智能家居中的增強型KNXnet/IP路由器實現

朱 莉 劉 剛 劉夢娟

1(四川九洲電器集團中央研究院 四川 成都 610041)

2(中興通訊股份有限公司成都研發中心 四川 成都 610041)

3(電子科技大學信息與軟件工程學院 四川 成都 610054)

智能家居中的增強型KNXnet/IP路由器實現

朱 莉1劉 剛2劉夢娟3

1(四川九洲電器集團中央研究院 四川 成都 610041)

2(中興通訊股份有限公司成都研發中心 四川 成都 610041)

3(電子科技大學信息與軟件工程學院 四川 成都 610054)

在基于KNX標準的智能家居或樓宇控制系統中，路由器是一種至關重要的設備。提出一種創新型的KNXnet/IP路由器的實現方案，包括硬件平臺、協議棧的軟件實現以及測試認證。KNXnet/IP路由器能夠提供KNX子網和IP網絡之間的相互連接及信息交換，有效利用幾乎無處不在的IP網絡(包括以太網和WiFi網)，性能和功能遠遠超越了傳統的KNX路由器。在此基礎之上，KNX系統不再受制于傳輸距離的限制，能夠實現不同樓宇之間的KNX設備互聯。同時， 增強型的KNXnet/IP路由器支持WiFi接入，能夠實現自由移動組網，保障了KNX網絡的自由擴展。

智能家居 KNX協議 KNXnet/IP協議 以太網 雙絞線總線

0 引 言

在智能家居和樓宇控制領域，KNX總線標準是獨立于制造商的通信協議標準，已被批準為國際標準、歐洲標準、美國標準和中國標準，是唯一的經過認證的開放式標準[1]。作為被廣泛接受的國際標準，KNX總線標準能夠通過產品認證確保產品的互操作性和交互性，廣泛應用于智能家居和樓宇控制，適合于各種樓宇，支持多種配置模式和多種通信介質。

當前，對KNX技術的研究主要集中在總線節點設備的開發。隨著樓宇自動化技術的不斷發展，控制設備之間傳遞的信息量日益增加，對互操作性、互聯也提出了更高的需求[2]。為此，KNX系統也引入了KNXnet/IP定義，用于通過IP網絡實現不同的KNX子網的融合。實現該融合技術的特殊設備就是KNXnet/IP路由器，提供KNX子網和IP網絡之間的連接。KNXnet/IP使得KNX系統不再受到傳輸距離的限制，能夠實現不同樓宇之間的KNX設備互聯，保障了KNX網絡的自由擴展[3]。

KNX支持雙絞線(TP)、電力線(PL)和射頻(RF)等多種通信介質，其中雙絞線應用最為廣泛，所以本文設計的KNXnet/IP路由器提供KNX TP設備到骨干網的接入，同時還能提供基于WiFi子網的KNX IP設備到骨干網的接入。

1 KNXnet/IP路由器硬件平臺設計

KNXnet/IP路由器的硬件平臺如圖1所示，硬件系統以CPU LPC3250為處理核心，主要外圍器件包括電源管理、晶體、KNX接口、RAM、FALSH等，主要可以分為如下的三個部分：

(1) 核心系統：由LPC3250、RAM和FLASH構成，是一個實時嵌入式系統。

(2) 以太網接口：符合IEEE 802.3/3u/3x標準，通過以太網接口，可以實現核心系統與IP網絡的通信。

(3) KNX TP接口：KNX接口的物理通信模塊采用TP1的方式工作，核心系統與KNX接口通過標準串口連接。實現了核心系統與TP總線之間的通信。

(4) Wifi接口：符合IEEE 802.11b/g標準，可以實現核心系統與無線局域網的通信。

圖1 硬件設計框圖

2 KNXnet/IP路由器系統軟件設計

KNXnet/IP路由器的系統軟件架構如圖2所示，主要實現的軟件模塊包括：

(1) KNX協議棧：KNX協議棧是所有KNX設備的通信基礎，KNXnet/IP路由器作為一種KNX設備，首先必須實現KNX協議棧。

(2) KNXnet/IP協議棧：實現KNX子網與主網(IP)的通信和路由功能，是KNXnet/IP路由器的核心功能。

(3) 硬件驅動：KNX UART接口的驅動完成TP總線上的KNX數據的收發、編解碼；以太網接口的驅動，能夠完成IP數據在以太網上的發送和接收；WiFi接口的驅動，能夠完成IP數據在無線局域網上的發送和接收。

