胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

【摘要】于現(xiàn)代照明對(duì)靈活性、舒適性、節(jié)能性和智能化的要求，提出KNX現(xiàn)場(chǎng)總線控制的智能照明系統(tǒng)的方案。在介紹KNX總線系統(tǒng)的組成及通信原理的基礎(chǔ)上，以報(bào)告廳為例，詳細(xì)介紹KNX總線系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、集中控制、場(chǎng)景控制等多種靈活控制功能，具有節(jié)能性、交互性和兼容性的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的應(yīng)用，充分展現(xiàn)了KNX現(xiàn)場(chǎng)總線的智能性、開放性、便利性和靈活性，滿足了現(xiàn)代智能照明的要求，為類似照明控制提出借鑒。 

【關(guān)鍵詞】KNX總線；智能照明；bus；報(bào)告廳；Winswitch3 

 

0 引 言

     隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)照明的要求也不斷提高，當(dāng)前，照明不僅要滿足人們?cè)谝曈X上豐富的感官效果，而且要滿足人們對(duì)照明舒適性、節(jié)能性、自動(dòng)化與信息化等方面的要求。傳統(tǒng)手動(dòng)控制、BAS控制的照明控制方式控制模式固定，控制效果單一，已無法滿足人們對(duì)現(xiàn)代照明的要求，更不能滿足人們對(duì)照明智能化和節(jié)能降耗的追求。依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)而發(fā)展起來的智能照明技術(shù)可以很好解決上述問題，為此得到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。 

     當(dāng)前，智能照明技術(shù)一般可分為電力載波類、無線控制類和總線控制類。張玉杰等研究了電力載波類智能照明控制系統(tǒng)及應(yīng)用，采用低壓電力線路作為智能照明系統(tǒng)的信號(hào)傳輸線路，避免重復(fù)布線，減少布線和施工成本，但是電力載波信號(hào)受負(fù)載變化、脈沖干擾影響衰減較為嚴(yán)重，由于無沖突避免機(jī)制，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、丟失，不適合長距離、多設(shè)備通信。孫海艷等研究了基于ZigBee的智能照明技術(shù)，王曦等研究了基于遠(yuǎn)程紅外的智能照明技術(shù)，曹祥紅等研究了基于WiFi的智能照明技術(shù)，這些智能照明技術(shù)均屬于無線控制類智能照明控制系統(tǒng)，應(yīng)用時(shí)無需布線，操作靈活方便，適合于面積較小的智能家居，由于其無線信號(hào)受障礙物影響而衰減嚴(yán)重，無法應(yīng)用于需要大面積、遠(yuǎn)距 離通信的智能照明控制場(chǎng)合。對(duì)于總線控制類的智能照明技術(shù)，郭鐵橋等研究了基于CAN的智能照明控制技術(shù)，于莉媛等研究了基于C—Bus總線的智能照明控制技術(shù)，這些總線類的照明技術(shù)均滿足了現(xiàn)代照明要求，具有控制效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足大空問、多設(shè)備、遠(yuǎn)距離智能照明控制要求，但是總線協(xié)議的交互性、兼容性相對(duì)較差。KNX總線技術(shù)基于全球性的住宅與樓字控制標(biāo)準(zhǔn)，提供開發(fā)式的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，不僅具有電力載波類、無線控制類、總線控制類智能照明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很好的交互性和兼容性。因此，本文提出基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)方案，以報(bào)告廳為例，介紹系統(tǒng)的開關(guān)控制、調(diào)光控制、感應(yīng)控制 和場(chǎng)景控制等控制功能，從而實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化、舒適性和節(jié)能性等效果。 

 

1 系統(tǒng)組成及通信原理 

     KNX硬件系統(tǒng)由系統(tǒng)元件、傳感器和執(zhí)行器三部分元件構(gòu)成，采用KNX總線通信，設(shè)備之間以雙絞線為傳輸介質(zhì)，以KNX報(bào)文實(shí)現(xiàn)信息傳遞，其中報(bào)文結(jié)構(gòu)包括控制字段、地址段、長度、實(shí)用數(shù)據(jù)等，控制字段控制報(bào)文是否重復(fù)、報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級(jí)等。 地址段由源地址與目標(biāo)地址組成，源地址為總線元件的物理地址，按照域一線路一總線元件的方式配置，每個(gè)物理地址均W一的，為總線元件之間區(qū)別的W一地址，用于系統(tǒng)調(diào)試、檢測(cè)及維護(hù)。目標(biāo)地址為總線元件的組地址，按照主組/中間組/子組方式 配置，用于連接傳感器與執(zhí)行器的功能。編程時(shí)傳感器只能發(fā)送一個(gè)組地址命令，執(zhí)行器可以接收多個(gè)組地址的命令，其結(jié)構(gòu)如表l所示。長度字段記錄實(shí)用數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，實(shí)用數(shù)據(jù)段用于定義應(yīng)用的不同功能，檢驗(yàn)字節(jié)用于對(duì)報(bào)文執(zhí)行奇偶校驗(yàn)。

