Building lighting automation through the integration of DALI with wireless sensor networks
Abstract
This paper focuses on the integration of Digital Addressable Lighting Interface (DALI) devices in wireless sensor networks. Since different manufacturers usually deal with one aspect of building automation - e.g. heating ventilation and air conditioning, lighting control, different kinds of alarms, etc. - final building automation system has different subsystems which are finally taken to an integrated building management system. The cost of this process is consequently increased due to additional hardware investment. Our main purpose is to provide the end consumer with an economical fully centralized system in which home appliances are managed by an IEEE 802.15.4-based wireless sensor network. Not only is it necessary to focus on the initial investment, but maintenance and energy consumption costs must also be considered. This paper explains the developed system along with a brief introduction to usual building automation protocols. Finally it presents future work in this field.
SECTION I.
Introduction
A building automation (BA) system (BAS) deals with monitoring and control of building services, such as heating, ventilation and air conditioning (HVAC), lighting, alarms, etc. Not only is it the system bound to operate in HVAC appliances and lamps, but HVAC and lighting control can also be obtained by more natural and efficient ways, e.g. starting a motor to open blinds.
BAS were initially developed to control HVAC systems. Through time we have gone through several kinds of controllers, e.g. pneumatics, analog circuits, microprocessors, etc. At the time of its beginning, BA#39;s purpose was the comfort of end consumers and afterwards (early 1970s), energy efficiency criteria were also considered . Even though other home systems like lighting should also use automation, they are usually installed in a different system than HVAC. This division of the two subsystems increases the end consumer cost due to additional investment in communication hardware and software for integrating HVAC and lighting in a single control point.
As it was previously stated, building services are usually controlled separately, making BA the set of control and communication technologies which link those different subsystems and make them work from a centralized monitoring and control center. The main purpose of having a single control point which provides access to all building services is the costs reduction. A remote monitoring allows the quick detection of failing devices without needing long searches and wasting personal time. This continuous monitoring enables a preventive, or predictive as well, maintenance, which results in a reduction of operational and maintenance costs. Since it is estimated that the operational cost of a building is about seven times the initial investment, taking into consideration the global life-cycle an additional initial cost is worth the effort.
The need of a centralized monitoring control center makes necessary the integration of all BA applications. The number of proprietary solutions has increased since the beginning of BA, but now we have several open standards (BACnet, LonWorks, KNX, DALI, ZigBeehellip;) which make the integration process easier.
Our work focuses on the development of a prototype to be used in a wireless sensor network (WSN) which also integrates DALI protocol. Since DALI is a well-established standard and it has been adopted by major electronic ballasts#39; suppliers it is very easy to find DALI compliant devices. Despite it is designed for lighting control, DALI has also been adapted to other applications, such as motor or fan controllers, proximity alarms, etc. Adapting the standard to a WSN allows integrating DALI devices as a part of the WSN, expanding the traditional DALI bus and removing wires (DALI devices require a dedicated bus for data transmission), which results in a reduction of installation costs. A WSN as part of a home automation system is also known as a wireless home automation network, it allows monitoring and control applications for home end user and energy efficiency.
Section II provides a short review of different standards and protocols (wired and wireless) which are being applied nowadays. Some contributions in this field are also indicated. A description of the implementation of our system can be found in section III. Section III also stated how the system was tested and the significance of tests. Finally, section IV provides a conclusion.
SECTION II.
State-of-the-Art
This section contains an overview of actual wired and wireless solutions which are used in BAS. Different standards and protocols have been classified into wired and wireless technologies. This section also references some recent works in the BA field and explains the decision of the use of DALI protocol along with WSNs.
A. Wired Technologies
X-10, which was developed in the 1970s, is considered to be the first home automation standard. The standard uses the power line system to send and receive signals (although not all types of X-10 devices support two-way communication). X-10 sends a 120 KHz carrier to send data over 50/60 Hz power lines. Its main advantage is the low cost of the installation system. Since X-10 devices are power line controlled expensive wire installations are avoided. The main drawbacks are the limited instruction set (e.g. it cannot send a direct dim level), the higher cost of two-way devices and controllers and its susceptibility to noise disturbances.
Nowadays, the main BA fieldbus systems are BACnet, LonWorks and KNX.
