主要还是依靠购买国外的核心芯片，并且公司规模 浙江大学硕士学位论文 相对较小，市场覆盖率低，大多还局限于区域性发展水平“9 1 。 随着我国经济的发展，人均生活水平的提高，房地产事业发展迅速，城市人 均住房面积达1 9 5 5 平方米，比“十五”期初增长2 0 6 0 , 。于此同时，国内照 明行业的销售容量也由1 9 9 9 年的不到5 0 0 亿元上升到2 0 0 7 年的1 5 0 0 亿元，2 0 0 8 年达2 2 0 0 亿元n0 1 。房地产业与照明行业在飞速发展的同时，传统照明控制已不 能很好地适应现如今的大空间的住宅，空间越大，人们对灯光亮度、开闭状态等 灵活变化的要求也就越高。如图1 2 所示。 销售窑麓 ( 亿瓦) ， 一门 嘣_ - 一 | z r i !。 i 1 9 9 92 0 0 02 0 0 1 2 0 0 22 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 72 0 0 8 年份 图1 21 9 9 9 至2 0 0 8 年我国照明行业销售容量 上述种种迹象表明，经济进一步发展，生活水平随之提高，另外通信技术、 网络技术、电子技术也与时俱进，二者发展的同时高度结合，智能化家居拓展更 广，技术更加人性化，而在全球化的浪潮中各类协议标准也将得到进一步的规范 n 。相信在不久的将来，众多公共设施，如酒店、博物馆、大型会议室、体育及 娱乐场所，也逐步向智能化发展，智能照明作为楼宇自动化系统中必不可少的一 部分，能够在不断通过技术的革新下，力求尽量减少照明控制的人力资源，真正 地实现照明节能化、智能化。 1 2 课题的意义 传统的机械开关照明控制系统的技术特征是能量流和控制流合一，存在电力 资源浪费，安全性低，安装后系统的柔性和扩展性差，不支持复杂场景设置功能 等缺点。基于微处理、网络通讯和自动化技术的智能照明控制系统，具有操作方 4 o 象 o 5 o 5 2 2 l l 绪论 便、功能完备、优异的系统维护性和扩展性，安全节能等优点，逐步占据了照明 领域的主流市场。目前在智能照明控制系统领域有多种国际标准和协议，数字化 可寻址调光接口协议( d i g it a la d d r e s s a b l el i g h ti n gi n t e r f a c e ，简称d a l i ) 就是其中的佼佼者。 目前，国际主流智能照明控制系统通信协议多达十余种，从通信方式而言不 外乎集中主从式和对等分布式。d a l i ( i e c 6 0 9 2 9 ) 是集中主从式通信方式的代表， 而e i b ( i e c 7 6 6 ，g b t 2 0 9 6 5 ) ，c e b u s ( i e c 7 2 1 、i e c 6 0 0 ) 等是对等分布式的代 表。对等分布式智能照明控制系统，传感器以系统网络的独立节点形式出现；集 中主从式标准d a l i 系统，传感器以主节点外挂装置形式存在，传感器与执行器 的信息交互必须经过主节点。d a l i 标准舍弃对技术指标先进性的盲目追求，从 用户需求出发制定标准，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。d a l i 协议支持执行器反馈控制单元、执行单元和受控对象状态，因 此d a l i 系统提供了照明控制技术的最高水准。在这之前电子镇流器已经代替传 统镇流器，x i c h a n gg a o 和b o f uh u a n g 均提出了基于k a 7 5 4 3 芯片的电子镇流器 的内部反馈应用；d a v i dl e e 更进一步，提出了基于d a l i 总线的电子镇流器控 制单元状态反馈方案 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 5 。但问题是如何获取d a l i 执行器的三状态。本文 设计基于专用芯片的电子镇流器以及整体反馈机制，实现了执行器状态的完备描 述，对大规模照明环境应用的有重要意义。 d a l i 协议基于主从式远程控制技术，系统控制命令由p c 机或操作面板或传 感器经主节点下达n 随着d a l i 系统应用范围的扩大，用户对照明系统本地控 制的需求日渐凸现b 0 3 1 1 。