基于KNX總線的高校計(jì)算機(jī)房智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：目前高校正在推進(jìn)和深化節(jié)約型校園的建設(shè)，本文針對(duì)廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院公共機(jī)房能源浪費(fèi)比較嚴(yán)重的問(wèn)題，提出一種基于KNX總線的智能控制系統(tǒng)解決方案，通過(guò)總線智能控制技術(shù)，對(duì)機(jī)房的照明、空調(diào)、教學(xué)電腦進(jìn)行管理和監(jiān)控，避免能源浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)踐證明，系統(tǒng)節(jié)能效果好、穩(wěn)定可靠、操作方便，有效地提高了學(xué)院公共機(jī)房的管理水平。

關(guān)鍵詞：KNX總線;智能控制系統(tǒng);高校計(jì)算機(jī)房;場(chǎng)景模式

Abstract：At present，universities are promoting and deepening the construction of conservation-oriented campus. Aiming at the serious problem of energy waste in public computer room of Guangzhou Railway Polytechnic，an intelligent control system solution based on KNX bus is proposed. Through the bus intelligent control technology，the lighting，air conditioning and teaching computers of the computer room are managed and monitored to avoid energy waste. Practice has proved that the system has good energy-saving effect，stability and reliability，easy operation，and effectively improve the management level of the public computer room of the college.

Keywords：KNX bus;intelligent control system;university computer room;scene mode

0? 引? 言

近年來(lái)，國(guó)家大力推進(jìn)節(jié)能減排工作，節(jié)約資源成為我國(guó)的基本國(guó)策。但目前大學(xué)生的平均能耗指標(biāo)明顯高于全國(guó)居民的平均能耗指標(biāo)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)高校大學(xué)生生均能耗是全國(guó)居民人均能耗的4倍。教育部發(fā)〔2009〕163號(hào)文件指出：高等學(xué)校是公共機(jī)構(gòu)的重要組成部分，要建立高等學(xué)校校園節(jié)能工作的長(zhǎng)久機(jī)制，推進(jìn)和深化節(jié)約型校園的建設(shè)[1]。高校想做好節(jié)能工作，除了做好師生宣傳教育工作外，提高能源管理水平、使用智能控制的技術(shù)節(jié)能手段等也是行之有效的方法。

大學(xué)校園建筑分布范圍廣，教室、專業(yè)實(shí)訓(xùn)室多，學(xué)生上課流動(dòng)性大，使用傳統(tǒng)節(jié)能管理辦法需要耗費(fèi)大量人力。以廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱廣鐵學(xué)院）的計(jì)算機(jī)公共機(jī)房管理為例，該校目前擁有計(jì)算機(jī)公共機(jī)房18間、計(jì)算機(jī)1000多臺(tái)，分布在兩棟實(shí)訓(xùn)樓中，但是配置的實(shí)訓(xùn)管理員只有3名。機(jī)房承擔(dān)全院的計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)工作和不同專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作，每天上課和上機(jī)的學(xué)生達(dá)到2000多人次。由于管理人員較少，機(jī)房長(zhǎng)期存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象：機(jī)房長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人使用時(shí)，電腦、空調(diào)、照明等仍然處于打開狀態(tài);上課時(shí)照度足夠卻照樣開燈;空調(diào)和窗戶同時(shí)打開等等。針對(duì)機(jī)房能源浪費(fèi)現(xiàn)象，學(xué)院采用了一種基于KNX總線技術(shù)的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。KNX是一種基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，所有的控制信號(hào)都是通過(guò)一根雙芯控制電纜進(jìn)行傳輸?shù)模€路與配電完全分開。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能燈光控制、智能窗簾管理、智能新風(fēng)、智能電腦控制、智能安防管理、智能視頻監(jiān)控等功能，能夠達(dá)到智能節(jié)能控制的目的。

1? KNX總線技術(shù)的特點(diǎn)

KNX是家居和樓宇控制領(lǐng)域唯一的開放式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是由歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHS合并發(fā)展而來(lái)，已被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)KNX總線系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居和樓宇的照明、遮光/百葉窗、安防系統(tǒng)、能源管理、供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)、服務(wù)界面及樓宇控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制、計(jì)量、視頻/音頻控制、大型家電等的控制。

1.1? 傳輸技術(shù)的特點(diǎn)

KNX/EIB是一個(gè)基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸和總線裝置的電源共用一條電纜，把通訊信號(hào)耦合在24V系統(tǒng)電源上，采用弱電載波方式，用弱電控制強(qiáng)電。操作安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.2? 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

