KNX/EIB、EnOcean和DALI技术在建筑能源管理中的应用

2013-09-21南京天溯自动化控制系统有限公司马如明

智能建筑与智慧城市 2013年3期

文｜南京天溯自动化控制系统有限公司马如明杨毅

文｜南京天溯自动化控制系统有限公司马如明杨毅

本文所阐述的智能控制系统遵循多种国际标准协议，融合物联网和智能电网配电技术，系统由传感执行层、网络层和应用层组成。传感执行层支持KNX、EnOcean、DALI等协议；网络层采用上述协议和以太网的两层架构；应用层为建筑集中和智能终端控制软件。系统功能包括灯光、遮光/百叶窗、供暖、新风、空调、智能家电、能耗监测等就地和远程控制，可广泛应用于公共建筑能源管理系统。

KNX/EIB EnOcean DALI 楼宇和家居控制无源无线

1 引言

近年来，随着国民经济的高速发展，高科技和信息技术的广泛应用，人们对住宅和工作环境更加舒适、智能和高效节能的要求越来越高。同时国家大力推进“绿色建筑、节能建筑、智能建筑”的新标准，不断加大政策倾斜力度，支持智能家居、智能建筑、新能源、信息技术发展。国家在“十二五节能减排综合性工作方案”中提出，到2015年，我国万元国内生产总值能耗相比2010下降16%，目标强制执行。在社会总能耗中建筑能耗占40%左右，实施建筑智能控制可降低能耗20%～40%，国家及各级政府对该产业给予重点扶持。

基于这些政策、市场、技术情况，本文提出了一种全新的采用国际标准技术和协议的能源管控系统，可以用于公共建筑能效管控，所包含产品可以与国外同类技术标准产品兼容，打破了国内楼宇智能控制市场被国外产品垄断的局面，还具备海外市场销售的条件。

2 系统技术基础

项目主要涉及了KNX、EnOcean、DALI三大技术。

2.1 KNX/EIB技术

KNX标准是唯一全球性的、开放型住宅和楼宇控制标准，已经被批准为欧洲、国际、中国、美国标准。标准包括TCP/IP、TP（双绞线电缆）、RF（射频）等介质的通讯协议技术。

KNX技术之所以得到国际广泛应用的原因主要有三点：

第一是采用弱电载波方式，把通信信号耦合在24V系统电源上，采用弱电控制强电的方式，具有操作安全、布线简单、布线施工后逻辑可以任意编程的优点。KNX系统控制原理如图1所示。

KNX第二个特点是采用域、线路、设备三层拓扑网络架构，每个设备都有单一的物理地址，域和线路取值0～15，设备取值0～255，则一个网络结构最多可配置15×15×256=57600个设备，并可以用线路耦合器用于总线隔离和信号驱动，可以满足大型控制系统。KNX系统拓扑如图2所示。

KNX/EIB技术之所以能够在全球得到广泛应用，其主要原因是协议的开发性、通用性，各家产品只要遵循协议和数据结构要求，就能做到不同厂家的产品直接兼容使用。协议栈的实现原理是采用对象和组的操作方式，采用地址表、关联表把功能和组对象关联起来。

2.2 自获能EnOcean无线技术

EnOcean技术能够从光、热、电波、振动、人体动作等自然界环境获得微弱能量驱动无线设备正常运行，无需外部供电，采用868MHz频段，传输速率为125kbps。工作原理如图3所示。

2.3 数字调光DALI技术

DALI数字化可寻址调光接口协议是目前国际上应用最广泛的面向三基色荧光节能灯照明控制的通信协议，DALI系统由一个主控节点和64个独立寻址的从控节点组成，从控节点可分成16组，统一从控节点可分在不同的组中，每个从控节点最多可设定16种照明场景，提供单控、组控和场景设置等功能，具备系统装置工作状态反馈机制。系统结构如图4所示。

3 系统架构设计

系统由传感执行层、网络层和应用层组成。传感执行层支持KNX、EnOcean、DALI等协议，包括各种传感器、执行设备；网络层采用上述协议和以太网的两层架构，包括家庭主机、各种网关、OPC接口等；应用层为建筑能效管控系统软件。系统结构设计考虑模块化、开放性、集中控制和独立运行相结合等因素。传感和执行设备基于KNX、DALI、EnOcean技术，各模块可以脱离家庭主机实现设备独立和设备之间关联逻辑联动，同时也可以通过各种终端软件经主机进行集中和远程控制，这样就确保了系统的双重稳定性，即使主机出现问题，能效管控系统也可以使用。

4 系统功能组成

本系统可以适用于大型公共建筑楼宇，公共建筑楼宇侧重节能，在进行系统功能设计时充分考虑这个领域的需求以及发达国家的发展现状和趋势，采用有线和无线结合的功能模块化的设计思路。