其中单点本地控制和场景本地控制是使用频率最高的两 项功能。商务环境下用户希望对所处环境照度进行个性化本地调整，产生了单点 本地控制的需求；会议室根据会议内容希望在各种预设照明场景问进行本地切 换，产生了场景本地控制需求。针对标准d a l i 系统缺乏本地控制功能的缺陷， 国内研究尚处于空白状态，国外跨国公司纷纷提出了各自的解决方案，其中以菲 利普电子有限公司和路创公司最具代表性。发明专利“用于照明控制网络的协议 增强及为此目的的通信接口”( 专利号：z l 0 1 8 0 6 1 9 5 8 菲利普电子有限公司) ， 提出了人工控制增强协议，通过改变保持低电平时间的长短区分d a l i 标准信号 和人工控制信号的技术，为此设计了通信接1 2a s i c 芯片 。发明专利“分布式 浙江大学硕士学位论文 智能镇流器系统和扩展的照明控制技术”( 申请号：2 0 0 5 8 0 0 4 7 5 3 7 2 路创电子有 限公司) ，提出了将d a l i 命令字从二字节扩充为三字节，用点对点控制技术改造 主从式控制技术3 扪。上述努力实现技术复杂，其兼容性和有效性有待工程验证。 本文在兼顾三状态反馈机制的基础上，设计具有本地控制功能的d a l i 照明系统， 满足实际要求。 d a l i 照明控制系统与传统的电感式荧光灯照明相比，初期费用较高是其缺 点。省电不省钱的情况下不能指望d a l i 系统得到全社会的普遍认同，因此降低 用户整体拥有成本是熏待解决的关键问题。借鉴传统荧光灯照明中价高的非易损 镇流器与廉价的易损启辉器分体设计思想，专利“可更换易损件的电子镇流器” ( 公开号c n l 8 7 3 8 5 7 ) 提出电子镇流器由镇流器壳体和外插式三极管组成的分体 结构”钉。上述分体结构确能降低用户的总体拥有成本，却导致镇流器的可靠性， 安全性能下降等一系列问题。专利“分体结构的h i d 电子镇流器”( 公开号 c n 2 9 3 2 0 8 1 ) 、“分体式高压气体放电灯用电子镇流器”( 公开号2 9 0 4 5 6 0 ) 提出将 镇流器设计成主、副两壳体的分体结构4 3 5 1 。上述分体结构中两壳体间的连接取 决于易损件或发热量大器件的数量，大量的主、副壳体连线导致安装复杂度增加， 镇流器的可靠性和气密性下降。因此，克隆传统电感式荧光灯分体结构思想存在 诸多弊端，本文提出基于电子调光镇流器p c b 板进行易损件分离结构设计。 另外，由于d a l i 智能照明系统多应用于大规模照明环境，监控复杂性不容 忽视，所以监控软件的设计就十分重要，本文将介绍基于l a b v l e w 的d a l i 照明 系统监控软件及其应用。 综上所述，研究d a l i 智能照明控制系统具有很强的现实意义。 1 3 论文的组织结构 本文主要研究智能家居中的d a l i 协议，详细地介绍了d a l i 照明系统的组织 构架和通讯体系，重点对具有本地控制能的系统设计、三状态反馈机制以及易损 件分离技术加以阐述。全文结构如下： 第一章对本论文的研究背景、选题意义和论文结构进行阐述。 第二章简要介绍目前国内智能家居标准的发展，尤其对c c s a 、e i b 、w i g i g 标准协议进行了综述，另外重点介绍了d a l i 协议各方面的基本内容。 第三章具体介绍了基于数字可寻址照明接口( d a l i ) 的智能照明系统设计， 6 绪论 包括主控单元、标准从控单元、以及具有本地控制功能的从控单元，并对系统进 行参数测试，验证分析。 第四章具体介绍了三状态反馈机制的研究和基于专用芯片的d a l i 从控单元 的设计与研发工作，重点阐述硬件结构、软件流程以及信号调试，并对三状态反 馈加以验证性试验。最后提出了自主设计的低成本易损件结构解决方案。 第五章介绍了基于l a b v i e w 的d a l i 系统监控软件的设计工作，对比基于v c + + 的监控软件，剖析特点。 第六章对全文进行总结，并对智能照明做以展望。 智能家居及主流协议 2 智能家居及主流协议 智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、 安全、便利的家居环境。