Hiểu về giao thức DALI (Digital Addressable Lighting Interface) Để lại bình luận

Trong thế giới hiện đại, ánh sáng không chỉ đơn thuần là chiếu sáng. Nó cần phải thông minh hơn, tiết kiệm hơn và linh hoạt hơn để đáp ứng nhu cầu của các không gian làm việc, nhà ở và công trình công cộng. Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào các hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà cao tầng có thể tự động điều chỉnh theo môi trường, giảm độ sáng khi không có người hoặc thay đổi màu sắc để tạo ra bầu không khí phù hợp?

Câu trả lời nằm ở DALI (Digital Addressable Lighting Interface) – một giao thức điều khiển chiếu sáng tiên tiến, cho phép kiểm soát từng đèn riêng lẻ hoặc theo nhóm một cách chính xác. Không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, DALI còn mang lại sự linh hoạt và khả năng tích hợp vượt trội trong hệ thống tự động hóa tòa nhà.

Vậy DALI hoạt động như thế nào, và tại sao nó lại trở thành tiêu chuẩn cho chiếu sáng thông minh? Hãy cùng khám phá trong bài viết này!

Xem thêm: Giao Thức MIDI: Hiểu & Ứng Dụng Trong Hệ Thống Nhúng

Giao thức DALI là gì?

A. DiiA (Hiệp hội Giao diện Chiếu sáng Kỹ thuật số)

DiiA là một tổ chức mở gồm các công ty hoạt động trong ngành chiếu sáng. Tổ chức này hoạt động dựa trên tiêu chuẩn IEC 62386, là tiêu chuẩn quốc tế dành cho công nghệ DALI. DiiA cũng là đối tác của IEEE Industry and Technology Organisation (ISTO).

Mục tiêu của DiiA là đảm bảo một chương trình chứng nhận độc lập và được xác minh dành cho các thiết bị chiếu sáng sử dụng giao thức DALI-2 mới nhất.

B. DALI (Giao diện Chiếu sáng Kỹ thuật số có Địa chỉ)

DALI là một giao thức đơn giản giúp kiểm soát các hệ thống chiếu sáng kỹ thuật số theo kiểu hai chiều (bi-directional). Giao thức này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và được quy định đầy đủ trong tiêu chuẩn quốc tế IEC 62386.

Những thiết bị tuân theo tiêu chuẩn kiểm tra và chứng nhận của DiiA sẽ được cấp phép sử dụng thương hiệu DALI và được liệt kê trên trang web chính thức của DiiA.

Ứng dụng của DALI:

Tiết kiệm năng lượng nhờ tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng.
Chiếu sáng ban ngày và ban đêm.
Điều chỉnh ánh sáng phù hợp với các hoạt động khác nhau trong các phòng đa năng (ví dụ: khách sạn, phòng hội nghị, v.v.).
Có thể điều chỉnh độ sáng (dimming) theo nhu cầu sử dụng.
Tự động điều chỉnh ánh sáng theo hướng ánh sáng tự nhiên, ví dụ: buổi sáng, buổi trưa, buổi chiều.

Tiêu chuẩn của giao thức DALI

1. Mạng DALI cần có những thành phần nào?

• Một bộ điều khiển (controller) để gửi lệnh.
• Một nguồn cấp bus để cung cấp điện cho hệ thống.
• Một hoặc nhiều chấn lưu DALI (DALI ballast) để điều khiển đèn.

2. Thông số về dây cáp và điện áp:

Điện áp truyền dữ liệu:

• Bit 0 (thấp): Khoảng 0V
• Bit 1 (cao): Khoảng 16V

Dây bus vừa truyền dữ liệu vừa cấp nguồn (không cần thêm dây nguồn riêng).
Nguồn cấp bus cung cấp 16V DC, tối đa 250mA.

3. Tốc độ truyền dữ liệu của DALI

Chỉ 1200 bit/giây, khá chậm so với các giao thức hiện đại, nhưng đủ dùng cho điều khiển chiếu sáng.

