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        基于KNX的高層住宅智能家居系統(tǒng)控制

        2023-08-09 11:33:30徐賢明
        衛(wèi)星電視與寬帶多媒體 2023年14期
        關鍵詞:個性化

        【摘要】本文結(jié)合某府邸智能家居系統(tǒng)工程案例,對KNX系統(tǒng)在高層住宅中的控制及應用加以研究,KNX系統(tǒng)是一個基于事件控制的分布式總線系統(tǒng),系統(tǒng)采用單元地址化結(jié)構(gòu)設計,賦予每個功能部件相應單獨的物理地址。每個模塊都有微處理器,可獨立收發(fā)總線數(shù)據(jù),完成傳感測量、運算、執(zhí)行、控制等功能。隨著應用場景和用戶需求的個性化,總線器件之間又可進行功能組合,完成燈光、窗簾、空調(diào)、新風、地暖等系統(tǒng)的一體化集成控制,實現(xiàn)輸出功能倍增的效果;并可根據(jù)自身的實際需要,對KNX系統(tǒng)設備進行自動、智能化管理。無須接觸底層設備與學習專業(yè)的知識,通過用戶端APP控制設置,也可對KNX系統(tǒng)設備進行自動控制。

        【關鍵詞】個性化;功能組合;集成控制;APP控制

        中圖分類號:G212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI:10.12246/j.issn.1673-0348.2023.14.066

        隨著人們生活水平的提高,擁有一個安全、溫馨、舒適、便捷、有益健康的家居辦公環(huán)境,成為時下人們追求品質(zhì)生活的主要目標。如何才能賦予家居辦公環(huán)境安全、高效、便捷、節(jié)能、健康等屬性成為了研究重點。原有高層住宅內(nèi)的各子系統(tǒng)的分散管理或部分子系統(tǒng)(設備)的簡單集成管理,已無法滿足人們對品質(zhì)生活的追求。在單個設備控制的基礎上,實現(xiàn)組網(wǎng)、集成的控制與管理,成為高層住宅建筑內(nèi)設備管理系統(tǒng)的必然趨勢。

        1. 家居系統(tǒng)功能需求分析

        對家居系統(tǒng)功能需求加以分析,力求將高層住宅中燈光系統(tǒng)、窗簾系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、新風系統(tǒng)、地暖系統(tǒng)等子系統(tǒng)有機地結(jié)合為一個整體,例如:①與可視對講對接聯(lián)動控制;②在開門瞬間自動打開玄關照明,進入客廳自動關閉玄關照明;③白天回家模式時只打開客廳窗簾,晚上回家模式時打開客廳燈光同時關閉客廳窗簾;④在調(diào)節(jié)溫控面板溫度時,自動打開客廳的空調(diào)或地暖;⑤離家模式時,自動打開新風系統(tǒng),凈化室內(nèi)空氣。

        針對上述需求,需依靠一個自動化控制系統(tǒng),集成高層住宅內(nèi)每一個獨立控制系統(tǒng),故引入現(xiàn)場總線控制技術,實現(xiàn)一體化的集成管理KNX系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用一條雙絞線(i-bus總線)代替?zhèn)鹘y(tǒng)種類繁多的普通電纜,所有控制信號均通過此總線傳輸接收和發(fā)送總線數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中包含溫濕度、光照度、CO2、PM2.5、智能面板輸入信號等參數(shù),當參數(shù)滿足程序要求時,驅(qū)動器立刻執(zhí)行相應動作,完成燈光、窗簾、空調(diào)、新風、地暖等系統(tǒng)的一體化集成控制。

        KNX控制系統(tǒng)每個模塊在控制功能上具有獨立性。在網(wǎng)絡通信正常條件下,某個元器件因故障或損壞停止工作后,不會影響總線上的其他設備運行,從側(cè)面體現(xiàn)出KNX系統(tǒng)有很好的可靠性和穩(wěn)定性。

