基于KNX总线的楼宇自动化系统研究与应用

邹 龙

(福建和盛高科技产业有限公司,福建 福州 350101)

1 概述

近年来，国家大力提倡合理使用和节约能源，对电量的合理和节约使用日趋重视。楼宇空调、照明系统是全世界楼宇建筑能源消耗最大的组成部分之一[1]，合理高效的使用将有效减少电力资源浪费，提升用电效率。现阶段楼宇节能主要通过人工巡视、手动控制来降低能耗，不仅费时、费力，控制效果也不理想，一旦巡视人员忘记关闭，将造成电力资源的浪费。另外，办公楼宇长期处于半封闭环境，内部空气流通较性较差；且楼宇办公人员较多，容易抬升CO2浓度，造成CO2、PM2.5浓度超标的现象，对楼宇内的办公人员身体健康造成不可忽视的影响。

楼宇内照明系统运行的高效化、节能化、环保化，能够给楼宇内办公人员提供更加安全、舒适、方便、清晰和智能的办公环境。这需要一套楼宇自动化控制系统，以提高楼宇整体的数字化、信息化、智能化管理水平，从而精准管控成本，保障楼宇工作人员的身心健康。

1.1 研究背景

楼宇自动化是信息时代的必然产物，楼宇自动化程度随科技发展而逐步提高。以计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和图形显示技术为代表的4C技术应用于建筑物，在建筑物内构建一个融检测、控制、服务于一体的综合网络，即构成楼宇自动化系统。

当前，国内大部分楼宇安装了照明、空调、新风系统，对应的控制面板主要为触摸式和按键式。这类控制面板大多为现场控制，不具备远程查看和控制功能，缺乏有效在线维护手段；KNX总线技术的出现，为楼宇自动化管控奠定了坚实的基础，它是全球唯一的住宅和楼宇控制领域开放式的国际标准[2]。KNX是Konnex协会针对楼宇、家居现场控制应用领域制定的总线标准，由欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHS合并发展而来。该协议以EIB为基础，兼顾了BatiBus和EHS的物理层规范，并吸收了BatiBus和EHS中配置模式等优点。KNX国际协会得到了ABB、海格、施耐德及西门子等国际知名厂商的大力支持，推动了KNX总线楼宇自动化管控系统的建设与发展[3]。

1.2 研究内容

KNX总线系统将计算机控制技术领域最新的总线技术应用于传统的电气安装领域，系统中所有总线元件都有自己的智能体，不需要中央控制单元。因此，KNX系统的组成极为方便，既可以用于小型项目(楼层)，也可用于大型项目(机场、酒店、行政办公楼、工业建筑等)。

作为一种新型总线标准，KNX继承了传统的总线功能，即现场通信网络、现场设备互联、分散功能块、开放式网络互联以及互操作性等[4]。同时，所有KNX产品必须采用Konnex协会严格的产品和质量控制措施，确保产品的互操作性和可替换性。KNX技术是一种针对对象服务的技术，即KNX网络更侧重于工程管理与对象通信服务的应用[5]。在基于KNX构建的网络中，所有服务形成一个全分布系统，通过数据点的标准化和功能的模块化，建立一个功能强大的工作模型。

本文在跟踪、消化和吸收国际主流标准的基础上，提出一种采用KNX网络控制技术构建楼宇自动化系统的实现方法，并进行相关产品开发。通过设计一套基于KNX总线的楼宇智能化管控系统，对楼宇空气质量、温湿度、照明进行实时监测及自动化控制。该系统将实现空气质量与新风系统自动控制、温湿度与空调系统自动控制、照明与感应自动控制，可远程实时查看办公环境情况，有效地进行统一管控。

2 系统设计方案

楼宇空气质量、温湿度、照明系统与办公人员的健康息息相关，单调的人员巡视、就地管控模式已无法满足高效、节能、自动化的办公环境需求。通过KNX总线连接空气质量探测器、落地LCD滚动显示屏、吸顶式移动探测器、交换机、控制网络等设备，提出了基于KNX总线的楼宇自动化管控系统解决方案。

