KNX技術簡介及特點分析

王麟琨 / 王春喜 / 柳曉菁(機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所，北京 100055)

Wang Linkun / Wang Chunxi / Liu Xiaojing

1 KNX技術概述

1.1 什么是KNX技術

KNX技術是一種起源于歐洲，主要用于樓宇和家居的分布式總線控制技術。KNX技術專注于樓宇和家居的室內終端設備控制。

從圖1可以看出，基于KNX技術并具有應用功能的產品主要分為兩大類，傳感器和執行器，也可將傳感器與執行器集成于一個設備中。典型的KNX傳感器有：光照傳感器、溫度傳感器、開關和紅外傳感器等；典型的執行器有：照明設備、排風設備、窗簾/百葉和空調等。近些年KNX技術獲得了更廣泛的應用，其控制對象擴展到噴泉、灌溉設備、影音設備和配電設備等。KNX的控制方式多樣，包括：人體感應控制、照度感應控制、氣象感應控制、時間控制、紅外遙控、場景控制、邏輯控制、中央集中監控、消防聯動控制、BA、BMS及其他系統聯動控制等。

1.2 KNX協會和標準化

1990年，由七家德國電氣產品制造商組成聯盟，制定了EIB(European Installation Bus)技術標準，并成立了中立的非商業性組織EIBA(EIB Associate，歐洲安裝總線協會)，推動了EIB標準化的發展。

2001年，EIBA協會吸收了兩家其他歐洲智能電氣安裝協會Batibus和EHS，在歐洲統一了智能電氣安裝技術標準，也誕生了全新的標準——KNX，并成立了KNX(Konnex)協會。到目前為止，KNX協會的會員單位已超過270家，來自33個國家。制造商會員按照開放的KNX標準生產能夠相互兼容和交互操作的各種元器件，各類產品品種多達4000多種，幾乎覆蓋了建筑行業各個領域和各種用途的需要。

2008年KNX中國組織成立，目前有32家會員單位，其中制造商會員9家。KNX中國組織致力于KNX技術在中國的推廣應用，2011年在KNX中國組織秘書處的掛靠單位——機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所建立了國內第一家KNX測試實驗室，并通過KNX協會的考核獲得正式授權，可完成KNX產品的功能和互操作測試，以及底層協議的測試。KNX中國組織秘書處正在組織籌建KNX技術培訓中心，預計2012年底可正式提供培訓服務。

目前KNX技術已成為歐洲標準，EN 50090系列標準和EN13341-2，EN13341-2部分標準規定了KNXnet/IP技術，EN 50090規定了除KNXnet/IP外其他通信相關內容以及安裝要求和硬件要求。在2006年7月EN50090成為ISO/IEC 14543。在2005年 底，EN 50090在 中 國的標準轉化工作起動，目前該標準已于2007年7月批準成為GB/Z 20965-2007《控制網絡HBES技術規范—住宅和樓宇控制系統》，并于2010年啟動了將GB/Z 20965-2007升級為推薦性標準(GB/T)的工作，已進入報批階段。KNX標準轉化的主要內容為相對穩定的系統規范，該部分內容屬于KNX內部規范的第3卷，規定了KNX通信相關的技術內容。

1.3 KNX技術涉及到的幾個術語

在KNX技術的應用和推廣過程中會涉及到幾個經常出現的術語：KNX、EIB和HBES。這幾個術語確實容易混淆，尤其是HBES與KNX的關系。其中KNX表示協會名稱及其技術。EIB(European Installation Bus)是KNX 技術的主體部分，KNX技術的部分通信協議完全采用了EIB通信協議。從KNX推廣的角度應逐漸地將所有的EIB用KNX取代。HBES(Home and Building Electric System)是KNX標準化過程中所使用的名稱。EN 50090、ISO/IEC 14543和GB/Z 20965-2007中均使用了HBES來代表KNX技術。但需注意的是：無論是EIB還是HBES都只能代表KNX技術的一部分，不能代表所有的KNX技術。KNX技術使用的通信協議與EIB技術相同，但增加了更多的配置模式。HBES只是將KNX技術的大部分通信協議、硬件要求和安裝內容轉化為標準，如EN、IEC或GB/T。

