淺談智能照明系統(tǒng)KNX與DALI協(xié)議網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用

淺談智能照明系統(tǒng)KNX與DALI協(xié)議網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】：基于數(shù)字可尋址照明接口（DALI）的照明系統(tǒng)以其專業(yè)、靈活等特點(diǎn)在智能家居領(lǐng)域得到了普遍的重視，但由于DALI照明系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)數(shù)的限制，其組網(wǎng)規(guī)模小限制了它的推廣和應(yīng)用；KNX／EIB總線作為樓宇自動(dòng)化國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，憑借良好的互操作性和開放性，在智能樓宇控制領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用；為了融合這兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種KNX與DALI協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，在分析DALI和KNX系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了DALI協(xié)議和KNX協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，并對(duì)網(wǎng)關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵字】：KNX協(xié)議；DALI協(xié)議；網(wǎng)關(guān)；智能照明；樓宇建設(shè)

0引言

數(shù)據(jù)可照明接口（digitaladdressablelightinginterface，DALI）作為一個(gè)開放的數(shù)字化智能照明控制系統(tǒng)，具有配置靈活、安全可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可靈活的實(shí)現(xiàn)分組控制、場(chǎng)景設(shè)置以及狀態(tài)反饋等功能，在燈光控制上具有專業(yè)、細(xì)致的特點(diǎn)，受到照明設(shè)備制造商的廣泛支持，并已經(jīng)成為國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。然而DALI系統(tǒng)由于受到規(guī)模的限制，一般應(yīng)用于中小規(guī)模的照明控制中。為了發(fā)揮DALI系統(tǒng)在照明控制方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)DALI系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展勢(shì)在必行。

KNX（Konnex，KNX）是住宅和樓宇控制標(biāo)準(zhǔn)，能對(duì)照明、遮陽、安防、監(jiān)控等所有的家居和樓宇終端設(shè)備進(jìn)行控制。KNX憑借良好的互操作性和開放性、完善的通信機(jī)制以及節(jié)能運(yùn)行等方面的優(yōu)勢(shì)，在智能樓宇控制領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)成為我國(guó)樓宇控制的國(guó)家參考標(biāo)準(zhǔn)。

將DALI照明控制系統(tǒng)與KNX系統(tǒng)相結(jié)合，將DALI照明控制系統(tǒng)作為KNX樓宇控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高樓宇智能化水平，降低樓宇能耗。而KNX－DALI網(wǎng)關(guān)成為兩種系統(tǒng)結(jié)合的關(guān)鍵。

１總體設(shè)計(jì)方案

DALI協(xié)議是一種異步串行通信協(xié)議，采用曼徹斯特編碼方式，系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)，*多可接入６４個(gè)可尋址的DALI裝置，可設(shè)置１６個(gè)可尋址組和１６種燈光場(chǎng)景，DALI總線的控制裝置均通過短地址、組地址或廣播地址進(jìn)行照明控制。傳輸數(shù)據(jù)分為前向幀和后向幀，前向幀由主控制器發(fā)送給從控制器，后向幀是從控制器的反饋信息。

KNX總線協(xié)議遵循ＯＳＩ模型協(xié)議規(guī)范，并進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層五層組成，KNX網(wǎng)絡(luò)為采用域（Domain）、區(qū)（Zone）、線（Line）三層結(jié)構(gòu)，是一個(gè)完全對(duì)等（peer-topeer）的分布式網(wǎng)絡(luò)，總線上的設(shè)備具有同等地位。KNX設(shè)備具有物理地址（PA）和組地址（GA），物理地址用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的劃分，組地址用于邏輯功能的劃分。

KNX－DALI網(wǎng)關(guān)包含完整的KNX協(xié)議和DALI協(xié)議實(shí)現(xiàn)，并且完成KNX報(bào)文與DALI數(shù)據(jù)幀的互相轉(zhuǎn)換。該網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)KNX設(shè)備對(duì)DALI裝置的控制及監(jiān)測(cè)功能。

