基于現場總線KNX的智能照明控制系統設計

王崇　過李嶠　廖勇　張露

摘 要：針對目前大部分樓宇照明中控制方式單一，鋪設線路復雜，不具有智能化的不足，提出一種基于現場總線KNX的智能照明控制系統設計方案。文中以會議室為例，搭建基于現場總線 KNX的控制系統，并做智能照明控制實驗。運行結果表明，設計充分展現了KNX系統的節能性、交互性和兼容性的優點，滿足使用者和管理者對降低維護成本、節約能源和實現現代化智能照明的要求。

關鍵詞：KNX總線;智能照明;GAMMA instabus KNX;會議室;控制實驗;樓宇照明

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-02

0 引 言

隨著光源技術、自控技術、通信技術和物聯網技術的不斷發展，智能樓宇的出現為人們提供了更加現代化的辦公環境[1]。在人工智能、大數據、云計算和物聯網快速發展的今天，智能照明控制技術將現代照明推向了節能化、智能化、信息化、人性化、藝術化、個性化的全新高度，促進了智能照明技術的發展[2]。

目前，智能照明技術主要使用無線通信技術、電力載波通信技術和總線式通信網絡來實現對照明相關設備的智能控制[3-4]。無線通信是利用特殊的頻段實現信號的傳遞，安裝方式簡單，便于操作，其在智能家居中得到了廣泛的應用。但是，無線信號抗干擾性差，信號衰減快，無法適用于大面積、遠程通信的智能照明控制場合。同樣，電力載波技術由于使用電力線作為傳輸介質，導致其無法適用于遠距離通信。現行的總線技術包括CAN，C-Bus，LonWorks等，其優勢在于技術成熟、系統穩定、可靠性高，但是總線協議的兼容性、交互性相對較差[7]。KNX總線技術基于國際標準，具有很強的交互性和兼容性，適應于各種樓宇，且能與其他系統連結[8]。因此，本文以會議室為例，提出了基于現場總線KNX的智能照明控制系統設計方案，具有很好的市場應用價值。

1 系統概況

總線設備基本上可以分為三類：傳感器、執行器和控制器[9-10]。開關命令、控制信號等信息是以報文的形式在各總線設備之間傳輸。KNX報文的結構包括：總線專用信息、具體任務的相關信息和校驗信息。報文中源地址只能是物理地址，表示發送報文設備所在的位置;目標地址則可以是物理地址或者是組地址，用來指明接受報文的對象，可以是一臺或者多臺設備，也可以是在同一線路或不同的線路中。物理地址在調試時逐一確定且唯一，根據設定的功能將相關的設備放入同一個組中，同時設定組地址。當對組地址發送指令時，同一組地址內的設備均可接收到報文，并執行相應動作。

2 KNX總線在辦公大樓中的應用

2.1 辦公樓中的照明控制要求

在辦公樓中，根據各區域的使用功能不同進行具體設計。會議室作為典型場所，經常使用大量高科技電氣設備，利用KNX可以方便的實現多媒體設備和會議室內燈光、窗簾等的聯動;在缺乏自然光的車庫或地下停車場，車道兩側的燈光主要靠場景控制器和紅外線移動感應器控制。當有人或車輛經過時，相鄰區域內的燈光迅速變亮，延遲一段時間后，若沒有檢測到人員走動或車輛經過，則把燈具亮度降至設定值;大樓景觀照明是商務樓的名片，成片的燈光可以用定時的循環控制來實現不同的燈光效果，通過組合燈光的亮度和顏色來滿足使用者的具體要求。本文以會議室為例，搭建了基于現場總線 KNX的控制系統，并做了智能照明控制實驗。

2.2 硬件設計

根據會議室智能照明控制的要求，系統選用符合KNX現場總線標準的西門子GAMMA instabus KNX樓宇管理系統。按照會議室所需實現的功能、建筑平面圖和辦公家具布置平面圖，設計了instabus控制平面圖，如圖1所示。

會議室照明由LED直管日光燈、筒燈、燈帶和電動窗簾等構成，控制回路較多且功能不一，空間跨度較大，設計時在會議室入口處配置一個5WG1 203四聯觸摸開關面板（每一聯有兩個按鍵可以分別使用）。由于系統需要開關控制、卷簾控制、調光控制和場景控制等控制方式，設計時選用5WG1 510/03負載開關、5WG1 536D51開關/調光執行器、1～10 V調光執行器、電動遮陽簾執行器和5WG1 305場景控制器等為執行器，設置5WG1 146 IP網關IP地址并與Insight組態軟件相連接以便實現與上位機的通信，所有的執行器和總線元件均安裝在配電箱內的DIN導軌上，執行器和總線元件之間用KNX總線相連接，并與相應的控制回路連接。

