KNX技术简介及特点分析

王麟琨 / 王春喜 / 柳晓菁(机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055)

Wang Linkun / Wang Chunxi / Liu Xiaojing

1 KNX技术概述

1.1 什么是KNX技术

KNX技术是一种起源于欧洲，主要用于楼宇和家居的分布式总线控制技术。KNX技术专注于楼宇和家居的室内终端设备控制。

从图1可以看出，基于KNX技术并具有应用功能的产品主要分为两大类，传感器和执行器，也可将传感器与执行器集成于一个设备中。典型的KNX传感器有：光照传感器、温度传感器、开关和红外传感器等；典型的执行器有：照明设备、排风设备、窗帘/百叶和空调等。近些年KNX技术获得了更广泛的应用，其控制对象扩展到喷泉、灌溉设备、影音设备和配电设备等。KNX的控制方式多样，包括：人体感应控制、照度感应控制、气象感应控制、时间控制、红外遥控、场景控制、逻辑控制、中央集中监控、消防联动控制、BA、BMS及其他系统联动控制等。

1.2 KNX协会和标准化

1990年，由七家德国电气产品制造商组成联盟，制定了EIB(European Installation Bus)技术标准，并成立了中立的非商业性组织EIBA(EIB Associate，欧洲安装总线协会)，推动了EIB标准化的发展。

2001年，EIBA协会吸收了两家其他欧洲智能电气安装协会Batibus和EHS，在欧洲统一了智能电气安装技术标准，也诞生了全新的标准——KNX，并成立了KNX(Konnex)协会。到目前为止，KNX协会的会员单位已超过270家，来自33个国家。制造商会员按照开放的KNX标准生产能够相互兼容和交互操作的各种元器件，各类产品品种多达4000多种，几乎覆盖了建筑行业各个领域和各种用途的需要。

2008年KNX中国组织成立，目前有32家会员单位，其中制造商会员9家。KNX中国组织致力于KNX技术在中国的推广应用，2011年在KNX中国组织秘书处的挂靠单位——机械工业仪器仪表综合技术经济研究所建立了国内第一家KNX测试实验室，并通过KNX协会的考核获得正式授权，可完成KNX产品的功能和互操作测试，以及底层协议的测试。KNX中国组织秘书处正在组织筹建KNX技术培训中心，预计2012年底可正式提供培训服务。

目前KNX技术已成为欧洲标准，EN 50090系列标准和EN13341-2，EN13341-2部分标准规定了KNXnet/IP技术，EN 50090规定了除KNXnet/IP外其他通信相关内容以及安装要求和硬件要求。在2006年7月EN50090成为ISO/IEC 14543。在2005年 底，EN 50090在 中 国的标准转化工作起动，目前该标准已于2007年7月批准成为GB/Z 20965-2007《控制网络HBES技术规范—住宅和楼宇控制系统》，并于2010年启动了将GB/Z 20965-2007升级为推荐性标准(GB/T)的工作，已进入报批阶段。KNX标准转化的主要内容为相对稳定的系统规范，该部分内容属于KNX内部规范的第3卷，规定了KNX通信相关的技术内容。

1.3 KNX技术涉及到的几个术语

在KNX技术的应用和推广过程中会涉及到几个经常出现的术语：KNX、EIB和HBES。这几个术语确实容易混淆，尤其是HBES与KNX的关系。其中KNX表示协会名称及其技术。EIB(European Installation Bus)是KNX 技术的主体部分，KNX技术的部分通信协议完全采用了EIB通信协议。从KNX推广的角度应逐渐地将所有的EIB用KNX取代。HBES(Home and Building Electric System)是KNX标准化过程中所使用的名称。EN 50090、ISO/IEC 14543和GB/Z 20965-2007中均使用了HBES来代表KNX技术。但需注意的是：无论是EIB还是HBES都只能代表KNX技术的一部分，不能代表所有的KNX技术。KNX技术使用的通信协议与EIB技术相同，但增加了更多的配置模式。HBES只是将KNX技术的大部分通信协议、硬件要求和安装内容转化为标准，如EN、IEC或GB/T。

2 KNX技术特点

2.1 通信和应用模型

KNX技术的通信模型采用五层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用(接口)层。KNX物理层支持TP1(双绞线类型1)、PL110(电力线)、RF(无线)和Ethernet(以太网介质)，其中TP1介质应用最多。数据链路层实现了点对点的可靠传输，并成功解决了对等网络的通信冲突问题。对于普通产品，网络层的功能很少，只是完成了传输层和数据链路层的通信映射功能。但对于耦合器类产品，则在网络层完成路由功能以及跳数(hop)控制功能。传输层完成端到端的可靠传输，有四种传输模式：点到点无连接，点到点有连接，广播和多播。多播是KNX系统通信采用的主要传输模式，其他三种连接模式主要用于设备管理和系统配置等功能。实时交互负责完成应用和标准组态/工程工具与通信栈之间的交互，应用和通信栈之间的交互由应用接口层完成，标准组态/工程工具和通信栈之间的交互由KNX的管理规程和配置规程完成。具体说来，应用和通信栈之间的交互通过组对象实现。标准组态/工程工具与通信栈之间的交互通过接口对象实现。目前KNX提供两种配置模式：系统模式(S-Mode)和简单模式(E-Mode)。系统模式通过PC(ETS)实现配置，简单模式可通过非PC的专用设备实现配置，包括：Ctrl、PB和LTE模式。

