基于KNX總線的樓宇自動化系統研究與應用

鄒 龍

(福建和盛高科技產業有限公司,福建 福州 350101)

1 概述

近年來，國家大力提倡合理使用和節約能源，對電量的合理和節約使用日趨重視。樓宇空調、照明系統是全世界樓宇建筑能源消耗最大的組成部分之一[1]，合理高效的使用將有效減少電力資源浪費，提升用電效率。現階段樓宇節能主要通過人工巡視、手動控制來降低能耗，不僅費時、費力，控制效果也不理想，一旦巡視人員忘記關閉，將造成電力資源的浪費。另外，辦公樓宇長期處于半封閉環境，內部空氣流通較性較差；且樓宇辦公人員較多，容易抬升CO2濃度，造成CO2、PM2.5濃度超標的現象，對樓宇內的辦公人員身體健康造成不可忽視的影響。

樓宇內照明系統運行的高效化、節能化、環保化，能夠給樓宇內辦公人員提供更加安全、舒適、方便、清晰和智能的辦公環境。這需要一套樓宇自動化控制系統，以提高樓宇整體的數字化、信息化、智能化管理水平，從而精準管控成本，保障樓宇工作人員的身心健康。

1.1 研究背景

樓宇自動化是信息時代的必然產物，樓宇自動化程度隨科技發展而逐步提高。以計算機技術、現代控制技術、現代通信技術和圖形顯示技術為代表的4C技術應用于建筑物，在建筑物內構建一個融檢測、控制、服務于一體的綜合網絡，即構成樓宇自動化系統。

當前，國內大部分樓宇安裝了照明、空調、新風系統，對應的控制面板主要為觸摸式和按鍵式。這類控制面板大多為現場控制，不具備遠程查看和控制功能，缺乏有效在線維護手段；KNX總線技術的出現，為樓宇自動化管控奠定了堅實的基礎，它是全球唯一的住宅和樓宇控制領域開放式的國際標準[2]。KNX是Konnex協會針對樓宇、家居現場控制應用領域制定的總線標準，由歐洲三大總線協議EIB、BatiBus和EHS合并發展而來。該協議以EIB為基礎，兼顧了BatiBus和EHS的物理層規范，并吸收了BatiBus和EHS中配置模式等優點。KNX國際協會得到了ABB、海格、施耐德及西門子等國際知名廠商的大力支持，推動了KNX總線樓宇自動化管控系統的建設與發展[3]。

1.2 研究內容

KNX總線系統將計算機控制技術領域最新的總線技術應用于傳統的電氣安裝領域，系統中所有總線元件都有自己的智能體，不需要中央控制單元。因此，KNX系統的組成極為方便，既可以用于小型項目(樓層)，也可用于大型項目(機場、酒店、行政辦公樓、工業建筑等)。

作為一種新型總線標準，KNX繼承了傳統的總線功能，即現場通信網絡、現場設備互聯、分散功能塊、開放式網絡互聯以及互操作性等[4]。同時，所有KNX產品必須采用Konnex協會嚴格的產品和質量控制措施，確保產品的互操作性和可替換性。KNX技術是一種針對對象服務的技術，即KNX網絡更側重于工程管理與對象通信服務的應用[5]。在基于KNX構建的網絡中，所有服務形成一個全分布系統，通過數據點的標準化和功能的模塊化，建立一個功能強大的工作模型。

本文在跟蹤、消化和吸收國際主流標準的基礎上，提出一種采用KNX網絡控制技術構建樓宇自動化系統的實現方法，并進行相關產品開發。通過設計一套基于KNX總線的樓宇智能化管控系統，對樓宇空氣質量、溫濕度、照明進行實時監測及自動化控制。該系統將實現空氣質量與新風系統自動控制、溫濕度與空調系統自動控制、照明與感應自動控制，可遠程實時查看辦公環境情況，有效地進行統一管控。

2 系統設計方案

樓宇空氣質量、溫濕度、照明系統與辦公人員的健康息息相關，單調的人員巡視、就地管控模式已無法滿足高效、節能、自動化的辦公環境需求。通過KNX總線連接空氣質量探測器、落地LCD滾動顯示屏、吸頂式移動探測器、交換機、控制網絡等設備，提出了基于KNX總線的樓宇自動化管控系統解決方案。

