基于KNX總線的智慧家居研究與實現(xiàn)

魏孔貞 馬偉俊 孫紅英

（蘭州石化職業(yè)技術學院電子電氣工程學院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

當前，隨著通信和互聯(lián)網(wǎng)+技術的發(fā)展，網(wǎng)絡正在改變整個世界，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、機場以及體育場等大型公共場所，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)高速推動人工智能發(fā)展，由云計算與大數(shù)據(jù)輔助工作，智慧生活的發(fā)展具有更強的可操作性和舒適性，物聯(lián)網(wǎng)控制技術的發(fā)展將真正實現(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)行器是總線設備的3種類型。模擬量、開關量等信息利用總線完成報文發(fā)送，有效聯(lián)通各個設備?？刂埔蟆⑿畔⑿ｒ灪推鹗夹畔⑹荎NX報文的結構構成。校驗通過令牌環(huán)增加奇校驗或者偶校驗。報文只能對物理地址進行識別，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地址，表明數(shù)據(jù)的受體。設備的物理地址是唯一的，但可以有多個組地址，表明通過多個控制源來控制1臺設備。在調試物理地址時，將唯一目標逐一確定出來，按照設置的要求，在同一組內放置有關設備；此外，將組地址設定出來，將指令發(fā)送給組地址相同的設備，并執(zhí)行動作。在樓宇控制與家居領域中，KNX屬于唯一的國際化開放式標準，由歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHS融合發(fā)展而來。KNX有豐富的標準功能，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，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，通過改變報文數(shù)據(jù)發(fā)送的起始地址和奇偶校驗標志，達到異步傳輸直流信號的目的。

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個設備，設備電流不大于640 mA，設備編號為2～2-1。根據(jù)通信要求，每條線路的長度應小于1 000 m?？偩€工作支持電源與設備之間的距離不宜過大，在700 m之內控制各個設備間的基本距離，通過增加系統(tǒng)設備，將相應的總線設備數(shù)量增設進去，最多可以將28個總線設備增設到1條線路上（1條線路最多可以增加28個總線設備）。

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

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

KNX總線具有中央控制功能，當辦公樓里面沒有人時，可以設置定時關閉全部照明燈、切斷電源、關閉水閥和天然氣閥；根據(jù)光照強度控制窗簾，設置不同的KNX報警系統(tǒng)。根據(jù)具體房間的用途來設置不同的調光方案，會議室和電影院照明可以隨時根據(jù)客戶要求來變換；對照明應用頻繁的辦公大樓，通過動力傳感設備與紅外傳感設備的結合，達到節(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調節(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)絡的傳輸可以實時傳輸數(shù)據(jù)并進行分析，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用。

1.2 系統(tǒng)設計流程

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)方案確定相應的設備、型號、數(shù)量和位置，確定系統(tǒng)的拓撲結構；繪制系統(tǒng)圖，軟件調試，系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

整個控制系統(tǒng)要先劃分區(qū)域、線路以及掛接設備，該設計根據(jù)比賽要求分為3個區(qū)，每個區(qū)有5條線路，就其中的A.B.C進行物理地址分配。在區(qū)域A的5條線路中選擇1號線路進行設備組態(tài)。確定控制方式系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)參數(shù)設定向各個分控站點發(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。各個模塊根據(jù)命令來控制燈光的點亮和熄滅，根據(jù)光照強度來調節(jié)燈的亮度、窗簾的開度和開合時間，控制元件同時將信號反饋給系統(tǒng)信號發(fā)送系統(tǒng)。對調光器來說，Object1：開/關，1位；Object2：相對值調光，4位；對象3：絕對值調光，8位 ；根據(jù)三層結構進行設計。對客廳吊燈5.4.1，switch控制方式，結合面板，左鍵短按為ON，右鍵短按為OFF；門廳射燈調光5.4.3左鍵長按變亮，右鍵長按變暗；5.4.5主臥窗簾采用場景控制和運動傳感器綜合控制，當光照強度小于20勒克斯并且沒有人移動時拉上窗簾。根據(jù)控制要求進行KNX綜合配置確定系統(tǒng)拓撲圖，然后進行軟件安裝與調試，最后實現(xiàn)控制功能。

2 KNX總線在智慧家居中的應用

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行具體設計。主要有客廳、餐廳、廚房、主臥、次臥、衛(wèi)生間以及陽臺7個房間，根據(jù)智能家居的要求，門廳客廳要有1路吊燈調光，1路射調光，1路門廳開關，1路陽臺燈開關，1路窗簾控制，

統(tǒng)計7個房間，總共有調光5路，燈控制（繼電器）控制11路，窗簾控制4路，風扇控制1路，因此需要6路調光器1個，每個調光器可以跟三按鍵面板配合控制來實現(xiàn)按鍵的左、右鍵控制和長按、短按控制，三按鍵面板總控可以實現(xiàn)12種控制方式。利用KNX可以方便地實現(xiàn)房間內燈光、電器以及窗簾等的場景、調光控制；在自然光不充足的地下停車場或者車庫，車輛兩邊的燈光主要利用紅外線移動感應設備以及場景控制設備來控制，如果傳感器沒有輸入時，多個傳感器的輸入需要設計相互之間的邏輯關系，有“或”、“且”

和“非”等通過不同組合把燈具亮度降至設定值。該文以智慧家居為例，搭建了基于現(xiàn)場總線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。