2.2 互操作模型

KNX技术是对等网络技术，也就是说网络上的设备理论上都可以彼此通信，相比基于主从结构的现场总线技术，对等结构网络在互操作问题上面临更多的问题。KNX技术较好地解决了来自不同厂家产品的互操作问题。首先是定义了很详细的互操作规范，包括互操作模型和数据点类型(DPT)等，并从认证和测试环节对产品的互操作性进行审查和测试。

图4所示为KNX技术的互操作模型。KNX的应用互操作规范定义了不同的应用领域，每个应用领域包含一个或多个应用。应用模型为应用规定了抽象化的解决方案。这里应用不代表一个产品，应用可分解为具体功能块。功能块使用一个或多个数据点在总线上传输数据。对于每个功能块，它的行为是确定的，功能块的行为确定了如何处理数据点和物理输入和输出。数据点是实现KNX产品互操作的关键功能块元素，数据点可看作是功能块的数据接口。数据点类型的定义包含4种信息：格式、编码、范围和单位。格式规定了数据点的数据长度和内部字段顺序；编码规定了在给定格式下数据点的传输格式；范围规定了数据点表示值的范围；单位规定了数据点的物理单位。

以一个HVAC应用为例，应用模型是加热模型，功能块为热水锅炉，使用的一个数据点是DPT 9.001，作为控制器设定点温度。该DPT的格式为：2个字节；排列顺序为：MEEEEMMM MMMMMMMM；编码为：浮 点 值=(0.01M)2(E)，E=[0…15]，M=[-2048…2047]；范 围 为 ：[-671 088.64 … 670 760.96]；单位为：摄氏度，℃。

2.3 拓扑结构

HBES拓扑的层次结构是：线路、主线(域)和主干线。网桥(中继器)和路由器(线耦合器和干线耦合器)是构建整个网络的关键系统设备。线路的拓扑结构可以是线形、星形、树形或混合形。总线电缆最多可以将64 (TP1-64)或256 (TP1-256)个设备连接成一个线路。对于TP1-64，可在计算线路长度和总线通讯负荷后，通过增加网桥(中继器)的方式来增加一条线路上总线设备的数量，一条线路最多可以增加到256个总线设备。在一个线路内允许有环路，但不推荐使用环路。不要求终端电阻。

对于大型网络，可以使用15个路由器将最多16条线路组合成一个域。在一个域的任意两个设备之间的路径上安装的路由器不应超过两个，一个域可以有256×16 = 4096个设备。还可以使用路由器(干线耦合器)将多个域连接成一个最大型网络。在任意两个域之间的路径上安装的干线耦合器不应超过两个，因此最大型网络最多可以有4096×16 = 65536个设备。HBES的网络拓扑结构如图5所示。

2003年，HBES系统诞生新的IP网络拓扑结构，HBES系统的主干线为10M的IP网络。该方式很适合主干线有大量控制数据(状态信息)同可视化软件或网关进行通讯，能保证这些信号的稳定和高效传输。IP网络拓扑结构使用HBES网关/路由器/耦合器实现不同线路控制信号的逻辑连接和跨线路信号的路由。

2.4 可分离总线元件

基于KNX技术的产品结构常用的有两类，“可分离结构”和“一体结构”。具有“可分离结构”的产品，其总线通信部件——BCU(总线耦合单元)与应用部件——AM(应用模块)是可以分离的，总线通信部件与应用部件通过连接部件——PEI(物理外部接口)进行通信。PEI外观上是10针或12针的插头，支持多种通信模式，如串口通信(FT1.0)、串口通信(FT1.2)、并口通信等。BCU会提供已定义的一组API函数，供AM通过PEI调用。“可分离结构”主要用于传感器类型设备，如：各类开关、红外传感器、照度传感器等。“可分离结构”可实现对KNX传感器的灵活配置，如可用更多功能的四联开关直接代替已使用的双联开关，只需在软件配置上进行改动，无需进行任何物理连线的改变。“一体结构”的通信部件和应用部件不可分离，一般没有物理外部接口。“一体结构”的产品其通信功能和应用功能可由一个中央处理单元实现；“可分离结构”的产品其通信功能和应用功能由不同中央处理单元分别实现。

2.5 传输技术

KNX支持多种物理介质：双绞线、电力线、射频、以太网介质和光纤等。目前KNX设备主要是基于TP1介质的设备。对于TP1介质，传输速率为9.6kbit/s，实现总线供电，即在一对导线上既传输电能又传输通信信号。