2 KNX技術特點

2.1 通信和應用模型

KNX技術的通信模型采用五層結構：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用(接口)層。KNX物理層支持TP1(雙絞線類型1)、PL110(電力線)、RF(無線)和Ethernet(以太網介質)，其中TP1介質應用最多。數據鏈路層實現了點對點的可靠傳輸，并成功解決了對等網絡的通信沖突問題。對于普通產品，網絡層的功能很少，只是完成了傳輸層和數據鏈路層的通信映射功能。但對于耦合器類產品，則在網絡層完成路由功能以及跳數(hop)控制功能。傳輸層完成端到端的可靠傳輸，有四種傳輸模式：點到點無連接，點到點有連接，廣播和多播。多播是KNX系統通信采用的主要傳輸模式，其他三種連接模式主要用于設備管理和系統配置等功能。實時交互負責完成應用和標準組態/工程工具與通信棧之間的交互，應用和通信棧之間的交互由應用接口層完成，標準組態/工程工具和通信棧之間的交互由KNX的管理規程和配置規程完成。具體說來，應用和通信棧之間的交互通過組對象實現。標準組態/工程工具與通信棧之間的交互通過接口對象實現。目前KNX提供兩種配置模式：系統模式(S-Mode)和簡單模式(E-Mode)。系統模式通過PC(ETS)實現配置，簡單模式可通過非PC的專用設備實現配置，包括：Ctrl、PB和LTE模式。

2.2 互操作模型

KNX技術是對等網絡技術，也就是說網絡上的設備理論上都可以彼此通信，相比基于主從結構的現場總線技術，對等結構網絡在互操作問題上面臨更多的問題。KNX技術較好地解決了來自不同廠家產品的互操作問題。首先是定義了很詳細的互操作規范，包括互操作模型和數據點類型(DPT)等，并從認證和測試環節對產品的互操作性進行審查和測試。

圖4所示為KNX技術的互操作模型。KNX的應用互操作規范定義了不同的應用領域，每個應用領域包含一個或多個應用。應用模型為應用規定了抽象化的解決方案。這里應用不代表一個產品，應用可分解為具體功能塊。功能塊使用一個或多個數據點在總線上傳輸數據。對于每個功能塊，它的行為是確定的，功能塊的行為確定了如何處理數據點和物理輸入和輸出。數據點是實現KNX產品互操作的關鍵功能塊元素，數據點可看作是功能塊的數據接口。數據點類型的定義包含4種信息：格式、編碼、范圍和單位。格式規定了數據點的數據長度和內部字段順序；編碼規定了在給定格式下數據點的傳輸格式；范圍規定了數據點表示值的范圍；單位規定了數據點的物理單位。

以一個HVAC應用為例，應用模型是加熱模型，功能塊為熱水鍋爐，使用的一個數據點是DPT 9.001，作為控制器設定點溫度。該DPT的格式為：2個字節；排列順序為：MEEEEMMM MMMMMMMM；編碼為：浮 點 值=(0.01M)2(E)，E=[0…15]，M=[-2048…2047]；范 圍 為 ：[-671 088.64 … 670 760.96]；單位為：攝氏度，℃。

2.3 拓撲結構

HBES拓撲的層次結構是：線路、主線(域)和主干線。網橋(中繼器)和路由器(線耦合器和干線耦合器)是構建整個網絡的關鍵系統設備。線路的拓撲結構可以是線形、星形、樹形或混合形。總線電纜最多可以將64 (TP1-64)或256 (TP1-256)個設備連接成一個線路。對于TP1-64，可在計算線路長度和總線通訊負荷后，通過增加網橋(中繼器)的方式來增加一條線路上總線設備的數量，一條線路最多可以增加到256個總線設備。在一個線路內允許有環路，但不推薦使用環路。不要求終端電阻。

