王麟琨 / 王春喜 / 柳曉菁(機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100055)
Wang Linkun / Wang Chunxi / Liu Xiaojing
KNX技術(shù)是一種起源于歐洲,主要用于樓宇和家居的分布式總線控制技術(shù)。KNX技術(shù)專注于樓宇和家居的室內(nèi)終端設(shè)備控制。
從圖1可以看出,基于KNX技術(shù)并具有應(yīng)用功能的產(chǎn)品主要分為兩大類,傳感器和執(zhí)行器,也可將傳感器與執(zhí)行器集成于一個(gè)設(shè)備中。典型的KNX傳感器有:光照傳感器、溫度傳感器、開(kāi)關(guān)和紅外傳感器等;典型的執(zhí)行器有:照明設(shè)備、排風(fēng)設(shè)備、窗簾/百葉和空調(diào)等。近些年KNX技術(shù)獲得了更廣泛的應(yīng)用,其控制對(duì)象擴(kuò)展到噴泉、灌溉設(shè)備、影音設(shè)備和配電設(shè)備等。KNX的控制方式多樣,包括:人體感應(yīng)控制、照度感應(yīng)控制、氣象感應(yīng)控制、時(shí)間控制、紅外遙控、場(chǎng)景控制、邏輯控制、中央集中監(jiān)控、消防聯(lián)動(dòng)控制、BA、BMS及其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制等。
1990年,由七家德國(guó)電氣產(chǎn)品制造商組成聯(lián)盟,制定了EIB(European Installation Bus)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并成立了中立的非商業(yè)性組織EIBA(EIB Associate,歐洲安裝總線協(xié)會(huì)),推動(dòng)了EIB標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展。
2001年,EIBA協(xié)會(huì)吸收了兩家其他歐洲智能電氣安裝協(xié)會(huì)Batibus和EHS,在歐洲統(tǒng)一了智能電氣安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),也誕生了全新的標(biāo)準(zhǔn)——KNX,并成立了KNX(Konnex)協(xié)會(huì)。到目前為止,KNX協(xié)會(huì)的會(huì)員單位已超過(guò)270家,來(lái)自33個(gè)國(guó)家。制造商會(huì)員按照開(kāi)放的KNX標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)能夠相互兼容和交互操作的各種元器件,各類產(chǎn)品品種多達(dá)4000多種,幾乎覆蓋了建筑行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域和各種用途的需要。
2008年KNX中國(guó)組織成立,目前有32家會(huì)員單位,其中制造商會(huì)員9家。KNX中國(guó)組織致力于KNX技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用,2011年在KNX中國(guó)組織秘書處的掛靠單位——機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所建立了國(guó)內(nèi)第一家KNX測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,并通過(guò)KNX協(xié)會(huì)的考核獲得正式授權(quán),可完成KNX產(chǎn)品的功能和互操作測(cè)試,以及底層協(xié)議的測(cè)試。KNX中國(guó)組織秘書處正在組織籌建KNX技術(shù)培訓(xùn)中心,預(yù)計(jì)2012年底可正式提供培訓(xùn)服務(wù)。
目前KNX技術(shù)已成為歐洲標(biāo)準(zhǔn),EN 50090系列標(biāo)準(zhǔn)和EN13341-2,EN13341-2部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了KNXnet/IP技術(shù),EN 50090規(guī)定了除KNXnet/IP外其他通信相關(guān)內(nèi)容以及安裝要求和硬件要求。在2006年7月EN50090成為ISO/IEC 14543。在2005年 底,EN 50090在 中 國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化工作起動(dòng),目前該標(biāo)準(zhǔn)已于2007年7月批準(zhǔn)成為GB/Z 20965-2007《控制網(wǎng)絡(luò)HBES技術(shù)規(guī)范—住宅和樓宇控制系統(tǒng)》,并于2010年啟動(dòng)了將GB/Z 20965-2007升級(jí)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)的工作,已進(jìn)入報(bào)批階段。KNX標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的主要內(nèi)容為相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)規(guī)范,該部分內(nèi)容屬于KNX內(nèi)部規(guī)范的第3卷,規(guī)定了KNX通信相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容。