图8为TP1上传输的“0”信号和“1”信号。调制后的逻辑“1”是总线的空闲状态，即在发送“1”期间的发送器应被禁用。总线上的模拟信号通常仅含有直流部分，在发送“1”和不发之间没有差别。逻辑“0”的信号见图1。较低的通信速率可保证KNX产品在应用中具有更强的抗干扰能力。

2.6 介质访问控制(CSMA/CA)

HBES技术采用CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)，保证对总线的访问在不降低传输速率的同时不发生碰撞。

通信时，所有总线设备都在侦听报文的传输，但只有相应地址的设备才做出响应。为了发送报文，总线设备必需首先侦听总线，如果在前一帧间隔时间内在媒体上没有检测到活动，那么可以立即开始传输。如果在媒体上检测到活动，那么在开始发送之前，发送器应等待正在发送报文的其他总线设备传输完毕，这称为载波侦听(Carrier Sense)。一旦总线空闲，从理论上说，每个总线设备都可以启动发送过程，这称为多路访问(Multiple Access)。在检测到空闲状态之后，若两个或更多设备同时开始传输，可能发生碰撞。如果发生碰撞，逻辑“1”状态应优先于逻辑“0”状态。在传输逻辑“0”过程中，设备应监测线路，以便设法检测任何其他设备是否正在发射逻辑“1”。如果两个总线设备同时开始发送，具有高优先级的总线设备无需延迟可继续传送，同时低优先级的总线设备终止发送，等待下次再试。如果两者具有相同的优先级，那么物理地址较低的可以优先。如果在检测空闲线路和实际开始传输之间，线路转换至闭路状态，设备应认为已经发生碰撞，应终止传输并切换至正在接收状态。在再次访问媒体之前，设备应保留这一帧，并等待线路成为空闲。在发生碰撞之后，设备可以设法再次传输，这个新尝试应在前一个帧结束之后至少1个帧间隔时间开始。(这一过程称为碰撞避免Collision Avoidance)。

2.7 寻址方式

KNX技术使用的地址分为物理地址(单个地址，Individual Address)和逻辑地址(组地址，Group Address)，物理地址和逻辑地址的长度都为2个八位位组。KNX技术的物理地址是总线设备的唯一编码，它由域地址、线路地址和设备地址组成。组地址通过报文用于连接几个应用对象，这些应用对象形成一个组。组地址是功能相关地址，并不唯一，通过斜杠区分，可为两级或三级地址，如“0/1/2”。KNX技术的报文结构包含报文的源地址和目的地址，源地址只能为物理地址，目的地址可为物理地址或组地址。

KNX的物理地址用于对设备进行管理和配置，例如：读设备接口对象属性的A_PropertyValue_Read服务，其目的地址为设备的物理地址。

KNX的逻辑地址用于应用功能，其传输模式为多播模式，这种寻址方式可使得在KNX系统内很容易地实现一对多的控制。例如：对于某些场景，需用一个开关控制多个开关执行器，则只需将该开关使用的功能/通信对象和多个执行器的特定功能/通信对象的组地址设为相同即可实现。

2.8 技术特点总结

根据上述分析可以看到KNX传输技术的特点，如总线供电，以及灵活多样的拓扑结构，使得KNX系统布线和安装很方便。KNX独特的物理编码方式以及CSMA/CA的介质访问控制，真正解决了总线通信冲突问题，为KNX实现对等通信网络提供了可能，只有实现对等通信网络才可能构建真正意义上的分布式应用系统结构。在分布式的应用系统结构中，可以实现控制功能的分散，任意构建小型应用系统，而不依赖于昂贵的中央控制器。可分离的总线元件和两种寻址方式(物理寻址和逻辑寻址)，可以很容易地重新配置应用系统，而无需改变物理布线，而且可以很容易实现一对多的控制，提高系统的通信和应用效率。KNX技术采用的通信和应用模型，以及详尽的互操作规范，解决了来自不同厂家产品的互操作问题，可提高KNX系统的集成能力。

3 总结和展望

KNX是一种成熟的楼宇自动化技术，该技术在欧洲获得了广泛的应用。近年来基于KNX技术的产品在国内的应用增长迅速，很多大型公共设施，如北京国际机场T3航站楼、上海浦东机场和上海世博园等，都使用了KNX技术。并且KNX在国内的应用有向民用住宅发展的趋势。国内也有越来越多的公司加入到使用KNX技术，甚至进行KNX产品的开发。KNX目前存在的主要问题之一是价格较高，这阻止了KNX快速进入到民用建筑领域。此外应针对中国市场和民用建筑领域提供更完善的KNX解决方案，这个解决方案可能会借鉴其他技术的优点，如无线产品等。我们相信随着越来越多的国内企业使用KNX技术，会逐渐解决上面提到的问题。

[1]王麟琨,桑海泉.住宅和楼宇控制系统——HBES(EIB/KNX)技术浅谈[J].仪器仪表标准化与计量, 2007(4)：24-27.

[2]中国国家标准化管理委员会.GB/Z 20965-2007控制网络HBES技术规范－住宅和楼宇控制系统 [S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]KNX协会.KNX System Specification Volume 3, V2.0 [S].