基于現(xiàn)場總線KNX的智能照明控制系統(tǒng)設計

王崇　過李嶠　廖勇　張露

摘 要：針對目前大部分樓宇照明中控制方式單一，鋪設線路復雜，不具有智能化的不足，提出一種基于現(xiàn)場總線KNX的智能照明控制系統(tǒng)設計方案。文中以會議室為例，搭建基于現(xiàn)場總線 KNX的控制系統(tǒng)，并做智能照明控制實驗。運行結(jié)果表明，設計充分展現(xiàn)了KNX系統(tǒng)的節(jié)能性、交互性和兼容性的優(yōu)點，滿足使用者和管理者對降低維護成本、節(jié)約能源和實現(xiàn)現(xiàn)代化智能照明的要求。

關(guān)鍵詞：KNX總線;智能照明;GAMMA instabus KNX;會議室;控制實驗;樓宇照明

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-02

0 引 言

隨著光源技術(shù)、自控技術(shù)、通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能樓宇的出現(xiàn)為人們提供了更加現(xiàn)代化的辦公環(huán)境[1]。在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，智能照明控制技術(shù)將現(xiàn)代照明推向了節(jié)能化、智能化、信息化、人性化、藝術(shù)化、個性化的全新高度，促進了智能照明技術(shù)的發(fā)展[2]。

目前，智能照明技術(shù)主要使用無線通信技術(shù)、電力載波通信技術(shù)和總線式通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)對照明相關(guān)設備的智能控制[3-4]。無線通信是利用特殊的頻段實現(xiàn)信號的傳遞，安裝方式簡單，便于操作，其在智能家居中得到了廣泛的應用。但是，無線信號抗干擾性差，信號衰減快，無法適用于大面積、遠程通信的智能照明控制場合。同樣，電力載波技術(shù)由于使用電力線作為傳輸介質(zhì)，導致其無法適用于遠距離通信。現(xiàn)行的總線技術(shù)包括CAN，C-Bus，LonWorks等，其優(yōu)勢在于技術(shù)成熟、系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性高，但是總線協(xié)議的兼容性、交互性相對較差[7]。KNX總線技術(shù)基于國際標準，具有很強的交互性和兼容性，適應于各種樓宇，且能與其他系統(tǒng)連結(jié)[8]。因此，本文以會議室為例，提出了基于現(xiàn)場總線KNX的智能照明控制系統(tǒng)設計方案，具有很好的市場應用價值。

1 系統(tǒng)概況

總線設備基本上可以分為三類：傳感器、執(zhí)行器和控制器[9-10]。開關(guān)命令、控制信號等信息是以報文的形式在各總線設備之間傳輸。KNX報文的結(jié)構(gòu)包括：總線專用信息、具體任務的相關(guān)信息和校驗信息。報文中源地址只能是物理地址，表示發(fā)送報文設備所在的位置;目標地址則可以是物理地址或者是組地址，用來指明接受報文的對象，可以是一臺或者多臺設備，也可以是在同一線路或不同的線路中。物理地址在調(diào)試時逐一確定且唯一，根據(jù)設定的功能將相關(guān)的設備放入同一個組中，同時設定組地址。當對組地址發(fā)送指令時，同一組地址內(nèi)的設備均可接收到報文，并執(zhí)行相應動作。

2 KNX總線在辦公大樓中的應用

2.1 辦公樓中的照明控制要求

在辦公樓中，根據(jù)各區(qū)域的使用功能不同進行具體設計。會議室作為典型場所，經(jīng)常使用大量高科技電氣設備，利用KNX可以方便的實現(xiàn)多媒體設備和會議室內(nèi)燈光、窗簾等的聯(lián)動;在缺乏自然光的車庫或地下停車場，車道兩側(cè)的燈光主要靠場景控制器和紅外線移動感應器控制。當有人或車輛經(jīng)過時，相鄰區(qū)域內(nèi)的燈光迅速變亮，延遲一段時間后，若沒有檢測到人員走動或車輛經(jīng)過，則把燈具亮度降至設定值;大樓景觀照明是商務樓的名片，成片的燈光可以用定時的循環(huán)控制來實現(xiàn)不同的燈光效果，通過組合燈光的亮度和顏色來滿足使用者的具體要求。本文以會議室為例，搭建了基于現(xiàn)場總線 KNX的控制系統(tǒng)，并做了智能照明控制實驗。

2.2 硬件設計

根據(jù)會議室智能照明控制的要求，系統(tǒng)選用符合KNX現(xiàn)場總線標準的西門子GAMMA instabus KNX樓宇管理系統(tǒng)。按照會議室所需實現(xiàn)的功能、建筑平面圖和辦公家具布置平面圖，設計了instabus控制平面圖，如圖1所示。

會議室照明由LED直管日光燈、筒燈、燈帶和電動窗簾等構(gòu)成，控制回路較多且功能不一，空間跨度較大，設計時在會議室入口處配置一個5WG1 203四聯(lián)觸摸開關(guān)面板（每一聯(lián)有兩個按鍵可以分別使用）。由于系統(tǒng)需要開關(guān)控制、卷簾控制、調(diào)光控制和場景控制等控制方式，設計時選用5WG1 510/03負載開關(guān)、5WG1 536D51開關(guān)/調(diào)光執(zhí)行器、1～10 V調(diào)光執(zhí)行器、電動遮陽簾執(zhí)行器和5WG1 305場景控制器等為執(zhí)行器，設置5WG1 146 IP網(wǎng)關(guān)IP地址并與Insight組態(tài)軟件相連接以便實現(xiàn)與上位機的通信，所有的執(zhí)行器和總線元件均安裝在配電箱內(nèi)的DIN導軌上，執(zhí)行器和總線元件之間用KNX總線相連接，并與相應的控制回路連接。