KNX系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，分域（Area）和線路（Line），線路是KNX系統(tǒng)的最小結(jié)構(gòu)單元。每個(gè)線路最多包括4個(gè)線段（Line Segment），每個(gè)線段最多可連接64臺(tái)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)物理地址。一般情況下，可以有15個(gè)線路分別經(jīng)過(guò)線路耦合器（LK）與主線路相連接，組成一個(gè)域[2]。如果有多個(gè)域存在時(shí)，每個(gè)域需要通過(guò)主干耦合器（BK）與干線路相連接。一個(gè)系統(tǒng)最多包括15個(gè)域，這樣理論上一個(gè)KNX系統(tǒng)可以連接58000多臺(tái)總線設(shè)備。KNX拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3? 高兼容性、高擴(kuò)展性和設(shè)備可替換性

KNX標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)在于不同性能、不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)互操作;產(chǎn)品通過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和第三方KNX認(rèn)證，質(zhì)量非?？煽?KNX標(biāo)準(zhǔn)功能豐富，適用于各種類型的建筑物;通信介質(zhì)多樣，可以用雙絞線、電力線和無(wú)線實(shí)現(xiàn)通信;可以采用多種系統(tǒng)配置模式[3]。

2? 計(jì)算機(jī)房KNX智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)需求

廣鐵學(xué)校機(jī)房設(shè)備的傳統(tǒng)控制方式基于開關(guān)觸點(diǎn)的接通與斷開來(lái)控制，但機(jī)房管理人員有限，很多設(shè)備控制不合理、不到位，很難達(dá)到節(jié)能效果。機(jī)房智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到以下要求：

（1）機(jī)房區(qū)域內(nèi)采用分布式智能控制方式，開關(guān)、調(diào)光、窗簾、空調(diào)模塊均配有處理器，可以不依賴其他元件而獨(dú)立工作。

（2）需能實(shí)現(xiàn)燈光的智能開啟和人工控制，以及分散集中控制、遠(yuǎn)程控制、延時(shí)控制、定時(shí)控制等多種控制方式;實(shí)現(xiàn)空調(diào)、上課電腦的智能開啟/關(guān)閉和人工控制。

（3）照明控制系統(tǒng)在滿足各個(gè)機(jī)房使用需求及舒適度要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分考慮結(jié)合自然光的明暗自動(dòng)調(diào)節(jié)照度，達(dá)到節(jié)能目的。

（4）系統(tǒng)擁有良好的擴(kuò)展性，將需增加的元件直接掛接在總線上，即可實(shí)現(xiàn)功能或回路的擴(kuò)展。

（5）各系統(tǒng)元件均有獨(dú)立的CPU及地址，可通過(guò)巡檢功能監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)元件運(yùn)行是否正常，如總線或元件出現(xiàn)故障、斷線，可及時(shí)反饋給智能主機(jī)。

（6）建立Web監(jiān)控管理系統(tǒng)和手機(jī)操作APP，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的操作管理，可集中控制和遠(yuǎn)程操作，降低運(yùn)行成本。

2.2? 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

廣鐵學(xué)院計(jì)算機(jī)房KNX總線系統(tǒng)是通過(guò)一條總線將兩棟實(shí)訓(xùn)樓的四層樓共18間計(jì)算機(jī)房所有的KNX設(shè)備連接起來(lái)，各個(gè)設(shè)備既可獨(dú)立工作，又可通過(guò)中控電腦進(jìn)行集中監(jiān)視與控制。KNX設(shè)備通過(guò)電腦編程獨(dú)立完成諸如開關(guān)、調(diào)光、控制、監(jiān)視等工作，根據(jù)要求進(jìn)行不同的場(chǎng)景設(shè)置（如：全開模式、全關(guān)模式、清潔模式、投影模式等），實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制[4]。

總線上設(shè)備元件分為三類：

（1）系統(tǒng)元件。負(fù)責(zé)整個(gè)KNX總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行，如KNX總線電源、KNX/IP網(wǎng)關(guān)、線路耦合器等。

（2）傳感器。負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)的開關(guān)操作或光照度、溫度、濕度、煙霧等信號(hào)變化，如光照度傳感器、紅外線傳感器。

（3）執(zhí)行器。負(fù)責(zé)接收傳感器發(fā)出的信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的操作，如調(diào)節(jié)燈光，控制窗簾、空調(diào)等。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

安裝在機(jī)房的傳感器監(jiān)視感知現(xiàn)場(chǎng)的光照度、溫度、煙霧濃度和人體存在感應(yīng)，并通過(guò)KNX總線將數(shù)據(jù)反饋給中控主機(jī)模塊，主機(jī)模塊將接收的信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的正常值范圍進(jìn)行比較，以判斷執(zhí)行哪些操作，將相應(yīng)的控制信號(hào)通過(guò)總線發(fā)送給執(zhí)行器，如：窗簾控制模塊接收到的光照度信號(hào)值超過(guò)預(yù)設(shè)照度，窗簾執(zhí)行器對(duì)機(jī)房窗簾執(zhí)行升/降/停/百葉角度調(diào)整。

