基于KNX的高層住宅智能家居系統(tǒng)控制

【摘要】本文結(jié)合某府邸智能家居系統(tǒng)工程案例，對(duì)KNX系統(tǒng)在高層住宅中的控制及應(yīng)用加以研究，KNX系統(tǒng)是一個(gè)基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單元地址化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予每個(gè)功能部件相應(yīng)單獨(dú)的物理地址。每個(gè)模塊都有微處理器，可獨(dú)立收發(fā)總線數(shù)據(jù)，完成傳感測量、運(yùn)算、執(zhí)行、控制等功能。隨著應(yīng)用場景和用戶需求的個(gè)性化，總線器件之間又可進(jìn)行功能組合，完成燈光、窗簾、空調(diào)、新風(fēng)、地暖等系統(tǒng)的一體化集成控制，實(shí)現(xiàn)輸出功能倍增的效果；并可根據(jù)自身的實(shí)際需要，對(duì)KNX系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)、智能化管理。無須接觸底層設(shè)備與學(xué)習(xí)專業(yè)的知識(shí)，通過用戶端APP控制設(shè)置，也可對(duì)KNX系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。

【關(guān)鍵詞】個(gè)性化；功能組合；集成控制；APP控制

中圖分類號(hào)：G212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.066

隨著人們生活水平的提高，擁有一個(gè)安全、溫馨、舒適、便捷、有益健康的家居辦公環(huán)境，成為時(shí)下人們追求品質(zhì)生活的主要目標(biāo)。如何才能賦予家居辦公環(huán)境安全、高效、便捷、節(jié)能、健康等屬性成為了研究重點(diǎn)。原有高層住宅內(nèi)的各子系統(tǒng)的分散管理或部分子系統(tǒng)（設(shè)備）的簡單集成管理，已無法滿足人們對(duì)品質(zhì)生活的追求。在單個(gè)設(shè)備控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、集成的控制與管理，成為高層住宅建筑內(nèi)設(shè)備管理系統(tǒng)的必然趨勢。

1. 家居系統(tǒng)功能需求分析

對(duì)家居系統(tǒng)功能需求加以分析，力求將高層住宅中燈光系統(tǒng)、窗簾系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、地暖系統(tǒng)等子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)整體，例如：①與可視對(duì)講對(duì)接聯(lián)動(dòng)控制；②在開門瞬間自動(dòng)打開玄關(guān)照明，進(jìn)入客廳自動(dòng)關(guān)閉玄關(guān)照明；③白天回家模式時(shí)只打開客廳窗簾，晚上回家模式時(shí)打開客廳燈光同時(shí)關(guān)閉客廳窗簾；④在調(diào)節(jié)溫控面板溫度時(shí)，自動(dòng)打開客廳的空調(diào)或地暖；⑤離家模式時(shí)，自動(dòng)打開新風(fēng)系統(tǒng)，凈化室內(nèi)空氣。

針對(duì)上述需求，需依靠一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，集成高層住宅內(nèi)每一個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)，故引入現(xiàn)場總線控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一體化的集成管理KNX系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用一條雙絞線（i-bus總線）代替?zhèn)鹘y(tǒng)種類繁多的普通電纜，所有控制信號(hào)均通過此總線傳輸接收和發(fā)送總線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含溫濕度、光照度、CO2、PM2.5、智能面板輸入信號(hào)等參數(shù)，當(dāng)參數(shù)滿足程序要求時(shí)，驅(qū)動(dòng)器立刻執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，完成燈光、窗簾、空調(diào)、新風(fēng)、地暖等系統(tǒng)的一體化集成控制。

KNX控制系統(tǒng)每個(gè)模塊在控制功能上具有獨(dú)立性。在網(wǎng)絡(luò)通信正常條件下，某個(gè)元器件因故障或損壞停止工作后，不會(huì)影響總線上的其他設(shè)備運(yùn)行，從側(cè)面體現(xiàn)出KNX系統(tǒng)有很好的可靠性和穩(wěn)定性。