2.3 軟件控制方式設計

硬件設計完成之后，按照會議室智能照明控制要求，采用ETS5調(diào)試軟件進行編程設計。首先在ETS5中創(chuàng)建房間，添加設備，分別設置各設備的物理地址并下載。通過響應的組地址，將通信對象彼此邏輯的鏈接在一起。當為通信對象分配多個組地址時，可以形成具有多個連接的通信對象。會議室四聯(lián)觸摸開關(guān)面板的第1～第4聯(lián)的A1，B1，C1，D1分別控制WL1，WL2，WL3，WL4回路，每聯(lián)面板的短按用于控制回路的切換，長按用于控制回路的調(diào)光;A2，B2分別控制WL5，WL6，短按為對窗簾進行開關(guān)控制，長按為對窗簾的開度控制;C2，D2分別對場景一和場景二進行控制，場景功能與編程列表見表1所列。

上述編程是針對場景的編程，在實際工程中，如果樓宇的應用布局或使用需求發(fā)生變化，KNX系統(tǒng)不需要重新布線，只要簡單地修改總線設備的參數(shù)和邏輯鏈接。這種修改可以在與KNX系統(tǒng)連接的PC以及組態(tài)和調(diào)試軟件ETS5上重新分配這些參數(shù)。在使用ETS5進行編程及調(diào)試完成后，系統(tǒng)不僅可以通過開關(guān)面板進行手動控制，還可以利用移動感應器、光照度感應器等傳感器進行自動控制，所有的功能都還可以通過觸摸屏監(jiān)控和操控，方便實現(xiàn)一個區(qū)域的集中管理。

3 運行結(jié)果分析

系統(tǒng)經(jīng)過編程及調(diào)試后，Insight監(jiān)控界面如圖2所示。在組態(tài)軟件Insight的監(jiān)控界面圖上設置各組燈光分開關(guān)以及場景切換開關(guān)，可實現(xiàn)對燈光的統(tǒng)一控制，提高使用的便捷度。在應用過程中，可通過現(xiàn)場控制面板對各執(zhí)行器進行實時控制，為使用者提供了很大的便利。當設備發(fā)生故障時，可使用GAMMA instabus KNX控制系統(tǒng)通過IP路由器及時的發(fā)送這些故障信息，實現(xiàn)快速響應并將成本最小化。BACnet能夠?qū)δ苄詷怯顚崿F(xiàn)開放、可互操作的自動化。IP網(wǎng)關(guān)KNX/BACnet允許將設備快速、簡單、高效的集成到基于BACnet的網(wǎng)絡以及樓宇自動化和控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)與供配電系統(tǒng)、空調(diào)與冷熱源系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、安防及消防系統(tǒng)的聯(lián)動。

4 結(jié) 語

KNX是一種向上兼容、靈活、創(chuàng)新的系統(tǒng)，適用于各種類型的樓宇應用，總線布線KNX TP（雙絞線）以及以太網(wǎng)KNXnet/IP、無線電系統(tǒng)KNX RF（射頻）和紅外線可以用作傳輸介質(zhì)。因此，KNX有助于執(zhí)行具體的使用需求并快速輕松地更改房間和樓宇的用途。GAMMA instabus KNX能夠在樓宇的整個生命周期內(nèi)確保高效經(jīng)濟運行，照明、遮陽、采暖、通風和空調(diào)之間的相互作用有助于節(jié)省盡可能多的能量，具有很大的發(fā)展前景。但是，總線式控制系統(tǒng)在系統(tǒng)設置上存在專業(yè)性強、邏輯關(guān)系復雜、普通用戶很難隨意調(diào)整等問題，這將導致KNX很難快速進入民用建筑領(lǐng)域。

參考文獻

[1]梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學報，2014，25（2）：15-26.

[2]章云，許錦標，谷剛，等. 建筑智能化系統(tǒng)[M].2版.北京：清華大學出版社， 2017.

[3]盧超.基于WiFi的智能LED照明控制系統(tǒng)的設計[J].照明工程學報，2019，30（4）：137-143.

[4] Dave Hollander.藍牙Mesh照亮智能樓宇的未來[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2019，19（8）：90.

[5]趙悉鈞，顧春榮，張海玲，等. 基于ZigBee通信的智能照明系統(tǒng)[J].電子設計工程，2019，27（18）：162-165.

[6]胡兵.KNX現(xiàn)場總線控制在智能照明系統(tǒng)的應用[J].電氣自動化，2018，40（2）：113-115.

[7]葉敏莉.GAMMA instabus KNX系統(tǒng)在北京西門子大樓中的應用[J].智能建筑電氣技術(shù)，2009（2）：54-57.

[8]李少雷.基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)[J].電子設計工程，2016，24（2）：140-141.

[9]寧善慶，亢榮，吳平.智能照明系統(tǒng)專利申請發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電器工業(yè)，2018（12）：6-17.

[10]吳玉鵬.高桿燈智能照明系統(tǒng)監(jiān)控終端的研制[D]. 南京：東南大學，2017.