該系統能夠實現樓宇照明控制、地下室CO、CO2監測，地上樓層CO2、PM2.5、PM10、溫濕度監測、室內外空氣質量比對、傳感器與設備聯動等功能。通過系統對各樓層前端照明、空氣質量采集設備進行智能聯動控制，全面感知大樓辦公環境，提高樓宇自動化管理水平，創造宜人、節能、安全、智能的辦公環境。KNX提供從物理層到應用層的各種產品開發模式，不同層次產品研發的復雜度和成本存在較大差異。因此，KNX產品開發采用自頂向下的模式進行，如圖1所示。

圖1 KNX產品系列開發模型

2.1 系統的組成與架構

本文設計的KNX總線樓宇自動化管控系統為總線制控制，主干線可通過線路耦合器連接15條分干線，再連接15條支干線。每條支干線可安裝64個電子元器件，整個系統可以鏈接14400個電子元器件。所有主干線、分干線、支干線的傳輸速率為9600bit/s，以手拉手串連形式連接，滿足大部分樓宇自動化系統的建設。

整個總線控制系統主要由傳感器、集中控制器、系統平臺、顯示設備組成。其中，傳感器包括空氣質量檢測傳感器、照明感應傳感器；集中控制器由網關、集中供電模塊組成。系統平臺則涉及PC客戶端和App應用，相應的顯示設備為LCD大屏、電腦、手持移動終端等。系統架構如圖2所示。

圖2 基于KNX總線的自動化管控系統架構

2.2 空調系統控制方式及解決方案

基于KNX總線的樓宇自動化管控系統能夠將樓宇自動化控制網絡與信息網絡集成，實現智能監控。系統所設計的顯示面板可顯示實時溫度，并可實現遠程多用戶登陸查看空調設置溫度的信息。客戶可以根據實際環境進行空調的溫度設定、不同運轉模式、開關等智能遠程控制，從而實現集中化管理。系統控制流程簡單，具備易操作性，能夠最大程度保障電力可利用性及人員舒適度。

2.2.1 空調系統控制策略

通過網關接口及串行接口實現空調系統調節的自動化，不僅可以提高調節質量，降低冷、熱量的消耗，節約能量，同時可以減輕勞動強度，提高勞動生產率和技術管理水平。空調控制系統采用遠程統一控制、App控制、感應聯動控制方式。

①在正常上班時間(07∶00—19∶00)，采用遠程統一控制開啟空調；

②在下班時間段(19∶00—07∶00)，采用遠程統一關閉空調。若人員加班可就地開啟或通過App遠程開啟；

③通過溫度探測器聯動空調控制器，實時監測室內溫度，當溫度超過系統設置的閾值時，自動調整溫度，保持夏季22～28℃，冬季16～24℃。

2.2.2 空調系統解決方案

空調控制系統主要通過智能空調控制面板實現。根據實際需求，空調控制面板可分別通過本地和聯網管理實現空調控制。每個樓層的智能空調控制面板通過KNX總線接入智能控制網關，設備通過網關后可將數據接入總控制系統，如圖3所示。

圖3 空調控制系統結構圖

通過網關采集到的智能空調控制面板點位信息，可以上傳到云端。用戶在云端可以監控末端設備，查看實時報警信息，并且可以設置用戶管理權限。云端控制系統還可以實時監控大樓內每臺空調設備的運行狀態、溫度設定、工作模式等。具體的控制功能如下。