2. KNX系統(tǒng)集成

2.1 可視對(duì)講系統(tǒng)集成

目前，可視對(duì)講產(chǎn)品均是廠家專有協(xié)議，基本無標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。不同廠家互不兼容，和各弱電系統(tǒng)也不能聯(lián)通，各系統(tǒng)之間的互聯(lián)成為集成控制的重點(diǎn)難題。通過采用外置協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（KNX網(wǎng)關(guān)），KNX系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場總線＋局域網(wǎng)”的數(shù)據(jù)交換，從而使可視對(duì)講完成與KNX系統(tǒng)對(duì)接控制。

可視對(duì)講發(fā)送開燈、窗簾、空調(diào)、新風(fēng)、地暖指令時(shí)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（KNX網(wǎng)關(guān)），KNX系統(tǒng)接收到可視對(duì)講發(fā)出的上述指令，同時(shí)KNX系統(tǒng)對(duì)接收的信號(hào)指令進(jìn)行處理，控制驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到對(duì)各系統(tǒng)的控制。可視對(duì)講對(duì)接控制原理見圖1。

2.2 燈光控制系統(tǒng)

KNX控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器模塊均為標(biāo)準(zhǔn)模/數(shù)化產(chǎn)品，可直接安裝在區(qū)域的強(qiáng)電配電箱中，每個(gè)照明回路對(duì)應(yīng)KNX輸出控制模塊的一個(gè)具體通道，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)不同回路的開關(guān)或調(diào)光控制。位于現(xiàn)場的智能面板及功能傳感器則主要采用國標(biāo)86盒或80底盒墻裝方式，整體系統(tǒng)安裝施工簡單，控制功能靈活且在發(fā)生功能變化時(shí)更易于調(diào)整。其原理如圖2所示。

KNX系統(tǒng)中所有輸入設(shè)備（如：面板、紅外移動(dòng)探測器、照度傳感器）和輸出設(shè)備（如：開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、窗簾驅(qū)動(dòng)器）均通過i-bus總線相互連接。當(dāng)總線接收到輸入信號(hào)時(shí)，通過微處理電子技術(shù)向輸出模塊發(fā)送執(zhí)行指令，驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。這意味著在系統(tǒng)設(shè)備硬件不作任何改動(dòng)的情況下，可通過對(duì)元器件的程序編譯來實(shí)現(xiàn)功能的靈活多變，以完成對(duì)區(qū)域內(nèi)外的單一照明回路、或多回路的開關(guān)、調(diào)光、場景控制，同時(shí)也可進(jìn)行區(qū)域的總開關(guān)控制。

2.3 窗簾控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)窗簾必須手動(dòng)開關(guān)，操作較為繁瑣，針對(duì)該現(xiàn)象，窗簾控制系統(tǒng)逐漸得以應(yīng)用。KNX系統(tǒng)控制通過驅(qū)動(dòng)器控制窗簾電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)窗簾的開閉（升降），與照度探測聯(lián)動(dòng)窗簾開閉（升降）可充分利用自然光，減少能量損耗；與燈光控制聯(lián)動(dòng)，可營造不同的氛圍場景，彰顯生活品質(zhì)。其控制原理見圖3。

例如定時(shí)控制可為智能窗簾進(jìn)行定時(shí)，通過時(shí)間表對(duì)其進(jìn)行開啟和關(guān)閉的時(shí)間表控制策略，如同給鬧鐘定時(shí)一樣，每天早上太陽升起，定時(shí)控制遮光簾打開透光、紗簾仍關(guān)閉保護(hù)隱私；固定上床休息時(shí)間遮光簾則會(huì)緩緩拉上，帶來靜謐安寧的休息空間。有時(shí)需要把窗簾同時(shí)打開或關(guān)閉，則可通過一鍵聯(lián)動(dòng)功能來實(shí)現(xiàn)。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)集成

和市面上繁多的開關(guān)樣式相比，空調(diào)線控器的顏色極少，導(dǎo)致空調(diào)線控器的顏色與裝飾風(fēng)格難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。通過KNX系統(tǒng)集成，多種溫控面板款式選擇易于滿足業(yè)主個(gè)性化裝修風(fēng)格的需求。在追求智能系統(tǒng)的同時(shí)，亦可兼顧家中智能面板風(fēng)格、色彩統(tǒng)一協(xié)調(diào)。除原有空調(diào)電源線外，一般只需多布置一根RVVP通訊線。采用RS-485布線方式，Modbus通信協(xié)議，KNX系統(tǒng)可以輕松讀取空調(diào)系統(tǒng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如空調(diào)運(yùn)行模式、室外機(jī)溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速等。屏蔽雙絞線可靠接地有助于減少和消除兩根RS485通信線之間產(chǎn)生的分布電容以及來自于通訊線周圍產(chǎn)生的共模干擾。空調(diào)控制對(duì)接控制原理見圖4。