2.2 硬件設計

根據(jù)智慧家居能控制的要求，根據(jù)房間所需實現(xiàn)的功能、建筑平面圖和設備的布置平面圖進行全面設計。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、運動傳感器、濕度傳感器以及繼電器等構成， 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個多功能美標智能面板M/DLP04.1-46。每個面板都可以實現(xiàn)左、右鍵和長、短按鍵控制。由于系統(tǒng)需要開關、窗簾、調光和場景等控制方式，因此設計時選用TS/C 1.0數(shù)字溫度傳感器進行溫度測量，4路16 A繼電器M/R4.16.1，零功耗，超長壽命，耗電小，執(zhí)行速度敏捷，廣泛應用于機場、地鐵、體驗館、公園、建筑外墻、公路、娛樂場所以及公共道路工業(yè)控制等領域照明及開關控制。選用2路/10 A窗簾控制器。KNX-智能移動傳感器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；在同一范圍內將軟件ETS4和IP地址設置在上位機中，進而達到有效通信聯(lián)系上位機的目的，在機架的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，并連接對應的控制回路。

2.3 軟件控制方式設計

在完成硬件設計工作后，根據(jù)智能家居的控制需要，在編程設計時可以選擇ETS4調試軟件來操作，首先，在ETS4中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，如果本來的項目中包括其他的數(shù)據(jù)庫，則根據(jù)需求去選擇應用或者新建數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)模塊可以使用該數(shù)據(jù)庫。有了數(shù)據(jù)庫以后就要新建項目，根據(jù)提示創(chuàng)建新項目名稱，選定所用的介質，在雙絞線和以太網(wǎng)中選擇雙絞線通信，選擇三級組地址，則系統(tǒng)自動創(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)實際的樓宇結構完成KNX項目的構建和KNX設備的插入工作。構建樓宇時，可以使用以下元素：樓宇、樓宇部件、地板、走廊、房間以及儲物間，單擊右鍵添加設備，選擇合適的設備，然后修改設備名稱和物理地址。根據(jù)控制要求進行設備參數(shù)設置，主要進行面板的左/右鍵、長/短按設置，調光器在不同光照強度LUX值下進行調光數(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常規(guī)的電氣裝置進行電氣原理圖的識讀、電氣安裝圖的解讀以及使用軟件，電氣安裝圖主要是對常見的線槽進行選擇和安裝，主要有40mm×20mm、20mm×10mm的PVC線槽，對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行冷彎，彎曲一次成型，中途不得進行再次修正，以防止管子受損。管卡通常每隔30 mm～50 mm放置1個，彎頭處進出線各有1個。金屬橋架的安裝需要根據(jù)電氣安裝圖裝配，連接時注意接地線的安裝，電氣安裝主要考察選手的安裝正確性和工藝要求；電氣控制部分對常見的電動機進行控制，包括正反轉、星三角、反接制動、自動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，機床線路故障檢修通過觀察現(xiàn)象來對整個電氣控制線路進行檢修排除故障，通過萬用表對線路進行檢查，如果比賽時不仔細，就可能會漏掉某些故障點，一般來說，車床磨床線路較為簡單，鏜床線路較為復雜。如果這些部分都完成了，就要進行KNX組態(tài)，最初的控制通過西門子LOGO來設定，相對來說其控制較為簡單，但是時間有限，學生要全部完成也是比較困難的。KNX組態(tài)主要是對樓宇系統(tǒng)要求的控制進行分析，設定好參數(shù)，然后進行組網(wǎng)控制。期間要對三層物理地址進行分配，還要為每個設備命名，以方便后期相互之間的配合控制。

參數(shù)設置完成后進行組地址，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現(xiàn)，具有相同組地址（Group address）的設備對象可以實現(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，其結構形式如下：//，其中，=0～15；=0～7；=1～255；組地址0/0/0 保留，用于所謂的廣播報文（即發(fā)送至所有可達總線設備的報文）。如果是兩層組地址.：=0～15，=1～2047）。同一個對象可以鏈接多個組地址，不同對象可以使用相同組地址。

將不同設備增添到不同房間中，將各個設備的物理地址分別設置出來并進行下載，利用組地址緊密連接通信對象，再將多個組地址帶給通信對象后，將連接豐富的通信對象構建起來。門廳四聯(lián)觸摸開關面板的第 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，長按用于餐廳和陽臺的調光；窗簾通過紅外傳感器和溫度傳感器進行邏輯或控制，C2、D2 分別對場景一和場景二進行控制，場景功能與編程列表見表1。

表1 場景功能與編程列表

配置完成后就可以下載，當所有設備參數(shù)配置和組地址設置合適后就可用網(wǎng)線或者USB通信線進行下載，初始下載時間較慢，當軟件提示按編程按鈕時，長按控制器3 s后系統(tǒng)自動下載，下載成功后就可以對單個器件進行調試，在實際工程中，如果樓宇的應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修改總線上設備的參數(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，方便對一個區(qū)域進行集中管理。

3 運行結果分析

系統(tǒng)在經(jīng)過分析、設計、硬件選擇、編程及調試后，全部滿足了智慧家居的控制要求。上位機通過USB接口或者以太網(wǎng)接口與KNX總線掛接在一起，實現(xiàn)了電源（Power supply）、按鍵面板（Pannel）、窗簾控制器（Curtain controller）、調光器（Dimmer controller） 、紅外控制器（HVAC controller）、繼電器（Switch controller）以及傳感器（PIR and Ultrasonic sensor）等設備的一線式總線控制，實現(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)、空調與冷熱源系統(tǒng)以及給排水系統(tǒng)的聯(lián)動。

4 結語

該文依托世界技能大賽電氣裝置項目，根據(jù)KNX的靈活、方便的易擴展特性，利用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，方便、快捷地實現(xiàn)樓宇自動化系統(tǒng)。KNX總線能夠在樓宇的整個生命周期內高效運行，照明、遮陽、采暖、通風和空調之間的相互作用有助于節(jié)省更多的資源，應用前景廣闊。