        2. KNX系統(tǒng)集成

        2.1 可視對講系統(tǒng)集成

        目前,可視對講產(chǎn)品均是廠家專有協(xié)議,基本無標準協(xié)議。不同廠家互不兼容,和各弱電系統(tǒng)也不能聯(lián)通,各系統(tǒng)之間的互聯(lián)成為集成控制的重點難題。通過采用外置協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊(KNX網(wǎng)關),KNX系統(tǒng)即可實現(xiàn)“現(xiàn)場總線+局域網(wǎng)”的數(shù)據(jù)交換,從而使可視對講完成與KNX系統(tǒng)對接控制。

        可視對講發(fā)送開燈、窗簾、空調(diào)、新風、地暖指令時,通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊(KNX網(wǎng)關),KNX系統(tǒng)接收到可視對講發(fā)出的上述指令,同時KNX系統(tǒng)對接收的信號指令進行處理,控制驅(qū)動器執(zhí)行相應動作,達到對各系統(tǒng)的控制??梢晫χv對接控制原理見圖1。

        2.2 燈光控制系統(tǒng)

        KNX控制系統(tǒng)驅(qū)動器模塊均為標準模/數(shù)化產(chǎn)品,可直接安裝在區(qū)域的強電配電箱中,每個照明回路對應KNX輸出控制模塊的一個具體通道,從而實現(xiàn)相應不同回路的開關或調(diào)光控制。位于現(xiàn)場的智能面板及功能傳感器則主要采用國標86盒或80底盒墻裝方式,整體系統(tǒng)安裝施工簡單,控制功能靈活且在發(fā)生功能變化時更易于調(diào)整。其原理如圖2所示。

        KNX系統(tǒng)中所有輸入設備(如:面板、紅外移動探測器、照度傳感器)和輸出設備(如:開關驅(qū)動器、窗簾驅(qū)動器)均通過i-bus總線相互連接。當總線接收到輸入信號時,通過微處理電子技術向輸出模塊發(fā)送執(zhí)行指令,驅(qū)動負載,實現(xiàn)相應功能。這意味著在系統(tǒng)設備硬件不作任何改動的情況下,可通過對元器件的程序編譯來實現(xiàn)功能的靈活多變,以完成對區(qū)域內(nèi)外的單一照明回路、或多回路的開關、調(diào)光、場景控制,同時也可進行區(qū)域的總開關控制。

        2.3 窗簾控制系統(tǒng)

        傳統(tǒng)窗簾必須手動開關,操作較為繁瑣,針對該現(xiàn)象,窗簾控制系統(tǒng)逐漸得以應用。KNX系統(tǒng)控制通過驅(qū)動器控制窗簾電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)窗簾的開閉(升降),與照度探測聯(lián)動窗簾開閉(升降)可充分利用自然光,減少能量損耗;與燈光控制聯(lián)動,可營造不同的氛圍場景,彰顯生活品質(zhì)。其控制原理見圖3。

        例如定時控制可為智能窗簾進行定時,通過時間表對其進行開啟和關閉的時間表控制策略,如同給鬧鐘定時一樣,每天早上太陽升起,定時控制遮光簾打開透光、紗簾仍關閉保護隱私;固定上床休息時間遮光簾則會緩緩拉上,帶來靜謐安寧的休息空間。有時需要把窗簾同時打開或關閉,則可通過一鍵聯(lián)動功能來實現(xiàn)。

        2.4 空調(diào)系統(tǒng)集成

        和市面上繁多的開關樣式相比,空調(diào)線控器的顏色極少,導致空調(diào)線控器的顏色與裝飾風格難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。通過KNX系統(tǒng)集成,多種溫控面板款式選擇易于滿足業(yè)主個性化裝修風格的需求。在追求智能系統(tǒng)的同時,亦可兼顧家中智能面板風格、色彩統(tǒng)一協(xié)調(diào)。除原有空調(diào)電源線外,一般只需多布置一根RVVP通訊線。采用RS-485布線方式,Modbus通信協(xié)議,KNX系統(tǒng)可以輕松讀取空調(diào)系統(tǒng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù),比如空調(diào)運行模式、室外機溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機運行風速等。屏蔽雙絞線可靠接地有助于減少和消除兩根RS485通信線之間產(chǎn)生的分布電容以及來自于通訊線周圍產(chǎn)生的共模干擾??照{(diào)控制對接控制原理見圖4。

