基于KNX总线的照明控制系统节能研究与应用.docx

第一章 绪论第一章 绪论照明系统中的能源是全球楼宇建筑总能源消耗的主要组成部分之一1。随着现代控制技术的发展，建筑物的照明系统具有降低能耗的巨大潜力，只要对建筑物办公或居家环境搭建科学合理的控制系统，实施先进的控制技术，就能实现建筑物的节能环保效果。1.1研究背景与研究目的楼宇建筑智能化建设是现代城市发展过程中十分重要的一部分。据统计，2016年全球建筑能耗占世界总能耗的40%2。随着我国城市现代化发展，建筑物能耗已成为我国工业能耗和交通能耗并举的三大能耗大户之一，并处于增长趋势。由文献3可知，据2018中国建筑能耗研究报告统计，2016年我国建筑能耗占全国能耗总量比例为20.62%，其中建筑能耗中以公共建筑比例为最高，达38.53%，如图1-1所示。图1-1 2016年中国建筑能耗比例随着人民生活水平的不断提高，人们对智能家居和智能楼宇（智慧城市）的品质生活需求不断增加， 与人们日常生活密切相关的能源特别是电能耗也将逐步增多4。因此，在现代城市的楼宇建筑建设和未来智能家居、智慧城市发展过程中，应该将节能环保等因素综合考虑，应用现代化的先进照明控制技术有效降低能耗，实现城市照明的节能环保，满足城市发展和人民生活的需要。控制技术理论的研究为城市照明控制技术发展和广泛应用提供了技术理论保证4。文献5,6中对照明技术与控制技术进行归纳总结，总结了照明控制技术经历了三个发展阶段。第一阶段是依靠手动为主的传统照明控制方式，此阶段控制理论以反馈理论为基础的经典控制理论，主要解决单输入-单输出的线性定常系统问题；第二阶段是借助数字控制技术的自动照明控制，此阶段控制理论表现为现代控制理论，主要解决多输入-多输出系统问题，也能解决非线性时变系统问题；第三阶段是借助计算机技术、通信技术以及自动化技术的现代智能照明控制技术，控制理论表现为智能控制阶段，主要解决复杂系统、人工智能以及大数据算法等问题。文献7中对AI人工智能技术发展与神经网络深度学习方法进行了概述，提出了人工智能技术目前仍处于初级阶段的观点，AI人工智能技术还有很长路要走。本文要研究的KNX技术是一个将KNX通信控制技术应用于楼宇照明系统的控制技术，属于控制理论的第三阶段，也是人工智能技术的一部分。KNX技术是通过将建筑系统的功能类设备关联在一起，组成KNX通信控制系统，采取一定的控制手段，实现对建筑物的自动控制，可实现照明系统的节能。例如，文献8,9中将KNX总线技术实施应用于上海虹桥机场的照明系统，实现了机场照明系统的节能控制和系统管理控制，节能效果明显，每年为机场节能降耗35%。文献10中将KNX技术应用于图书馆照明系统，实现了图书馆照明系统的节能控制。KNX英文全称是Konnex，是一种总线协议，是1999年5月在欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHS基础上形成的一个新规范、新标准，主要应用于智能家居和楼宇自动化控制领域。KNX总线协议的技术层面主要是在EIB协议基础上增加了两个物理层规范：BatiBus和EHSA，并吸收了两种协议模式的优点，具有独特的优势11。KNX总线技术是一种基于事件控制的分布式通信控制技术，总线上的数据（消息报文）被调制在直流信号上，与总线设备及其电源（29V）共用同一条电缆。总线设备与总线之间采用串行通信方式进行交互，完成消息报文的发送与接收，实现系统的控制、监测和状态报告12。KNX协议对ISO/OSI（ISO7489）七层规范协议进行了简化，采用五层协议模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层13。KNX通信机制是实现系统通信控制的核心与关键，主要是完成设备的地址表、关联表和通信对象表的关联14,15。