燈控線電氣安裝總線_天津市電纜總廠第一分廠

燈控線電氣安裝總線

智能控制在建築領域是一個非常普及的控制係統，一個符合時代和趨勢的行業技術標準，不可否認地會大大加快一個行業的發展。KNX是一個國際化的住宅、大廈控制標準，應用於家庭、樓宇控制已經有近30年的歷史。國內“KNX係統”概念起源於二十世紀90年代末，進入中國已經有20多年的時間。

如今重新從智能家居角度看KNX技術，整個市場的環境需求已經時過境遷，KNX從中高等應用到普通民用市場，開始應用於百平的普通居家空間內。過去的十年間，整個智能家居的定義已經發生了很大變化，對於KNX老朋友而言，與時俱進帶來更多的功能應用，又將會有哪些改變？

目前智能家居集成項目仍然比較多地集中在高等住宅和公建項目當中，而係統穩定、功能延展性豐富的總線產品無疑在前裝項目上擁有的優勢，眾多智能家居行業人與消費者，都在見證KNX在新市場環境中的快速成長，本期《智能家居》雜志邀請了國內外KNX產業鏈企業和嘉賓，共話國內的KNX技術應用自然。

總線技術

從智能家居係統的技術標準來說，有線技術可以說是智能家居的鼻祖，市場上比較有影響力的總線技術包括RS485、KNX、CAN、C－Bus、SCS－BUS、LonWorks、Modbus等，其優勢在於技術成熟、係統穩定、可靠性高，應用也比較廣泛。

總的來說，總線係統需要一種標準，或者有一個大部分設備廠家都能認可並採用的“語言”，即控制協議，牽涉到自動控制領域中的“現場總線技術”，要求控制與智能“本地化”與“模塊化”，讓控制係統的傳感器與控制器都具有單獨的運算、處理、發送信號的能力，相互單獨又相互聯係，構成一個控制網絡的“Internet”。

KNX協議標準及優勢簡介:國際化是KNX制勝的關鍵點

傳統智能係統體係中，無論是聲名遠揚的美係智能品牌，還是近年來雨後春筍般盛發的國內無線係統，因為協議的紛雜，都受困於品牌之間的無形壁壘，在不同功能實現中無法採用取長補短的方式強強聯合，無論用戶還是安裝商都被這種單一的選擇束縛了手腳。

1990年5月8日，以ABB、SIEMENS、MERTEN、GIRA、Hager等共七家歐洲有名的電氣產品制造商為核心組成聯盟，制訂了歐洲安裝總線規範（European Installation Bus），成立了中立的非商業性籌備EIBA（European Installation Bus Association，歐洲安裝總線協會）。

KNX是Konnex協會，總部位於布魯賽爾，基於EIB(歐洲安裝總線)協議於1999年提出並制定的新一代協議總線標準，是智能家居、智能建築行業的公開式國際標準。KNX標準目前已被批準為歐洲標準(CENELEC EN50090＆CEN EN 13321-1＆13321-2)、國際標準(ISO/IEC 14543-3)、美國標準(ANSI/ASHＲAE 135)和中國指導性標準(GB/Z 20965)，已經成為“HBES技術規範-住宅與樓宇控制”的國家標準化指導性技術文件，同時KNX也是家居和樓宇控制領域的公開式國際標準。

KNX協議是自動化流派的智能家居標準，源於工業自動化和建築自動化。KNX總線是目前上適用於家居和樓宇自動化控制領域較主流的公開式國際標準，1999 年由 EIBA (歐洲安裝總線協會) 、EHSA (歐洲家用電器協會) 和 BCI (BatiBUS 國際俱樂部)三大協會聯合成立。KNX 協議以 EIB 為基礎，兼顧了 BatiBus 和 EHS 的物理層規範，並吸收了 BatiBus 和 EHS 中配置模式等優點，提供了家居和樓宇自動化的完全解決方案。