表1 物理地址與組地址

 

2 KNX總線在報(bào)告廳照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

 

2.1 報(bào)告廳照明控制要求 

     報(bào)告廳作為各類會(huì)議、新聞發(fā)布、報(bào)告、演講等活動(dòng)的重要場(chǎng)所，對(duì)照明要求較高。本文以一般報(bào)告廳為例，介紹基于KNX總 線的報(bào)告廳智能照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用。一般報(bào)告廳包含大會(huì)議廳、貴賓室等房間，要求照明系統(tǒng)具有開關(guān)、調(diào)光、分區(qū)、遙控、集中控制等多種控制方式，對(duì)不同應(yīng)用模式具備不同的場(chǎng)景控制。比如在報(bào)告模式，要關(guān)閉報(bào)告廳聽眾席的燈光，逐漸調(diào)暗投影儀周圍的燈光，在保證基本照明的情況下，更大限度地觀看投影內(nèi)容；在討論交流模式，要求打開并調(diào)亮主席臺(tái)與聽眾席位上所有的燈光等，作為公共大空間環(huán)境，要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，并具備一定的節(jié)能效果。 

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

     根據(jù)報(bào)告廳照明控制要求，系統(tǒng)采用符合KNX現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的bus智能建筑控制系統(tǒng)。依據(jù)報(bào)告廳的建筑平面圖，設(shè)計(jì)bus控制平面圖，如圖l所示。

圖1 bus控制平面圖

     報(bào)告廳由貴賓室、大會(huì)議室和設(shè)備控制室組成，考慮bus需要對(duì)貴賓室和大會(huì)議室燈光設(shè)備的控制，貴賓室照明由筒燈、射燈和燈帶等燈具構(gòu)成，控制回路多，且貴賓廳使用較少，因此，設(shè)計(jì)時(shí)在貴賓室配置6324五聯(lián)智能面板一個(gè)和6131移動(dòng)感應(yīng)器一個(gè)。大會(huì)議室由筒燈、壁燈等燈具構(gòu)成，控制回路多，空間跨度大，設(shè)計(jì)時(shí)在報(bào)告廳入口處配置一個(gè)6324五聯(lián)智能面板。設(shè)備控制室控制設(shè)備較少，配置6324五聯(lián)智能面板一個(gè)。對(duì)于系 統(tǒng)執(zhí)行器的選擇，由于系統(tǒng)需要開關(guān)控制、調(diào)光控制等控制方式，設(shè)計(jì)時(shí)選用SA/S12.16.1開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、6197+6593+6594調(diào)光控制器、UD/S 2．230．1通用調(diào)光器等為執(zhí)行器，配置系統(tǒng)元件SV/S30.640.5，所有執(zhí)行器和總線元件均安裝在配電箱的DIN 導(dǎo)軌上，執(zhí)行器和總線元件設(shè)備之間用bus總線J—Y(st)YH相連，并連接至現(xiàn)場(chǎng)傳感器。

 

 

2.3 軟件設(shè)計(jì) 

     在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)報(bào)告廳智能照明控制要求， 需要對(duì)智能照明系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)的軟件編程采用ETS3編程軟件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)首先在ETS3中創(chuàng)建房間，在房間中添加傳感器、執(zhí)行器和總線元件，設(shè)置傳感器和執(zhí)行器的物理地址，分別下載物理地址。之后根據(jù)功能的不同設(shè)置組地址，功能相同的對(duì)象組地址相同，傳感器同一功能只能有一個(gè)組地址，執(zhí)行器組地址根據(jù)控制功能的不同可以劃分多個(gè)組地址。考慮到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序較長，選取貴賓廳燈光控制來介紹軟件編程設(shè)計(jì)，貴賓廳五聯(lián)面板的第一、二、三聯(lián)分別控制WL3、WL4、WL5回路，每聯(lián)面板的短按為對(duì)回路進(jìn)行開關(guān)控制，長按為對(duì)回路進(jìn)行調(diào)光控制，基本功能與編程如圖2所示。

圖2 貴賓廳基本功能與編程

 