網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。

圖1網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

該網(wǎng)關(guān)由KNX收發(fā)模塊、收發(fā)控制器、DALI接口等組成。其中KNX收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送收發(fā)控制器的信號(hào)、監(jiān)測(cè)總線電壓以等；收發(fā)控制器需要運(yùn)行KNX通信內(nèi)核和DALI協(xié)議棧、存儲(chǔ)系統(tǒng)及用戶參數(shù)、完成協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能；DALI接口負(fù)責(zé)滿足網(wǎng)關(guān)與DALI系統(tǒng)通信接口的電氣特性要求。

KNX-DALI網(wǎng)關(guān)不僅是KNX系統(tǒng)中的一個(gè)KNX設(shè)備節(jié)點(diǎn)，也是DALI系統(tǒng)的一個(gè)DALI主機(jī)。網(wǎng)關(guān)工作過程為：當(dāng)接收到KNX報(bào)文時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)解析該報(bào)文完成到DALI指令的轉(zhuǎn)換，如果對(duì)應(yīng)的是電弧功率控制指令，則在DALI總線空閑狀態(tài)下，發(fā)送指令到DALI系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI裝置控制功能；如果是狀態(tài)查詢指令，網(wǎng)關(guān)會(huì)將保存的對(duì)應(yīng)DALI裝置狀態(tài)信息組裝成KNX報(bào)文發(fā)送到KNX控制設(shè)備中；另外，網(wǎng)關(guān)會(huì)周期地對(duì)DALI裝置的狀態(tài)進(jìn)行查詢，保存DALI裝置的狀態(tài)信息，如果DALI裝置發(fā)生故障，網(wǎng)關(guān)會(huì)主動(dòng)發(fā)起一次通信告知對(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備。

選擇Atmel公司增強(qiáng)型的ATxmega32E5作為KNX-DA-LI網(wǎng)關(guān)收發(fā)控制器，ATxmega32E5是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，*高工作頻率可達(dá)到32MHZ,高達(dá)64KB的FLASH程序存儲(chǔ)區(qū)，4KB的RAM和1KB的EEPROM,由于具有USART等豐富的外設(shè)，可以方便功能的擴(kuò)展。另外，還具有創(chuàng)新型的XMEGA自定義邏輯模塊(XCL),該模塊與USART結(jié)合使用，可以支持自定義通信協(xié)議。

KNX總線收發(fā)器選擇西門子公司的FZE1066,FZE1066是用于KNX總線的收發(fā)模塊，通信介質(zhì)為雙絞線，可以接收和發(fā)送比特流信號(hào)，提供直接同收發(fā)控制芯片連接的端口；轉(zhuǎn)換電壓，能夠?qū)NX總線上的29V電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓供通信控制芯片使用；監(jiān)測(cè)KNX總線的電壓，并能為通信控制芯片提供上電復(fù)位和掉電保存信號(hào)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1KNX硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

收發(fā)器模塊FZE1066和KNX總線連接，并由串行端口與ATxmega32E5連接，通過硬件完成KNX報(bào)文的物理層信號(hào)處理。收發(fā)控制器的工作電源由KNX總線提供，通過FZE1066實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)和能量的分離。

KNX硬件平臺(tái)框圖如圖2所示。

圖2KNX硬件框圖

2.2DALI接口電路

DALI接口電路的設(shè)計(jì)要符合DALI電氣規(guī)范，DALI使用雙線差分驅(qū)動(dòng)，要滿足總線傳輸高電平時(shí)電壓差在9.5~22.5V、傳輸?shù)碗娖綍r(shí)電壓差小于6.5V、總線電流小于250mA的電氣參數(shù)規(guī)范。為了保證通信電路的穩(wěn)定可靠，*好使用光電耦合器進(jìn)行隔離。