KNX以其的性能和質量獲得了很大的成功。2007年，被中國控制網絡HBES技術規範住宅和樓宇控制係統吸收為國家標準GB/Z20965-2007，KNX技術於2013年又被批準為推薦性中國標準GB/T 20965-2013，做符合中國市場的調整，能夠地應用於中國市場，同時也是國際標準ISO/IEC14543-3。

成果斬獲

如何打通品牌區隔，成為構建智能家居自然圈目前較關鍵的問題。“兼容並包”正是KNX與其他係統不同和強大之處。KNX的特點是互聯互通，KNX認證廠商間的產品都是互相兼容的，KNX在產品兼容性上是其他智能體係無法比擬的，例如可以選擇一家的面板，再選擇另外一家的執行器。

KNX兼容性強，應用KNX技術的廠商、品牌、產品之間可以進行無縫穩定對接。目前覆蓋大部分國家四十多個國家，擁有470家會員（會員是開發家居和樓宇控制係統設備的制造商。後來集成商或服務供應商也可成為 KNX 會員），包含8000個互操作產品設備，幾乎覆蓋了建築中各個行業和各種用途的需要，大部分國家擁有470個KNX培訓中心，大部分國家超過190個國家使用KNX，為用戶解決了未來售後之憂，同時，KNX可以通過與其他協議和網關的對接，提升應用場合的擴容性，並且可以與目前的主流協議Wi-Fi、DALI、Zigbee、BLE、RS485、etc等進行連接通信，降低總體係統的價格，增加性價比。

KNX協會的業務範圍

由工作組及相關人士組制定檢測標準和質量標準（KNX 技術規範）。

· 為 KNX 兼容設備制造商提供技術支持服務。
· 基於 KNX 認證規範授權KNX商標。
· 籌備國家和國際標準化活動
· 推廣認證培訓中心的培訓課程
· 國家籌備成立
· 推進與技術機構的科研合作
· 舊係統的進一步規範化/推廣/認證工作
此外，KNX 協會還將繼續為 Batibus，EIB 和 EHS 等舊係統提供技術支持，也提供按照以前標準進行的認證服務。EIB 向後兼容 KNX，因此，大多數設備既可以標貼 KNX 又可以標貼 EIB 標志。

KNX的特點：穩定、、公開兼容

通過中立的認證確保交互性，KNX標識確保不同廠家和應用產品之間的交互性，ISO 9001是所有KNX制造商達到的標準，KNX只使用一個工程軟件ETS，單獨於廠商、設備和應用，可以用於設計、配置、診斷所有KNX認證設備，可使用應用程序來擴展工具，KNX可以用於各種應用程序，照明控制、空調控制、安防控制、供暖控制、能源管理、煙火探測、音視頻控制、家電控制、計量、百葉窗控制等。

KNX/EIB係統是目前上、應用較廣泛的總線控制技術之一。該係統通過一條總線將所有的元器件連接起來，每個元器件均可單獨工作，同時又可通過中控電腦進行集中監視和控制。通過電腦編程的各元件既可單獨完成諸如開關、控制、監視等工作，又可根據要求進行不同組合，從而實現不增加元件數量而功能卻可靈活改變的效果。

綜合來看，採用KNX/EIB總線標準搭建的係統有以下特點：傳感器（例如智能面板）與驅動器之間用單根雙絞線連接（DC24V控制電壓），可採取串接連接或菊花鏈式連接，每個智能元件之間都可互通信息；由傳感器發出指令，相應的驅動器執行動作，輸出一個或一組觸點，以實現對燈光等用電設備的控制。

KNX/EIB總線與傳統控制不同，傳感器和驅動器之間的對應控制關係不是通過各種復雜的線纜連接實現，而是通過該係統專項使用的ETS編程應用軟件進行定義、組合，再通過接口下載到每個元件。KNX通過一條總線將各個分散的設備連接並分組和賦予不同的功能；係統採用串行數據通訊進行控制、監測和狀態報告。KNX是基於事件控制的分布式總線係統，只有當總線上有事件發生時和需要傳輸信息時才將報文發送到總線上。

