基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)

李少雷

（中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所，北京　100080）

基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)

李少雷

（中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所，北京100080）

文中是基于KNX總線的智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。KNX總線為了提高智能照明系統(tǒng)的控制、管理水平和一定程度上的減少智能照明系統(tǒng)的維護(hù)成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、減少照明系統(tǒng)成本上，做出了非常大的貢獻(xiàn)。本設(shè)計(jì)主要是采用了模擬智能照明系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中所有的照明設(shè)備都是通過KNX介質(zhì)連接在一起的，組成了簡單的模擬智能照明系統(tǒng)，使其可以進(jìn)行便利的信息交換，從而實(shí)現(xiàn)了使用智能照明模塊、感應(yīng)器等設(shè)備的智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)所有的照明控制設(shè)備，均選用德國施耐德電氣的智能照明產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)了智能、安全、節(jié)能、可靠的智能照明控制系統(tǒng)。

KNX；施耐德；智能照明；節(jié)能

對于現(xiàn)在人們?nèi)找嫣岣叩纳钏剑约艾F(xiàn)在人們對于照明要求的提高，這些都促使了現(xiàn)代的照明系統(tǒng)，必須要向著節(jié)能、環(huán)保、高效這樣的目標(biāo)努力，同時(shí)又必須要向具備舒適、靈活、人性化的方向不斷改進(jìn)才可以。伴隨著電腦以及網(wǎng)絡(luò)科技的高速發(fā)展，使用的總線技術(shù)的也是愈發(fā)的成熟，促使了智能建筑的行業(yè)，也得到了非常明顯的發(fā)展。在這些前提下，出現(xiàn)了“智能照明控制系統(tǒng)”這個(gè)概念。

1　設(shè)計(jì)方案

文中主要研究并且設(shè)計(jì)出了一套基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)，其中詳細(xì)的介紹了這套控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，硬件設(shè)備選擇、KNX總線網(wǎng)絡(luò)的組建設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

想設(shè)計(jì)好這套KNX總線智能照明控制系統(tǒng)，首先需要充分利用自然采光，并且及時(shí)關(guān)閉沒必要運(yùn)行的燈光，以便實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)約能源；同時(shí)利用現(xiàn)有的自動(dòng)化技術(shù)，以及信息化的管理模式，就可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，并且可以提高管理效率，降低使用、維護(hù)的成本。

圖1　KNX總線連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Intelligent lighting system structure diagram

從圖1中可以看出，每個(gè)部分模塊的作用如下：

中央控制器負(fù)責(zé)配置各個(gè)分機(jī)模塊模塊，使其能夠正常使用組網(wǎng)，同時(shí)通過中央計(jì)算機(jī)控制整體系統(tǒng)。

分控站點(diǎn)負(fù)責(zé)自己分配到的模塊控制，達(dá)到準(zhǔn)確控制其下級的控制模塊，同時(shí)可以監(jiān)控其工作狀態(tài)。

控制模塊是體現(xiàn)這套系統(tǒng)的關(guān)鍵，起到至關(guān)重要的作用，直接將命令作用在燈具上。

圖2　智能照明控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2　Schematic diagram of intelligent lighting control module

總線也就是用到的KNX總線，其控制單元均能進(jìn)行邏輯編程，將控制命令存儲在控制單元本地，具有控制、報(bào)警、收集信息、監(jiān)視等功能，也可以在軟件中對控制單元進(jìn)行邏輯分組，達(dá)到多個(gè)控制單元一起完成同一個(gè)場景控制的目的。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選擇

文中的智能照明控制系統(tǒng)主要以KNX系統(tǒng)為核心，選擇的KNX系統(tǒng)元件，都是施耐德電氣中的產(chǎn)品模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，該控制模塊主要由電源模塊、開關(guān)模塊、調(diào)光模塊、智能面板、感應(yīng)模塊等相關(guān)部分構(gòu)成。

系統(tǒng)上的所有元件，可以一對一的獨(dú)立工作，也可以相互組合工作。例如KNX傳感器向外發(fā)出的數(shù)據(jù)包，在總線上的每個(gè)元件都可以接收到，但是只有目標(biāo)地址與自己的地址匹配時(shí)，其元件才會進(jìn)行相應(yīng)的指令。

當(dāng)然，有些額外的功能也是可以的。比如添加了KNX/以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，可以達(dá)到的作用有兩個(gè)：第一，完成了KNX網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的相互數(shù)據(jù)傳輸，并且可以通過控制家電、Web訪問，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地的控制［1］；第二，可以通過外接的觸摸屏進(jìn)行集中控制、管理所有KNX總線上的設(shè)備。

3　智能照明控制系統(tǒng)軟件控制方式設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)的受控?zé)艟呔遣捎瞄_關(guān)方式控制，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要控制方式如下：

定時(shí)控制：則是依據(jù)工作時(shí)間，來設(shè)定其控制方式，是一種采用場景、時(shí)間以及事件結(jié)合的多樣控制方式，最后也會實(shí)行出不同的照明控制方案［2］。

亮度控制：條件是在有自然光照射的場所，這些場所除了由定時(shí)控制以外，同時(shí)還會依據(jù)室外自然光的光照強(qiáng)度來控制室內(nèi)的亮度等其他控制。在通過測量相應(yīng)的區(qū)域室內(nèi)照明強(qiáng)度后，設(shè)置相應(yīng)的這片區(qū)域所要求達(dá)到的理想光照強(qiáng)度值，從而進(jìn)行室內(nèi)燈具的光照強(qiáng)度增減控制。而室外照明，比如雨篷、停車場、道路照明等，都可根據(jù)室外光照強(qiáng)度的變化，自動(dòng)開關(guān)相應(yīng)的燈具，比如黃昏的時(shí)候，就會自動(dòng)打開道路上的路燈；黎明的時(shí)候，就會自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)的室外燈光。