该系统能够实现楼宇照明控制、地下室CO、CO2监测，地上楼层CO2、PM2.5、PM10、温湿度监测、室内外空气质量比对、传感器与设备联动等功能。通过系统对各楼层前端照明、空气质量采集设备进行智能联动控制，全面感知大楼办公环境，提高楼宇自动化管理水平，创造宜人、节能、安全、智能的办公环境。KNX提供从物理层到应用层的各种产品开发模式，不同层次产品研发的复杂度和成本存在较大差异。因此，KNX产品开发采用自顶向下的模式进行，如图1所示。

图1 KNX产品系列开发模型

2.1 系统的组成与架构

本文设计的KNX总线楼宇自动化管控系统为总线制控制，主干线可通过线路耦合器连接15条分干线，再连接15条支干线。每条支干线可安装64个电子元器件，整个系统可以链接14400个电子元器件。所有主干线、分干线、支干线的传输速率为9600bit/s，以手拉手串连形式连接，满足大部分楼宇自动化系统的建设。

整个总线控制系统主要由传感器、集中控制器、系统平台、显示设备组成。其中，传感器包括空气质量检测传感器、照明感应传感器；集中控制器由网关、集中供电模块组成。系统平台则涉及PC客户端和App应用，相应的显示设备为LCD大屏、电脑、手持移动终端等。系统架构如图2所示。

图2 基于KNX总线的自动化管控系统架构

2.2 空调系统控制方式及解决方案

基于KNX总线的楼宇自动化管控系统能够将楼宇自动化控制网络与信息网络集成，实现智能监控。系统所设计的显示面板可显示实时温度，并可实现远程多用户登陆查看空调设置温度的信息。客户可以根据实际环境进行空调的温度设定、不同运转模式、开关等智能远程控制，从而实现集中化管理。系统控制流程简单，具备易操作性，能够最大程度保障电力可利用性及人员舒适度。

2.2.1 空调系统控制策略

通过网关接口及串行接口实现空调系统调节的自动化，不仅可以提高调节质量，降低冷、热量的消耗，节约能量，同时可以减轻劳动强度，提高劳动生产率和技术管理水平。空调控制系统采用远程统一控制、App控制、感应联动控制方式。

①在正常上班时间(07∶00—19∶00)，采用远程统一控制开启空调；

②在下班时间段(19∶00—07∶00)，采用远程统一关闭空调。若人员加班可就地开启或通过App远程开启；

③通过温度探测器联动空调控制器，实时监测室内温度，当温度超过系统设置的阈值时，自动调整温度，保持夏季22～28℃，冬季16～24℃。

2.2.2 空调系统解决方案

空调控制系统主要通过智能空调控制面板实现。根据实际需求，空调控制面板可分别通过本地和联网管理实现空调控制。每个楼层的智能空调控制面板通过KNX总线接入智能控制网关，设备通过网关后可将数据接入总控制系统，如图3所示。

图3 空调控制系统结构图

通过网关采集到的智能空调控制面板点位信息，可以上传到云端。用户在云端可以监控末端设备，查看实时报警信息，并且可以设置用户管理权限。云端控制系统还可以实时监控大楼内每台空调设备的运行状态、温度设定、工作模式等。具体的控制功能如下。

