基于KNX的高層住宅智能家居系統(tǒng)控制

【摘要】本文結合某府邸智能家居系統(tǒng)工程案例，對KNX系統(tǒng)在高層住宅中的控制及應用加以研究，KNX系統(tǒng)是一個基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單元地址化結構設計，賦予每個功能部件相應單獨的物理地址。每個模塊都有微處理器，可獨立收發(fā)總線數據，完成傳感測量、運算、執(zhí)行、控制等功能。隨著應用場景和用戶需求的個性化，總線器件之間又可進行功能組合，完成燈光、窗簾、空調、新風、地暖等系統(tǒng)的一體化集成控制，實現(xiàn)輸出功能倍增的效果；并可根據自身的實際需要，對KNX系統(tǒng)設備進行自動、智能化管理。無須接觸底層設備與學習專業(yè)的知識，通過用戶端APP控制設置，也可對KNX系統(tǒng)設備進行自動控制。

【關鍵詞】個性化；功能組合；集成控制；APP控制

中圖分類號：G212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.066

隨著人們生活水平的提高，擁有一個安全、溫馨、舒適、便捷、有益健康的家居辦公環(huán)境，成為時下人們追求品質生活的主要目標。如何才能賦予家居辦公環(huán)境安全、高效、便捷、節(jié)能、健康等屬性成為了研究重點。原有高層住宅內的各子系統(tǒng)的分散管理或部分子系統(tǒng)（設備）的簡單集成管理，已無法滿足人們對品質生活的追求。在單個設備控制的基礎上，實現(xiàn)組網、集成的控制與管理，成為高層住宅建筑內設備管理系統(tǒng)的必然趨勢。

1. 家居系統(tǒng)功能需求分析

對家居系統(tǒng)功能需求加以分析，力求將高層住宅中燈光系統(tǒng)、窗簾系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、新風系統(tǒng)、地暖系統(tǒng)等子系統(tǒng)有機地結合為一個整體，例如：①與可視對講對接聯(lián)動控制；②在開門瞬間自動打開玄關照明，進入客廳自動關閉玄關照明；③白天回家模式時只打開客廳窗簾，晚上回家模式時打開客廳燈光同時關閉客廳窗簾；④在調節(jié)溫控面板溫度時，自動打開客廳的空調或地暖；⑤離家模式時，自動打開新風系統(tǒng)，凈化室內空氣。

針對上述需求，需依靠一個自動化控制系統(tǒng)，集成高層住宅內每一個獨立控制系統(tǒng)，故引入現(xiàn)場總線控制技術，實現(xiàn)一體化的集成管理KNX系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用一條雙絞線（i-bus總線）代替?zhèn)鹘y(tǒng)種類繁多的普通電纜，所有控制信號均通過此總線傳輸接收和發(fā)送總線數據，數據中包含溫濕度、光照度、CO2、PM2.5、智能面板輸入信號等參數，當參數滿足程序要求時，驅動器立刻執(zhí)行相應動作，完成燈光、窗簾、空調、新風、地暖等系統(tǒng)的一體化集成控制。

KNX控制系統(tǒng)每個模塊在控制功能上具有獨立性。在網絡通信正常條件下，某個元器件因故障或損壞停止工作后，不會影響總線上的其他設備運行，從側面體現(xiàn)出KNX系統(tǒng)有很好的可靠性和穩(wěn)定性。

2. KNX系統(tǒng)集成

2.1 可視對講系統(tǒng)集成

目前，可視對講產品均是廠家專有協(xié)議，基本無標準協(xié)議。不同廠家互不兼容，和各弱電系統(tǒng)也不能聯(lián)通，各系統(tǒng)之間的互聯(lián)成為集成控制的重點難題。通過采用外置協(xié)議轉換模塊（KNX網關），KNX系統(tǒng)即可實現(xiàn)“現(xiàn)場總線＋局域網”的數據交換，從而使可視對講完成與KNX系統(tǒng)對接控制。

可視對講發(fā)送開燈、窗簾、空調、新風、地暖指令時，通過協(xié)議轉換模塊（KNX網關），KNX系統(tǒng)接收到可視對講發(fā)出的上述指令，同時KNX系統(tǒng)對接收的信號指令進行處理，控制驅動器執(zhí)行相應動作，達到對各系統(tǒng)的控制。可視對講對接控制原理見圖1。

2.2 燈光控制系統(tǒng)

KNX控制系統(tǒng)驅動器模塊均為標準模/數化產品，可直接安裝在區(qū)域的強電配電箱中，每個照明回路對應KNX輸出控制模塊的一個具體通道，從而實現(xiàn)相應不同回路的開關或調光控制。位于現(xiàn)場的智能面板及功能傳感器則主要采用國標86盒或80底盒墻裝方式，整體系統(tǒng)安裝施工簡單，控制功能靈活且在發(fā)生功能變化時更易于調整。其原理如圖2所示。

