基于KNX總線的智慧家居研究與實(shí)現(xiàn)

魏孔貞 馬偉俊 孫紅英

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

當(dāng)前，隨著通信和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)正在改變整個(gè)世界，人類的生活正在發(fā)生翻天覆地的變化，隨著智能樓宇的出現(xiàn)，不論是醫(yī)院、高鐵站、機(jī)場(chǎng)以及體育場(chǎng)等大型公共場(chǎng)所，還是都市居民家居生活，都逐漸開辟了現(xiàn)代生活新境界。借助物聯(lián)網(wǎng)高速推動(dòng)人工智能發(fā)展，由云計(jì)算與大數(shù)據(jù)輔助工作，智慧生活的發(fā)展具有更強(qiáng)的可操作性和舒適性，物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展將真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生活的高度智能化、信息化和人性化。

1 控制要求

1.1 系統(tǒng)概況

控制器、傳感器和執(zhí)行器是總線設(shè)備的3種類型。模擬量、開關(guān)量等信息利用總線完成報(bào)文發(fā)送，有效聯(lián)通各個(gè)設(shè)備?？刂埔?、信息校驗(yàn)和起始信息是KNX報(bào)文的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。校驗(yàn)通過令牌環(huán)增加奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)。報(bào)文只能對(duì)物理地址進(jìn)行識(shí)別，將數(shù)據(jù)的源地址表示出來，可以把組地址或者物理地址作為目標(biāo)地址，表明數(shù)據(jù)的受體。設(shè)備的物理地址是唯一的，但可以有多個(gè)組地址，表明通過多個(gè)控制源來控制1臺(tái)設(shè)備。在調(diào)試物理地址時(shí)，將唯一目標(biāo)逐一確定出來，按照設(shè)置的要求，在同一組內(nèi)放置有關(guān)設(shè)備；此外，將組地址設(shè)定出來，將指令發(fā)送給組地址相同的設(shè)備，并執(zhí)行動(dòng)作。在樓宇控制與家居領(lǐng)域中，KNX屬于唯一的國(guó)際化開放式標(biāo)準(zhǔn)，由歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHS融合發(fā)展而來。KNX有豐富的標(biāo)準(zhǔn)功能，可以在工業(yè)建筑以及功能性建筑中發(fā)揮重要作用，總線選擇電力線、無線通信以及雙絞線等作為通信介質(zhì)，KNX/EIB總線借助事件管控，通過這條總線完成電源控制與數(shù)據(jù)傳輸，其配置模式有S型、E型和A型3種，通過改變報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送的起始地址和奇偶校驗(yàn)標(biāo)志，達(dá)到異步傳輸直流信號(hào)的目的。

系統(tǒng)最基本的單元稱為線路，通常情況下在1條線路上可以掛接64個(gè)設(shè)備，設(shè)備電流不大于640 mA，設(shè)備編號(hào)為2～2-1。根據(jù)通信要求，每條線路的長(zhǎng)度應(yīng)小于1 000 m。總線工作支持電源與設(shè)備之間的距離不宜過大，在700 m之內(nèi)控制各個(gè)設(shè)備間的基本距離，通過增加系統(tǒng)設(shè)備，將相應(yīng)的總線設(shè)備數(shù)量增設(shè)進(jìn)去，最多可以將28個(gè)總線設(shè)備增設(shè)到1條線路上（1條線路最多可以增加28個(gè)總線設(shè)備）。