①实时监测每台空调的运行状态，通过设定条件，定时对空调进行开关机控制。

②监测每台空调温度设定数值，当超出设定值可进行远程自动调整。

③支持数据同步，保证网关/空调控制面板和云端监控数据保持一致。

④后台支持黑名单管理，可根据需求设置不同工作人员权限。

⑤后台支持设备查询和历史消息查询。

另外，在总控制系统允许连接外网的条件下，每个用户可通过绑定各自管理的空调设备，实现远程查看空调工作状态，并进行开关机控制。

2.3 照明、空气质量系统控制方式及解决方案

本文设计的基于KNX总线的楼宇自动化管控系统，在每层均设置相应的智能控制设备，对每层前端照明、空调及新风设备进行智能联动控制。

2.3.1 照明系统控制策略

照明控制采用远程统一控制、时控器和微波探测组合方式。

①在正常上班时间(07∶00—19∶00)，采用远程统一控制开启正常照明；

②在下班时间段(19∶00—07∶00)，采用微波探测方式，当监测到移动物体后触发开启一定时间(5分钟)的照明灯光。

这种以用户实际应用为导向的时间控制式的控制策略，在保持室内舒适照明的同时，降低照明能耗，最终达到有效节能效果，营造绿色大楼环境。

2.3.2 新风系统控制策略

新风控制采用远程统一控制、App控制、感应联动控制方式。

①在正常上班时间(07∶00—19∶00)，采用远程统一控制开启新风；

②在下班时间段(19∶00—07∶00)，采用远程统一关闭新风。若人员加班可就地开启或App远程开启；

③通过空气质量探测器联动新风控制器，实时监测室内空气质量，当空气质量超过系统设置的阈值时，自动调整新风大小，保持室内外空气良好循环。

2.3.3 照明、空气质量系统解决方案

①通过智能照明控制、空气检测系统可加强整栋大楼的信息化管理能力，根据策略及配套的智能探测器，调节控制大楼内灯光的启闭调节；

②智能照明控制系统通过联动吸顶式移动或红外探测器，实现夜间人员进出大楼的灯光智能联动功能，通过感应控制实现“人来灯亮，人走灯灭”的节能模式。

③空气检测系统可对整栋大楼内空气质量、气体浓度，以及地下楼层CO、CO2气体浓度进行实时、精准检测。基于监测数据，联动新风系统，避免出现因缺乏有效的检测手段而对人员造成伤害。

通过上述系统解决方案，有效改善楼宇照明、空气质量系统的自动化管理，降低后勤及物业管理难度，达到有效节能的目标。系统采集分析办公大楼的整体空气质量，把所有楼层空气质量参数传送到LCD屏上滚动显示，全面感知大楼办公环境，进一步保障办公人员的身体健康。

楼宇内办公人员可以通过该系统，随时查看当前各自区域的环境情况，为管理层及决策层提供有效的数据支撑，为后续的空气质量改善措施提供有力的支持，也为多系统智慧联动、共建清新环境打下坚实基础。

3 系统应用

本节通过将已设计好的KNX总线楼宇自动化管控系统应用于实际的办公楼宇，利用系统设定的阈值联动控制照明、空调、新风系统，从而验证所涉及系统的可行性和有效性。

3.1 系统阈值设置

首先，通过调研，对所应用的楼宇监测项目进行阈值设定。楼宇自动化管控系统标准数值参考《环境空气质量标准》(GB3095-2012)来设定系统阈值，实现科学、合理的控制系统联动[6]，如表1所示。

表1 楼宇自动化管控系统监测项目及评估等级

3.2 系统界面

3.2.1 管理后台界面

后台界面可根据不同的楼宇客户需求，设置不同的监测数据。主要的监测数据包括各楼层监测数据、设备状态、滚动显示时间、历史数据、采集频率、触发联动阈值等，如图4所示。

(a)采集器管理 (b)传感器数据显示

3.2.2 前端显示界面

基于用户习惯，对Web端、App端、PC端开展个性化设计，实现不同客户端的不同展示界面效果。展示的主要数据包括监测数据超标警告、数据曲线图、统计分析图等，如图5所示。

图5 楼宇信息综合显示界面

4 结论

楼宇自动化能大大提升人们的生活品质，具有广阔的发展空间。作为目前用于家庭及住宅楼宇自动化领域唯一的国际标准，KNX技术在楼宇设备信息互享、能源管理、改善人居环境控制能力以及提高物业管理水平等方面具有广阔的应用前景。

本文基于国内外典型的楼宇自动化现场总线标准以及KNX技术规范的基础上，通过敷设KNX总线，加装空气质量传感器、温度传感器、照明控制器等设备，设计了一套基于KNX总线的楼宇自动化管控系统，包括产品开发方案、软硬件设计方案。基于此，将其应用到办公楼宇中，通过自动化管控策略、联动设备控制策略，实现对办公楼宇的空调、照明、空气等监测和控制。应用结果表明，所设计的系统能够有效、合理、便捷地调节照明、空调、新风系统，可以有效改善楼宇环境和节能减排，在创造宜人环境的同时，达到降本增效的目的。