智能面板控制：每個(gè)配電間都要設(shè)置一個(gè)按鍵式的手動(dòng)控制面板箱，而每個(gè)按鍵控制的回路，都可由實(shí)際的使用情況來編程決定。

場景控制：這個(gè)是根據(jù)用戶的不同要求，來編制不同的場景模式［3］。

智能照明控制系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖3所示，可以看到，該系統(tǒng)每次開始后，首先進(jìn)行初始化，然后發(fā)送要設(shè)定的參數(shù)命令，來設(shè)定這次系統(tǒng)的值，之后根據(jù)命令的種類，發(fā)送給相應(yīng)的部分。反饋狀態(tài)信息主要是依據(jù)傳感器傳回的外部信息，從而更好的手動(dòng)調(diào)整照明值等參數(shù)。

圖3　智能照明控制系統(tǒng)軟件程序流程圖Fig．3　Intelligent lighting control system software program flow chart

4　KNX總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M建

HBES拓?fù)涞膶哟谓Y(jié)構(gòu)是：線路、主線（域）和主干線。構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備是網(wǎng)橋（中繼器）和路由器（線耦合器和干線耦合器）。線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多種多樣的，可以是線形、星形、樹形或混合形。根據(jù)不同的需求，總線電纜承載的最大數(shù)量，是可以將64（TP1-64）或256（TP1-256）個(gè)設(shè)備連接成為一個(gè)線路。其中對于TP1-64，可以在計(jì)算線路的長度和總線通訊的負(fù)荷之后，通過增添網(wǎng)橋（中繼器）的這種方式，來增加該線路上的總線設(shè)備總數(shù)。然而任何一條線路，最多就只能增加到256個(gè)總線設(shè)備［4］。

對于這種大型網(wǎng)絡(luò)，是可以使用15個(gè)路由器，而將最多的16條線路組合成為一個(gè)域。在這個(gè)域中，任意兩個(gè)設(shè)備之間的任何路徑上，安裝使用的路由器不應(yīng)超過兩個(gè)。一個(gè)域是可以有256×16=4 096個(gè)設(shè)備的。當(dāng)然，還可以同時(shí)使用路由器（干線耦合器），將幾個(gè)域連接成為一個(gè)超大型網(wǎng)絡(luò)。然而同理，在任意兩個(gè)域之間的任何路徑上，安裝使用的路由器（干線耦合器）不應(yīng)超過兩個(gè)，因此超大型網(wǎng)絡(luò)最多可以有4 096×16=65 536個(gè)設(shè)備［5］。

HBES的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　IP網(wǎng)絡(luò)下的KNX拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．4　KNX topological structure of IP network

5　結(jié)　論

文中將KNX總線技術(shù)應(yīng)用在智能照明控制系統(tǒng)當(dāng)中，對這個(gè)系統(tǒng)的軟件與硬件分別進(jìn)行了選擇與設(shè)計(jì)。近年來基于KNX技術(shù)的產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用增長迅速，很多大型公共設(shè)施，如北京國際機(jī)場T3航站樓、上海浦東機(jī)場和上海世博園等，都使用了KNX技術(shù)。并且KNX在國內(nèi)的應(yīng)用有向民用住宅發(fā)展的趨勢。國內(nèi)也有越來越多的公司加入到使用KNX技術(shù)，甚至進(jìn)行KNX產(chǎn)品的開發(fā)。KNX目前存在的主要問題之一是價(jià)格較高，這阻止了KNX快速進(jìn)入到民用建筑領(lǐng)域［6］。

［1］王麟琨，王春喜，柳曉菁．KNX技術(shù)簡介及特點(diǎn)分析［J］．通訊與網(wǎng)絡(luò)，2012，6（5）:79-84．

［2］胡兵，齊斌．KNX/EIB系統(tǒng)在酒店客房智能控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代建筑電氣，2012，3（2）:40-45．

［3］董瑞，張宇，劉行健，等．基于KNX的公共區(qū)域應(yīng)急照明與智能照明系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)［J］．價(jià)值工程，2014，27:235-236．

［4］吳金廣，程大章．KNX總線技術(shù)推動(dòng)樓宇自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展［J］．智能建筑與城市信息，2004（6）:32-39．

［5］陳爽．基于現(xiàn)場總線KNX的樓宇自動(dòng)化技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)［D］．重慶：重慶大學(xué)，2007．

［6］鄒吉平．基于現(xiàn)場總線的智能照明控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用［J］．燈與照明，2005，29（3）:9-12．

Intelligent lighting control system based on KNX bus

LI Shao-lei
（Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100080，China）

This paper is based on the KNX bus intelligent lighting system design.KNX bus in order to improve the reductions of intelligent lighting system control，management level and a certain degree of intelligent lighting system maintenance cost，realizing saving energy，reducing cost lighting system，made very large contribution.This design is mainly used in the simulation of intelligent lighting system，design all the lighting equipment are through the KNX medium connected together，consisting of a simple simulation of intelligent lighting system，so that it can facilitate information exchange，in order to achieve the use of intelligent lighting module，sensors and other equipment of the intelligent linkage control system.All the lighting control equipment of the system，the intelligent lighting products of the German Schneider electric，are selected to realize the intelligent，safe，energy saving，reliable and intelligent lighting control system.

KNX；Schneider；intelligent lighting；energy saving

TN29

A

1674－6236（2016）02-0140-02

2015-07-08稿件編號：201507066

國家科技863計(jì)劃（2013AA03A104）

李少雷（1990—），男，河南安陽人。研究方向：網(wǎng)絡(luò)與通信工程。