KNX/EIB、EnOcean和DALI技術(shù)在建筑能源管理中的應(yīng)用

文｜ 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 馬如明 楊 毅

KNX/EIB、EnOcean和DALI技術(shù)在建筑能源管理中的應(yīng)用

文｜ 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 馬如明 楊 毅

本文所闡述的智能控制系統(tǒng)遵循多種國際標準協(xié)議，融合物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)配電技術(shù)，系統(tǒng)由傳感執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。傳感執(zhí)行層支持KNX、EnOcean、DALI等協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層采用上述協(xié)議和以太網(wǎng)的兩層架構(gòu)；應(yīng)用層為建筑集中和智能終端控制軟件。系統(tǒng)功能包括燈光、遮光/百葉窗、供暖、新風、空調(diào)、智能家電、能耗監(jiān)測等就地和遠程控制，可廣泛應(yīng)用于公共建筑能源管理系統(tǒng)。

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(jīng)濟的高速發(fā)展，高科技和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對住宅和工作環(huán)境更加舒適、智能和高效節(jié)能的要求越來越高。同時國家大力推進“綠色建筑、節(jié)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(shù)發(fā)展。國家在“十二五節(jié)能減排綜合性工作方案”中提出，到2015年，我國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗相比2010下降16%，目標強制執(zhí)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(chǎn)業(yè)給予重點扶持。

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

2 系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

項目主要涉及了KNX、EnOcean、DALI三大技術(shù)。

2.1 KNX/EIB技術(shù)

KNX標準是唯一全球性的、開放型住宅和樓宇控制標準，已經(jīng)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(zhì)的通訊協(xié)議技術(shù)。

KNX技術(shù)之所以得到國際廣泛應(yīng)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(tǒng)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(yōu)點。KNX系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

KNX第二個特點是采用域、線路、設(shè)備三層拓撲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每個設(shè)備都有單一的物理地址，域和線路取值0～15，設(shè)備取值0～255，則一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最多可配置15×15×256=57600個設(shè)備，并可以用線路耦合器用于總線隔離和信號驅(qū)動，可以滿足大型控制系統(tǒng)。KNX系統(tǒng)拓撲如圖2所示。

KNX/EIB技術(shù)之所以能夠在全球得到廣泛應(yīng)用，其主要原因是協(xié)議的開發(fā)性、通用性，各家產(chǎn)品只要遵循協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要求，就能做到不同廠家的產(chǎn)品直接兼容使用。協(xié)議棧的實現(xiàn)原理是采用對象和組的操作方式，采用地址表、關(guān)聯(lián)表把功能和組對象關(guān)聯(lián)起來。

2.2 自獲能EnOcean無線技術(shù)

EnOcean技術(shù)能夠從光、熱、電波、振動、人體動作等自然界環(huán)境獲得微弱能量驅(qū)動無線設(shè)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(shù)字調(diào)光DALI技術(shù)

DALI數(shù)字化可尋址調(diào)光接口協(xié)議是目前國際上應(yīng)用最廣泛的面向三基色熒光節(jié)能燈照明控制的通信協(xié)議，DALI系統(tǒng)由一個主控節(jié)點和64個獨立尋址的從控節(jié)點組成，從控節(jié)點可分成16組，統(tǒng)一從控節(jié)點可分在不同的組中，每個從控節(jié)點最多可設(shè)定16種照明場景，提供單控、組控和場景設(shè)置等功能，具備系統(tǒng)裝置工作狀態(tài)反饋機制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)由傳感執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。傳感執(zhí)行層支持KNX、EnOcean、DALI等協(xié)議，包括各種傳感器、執(zhí)行設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)層采用上述協(xié)議和以太網(wǎng)的兩層架構(gòu)，包括家庭主機、各種網(wǎng)關(guān)、OPC接口等；應(yīng)用層為建筑能效管控系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮模塊化、開放性、集中控制和獨立運行相結(jié)合等因素。傳感和執(zhí)行設(shè)備基于KNX、DALI、EnOcean技術(shù)，各模塊可以脫離家庭主機實現(xiàn)設(shè)備獨立和設(shè)備之間關(guān)聯(lián)邏輯聯(lián)動，同時也可以通過各種終端軟件經(jīng)主機進行集中和遠程控制，這樣就確保了系統(tǒng)的雙重穩(wěn)定性，即使主機出現(xiàn)問題，能效管控系統(tǒng)也可以使用。

4 系統(tǒng)功能組成

本系統(tǒng)可以適用于大型公共建筑樓宇，公共建筑樓宇側(cè)重節(jié)能，在進行系統(tǒng)功能設(shè)計時充分考慮這個領(lǐng)域的需求以及發(fā)達國家的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，采用有線和無線結(jié)合的功能模塊化的設(shè)計思路。

