基于现场总线KNX的智能照明控制系统设计
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摘 要：针对目前大部分楼宇照明中控制方式单一，铺设线路复杂，不具有智能化的不足，提出一种基于现场总线KNX的智能照明控制系统设计方案。文中以会议室为例，搭建基于现场总线 KNX的控制系统，并做智能照明控制实验。运行结果表明，设计充分展现了KNX系统的节能性、交互性和兼容性的优点，满足使用者和管理者对降低维护成本、节约能源和实现现代化智能照明的要求。
关键词：KNX总线;智能照明;GAMMA instabus KNX;会议室;控制实验;楼宇照明
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）07-00-02
0 引 言
随着光源技术、自控技术、通信技术和物联网技术的不断发展，智能楼宇的出现为人们提供了更加现代化的办公环境[1]。在人工智能、大数据、云计算和物联网快速发展的今天，智能照明控制技术将现代照明推向了节能化、智能化、信息化、人性化、艺术化、个性化的全新高度，促进了智能照明技术的发展[2]。
目前，智能照明技术主要使用无线通信技术、电力载波通信技术和总线式通信网络来实现对照明相关设备的智能控制[3-4]。无线通信是利用特殊的频段实现信号的传递，安装方式简单，便于操作，其在智能家居中得到了广泛的应用。但是，无线信号抗干扰性差，信号衰减快，无法适用于大面积、远程通信的智能照明控制场合。同样，电力载波技术由于使用电力线作为传输介质，导致其无法适用于远距离通信。现行的总线技术包括CAN，C-Bus，LonWorks等，其优势在于技术成熟、系统稳定、可靠性高，但是总线协议的兼容性、交互性相对较差[7]。KNX总线技术基于国际标准，具有很强的交互性和兼容性，适应于各种楼宇，且能与其他系统连结[8]。因此，本文以会议室为例，提出了基于现场总线KNX的智能照明控制系统设计方案，具有很好的市场应用价值。
1 系统概况
总线设备基本上可以分为三类：传感器、执行器和控制器[9-10]。开关命令、控制信号等信息是以报文的形式在各总线设备之间传输。KNX报文的结构包括：总线专用信息、具体任务的相关信息和校验信息。报文中源地址只能是物理地址，表示发送报文设备所在的位置;目标地址则可以是物理地址或者是组地址，用来指明接受报文的对象，可以是一台或者多台设备，也可以是在同一线路或不同的线路中。物理地址在调试时逐一确定且唯一，根据设定的功能将相关的设备放入同一个组中，同时设定组地址。当对组地址发送指令时，同一组地址内的设备均可接收到报文，并执行相应动作。
2 KNX总线在办公大楼中的应用
2.1 办公楼中的照明控制要求
在办公楼中，根据各区域的使用功能不同进行具体设计。会议室作为典型场所，经常使用大量高科技电气设备，利用KNX可以方便的实现多媒体设备和会议室内灯光、窗帘等的联动;在缺乏自然光的车库或地下停车场，车道两侧的灯光主要靠场景控制器和红外线移动感应器控制。当有人或车辆经过时，相邻区域内的灯光迅速变亮，延迟一段时间后，若没有检测到人员走动或车辆经过，则把灯具亮度降至设定值;大楼景观照明是商务楼的名片，成片的灯光可以用定时的循环控制来实现不同的灯光效果，通过组合灯光的亮度和颜色来满足使用者的具体要求。本文以会议室为例，搭建了基于现场总线 KNX的控制系统，并做了智能照明控制实验。
2.2 硬件设计
根据会议室智能照明控制的要求，系统选用符合KNX现场总线标准的西门子GAMMA instabus KNX楼宇管理系统。按照会议室所需实现的功能、建筑平面图和办公家具布置平面图，设计了instabus控制平面图，如图1所示。
会议室照明由LED直管日光灯、筒灯、灯带和电动窗帘等构成，控制回路较多且功能不一，空间跨度较大，设计时在会议室入口处配置一个5WG1 203四联触摸开关面板（每一联有两个按键可以分别使用）。由于系统需要开关控制、卷帘控制、调光控制和场景控制等控制方式，设计时选用5WG1 510/03负载开关、5WG1 536D51开关/调光执行器、1～10 V调光执行器、电动遮阳帘执行器和5WG1 305场景控制器等为执行器，设置5WG1 146 IP网关IP地址并与Insight组态软件相连接以便实现与上位机的通信，所有的执行器和总线元件均安装在配电箱内的DIN导轨上，执行器和总线元件之间用KNX总线相连接，并与相应的控制回路连接。
2.3 软件控制方式设计
硬件设计完成之后，按照会议室智能照明控制要求，采用ETS5调试软件进行编程设计。首先在ETS5中创建房间，添加设备，分别设置各设备的物理地址并下载。通过响应的组地址，将通信对象彼此逻辑的链接在一起。当为通信对象分配多个组地址时，可以形成具有多个连接的通信对象。会议室四联触摸开关面板的第1～第4联的A1，B1，C1，D1分別控制WL1，WL2，WL3，WL4回路，每联面板的短按用于控制回路的切换，长按用于控制回路的调光;A2，B2分别控制WL5，WL6，短按为对窗帘进行开关控制，长按为对窗帘的开度控制;C2，D2分别对场景一和场景二进行控制，场景功能与编程列表见表1所列。
上述编程是针对场景的编程，在实际工程中，如果楼宇的应用布局或使用需求发生变化，KNX系统不需要重新布线，只要简单地修改总线设备的参数和逻辑链接。这种修改可以在与KNX系统连接的PC以及组态和调试软件ETS5上重新分配这些参数。在使用ETS5进行编程及调试完成后，系统不仅可以通过开关面板进行手动控制，还可以利用移动感应器、光照度感应器等传感器进行自动控制，所有的功能都还可以通过触摸屏监控和操控，方便实现一个区域的集中管理。
3 运行结果分析
系统经过编程及调试后，Insight监控界面如图2所示。在组态软件Insight的监控界面图上设置各组灯光分开关以及场景切换开关，可实现对灯光的统一控制，提高使用的便捷度。在应用过程中，可通过现场控制面板对各执行器进行实时控制，为使用者提供了很大的便利。当设备发生故障时，可使用GAMMA instabus KNX控制系统通过IP路由器及时的发送这些故障信息，实现快速响应并将成本最小化。BACnet能够对功能性楼宇实现开放、可互操作的自动化。IP网关KNX/BACnet允许将设备快速、简单、高效的集成到基于BACnet的网络以及楼宇自动化和控制系统中，实现与供配电系统、空调与冷热源系统、给排水系统、安防及消防系统的联动。
4 结 语
KNX是一种向上兼容、灵活、创新的系统，适用于各种类型的楼宇应用，总线布线KNX TP（双绞线）以及以太网KNXnet/IP、无线电系统KNX RF（射频）和红外线可以用作传输介质。因此，KNX有助于执行具体的使用需求并快速轻松地更改房间和楼宇的用途。GAMMA instabus KNX能够在楼宇的整个生命周期内确保高效经济运行，照明、遮阳、采暖、通风和空调之间的相互作用有助于节省尽可能多的能量，具有很大的发展前景。但是，总线式控制系统在系统设置上存在专业性强、逻辑关系复杂、普通用户很难随意调整等问题，这将导致KNX很难快速进入民用建筑领域。
参考文献
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