KNX系統(tǒng)中所有輸入設備（如：面板、紅外移動探測器、照度傳感器）和輸出設備（如：開關驅動器、窗簾驅動器）均通過i-bus總線相互連接。當總線接收到輸入信號時，通過微處理電子技術向輸出模塊發(fā)送執(zhí)行指令，驅動負載，實現(xiàn)相應功能。這意味著在系統(tǒng)設備硬件不作任何改動的情況下，可通過對元器件的程序編譯來實現(xiàn)功能的靈活多變，以完成對區(qū)域內外的單一照明回路、或多回路的開關、調光、場景控制，同時也可進行區(qū)域的總開關控制。

2.3 窗簾控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)窗簾必須手動開關，操作較為繁瑣，針對該現(xiàn)象，窗簾控制系統(tǒng)逐漸得以應用。KNX系統(tǒng)控制通過驅動器控制窗簾電機的正反轉來實現(xiàn)窗簾的開閉（升降），與照度探測聯(lián)動窗簾開閉（升降）可充分利用自然光，減少能量損耗；與燈光控制聯(lián)動，可營造不同的氛圍場景，彰顯生活品質。其控制原理見圖3。

例如定時控制可為智能窗簾進行定時，通過時間表對其進行開啟和關閉的時間表控制策略，如同給鬧鐘定時一樣，每天早上太陽升起，定時控制遮光簾打開透光、紗簾仍關閉保護隱私；固定上床休息時間遮光簾則會緩緩拉上，帶來靜謐安寧的休息空間。有時需要把窗簾同時打開或關閉，則可通過一鍵聯(lián)動功能來實現(xiàn)。

2.4 空調系統(tǒng)集成

和市面上繁多的開關樣式相比，空調線控器的顏色極少，導致空調線控器的顏色與裝飾風格難以協(xié)調統(tǒng)一。通過KNX系統(tǒng)集成，多種溫控面板款式選擇易于滿足業(yè)主個性化裝修風格的需求。在追求智能系統(tǒng)的同時，亦可兼顧家中智能面板風格、色彩統(tǒng)一協(xié)調。除原有空調電源線外，一般只需多布置一根RVVP通訊線。采用RS-485布線方式，Modbus通信協(xié)議，KNX系統(tǒng)可以輕松讀取空調系統(tǒng)的各種狀態(tài)數據，比如空調運行模式、室外機溫度、室內溫度、室內機運行風速等。屏蔽雙絞線可靠接地有助于減少和消除兩根RS485通信線之間產生的分布電容以及來自于通訊線周圍產生的共模干擾。空調控制對接控制原理見圖4。

2.5 新風系統(tǒng)集成

新風系統(tǒng)集成方式與空調系統(tǒng)集成原理一致，通過RS-485布線方式，Modbus通信協(xié)議與KNX控制系統(tǒng)對接。人的身體無法精確判斷室內CO2濃度、空氣濕度、PM2.5值，此時使用KNX系統(tǒng)則可不斷監(jiān)測空氣質量來智能地保持健康的室內環(huán)境，為提前設置新風系統(tǒng)的開關、溫度、濕度等參數提供可靠依據，并且實現(xiàn)自動化控制。當室內溫度或濕度在一定范圍內時，KNX系統(tǒng)智能模塊將會自動調節(jié)新風系統(tǒng)的風速和風量，實現(xiàn)室內環(huán)境的舒適化。

2.6 地暖系統(tǒng)集成

KNX控制系統(tǒng)可分析室外溫度變化，進行溫度調整預判，同時也會根據室內實際溫度，及時調整室內舒適度。不僅如此，KNX控制系統(tǒng)還可根據主人居住習慣、喜好或有無人員等情況，自動調節(jié)溫度，從而達到節(jié)能環(huán)保的效果。

3. 系統(tǒng)難點問題與技術措施

3.1 時間表控制

（1）窗簾系統(tǒng)時間表控制：房間內電動窗簾可通過APP設置定時控制（例：布簾定時在早晨7點自動打開，紗簾保持閉合）。

（2）新風系統(tǒng)時間表控制：離家模式時，自動打開新風系統(tǒng)凈化室內空氣，KNX系統(tǒng)可通過APP設置時間表功能，每天定時段打開或關閉新風系統(tǒng)，晚上自動設定新風系統(tǒng)為最低速運行，保證安靜的室內環(huán)境。