为改善办公照明光环境，实现系统节能需求，本文拟设计一套基于KNX总线技术的通信控制系统，应用于某写字大楼的办公环境照明系统上。该控制系统通过KNX总线可以连接总线上的全部功能类设备，形成一个KNX通信控制系统，借助软件的编程手段能够实现对灯光的自动开关和调光控制，并且可以通过KNX总线上的照度传感器有效地采集到能耗数据，通过KNX设备进行信号（消息报文）处理后可控制相应功能，也可通过PC上位机进行数据记录、收集，用于照明系统的能效分析。为了研究照明系统的能效，本文拟采用一种模糊控制和BP神经网络算法，设计一种模糊BP控制算法，研究办公环境的节能效果。1.2国内外研究现状分析KNX技术前身是EIB（European Installation Bus，欧洲安装总线），于1990年5月源于欧洲，至今在国内外已发展近30年，已成为全球智能家居和楼宇自动化控制领域唯一的开放式国际标准(ISO/IEC 14543-3)，同时也是欧洲标准 (CENELEC EN 50090 & CEN EN 13321-1)、美国标准 (ANSI/ASHRAE 135)和中国标准 (GB/T 20965-2013)16。国际化标准意味着不同厂家设计的KNX产品虽然外形不同，但都具有统一内部标准，并得到国际CE认证。由于KNX技术的交互性和兼容性非常强，易于联系全球服务组织，硬件产品安装简化，软件设置方便，可以解决众多系统的节能方案，在全球的智能家居、楼宇自动化等方面应用十分广泛，主要应用于照明系统中17。1.2.1 KNX技术的国内外研究现状KNX技术在1999年作为一种总线通信协议被引入中国，是伴随国内的通信技术发展而得到应用，包括有线通信和无线通信方面。国内通信技术的有线技术包括：KNX总线、RS485总线和CAN总线等；无线技术包括：Zigbee、Z-wave、Bluetooth、RF(KNX RF)、IP(KNX IP)、WIFI等。根据BSRIA国际分析机构数据显示，2018年，KNX技术产品在欧洲和我国智能家居市场中占有率均是第一18。其中KNX技术产品在德国市场率为56%，在我国市场率为42%。如图1-2所示。 德国（左）中国（右）图1-2 KNX产品2018年在智能家居市场占有率通过上述通信产品的市场调研可知，不同类型的通信技术占比不同，各占优势。在长距离有线通讯技术中，以KNX应用最为广泛。KNX传输距离长，信号稳定、易联网、易维护。因为KNX可以通过与其他协议和网关的对接，提升应用场合的扩容性，并且可以与目前的主流协议Wi-Fi、DALI、Zigbee、BLE、RS485等进行连接通信。在短距离无线通讯技术中，以WiFi、蓝牙和ZigBee的应用最为广泛，但存在着传输距离短、信号盲区、联网困难、成本高和功耗大等缺点。KNX技术协议是应用广泛的协议，其本质是一个合集的总称， 市场上的KNX芯片、KNX协议、KNX协会、KNX产品、KNX线缆等都是涵盖了KNX总线协议。在互联网上搜索KNX在控制系统中需要定义的内容，从电气到线缆、从线缆到设备、从设备到软件、从软件到配置、从配置到系统，KNX总线协议无一例外全部涵盖。与KNX相比，RS485本身并不是一种真正的通信协议，仅是一项电气技术，仅定义了电气规定，规定了信号电压、阻抗等。产品采用RS485协议实际只是采用了RS485电气技术，并且存在与其他系统难兼容的问题19。虽然KNX技术作为总线通信协议在我国得到了大量的应用，但由于国内对KNX技术研究起步较晚，国内KNX产品主要依赖进口，产品价格比较贵，导致KNX产品在国内主要以公建项目为主，难以在家居领域得到普及。而国外目前仍掌握KNX的技术核心，对KNX技术已得到普及。Toylan MY等人早期对KNX技术进行普及教育研究，对KNX技术的推广具有重要意义20。