2.3 軟件控制方式設計

硬件設計完成之后，按照會議室智能照明控制要求，采用ETS5調試軟件進行編程設計。首先在ETS5中創建房間，添加設備，分別設置各設備的物理地址并下載。通過響應的組地址，將通信對象彼此邏輯的鏈接在一起。當為通信對象分配多個組地址時，可以形成具有多個連接的通信對象。會議室四聯觸摸開關面板的第1～第4聯的A1，B1，C1，D1分別控制WL1，WL2，WL3，WL4回路，每聯面板的短按用于控制回路的切換，長按用于控制回路的調光;A2，B2分別控制WL5，WL6，短按為對窗簾進行開關控制，長按為對窗簾的開度控制;C2，D2分別對場景一和場景二進行控制，場景功能與編程列表見表1所列。

上述編程是針對場景的編程，在實際工程中，如果樓宇的應用布局或使用需求發生變化，KNX系統不需要重新布線，只要簡單地修改總線設備的參數和邏輯鏈接。這種修改可以在與KNX系統連接的PC以及組態和調試軟件ETS5上重新分配這些參數。在使用ETS5進行編程及調試完成后，系統不僅可以通過開關面板進行手動控制，還可以利用移動感應器、光照度感應器等傳感器進行自動控制，所有的功能都還可以通過觸摸屏監控和操控，方便實現一個區域的集中管理。

3 運行結果分析

系統經過編程及調試后，Insight監控界面如圖2所示。在組態軟件Insight的監控界面圖上設置各組燈光分開關以及場景切換開關，可實現對燈光的統一控制，提高使用的便捷度。在應用過程中，可通過現場控制面板對各執行器進行實時控制，為使用者提供了很大的便利。當設備發生故障時，可使用GAMMA instabus KNX控制系統通過IP路由器及時的發送這些故障信息，實現快速響應并將成本最小化。BACnet能夠對功能性樓宇實現開放、可互操作的自動化。IP網關KNX/BACnet允許將設備快速、簡單、高效的集成到基于BACnet的網絡以及樓宇自動化和控制系統中，實現與供配電系統、空調與冷熱源系統、給排水系統、安防及消防系統的聯動。

4 結 語

KNX是一種向上兼容、靈活、創新的系統，適用于各種類型的樓宇應用，總線布線KNX TP（雙絞線）以及以太網KNXnet/IP、無線電系統KNX RF（射頻）和紅外線可以用作傳輸介質。因此，KNX有助于執行具體的使用需求并快速輕松地更改房間和樓宇的用途。GAMMA instabus KNX能夠在樓宇的整個生命周期內確保高效經濟運行，照明、遮陽、采暖、通風和空調之間的相互作用有助于節省盡可能多的能量，具有很大的發展前景。但是，總線式控制系統在系統設置上存在專業性強、邏輯關系復雜、普通用戶很難隨意調整等問題，這將導致KNX很難快速進入民用建筑領域。

參考文獻

[1]梁人杰.智能照明控制技術發展現狀與未來展望[J].照明工程學報，2014，25（2）：15-26.

[2]章云，許錦標，谷剛，等. 建筑智能化系統[M].2版.北京：清華大學出版社， 2017.

[3]盧超.基于WiFi的智能LED照明控制系統的設計[J].照明工程學報，2019，30（4）：137-143.

[4] Dave Hollander.藍牙Mesh照亮智能樓宇的未來[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（8）：90.

[5]趙悉鈞，顧春榮，張海玲，等. 基于ZigBee通信的智能照明系統[J].電子設計工程，2019，27（18）：162-165.

[6]胡兵.KNX現場總線控制在智能照明系統的應用[J].電氣自動化，2018，40（2）：113-115.

[7]葉敏莉.GAMMA instabus KNX系統在北京西門子大樓中的應用[J].智能建筑電氣技術，2009（2）：54-57.

[8]李少雷.基于KNX總線的智能照明控制系統[J].電子設計工程，2016，24（2）：140-141.

[9]寧善慶，亢榮，吳平.智能照明系統專利申請發展現狀及趨勢[J].電器工業，2018（12）：6-17.

[10]吳玉鵬.高桿燈智能照明系統監控終端的研制[D]. 南京：東南大學，2017.