The development of BACnet began in 1987 and ended in 1995, when it became an ASHRAE/ANSI standard. BACnet stands for Building Automation and Control networks. It was developed for BAS,
通过DALI与无线传感器网络的集成实现建筑照明自动化
摘要
本文主要研究数字可寻址光接口（DALI）器件在无线传感器网络中的集成。由于不同的制造商通常仅仅只处理建筑自动化的一个方面，例如暖通空调、照明控制、不同类型的警报等，最终的建筑自动化系统就会有不同的子系统，最终被纳入综合建筑管理系统。这一过程会导致成本由此增加，就是在于额外的硬件投资。我们的主要目的是为最终消费者提供一个经济的完全集中的系统，其中家用电器由基于IEEE802.15.4的无线传感器网络管理。不仅有必要将重点放在初始投资上，而且还必须考虑维护和能源消耗成本。本文介绍了所开发的系统，并简要介绍了常用的楼宇自动化协议。最后介绍了该领域今后的工作。
第一章 简介
楼宇自动化（BA）系统（BAS）处理楼宇服务的监测和控制，例如供暖、通风和空调（HVAC）、照明和警报等。不仅该系统必须在暖通空调设备和灯具中运行，而且暖通空调和照明控制也可以通过更自然、更有效的方法来实现，例如启动电动机打开百叶窗。
BAS最初是为控制暖通空调系统而开发的。随着时间的推移，我们已经研究了几种控制器，如气动、模拟电路、微处理器等。在其开始时，BA的目的是让最终消费者感到舒适，之后（70年代初），还考虑了能效标准。即使其他家庭系统，如照明也应该使用自动化，他们通常安装在不同的系统，而不是暖通空调。这两个子系统的划分增加了终端用户的成本，这是由于在通信硬件和软件方面的额外投资，用于在单个控制点集成暖通空调和照明。
如前所述，建筑服务通常是分开控制的，这就使得BA成为一套控制和通信技术，将这些不同的子系统连接起来，并使它们在一个集中的监控中心工作。拥有一个单一控制点的主要目的是降低成本，该控制点提供所有建筑服务的接入。远程监控允许快速检测出故障设备，无需长时间搜索和浪费个人时间。这种持续的监控可以实现预防性或预测性的维护，从而降低运营和维护成本。由于估计建筑物的运营成本约为初始投资的7倍，考虑到全球生命周期，额外的初始成本是值得付出努力的。
集中监控控制中心的需求使得所有BA应用程序的集成成为必要。自BA开始以来，专有解决方案的数量已经增加，但现在我们有几个开放的标准（BACnet、LonWorks、KNX、DALI、ZigBeehellip;）使集成过程更加容易。
我们的工作重点是开发一个用于无线传感器网络（WSN）的原型，该网络还集成了DALI协议。由于DALI是一个成熟的标准，并且已经被主要电子镇流器供应商采用，因此很容易找到符合DALI的设备。尽管DALI是为照明控制而设计的，但它也已经适应了其他应用，如电机或风扇控制器、接近报警器等。将标准调整为WSN允许将DALI设备集成为WSN的一部分，扩展传统的DALI总线并拆除电线（DALI设备需要专用总线用于数据传输），从而降低安装成本。作为家庭自动化系统的一部分，无线家庭自动化网络也被称为无线家庭自动化网络，它允许监控家庭终端用户的应用和能源效率。
第二节简要回顾了目前正在应用的各种标准和协议（有线和无线）。还指出了这一领域的一些贡献。第三节对我们系统的实施进行了说明。第三节还说明了系统的测试方法和测试的重要性。最后，第四节给出了一个结论。
第三章 最新技术
本节概述了BAS中使用的实际有线和无线解决方案。不同的标准和协议被分为有线和无线技术。本节还参考了BA领域的一些最新工作，并解释了使用DALI协议和WSN的决定。
A、有线技术
X-10是20世纪70年代开发的，被认为是第一个家庭自动化标准。该标准使用电力线系统发送和接收信号（尽管并非所有类型的X-10设备都支持双向通信）。X-10发送一个120kHz的载波，通过50/60Hz的电源线发送数据。其主要优点是安装系统成本低。由于X-10设备是由电力线控制的，因此避免了昂贵的电线安装。主要缺点是指令集有限（例如，它不能发送直接的低电平）、双向设备和控制器的成本较高以及它对噪声干扰的敏感性低。
目前，BA现场总线系统主要有BACnet、LonWorks和KNX。