圖2 系統軟件架構圖

下面分別介紹著KNXnet/IP路由器的主要軟件功能的實現。

2.1 KNX協議棧

KNXnet/IP路由器首先要實現KNX協議棧[4]，為KNX的應用、配置和網絡管理提供通信服務。KNX協議棧的軟件實現框圖如圖3所示，各個協議層的主要功能如下：

(1) 物理層：接收和發送數據到對應的總線。與普通的KNX設備不同，路由器提供了三類媒介的接入：(a) 對子網接口，提供了兩種選擇，TP1媒介(實現了TP1總線的數據的發送和接收)和無線媒介(實現了KNX數據在無線局域網內的發送和接收)；(b) 對主網接口采用IP/Ethernet媒介。

(2) 數據鏈路層：主要實現尋址和數據幀的封裝和解封裝功能。對于TP總線，數據鏈路層處理TP1數據幀的封裝和解封裝，對于IP/Ethernet網絡和無線局域網，數據鏈路層處理cEMI數據幀的封裝和解封裝。

(3) 網絡層：實現數據的過濾和轉發，即路由。(a) 對于單播數據，網絡層模塊調用路由算法來決定數據的處理(接收并解封裝、轉發到另一側媒介、丟棄)；(b) 對于組播數據，通過過濾表來判斷數據的處理(如果組地址在過濾表中，則轉發，否則丟棄該數據包)；(c) 對于廣播通信，網絡層會向傳輸層遞交，如果數據包的跳數大于0，還會轉發該數據包。

(4) 傳輸層：對于應用相關的組通信，提供組播通信模式；對于管理相關的通信，則提供廣播，或者面向連接/無連接的點對點通信。

(5) 應用層：實現組對象通信和管理相關的數據報文的傳輸和接收。本設計支持系統模式(S-Mode)下通過ETS(Engineering Tool Software)[5]配置，ETS會通過下發相關的應用層指令來對設備進行相關的配置操作。應用層(及應用接口層)需要對接收的應用層消息進行解析，根據消息類型進行不同的管理操作，如果需要，還要根據請求產生相應的響應報文。

圖3 KNX協議棧框架

2.2 KNXnet/IP協議棧

KNXnet/IP協議棧[4]是能夠實現通過IP網絡轉發KNX消息的核心，協議棧的實現框圖如圖4所示。KNXnet/IP協議是基于IP網絡協議的，具體又可以分為TCP、UDP、純IP網絡協議來實現[6]。按照協議要求，UDP是必須支持的，其他兩種則是可選項。

圖4 KNXnet/IP協議棧結構圖

KNXnet/IP協議按照功能又可分成三個子協議模塊：

(1) KNX隧道協議：隧道協議為KNXnet/IP客戶端(如ETS)和KNXnet/IP服務器(KNXnet/IP路由器)之間提供了一個在IP網絡之上的點對點的KNX報文通信，專門用于支持配置和診斷過程中來自IP網絡的配置消息。

在建立隧道之前，KNXnet/IP 客戶端和KNXnet/IP 服務器之間必須要建立起一個專門的通信信道，它基于主機協議(Host Protocol)實現。每個KNXnet/IP隧道對應一個KNX獨立地址，當建立起隧道連接，KNXnet/IP 服務器必須為其分配一個KNX的獨立地址。

建立好通信連接后，網絡側的設備可以通過隧道模式進行通信。對于單播報文，KNXnet/IP服務器只轉發包含隧道KNX物理地址的報文到KNXnet/IP客戶端。對于組播業務則都轉發給KNXnet/IP客戶端。隧道上通過TUNNELLING_REQUEST交互信息，由TUNNELLING_ACK進行確認。客戶端將KNX數據鏈路層的數據幀(cEMI格式)封裝在TUNNELLING_REQUEST幀中發送給服務器，而服務器接收來自KNX子網的報文封裝在TUNNELLING_REQUEST幀(L_Data.ind，L_Data.con)發送給客戶端。