從傳感執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層分別來說明。

（1）傳感執(zhí)行層

傳感執(zhí)行層包括系統(tǒng)各種傳感輸入和驅(qū)動負載的執(zhí)行器，數(shù)據(jù)傳感輸入不但是用于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，也可以通過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)上送區(qū)域級別的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?？紤]到各種應(yīng)用環(huán)境和客戶需求，系統(tǒng)可以接入KNX/EIB總線的傳感器或者是通過網(wǎng)關(guān)接入ZigBee和EnOcean無線傳感器。傳感設(shè)備實現(xiàn)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(zhí)行層設(shè)備包括對三基色熒光燈的DALI調(diào)光，各種燈具的開閉和調(diào)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(diào)的通信方式和紅外控制。傳感輸入和執(zhí)行輸出可以邏輯綁定，由應(yīng)用層采集傳感信息，實現(xiàn)對執(zhí)行設(shè)備的控制。采用KNX/EIB總線的好處在于設(shè)備之間可以實現(xiàn)組對象編程和控制，即使脫離控制主機也可以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

應(yīng)用層和傳感執(zhí)行層的功能實現(xiàn)需要網(wǎng)絡(luò)層的信息傳輸。網(wǎng)絡(luò)層包括KNX/EIB、EnOcean、以太網(wǎng)、Wi-Fi，其他傳輸協(xié)議和物理介質(zhì)如ZigBee等需要通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)層可以識別的協(xié)議和介質(zhì)。KNX/EIB總線為信號耦合在總線電源的工作方式，所以網(wǎng)絡(luò)需要電源模塊提供電源和信號載體。網(wǎng)絡(luò)層最重要的設(shè)備是主機，它實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的信號采集和控制及系統(tǒng)就地和遠程控制，達到各種網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換、各種子系統(tǒng)功能的接入和控制。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層包括應(yīng)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(jié)構(gòu)圖方式，各種交互設(shè)計基本實現(xiàn)“傻瓜化”操作。操作軟件可以支持Windows、Andriod、Mac OS X等操作系統(tǒng)，并且方便調(diào)整屏幕的尺寸和分辨率。應(yīng)用層還包括OPC接口軟件，用于把系統(tǒng)接入小區(qū)物業(yè)、社區(qū)管理系統(tǒng)、能源管理、酒店P(guān)MS等外網(wǎng)系統(tǒng)，提升智能系統(tǒng)的客戶使用價值。

5 系統(tǒng)主要技術(shù)實現(xiàn)

5.1 KNX/EIB技術(shù)實現(xiàn)

KNX標準的核心技術(shù)是基于各種物理介質(zhì)的協(xié)議棧，其中基于TP介質(zhì)的協(xié)議棧架構(gòu)如圖5所示。

雖然KNX是開放的國際標準，但是協(xié)會提供的標準文本很簡略，很多細節(jié)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(shè)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(xiàn)完整的協(xié)議棧，同時還要保障系統(tǒng)的響應(yīng)迅速，對整體的程序架構(gòu)設(shè)計、程序運行效率都有很高的要求，以上這些都是技術(shù)實現(xiàn)的難點。

KNX（TP）協(xié)議棧主要包含物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。具有應(yīng)用接口、配置和管理、虛擬內(nèi)存等功能。

物理層是基于不同的物理介質(zhì)，為設(shè)備提供接入KNX/EIB系統(tǒng)的物理實體。

KNX技術(shù)可以基于TP（雙絞線）、RF（射頻）、PL（電力線載波）、以太網(wǎng)等物理介質(zhì)，但是目前主流的還是基于TP的方式，本系統(tǒng)也是基于該種物理介質(zhì)。本系統(tǒng)設(shè)備采用FZE1066接口芯片實現(xiàn)物理層，物理層的主要功能包括物理層的初始化和關(guān)閉、報文發(fā)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(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)實體間發(fā)送信息以及建立、維護和釋放數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)層。鏈路層提供訪問物理層的方法，并處理發(fā)送的訪問信息優(yōu)先順序。鏈路層可以使用流控制來管理信息發(fā)送率并使用序列號方式來管理數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)單元的排序。鏈路層提供對數(shù)據(jù)鏈路地址的識別，并向網(wǎng)絡(luò)層提供其請求的服務(wù)結(jié)果。該層采用狀態(tài)機的方式來管理上下層之間的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)傳輸實體，獨立于路由和網(wǎng)絡(luò)段的拓撲結(jié)構(gòu)，基于狀態(tài)機控制實現(xiàn)傳輸層和鏈路層之間的數(shù)據(jù)傳輸，但向傳輸層屏蔽了如何使用底層資源來提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的細節(jié)。將鏈路層報送的錯誤和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的協(xié)議錯誤上送給傳輸層，提供對網(wǎng)絡(luò)地址的識別，并可以向傳輸層提供其請求的服務(wù)結(jié)果。

傳輸層提供應(yīng)用層實體數(shù)據(jù)的透明傳輸，并使其不必考慮實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w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(xiàn)組數(shù)據(jù)傳輸，無連接的可以實現(xiàn)功能數(shù)據(jù)的傳輸。