目前已有一些应用于家居环境的网络协议标准，影响力 较大的包括：国际标准x - 1 0 、l o n t a i k 、d l n a 、c e b u s ( c o n s u m ee l e c t r o n i cb u s ) 、 b a c n e t ；e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 、e c h o n e t 、h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) 以及2 0 0 9 年5 月颁布的w ir e l e s sg i g a b i t ( w i g i g ) 等；国内知名的家庭网络 标准( c c s a ) ，闪联( i g r s ) 和e 家佳( i t o p h o m e ) 等。 2 1 智能家居的现状和发展 2 0 世纪7 0 年代建筑智能化技术起源于美国，随着大量采用微电子技术的家 用电器面市，家用电器的智能水平有了质的提升。8 0 年代中期，将通信设备、 家用电器与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，进一步形成了住宅自动 化概念( h a ，h o m ea u t o m a t i o n ) 3 6 , 3 7 , 3 8 1 。8 0 年代末，由于通信与信息技术的发 展，出现了对住宅环境中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控 制与管理的专用商用系统，也就是现在智能家居( s m a r th o m e ) 的原型。随着网 络技术的发展，特别是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供室内外遥控、 照明控制、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、家电( 空调，热水器等) 控制、 可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全 1 3 9 ，4 0 美国康涅狄格州( c o n n e c ti c u t ) 哈特福( h a r t f o r d ) 市建成世界上第一座“智 能大厦_ 都市大厦”( c it yp l a c eb u ii d i n g ) 。之后，一大批基于智能家居的 建筑相继在美国、日本，西欧及亚洲建成1 。目前日本新建的住宅中8 0 以上配 置了不同等级的家居智能化功能，许多大城市建设了“智能化街区”、“智能化群 楼”等或“智能化城市”，横滨将建成的“2 1 世纪国际化信息城”是智能建筑领 域最高技术水准的体现。目前，除单体智能家居继续发展外，国际上智能家居建 筑已向“智能化街区”、“智能化大厦群”、“智能化国际信息城”等目标发展。我 国政府也与时俱进提出了“数字中国”的战略构想，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。政策导向也 9 浙江人学硕士学位论文 促使智能家居迅速发展。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，今后随着居民住宅建设的发展，对智能化的需求将会愈来愈高。具体 的发展可从以下几方面来阐述： 第一，概念的普及和发展。智能家居行业自从上世纪9 0 年代正式进入中国 市场以来，受市场的消费意识、产品价格、市场环境、推广力度等各方面的影响， 一直没有太大的起色和动作。随着网络及通信技术的发展，数字化的智能家居概 念逐渐为人们所认可和采纳。据著名咨询公司g a r t n e r 调查显示，2 0 0 7 年全球 数字智能家庭市场规模达1 0 2 6 亿美元，中国数字智能家庭规模达1 5 0 0 亿元人民 币”。在家私大卖场、家居家饰中心、建材中心，以及百安居、美居中心等地方 都可看到智能家居产品的身影。其中，智能照明不仅作为数字化家居的重要组成 部分，而且由于政府出台的一系列节能政策及公众节能意识的增强，越来越被商 家重视。 第二，智能家居产品更新换代频繁。