①實時監測每臺空調的運行狀態，通過設定條件，定時對空調進行開關機控制。

②監測每臺空調溫度設定數值，當超出設定值可進行遠程自動調整。

③支持數據同步，保證網關/空調控制面板和云端監控數據保持一致。

④后臺支持黑名單管理，可根據需求設置不同工作人員權限。

⑤后臺支持設備查詢和歷史消息查詢。

另外，在總控制系統允許連接外網的條件下，每個用戶可通過綁定各自管理的空調設備，實現遠程查看空調工作狀態，并進行開關機控制。

2.3 照明、空氣質量系統控制方式及解決方案

本文設計的基于KNX總線的樓宇自動化管控系統，在每層均設置相應的智能控制設備，對每層前端照明、空調及新風設備進行智能聯動控制。

2.3.1 照明系統控制策略

照明控制采用遠程統一控制、時控器和微波探測組合方式。

①在正常上班時間(07∶00—19∶00)，采用遠程統一控制開啟正常照明；

②在下班時間段(19∶00—07∶00)，采用微波探測方式，當監測到移動物體后觸發開啟一定時間(5分鐘)的照明燈光。

這種以用戶實際應用為導向的時間控制式的控制策略，在保持室內舒適照明的同時，降低照明能耗，最終達到有效節能效果，營造綠色大樓環境。

2.3.2 新風系統控制策略

新風控制采用遠程統一控制、App控制、感應聯動控制方式。

①在正常上班時間(07∶00—19∶00)，采用遠程統一控制開啟新風；

②在下班時間段(19∶00—07∶00)，采用遠程統一關閉新風。若人員加班可就地開啟或App遠程開啟；

③通過空氣質量探測器聯動新風控制器，實時監測室內空氣質量，當空氣質量超過系統設置的閾值時，自動調整新風大小，保持室內外空氣良好循環。

2.3.3 照明、空氣質量系統解決方案

①通過智能照明控制、空氣檢測系統可加強整棟大樓的信息化管理能力，根據策略及配套的智能探測器，調節控制大樓內燈光的啟閉調節；

②智能照明控制系統通過聯動吸頂式移動或紅外探測器，實現夜間人員進出大樓的燈光智能聯動功能，通過感應控制實現“人來燈亮，人走燈滅”的節能模式。

③空氣檢測系統可對整棟大樓內空氣質量、氣體濃度，以及地下樓層CO、CO2氣體濃度進行實時、精準檢測。基于監測數據，聯動新風系統，避免出現因缺乏有效的檢測手段而對人員造成傷害。

通過上述系統解決方案，有效改善樓宇照明、空氣質量系統的自動化管理，降低后勤及物業管理難度，達到有效節能的目標。系統采集分析辦公大樓的整體空氣質量，把所有樓層空氣質量參數傳送到LCD屏上滾動顯示，全面感知大樓辦公環境，進一步保障辦公人員的身體健康。

樓宇內辦公人員可以通過該系統，隨時查看當前各自區域的環境情況，為管理層及決策層提供有效的數據支撐，為后續的空氣質量改善措施提供有力的支持，也為多系統智慧聯動、共建清新環境打下堅實基礎。

3 系統應用

本節通過將已設計好的KNX總線樓宇自動化管控系統應用于實際的辦公樓宇，利用系統設定的閾值聯動控制照明、空調、新風系統，從而驗證所涉及系統的可行性和有效性。

3.1 系統閾值設置

首先，通過調研，對所應用的樓宇監測項目進行閾值設定。樓宇自動化管控系統標準數值參考《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)來設定系統閾值，實現科學、合理的控制系統聯動[6]，如表1所示。

表1 樓宇自動化管控系統監測項目及評估等級

3.2 系統界面

3.2.1 管理后臺界面

后臺界面可根據不同的樓宇客戶需求，設置不同的監測數據。主要的監測數據包括各樓層監測數據、設備狀態、滾動顯示時間、歷史數據、采集頻率、觸發聯動閾值等，如圖4所示。

(a)采集器管理 (b)傳感器數據顯示

3.2.2 前端顯示界面

基于用戶習慣，對Web端、App端、PC端開展個性化設計，實現不同客戶端的不同展示界面效果。展示的主要數據包括監測數據超標警告、數據曲線圖、統計分析圖等，如圖5所示。

圖5 樓宇信息綜合顯示界面

4 結論

樓宇自動化能大大提升人們的生活品質，具有廣闊的發展空間。作為目前用于家庭及住宅樓宇自動化領域唯一的國際標準，KNX技術在樓宇設備信息互享、能源管理、改善人居環境控制能力以及提高物業管理水平等方面具有廣闊的應用前景。

本文基于國內外典型的樓宇自動化現場總線標準以及KNX技術規范的基礎上，通過敷設KNX總線，加裝空氣質量傳感器、溫度傳感器、照明控制器等設備，設計了一套基于KNX總線的樓宇自動化管控系統，包括產品開發方案、軟硬件設計方案。基于此，將其應用到辦公樓宇中，通過自動化管控策略、聯動設備控制策略，實現對辦公樓宇的空調、照明、空氣等監測和控制。應用結果表明，所設計的系統能夠有效、合理、便捷地調節照明、空調、新風系統，可以有效改善樓宇環境和節能減排，在創造宜人環境的同時，達到降本增效的目的。