KNX/EIB、EnOcean和DALI技術在建筑能源管理中的應用

文｜ 南京天溯自動化控制系統有限公司 馬如明 楊 毅

KNX/EIB、EnOcean和DALI技術在建筑能源管理中的應用

文｜ 南京天溯自動化控制系統有限公司 馬如明 楊 毅

本文所闡述的智能控制系統遵循多種國際標準協議，融合物聯網和智能電網配電技術，系統由傳感執行層、網絡層和應用層組成。傳感執行層支持KNX、EnOcean、DALI等協議；網絡層采用上述協議和以太網的兩層架構；應用層為建筑集中和智能終端控制軟件。系統功能包括燈光、遮光/百葉窗、供暖、新風、空調、智能家電、能耗監測等就地和遠程控制，可廣泛應用于公共建筑能源管理系統。

KNX/EIB EnOcean DALI 樓宇和家居控制 無源無線

1 引言

近年來，隨著國民經濟的高速發展，高科技和信息技術的廣泛應用，人們對住宅和工作環境更加舒適、智能和高效節能的要求越來越高。同時國家大力推進“綠色建筑、節能建筑、智能建筑”的新標準，不斷加大政策傾斜力度，支持智能家居、智能建筑、新能源、信息技術發展。國家在“十二五節能減排綜合性工作方案”中提出，到2015年，我國萬元國內生產總值能耗相比2010下降16%，目標強制執行。在社會總能耗中建筑能耗占40%左右，實施建筑智能控制可降低能耗20%～40%，國家及各級政府對該產業給予重點扶持。

基于這些政策、市場、技術情況，本文提出了一種全新的采用國際標準技術和協議的能源管控系統，可以用于公共建筑能效管控，所包含產品可以與國外同類技術標準產品兼容，打破了國內樓宇智能控制市場被國外產品壟斷的局面，還具備海外市場銷售的條件。

2 系統技術基礎

項目主要涉及了KNX、EnOcean、DALI三大技術。

2.1 KNX/EIB技術

KNX標準是唯一全球性的、開放型住宅和樓宇控制標準，已經被批準為歐洲、國際、中國、美國標準。標準包括TCP/IP、TP（雙絞線電纜）、RF（射頻）等介質的通訊協議技術。

KNX技術之所以得到國際廣泛應用的原因主要有三點：

第一是采用弱電載波方式，把通信信號耦合在24V系統電源上，采用弱電控制強電的方式，具有操作安全、布線簡單、布線施工后邏輯可以任意編程的優點。KNX系統控制原理如圖1所示。

KNX第二個特點是采用域、線路、設備三層拓撲網絡架構，每個設備都有單一的物理地址，域和線路取值0～15，設備取值0～255，則一個網絡結構最多可配置15×15×256=57600個設備，并可以用線路耦合器用于總線隔離和信號驅動，可以滿足大型控制系統。KNX系統拓撲如圖2所示。

KNX/EIB技術之所以能夠在全球得到廣泛應用，其主要原因是協議的開發性、通用性，各家產品只要遵循協議和數據結構要求，就能做到不同廠家的產品直接兼容使用。協議棧的實現原理是采用對象和組的操作方式，采用地址表、關聯表把功能和組對象關聯起來。

2.2 自獲能EnOcean無線技術

EnOcean技術能夠從光、熱、電波、振動、人體動作等自然界環境獲得微弱能量驅動無線設備正常運行，無需外部供電，采用868MHz頻段，傳輸速率為125kbps。工作原理如圖3所示。

2.3 數字調光DALI技術

DALI數字化可尋址調光接口協議是目前國際上應用最廣泛的面向三基色熒光節能燈照明控制的通信協議，DALI系統由一個主控節點和64個獨立尋址的從控節點組成，從控節點可分成16組，統一從控節點可分在不同的組中，每個從控節點最多可設定16種照明場景，提供單控、組控和場景設置等功能，具備系統裝置工作狀態反饋機制。系統結構如圖4所示。