2.3? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.3.1? 模塊選型和組網(wǎng)

計(jì)算機(jī)房KNX總線智能控制系統(tǒng)主要由電源供給模塊、IP接口模塊、線路耦合器模塊、開關(guān)調(diào)光執(zhí)行模塊、窗簾執(zhí)行模塊、空調(diào)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)、APP智能控制網(wǎng)關(guān)和若干觸摸屏、開關(guān)面板、傳感器等組成，系統(tǒng)采用廣州樂(lè)原智能科技有限公司的KNX總線智能產(chǎn)品。所有模塊及系統(tǒng)元件均為模塊化產(chǎn)品，采用標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌安裝方式，安裝在專用的智能控制箱內(nèi)。系統(tǒng)各個(gè)總線模塊功能如表1所示。

系統(tǒng)的組網(wǎng)采用支干線模式，一層樓一根干線（域），每個(gè)房間鋪設(shè)若干支線（線路），模塊至設(shè)備間采用兩芯1.5mm2的KNX/EIB總線控制線纜，總線和電源線分開穿管敷設(shè)。總線通過(guò)分布在各個(gè)機(jī)房的傳感器（包括光照度傳感器、溫濕度傳感器、人體存在傳感器、紅外線傳感器、煙霧傳感器）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線把信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)模塊。

一個(gè)機(jī)房配置4路14A調(diào)光模塊1個(gè)，每個(gè)調(diào)光模塊所能控制的燈具數(shù)量不超過(guò)64個(gè);一層樓配置12路16A開關(guān)模塊2個(gè)、14路窗簾控制模塊1個(gè);一棟實(shí)訓(xùn)樓配置空調(diào)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)1個(gè)、APP智能控制網(wǎng)關(guān)1個(gè);每個(gè)機(jī)房的連接總線配置線路耦合器1個(gè)，每層樓的連接總線配置主干耦合器1個(gè);每個(gè)機(jī)房配置多聯(lián)智能開關(guān)面板1個(gè)，每層樓配置3.5寸智能控制面板1個(gè)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、分散/集中控制和場(chǎng)景控制。系統(tǒng)配置IP接口模塊1個(gè)，通過(guò)雙絞線連接路由器，實(shí)現(xiàn)KNX系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中控制和手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

2.3.2? 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)需求對(duì)智能控制模塊進(jìn)行軟件編程。KNX模塊編程可用ETS5編程實(shí)現(xiàn)[5]。項(xiàng)目需要導(dǎo)入相應(yīng)產(chǎn)品模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)由模塊廠商提供;通過(guò)在ETS5軟件里建立項(xiàng)目，為每個(gè)機(jī)房建立新支線，在相應(yīng)支線里加入各個(gè)功能元件，設(shè)置每個(gè)元件的物理地址;根據(jù)功能的不同設(shè)置組地址，功能相同的對(duì)象組地址相同，傳感器同一功能只能有一個(gè)組地址，執(zhí)行器組地址根據(jù)控制功能的不同可以劃分多個(gè)組地址。建立好群組地址后把相應(yīng)元件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以一號(hào)機(jī)房為例，控制要求和關(guān)聯(lián)設(shè)置如表2所示。

關(guān)聯(lián)了相同的組地址的元件就可以進(jìn)行通訊，操作面板發(fā)出指令，執(zhí)行器執(zhí)行命令。關(guān)聯(lián)結(jié)束后把程序下載到模塊。上述編程設(shè)計(jì)只是針對(duì)開關(guān)、調(diào)光、窗簾進(jìn)行的關(guān)聯(lián)設(shè)置，針對(duì)場(chǎng)景模式的設(shè)計(jì)編程采用類似方法。

2.3.3? 控制模式

機(jī)房設(shè)備控制包括分散集中控制、場(chǎng)景控制、智能感光控制、定時(shí)控制、遠(yuǎn)程控制等多種控制方式。

分散/集中控制：可以每個(gè)機(jī)房分散控制，也可以通過(guò)智能面板集中控制。每層設(shè)置智能控制面板、場(chǎng)景面板、多聯(lián)智能開關(guān)，通過(guò)智能按鍵面板可以很方便地控制所有燈光的開/關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、空調(diào)開/關(guān)、窗簾升/降/停/百葉角度調(diào)整。