（3）通過調用網關時鐘，場景觸發(fā)時引入網關時鐘控制，做到白天回家模式時只打開客廳窗簾，晚上回家模式時打開客廳燈光同時關閉客廳窗簾。

3.2 聯(lián)動控制

3.2.1 可視對講安防聯(lián)動控制

可視對講系統(tǒng)由于具有安全保護作用，往往采用專有通訊協(xié)議，且不對外開放通訊協(xié)議。增加外置協(xié)議轉換模塊（KNX網關），KNX系統(tǒng)可實現(xiàn)“現(xiàn)場總線＋局域網”的數據交換方式，把可視對接的專有協(xié)議轉換成為集成系統(tǒng)統(tǒng)一的KNX協(xié)議，做到無縫對接控制。在家庭安防方面此聯(lián)動控制功能表現(xiàn)尤為突出。當可視對講設置布防狀態(tài)后，如果KNX控制系統(tǒng)的紅外移動探測器檢測到家中有人非法入侵時，KNX系統(tǒng)可通過執(zhí)行器打開蜂鳴器發(fā)出警報音，同時可視對講系統(tǒng)也會第一時間把報警信號傳給物業(yè)中心。

3.2.2 空調地暖聯(lián)動控制

調節(jié)溫控面板溫度時，KNX系統(tǒng)網關可自動對采集的房間溫度與設置溫度進行比較，若設置溫度比房間溫度高3度以上啟動地暖開關，反之若溫度低3度以上則啟動空調開關，并可把溫控面板關閉時溫度統(tǒng)一設置為基準23度，基準溫度設置可有效避免程序誤判。同時，空調開關與地暖開關命令進行互鎖控制，在一鍵聯(lián)動控制場景時不會出現(xiàn)空調和地暖同時打開的情況，避免能耗浪費。

3.2.3 空氣質量聯(lián)動控制

為了聯(lián)動新風系統(tǒng)，引入空氣質量傳感器，檢測室內CO2濃度。CO2濃度含量與人體生理反應如下：350～450ppm：同一般室外環(huán)境；350～1000ppm：空氣清新、呼吸順暢；1000～2000ppm：感覺空氣渾濁引起不適。在新鮮空氣中，CO2含量約為0.036%（360ppm）至0.041%（410ppm）之間變化。故將閾值設為500ppm，若室內空氣質量傳感器檢測到CO2濃度高于500ppm，自動打開新風系統(tǒng)引入室外新鮮空氣；低于300ppm則自動關閉新風系統(tǒng)。

3.2.4 多塊溫控面板同步聯(lián)動顯示

當任意一個溫控面板向KNX控制系統(tǒng)設備發(fā)出控制指令，使得KNX控制系統(tǒng)設備狀態(tài)發(fā)生變化后，須將KNX控制系統(tǒng)設備的狀態(tài)同步到其他控制面板上。這時利用網關將每臺室內機的溫度讀寫區(qū)分開，多塊溫控面板顯示溫度調用網關讀取到的反饋讀取溫度，實現(xiàn)多塊面板的溫度同步顯示功能。

3.2.5 兒童房電視插座聯(lián)動控制

主人房的智能面板可對兒童房的電視插座實現(xiàn)強行關閉鎖死控制，實現(xiàn)有效的強制管理，可有效保護兒童視力。

3.3 場景控制

KNX系統(tǒng)的智能面板可實現(xiàn)一鍵式多功能場景切換控制（例：閱讀場景、休息場景、影音場景和總開/關功能等）。為了統(tǒng)一裝修風格，KNX系統(tǒng)部分面板使用無源干接點復位面板，為使按鍵按下時存在次數之分，增設一個邏輯功能，每次面板按下時對信號進行累計，使其信號傳遞數量得以區(qū)分，再針對不同數量設置不同功能場景。在計數累積到一定數量時，再做減法邏輯運算，使之形成一個循環(huán)控制。具體邏輯如圖5所示。

4. 結束語

高層住宅KNX控制系統(tǒng)利用微處理電子技術，將家庭中的燈光、窗簾、空調、新風、地暖等系統(tǒng)都集成在一個平臺上。通過智能化技術把多個系統(tǒng)功能疊加在一起，可更好地提升各系統(tǒng)的使用效率，更有效地減少能源消耗，達到節(jié)約成本功能倍增的效果。KNX系統(tǒng)還可根據人們的生活規(guī)律、使用習慣等應用場景自動對各系統(tǒng)設備進行智能管理，為高層住宅創(chuàng)造一個安全、溫馨、舒適、便捷、有益于健康的家居辦公環(huán)境，大幅提升人們的生活品質。

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作者簡介：徐賢明，工程師，研究方向：智能控制.