2.5 新風(fēng)系統(tǒng)集成

新風(fēng)系統(tǒng)集成方式與空調(diào)系統(tǒng)集成原理一致，通過RS-485布線方式，Modbus通信協(xié)議與KNX控制系統(tǒng)對(duì)接。人的身體無法精確判斷室內(nèi)CO2濃度、空氣濕度、PM2.5值，此時(shí)使用KNX系統(tǒng)則可不斷監(jiān)測空氣質(zhì)量來智能地保持健康的室內(nèi)環(huán)境，為提前設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)、溫度、濕度等參數(shù)提供可靠依據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。當(dāng)室內(nèi)溫度或濕度在一定范圍內(nèi)時(shí)，KNX系統(tǒng)智能模塊將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速和風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的舒適化。

2.6 地暖系統(tǒng)集成

KNX控制系統(tǒng)可分析室外溫度變化，進(jìn)行溫度調(diào)整預(yù)判，同時(shí)也會(huì)根據(jù)室內(nèi)實(shí)際溫度，及時(shí)調(diào)整室內(nèi)舒適度。不僅如此，KNX控制系統(tǒng)還可根據(jù)主人居住習(xí)慣、喜好或有無人員等情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

3. 系統(tǒng)難點(diǎn)問題與技術(shù)措施

3.1 時(shí)間表控制

（1）窗簾系統(tǒng)時(shí)間表控制：房間內(nèi)電動(dòng)窗簾可通過APP設(shè)置定時(shí)控制（例：布簾定時(shí)在早晨7點(diǎn)自動(dòng)打開，紗簾保持閉合）。

（2）新風(fēng)系統(tǒng)時(shí)間表控制：離家模式時(shí)，自動(dòng)打開新風(fēng)系統(tǒng)凈化室內(nèi)空氣，KNX系統(tǒng)可通過APP設(shè)置時(shí)間表功能，每天定時(shí)段打開或關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)，晚上自動(dòng)設(shè)定新風(fēng)系統(tǒng)為最低速運(yùn)行，保證安靜的室內(nèi)環(huán)境。

（3）通過調(diào)用網(wǎng)關(guān)時(shí)鐘，場景觸發(fā)時(shí)引入網(wǎng)關(guān)時(shí)鐘控制，做到白天回家模式時(shí)只打開客廳窗簾，晚上回家模式時(shí)打開客廳燈光同時(shí)關(guān)閉客廳窗簾。

3.2 聯(lián)動(dòng)控制

3.2.1 可視對(duì)講安防聯(lián)動(dòng)控制

可視對(duì)講系統(tǒng)由于具有安全保護(hù)作用，往往采用專有通訊協(xié)議，且不對(duì)外開放通訊協(xié)議。增加外置協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（KNX網(wǎng)關(guān)），KNX系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場總線＋局域網(wǎng)”的數(shù)據(jù)交換方式，把可視對(duì)接的專有協(xié)議轉(zhuǎn)換成為集成系統(tǒng)統(tǒng)一的KNX協(xié)議，做到無縫對(duì)接控制。在家庭安防方面此聯(lián)動(dòng)控制功能表現(xiàn)尤為突出。當(dāng)可視對(duì)講設(shè)置布防狀態(tài)后，如果KNX控制系統(tǒng)的紅外移動(dòng)探測器檢測到家中有人非法入侵時(shí)，KNX系統(tǒng)可通過執(zhí)行器打開蜂鳴器發(fā)出警報(bào)音，同時(shí)可視對(duì)講系統(tǒng)也會(huì)第一時(shí)間把報(bào)警信號(hào)傳給物業(yè)中心。

