基于KNX总线的智慧家居研究与实现

2022-08-05魏孔贞马伟俊孙红英

中国新技术新产品 2022年8期

魏孔贞马伟俊孙红英

（兰州石化职业技术学院电子电气工程学院，甘肃兰州 730060）

0 引言

当前，随着通信和互联网+技术的发展，网络正在改变整个世界，人类的生活正在发生翻天覆地的变化，随着智能楼宇的出现，不论是医院、高铁站、机场以及体育场等大型公共场所，还是都市居民家居生活，都逐渐开辟了现代生活新境界。借助物联网高速推动人工智能发展，由云计算与大数据辅助工作，智慧生活的发展具有更强的可操作性和舒适性，物联网控制技术的发展将真正实现现代生活的高度智能化、信息化和人性化。

1 控制要求

1.1 系统概况

控制器、传感器和执行器是总线设备的3种类型。模拟量、开关量等信息利用总线完成报文发送，有效联通各个设备。控制要求、信息校验和起始信息是KNX报文的结构构成。校验通过令牌环增加奇校验或者偶校验。报文只能对物理地址进行识别，将数据的源地址表示出来，可以把组地址或者物理地址作为目标地址，表明数据的受体。设备的物理地址是唯一的，但可以有多个组地址，表明通过多个控制源来控制1台设备。在调试物理地址时，将唯一目标逐一确定出来，按照设置的要求，在同一组内放置有关设备；此外，将组地址设定出来，将指令发送给组地址相同的设备，并执行动作。在楼宇控制与家居领域中，KNX属于唯一的国际化开放式标准，由欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHS融合发展而来。KNX有丰富的标准功能，可以在工业建筑以及功能性建筑中发挥重要作用，总线选择电力线、无线通信以及双绞线等作为通信介质，KNX/EIB总线借助事件管控，通过这条总线完成电源控制与数据传输，其配置模式有S型、E型和A型3种，通过改变报文数据发送的起始地址和奇偶校验标志，达到异步传输直流信号的目的。

系统最基本的单元称为线路，通常情况下在1条线路上可以挂接64个设备，设备电流不大于640 mA，设备编号为2～2-1。根据通信要求，每条线路的长度应小于1 000 m。总线工作支持电源与设备之间的距离不宜过大，在700 m之内控制各个设备间的基本距离，通过增加系统设备，将相应的总线设备数量增设进去，最多可以将28个总线设备增设到1条线路上（1条线路最多可以增加28个总线设备）。

为了区分不同的目的设备，避免发送消息失败或者误发，每个设备都需要有1个唯一的识别地址，如同人一样，有时候虽然名字一样，但每个人的身份证号是唯一的。由于KNX技术的灵活性，因此总线设备可以轻松根据用户要求做出相应的改变。KNX总线根据控制要求对物理地址进行分配，类似于网络ABC类地址一样，物理地址（Physical Address）用于定义设备在真实系统中的实际位置。通常有三层和两层地址之分，按照区：线：设备进行建立物理地址，A（区）：A=0～15；B（线）：B=0～15；C（设备）：C=0～255；同一个区域A相同；同一条支线B相同。最多可以将15条线路挂在每个区上，利用耦合器扩充线路，从而提高系统的带设备能力。

物理地址是KNX能够识别的唯一地址，在机场、会议场所或者办公大楼系统中，可以把1栋楼分成3个部分：1＞楼本身当成一个区（A）；2＞一层当成一条线（B）；3＞房间里的一个继电器执行器设备（C）。根据区域划分，就可以正确定义三层地址了，每个设备都有唯一的设备地址，以确保正确地传输数据，有15个区在1个系统中，有14 400个系统设备，基本可以实现现代楼宇的自动化控制。

KNX总线具有中央控制功能，当办公楼里面没有人时，可以设置定时关闭全部照明灯、切断电源、关闭水阀和天然气阀；根据光照强度控制窗帘，设置不同的KNX报警系统。根据具体房间的用途来设置不同的调光方案，会议室和电影院照明可以随时根据客户要求来变换；对照明应用频繁的办公大楼，通过动力传感设备与红外传感设备的结合，达到节能的目的。通过不同的传感器，例如温度、湿度传感器可以自动调节办公室的环境，使员工在最佳的环境中工作，提高工作效率。由于网络的传输可以实时传输数据并进行分析，合理优化配置资源，因此在智能家居和楼宇中得到了广泛应用。