技術架構

KNX 擁有可由廠家單獨設計和測試工具 (ETS)；提供多種通信介質 (TP, PL, RF 和 IP)；提供多種係統配置模式（A,?E, S 模式）。

KNX總線硬件架構

KNX總線元件分為三類：

● 控制器

● 傳感器

● 驅動執行器

控制器則負責傳感器與執行器之間的交互（例如，邏輯模塊）。若為 S 模式兼容 KNX 設備，則（通過 ETS）為總線耦合器加載了應用模塊合適的應用程序之後，該設備就可以獲得自身的具體功能。總線耦合器上安裝的 S 模式兼容 KNX 按鈕，在通過 ETS 為該設備編制了合適的應用程序之後，僅能產生調光信號。

傳感器負責探測建築物中的開關的操作，或光線，溫度，濕度等信號變化，例如智能面板人體感應、光感、溫控面板等。如果是傳感器，則應用模塊可以將信息傳送給總線耦合器。總線耦合器對這些信息數據進行編碼，並將其發送至總線。此後，總線耦合器會在合適的時隙檢查應用模塊的狀態。

驅動執行器器負責接收傳感器傳送的信號並執行相應的操作，如開關，調節燈光的亮度，控制窗簾開合，空調開關等。如果是執行器，則總線耦合器負責接收來自總線的報文，對它們進行解碼，並將解碼後信息傳送給應用模塊。

通信模型

KNX技術的通信模型採用五層結構：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。KNX物理層支持TP1(雙絞線)、PL110(電力線)、RF(射頻)和Ethernet(以太網)，其中TP1介質應用較多。數據鏈路層實現總線設備之間的數據傳輸，並解決網絡中的通信衝突問題。

對於小KNX係統中的總線設備，網絡層的功能很少，只是完成了傳輸層和數據鏈路層的通信映射功能。大型KNX係統中有耦合器類產品，作用是在網絡層完成路由功能和跳數(hop)控制功能。傳輸層完成設備之間的傳輸，有四種傳輸模式：點到點無連接，點到點有連接，廣播和多播。

KNX傳輸介質主要是雙絞線，比特率為9600bit/s。總線由KNX電源（DC24V）供電，數據傳輸和總線設備電源共用一條電纜，數據報文調制在直流電源上。

KNX總線設備是通過報文傳輸信息。設備發送報文後會收到應答，發送設備。若收到NAK（接收錯誤）確認時，通常會重復發送報文三次；若收到BUSY（總線被佔用）確認，發送總線設備將會等待一個短時隙，此後重新嘗試發送報文；若發送總線設備未收到確認，則較多重復發送該報文三次，此後，終止發送請求。KNX技術應用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/衝突避免)和報文優先級來控制介質訪問。KNX係統採用單元地址化結構設計，分為物理地址和組地址。

配置模式

KNX係統有三種配置模型：A-Mode(自動模式)、S-Mode(係統模式)和E-Mode(簡單模式)。

S-Mode： A 模式是一種較簡單的配置模式，一般適用於功能已經確定的設備。當這類設備與係統的通信介質相連接後就能自動完成配置，因此沒有操作經驗的用戶也可以使用。這種配置模式適用於家用電器和娛樂電子設備，使用者不需要經過任何培訓。但是目前在市場上尚沒有此類成熟的產品。

S-Mode：該配置機制是為經過良好培訓的KNX安裝者實現復雜的樓宇控制功能。一個由“S-Mode”組件組成的裝置可以由通常的軟件工具（ETS專業版），在由S-Mode產品制造商提供的產品數據庫的基礎上進行設計，ETS也可以用於連接和設置產品（即設置安裝和下載要求的可用參數），“S-Mode”提供給實現樓宇控制功能的別的靈活性。採用這種模式既可以進行中小係統的配置，也可以完成大型建築物中復雜係統的配置。