(2) KNX路由：提供組播業務的路由功能，實現KNX子網與其他連接到IP網絡的KNX設備的通信。

KNXnet/IP Router接收到來自KNX子網的報文，如果滿足過濾準則，那么路由器將數據封裝成IP報文并在IP網絡中廣播。所有連接到IP網絡的KNXnet/IP 路由器將會收到報文，然后根據過濾準則確定是否將報文轉換成KNX報文并轉發到它們連接的KNX子網。KNXnet/IP路由器必須支持UDP/IP組播，采用IGMP(Internet Group Management Protocol) 來通知本地IP組播路由器增加新的組播地址[6]，允許KNXnet/IP路由報文在IP網絡中由IP路由器進行轉發。KNXnet/IP路由器可以通過設置TTL值來控制組播報文轉發的次數，從而限制在IP網絡中傳輸的范圍。

(3) KNXnet/IP設備管理：這是專門針對KNXnet/IP路由器通過IP網進行配置管理的方式。在配置過程之前，KNX配置設備和KNXnet/IP路由器通過Host Protocol協議建立起一條點對點的通道。配置設備的直接調用KNXnet/IP的配置管理接口產生相應控制消息的cEMI格式幀，然后再封裝成DEVICE CONFIGURATION REQUSET消息(業務類型標識為0x0310)，在已經建立的通道上以點對點方式發送到KNXnet/IP路由器。KNXnet/IP路由器接收到該DEVICE CONFIGURATION REQUEST后，向控制設備返回DEVICE CONFIGURATION ACK(業務類型標識為0x0311)消息，同時將消息解封裝成cEMI幀格式直接遞交到KNXnet/IP的配置管理模塊完成相關參數配置。

2.3 KNXnet/IP路由器的配置管理

KNXnet/IP路由器的配置管理可以通過KNX TP總線完成，也可以通過IP網絡來完成。配置管理對象又分為兩類：(1) KNX設備對象，主要是KNXnet/IP路由器設備的配置參數；(2) KNX接口對象，跟KNXnet/IP路由器相關的參數配置(如IP組播地址、IP網關等)，具體內容參考文獻[4]。

應用層(及應用接口層)需要對接收的應用層消息進行解析，根據消息類型進行不同的管理操作，并根據請求類型生成相應的響應報文。對于讀寫指令，KNX規范中規定了相關內存偏移的具體含義。為便于管理操作，軟件設計了一個虛擬內存，虛擬內存按照協議規范定義的內存映射方式填充相關數據。(1) 當接收到讀內存指令，則根據指令的偏移量直接讀取虛擬內存中的內容。(2) 當接收到寫內存指令時，會將虛擬內存對應偏移位置開始的內容進行更新，并通知應用保存更新值到固存。

根據配置設備(主控設備)在系統中的位置，配置處理方式可分為兩類：

(1) 當配置設備位于KNX TP子網中時，配置設備通過KNX協議棧與KNXnet/IP路由器通信，消息通過應用層、傳輸層、數據鏈路層(采用TP1幀格式)進行封裝，最后以TP物理幀格式發送到TP1總線。路由器接收的網絡層判斷該消息的目的地址與自己一致，會接收該消息。該消息逐層向上遞交到應用層，由應用層解析該配置消息類型并調用相關API進行設備的參數配置。

(2) 當配置設備位于IP/Ethernet主網中或無線局域網時，又可細分為下面三種處理方式：

KNX路由方式：配置設備與KNXnet/IP路由器之間采用路由傳輸模式進行配置信息的交互。配置消息從上到下依次通過應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層(采用cEMI幀格式)封裝成ROUTING INDICATION消息(業務類型標識為0x0530)后，在IP網中內組播發送。

KNX隧道方式：在發送配置消息之前，配置設備和KNXnet/IP路由器需要采用Host Protocol[4]協議建立起點對點的通道。配置設備與KNXnet/IP路由器之間采用隧道傳輸模式進行配置信息的交互。配置消息從上到下依次通過應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層(采用cEMI幀格式)封裝成TUNNELLING REQUEST消息(業務類型標識為0x0420)后，通過已建立的通道傳輸到路由器側。路由器響應TUNNELLING ACK(業務類型標識為0x0421)消息，通過已建立的通道傳回給配置設備。