4. Tiêu chuẩn phần cứng

Hệ thống DALI gồm ba phần cứng chính giúp điều khiển đèn từ xa:

a. Thiết bị nhận lệnh (Control Gears – Slave)

• Đây là các bóng đèn, chấn lưu (Ballast), hoặc cảm biến trong hệ thống.
• Chúng nhận lệnh từ bộ điều khiển và đáp ứng lại khi được yêu cầu.
• Ví dụ: Bộ điều khiển gửi lệnh “Giảm độ sáng xuống 50%”, thì bóng đèn sẽ nhận lệnh và thay đổi độ sáng.

b. Bộ điều khiển trung tâm (Control Device – Master)

• Đây là bộ não của hệ thống, có nhiệm vụ gửi lệnh điều khiển đến các thiết bị.
• Bình thường, nó chỉ phát lệnh nhưng trong một số trường hợp, nó cũng có thể nhận phản hồi từ các thiết bị.
• Ví dụ: Nếu bộ điều khiển hỏi “Bóng đèn số 3 đang sáng hay tắt?”, thì đèn có thể phản hồi trạng thái.

c. Nguồn cấp bus (Bus Power Supply)

• Cung cấp điện áp chuẩn để hệ thống DALI hoạt động ổn định.
• Đảm bảo tín hiệu truyền trên dây bus có điện áp đúng tiêu chuẩn DALI.

Xem thêm: Ethernet hoạt động như thế nào? Tất tần tật từ A đến Z

5. Tiêu chuẩn nguồn điện

a. DALI không cần đi dây phức tạp như hệ thống cũ

Hệ thống điều khiển đèn kiểu cũ (analog) cần công tắc và dây điện riêng cho từng nhóm đèn.
DALI dùng địa chỉ số (digital addressing), nên không cần công tắc và dây điều khiển riêng.
Có thể nối dây theo nhiều cách:

• Nối tiếp (Daisy chain)
• Hình sao (Star topology)
• Kết hợp nhiều kiểu

b. DALI sử dụng mức điện áp và dòng điện như thế nào?

Không cần quan tâm đến cực dương hay cực âm của dây (dây không phân cực) → đấu nối dễ dàng.
Khi đèn đang hoạt động (mức thấp – active state), điện áp dưới 9.5V.
Khi hệ thống chờ (idle state), điện áp nằm trong khoảng 9.5V – 22.5V (thường là 16V).
Cả hệ thống DALI chỉ dùng tối đa 250mA.
Mỗi thiết bị chỉ tiêu thụ tối đa 2mA, nên có thể kết nối nhiều thiết bị mà không lo thiếu nguồn.

c. Đặc điểm của dây kết nối

DALI thường được cách ly quang (optically isolated) với vi điều khiển để tránh nhiễu.
Tốc độ truyền dữ liệu: 1200 bit/giây → không cần dây chuyên dụng.
Có thể dùng dây điện 2 lõi tiêu chuẩn (two-wire standard electrical cables).
Dây thường dùng:

• Loại 18 AWG, class 1 hoặc class 2 (dây cứng hoặc mềm).
• Chịu điện áp 600V.

Điện áp rơi trên dây tối đa 2V. Khoảng cách tối đa giữa 2 thiết bị trong mạng DALI là 300m.

Tổng quan về nguyên lý hoạt động

Hệ thống DALI hoạt động theo nguyên lý chủ – tớ (Master-Slave):

• Người dùng điều khiển hệ thống thông qua bộ điều khiển (master).
• Bộ điều khiển gửi tín hiệu đến các ECG (slave) dưới dạng địa chỉ + lệnh.
• Địa chỉ giúp xác định ECG nào sẽ nhận tín hiệu.
• Mỗi ECG được lập trình địa chỉ kỹ thuật số nên không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (khác với hệ thống điều khiển tương tự 1-10V).

Như đã giải thích ở trên, ECG (Electronic Control Gear) là bộ điều khiển điện tử của bóng đèn trong hệ thống DALI.
Mỗi ECG có thể thuộc tối đa 16 nhóm khác nhau.
Mỗi nhóm đèn có thể lưu tối đa 16 mức sáng khác nhau.
Một hệ thống DALI có thể kết nối tối đa 16 nhóm đèn.
Tổng số bộ điều khiển đèn (ECG) tối đa: 64 cái trên một bộ điều khiển (master).

Xem thêm: Tìm hiểu FlexRay – Giao thức truyền thông thế hệ mới cho xe hơi

Cấu trúc dữ liệu của DALI

1. DALI truyền dữ liệu như thế nào?

DALI sử dụng bus truyền tín hiệu để kết nối giữa bộ điều khiển chính (Master) và các thiết bị đèn (Slaves).
Hệ thống chỉ có một Master điều khiển nhiều Slave.

Hai loại dữ liệu trong DALI: Frame gửi đi từ Master đến Slave (’forward’ frame, 2 bytes), Frame phản hồi từ Slave đến Master (’backward’ frame, 1 byte).

2. Cấu trúc của một Forward Frame

a. Cấu trúc

Forward Frame có tổng cộng 19 bits:

(1) Start Bit (s)

• Giá trị luôn là 1 để báo hiệu bắt đầu một khung dữ liệu.