對于大型網絡，可以使用15個路由器將最多16條線路組合成一個域。在一個域的任意兩個設備之間的路徑上安裝的路由器不應超過兩個，一個域可以有256×16 = 4096個設備。還可以使用路由器(干線耦合器)將多個域連接成一個最大型網絡。在任意兩個域之間的路徑上安裝的干線耦合器不應超過兩個，因此最大型網絡最多可以有4096×16 = 65536個設備。HBES的網絡拓撲結構如圖5所示。

2003年，HBES系統誕生新的IP網絡拓撲結構，HBES系統的主干線為10M的IP網絡。該方式很適合主干線有大量控制數據(狀態信息)同可視化軟件或網關進行通訊，能保證這些信號的穩定和高效傳輸。IP網絡拓撲結構使用HBES網關/路由器/耦合器實現不同線路控制信號的邏輯連接和跨線路信號的路由。

2.4 可分離總線元件

基于KNX技術的產品結構常用的有兩類，“可分離結構”和“一體結構”。具有“可分離結構”的產品，其總線通信部件——BCU(總線耦合單元)與應用部件——AM(應用模塊)是可以分離的，總線通信部件與應用部件通過連接部件——PEI(物理外部接口)進行通信。PEI外觀上是10針或12針的插頭，支持多種通信模式，如串口通信(FT1.0)、串口通信(FT1.2)、并口通信等。BCU會提供已定義的一組API函數，供AM通過PEI調用。“可分離結構”主要用于傳感器類型設備，如：各類開關、紅外傳感器、照度傳感器等。“可分離結構”可實現對KNX傳感器的靈活配置，如可用更多功能的四聯開關直接代替已使用的雙聯開關，只需在軟件配置上進行改動，無需進行任何物理連線的改變。“一體結構”的通信部件和應用部件不可分離，一般沒有物理外部接口。“一體結構”的產品其通信功能和應用功能可由一個中央處理單元實現；“可分離結構”的產品其通信功能和應用功能由不同中央處理單元分別實現。

2.5 傳輸技術

KNX支持多種物理介質：雙絞線、電力線、射頻、以太網介質和光纖等。目前KNX設備主要是基于TP1介質的設備。對于TP1介質，傳輸速率為9.6kbit/s，實現總線供電，即在一對導線上既傳輸電能又傳輸通信信號。

圖8為TP1上傳輸的“0”信號和“1”信號。調制后的邏輯“1”是總線的空閑狀態，即在發送“1”期間的發送器應被禁用。總線上的模擬信號通常僅含有直流部分，在發送“1”和不發之間沒有差別。邏輯“0”的信號見圖1。較低的通信速率可保證KNX產品在應用中具有更強的抗干擾能力。

2.6 介質訪問控制(CSMA/CA)

HBES技術采用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免)，保證對總線的訪問在不降低傳輸速率的同時不發生碰撞。

通信時，所有總線設備都在偵聽報文的傳輸，但只有相應地址的設備才做出響應。為了發送報文，總線設備必需首先偵聽總線，如果在前一幀間隔時間內在媒體上沒有檢測到活動，那么可以立即開始傳輸。如果在媒體上檢測到活動，那么在開始發送之前，發送器應等待正在發送報文的其他總線設備傳輸完畢，這稱為載波偵聽(Carrier Sense)。一旦總線空閑，從理論上說，每個總線設備都可以啟動發送過程，這稱為多路訪問(Multiple Access)。在檢測到空閑狀態之后，若兩個或更多設備同時開始傳輸，可能發生碰撞。如果發生碰撞，邏輯“1”狀態應優先于邏輯“0”狀態。在傳輸邏輯“0”過程中，設備應監測線路，以便設法檢測任何其他設備是否正在發射邏輯“1”。如果兩個總線設備同時開始發送，具有高優先級的總線設備無需延遲可繼續傳送，同時低優先級的總線設備終止發送，等待下次再試。如果兩者具有相同的優先級，那么物理地址較低的可以優先。如果在檢測空閑線路和實際開始傳輸之間，線路轉換至閉路狀態，設備應認為已經發生碰撞，應終止傳輸并切換至正在接收狀態。在再次訪問媒體之前，設備應保留這一幀，并等待線路成為空閑。在發生碰撞之后，設備可以設法再次傳輸，這個新嘗試應在前一個幀結束之后至少1個幀間隔時間開始。(這一過程稱為碰撞避免Collision Avoidance)。