3.2.2 空調(diào)地暖聯(lián)動(dòng)控制

調(diào)節(jié)溫控面板溫度時(shí)，KNX系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)可自動(dòng)對(duì)采集的房間溫度與設(shè)置溫度進(jìn)行比較，若設(shè)置溫度比房間溫度高3度以上啟動(dòng)地暖開關(guān)，反之若溫度低3度以上則啟動(dòng)空調(diào)開關(guān)，并可把溫控面板關(guān)閉時(shí)溫度統(tǒng)一設(shè)置為基準(zhǔn)23度，基準(zhǔn)溫度設(shè)置可有效避免程序誤判。同時(shí)，空調(diào)開關(guān)與地暖開關(guān)命令進(jìn)行互鎖控制，在一鍵聯(lián)動(dòng)控制場景時(shí)不會(huì)出現(xiàn)空調(diào)和地暖同時(shí)打開的情況，避免能耗浪費(fèi)。

3.2.3 空氣質(zhì)量聯(lián)動(dòng)控制

為了聯(lián)動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)，引入空氣質(zhì)量傳感器，檢測室內(nèi)CO2濃度。CO2濃度含量與人體生理反應(yīng)如下：350～450ppm：同一般室外環(huán)境；350～1000ppm：空氣清新、呼吸順暢；1000～2000ppm：感覺空氣渾濁引起不適。在新鮮空氣中，CO2含量約為0.036%（360ppm）至0.041%（410ppm）之間變化。故將閾值設(shè)為500ppm，若室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器檢測到CO2濃度高于500ppm，自動(dòng)打開新風(fēng)系統(tǒng)引入室外新鮮空氣；低于300ppm則自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。

3.2.4 多塊溫控面板同步聯(lián)動(dòng)顯示

當(dāng)任意一個(gè)溫控面板向KNX控制系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出控制指令，使得KNX控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化后，須將KNX控制系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)同步到其他控制面板上。這時(shí)利用網(wǎng)關(guān)將每臺(tái)室內(nèi)機(jī)的溫度讀寫區(qū)分開，多塊溫控面板顯示溫度調(diào)用網(wǎng)關(guān)讀取到的反饋?zhàn)x取溫度，實(shí)現(xiàn)多塊面板的溫度同步顯示功能。

3.2.5 兒童房電視插座聯(lián)動(dòng)控制

主人房的智能面板可對(duì)兒童房的電視插座實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行關(guān)閉鎖死控制，實(shí)現(xiàn)有效的強(qiáng)制管理，可有效保護(hù)兒童視力。

3.3 場景控制

KNX系統(tǒng)的智能面板可實(shí)現(xiàn)一鍵式多功能場景切換控制（例：閱讀場景、休息場景、影音場景和總開/關(guān)功能等）。為了統(tǒng)一裝修風(fēng)格，KNX系統(tǒng)部分面板使用無源干接點(diǎn)復(fù)位面板，為使按鍵按下時(shí)存在次數(shù)之分，增設(shè)一個(gè)邏輯功能，每次面板按下時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行累計(jì)，使其信號(hào)傳遞數(shù)量得以區(qū)分，再針對(duì)不同數(shù)量設(shè)置不同功能場景。在計(jì)數(shù)累積到一定數(shù)量時(shí)，再做減法邏輯運(yùn)算，使之形成一個(gè)循環(huán)控制。具體邏輯如圖5所示。

4. 結(jié)束語

高層住宅KNX控制系統(tǒng)利用微處理電子技術(shù)，將家庭中的燈光、窗簾、空調(diào)、新風(fēng)、地暖等系統(tǒng)都集成在一個(gè)平臺(tái)上。通過智能化技術(shù)把多個(gè)系統(tǒng)功能疊加在一起，可更好地提升各系統(tǒng)的使用效率，更有效地減少能源消耗，達(dá)到節(jié)約成本功能倍增的效果。KNX系統(tǒng)還可根據(jù)人們的生活規(guī)律、使用習(xí)慣等應(yīng)用場景自動(dòng)對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行智能管理，為高層住宅創(chuàng)造一個(gè)安全、溫馨、舒適、便捷、有益于健康的家居辦公環(huán)境，大幅提升人們的生活品質(zhì)。

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作者簡介：徐賢明，工程師，研究方向：智能控制.