DALI通信電路的設(shè)計(jì)如圖3所示

圖3DALI通信電路

接收電路主要由D4、Q1、Q2、U3及D5組成，發(fā)送電路由D4、Q3及U4組成。其中DALIRX與DALITX連接在收發(fā)控制器的串口上，U3和U4為光電耦合器；D4為整流橋，實(shí)現(xiàn)將電壓差轉(zhuǎn)化為單向的直流電壓；D5為穩(wěn)壓管，保證總線傳輸電壓差符合DALI電氣特性要求。

接收時(shí)，當(dāng)總線傳輸高電平，D5為反向擊穿狀態(tài)，U3導(dǎo)通，RX為高；當(dāng)總線傳輸?shù)碗娖綍r(shí)，D5截止，U3不導(dǎo)通，RX為低。發(fā)送時(shí)，由TX來改變Q3的工作狀態(tài)，從而改變總線傳輸?shù)碾娖礁叩汀?/p>

3網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，軟件部分不僅包括對(duì)KNX及DA-LI協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，還包括協(xié)議間的轉(zhuǎn)換功能。本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

軟件設(shè)計(jì)首先要考慮的是程序的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)中，采用一種層次化的軟件設(shè)計(jì)方法，即把整個(gè)軟件分為三層：底層驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層；底層驅(qū)動(dòng)層完成和硬件相關(guān)的交互，協(xié)議層完成通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，應(yīng)用層則根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制功能。這種設(shè)計(jì)方法保證了各程序模塊間的獨(dú)立性和完整性，并且方便系統(tǒng)軟件的移植和應(yīng)用層功能的擴(kuò)展。

KNX通信模塊的硬件驅(qū)動(dòng)層主要包括FZE1066收發(fā)器模塊驅(qū)動(dòng)，完成報(bào)文的發(fā)送和接收；通信協(xié)議層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及傳輸層的相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)KNX報(bào)文的裝配和分解；DALI通信模塊的驅(qū)動(dòng)層包括DALI接口底層驅(qū)動(dòng)，通信協(xié)議層主要完成DALI指令的發(fā)送及解析、沖突檢測(cè)、指令優(yōu)先級(jí)配置等功能。KNX應(yīng)用進(jìn)程和DALI應(yīng)用進(jìn)程間的通信完成數(shù)據(jù)解析及轉(zhuǎn)換等功能。

3.2協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

3.2.1KNX協(xié)議轉(zhuǎn)DALI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

KNX通信時(shí)采用了逐層調(diào)用的策略，每一層協(xié)議被調(diào)用時(shí)，都是先讀取本層控制字信息，經(jīng)過信息處理后，將數(shù)據(jù)提供給上層協(xié)議。

KNX協(xié)議轉(zhuǎn)DALI協(xié)議流程圖5如所示。

圖5KNX轉(zhuǎn)DALI流程圖

網(wǎng)關(guān)從KNX總線上收到KNX報(bào)文數(shù)據(jù)后，將KNX報(bào)文按照物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層到應(yīng)用層的順序，逐層進(jìn)行分解，得到應(yīng)用協(xié)議控制信息(APCI)對(duì)應(yīng)的服務(wù)類型及其后的用戶數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將解析的結(jié)果轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的DALI指令；當(dāng)ATxmega32E5檢測(cè)到DALI總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，按照DALI前向幀的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到DALI總線上。經(jīng)過分析，KNX設(shè)備對(duì)DALI裝置的控制主要包括開關(guān)及調(diào)光操作，KNX報(bào)文與DALI指令間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1KNX報(bào)文與DALI指令對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2.2DALI協(xié)議轉(zhuǎn)KNX協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)KNX設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢時(shí)，需要將DALI裝置的狀態(tài)信息反饋給對(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備，DALI協(xié)議轉(zhuǎn)KNX協(xié)議流程圖如圖6所示。

圖6DALI轉(zhuǎn)KNX流程圖

DALI裝置的反饋信息包括DALI裝置電弧功率等級(jí)和故障狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)通過指令160（查詢實(shí)際電弧功率等級(jí)）和指令144（查詢當(dāng)前狀態(tài)）來獲取并進(jìn)行保存。