在KNX技術(shù)的應(yīng)用和推廣過(guò)程中會(huì)涉及到幾個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的術(shù)語(yǔ):KNX、EIB和HBES。這幾個(gè)術(shù)語(yǔ)確實(shí)容易混淆,尤其是HBES與KNX的關(guān)系。其中KNX表示協(xié)會(huì)名稱及其技術(shù)。EIB(European Installation Bus)是KNX 技術(shù)的主體部分,KNX技術(shù)的部分通信協(xié)議完全采用了EIB通信協(xié)議。從KNX推廣的角度應(yīng)逐漸地將所有的EIB用KNX取代。HBES(Home and Building Electric System)是KNX標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中所使用的名稱。EN 50090、ISO/IEC 14543和GB/Z 20965-2007中均使用了HBES來(lái)代表KNX技術(shù)。但需注意的是:無(wú)論是EIB還是HBES都只能代表KNX技術(shù)的一部分,不能代表所有的KNX技術(shù)。KNX技術(shù)使用的通信協(xié)議與EIB技術(shù)相同,但增加了更多的配置模式。HBES只是將KNX技術(shù)的大部分通信協(xié)議、硬件要求和安裝內(nèi)容轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn),如EN、IEC或GB/T。
KNX技術(shù)的通信模型采用五層結(jié)構(gòu):物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用(接口)層。KNX物理層支持TP1(雙絞線類型1)、PL110(電力線)、RF(無(wú)線)和Ethernet(以太網(wǎng)介質(zhì)),其中TP1介質(zhì)應(yīng)用最多。數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可靠傳輸,并成功解決了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的通信沖突問(wèn)題。對(duì)于普通產(chǎn)品,網(wǎng)絡(luò)層的功能很少,只是完成了傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信映射功能。但對(duì)于耦合器類產(chǎn)品,則在網(wǎng)絡(luò)層完成路由功能以及跳數(shù)(hop)控制功能。傳輸層完成端到端的可靠傳輸,有四種傳輸模式:點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)連接,點(diǎn)到點(diǎn)有連接,廣播和多播。多播是KNX系統(tǒng)通信采用的主要傳輸模式,其他三種連接模式主要用于設(shè)備管理和系統(tǒng)配置等功能。實(shí)時(shí)交互負(fù)責(zé)完成應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)/工程工具與通信棧之間的交互,應(yīng)用和通信棧之間的交互由應(yīng)用接口層完成,標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)/工程工具和通信棧之間的交互由KNX的管理規(guī)程和配置規(guī)程完成。具體說(shuō)來(lái),應(yīng)用和通信棧之間的交互通過(guò)組對(duì)象實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)/工程工具與通信棧之間的交互通過(guò)接口對(duì)象實(shí)現(xiàn)。目前KNX提供兩種配置模式:系統(tǒng)模式(S-Mode)和簡(jiǎn)單模式(E-Mode)。系統(tǒng)模式通過(guò)PC(ETS)實(shí)現(xiàn)配置,簡(jiǎn)單模式可通過(guò)非PC的專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)配置,包括:Ctrl、PB和LTE模式。
KNX技術(shù)是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù),也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備理論上都可以彼此通信,相比基于主從結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),對(duì)等結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在互操作問(wèn)題上面臨更多的問(wèn)題。KNX技術(shù)較好地解決了來(lái)自不同廠家產(chǎn)品的互操作問(wèn)題。首先是定義了很詳細(xì)的互操作規(guī)范,包括互操作模型和數(shù)據(jù)點(diǎn)類型(DPT)等,并從認(rèn)證和測(cè)試環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品的互操作性進(jìn)行審查和測(cè)試。