1.2 系统设计流程

根据客户要求以及建筑图纸将控制方案制定出来，再根据方案确定相应的设备、型号、数量和位置，确定系统的拓扑结构；绘制系统图，软件调试，系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

整个控制系统要先划分区域、线路以及挂接设备，该设计根据比赛要求分为3个区，每个区有5条线路，就其中的A.B.C进行物理地址分配。在区域A的5条线路中选择1号线路进行设备组态。确定控制方式系统初始化，系统参数设定向各个分控站点发送命令，发送到KNX总线的电源模块、继电器模块、控制面板模块以及USB下载器模块。各个模块根据命令来控制灯光的点亮和熄灭，根据光照强度来调节灯的亮度、窗帘的开度和开合时间，控制元件同时将信号反馈给系统信号发送系统。对调光器来说，Object1：开/关，1位；Object2：相对值调光，4位；对象3：绝对值调光，8位；根据三层结构进行设计。对客厅吊灯5.4.1，switch控制方式，结合面板，左键短按为ON，右键短按为OFF；门厅射灯调光5.4.3左键长按变亮，右键长按变暗；5.4.5主卧窗帘采用场景控制和运动传感器综合控制，当光照强度小于20勒克斯并且没有人移动时拉上窗帘。根据控制要求进行KNX综合配置确定系统拓扑图，然后进行软件安装与调试，最后实现控制功能。

2 KNX总线在智慧家居中的应用

2.1 智慧家居中的控制要求

现代家居需要根据各房间的使用功能进行具体设计。主要有客厅、餐厅、厨房、主卧、次卧、卫生间以及阳台7个房间，根据智能家居的要求，门厅客厅要有1路吊灯调光，1路射调光，1路门厅开关，1路阳台灯开关，1路窗帘控制，

统计7个房间，总共有调光5路，灯控制（继电器）控制11路，窗帘控制4路，风扇控制1路，因此需要6路调光器1个，每个调光器可以跟三按键面板配合控制来实现按键的左、右键控制和长按、短按控制，三按键面板总控可以实现12种控制方式。利用KNX可以方便地实现房间内灯光、电器以及窗帘等的场景、调光控制；在自然光不充足的地下停车场或者车库，车辆两边的灯光主要利用红外线移动感应设备以及场景控制设备来控制，如果传感器没有输入时，多个传感器的输入需要设计相互之间的逻辑关系，有“或”、“且”

和“非”等通过不同组合把灯具亮度降至设定值。该文以智慧家居为例，搭建了基于现场总线KNX的控制系统，并做了照明、窗帘、继电器控制以及传感器等试验。

2.2 硬件设计

根据智慧家居能控制的要求，根据房间所需实现的功能、建筑平面图和设备的布置平面图进行全面设计。房间照明由吊灯、射灯、筒灯、灯带、窗帘、温度传感器、湿红外传感器、运动传感器、湿度传感器以及继电器等构成，控制回路较多且功能不一，空间跨度较大，门厅入口处配置1个多功能美标智能面板M/DLP04.1-46。每个面板都可以实现左、右键和长、短按键控制。由于系统需要开关、窗帘、调光和场景等控制方式，因此设计时选用TS/C 1.0数字温度传感器进行温度测量，4路16 A继电器M/R4.16.1，零功耗，超长寿命，耗电小，执行速度敏捷，广泛应用于机场、地铁、体验馆、公园、建筑外墙、公路、娱乐场所以及公共道路工业控制等领域照明及开关控制。选用2路/10 A窗帘控制器。KNX-智能移动传感器M/HS05.1；KNX红外超声波双鉴传感器M/HSIU05.1；吸顶式红外传感器M/IS05.1；在同一范围内将软件ETS4和IP地址设置在上位机中，进而达到有效通信联系上位机的目的，在机架的DIN轨道上安装总线元件与执行器，通过KNX总线连接总线元件元件与执行器，并连接对应的控制回路。

2.3 软件控制方式设计

在完成硬件设计工作后，根据智能家居的控制需要，在编程设计时可以选择ETS4调试软件来操作，首先，在ETS4中创建数据库，如果本来的项目中包括其他的数据库，则根据需求去选择应用或者新建数据库，以便后续的数据模块可以使用该数据库。有了数据库以后就要新建项目，根据提示创建新项目名称，选定所用的介质，在双绞线和以太网中选择双绞线通信，选择三级组地址，则系统自动创建区、主线和线路。楼宇视图是ETS的主要视图。采用楼宇视图可以根据实际的楼宇结构完成KNX项目的构建和KNX设备的插入工作。构建楼宇时，可以使用以下元素：楼宇、楼宇部件、地板、走廊、房间以及储物间，单击右键添加设备，选择合适的设备，然后修改设备名称和物理地址。根据控制要求进行设备参数设置，主要进行面板的左/右键、长/短按设置，调光器在不同光照强度LUX值下进行调光数值的配置或者窗帘的开度配置，根据控制要求来实现特殊日期的控制。