KNX IP 設備管理方式：該方式通過KNXnet/IP協議棧的設備管理協議來實現，是專門針對KNXnet/IP路由器的配制方式，在3.2節已有詳細說明，這里不再贅述。

3 KNXnet/IP路由器的認證測試

KNX標準采用簡表(profile)定義不同的功能[7]，不同的KNX設備根據需要實現對應的簡表，具體要求可以參考文獻[4]。KNX協議棧認證會針對每層協議棧設計相關的測試場景和測試用例來驗證其功能是否符合標準要求。

根據KNXnet/IP路由器的特性，采用的簡表是掩碼為091A的KNXnet/IP類。根據認證要求，必須滿足表1功能需求。

在認證測試中，可分為三個功能模塊：

KNX設備基本功能：主要實現KNX 各層協議棧(數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層)，實現KNX基本通信和管理功能；

KNX耦合器功能：KNXnet/IP路由器具備耦合器功能，包括路由和SNA Server功能；

KNXnet/IP功能：主要針對KNX在IP網絡上實現的功能，主要包括設備管理、路由和隧道。

按照KNX測試規范[8]要求，對KNXnet/IP路由器的各個功能模塊搭建相關測試平臺，運行測試序列，所有測試項均通過，才能說明設備符合KNXnet/IP路由器規范要求，才能取得KNX認證。

表1 profile 091A的基本功能

3.1 KNX基本功能測試

如圖5所示，PC的KNX數據接口EDI通過RS232或USB連接到TP總線，在PC上運行的EITT軟件可以發送測試消息到總線也可以接收來自總線的消息，從而觀察被測KNXnet/IP路由器的行為。

圖5 KNX路由器的KNX協議棧測試示意圖

按照測試規范[8]要求，先通過ETS配置軟件配置好KNXnet/IP路由器后，采用EITT軟件編寫好測試序列，運行測試序列，所有測試例均通過，說明該協議棧符合KNX協議規范要求。

3.2 路由功能測試

KNXnet/IP路由器具備耦合器相關功能[9]，可以配置成線耦合器(line coupler)，骨干耦合器(backbone coupler)或者是轉發器(repeater)，測試規范[8]中也規范了如何測試KNXnet/IP作為耦合器的功能。

如圖6所示，PC的一個數據接口EDI通過RS232或USB連接到TP總線，另一個數據接口通過KNXnet/IP 服務器連接IP網絡。在PC上運行的EITT軟件通過兩個接口可以發送消息到總線或IP網絡，也可以接收來自總線或IP網絡的消息，從而觀察被測對象KNXnet/IP路由器的行為。

圖6 KNXnet/IP路由器的耦合功能測試示意圖

3.3 KNXnet/IP功能測試

KNX標準提供了測試軟件KNX IP Validation Tool[8]，專門用來驗證KNXnet/IP協議實現的正確性。

如圖 7所示，PC的一個數據接口(EDI)通過RS232或USB連接到TP總線，另一個數據接口通過KNXnet/IP 服務器連接IP網絡，負載開關是用于控制總線電源的開和斷功能，PC通過TP總線發送指令來控制負載開關，用于驗證KNXnet/IP路由器對TP總線異常的檢測和上報功能。在PC端運行KNX IP Validation Tool進行KNXnet/IP協議棧的相關測試。

圖7 KNXnet/IP協議棧測試示意圖

4 增強型KNXnet/IP路由器的應用

圖8示意了一個增強型KNXnet/IP路由器的典型應用場景。該路由器可以提供TP總線的KNX TP設備接入到骨干網，也可以提供WiFi子網內的KNX IP設備接入到骨干網。