E-Mode：E 模式一般需要通過中央控制器或操作設備上的編碼盤和按鈕進行配置，和S-Mode相比，“E-Mode”兼容產品只提供有限的功能。E-Mode組件是已經預先編程好的並且已經載入默認參數。使用簡單配置，可以部分的重新配置各個組件（主要是它的參數設置和通信連接）。採用 E 模式配置設備在功能範圍方面有的限制性，比較適合於中小規模的係統。但是操作時不需要 PC 機和 ETS 工具軟件，該配置機制是針對經過基本KNX培訓的安裝人員，操作者只要閱讀有關技術資料或經過簡單的培訓就可以完成設備的配置和調試。

ETS軟件是係統設計、編程和調試的工具軟件。KNX係統的構建和各種參數設置都需要ETS軟件。ETS軟件安裝好後數據庫是空的，需要將各個制造商產品的參數導入數據庫；KNX認證過的產品應當會有光盤之類的介質存儲相關的產品信息。

KNX總線設備結構圖

由上圖可知KNX總線設備主要由三部分組成。總線耦合單元主要由兩部分組成：控制器和收發器，這也是硬件設計的地方。總線耦合單元有自己的MCU並集成了KNX協議棧；BCU會提供已定義的API（應用程序編程接口）函數，供AM通過PEI（一般是串口通訊）調用。KNX總線設備的BCU硬件都是相同的，一個總線設備的功能是由AM模塊的應用程序決定。
由BCU和AM可決定總線設備可以是一體或者分離結構。“一體結構”的通信部件和應用部件不可分離，不需要PEI（物理外部接口）。“一體結構”產品的總線耦合功能和應用功能是由一個MCU實現；“分離結構”的產品其總線耦合功能和應用功能由不同中央處理單元分別實現。我們的KNX網關應該是分離結構的，設備由BCU和AM組成；還要加入以太網等通訊協議。如果需要中央管理功能，可以通過在PC或觸摸屏上安裝監控軟件來實現。

KNX係統原理示意圖

KNX總線設備主要分為執行器和傳感器，如果KNX係統網絡較大還需要耦合器路由器。

拓撲結構

在KNX係統中，總線接法是區域總線下接主幹線，主幹線下接總線，係統允許有15個區域，即有15條區域總線，每條區域總線或者主幹線允許連接多達15條總線，而每條總線較多允許連接64臺設備，這主要取決於電源供應和設備功耗。

KNX係統拓撲結構

KNX係統拓撲的層次結構是：線路、幹線（域）、主幹線。

KNX採用分層結構，分為域和線路；一個係統有15個域，每個域有15條線路，每個線路有64個設備。大型KNX網絡中支線/幹線耦合器（路由器）和中繼器是構建整個網絡的關鍵設備。

線路

線路是KNX係統較小的單元，可接64個設備；實際可連接的設備數量應取決於總線電源和設備耗電。每條線路較長1000m。每條支線可以連接64個總線元件，一個域包含15條支線。

幹線（域）

KNX係統可以有15條線路通過線路耦合器（路由器）連接到主線路，一個域可以連接 15×64 個總線元件。

KNX係統拓撲結構

主幹線（多個區域）

總線可以按主幹線的方式進行擴展，幹線耦合器 (BC) 將其域連接到主幹線上。幹線可通過幹線耦合器（路由器）組成多個區域，一般情況下一個KNX係統可接14400（15*15*64）個總線設備。一般KNX係統線路和幹線都採用KNX通訊。
KNX總線耦合器負責發送、接收和存儲數據，總線設備需要處理的信息，設備的物理地址，一個或幾個組地址，應用程序和相關的參數，經過總線送到總線耦合器，總線耦合單元中的微處理器是耦合單元的，大腦負責協調總線設備的各項功能，當出現故障或電源失效時，總線設備會進入預先設置好的應對狀態，數據則保存在總線設備中，當故障排除或電源恢復後，總線設備會進入預定的恢復程序。

基於IP網絡的KNX係統

大型KNX網絡在主幹線上可以採用以太網通訊，這樣可以提高係統的通信速率；在幹線上用以太網通訊，幹線和線路的耦合採用的是IP/KNX網關，線路用KNX通訊。這樣的係統在幹線網絡中可以有大量的狀態信息。