世界技能大赛电气装置比赛中需要对常规的电气装置进行电气原理图的识读、电气安装图的解读以及使用软件，电气安装图主要是对常见的线槽进行选择和安装，主要有40mm×20mm、20mm×10mm的PVC线槽，对位置尺寸的要求和夹角的要求，常见的为90°和120°等。线管的直径为Φ40 mm、Φ20 mm、Φ16 mm，弯曲方法分为冷弯和热弯，一般要求通过弯管器进行冷弯，弯曲一次成型，中途不得进行再次修正，以防止管子受损。管卡通常每隔30 mm～50 mm放置1个，弯头处进出线各有1个。金属桥架的安装需要根据电气安装图装配，连接时注意接地线的安装，电气安装主要考察选手的安装正确性和工艺要求；电气控制部分对常见的电动机进行控制，包括正反转、星三角、反接制动、自动往返控制以及高低速切换控制，这一部分主要考察选手的正确性和速度，机床线路故障检修通过观察现象来对整个电气控制线路进行检修排除故障，通过万用表对线路进行检查，如果比赛时不仔细，就可能会漏掉某些故障点，一般来说，车床磨床线路较为简单，镗床线路较为复杂。如果这些部分都完成了，就要进行KNX组态，最初的控制通过西门子LOGO来设定，相对来说其控制较为简单，但是时间有限，学生要全部完成也是比较困难的。KNX组态主要是对楼宇系统要求的控制进行分析，设定好参数，然后进行组网控制。期间要对三层物理地址进行分配，还要为每个设备命名，以方便后期相互之间的配合控制。

参数设置完成后进行组地址，组地址是将所有的控制器和执行器联系到一起的纽带，它架起了主体和客体的桥梁，在KNX系统中，通过相同的组地址来实现，具有相同组地址（Group address）的设备对象可以实现相互通信与控制。组地址有三层和两层之分，一般选择三层组地址，其结构形式如下：//，其中，=0～15；=0～7；=1～255；组地址0/0/0 保留，用于所谓的广播报文（即发送至所有可达总线设备的报文）。如果是两层组地址.：=0～15，=1～2047）。同一个对象可以链接多个组地址，不同对象可以使用相同组地址。

将不同设备增添到不同房间中，将各个设备的物理地址分别设置出来并进行下载，利用组地址紧密连接通信对象，再将多个组地址带给通信对象后，将连接丰富的通信对象构建起来。门厅四联触摸开关面板的第 1～4 联的 A1、B1、C1和D1 分别控制 WL1、WL2、WL3和WL4 回路，每联面板的短按用于房间吊灯、射灯的开关，长按用于餐厅和阳台的调光；窗帘通过红外传感器和温度传感器进行逻辑或控制，C2、D2 分别对场景一和场景二进行控制，场景功能与编程列表见表1。

表1 场景功能与编程列表

配置完成后就可以下载，当所有设备参数配置和组地址设置合适后就可用网线或者USB通信线进行下载，初始下载时间较慢，当软件提示按编程按钮时，长按控制器3 s后系统自动下载，下载成功后就可以对单个器件进行调试，在实际工程中，如果楼宇的应用布局或使用需求发生变化，KNX系统不需要重新布线，只需要通过软件或者控制器手动修改总线上设备的参数和组地址，所有的功能都还可以通过触摸屏监控和操控，方便对一个区域进行集中管理。

3 运行结果分析

系统在经过分析、设计、硬件选择、编程及调试后，全部满足了智慧家居的控制要求。上位机通过USB接口或者以太网接口与KNX总线挂接在一起，实现了电源（Power supply）、按键面板（Pannel）、窗帘控制器（Curtain controller）、调光器（Dimmer controller）、红外控制器（HVAC controller）、继电器（Switch controller）以及传感器（PIR and Ultrasonic sensor）等设备的一线式总线控制，实现系统的安防、照明系统、窗帘控制、天然气控制、供配电系统、空调与冷热源系统以及给排水系统的联动。