為了區(qū)分不同的目的設(shè)備，避免發(fā)送消息失敗或者誤發(fā)，每個(gè)設(shè)備都需要有1個(gè)唯一的識(shí)別地址，如同人一樣，有時(shí)候雖然名字一樣，但每個(gè)人的身份證號(hào)是唯一的。由于KNX技術(shù)的靈活性，因此總線設(shè)備可以輕松根據(jù)用戶要求做出相應(yīng)的改變。KNX總線根據(jù)控制要求對(duì)物理地址進(jìn)行分配，類似于網(wǎng)絡(luò)ABC類地址一樣，物理地址（Physical Address）用于定義設(shè)備在真實(shí)系統(tǒng)中的實(shí)際位置。通常有三層和兩層地址之分，按照區(qū)：線：設(shè)備進(jìn)行建立物理地址，A（區(qū)）：A=0～15；B（線）：B=0～15；C（設(shè)備）：C=0～255；同一個(gè)區(qū)域A相同；同一條支線B相同。最多可以將15條線路掛在每個(gè)區(qū)上 ，利用耦合器擴(kuò)充線路，從而提高系統(tǒng)的帶設(shè)備能力。

物理地址是KNX能夠識(shí)別的唯一地址，在機(jī)場(chǎng)、會(huì)議場(chǎng)所或者辦公大樓系統(tǒng)中，可以把1棟樓分成3個(gè)部分：1＞樓本身當(dāng)成一個(gè)區(qū)（A）；2＞一層當(dāng)成一條線（B）；3＞房間里的一個(gè)繼電器執(zhí)行器設(shè)備（C）。根據(jù)區(qū)域劃分，就可以正確定義三層地址了，每個(gè)設(shè)備都有唯一的設(shè)備地址，以確保正確地傳輸數(shù)據(jù)，有15個(gè)區(qū)在1個(gè)系統(tǒng)中，有14 400個(gè)系統(tǒng)設(shè)備，基本可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代樓宇的自動(dòng)化控制。

KNX總線具有中央控制功能，當(dāng)辦公樓里面沒有人時(shí)，可以設(shè)置定時(shí)關(guān)閉全部照明燈、切斷電源、關(guān)閉水閥和天然氣閥；根據(jù)光照強(qiáng)度控制窗簾，設(shè)置不同的KNX報(bào)警系統(tǒng)。根據(jù)具體房間的用途來設(shè)置不同的調(diào)光方案，會(huì)議室和電影院照明可以隨時(shí)根據(jù)客戶要求來變換；對(duì)照明應(yīng)用頻繁的辦公大樓，通過動(dòng)力傳感設(shè)備與紅外傳感設(shè)備的結(jié)合，達(dá)到節(jié)能的目的。通過不同的傳感器，例如溫度、濕度傳感器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)辦公室的環(huán)境，使員工在最佳的環(huán)境中工作，提高工作效率。由于網(wǎng)絡(luò)的傳輸可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，合理優(yōu)化配置資源，因此在智能家居和樓宇中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

根據(jù)客戶要求以及建筑圖紙將控制方案制定出來，再根據(jù)方案確定相應(yīng)的設(shè)備、型號(hào)、數(shù)量和位置，確定系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；繪制系統(tǒng)圖，軟件調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)控制系統(tǒng)要先劃分區(qū)域、線路以及掛接設(shè)備，該設(shè)計(jì)根據(jù)比賽要求分為3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有5條線路，就其中的A.B.C進(jìn)行物理地址分配。在區(qū)域A的5條線路中選擇1號(hào)線路進(jìn)行設(shè)備組態(tài)。確定控制方式系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定向各個(gè)分控站點(diǎn)發(fā)送命令，發(fā)送到KNX總線的電源模塊、繼電器模塊、控制面板模塊以及USB下載器模塊。各個(gè)模塊根據(jù)命令來控制燈光的點(diǎn)亮和熄滅，根據(jù)光照強(qiáng)度來調(diào)節(jié)燈的亮度、窗簾的開度和開合時(shí)間，控制元件同時(shí)將信號(hào)反饋給系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)。對(duì)調(diào)光器來說，Object1：開/關(guān)，1位；Object2：相對(duì)值調(diào)光，4位；對(duì)象3：絕對(duì)值調(diào)光，8位 ；根據(jù)三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)客廳吊燈5.4.1，switch控制方式，結(jié)合面板，左鍵短按為ON，右鍵短按為OFF；門廳射燈調(diào)光5.4.3左鍵長(zhǎng)按變亮，右鍵長(zhǎng)按變暗；5.4.5主臥窗簾采用場(chǎng)景控制和運(yùn)動(dòng)傳感器綜合控制，當(dāng)光照強(qiáng)度小于20勒克斯并且沒有人移動(dòng)時(shí)拉上窗簾。根據(jù)控制要求進(jìn)行KNX綜合配置確定系統(tǒng)拓?fù)鋱D，然后進(jìn)行軟件安裝與調(diào)試，最后實(shí)現(xiàn)控制功能。