国外的研究方向主要是对KNX通信机制的协议深入完善，研究基于红外、无线射频的传输介质以及无线网络的扩展研究21。国内以浙江大学的吴明光教授为首的研发团队是比较早研究KNX技术的科研团队之一。该团队自2000年以来，一直致力于KNX通信内核产品的研发。2004年该团队的刘锴、姚帅、封宁波、杨丕楠等人先后研发了KNX通信内核产品，主要用于家庭网络系统，并对KNX的通信协议栈进行了解析，已成功研发了双值输入、双值输出以及家庭网络KNX产品22-25。陈爽对KNX的协议模型进行了深入研究，总结了开发设计KNX产品的流程，对国内自主研发KNX产品具有重大意义26。中国在2007年和2013年分别修订了KNX中国国家标准（HBES GB/Z 20965-2007、HBES GB/T20965-2013）。其中2013版主要是增加了网关协议，有力推动了KNX技术在国内的发展27。随着中国科学技术的进步，近年国内也涌现了大量自主研发的KNX产品和发明专利。伍亚虎利用KNX技术成功研发了四路继电器开关，实现了开关自动控制28。伍莹莹借助KNX技术研发并申请了KNX终端控制设备产品专利29。通过自主研发KNX产品，可以明显降低产品成本，并有助于推动KNX技术在国内的普及。1.2.2 KNX技术的产品发展与应用前面介绍KNX协议是一种国际化标准的总线协议，所以根据KNX协议标准，不同厂商可以生产形式多样的KNX产品。据市场调研，比较早致力于研究开发KNX产品的国外厂家主要有ABB集团、Hagrid海格、Schneide施耐德、Siemens西门子等公司，并且这些公司掌握了KNX的核心技术，2018年这些公司生产的KNX产品在欧洲市场率占据70%左右。而KNX技术在中国起步相对较晚，生产商既有本土企业也有中外合资企业。本土公司有GVS广州视声、HDL广州河东科技等公司。中外合资公司如Legrand罗格朗中国公司、Osram欧司朗广州公司等30。由于KNX兼容性强，KNX技术厂商、品牌、产品之间可以进行无缝隙稳定对接。据KNX国际协会统计，KNX总线标准已覆盖全球四十多个国家。目前全球有470家KNX协会会员，全球有超过400个厂商为KNX系统提供产品，这些产品全部都通过国际标准ISO9001认证，包含8000个互操作产品设备，几乎覆盖了建筑领域的各个行业和各种用途的需要，具有很强的市场竞争力。KNX国际协会每年还在全球主要标准国家举办论坛，开展技术培训，普及KNX技术应用30。KNX技术以其优越的性能和质量在我国市场获得了成功的应用，主要应用于诸多大型公建项目。据KNX中国组织（KNX中国用户组织委员会）记录，厦门会展中心一期工程（1999年）是我国第一个KNX项目，采用ABB公司研发的产品完成，主要应用于该建筑的照明系统31。2008年北京奥运会国家体育场（Beijing National Stadium）（鸟巢）和水立方（Water Cube）也是KNX项目。该工程项目由国内公司北京雅高华科技有限公司自主设计，采用了ABB和Schneide施耐德的KNX产品。其中“鸟巢”使用ABB产品实现了体育场照明控制，用Schneide产品实现了景观照明控制。中央控制软件采用KNX系统的Winswitch模式进行控制，对整个控制区域的照明系统以及应急照明系统进行集中监视及控制。水立方用ABB产品实现了体育照明控制和室外景观照明控制。该控制系统操作方便，外观典雅，实现了节能与环保。2009年，中铁大厦（北京）（Zhong Tie Mansion）采用KNX总线系统，安装了约400个360度吸顶装的人体感应器，通过中央控制室配置主机安装Winswitch软件，采用图形化界面，实现人来灯亮，人去灯灭的控制效果，实现整栋大厦的1-15层公共区域照明的自动控制，实现整个大厦的节能，自动控制。