場(chǎng)景控制：分四類場(chǎng)景，全開模式打開機(jī)房所有燈光、空調(diào)和插座開關(guān);全關(guān)模式關(guān)閉所有燈光、空調(diào)和插座開關(guān);投影模式關(guān)閉窗簾和部分燈光回路，保證投影清晰顯示;清潔模式打開窗簾和部分燈光回路，保證基本照明。具體如表3所示。

智能感光控制：通過(guò)光感應(yīng)控制百葉窗簾和采光較好部位的燈光，在自然光線照度足夠的情況下關(guān)閉照明，最大限度節(jié)能。通過(guò)人體存在感應(yīng)控制的方式，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人情況下，自動(dòng)關(guān)閉照明、空調(diào)和計(jì)算機(jī)，做到有人時(shí)開燈，無(wú)人時(shí)延時(shí)關(guān)燈。

定時(shí)控制：系統(tǒng)自動(dòng)按照預(yù)設(shè)的運(yùn)行時(shí)間完成燈光、空調(diào)的控制，滿足上課、下課時(shí)間段對(duì)燈光照度的要求。通過(guò)定時(shí)功能確保在非正常工作時(shí)間內(nèi)的最小能源消耗。

遠(yuǎn)程控制：通過(guò)Internet遠(yuǎn)程控制，有管理員權(quán)限即可登錄Web管理系統(tǒng)或手機(jī)APP，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的開/關(guān)。

2.3.4? WinSwitch中控系統(tǒng)集中監(jiān)控

系統(tǒng)采用WinSwitch監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房元件的實(shí)時(shí)管理和遠(yuǎn)程操控。WinSwitch采用標(biāo)準(zhǔn)的圖形圖像界面進(jìn)行操作，可插入樓層、房間、元器件的平面圖，操作簡(jiǎn)單直觀。

圖4為WinSwitch的監(jiān)控界面，界面設(shè)置了各組燈光開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、窗簾控制開關(guān)、機(jī)房電腦總開關(guān)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程控制;控制系統(tǒng)面板和執(zhí)行器的控制狀態(tài)可通過(guò)KNX總線實(shí)時(shí)反饋到監(jiān)控界面，監(jiān)控界面的控制命令通過(guò)總線傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器，執(zhí)行相應(yīng)的操作?？赏ㄟ^(guò)中控系統(tǒng)檢查設(shè)備是否運(yùn)行正常，判斷總線是否工作正常、執(zhí)行器是否正常及回路斷路器是否處于打開的狀態(tài)，如出現(xiàn)故障，能夠有效判斷故障原因[6]。

3? 結(jié)? 論

廣鐵學(xué)院從2017年采用KNX總線控制系統(tǒng)管理公共計(jì)算機(jī)房，比傳統(tǒng)的機(jī)房管理方式節(jié)約了20%～30%的電能，管理方式先進(jìn)，節(jié)約了人力，避免了能源的浪費(fèi)，降低了相關(guān)費(fèi)用的支出。KNX總線技術(shù)可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，機(jī)房的照明燈具較往年的損耗率明顯降低。實(shí)踐證明，KNX總線系統(tǒng)穩(wěn)定、操作方便、擴(kuò)展性好、節(jié)能效果好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，提高了學(xué)院公共機(jī)房的管理水平。

目前由于國(guó)內(nèi)引進(jìn)KNX核心技術(shù)的費(fèi)用高昂，KNX模塊產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較高，使得KNX技術(shù)主要應(yīng)用于大型公共設(shè)施、國(guó)企和學(xué)校樓宇，大規(guī)模的推廣普及受到一定影響。隨著國(guó)內(nèi)KNX廠商的不斷增加，研發(fā)能力不斷提高，性價(jià)比更高的KNX設(shè)備產(chǎn)品將越來(lái)越多，將對(duì)KNX總線技術(shù)的普及有更好的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)教育部.關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》及有關(guān)管理辦法的通知 [EB/OL].http：//www.mohurd.gov.cn/kjjb/jstgzcfb/200911/t20091110_196722.html，2009-10-15.

[2] 謝永華，裴龍龍，吳彤.KNX在智能家居中的應(yīng)用 [J].儀表技術(shù)，2015（9）：47-50.

[3] 楊鳳生，溫妮，韓盼盼，等.基于KNX協(xié)議的智能小區(qū)家居系統(tǒng)研究與應(yīng)用 [J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（8）：235-237.

[4] 胡兵.KNX現(xiàn)場(chǎng)總線控制在智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].電氣自動(dòng)化，2018，40（2）：113-115.

[5] 段琪峰.深圳地鐵9號(hào)線KNX總線智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].機(jī)電信息，2017（12）：33-34.

[6] 姜學(xué)斌.KNX-ibus總線在樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2016，38（6）：41-44.

作者簡(jiǎn)介：易丹（1979-），男，漢族，湖南岳陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)站建設(shè)。