圖4所示為KNX技術(shù)的互操作模型。KNX的應(yīng)用互操作規(guī)范定義了不同的應(yīng)用領(lǐng)域,每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域包含一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用。應(yīng)用模型為應(yīng)用規(guī)定了抽象化的解決方案。這里應(yīng)用不代表一個(gè)產(chǎn)品,應(yīng)用可分解為具體功能塊。功能塊使用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在總線上傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)功能塊,它的行為是確定的,功能塊的行為確定了如何處理數(shù)據(jù)點(diǎn)和物理輸入和輸出。數(shù)據(jù)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)KNX產(chǎn)品互操作的關(guān)鍵功能塊元素,數(shù)據(jù)點(diǎn)可看作是功能塊的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)點(diǎn)類型的定義包含4種信息:格式、編碼、范圍和單位。格式規(guī)定了數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和內(nèi)部字段順序;編碼規(guī)定了在給定格式下數(shù)據(jù)點(diǎn)的傳輸格式;范圍規(guī)定了數(shù)據(jù)點(diǎn)表示值的范圍;單位規(guī)定了數(shù)據(jù)點(diǎn)的物理單位。
以一個(gè)HVAC應(yīng)用為例,應(yīng)用模型是加熱模型,功能塊為熱水鍋爐,使用的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是DPT 9.001,作為控制器設(shè)定點(diǎn)溫度。該DPT的格式為:2個(gè)字節(jié);排列順序?yàn)椋篗EEEEMMM MMMMMMMM;編碼為:浮 點(diǎn) 值=(0.01M)2(E),E=[0…15],M=[-2048…2047];范 圍 為 :[-671 088.64 … 670 760.96];單位為:攝氏度,℃。
HBES拓?fù)涞膶哟谓Y(jié)構(gòu)是:線路、主線(域)和主干線。網(wǎng)橋(中繼器)和路由器(線耦合器和干線耦合器)是構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是線形、星形、樹(shù)形或混合形??偩€電纜最多可以將64 (TP1-64)或256 (TP1-256)個(gè)設(shè)備連接成一個(gè)線路。對(duì)于TP1-64,可在計(jì)算線路長(zhǎng)度和總線通訊負(fù)荷后,通過(guò)增加網(wǎng)橋(中繼器)的方式來(lái)增加一條線路上總線設(shè)備的數(shù)量,一條線路最多可以增加到256個(gè)總線設(shè)備。在一個(gè)線路內(nèi)允許有環(huán)路,但不推薦使用環(huán)路。不要求終端電阻。
對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò),可以使用15個(gè)路由器將最多16條線路組合成一個(gè)域。在一個(gè)域的任意兩個(gè)設(shè)備之間的路徑上安裝的路由器不應(yīng)超過(guò)兩個(gè),一個(gè)域可以有256×16 = 4096個(gè)設(shè)備。還可以使用路由器(干線耦合器)將多個(gè)域連接成一個(gè)最大型網(wǎng)絡(luò)。在任意兩個(gè)域之間的路徑上安裝的干線耦合器不應(yīng)超過(guò)兩個(gè),因此最大型網(wǎng)絡(luò)最多可以有4096×16 = 65536個(gè)設(shè)備。HBES的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。
2003年,HBES系統(tǒng)誕生新的IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),HBES系統(tǒng)的主干線為10M的IP網(wǎng)絡(luò)。該方式很適合主干線有大量控制數(shù)據(jù)(狀態(tài)信息)同可視化軟件或網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊,能保證這些信號(hào)的穩(wěn)定和高效傳輸。IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用HBES網(wǎng)關(guān)/路由器/耦合器實(shí)現(xiàn)不同線路控制信號(hào)的邏輯連接和跨線路信號(hào)的路由。