2016年被英国卫报评选为世界新七大奇迹之一的北京大兴国际机场已于2019年竣工交付使用。其大厅建筑采用了由国内GVS广州视声提供基于KNX技术的K-BUS智能建筑控制系统，特点是兼容性高、扩展性优秀，采用4路及12路带电流检测开关执行器。根据欧洲安全标准设计的大功率开关设备，对通道电流和功率进行测量，监控通道电流和设备总电流，并采用时间控制、集中平台控制等多种高精度、多终端的控制手段，实现了整个站坪区域的自主节能及可视化集中控制管理。据统计，与首都国际机场相比，大兴国际机场室内核心区灯具减少75%以上，节能预估达40%以上32。通过对KNX技术在国内外研究现状、产品发展和应用市场的调研分析，我们可以得知KNX技术既有很多优点也有一些不足。KNX技术优点有：（1）KNX协议是目前全球智能家居、楼宇自动化建筑领域唯一的开放式国际标准。自1999年EIBA、EHSA、Batibus三大标准统一改为KNX以来，KNX总线协议已发展为欧美和中国的国家标准，得到了市场考验，展现了KNX技术产品的市场可靠性。（2）因为KNX技术的兼容性强，几乎与系统内的全部设备兼容，因此可以把KNX总线形容为“高速公路”，总线上的设备是“高速公路上行驶的车辆”，任何总线设备都可以在KNX这条“高速公路”上畅行无阻，不存在排他性问题。（3）KNX技术的稳定性强，与RS485总线相比更适合大系统，目前已经逐渐替换RS485总线，被广泛应用于办公楼大厦、航站楼、商业综合体等领域。（4）KNX技术在安全防护方面工作也具有领先水平。KNX Security（安全协议）已广泛应用于大多数KNX制造商的产品中，从硬件、软件等方面对建筑系统实现过程中可能出现的黑客、网络病毒等进行隔断和预防，充分保障KNX技术的安全稳定性。KNX技术的不足：（1）国内关于KNX技术的研究起步比较晚，KNX技术核心仍掌握于国外，KNX产品的关键控制芯片主要由国外几家大公司如西门子、欧司朗等公司生产。由于控制芯片在开发时已固定了KNX协议标准，所以国内开发者对应用模块设计非常有限，导致KNX总线产品价格居高不下，难以在国内市场全面普及。（2）KNX目前主要应用于有线设备，与无线相比，其数据传输速率比较慢，例如双绞线TP1传输速率只有9600bit/s，但KNX通信控制模块设计了网关接口，可以与其他网关协议转换，扩展了应用功能。网关设计是目前国内外对KNX技术的研究方向。综上，KNX技术作为总线协议是一种优于其他总线协议的国际化标准协议，目前主要应用于国内的大型公建项目，其不足是价格比较贵。国内已逐步对KNX协议栈进行了深入研究，自主研发了一部分KNX产品，降低了产品成本。随着人们对节能环保、品质生活的需求，KNX技术在未来智能家居和楼宇建筑自动化控制领域仍有很大需求。由此可知，对KNX的研究设计仍有巨大的价值和现实意义。因此，本文结合工作实际，针对照明系统的需求，将设计一套基于KNX技术的通信控制系统，应用于某写字大楼的办公照明系统，可根据办公情景，实现照明系统的自动开关和调光控制，并且通过照度传感器自动采集光照度数据，进行信号处理后反馈给通信控制器模块作为后续的节能评估分析，并通过节能控制策略方法进一步研究照明系统的节能效益。本文设计的系统将采用理论和实践相结合的方法，首先对KNX协议模型和通信机制理论进行深入的研究，在此基础上完成KNX功能类总线设备的开发设计，主要是传感器和执行器两类设备的设计，可实现数据的采集、开关和调光控制功能。通过系统调试后将设计的控制功能板实施应用于某办公环境的实际照明系统，并对实际照明系统的节能数据进行研究，与市面上其他KNX产品既有区别并发挥自主设计的差异化优势。本文将侧重于对KNX技术的协议模型、通信机制和应用模块中的用户应用程序软件设计，并对后续采集的照明数据进行节能研究，对照明系统的控制算法进行优化。