(2) Address Byte (YAAA AAAS)

Địa chỉ thiết bị nhận lệnh trong mạng DALI.

• Y (1 bit) – Loại địa chỉ
  • 0: Địa chỉ đơn lẻ (Short Address).
  • 1: Địa chỉ nhóm hoặc Broadcast.
• AAA AAA (6 bit) – Địa chỉ cụ thể
  • Nếu Y = 0: Địa chỉ của thiết bị (000000 – 111111, tức 0-63).
  • Nếu Y = 1: Địa chỉ nhóm (100000 – 100111, tức 0-15).
  • Nếu broadcast: 1111111S (mọi thiết bị sẽ nhận lệnh).
• S (1 bit) – Chọn loại dữ liệu
  • 0: Data Byte chứa mức sáng (Direct Arc Power Level).
  • 1: Data Byte chứa lệnh đặc biệt.

(3) Data Byte (XXXX XXXX)

• Nếu S = 0: Giá trị mức sáng (0-254).
• Nếu S = 1: Chứa mã lệnh đặc biệt.
  • Dải lệnh đặc biệt: 1010 0000 đến 1111 1101 (dùng để điều khiển bật/tắt, cài đặt cấu hình, v.v.).

(4) Stop Bit (I)

• Luôn là 1, giúp hệ thống nhận biết kết thúc frame.

b. Thời gian truyền một Forward Frame

Thời gian truyền một forward frame là: 19 bits/1200 bps​=15.83 ms

Sau mỗi Forward Frame, cần có khoảng thời gian chờ tối thiểu ≥ 9.17 ms trước khi gửi khung tiếp theo.

3. Cấu trúc của một Backward Frame

a. Cấu trúc

Backward Frame có tổng cộng 11 bits:

(1) Start Bit (s)

• Luôn có giá trị 1 để báo hiệu bắt đầu phản hồi.

(2) Data Byte (XXXX XXXX)

• Giá trị 0xFF (1111 1111 – 255 thập phân) → “YES”
  • Nghĩa là thiết bị chấp nhận lệnh hoặc xác nhận trạng thái “Đúng”.
• Dữ liệu khác 0xFF
  • Giá trị này thay đổi tùy thuộc vào lệnh mà slave đang phản hồi. Ví dụ:
    • Phản hồi về mức sáng hiện tại.
    • Phản hồi về trạng thái lỗi.
• Nếu đường truyền vẫn giữ mức IDLE (không có phản hồi) → “NO”
  • Nghĩa là thiết bị không có phản hồi hoặc không hỗ trợ lệnh vừa nhận.

(3) Stop Bit (I)

• Luôn có giá trị 1, báo hiệu kết thúc frame phản hồi.

b. Thời gian truyền một Backward Frame

Thời gian truyền một Backward Frame, là: 11 bits/1200 bps​=9.17 ms
Trước khi gửi Backward Frame, Slave cần chờ 2.92 – 9.17 ms để đảm bảo không gây xung đột trên bus.

4. Manchester Encoding trong DALI

DALI sử dụng Manchester Encoding, còn gọi là bi-phase encoding, để mã hóa dữ liệu. Cách hoạt động của mã hóa này như sau:

a. Cách hoạt động của Manchester Encoding

Trong Manchester Encoding:

• Mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bằng một cặp bit
• 1 được mã hóa thành 10 (rising edge – cạnh lên)
• 0 được mã hóa thành 01 (falling edge – cạnh xuống)

Ví dụ:
Giả sử ta muốn truyền dãy (11100100)₂, theo quy tắc Manchester:

(11100100)₂ → (1010100101100101)₂

Tức là:

• 1 → 10
• 1 → 10
• 1 → 10
• 0 → 01
• 0 → 01
• 1 → 10
• 0 → 01
• 0 → 01

b. Vì sao DALI dùng Manchester Encoding?

Loại bỏ nhiễu và mất đồng bộ: Vì dữ liệu luôn có sự thay đổi (không có chuỗi dài các bit giống nhau), giúp đồng hồ xung nhịp luôn được đồng bộ.
Không cần đường truyền xung nhịp riêng: Manchester Encoding tích hợp xung nhịp vào trong dữ liệu, nên chỉ cần 2 dây để truyền dữ liệu mà không cần thêm dây đồng bộ.
Giảm lỗi trong truyền thông nối tiếp: Vì mỗi bit được chuyển thành 2 bit, hệ thống có thể dễ dàng phát hiện lỗi nếu có vấn đề trên đường truyền.