从传感执行层、网络层、应用层分别来说明。

（1）传感执行层

传感执行层包括系统各种传感输入和驱动负载的执行器，数据传感输入不但是用于系统功能的实现，也可以通过网关和网络上送区域级别的物联网络。考虑到各种应用环境和客户需求，系统可以接入KNX/EIB总线的传感器或者是通过网关接入ZigBee和EnOcean无线传感器。传感设备实现温度、光照度、人体移动、门窗位置、开光位置、风向、雨量、智能面板等信息的采集。执行层设备包括对三基色荧光灯的DALI调光，各种灯具的开闭和调光控制，窗帘、卷帘、百叶窗等开闭和角度控制，对风机盘管和分体空调的通信方式和红外控制。传感输入和执行输出可以逻辑绑定，由应用层采集传感信息，实现对执行设备的控制。采用KNX/EIB总线的好处在于设备之间可以实现组对象编程和控制，即使脱离控制主机也可以保障系统稳定运行。

（2）网络层

应用层和传感执行层的功能实现需要网络层的信息传输。网络层包括KNX/EIB、EnOcean、以太网、Wi-Fi，其他传输协议和物理介质如ZigBee等需要通过网关设备转换成网络层可以识别的协议和介质。KNX/EIB总线为信号耦合在总线电源的工作方式，所以网络需要电源模块提供电源和信号载体。网络层最重要的设备是主机，它实现系统内的信号采集和控制及系统就地和远程控制，达到各种网络之间的转换、各种子系统功能的接入和控制。

（3）应用层

应用层包括应用于平板电脑、智能手机、台式电脑上的集中控制软件，考虑到各种年龄和文化层次的用户群，控制软件采用直观的图形和房型结构图方式，各种交互设计基本实现“傻瓜化”操作。操作软件可以支持Windows、Andriod、Mac OS X等操作系统，并且方便调整屏幕的尺寸和分辨率。应用层还包括OPC接口软件，用于把系统接入小区物业、社区管理系统、能源管理、酒店PMS等外网系统，提升智能系统的客户使用价值。

5 系统主要技术实现

5.1 KNX/EIB技术实现

KNX标准的核心技术是基于各种物理介质的协议栈，其中基于TP介质的协议栈架构如图5所示。

虽然KNX是开放的国际标准，但是协会提供的标准文本很简略，很多细节需要自行不断摸索和尝试。另外，由于模块从总线取电，电流不能太大，模块都采取低功耗设计，处理器也只能选择功耗和资源相对较低的类型。在资源受限的情况下，实现完整的协议栈，同时还要保障系统的响应迅速，对整体的程序架构设计、程序运行效率都有很高的要求，以上这些都是技术实现的难点。

KNX（TP）协议栈主要包含物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。具有应用接口、配置和管理、虚拟内存等功能。

物理层是基于不同的物理介质，为设备提供接入KNX/EIB系统的物理实体。

KNX技术可以基于TP（双绞线）、RF（射频）、PL（电力线载波）、以太网等物理介质，但是目前主流的还是基于TP的方式，本系统也是基于该种物理介质。本系统设备采用FZE1066接口芯片实现物理层，物理层的主要功能包括物理层的初始化和关闭、报文发送和接收、ACK/NACK反校位处理等。物理层信号采用中断的方式进行采集。

链路层主要实现在网络实体间发送信息以及建立、维护和释放数据链路连接。链路层会检测差错并提供纠错功能，但不能对纠错的上报给网络层。链路层提供访问物理层的方法，并处理发送的访问信息优先顺序。链路层可以使用流控制来管理信息发送率并使用序列号方式来管理数据链路服务单元的排序。链路层提供对数据链路地址的识别，并向网络层提供其请求的服务结果。该层采用状态机的方式来管理上下层之间的数据交换状态。

网络层实现传输实体，独立于路由和网络段的拓扑结构，基于状态机控制实现传输层和链路层之间的数据传输，但向传输层屏蔽了如何使用底层资源来提供网络服务的细节。将链路层报送的错误和网络层发送的协议错误上送给传输层，提供对网络地址的识别，并可以向传输层提供其请求的服务结果。

传输层提供应用层实体数据的透明传输，并使其不必考虑实现可靠数据传输的具体方法。传输层可以提供五种不同的通信模式：点对多点、点对域、点对所有点、无连接点对点、面向连接点对点等。面向连接的实现组数据传输，无连接的可以实现功能数据的传输。