如上所述，当前的智能家居行业发展非 常迅速。例如，有照明业务的厂家纷纷瞄准了综合的智能家居这个前景看好的市 场而争先恐后地冲进来抢占，将自己原本单一产品网络化，进行技术整合，加入 智能家居控制的功能。除照明厂商外，还有做布线箱，音响、网络家电等i t 厂 商都充分利用各自的资源来拓展智能家居控制功能，其中海尔、鸿雁智能、霍尼 韦尔等为该项技术发展的佼佼者h ”。 第三，房地产开发商推波助澜。最近几年，房地产行业发展可谓异常“火爆”， 楼价不断创历史新高，但对于快速上涨的房价，似乎并未能真正的阻碍买房的人 的购买欲望。此时的开发商在比拼楼盘质量、户型、环境之外，更将眼光转移到 了如何提高业主生活品质上面，将智能家居引入到自己的楼盘中，大大增强了楼 盘的附加值，拥有了很好卖点的同时，消费者也能够以更实惠的价格坐享智能家 居的舒适享受。房地产开发商在引入智能家居系统的同时，也为智能家居的普及 做出了很大贡献。 第四，媒体和学术界关注度极大提高。如果说几年前还只是行业媒体在重点 关注智能家居的发展，那么现在不管是行业媒体，还是大众媒体都可以看到相关 智能家居的信息报道。另外，学术界也对这一综合性较强的领域开展很多研究， 以照明为例，美国r p i - l c r ( r e n s s e l a e rp o l y t e c h n i ci n st it u t e l i g h ti n g 智能家居及丰流协议 r e s e a r c hc e n t e r ) 在该领域取得很多成就引。 第五，安装和调试复杂，成本费用高，功能不实用。当前综合性的智能家居 系统由于追求功能完善，造成结构相当复杂，尤其是综合布线的施工过程以及后 期的调试都必须要专业的工程师进行；用户使用中一旦出现故障，维修起来不方 便，加上动辄上万的费用令人望而却步。另外，目前普通用户比较关心的是对讲、 安防报警、灯光控制和空调控制等功能，对一些超前的多传感器网络等并没有引 起广泛的兴趣。总之，一般对智能家居有需求的用户还是把家庭安防和照明放在 了首要位置。 随着科技的进步和社会的发展，高速以太网接入家庭和3 g 移动通信技术的 逐步普及，智能家居不再局限于传统的家庭智能控制器，而被赋予了新含义。新 的“智能家居”是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台 5 1 。当然，这还需要相关的多个行业管理部门、生产厂商、房地产开发商和工程 商互相合作，共同推动智能家居市场的良性发展。 2 2 国内外主流智能家居协议介绍 1 9 7 9 年，美国的斯坦福研究所提出了将家电及电气设备的控制线集成在一起 的家庭总线( h o m e b u s ) ；同年，x - 1 0 被推出，作为全球第一个利用电线来控制 灯饰及电子电器产品成功商业化。这种基于家庭控制器总线的智能家居经过多年 发展，技术已经比较成熟，比较有代表性的是c e b u s ，l o n w o r k s ，e i b ，w i g i g 等主流协议。 2 2 1c c s a 智能家居网络协议标准 行业话语权总是掌握在标准制定者手中，同时标准制定也节省了向国外标准 或企业支付高额专利费。2 0 0 5 年5 月，针对国内智能家居市场的真空现状，由 信息产业部电信研究院牵头组建家庭网络总体研究课题组，对家庭网络进行了全 面综合研究，提出了电信制造、运营商对未来智能家居新时代的看法对策与发展 规划。成员包括中国电信、华为技术、u t 斯达康、中兴通讯、上海贝尔阿尔卡 特、西门子等8 家公司。据此向c c s a ( 中国通信标准化协会) 提交了家庭网 络总体研究( v 1 2 ) ( 通标协【2 0 0 5 】1 0 号，通标协发【2 0 0 5 】1 4 3 号) 报告。从 中可以看出电信制造运营商对智能家居系统的规划和电信运营商的市场诉求点。 c c s a 从业务与应用、总体要求、连网技术、安全、编址技术、管理、数字版 浙江大学硕士学位论文 权、媒体格式、设备标准等十个方面对智能家庭网络进行了规划，制订了适合中 国电信业的解决方案 4 6 o 同时c c s a 认为家庭网络包括四个要素：用户需求、网 络、设备、业务与应用，每个要素对不同用户、不同时期是不同的。 