        2.5 新風系統(tǒng)集成

        新風系統(tǒng)集成方式與空調(diào)系統(tǒng)集成原理一致,通過RS-485布線方式,Modbus通信協(xié)議與KNX控制系統(tǒng)對接。人的身體無法精確判斷室內(nèi)CO2濃度、空氣濕度、PM2.5值,此時使用KNX系統(tǒng)則可不斷監(jiān)測空氣質(zhì)量來智能地保持健康的室內(nèi)環(huán)境,為提前設置新風系統(tǒng)的開關、溫度、濕度等參數(shù)提供可靠依據(jù),并且實現(xiàn)自動化控制。當室內(nèi)溫度或濕度在一定范圍內(nèi)時,KNX系統(tǒng)智能模塊將會自動調(diào)節(jié)新風系統(tǒng)的風速和風量,實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的舒適化。

        2.6 地暖系統(tǒng)集成

        KNX控制系統(tǒng)可分析室外溫度變化,進行溫度調(diào)整預判,同時也會根據(jù)室內(nèi)實際溫度,及時調(diào)整室內(nèi)舒適度。不僅如此,KNX控制系統(tǒng)還可根據(jù)主人居住習慣、喜好或有無人員等情況,自動調(diào)節(jié)溫度,從而達到節(jié)能環(huán)保的效果。

        3. 系統(tǒng)難點問題與技術措施

        3.1 時間表控制

        (1)窗簾系統(tǒng)時間表控制:房間內(nèi)電動窗簾可通過APP設置定時控制(例:布簾定時在早晨7點自動打開,紗簾保持閉合)。

        (2)新風系統(tǒng)時間表控制:離家模式時,自動打開新風系統(tǒng)凈化室內(nèi)空氣,KNX系統(tǒng)可通過APP設置時間表功能,每天定時段打開或關閉新風系統(tǒng),晚上自動設定新風系統(tǒng)為最低速運行,保證安靜的室內(nèi)環(huán)境。

        (3)通過調(diào)用網(wǎng)關時鐘,場景觸發(fā)時引入網(wǎng)關時鐘控制,做到白天回家模式時只打開客廳窗簾,晚上回家模式時打開客廳燈光同時關閉客廳窗簾。

        3.2 聯(lián)動控制

        3.2.1 可視對講安防聯(lián)動控制

        可視對講系統(tǒng)由于具有安全保護作用,往往采用專有通訊協(xié)議,且不對外開放通訊協(xié)議。增加外置協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊(KNX網(wǎng)關),KNX系統(tǒng)可實現(xiàn)“現(xiàn)場總線+局域網(wǎng)”的數(shù)據(jù)交換方式,把可視對接的專有協(xié)議轉(zhuǎn)換成為集成系統(tǒng)統(tǒng)一的KNX協(xié)議,做到無縫對接控制。在家庭安防方面此聯(lián)動控制功能表現(xiàn)尤為突出。當可視對講設置布防狀態(tài)后,如果KNX控制系統(tǒng)的紅外移動探測器檢測到家中有人非法入侵時,KNX系統(tǒng)可通過執(zhí)行器打開蜂鳴器發(fā)出警報音,同時可視對講系統(tǒng)也會第一時間把報警信號傳給物業(yè)中心。

        3.2.2 空調(diào)地暖聯(lián)動控制

        調(diào)節(jié)溫控面板溫度時,KNX系統(tǒng)網(wǎng)關可自動對采集的房間溫度與設置溫度進行比較,若設置溫度比房間溫度高3度以上啟動地暖開關,反之若溫度低3度以上則啟動空調(diào)開關,并可把溫控面板關閉時溫度統(tǒng)一設置為基準23度,基準溫度設置可有效避免程序誤判。同時,空調(diào)開關與地暖開關命令進行互鎖控制,在一鍵聯(lián)動控制場景時不會出現(xiàn)空調(diào)和地暖同時打開的情況,避免能耗浪費。