基于KNX技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)常用的有兩類,“可分離結(jié)構(gòu)”和“一體結(jié)構(gòu)”。具有“可分離結(jié)構(gòu)”的產(chǎn)品,其總線通信部件——BCU(總線耦合單元)與應(yīng)用部件——AM(應(yīng)用模塊)是可以分離的,總線通信部件與應(yīng)用部件通過(guò)連接部件——PEI(物理外部接口)進(jìn)行通信。PEI外觀上是10針或12針的插頭,支持多種通信模式,如串口通信(FT1.0)、串口通信(FT1.2)、并口通信等。BCU會(huì)提供已定義的一組API函數(shù),供AM通過(guò)PEI調(diào)用?!翱煞蛛x結(jié)構(gòu)”主要用于傳感器類型設(shè)備,如:各類開(kāi)關(guān)、紅外傳感器、照度傳感器等?!翱煞蛛x結(jié)構(gòu)”可實(shí)現(xiàn)對(duì)KNX傳感器的靈活配置,如可用更多功能的四聯(lián)開(kāi)關(guān)直接代替已使用的雙聯(lián)開(kāi)關(guān),只需在軟件配置上進(jìn)行改動(dòng),無(wú)需進(jìn)行任何物理連線的改變?!耙惑w結(jié)構(gòu)”的通信部件和應(yīng)用部件不可分離,一般沒(méi)有物理外部接口?!耙惑w結(jié)構(gòu)”的產(chǎn)品其通信功能和應(yīng)用功能可由一個(gè)中央處理單元實(shí)現(xiàn);“可分離結(jié)構(gòu)”的產(chǎn)品其通信功能和應(yīng)用功能由不同中央處理單元分別實(shí)現(xiàn)。
KNX支持多種物理介質(zhì):雙絞線、電力線、射頻、以太網(wǎng)介質(zhì)和光纖等。目前KNX設(shè)備主要是基于TP1介質(zhì)的設(shè)備。對(duì)于TP1介質(zhì),傳輸速率為9.6kbit/s,實(shí)現(xiàn)總線供電,即在一對(duì)導(dǎo)線上既傳輸電能又傳輸通信信號(hào)。
圖8為TP1上傳輸?shù)摹?”信號(hào)和“1”信號(hào)。調(diào)制后的邏輯“1”是總線的空閑狀態(tài),即在發(fā)送“1”期間的發(fā)送器應(yīng)被禁用??偩€上的模擬信號(hào)通常僅含有直流部分,在發(fā)送“1”和不發(fā)之間沒(méi)有差別。邏輯“0”的信號(hào)見(jiàn)圖1。較低的通信速率可保證KNX產(chǎn)品在應(yīng)用中具有更強(qiáng)的抗干擾能力。
HBES技術(shù)采用CSMA/CA(載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免),保證對(duì)總線的訪問(wèn)在不降低傳輸速率的同時(shí)不發(fā)生碰撞。
通信時(shí),所有總線設(shè)備都在偵聽(tīng)報(bào)文的傳輸,但只有相應(yīng)地址的設(shè)備才做出響應(yīng)。為了發(fā)送報(bào)文,總線設(shè)備必需首先偵聽(tīng)總線,如果在前一幀間隔時(shí)間內(nèi)在媒體上沒(méi)有檢測(cè)到活動(dòng),那么可以立即開(kāi)始傳輸。如果在媒體上檢測(cè)到活動(dòng),那么在開(kāi)始發(fā)送之前,發(fā)送器應(yīng)等待正在發(fā)送報(bào)文的其他總線設(shè)備傳輸完畢,這稱為載波偵聽(tīng)(Carrier Sense)。一旦總線空閑,從理論上說(shuō),每個(gè)總線設(shè)備都可以啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程,這稱為多路訪問(wèn)(Multiple Access)。在檢測(cè)到空閑狀態(tài)之后,若兩個(gè)或更多設(shè)備同時(shí)開(kāi)始傳輸,可能發(fā)生碰撞。如果發(fā)生碰撞,邏輯“1”狀態(tài)應(yīng)優(yōu)先于邏輯“0”狀態(tài)。在傳輸邏輯“0”過(guò)程中,設(shè)備應(yīng)監(jiān)測(cè)線路,以便設(shè)法檢測(cè)任何其他設(shè)備是否正在發(fā)射邏輯“1”。如果兩個(gè)總線設(shè)備同時(shí)開(kāi)始發(fā)送,具有高優(yōu)先級(jí)的總線設(shè)備無(wú)需延遲可繼續(xù)傳送,同時(shí)低優(yōu)先級(jí)的總線設(shè)備終止發(fā)送,等待下次再試。如果兩者具有相同的優(yōu)先級(jí),那么物理地址較低的可以優(yōu)先。如果在檢測(cè)空閑線路和實(shí)際開(kāi)始傳輸之間,線路轉(zhuǎn)換至閉路狀態(tài),設(shè)備應(yīng)認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生碰撞,應(yīng)終止傳輸并切換至正在接收狀態(tài)。在再次訪問(wèn)媒體之前,設(shè)備應(yīng)保留這一幀,并等待線路成為空閑。在發(fā)生碰撞之后,設(shè)備可以設(shè)法再次傳輸,這個(gè)新嘗試應(yīng)在前一個(gè)幀結(jié)束之后至少1個(gè)幀間隔時(shí)間開(kāi)始。(這一過(guò)程稱為碰撞避免Collision Avoidance)。