2 KNX總線在智慧家居中的應(yīng)用

2.1 智慧家居中的控制要求

現(xiàn)代家居需要根據(jù)各房間的使用功能進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。主要有客廳、餐廳、廚房、主臥、次臥、衛(wèi)生間以及陽臺(tái)7個(gè)房間，根據(jù)智能家居的要求，門廳客廳要有1路吊燈調(diào)光，1路射調(diào)光，1路門廳開關(guān)，1路陽臺(tái)燈開關(guān)，1路窗簾控制，

統(tǒng)計(jì)7個(gè)房間，總共有調(diào)光5路，燈控制（繼電器）控制11路，窗簾控制4路，風(fēng)扇控制1路，因此需要6路調(diào)光器1個(gè)，每個(gè)調(diào)光器可以跟三按鍵面板配合控制來實(shí)現(xiàn)按鍵的左、右鍵控制和長(zhǎng)按、短按控制，三按鍵面板總控可以實(shí)現(xiàn)12種控制方式。利用KNX可以方便地實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)燈光、電器以及窗簾等的場(chǎng)景、調(diào)光控制；在自然光不充足的地下停車場(chǎng)或者車庫(kù)，車輛兩邊的燈光主要利用紅外線移動(dòng)感應(yīng)設(shè)備以及場(chǎng)景控制設(shè)備來控制，如果傳感器沒有輸入時(shí)，多個(gè)傳感器的輸入需要設(shè)計(jì)相互之間的邏輯關(guān)系，有“或”、“且”

和“非”等通過不同組合把燈具亮度降至設(shè)定值。該文以智慧家居為例，搭建了基于現(xiàn)場(chǎng)總線KNX的控制系統(tǒng)，并做了照明、窗簾、繼電器控制以及傳感器等試驗(yàn)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧家居能控制的要求，根據(jù)房間所需實(shí)現(xiàn)的功能、建筑平面圖和設(shè)備的布置平面圖進(jìn)行全面設(shè)計(jì)。房間照明由吊燈、射燈、 筒燈、 燈帶、窗簾、溫度傳感器、濕紅外傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、濕度傳感器以及繼電器等構(gòu)成， 控制回路較多且功能不一， 空間跨度較大， 門廳入口處配置1個(gè)多功能美標(biāo)智能面板M/DLP04.1-46。每個(gè)面板都可以實(shí)現(xiàn)左、右鍵和長(zhǎng)、短按鍵控制。由于系統(tǒng)需要開關(guān)、窗簾、調(diào)光和場(chǎng)景等控制方式，因此設(shè)計(jì)時(shí)選用TS/C 1.0數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，4路16 A繼電器M/R4.16.1，零功耗，超長(zhǎng)壽命，耗電小，執(zhí)行速度敏捷，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、地鐵、體驗(yàn)館、公園、建筑外墻、公路、娛樂場(chǎng)所以及公共道路工業(yè)控制等領(lǐng)域照明及開關(guān)控制。選用2路/10 A窗簾控制器。KNX-智能移動(dòng)傳感器M/HS05.1；KNX紅外超聲波雙鑒傳感器M/HSIU05.1；吸頂式紅外傳感器M/IS05.1；在同一范圍內(nèi)將軟件ETS4和IP地址設(shè)置在上位機(jī)中，進(jìn)而達(dá)到有效通信聯(lián)系上位機(jī)的目的，在機(jī)架的DIN軌道上安裝總線元件與執(zhí)行器，通過KNX總線連接總線元件元件與執(zhí)行器，并連接對(duì)應(yīng)的控制回路。