        3.2.3 空氣質(zhì)量聯(lián)動控制

        為了聯(lián)動新風系統(tǒng),引入空氣質(zhì)量傳感器,檢測室內(nèi)CO2濃度。CO2濃度含量與人體生理反應如下:350~450ppm:同一般室外環(huán)境;350~1000ppm:空氣清新、呼吸順暢;1000~2000ppm:感覺空氣渾濁引起不適。在新鮮空氣中,CO2含量約為0.036%(360ppm)至0.041%(410ppm)之間變化。故將閾值設為500ppm,若室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器檢測到CO2濃度高于500ppm,自動打開新風系統(tǒng)引入室外新鮮空氣;低于300ppm則自動關閉新風系統(tǒng)。

        3.2.4 多塊溫控面板同步聯(lián)動顯示

        當任意一個溫控面板向KNX控制系統(tǒng)設備發(fā)出控制指令,使得KNX控制系統(tǒng)設備狀態(tài)發(fā)生變化后,須將KNX控制系統(tǒng)設備的狀態(tài)同步到其他控制面板上。這時利用網(wǎng)關將每臺室內(nèi)機的溫度讀寫區(qū)分開,多塊溫控面板顯示溫度調(diào)用網(wǎng)關讀取到的反饋讀取溫度,實現(xiàn)多塊面板的溫度同步顯示功能。

        3.2.5 兒童房電視插座聯(lián)動控制

        主人房的智能面板可對兒童房的電視插座實現(xiàn)強行關閉鎖死控制,實現(xiàn)有效的強制管理,可有效保護兒童視力。

        3.3 場景控制

        KNX系統(tǒng)的智能面板可實現(xiàn)一鍵式多功能場景切換控制(例:閱讀場景、休息場景、影音場景和總開/關功能等)。為了統(tǒng)一裝修風格,KNX系統(tǒng)部分面板使用無源干接點復位面板,為使按鍵按下時存在次數(shù)之分,增設一個邏輯功能,每次面板按下時對信號進行累計,使其信號傳遞數(shù)量得以區(qū)分,再針對不同數(shù)量設置不同功能場景。在計數(shù)累積到一定數(shù)量時,再做減法邏輯運算,使之形成一個循環(huán)控制。具體邏輯如圖5所示。

        4. 結(jié)束語

        高層住宅KNX控制系統(tǒng)利用微處理電子技術,將家庭中的燈光、窗簾、空調(diào)、新風、地暖等系統(tǒng)都集成在一個平臺上。通過智能化技術把多個系統(tǒng)功能疊加在一起,可更好地提升各系統(tǒng)的使用效率,更有效地減少能源消耗,達到節(jié)約成本功能倍增的效果。KNX系統(tǒng)還可根據(jù)人們的生活規(guī)律、使用習慣等應用場景自動對各系統(tǒng)設備進行智能管理,為高層住宅創(chuàng)造一個安全、溫馨、舒適、便捷、有益于健康的家居辦公環(huán)境,大幅提升人們的生活品質(zhì)。

        參考文獻:

        [1]卜軍.基于KNX現(xiàn)場總線的圖書館照明智能控制研究[D].沈陽建筑大學,2015.

        [2]李玉敏.KNX技術組織、標準和技術應用解決方案[J].智能建筑電氣技術,2015(04):76-80.

        [3]王麟琨,王春喜,柳曉菁.KNX技術簡介及特點分析[J].通訊與網(wǎng)絡,2012,6(05):79-84.

        [4]葉敏莉.住宅和樓宇控制系統(tǒng)HBES(KNX/EIB)介紹[J].儀器儀表標準化與計量,2007(05):1-5.

        作者簡介:徐賢明,工程師,研究方向:智能控制.

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