應(yīng)用層實現(xiàn)了KNX/EIB設(shè)備應(yīng)用進程訪問總線通信資源，每個設(shè)備應(yīng)用進程以應(yīng)用實體代表其對等層。應(yīng)用實體包含一個用戶元素和一組應(yīng)用服務(wù)元素，應(yīng)用服務(wù)元素可以相互調(diào)用并在服務(wù)上執(zhí)行其功能。應(yīng)用層為應(yīng)用進程提供應(yīng)用服務(wù)，在不同設(shè)備間的應(yīng)用進程通過通信模式進行相互操作。不同的通信模式?jīng)Q定了提供的應(yīng)用層服務(wù)，一個應(yīng)用層服務(wù)不為未被制定的通信模式應(yīng)用。

對于一個KNX/EIB設(shè)備，內(nèi)部各層之間的工作原理如圖6所示。

數(shù)據(jù)在物理層和應(yīng)用層之間上下逐層傳輸，每層數(shù)據(jù)獨立，為了保證數(shù)據(jù)之間的傳輸可靠性，各層采用狀態(tài)機機制來表示當前層的狀態(tài)，并根據(jù)當前狀態(tài)按照預(yù)定的機制運行服務(wù)功能。協(xié)議包含鏈路層狀態(tài)機、網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)機、傳輸層狀態(tài)機、下載狀態(tài)機等。

KNX/EIB設(shè)備之所以能實現(xiàn)讓各個廠家的產(chǎn)品兼容使用，根本原因是采用組對象機制，協(xié)會統(tǒng)一規(guī)范了組對象結(jié)構(gòu)，任何廠家采用這一標準就能與其他廠家產(chǎn)品進行互聯(lián)。KNX設(shè)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(shè)備，每個設(shè)備可以用于組對象的發(fā)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(wǎng)絡(luò)范圍唯一的組地址，組地址應(yīng)通過傳輸層映射到本地組索引，組索引對應(yīng)設(shè)備唯一的通信服務(wù)。應(yīng)用層通過關(guān)聯(lián)表將組索引映射到應(yīng)用層服務(wù)點，這樣就完成了通過組對象關(guān)聯(lián)應(yīng)用層服務(wù)的過程。

5.2 數(shù)字調(diào)光DALI技術(shù)實現(xiàn)

DALI技術(shù)的核心是調(diào)光鎮(zhèn)流器、DALI協(xié)議、調(diào)光鎮(zhèn)流器和熒光燈的狀態(tài)反饋。協(xié)議本身是國際標準，這里不做闡述，主要說明調(diào)光和狀態(tài)反饋的實現(xiàn)原理。

調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

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

5.3 自獲能無線EnOcean技術(shù)實現(xiàn)

自獲能EnOcean無線技術(shù)的核心包括協(xié)議棧和能量收集電路，其中協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖9所示。

EnOcean協(xié)議棧具有一個模塊化架構(gòu)，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(shù)，可以通過在上層應(yīng)用從模塊中調(diào)用這些功能以實現(xiàn)各軟件模塊與應(yīng)用程序的鏈接。例如：某個應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用直接訪問。每個應(yīng)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(xié)議棧以及外圍部件的操作。DolphinAPI不執(zhí)行典型的KERNEL架構(gòu)。DolphinAPI和KEIL庫對象的關(guān)聯(lián)是在編譯應(yīng)用時完成的，因此是沒有KERNEL和user space separation。同樣沒有內(nèi)存管理，軟件模塊的內(nèi)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(xiàn)。

協(xié)議棧由EnOcean聯(lián)盟制定，各個廠家依據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式開發(fā)產(chǎn)品，可以實現(xiàn)各廠家產(chǎn)品兼容使用，每個設(shè)備具有全球唯一的ID，便于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息采集。最新的EEP2.1協(xié)議還增加了加密措施，保證無線環(huán)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(yīng)的情況下實現(xiàn)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(nèi)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(xù)儲能；當外界環(huán)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(huán)境再次提供足夠能量時，C2再進行儲能。如果外界環(huán)境能量供應(yīng)長期處于不足的狀態(tài)，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(huán)境獲能時可以快速啟動和儲能。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用基于KNX/EIB、EnOcean、DALI等國際標準技術(shù)和分層架構(gòu)的設(shè)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(tǒng)要求。相對其他控制系統(tǒng)而言，本系統(tǒng)的優(yōu)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(chǎn)品無縫兼容，提升系統(tǒng)的集成能力和客戶選擇范圍及應(yīng)用價值。

（2）因為采用自獲能無線技術(shù)，所有傳感和控制設(shè)備無需額外供電，采集環(huán)境能量驅(qū)動設(shè)備運行，避免常規(guī)無線產(chǎn)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(yīng)用。

（3）采用主機控制和模塊相互之間邏輯關(guān)聯(lián)的兩種控制方式，雙重保障了系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)HBES技術(shù)規(guī)范住宅GB/Z 20965-2007和樓宇控制系統(tǒng)

3 數(shù)字可尋址接口標準IEC 60929-2002