3 系統架構設計

系統由傳感執行層、網絡層和應用層組成。傳感執行層支持KNX、EnOcean、DALI等協議，包括各種傳感器、執行設備；網絡層采用上述協議和以太網的兩層架構，包括家庭主機、各種網關、OPC接口等；應用層為建筑能效管控系統軟件。系統結構設計考慮模塊化、開放性、集中控制和獨立運行相結合等因素。傳感和執行設備基于KNX、DALI、EnOcean技術，各模塊可以脫離家庭主機實現設備獨立和設備之間關聯邏輯聯動，同時也可以通過各種終端軟件經主機進行集中和遠程控制，這樣就確保了系統的雙重穩定性，即使主機出現問題，能效管控系統也可以使用。

4 系統功能組成

本系統可以適用于大型公共建筑樓宇，公共建筑樓宇側重節能，在進行系統功能設計時充分考慮這個領域的需求以及發達國家的發展現狀和趨勢，采用有線和無線結合的功能模塊化的設計思路。

從傳感執行層、網絡層、應用層分別來說明。

（1）傳感執行層

傳感執行層包括系統各種傳感輸入和驅動負載的執行器，數據傳感輸入不但是用于系統功能的實現，也可以通過網關和網絡上送區域級別的物聯網絡。考慮到各種應用環境和客戶需求，系統可以接入KNX/EIB總線的傳感器或者是通過網關接入ZigBee和EnOcean無線傳感器。傳感設備實現溫度、光照度、人體移動、門窗位置、開光位置、風向、雨量、智能面板等信息的采集。執行層設備包括對三基色熒光燈的DALI調光，各種燈具的開閉和調光控制，窗簾、卷簾、百葉窗等開閉和角度控制，對風機盤管和分體空調的通信方式和紅外控制。傳感輸入和執行輸出可以邏輯綁定，由應用層采集傳感信息，實現對執行設備的控制。采用KNX/EIB總線的好處在于設備之間可以實現組對象編程和控制，即使脫離控制主機也可以保障系統穩定運行。

（2）網絡層

應用層和傳感執行層的功能實現需要網絡層的信息傳輸。網絡層包括KNX/EIB、EnOcean、以太網、Wi-Fi，其他傳輸協議和物理介質如ZigBee等需要通過網關設備轉換成網絡層可以識別的協議和介質。KNX/EIB總線為信號耦合在總線電源的工作方式，所以網絡需要電源模塊提供電源和信號載體。網絡層最重要的設備是主機，它實現系統內的信號采集和控制及系統就地和遠程控制，達到各種網絡之間的轉換、各種子系統功能的接入和控制。

（3）應用層

應用層包括應用于平板電腦、智能手機、臺式電腦上的集中控制軟件，考慮到各種年齡和文化層次的用戶群，控制軟件采用直觀的圖形和房型結構圖方式，各種交互設計基本實現“傻瓜化”操作。操作軟件可以支持Windows、Andriod、Mac OS X等操作系統，并且方便調整屏幕的尺寸和分辨率。應用層還包括OPC接口軟件，用于把系統接入小區物業、社區管理系統、能源管理、酒店PMS等外網系統，提升智能系統的客戶使用價值。

5 系統主要技術實現

5.1 KNX/EIB技術實現

KNX標準的核心技術是基于各種物理介質的協議棧，其中基于TP介質的協議棧架構如圖5所示。

雖然KNX是開放的國際標準，但是協會提供的標準文本很簡略，很多細節需要自行不斷摸索和嘗試。另外，由于模塊從總線取電，電流不能太大，模塊都采取低功耗設計，處理器也只能選擇功耗和資源相對較低的類型。在資源受限的情況下，實現完整的協議棧，同時還要保障系統的響應迅速，對整體的程序架構設計、程序運行效率都有很高的要求，以上這些都是技術實現的難點。

KNX（TP）協議棧主要包含物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層。具有應用接口、配置和管理、虛擬內存等功能。