KNX技術(shù)使用的地址分為物理地址(單個(gè)地址,Individual Address)和邏輯地址(組地址,Group Address),物理地址和邏輯地址的長(zhǎng)度都為2個(gè)八位位組。KNX技術(shù)的物理地址是總線設(shè)備的唯一編碼,它由域地址、線路地址和設(shè)備地址組成。組地址通過(guò)報(bào)文用于連接幾個(gè)應(yīng)用對(duì)象,這些應(yīng)用對(duì)象形成一個(gè)組。組地址是功能相關(guān)地址,并不唯一,通過(guò)斜杠區(qū)分,可為兩級(jí)或三級(jí)地址,如“0/1/2”。KNX技術(shù)的報(bào)文結(jié)構(gòu)包含報(bào)文的源地址和目的地址,源地址只能為物理地址,目的地址可為物理地址或組地址。
KNX的物理地址用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和配置,例如:讀設(shè)備接口對(duì)象屬性的A_PropertyValue_Read服務(wù),其目的地址為設(shè)備的物理地址。
KNX的邏輯地址用于應(yīng)用功能,其傳輸模式為多播模式,這種尋址方式可使得在KNX系統(tǒng)內(nèi)很容易地實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的控制。例如:對(duì)于某些場(chǎng)景,需用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制多個(gè)開(kāi)關(guān)執(zhí)行器,則只需將該開(kāi)關(guān)使用的功能/通信對(duì)象和多個(gè)執(zhí)行器的特定功能/通信對(duì)象的組地址設(shè)為相同即可實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)上述分析可以看到KNX傳輸技術(shù)的特點(diǎn),如總線供電,以及靈活多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使得KNX系統(tǒng)布線和安裝很方便。KNX獨(dú)特的物理編碼方式以及CSMA/CA的介質(zhì)訪問(wèn)控制,真正解決了總線通信沖突問(wèn)題,為KNX實(shí)現(xiàn)對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)提供了可能,只有實(shí)現(xiàn)對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)才可能構(gòu)建真正意義上的分布式應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在分布式的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,可以實(shí)現(xiàn)控制功能的分散,任意構(gòu)建小型應(yīng)用系統(tǒng),而不依賴于昂貴的中央控制器??煞蛛x的總線元件和兩種尋址方式(物理尋址和邏輯尋址),可以很容易地重新配置應(yīng)用系統(tǒng),而無(wú)需改變物理布線,而且可以很容易實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的控制,提高系統(tǒng)的通信和應(yīng)用效率。KNX技術(shù)采用的通信和應(yīng)用模型,以及詳盡的互操作規(guī)范,解決了來(lái)自不同廠家產(chǎn)品的互操作問(wèn)題,可提高KNX系統(tǒng)的集成能力。
KNX是一種成熟的樓宇自動(dòng)化技術(shù),該技術(shù)在歐洲獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)基于KNX技術(shù)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用增長(zhǎng)迅速,很多大型公共設(shè)施,如北京國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓、上海浦東機(jī)場(chǎng)和上海世博園等,都使用了KNX技術(shù)。并且KNX在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用有向民用住宅發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)也有越來(lái)越多的公司加入到使用KNX技術(shù),甚至進(jìn)行KNX產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。KNX目前存在的主要問(wèn)題之一是價(jià)格較高,這阻止了KNX快速進(jìn)入到民用建筑領(lǐng)域。此外應(yīng)針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)和民用建筑領(lǐng)域提供更完善的KNX解決方案,這個(gè)解決方案可能會(huì)借鑒其他技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),如無(wú)線產(chǎn)品等。我們相信隨著越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)企業(yè)使用KNX技術(shù),會(huì)逐漸解決上面提到的問(wèn)題。
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