KNX設(shè)備獲取設(shè)備狀態(tài)信息一般通過查詢報(bào)文或數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收到KNX設(shè)備對(duì)DALI裝置的查詢或者數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文后，網(wǎng)關(guān)就會(huì)將保存的DALI裝置的狀態(tài)反饋信息告知對(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備。如果監(jiān)測(cè)到DALI裝置發(fā)生故障（燈故障、電源故障等），網(wǎng)關(guān)會(huì)主動(dòng)發(fā)起一次通信告知對(duì)應(yīng)的KNX設(shè)備。

4網(wǎng)關(guān)測(cè)試

為了測(cè)試開發(fā)的KNX-DALI網(wǎng)關(guān)的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由KNX系統(tǒng)與DALI系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)間由KNX-DALI待測(cè)網(wǎng)關(guān)連接。

系統(tǒng)主要包括ETS配置工具、KNX傳感器節(jié)點(diǎn)、待測(cè)網(wǎng)關(guān)、電源供應(yīng)和DALI調(diào)光器及燈具等。KNX節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過KNX總線進(jìn)行通信，通過ETS客戶端對(duì)KNX節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行配置；DALI系統(tǒng)中，所有的DALI裝置和設(shè)備均掛在DALI總線上，DALI系統(tǒng)為主從式的結(jié)構(gòu)，每次通信均有主機(jī)發(fā)起。

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7系統(tǒng)測(cè)試框圖

系統(tǒng)測(cè)試由一個(gè)KNX傳感器節(jié)點(diǎn)來測(cè)試網(wǎng)關(guān)對(duì)KNX報(bào)文的發(fā)送和接收，利用PC機(jī)上的ETS配置工具配置KNX節(jié)點(diǎn)的物理地址和組地址，下載通信對(duì)象表、地址表和對(duì)象關(guān)聯(lián)表，并對(duì)KNX報(bào)文進(jìn)行監(jiān)控。DALI系統(tǒng)由若干DALI裝置(DALI調(diào)光器）和燈具組成，網(wǎng)關(guān)的供電由KNX總線提供。

當(dāng)KNX傳感器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送開關(guān)或調(diào)光報(bào)文時(shí)，通過ETS工具可以監(jiān)測(cè)到網(wǎng)關(guān)回復(fù)的確認(rèn)報(bào)文，并且在DALI總線上監(jiān)測(cè)到了對(duì)應(yīng)的DALI前向幀數(shù)據(jù)，燈具執(zhí)行開關(guān)或調(diào)光操作；當(dāng)KNX傳感器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢報(bào)文時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)將對(duì)應(yīng)的DALI裝置的狀態(tài)信息組裝成KNX報(bào)文發(fā)送到KNX傳感器節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)DALI裝置出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以及時(shí)的將故障信息反饋給KNX設(shè)備。

5安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

5.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關(guān)驅(qū)動(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力，適用于一些中小型的項(xiàng)目；模塊化設(shè)計(jì)，可以任意拼接擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場(chǎng)受控回路的開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警，并將故障報(bào)警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對(duì)每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時(shí)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對(duì)一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對(duì)多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)場(chǎng)景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過圖標(biāo)的亮滅顯示對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時(shí)時(shí)間，確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后，對(duì)該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間；根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開關(guān)，實(shí)現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨(dú)立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或第三方集成平臺(tái)接口，采用modbus、opc等方式。

5.5設(shè)備選型

6結(jié)束語

本文開發(fā)了一種基于KNX協(xié)議和DALI協(xié)議網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)以ATxmega32E5作為收發(fā)控制器，以FZE1066作為KNX總線收發(fā)模塊，構(gòu)建了KNX-DALI協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了KNX通信協(xié)議棧、DALI協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，以及KNX協(xié)議與DALI協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了KNX報(bào)文到DALI指令間轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了KNX-DALI網(wǎng)關(guān)所設(shè)計(jì)的功能，對(duì)DALI系統(tǒng)及KNX系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用及推廣具有借鑒意義。

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（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

審核編輯 黃宇