兩個KNX係統可知耦合器（路由器）的作用，幹線耦合器和線路耦合器作為網絡的節點，作用是為數據傳輸找到合適的路徑和切換鏈路，確保數據包到達目的地；另外對係統線路中的信號進行過濾後才能進入到幹線中，這樣可以增加幹線的通訊速率。耦合器（路由器）使用兩種不同的路由機制，對於組地址尋址，使用一種過濾算法；對於物理地址尋址，通過解釋接收幀的物理地址進行路由。耦合器接收到的組地址只要包含在該過濾表內，就可以被路由；這樣可以保證各個線路單獨工作。

有的大型設備在線路中還會增加中繼器，中繼器沒有物理地址，不具有過濾特性，只是確認接收到數據鏈路層上的幀，並在中繼器的另一側發送已接收到的幀；這樣可以增加線路的長度。

拓撲結構總結

係統較小的結構稱為線路，一般情況下（使用一個 640mA 總線電源）較多可以有 64 個總線元件在同一線路上運行。如有需要可以在通過計算線路長度和總線通訊負荷後，通過增加係統設備來增加一條線路上總線設備的數量，較多一條線路可以增加到 256 個總線設備。

一條線路（包括所有分支）的導線長度不能超過 1000m，總線裝配與較近的電源之間的導線距離不能超過 350m。為了確保避免報文碰撞，兩個總線裝配之間的導線距離不能超過 700m。

接線方式結構

KNX 係統的接線結構，可有以下幾種方式：

總線型，或稱為串聯連接

星型連接

樹型連接，或稱為復合型連接。

在同一條支線中，所有分支電纜總和不超過 1000 米；總線元件之間較遠不超過 700 米；電源到總線元件較遠不超過 350 米。

模塊安裝示意圖

KNX係統通信基本解釋

KNX基本線路工作示意圖

KNX地址類別：物理地址和組地址

上圖中工作流程如下簡述：當物理地址（PA）為1.1.1的開關按下後會發生，包含組地址（GA）為5/2/66、操作值“1”的報文；在線路中的所有總線設備都會接受到這個報文，但只有相同組地址的總線設備才會執行。

在KNX網絡中根據係統的等級結構和應用模塊的功能賦予每個總線設備相應的物理地址（用於識別總線設備和反應在網絡中的拓撲位置）和組地址（用於連接傳感器和執行器的功能）。物理地址是KNX係統中總線設備的編碼，它由域地址、線路地址和設備地址組成；物理地址在係統中用於對設備進行管理和配置。組地址是功能相關的地址，在係統中並不；因此總線設備根據功能分配有一個或多個組地址，可進行“多控一”或者“一控多”操作。在KNX係統各種功能應該是靠組地址實現；物理地址在係統中主要用於程序下載（通過ETS軟件）、診斷、排錯等。

報文結構

當KNX係統有事件發生，總線設備就會向總線發送報文。經過長度不短於T1的總線空閒時間之後，開始進行傳輸；報文傳輸完成之後，總線設備將使用時間T2檢查報文是否已被成功接收。如果沒有總線設備來應答，發送的報文會被重復。報文發送後會收到報文傳輸時間如下圖所示：

標準報文結構圖

A、控制字段

上圖中A表示報文是否重復，BB表示報文的優先級。

B、源地址、目標地址

報文中源地址只能是物理地址，表示報文發送設備自身所在的域和線路；目標地址可以是物理地址或者組地址，它定義了通信的接收對象，可以是一臺或者多臺設備，也可以是在同一條線路或者不同的線路中。目標地址的第17位可由接收方可以判定目標地址為組地址還是物理地址。若為“0”，則目標地址為物理地址僅對總線中一個設備進行尋址；若為“1”，為組地址，對總線中所有相同組地址的設備尋址。

C、路由計數、長度

該字節除了包含LSDU(鏈層服務數據單元)數據的長度還包含一個bit的標志表明地址的屬性，以及3個bit的路由計數信息。數據長度是指報文中實用數據字節的長度。同時在每一個數據報中包含一個3bits的路由計數器。一般總線設備計數器的初始值為6，每經過個總線耦合器、線路耦合器和中繼器等都減一，當這個計數值減為0時，這個報文就被丟棄，因而避免了死循環的問題。