2.3 軟件控制方式設(shè)計(jì)

在完成硬件設(shè)計(jì)工作后，根據(jù)智能家居的控制需要，在編程設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇ETS4調(diào)試軟件來操作，首先，在ETS4中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，如果本來的項(xiàng)目中包括其他的數(shù)據(jù)庫(kù)，則根據(jù)需求去選擇應(yīng)用或者新建數(shù)據(jù)庫(kù)，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)模塊可以使用該數(shù)據(jù)庫(kù)。有了數(shù)據(jù)庫(kù)以后就要新建項(xiàng)目，根據(jù)提示創(chuàng)建新項(xiàng)目名稱，選定所用的介質(zhì)，在雙絞線和以太網(wǎng)中選擇雙絞線通信，選擇三級(jí)組地址，則系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建區(qū)、主線和線路。樓宇視圖是ETS的主要視圖。采用樓宇視圖可以根據(jù)實(shí)際的樓宇結(jié)構(gòu)完成KNX項(xiàng)目的構(gòu)建和KNX設(shè)備的插入工作。構(gòu)建樓宇時(shí)，可以使用以下元素：樓宇、樓宇部件、地板、走廊、房間以及儲(chǔ)物間，單擊右鍵添加設(shè)備，選擇合適的設(shè)備，然后修改設(shè)備名稱和物理地址。根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置，主要進(jìn)行面板的左/右鍵、長(zhǎng)/短按設(shè)置，調(diào)光器在不同光照強(qiáng)度LUX值下進(jìn)行調(diào)光數(shù)值的配置或者窗簾的開度配置，根據(jù)控制要求來實(shí)現(xiàn)特殊日期的控制。

世界技能大賽電氣裝置比賽中需要對(duì)常規(guī)的電氣裝置進(jìn)行電氣原理圖的識(shí)讀、電氣安裝圖的解讀以及使用軟件，電氣安裝圖主要是對(duì)常見的線槽進(jìn)行選擇和安裝，主要有40mm×20mm、20mm×10mm的PVC線槽，對(duì)位置尺寸的要求和夾角的要求，常見的為90°和120°等。線管的直徑為Φ40 mm、Φ20 mm、Φ16 mm，彎曲方法分為冷彎和熱彎，一般要求通過彎管器進(jìn)行冷彎，彎曲一次成型，中途不得進(jìn)行再次修正，以防止管子受損。管卡通常每隔30 mm～50 mm放置1個(gè)，彎頭處進(jìn)出線各有1個(gè)。金屬橋架的安裝需要根據(jù)電氣安裝圖裝配，連接時(shí)注意接地線的安裝，電氣安裝主要考察選手的安裝正確性和工藝要求；電氣控制部分對(duì)常見的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，包括正反轉(zhuǎn)、星三角、反接制動(dòng)、自動(dòng)往返控制以及高低速切換控制，這一部分主要考察選手的正確性和速度，機(jī)床線路故障檢修通過觀察現(xiàn)象來對(duì)整個(gè)電氣控制線路進(jìn)行檢修排除故障，通過萬用表對(duì)線路進(jìn)行檢查，如果比賽時(shí)不仔細(xì)，就可能會(huì)漏掉某些故障點(diǎn)，一般來說，車床磨床線路較為簡(jiǎn)單，鏜床線路較為復(fù)雜。如果這些部分都完成了，就要進(jìn)行KNX組態(tài)，最初的控制通過西門子LOGO來設(shè)定，相對(duì)來說其控制較為簡(jiǎn)單，但是時(shí)間有限，學(xué)生要全部完成也是比較困難的。KNX組態(tài)主要是對(duì)樓宇系統(tǒng)要求的控制進(jìn)行分析，設(shè)定好參數(shù)，然后進(jìn)行組網(wǎng)控制。期間要對(duì)三層物理地址進(jìn)行分配，還要為每個(gè)設(shè)備命名，以方便后期相互之間的配合控制。