Xem thêm: Tối ưu quản lý năng lượng hệ thống nhúng với giao thức PMBus

Các loại lệnh (Forward Frames) trong DALI và cách giải mã

1. Các loại lệnh (Forward Frames) trong DALI

DALI sử dụng 4 loại lệnh chính, được truyền từ Master đến Slave dưới dạng Forward Frame:

• Lệnh điều khiển mức sáng (Direct / Indirect Arc Power Control)
  • Điều chỉnh mức sáng của đèn (ballast).
  • Lệnh trực tiếp (Direct) thay đổi ngay mức sáng.
  • Lệnh gián tiếp (Indirect) có thể phụ thuộc vào một số điều kiện khác.
• Lệnh cấu hình (Configuration Commands)
  • Cấu hình thiết bị (ví dụ: thêm vào nhóm, lưu mức sáng).
  • Lệnh phải được gửi lại trong vòng 100ms, nếu không sẽ bị bỏ qua.
• Lệnh truy vấn (Query Commands)
  • Hỏi Slave về trạng thái hiện tại (ví dụ: mức sáng, số phiên bản).
  • Nếu cần phản hồi, Slave sẽ gửi Backward Frame.
• Lệnh đặc biệt (Special Commands)
  • Dùng để khởi tạo hoặc cài đặt thiết bị.
  • Một số lệnh yêu cầu gửi lặp lại trong vòng 100ms.
  • Một số lệnh chỉ có hiệu lực trong vòng 15 phút sau khi nhận lệnh “INITIALIZE”.

2. Giải mã Forward Frame

Ví dụ, Lệnh 241 (QUERY FAILURE STATUS – Truy vấn trạng thái lỗi) có dạng:
YAAA AAA1 1111 0001

→ Lệnh này yêu cầu Slave trả về trạng thái lỗi hiện tại của nó.

Phản hồi sẽ là một byte trạng thái lỗi (FAILURE STATUS byte), trong đó mỗi bit tương ứng với một loại lỗi:

• Bit 0 – Ngắn mạch (Short Circuit): ‘0’ = Không có lỗi
• Bit 1 – Hở mạch (Open Circuit): ‘0’ = Không có lỗi
• Bit 2 – Giảm tải (Load Decrease): ‘0’ = Không có lỗi
• Bit 3 – Tăng tải (Load Increase): ‘0’ = Không có lỗi
• Bit 4 – Bảo vệ dòng hoạt động (Current Protector Active): ‘0’ = Không
• Bit 5 – Tắt do quá nhiệt (Thermal Shutdown): ‘0’ = Không
• Bit 6 – Quá nhiệt nhưng vẫn hoạt động với độ sáng giảm (Thermal Overload With Light Level Reduction): ‘0’ = Không
• Bit 7 – Lỗi đo tham chiếu (Reference Measurement Failed): ‘0’ = Không

→ Nếu tất cả các bit đều là 0, thì thiết bị không có lỗi.

3. Giải mã Backward Frame

Khi Slave nhận lệnh, nó có thể phản hồi theo 3 cách:

• NULL (Không trả lời) → Nếu Slave không có lỗi hoặc không có thông tin phản hồi, nó sẽ không gửi gì cả lên Bus.
  Ví dụ: Nếu hỏi “Bạn có bị lỗi không?” và Slave không bị lỗi, nó sẽ không trả lời gì cả.
• 0xFF (Tất cả bit = 1, nghĩa là YES) → Nếu Slave có lỗi hoặc đồng ý với truy vấn, nó sẽ gửi lại 1111 1111 (0xFF).
  Ví dụ: Nếu hỏi “Bạn có lỗi không?” và Slave bị lỗi, nó sẽ trả lời 0xFF.
• Trả về một giá trị 8-bit cụ thể → Slave trả về trạng thái cụ thể tùy theo lệnh được gửi.
  Ví dụ: Nếu hỏi về trạng thái tải, nó có thể trả về giá trị 0b00000100 (4), nghĩa là tăng tải.

Kết luận

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) là một giao thức hiệu quả và linh hoạt trong điều khiển chiếu sáng, giúp tối ưu hóa quản lý năng lượng và nâng cao khả năng tự động hóa. Với cơ chế giao tiếp hai chiều, khả năng định địa chỉ linh hoạt và các lệnh điều khiển mạnh mẽ, DALI không chỉ cải thiện hiệu suất hệ thống chiếu sáng mà còn hỗ trợ bảo trì và giám sát dễ dàng. Việc hiểu rõ về cấu trúc khung dữ liệu, mã hóa Manchester và các loại lệnh giúp tận dụng tối đa tiềm năng của DALI trong các ứng dụng chiếu sáng thông minh.

Xem thêm: System Management Bus (SMBus) trong hệ thống nhúng