物理層是基于不同的物理介質，為設備提供接入KNX/EIB系統的物理實體。

KNX技術可以基于TP（雙絞線）、RF（射頻）、PL（電力線載波）、以太網等物理介質，但是目前主流的還是基于TP的方式，本系統也是基于該種物理介質。本系統設備采用FZE1066接口芯片實現物理層，物理層的主要功能包括物理層的初始化和關閉、報文發送和接收、ACK/NACK反校位處理等。物理層信號采用中斷的方式進行采集。

鏈路層主要實現在網絡實體間發送信息以及建立、維護和釋放數據鏈路連接。鏈路層會檢測差錯并提供糾錯功能，但不能對糾錯的上報給網絡層。鏈路層提供訪問物理層的方法，并處理發送的訪問信息優先順序。鏈路層可以使用流控制來管理信息發送率并使用序列號方式來管理數據鏈路服務單元的排序。鏈路層提供對數據鏈路地址的識別，并向網絡層提供其請求的服務結果。該層采用狀態機的方式來管理上下層之間的數據交換狀態。

網絡層實現傳輸實體，獨立于路由和網絡段的拓撲結構，基于狀態機控制實現傳輸層和鏈路層之間的數據傳輸，但向傳輸層屏蔽了如何使用底層資源來提供網絡服務的細節。將鏈路層報送的錯誤和網絡層發送的協議錯誤上送給傳輸層，提供對網絡地址的識別，并可以向傳輸層提供其請求的服務結果。

傳輸層提供應用層實體數據的透明傳輸，并使其不必考慮實現可靠數據傳輸的具體方法。傳輸層可以提供五種不同的通信模式：點對多點、點對域、點對所有點、無連接點對點、面向連接點對點等。面向連接的實現組數據傳輸，無連接的可以實現功能數據的傳輸。

應用層實現了KNX/EIB設備應用進程訪問總線通信資源，每個設備應用進程以應用實體代表其對等層。應用實體包含一個用戶元素和一組應用服務元素，應用服務元素可以相互調用并在服務上執行其功能。應用層為應用進程提供應用服務，在不同設備間的應用進程通過通信模式進行相互操作。不同的通信模式決定了提供的應用層服務，一個應用層服務不為未被制定的通信模式應用。

對于一個KNX/EIB設備，內部各層之間的工作原理如圖6所示。

數據在物理層和應用層之間上下逐層傳輸，每層數據獨立，為了保證數據之間的傳輸可靠性，各層采用狀態機機制來表示當前層的狀態，并根據當前狀態按照預定的機制運行服務功能。協議包含鏈路層狀態機、網絡層狀態機、傳輸層狀態機、下載狀態機等。

KNX/EIB設備之所以能實現讓各個廠家的產品兼容使用，根本原因是采用組對象機制，協會統一規范了組對象結構，任何廠家采用這一標準就能與其他廠家產品進行互聯。KNX設備的進程模型如圖7所示。

組對象代表一種功能組，對象被分配到許多設備，每個設備可以用于組對象的發送和接收，并可以包含眾多組對象，每個對象被賦予一個或者多個組地址，并屬于同樣或不同的組。每個組有一個全網絡范圍唯一的組地址，組地址應通過傳輸層映射到本地組索引，組索引對應設備唯一的通信服務。應用層通過關聯表將組索引映射到應用層服務點，這樣就完成了通過組對象關聯應用層服務的過程。

5.2 數字調光DALI技術實現

DALI技術的核心是調光鎮流器、DALI協議、調光鎮流器和熒光燈的狀態反饋。協議本身是國際標準，這里不做闡述，主要說明調光和狀態反饋的實現原理。

調光電子鎮流器的結構如圖8所示。

DALI系統從控節點控制單元和主控節點可進行通信，容易進入工作狀態，但無法得到調光鎮流器和熒光燈的狀態，因為它們和主控節點沒有直接通信，所以主控節點只能通過從控節點微處理器的檢測間接取得。從控節點微處理器通過檢測燈電流和燈電壓獲得鎮流器和熒光燈的狀態，再經DALI接口反饋回主控節點，實現DALI照明控制系統的三狀態反饋控制，因此，大大提高了DALI系統的可用性。