BACnet的开发始于1987年，结束于1995年，成为ASHRAE/ANSI标准。BACnet代表建筑自动化和控制网络。它是为BAS开发的，特别是为暖通空调开发的。2003年，它被国际标准化组织（ISO 16484）采纳为标准。它也是30多个国家的国际标准，包括所有欧盟国家。同一个BAS的不同设备可以在它们之间共享数据。每个BACnet设备都包含控制或显示设备的虚拟对象，例如值、计划、输入、输出等。BACnet包含一组标准对象，但是，制造商可以向此标准对象添加可选属性。此选项允许在标准中开发新的应用程序。然而，这种灵活性的提高可能导致不同制造商之间的不兼容问题。BACnet兼容各种网络标准，支持几乎所有类型的电线。它还与IP兼容，因此可以使用标准的Web浏览器控制BACnet设备。BACnet的主要缺点是它是一个非常复杂的协议，在具有大量设备的应用程序中会导致成本高昂。控制装置的实施成本也很高。
LonWorks由多个称为“神经元芯片”的处理器组成，这些处理器实现了Lontalk通信协议。神经元芯片由埃施朗开发，但Lontalk协议可用于通用处理器。通信协议于1999年被接受为ANSI标准（ANSI/EIA-709），2005年被接受为欧洲标准（EN 14908）。Lonwork网络由支持Lontalk协议的设备（节点）组成，它们之间可以通过网络变量（NVS）与中央控制系统进行通信。这些NV以类似于BACnet对象的方式定义了一些关于设备的参数。LonWorks数据也可以在Web浏览器中显示。LonWorks的缺点是成本、复杂性和制造商之间的不兼容性，这些制造商在设计基于LonWorks的设备时没有严格遵守标准。
KNX（Konnex）由三个总线系统（欧洲安装总线（EIB）、Batibus和欧洲家庭系统（EHS）合并而成，以创建单一的欧洲标准。它于2003年被作为欧洲标准（EN 50090）采用，并于2006年成为国际标准（ISO/IEC 14543-3）。它也是中国标准（GB/Z 20965）和美国标准（ANSI/ASHRAE 135），KNX支持双绞线、电力线、无线（KNX RF）和IP（KNXnet/IP）通信。KNX网络通常遵循两层模型。现场网络保持与传感器、执行器和控制器的通信，以执行控制和监控任务。另一方面，管理节点通过公共主干网连接到这些现场网络，具有整个网络的全局视图。根据KNX调查，KNX是家庭和建筑控制最常用的技术。在文献中，我们可以找到使用KNX和无线集成系统设计KNX-ZigBee网关的节能建议。
三个主要系统的比较可以被找到。它指出，KNX是家庭自动化领域的最佳解决方案，而对于需要更可靠方法的建筑（如建筑办公室）来说，BACnet是最灵活的解决方案。
最后，数字可寻址照明接口（DALI）标准着重于BA的一个方面，即照明控制。第三节详细介绍了DALI总线的实现。它最初在IEC 60929–2003标准的附录E.4中定义为管状荧光灯的数字控制。2009年成为独立标准（IEC 62386），并将其应用范围扩展到高强度放电（HID）灯、LED灯、白炽灯等。一些制造商开发了一些符合DALI标准的设备，包括电机和风扇控制器以及接近报警器。我们选择使用DALI来实现输出系统，因为它是一个非常简单且易于构建的标准，而且它允许双向通信，为我们提供有关单个DALI设备状态的反馈。DALI的主要缺点是照明控制与其他BA服务的初始分离。然而，为了将DALI总线与通用传感器集成在一起，以便建立一个用于照明、暖通空调、警报和环境监测的单一网络，有一些建议。
B、无限系统
应用无线技术可以降低安装成本，从而减少传感器布线的工作量。无线节点必须能够使用电池长时间（以年为单位）工作。BA不需要高流量负载，因此我们必须考虑能耗对数据速率的损害。因此，Wi-Fi（IEEE802.11）和蓝牙不适用于现场的家庭自动化。
IEEE802.15.4处理低速率无线个人区域网络；其目标是标准化OSI协议栈的两个较低层——物理层（phy）和介质访问控制层（mac）。由于它没有定义网络层，因此它不包括任何路由机制，因此唯一可用的网络拓扑是星型和点对点。最后一个问题在大型建筑中成为了一个问题，由于障碍物的存在以及与其他无线网络（Wi-Fi、蓝牙等）共存，单点可以到达每个节点。最新的IEEE 802.15.4标准版本始于2011年。
ZigBee联盟使用IEEE802.15.4phy和mac层开发ZigBee无线技术，增加了网络层（nwk）和应用层（apl）。ZigBee节点可以具有三种不同的角色：协调器、路由器或终端设备。ZigBee NWK层允许IEEE802.15.4网络形成树和网格拓扑。关于BA的APL概况，有ZigBee家庭自动化应用概况（重点是照明、暖通空调和安全）和ZigBee智能能源概况（重点是能源需求响应和负荷管理）。研究并测试了ZigBee和Wi-Fi（它们都在2.4GHz ISM频段工作）的共存性和互操作性。ZigBee家庭自动化系统，其中ZigBee在现场级别实施，而Wi-Fi在管理级别使用，如所示。另一项工作是，应用ZigBee标准来自动管理消费设备，使其成为自配置、自组织的传感器网络的一部分，以使家庭自动化更加舒适。