圖8 KNXnet/IP路由器的實施例示意圖

現有KNXnet/IP路由器方案的無線接入一般都是采用的RF方式。與現有技術方案相比，增強型KNXnet/IP路由器具有以下優點：

(1) 通過對KNX協議棧的改進和增強，使得整個KNX系統的方案設計更加靈活，改進后的系統可以支持KNX IP設備作為子網設備和KNX路由器連接的主網通信。

(2) 整個系統都采用KNX標準實現，具有較強的擴展性和互操作性。

(3) 在對無線網絡中的KNX設備進行配置時，除了可以連接到網絡的PC進行配置外，還可以直接使用智能終端通過無線網絡對KNX設備進行配置，既可以無線子網內的KNX設備進行配置，也可以對無線子網外的KNX設備進行配置，配置更加靈活方便。

(4) 在采用KNX RF系統中，無線傳輸的速率不夠高，當來自IP側的數據量大的時候，可能導致子網速率限制而造成大量數據包被丟棄。在增強型KNX系統中，無線局域網可以支持到千兆及以上的帶寬。

(5) 無線局域網技術非常成熟，使得本系統實現難度小，研發周期短，可實施性好。

(6) 無線局域網產品應用非常廣泛，超大規模的應用使得成本可以非常低廉，本系統在增加無線局域網支持時對產品成本影響很小。

5 結 語

本文介紹的增強型KNXnet/IP路由器是基于LPC處理器、Linux系統來設計和實現的，并采用了NCN5120芯片作為KNX總線收發模塊。該設備通過了第三方認證測試實驗室的認證測試，符合KNXnet/IP路由器協議規范。同時，增強型KNXnet/IP路由器對KNX協議棧的改進和增強，使得整個KNX系統的方案設計更加靈活，成本更加低廉，具有巨大的經濟價值和市場前景。

[1] Cavalieri S,Chiacchio F,Puglisi A D S.Integrating KNX and OPC UA Information Model[J].Journal of Computers,2014,9(7):1536-1541.

[2] 張國棟,張曦煌.KNX/EIB通信協議的實時性分析與改進[J].計算機應用,2012,32(2):370-373,384.

[3] Nazabal J A,Gómez J,Falcone F,et al.Android Application for Accessing KNX Devices via IP Connection[J].International Journal of Smart Home,2012,6(4):39-46.

[4] Konnex Association.Konnex Standard,Vol3,System Specifications[Z].2013.

[5] De Luca G,Lillo P,Mainetti L,et al.KNX-Based Home Automation Systems for Android Mobile Devices[C]//SMART 2013:The Second International Conference on Smart Systems,Devices and Technologies,2013:20-23.

[6] 蘭少華.TCP/IP網絡與協議[M].北京:清華大學出版社,2014.

[7] Konnex Association.Konnex Standard,Vol6,Profiles[Z].2013.

[8] Konnex Association.Konnex Standard,Vol8,System Test Specifications[Z].2013.

[9] Konnex Association.Konnex Standard,Vol9,Basic and System Components[Z].2013.

IMPLEMENTATIONOFENHANCEDKNXNET/IPROUTERINSMARTHOME

Zhu Li1Liu Gang2Liu Mengjuan3

1(SichuanJiuzhouElectricGroupCo.,Ltd.,Chengdu610041,Sichuan,China)2(R&DCenter,ZTECorporation,Chengdu610041,Sichuan,China)3(SchoolofInformationandSoftwareEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,Sichuan,China)

In the smart home or building control system based on KNX standard, router is very important equipment. This paper proposes an innovative scheme of KNXnet/IP router, including hardware platform, protocol stack software and certification test. The enhanced KNXnet/IP router provides the connection and exchange of information between KNX subnet and IP network, effectively using IP network resources such as Ethernet and WiFi. The performance and function of the enhanced KNXnet/IP router are far beyond the traditional KNX router. Based on this, KNX system is no longer limited by transmission distance. KNXnet/IP router can achieve the interconnection between KNX devices of different buildings, and ensure the free extension of KNX network. Also, enhanced KNXnet/IP router supports WiFi access, which enables free mobile networking and guarantees the free expansion of the KNX network.

Smart home KNX protocol KNXnet/IP protocol Ethernet TP bus

TP39

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.029

2017-01-16。國家自然科學基金青年項目(61202445)。朱莉，碩士，主研領域：智能家居，大數據，LTE。劉剛，博士。劉夢娟，副教授。