c c s a 标准主要对家庭网络实现中几个关键技术进行了规划和介绍。 ( 1 ) 家庭网络的传输介质，利用家庭内部的有线和无线物理媒介，包括以 太网、h o m e p n a 、有线电视电缆、电力线、i e e e l3 9 4 、w l a n 、u w b 和蓝牙等。在 家庭网络内部可以包含四类功能实体：h a ( h o m ea c c e ss ) 、h b ( h o m eb ri d g e ) 、 h c ( h o m ec 1i e n t ) 、h i ) ( h o m ed e v i c e ) 。这四类功能实体在物理实现上可以有 多种方式。如家庭网关可以仅具有h a 的功能，也可以同时具有h a 、h b 和h c 的 功能h7 1 。 ( 2 ) 家庭网络的网关技术，家庭网关应具备三方面的功能：接入功能，业 务功能以及管理功能。业务功能模块完成部分公共网络推进到家庭中的业务功 能。具备业务功能模块的家庭网关设备包括专用型网关，如i a d ，机顶盒等。管 理功能包括管理、发现和防备措施，地址解析和包转发，服务质量( q o s ) 和安全 几个方面的内容引。 ( 3 ) 家庭网络设备自动发现和自动配置技术，又称即插即用( p l u g & p l u s ) 技术，目前只有d s l f o r u m 和c c s a 在a d s lm o d e m 的家庭自动配置功能和远程管 理方面有所研究。u p n p 和国内的i g r s 着重于i p 域的插即用技术方面的研究， 非i p 域以h p n p 和l o n w o r k s + j i n i 为主。 ( 4 ) 家庭网络的媒体技术，主要包括话音编码、音频编码和视频编码三类。 d l n a 对家庭网络设备对媒体的支持能力做了如下表2 1 的规定h 卯： 表2 1d l n a 规定的媒体格式 媒体类型必选格式集( 须全部实现)可选格式集( 可实现一个或多个) 图像( i m a g e ) j p e g p n g ，g i f ，t i f f 音频( a u d i o ) l p c m a a c ，a c 一3 ，a t r a 3 + ，m p 3 ，w m a 9 音视频( a v ) m p e g - 2 m p e g 一1 ，m p e g 一4 ，w m v 一9 ( 5 ) 家庭网络的编址，包括i p 域和非i p 域的编址问题。 ( 6 ) 家庭业务平台技术，针对远端的业务提供者与本地的设备之间服务传 送，开放业务网关联盟( o s g i ) 制定了一种可以灵活升级和管理的业务平台的软 智能家居及主流协议 件架构规范，如图2 1 所示。 图2 1o s g i 的软件层次结构 ( 7 ) 家庭网络内的服务质量保证技术，由于家庭网络的下行带宽有限，所 以需要q o s 的保障，根据不同业务对q o s 有针对性的要求合理划分带宽，对不同 的业务区分对应的优先级。 ( 8 ) 家庭网络的安全技术，包括家庭网络隔离及访问控制、审计与监控、 网络反病毒、用户访问业务需认证、和记录日志几个方面h 。 ( 9 ) 家庭网络的数字内容和版权管理，目前的数字版权管理技术有两种： 一是数字水印技术，第二个方面是数字版权的管理技术，应结合利用，为用户提 供便利 4 8 o c c s a 作为一个由电信运营制造商组成的组织，主要标准和协议都集中于和公 网的连接方武这一领域。 2 2 2e i b 欧洲安装总线 欧洲设备安装总线协议( e i b - e u r o p e a ni n s t a ll a t i o nb u s ) 是一个在欧洲 占主导地位的楼宇自动化( b a ) 和家庭自动化( h a ) 标准，在亚洲称为电气安装 总线，是电气布线领域使用范围最广的行业标准之一。作为e i b 的管理机构，e i b a 委员会( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u sa s s o c i a t i o n ) 拥有1 0 0 多家会员( 包括 s i e m e n s ，a b b ，a r d a n ，e l e c t