5.3 自獲能無線EnOcean技術實現

自獲能EnOcean無線技術的核心包括協議棧和能量收集電路，其中協議棧結構如圖9所示。

EnOcean協議棧具有一個模塊化架構，功能被歸類于多個軟件模塊上，每個模塊有自身的功能和參數，可以通過在上層應用從模塊中調用這些功能以實現各軟件模塊與應用程序的鏈接。例如：某個應用不需要UART通信功能，則可以不初始化UART通信模塊，該模塊也不會鏈接到應用中，這樣可以獲得更多可用的RAM和FLASH使用。

（1）DolphinAPI接口

DolphinAPI的軟件模塊可以通過EO3000I_API.H接口來訪問。大部分軟件模塊是獨立的，某些核心軟件模塊是不能通過應用直接訪問的，如Scheduler、中斷處理程序。其他的軟件模塊可以通過自身的一個接口被應用直接訪問。每個應用可訪問的軟件模塊都有兩類接口：初始化接口和功能接口。

（2）ESSL層

ESSL層包含了Scheduler、電能管理、串口和無線協議棧以及外圍部件的操作。DolphinAPI不執行典型的KERNEL架構。DolphinAPI和KEIL庫對象的關聯是在編譯應用時完成的，因此是沒有KERNEL和user space separation。同樣沒有內存管理，軟件模塊的內存分配在編譯時完成。

（3）HAL層

HAL層（硬件抽象層）是庫的最底層，它直接與最底層硬件交互。HAL層是EnOcean硬件平臺的抽象化體現。

協議棧由EnOcean聯盟制定，各個廠家依據統一的數據格式開發產品，可以實現各廠家產品兼容使用，每個設備具有全球唯一的ID，便于實現物聯網數據信息采集。最新的EEP2.1協議還增加了加密措施，保證無線環境下使用的安全性。能量收集電路如圖10所示。

為了能在沒有電源供應的情況下實現快速啟動和長時間運行，在能量收集電路中集成了一個小電容C1用于快速啟動，和一個大電容C2用于長期儲能。在初期C1和C2內沒有電能，通過自獲能，如太陽能給C1充電，C1的電壓可以快速上升到Enocean芯片需要的工作電壓并提供足夠的電能啟動芯片工作，啟動后芯片將會打開大電容C2的充電回路，使多余能量儲存在C2中，持續儲能；當外界環境不能提供足夠能量給C1時，C2將儲存的電能提供給C1進而維持芯片工作，當外界環境再次提供足夠能量時，C2再進行儲能。如果外界環境能量供應長期處于不足的狀態，C2電壓低于芯片的啟動電壓，芯片將自動切斷給C2的充電回路以及C2給芯片的供電回路，避免C2電容的過度放電而影響電容容量和壽命，同時保證下次從外界環境獲能時可以快速啟動和儲能。

6 結束語

本系統采用基于KNX/EIB、EnOcean、DALI等國際標準技術和分層架構的設計思路，并支持總線控制和無線傳感及控制，可以滿足各種公共建筑能效管控系統要求。相對其他控制系統而言，本系統的優點在于：

（1）采用國際主流的通用標準，可以做到和其他廠家的產品無縫兼容，提升系統的集成能力和客戶選擇范圍及應用價值。

（2）因為采用自獲能無線技術，所有傳感和控制設備無需額外供電，采集環境能量驅動設備運行，避免常規無線產品需要單火線取電和更換電池的麻煩，特別適合家居的無線部署和大型公共建筑的后裝應用。

（3）采用主機控制和模塊相互之間邏輯關聯的兩種控制方式，雙重保障了系統的可靠運行。

1 CENELEC EN 50090 and CEN EN 13321-1:Home and building electronic systems（HBES）. Standardization structure

2 控制網絡HBES技術規范住宅GB/Z 20965-2007和樓宇控制系統

3 數字可尋址接口標準IEC 60929-2002