3 運(yùn)行結(jié)果分析

     系統(tǒng)經(jīng)過編程調(diào)試，測(cè)試運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。圖3為貴賓廳組態(tài)軟件Wimwitch3的監(jiān)控界面圖，監(jiān)控界面上設(shè)置總開關(guān)和各組燈光分開關(guān)，可分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)燈光進(jìn)行集中控制。當(dāng)前，左邊筒燈和右邊筒燈處于打開狀態(tài)，其余燈光處于關(guān)閉狀態(tài)，滿足控制要求。應(yīng)用過程中，系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)面板和感應(yīng)器的控制狀態(tài)可實(shí)時(shí)反饋到監(jiān)控界面，監(jiān)控界面的控制命令也通過KNX總線傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，具有很好的交互性。當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)面板或監(jiān)控界面開關(guān)打開而燈光不亮?xí)r，可檢查總線是否工作正常、驅(qū)動(dòng)器是否正常及回路斷路器是否處于打開的狀態(tài)，判斷故障原因，便于查找故障。系統(tǒng)采用6324面板具有遙控控制功能，通過相應(yīng)的遙控開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控控制。

圖3系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

     考慮到貴賓廳使用較少，系統(tǒng)在貴賓廳采用了6131移動(dòng)感應(yīng)器，做到有人開燈、無人延時(shí)關(guān)燈，即節(jié)約能量，又實(shí)現(xiàn)人性化的管理。大會(huì)議室采用報(bào)告會(huì)場(chǎng)景、演講會(huì)場(chǎng)景、清掃場(chǎng)景、離開 場(chǎng)景等多種場(chǎng)景，合理控制開燈時(shí)間和調(diào)節(jié)燈光亮度，提供光源利用率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。

系統(tǒng)應(yīng)用過程中，KNX總線系統(tǒng)在保證獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)，可通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)關(guān)接口或采用RS232接口就可以同整棟大樓的BA系統(tǒng)，或上層管理平臺(tái)BMS服務(wù)器和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享；通過系統(tǒng)輸入元件，接受其他系統(tǒng)或工作人員發(fā)出的干結(jié)點(diǎn)信號(hào)和交直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和會(huì)議系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，使控制的燈光或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)變化。因此，采用KNX總線的智能照明系統(tǒng)具有控制靈活和兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。

 

4 安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

     Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)，是基于KNX總線技術(shù)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。KNX總線技術(shù)起源于歐洲，是在EIB，Batibus和EHS這三種住宅和樓宇的總線控制技術(shù)上發(fā)展起來的，其中EIB（EuropeanInstallationBus,歐洲安裝總線）是該總線技術(shù)的主體。

     Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的2*2*0.8EIBBUS總線（即KNX總線）作為總線線纜，將所有的智能照明控制模塊連接到一起并組成一套完整的控制系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)照明燈具的遠(yuǎn)程集中控制，又可實(shí)現(xiàn)就近控制功能。該系統(tǒng)理論可連接控制模塊數(shù)量達(dá)580000多個(gè)。

安科瑞智能照明產(chǎn)品種類齊全，方案完善。用戶可通過控制面板、人體感應(yīng)、照度感應(yīng)、微波感應(yīng)、上位機(jī)系統(tǒng)、觸摸屏、手機(jī)、平板端等多種控制終端實(shí)現(xiàn)靈活多樣的智能控制，特別適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明系統(tǒng)。

4.2系統(tǒng)工作原理示意圖

4.3產(chǎn)品選型

 

4.3.1開關(guān)驅(qū)動(dòng)器

     用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制的驅(qū)動(dòng)器，具有延時(shí)、預(yù)設(shè)、邏輯控制、場(chǎng)景、閾值開關(guān)等功能，電氣參數(shù)如下：

4.3.2調(diào)光驅(qū)動(dòng)器

     2路0-10V調(diào)光器，可對(duì)每路進(jìn)行回路開關(guān)控制并輸出0-10V調(diào)光信號(hào)對(duì)具有0-10V調(diào)光接口的燈具進(jìn)行調(diào)光,具有開關(guān)、場(chǎng)景、狀態(tài)反饋等功能，電氣參數(shù)如下：

 

4.3.3傳感器

     傳感器是一種能感受外界信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、移動(dòng)）的設(shè)備裝置，并將感應(yīng)的信息傳遞給其它設(shè)備裝置（如調(diào)光器、開關(guān)驅(qū)動(dòng)器），電氣參數(shù)如下：

 

4.3.4總線電源

KNX/EIB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)供電電源，為總線提供電壓640mA輸出電流，至多可以為64個(gè)設(shè)備供電，帶總線復(fù)位、過流指示和短路保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，電氣參數(shù)如下：

4.3.5智能面板

     用于接受按鍵觸動(dòng)信號(hào)，可通過區(qū)分短按與長按并結(jié)合不同參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、場(chǎng)景、窗簾控制、調(diào)溫、報(bào)警等功能，電氣參數(shù)如下：