应用层实现了KNX/EIB设备应用进程访问总线通信资源，每个设备应用进程以应用实体代表其对等层。应用实体包含一个用户元素和一组应用服务元素，应用服务元素可以相互调用并在服务上执行其功能。应用层为应用进程提供应用服务，在不同设备间的应用进程通过通信模式进行相互操作。不同的通信模式决定了提供的应用层服务，一个应用层服务不为未被制定的通信模式应用。

对于一个KNX/EIB设备，内部各层之间的工作原理如图6所示。

数据在物理层和应用层之间上下逐层传输，每层数据独立，为了保证数据之间的传输可靠性，各层采用状态机机制来表示当前层的状态，并根据当前状态按照预定的机制运行服务功能。协议包含链路层状态机、网络层状态机、传输层状态机、下载状态机等。

KNX/EIB设备之所以能实现让各个厂家的产品兼容使用，根本原因是采用组对象机制，协会统一规范了组对象结构，任何厂家采用这一标准就能与其他厂家产品进行互联。KNX设备的进程模型如图7所示。

组对象代表一种功能组，对象被分配到许多设备，每个设备可以用于组对象的发送和接收，并可以包含众多组对象，每个对象被赋予一个或者多个组地址，并属于同样或不同的组。每个组有一个全网络范围唯一的组地址，组地址应通过传输层映射到本地组索引，组索引对应设备唯一的通信服务。应用层通过关联表将组索引映射到应用层服务点，这样就完成了通过组对象关联应用层服务的过程。

5.2 数字调光DALI技术实现

DALI技术的核心是调光镇流器、DALI协议、调光镇流器和荧光灯的状态反馈。协议本身是国际标准，这里不做阐述，主要说明调光和状态反馈的实现原理。

调光电子镇流器的结构如图8所示。

DALI系统从控节点控制单元和主控节点可进行通信，容易进入工作状态，但无法得到调光镇流器和荧光灯的状态，因为它们和主控节点没有直接通信，所以主控节点只能通过从控节点微处理器的检测间接取得。从控节点微处理器通过检测灯电流和灯电压获得镇流器和荧光灯的状态，再经DALI接口反馈回主控节点，实现DALI照明控制系统的三状态反馈控制，因此，大大提高了DALI系统的可用性。

5.3 自获能无线EnOcean技术实现

自获能EnOcean无线技术的核心包括协议栈和能量收集电路，其中协议栈结构如图9所示。

EnOcean协议栈具有一个模块化架构，功能被归类于多个软件模块上，每个模块有自身的功能和参数，可以通过在上层应用从模块中调用这些功能以实现各软件模块与应用程序的链接。例如：某个应用不需要UART通信功能，则可以不初始化UART通信模块，该模块也不会链接到应用中，这样可以获得更多可用的RAM和FLASH使用。

（1）DolphinAPI接口

DolphinAPI的软件模块可以通过EO3000I_API.H接口来访问。大部分软件模块是独立的，某些核心软件模块是不能通过应用直接访问的，如Scheduler、中断处理程序。其他的软件模块可以通过自身的一个接口被应用直接访问。每个应用可访问的软件模块都有两类接口：初始化接口和功能接口。

（2）ESSL层

ESSL层包含了Scheduler、电能管理、串口和无线协议栈以及外围部件的操作。DolphinAPI不执行典型的KERNEL架构。DolphinAPI和KEIL库对象的关联是在编译应用时完成的，因此是没有KERNEL和user space separation。同样没有内存管理，软件模块的内存分配在编译时完成。

（3）HAL层

HAL层（硬件抽象层）是库的最底层，它直接与最底层硬件交互。HAL层是EnOcean硬件平台的抽象化体现。

协议栈由EnOcean联盟制定，各个厂家依据统一的数据格式开发产品，可以实现各厂家产品兼容使用，每个设备具有全球唯一的ID，便于实现物联网数据信息采集。最新的EEP2.1协议还增加了加密措施，保证无线环境下使用的安全性。能量收集电路如图10所示。

为了能在没有电源供应的情况下实现快速启动和长时间运行，在能量收集电路中集成了一个小电容C1用于快速启动，和一个大电容C2用于长期储能。在初期C1和C2内没有电能，通过自获能，如太阳能给C1充电，C1的电压可以快速上升到Enocean芯片需要的工作电压并提供足够的电能启动芯片工作，启动后芯片将会打开大电容C2的充电回路，使多余能量储存在C2中，持续储能；当外界环境不能提供足够能量给C1时，C2将储存的电能提供给C1进而维持芯片工作，当外界环境再次提供足够能量时，C2再进行储能。如果外界环境能量供应长期处于不足的状态，C2电压低于芯片的启动电压，芯片将自动切断给C2的充电回路以及C2给芯片的供电回路，避免C2电容的过度放电而影响电容容量和寿命，同时保证下次从外界环境获能时可以快速启动和储能。