參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行組地址，組地址是將所有的控制器和執(zhí)行器聯(lián)系到一起的紐帶，它架起了主體和客體的橋梁，在KNX系統(tǒng)中，通過相同的組地址來實(shí)現(xiàn)，具有相同組地址（Group address）的設(shè)備對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)相互通信與控制。組地址有三層和兩層之分，一般選擇三層組地址，其結(jié)構(gòu)形式如下：//，其中，=0～15；=0～7；=1～255；組地址0/0/0 保留，用于所謂的廣播報(bào)文（即發(fā)送至所有可達(dá)總線設(shè)備的報(bào)文）。如果是兩層組地址.：=0～15，=1～2047）。同一個(gè)對(duì)象可以鏈接多個(gè)組地址，不同對(duì)象可以使用相同組地址。

將不同設(shè)備增添到不同房間中，將各個(gè)設(shè)備的物理地址分別設(shè)置出來并進(jìn)行下載，利用組地址緊密連接通信對(duì)象，再將多個(gè)組地址帶給通信對(duì)象后，將連接豐富的通信對(duì)象構(gòu)建起來。門廳四聯(lián)觸摸開關(guān)面板的第 1～4 聯(lián)的 A1、B1、C1和D1 分別控制 WL1、WL2、WL3和WL4 回路，每聯(lián)面板的短按用于房間吊燈、射燈的開關(guān)，長(zhǎng)按用于餐廳和陽臺(tái)的調(diào)光；窗簾通過紅外傳感器和溫度傳感器進(jìn)行邏輯或控制，C2、D2 分別對(duì)場(chǎng)景一和場(chǎng)景二進(jìn)行控制，場(chǎng)景功能與編程列表見表1。

表1 場(chǎng)景功能與編程列表

配置完成后就可以下載，當(dāng)所有設(shè)備參數(shù)配置和組地址設(shè)置合適后就可用網(wǎng)線或者USB通信線進(jìn)行下載，初始下載時(shí)間較慢，當(dāng)軟件提示按編程按鈕時(shí)，長(zhǎng)按控制器3 s后系統(tǒng)自動(dòng)下載，下載成功后就可以對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行調(diào)試，在實(shí)際工程中，如果樓宇的應(yīng)用布局或使用需求發(fā)生變化，KNX系統(tǒng)不需要重新布線，只需要通過軟件或者控制器手動(dòng)修改總線上設(shè)備的參數(shù)和組地址，所有的功能都還可以通過觸摸屏監(jiān)控和操控，方便對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行集中管理。

3 運(yùn)行結(jié)果分析

系統(tǒng)在經(jīng)過分析、設(shè)計(jì)、硬件選擇、編程及調(diào)試后，全部滿足了智慧家居的控制要求。上位機(jī)通過USB接口或者以太網(wǎng)接口與KNX總線掛接在一起，實(shí)現(xiàn)了電源（Power supply）、按鍵面板（Pannel）、窗簾控制器（Curtain controller）、調(diào)光器（Dimmer controller） 、紅外控制器（HVAC controller）、繼電器（Switch controller）以及傳感器（PIR and Ultrasonic sensor）等設(shè)備的一線式總線控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安防、照明系統(tǒng)、窗簾控制、天然氣控制、供配電系統(tǒng)、空調(diào)與冷熱源系統(tǒng)以及給排水系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

4 結(jié)語

該文依托世界技能大賽電氣裝置項(xiàng)目，根據(jù)KNX的靈活、方便的易擴(kuò)展特性，利用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，方便、快捷地實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。KNX總線能夠在樓宇的整個(gè)生命周期內(nèi)高效運(yùn)行，照明、遮陽、采暖、通風(fēng)和空調(diào)之間的相互作用有助于節(jié)省更多的資源，應(yīng)用前景廣闊。