IEEE802.15.4层也被用作使用开放标准6lowpan（2007年发布）传输IPv6数据包的基础。6lowpan或zigbee的选择取决于IP互操作性和包大小的需要。由于6lowpan执行分段，zigbee可以在小数据包大小的应用中获得更好的性能。
两个基于IEEE802.15.4的标准与其他无线技术（z-wave、insteon和wavenis）之间的比较可以找到。
我们的系统利用IEEE802.15.4网络控制DALI设备。我们决定实现一个基于IEEE802.15.4的WSN，而不是使用ZigBee直接在IEEE802.15.4的phy和mac层上工作。ZigBee的主要缺点是它不是不同制造商之间的互操作协议。因为我们至少需要一个树形网络拓扑，所以我们选择实现我们自己的网络层，使用一个IEEE802.15.4网络。我们自己的基于ZigBee的路由机制的开发为我们提供了一个专有的网络层，它可以由几个制造商的完全符合IEEE802.15.4的设备实现，从而实现互操作性。下一节介绍我们的系统。
第三章 系统组件和方法
A、实现DALI WSN控制器
DALI基于主从原则；主设备向系统中的任何从设备发送消息（帧）。这些消息包含一个地址和一个命令，因此只有寻址的压舱物才会对消息作出反应。主机发送的消息称为转发帧；它由19位组成，采用双相位编码（曼彻斯特差分）。第一位是起始位，接下来的8位是从地址，接下来的8位是命令。最后两个停止位不在曼彻斯特代码中。有一些查询命令使DALI设备进入活动模式并向主设备发送一个后向帧，这是一个与前向帧具有相同特性的11位帧，一个起始位，8个数据响应位（状态、实际级别等）和两个停止位。在转发帧的地址字节中，只有6位用于单独寻址。地址字节具有以下结构（每个字母代表一个位）：yaaaas，其中y在使用短地址时取值“0”，在组地址或广播中取值“1”；a是有效地址位，s是直接级命令（例如调光值或速率）或#39;当它是达利命令时。主机只能有64个从机，因为它只能寻址64个方向（6个a位）。
最后一个问题可能会增加大型建筑中的DALI安装成本，因为我们需要不同的回路来单独控制64个以上的设备。
我们的方法包括使用基于IEEE802.15.4的WSN实现DALI主控制器。组成无线传感器网络的节点有一个微控制器单元（MCU）和一个符合IEEE802.15.4标准的收发器。在单片机中实现了DALI通信协议。在我们的系统中，DALI设备作为从设备，节点作为主设备，由连接到PC主机的个人局域网PAN协调员控制。协调器使用节点MAC（8字节）或网络（2字节）地址而不是DALI从机地址访问任何DALI设备，从而提高连接设备的数量。通过这个过程，我们也跳过了长的dali地址分配过程。
我们的第一次尝试是集中在街道照明，开发一个无线传感器网络控制大理户外镇流器。我们使用了一个传输功率为 25 dBm的868兆赫收发器，该收发器由一个基于Arduino的商用开发板控制。在街道照明中，长时间的暴怒和强烈的射频穿透是一个主要问题。该系统很容易开发，但成本太高，而且我们仅限于董事会的制造商。
由于DALI设备制造商创造了更多的DALI设备，扩展了最初的仅照明协议，我们决定将之前的想法带到BA，以实现家庭和建筑内照明系统基于WSN的集中控制和监控。未来的工程将以最低成本将该系统与暖通空调、安保等整合在一起。所选无线模块集成了STMicroelectronics STM32W108芯片系统，该系统集成了2.4 GHz、符合IEEE 802.15.4标准的收发器、ARM Cortex-M3微处理器和其他外围设备，以设计基于802.15.4的系统。模块可以采用不同的配置进行订购，例如一个功率放大器，以实现 20dBm的传输功率，三个协议栈，ZigBee Pro，射频消费电子（RF4CE），以及一个仅包含一个简单的IEEE 802.15.4物理层和MAC层的专有栈。如第二节最后一段所述，我们选择使用最后一个协议栈来开发我们自己的IEEE802.15.4系统。我们将系统从868兆赫改为2.4兆赫频段，使其在全球范围内使用（868兆赫频段仅在欧洲允许，而2.4兆赫频段则被普遍接受）。
DALI控制接口电压水平必须考虑9.5 V和22.5 V之间的高信号电压，而plusmn;6.5 V间隔内的电压则被视为低信号。由于微控制器的数字输出是CMOS（0-3.3V），因此有必要设计一个接口电路，使3.3V电压达到高信号的相应间隔。我们的目的是使电路尽可能小和便宜，所以我们只使用12V
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