2.7 尋址方式

KNX技術使用的地址分為物理地址(單個地址，Individual Address)和邏輯地址(組地址，Group Address)，物理地址和邏輯地址的長度都為2個八位位組。KNX技術的物理地址是總線設備的唯一編碼，它由域地址、線路地址和設備地址組成。組地址通過報文用于連接幾個應用對象，這些應用對象形成一個組。組地址是功能相關地址，并不唯一，通過斜杠區分，可為兩級或三級地址，如“0/1/2”。KNX技術的報文結構包含報文的源地址和目的地址，源地址只能為物理地址，目的地址可為物理地址或組地址。

KNX的物理地址用于對設備進行管理和配置，例如：讀設備接口對象屬性的A_PropertyValue_Read服務，其目的地址為設備的物理地址。

KNX的邏輯地址用于應用功能，其傳輸模式為多播模式，這種尋址方式可使得在KNX系統內很容易地實現一對多的控制。例如：對于某些場景，需用一個開關控制多個開關執行器，則只需將該開關使用的功能/通信對象和多個執行器的特定功能/通信對象的組地址設為相同即可實現。

2.8 技術特點總結

根據上述分析可以看到KNX傳輸技術的特點，如總線供電，以及靈活多樣的拓撲結構，使得KNX系統布線和安裝很方便。KNX獨特的物理編碼方式以及CSMA/CA的介質訪問控制，真正解決了總線通信沖突問題，為KNX實現對等通信網絡提供了可能，只有實現對等通信網絡才可能構建真正意義上的分布式應用系統結構。在分布式的應用系統結構中，可以實現控制功能的分散，任意構建小型應用系統，而不依賴于昂貴的中央控制器。可分離的總線元件和兩種尋址方式(物理尋址和邏輯尋址)，可以很容易地重新配置應用系統，而無需改變物理布線，而且可以很容易實現一對多的控制，提高系統的通信和應用效率。KNX技術采用的通信和應用模型，以及詳盡的互操作規范，解決了來自不同廠家產品的互操作問題，可提高KNX系統的集成能力。

3 總結和展望

KNX是一種成熟的樓宇自動化技術，該技術在歐洲獲得了廣泛的應用。近年來基于KNX技術的產品在國內的應用增長迅速，很多大型公共設施，如北京國際機場T3航站樓、上海浦東機場和上海世博園等，都使用了KNX技術。并且KNX在國內的應用有向民用住宅發展的趨勢。國內也有越來越多的公司加入到使用KNX技術，甚至進行KNX產品的開發。KNX目前存在的主要問題之一是價格較高，這阻止了KNX快速進入到民用建筑領域。此外應針對中國市場和民用建筑領域提供更完善的KNX解決方案，這個解決方案可能會借鑒其他技術的優點，如無線產品等。我們相信隨著越來越多的國內企業使用KNX技術，會逐漸解決上面提到的問題。

[1]王麟琨,桑海泉.住宅和樓宇控制系統——HBES(EIB/KNX)技術淺談[J].儀器儀表標準化與計量, 2007(4)：24-27.

[2]中國國家標準化管理委員會.GB/Z 20965-2007控制網絡HBES技術規范－住宅和樓宇控制系統 [S].北京：中國標準出版社，2007.

[3]KNX協會.KNX System Specification Volume 3, V2.0 [S].