4.3.6干接點(diǎn)輸入模塊

     用于接受外部干接點(diǎn)信號(hào)輸入，可通過不同參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、場(chǎng)景、窗簾控制、調(diào)溫、報(bào)警等功能，電氣參數(shù)如下：

 

 

4.4系統(tǒng)功能

（1）光照度（需要配照度傳感器）監(jiān)測(cè)，對(duì)利用自然光照明區(qū)域，根據(jù)自然光照度變化，進(jìn)行照明控制和調(diào)節(jié)，滿足照明和節(jié)能要求；

（2）公共區(qū)域、走廊、通道、門廳、電梯廳等的照明，應(yīng)設(shè)置紅外或微波類人體感應(yīng)器，并結(jié)合智能控制面板，實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景照明控制，盡可能較少燈具點(diǎn)亮?xí)r間；

（3）樓梯間照明采用人體感應(yīng)探測(cè)控制；

（4）設(shè)備房、設(shè)備房走道采用分組就地控制；

（5）室外路燈、景觀等照明采用光照度控制結(jié)合時(shí)控的集中控制方式；

（6）監(jiān)控系統(tǒng)界面友好，畫面美觀,實(shí)時(shí)顯示各區(qū)照明工作狀態(tài)；

（7）應(yīng)具有完善的用戶權(quán)限管理功能，避免越權(quán)操作；

 

4.5系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

4.6系統(tǒng)的控制優(yōu)勢(shì)

（1）系統(tǒng)可通過、觸摸屏、電腦對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的燈光、空調(diào)及窗簾等進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，使得控制更加方便智能，用戶體驗(yàn)更好；

（2）系統(tǒng)中控制模塊均工作在直流30V安全電壓下，用戶操作更加安全、舒適；

（3）系統(tǒng)在實(shí)施過程中，充分結(jié)合自然光及人員的活動(dòng)規(guī)律來自動(dòng)控制燈光，減少能源消耗，達(dá)到很好的節(jié)能效果；

（4）系統(tǒng)采用分布分布式KNX總線結(jié)構(gòu)，搭建簡(jiǎn)單靈活，系統(tǒng)內(nèi)各模塊互不影響，可獨(dú)立工作，可靠性更高；

（5）多種控制方式可供選擇，如本地控制，自動(dòng)感應(yīng)控制，定時(shí)控制，場(chǎng)景控制和集中控制等，控制方式更靈活；

（6）系統(tǒng)的自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程集中控制等功能，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的同時(shí)，大量減少了值班人員，提高了管理水平和工作效果；

（7）升級(jí)系統(tǒng)內(nèi)控制模塊或更改系統(tǒng)功能時(shí)，無需增加連接線，不需關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，只需更改設(shè)備參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單；

（8）系統(tǒng)可與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在出現(xiàn)消防報(bào)警時(shí)，強(qiáng)制打開應(yīng)急回路，方便人員疏散，從而降低了人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，提高了建筑的安全性。

 

4.7安科瑞組網(wǎng)方案

 

     智能照明控制系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活，擴(kuò)展方便，當(dāng)系統(tǒng)模塊數(shù)量較少、距離較近、范圍較小時(shí)，各設(shè)備以樹形枝狀延伸，構(gòu)成支路系統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)模塊數(shù)量較多、距離較遠(yuǎn)、范圍較大時(shí)，用支線耦合器組成多條支路，構(gòu)成區(qū)域智能照明控制系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)模塊數(shù)量很多、距離很遠(yuǎn)、范圍很大時(shí)，用支線耦合器、區(qū)域耦合器等構(gòu)成樓群智能照明控制系統(tǒng)。

 

5  結(jié) 語

     KNX總線智能照明系統(tǒng)采用KNX總線電纜連接傳感器、驅(qū)動(dòng)器和總線元件，通過編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開關(guān)控制、調(diào)光控制和遙控等多種靈活控制功能，滿足了系統(tǒng)控制要求。采用組態(tài)軟件Winswiteh3實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中控制，減少了管理人員的工作量，采用移動(dòng)感應(yīng)器、場(chǎng)景控制等控制方法，合理利用能量，延長了燈具的使用壽命，通過以太網(wǎng)接1：3、輸入元件等可實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和任務(wù)聯(lián)動(dòng)控制，不僅滿足了現(xiàn)代化建筑復(fù)雜多變的環(huán)境需要，還能夠滿足人們對(duì)安全性、舒適性、節(jié)能性和智能化等方面的要求，有很大的發(fā)展前景。 

 

【參考文獻(xiàn)】

［1］張玉杰，李棟，郭向陽．基于互聯(lián)網(wǎng)+的電力載波路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子器件，2017，40(3)：651—655． 

［2] 胡兵.KNX現(xiàn)場(chǎng)總線控制在智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用.

［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版.