D、實用數據

實用數據的長度根據應用的不同而改變，較少為2字節，較多為16字節。包括各種開關、調光、讀寫地址命令。

E、校驗字節

檢測數據採用校驗位（字符校驗）和校驗字節（報文校驗）的形式傳輸，用於檢測報文傳輸錯誤。

報文中的每個字符均執行偶校驗，報文中全部字符的每一個位位置均執行奇校驗，字符校驗和報文校驗相結合。

編碼方式

KNX以雙絞線作為傳輸介質時，“0”和“1”兩個邏輯狀態採用一個bit位表示；邏輯“0”有調制信號到總線上（有6-9V的電壓下降），“1”期間的發生器被禁用沒有調制信號，總線上只有直流信號。因此，邏輯“0”的優先級高於邏輯“1”。

介質訪問控制

KNX採用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/衝突避免)技術。為了發送報文，總線設備必需首先偵聽總線，如果在前一幀間隔時間內在媒體上沒有檢測到活動，那麼可以立即開始傳輸；否則應當等待總線上的報文傳輸完成。在檢測到總線空閒之後，可能會有多個總線設備同時開始傳輸會發生碰撞。因此，KNX的報文結構中有優先級機制，優先級高的先發送；當報文優先級相同時應再根據報文中的的物理地址（發送報文設備的自身物理地址）決定發送先後順序，物理地址低的先發送。發送期間，總線設備應監測總線；當發送邏輯“1”的總線設備監測到邏輯“0”（總線上有電流）時，當前設備應停止發送讓位於其它設備。

KNX總線電壓和邏輯電平

頻率調制

在無線 KNX 係統中一般採用頻率調制法或移頻鍵控（FSK）進行調制。以載波頻率（或中間頻率）為基礎，正反兩個方向發生偏移的頻率分別代表邏輯“0”和邏輯“1”。無線 KNX 係統的中間頻率為868.30MHz，信息的傳輸速率為16,384bit/s，並按照曼徹斯特編碼方式調制，即從“0”到“1”（或相反）的變化沿位於調制脈衝的過零點。

採用這種編碼方式可以調整同步信號，使得發放設備和接收設備比較容易同步。無線 KNX 係統的傳輸頻率處於工業、科學和醫學應用頻道（ISM頻段），在這個頻段對不同應用領域的頻率範圍有嚴格的規定。無線KNX 設備的發送功率為 12mW。每一臺設備發送信號的時間（或稱負載周期）為 1%，即每分鐘有 0.6 秒的發送時間。由於有嚴格的發送時間限制，不可能有某臺設備連續發送信號而造成無線通信網絡的阻塞。

傳輸技術特點總結

· KNX/EIB 是一個基於事件控制的分布式總線係統。
· 係統採用串行數據通訊進行控制、監測和狀態報告。
· KNX/EIB 的數據傳輸和總線裝置的電源共用一條電纜。
· 報文調制在直流信號上。
· 一個報文中的單個數據是異步傳輸的，但整個報文作為一個整體是通過增加起始位和停止位同步傳輸的。
· KNX/EIB 採用 CSMA/CA（避免碰撞的載波偵聽多路訪問協議〕，CSMA/CD 協議保證對總線的訪問在不降低傳輸速率的同時不發生碰撞。
KNX的性

2018年是KNX年，KNX國際協會推出了KNX Secure技術標準。它的機制採用了目前等級的加密算法國際標準AES128。較新的KNX Secure已廣泛應用於大多數KNX制造商的總線設備中，從硬件、軟件等方面對智能家居實現過程中可能出現的黑客、網絡***等進行了很好的隔斷和預防，使得智能家居技術在實現的同時得到充分保障。目前KNX標準轉化成中國國家標準已基本完成，現正等待中國國家標準化管理委員會的審批，預計今年獲得批準並正式發布。

KNX燈控線i-BUS總線電氣安裝總線