1.3 研究内容与全文结构1.3.1 研究内容本文将设计一套基于KNX总线技术的通信控制系统，应用于某写字大楼的办公环境照明系统上，可实现楼宇建筑照明系统的自动开关和调光控制，并对照明系统的光照度数据进行采集，用于对系统进行节能分析以及对系统实施节能控制策略的优化研究。因为KNX总线根据传输介质可以分为总线电缆（双绞线电缆 TP）、电力线(PL)、无线射频RF（868 MHz）和以太网（IP），本文拟采用双绞线(TP1)作为总线传输介质。由于双绞线总线与220V电力线是绝缘的，所以双绞线作为KNX 系统的总线通信介质保证了系统使用的安全性。该KNX通信控制系统主要由硬件平台和软件平台组成。硬件平台主要包括三个板块：传感器采集板、执行器驱动板和系统辅助平台。传感器采集板主要由BCU和采集电路构成，主要完成光照度的检测，并将模拟信号A/D转化为数字信号，由BCU的通信控制器模块进行信号处理（消息报文的封装）后，通过总线收发器模块发送到总线（第二章将详细介绍）。执行器驱动板主要由BCU和驱动电路构成，主要完成LED灯的开关、调光和场景控制，执行器BCU的总线收发器模块接收到总线相关消息报文后，通过通信控制器模块进行信号处理（消息报文的解析），A/D转化为模拟信号，对驱动电路进行控制，驱动LED完成相关指令驱动。系统辅助平台主要包括KNX总线电源、USB接口连接PC上位机等系统辅助类设备。KNX电源是KNX系统需要外部提供安全性特低电压（SELV）作为 KNX驱动的电源，最高电压为29V。KNX电源应符合DIN EN50090的规定，带有防过流和防短路措施。PC上位机主要用于系统参数配置和传感器采集板和执行器驱动板的通信功能配置以及用于KNX终端监控功能和通信数据分析功能。系统的软件平台主要是对传感器采集板和执行器驱动板的AM应用模块的用户应用程序进行设计和编程，主要包括用户主程序、用户应用程序和掉电保护程序三种程序，以及使用KNX专门软件工具ETS软件对设计的传感器采集板和执行器驱动板的功能参数进行系统配置和功能测试。因为KNX的通信协议是在OSI七层协议基础上简化为五个层级，即：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，所以本文的软件平台将按照此协议模型进行软件开发设计，主要使用到ETS软件和程序编程软件。核心是使用下载的ETS软件分别对传感器采集板和执行器驱动板进行数据库导入、组地址和物理地址的设置以及应用功能的调试。最后将设计开发的KNX通信控制功能板应用于某写字大楼的办公环境照明系统上，根据办公环境的场景需要，实现照明系统的自动开关和调光控制，系统可以有效地采集照明的照度数据，并对其进行信号处理后作为节能数据进行反馈。为对收集到的照明数据进行节能方面的深入研究，本文在已调试的KNX控制照明系统基础上进行节能控制策略的研究，对节能控制算法进行创新，设计了一种模糊BP神经网络控制算法，并分析了该照明系统实施模糊BP控制算法后的节能效果。1.3.2 全文结构全文共分为五章，结构安排如下:第一章：绪论。介绍了基于KNX总线技术的研究背景和目的，对KNX技术的研究现状和产品应用进行总结，主要是从KNX总线技术的协议和产品两方面对KNX总线技术在国内外的发展和应用进行市场调研，分析了KNX总线技术的优势及不足和当前的研究价值，最后提出了本文的研究内容和设计方向。第二章：系统分析与整体设计。首先对照明系统进行了需求分析，针对照明系统的功能化、人性化和节能化等三大需求以及传统照明技术的不足，本文以办公环境照明系统作为研究对象，提出了基于KNX技术的改善办公环境照明系统方案。接着全面介绍KNX技术的工作原理、拓扑结构、总线设备构造、协议模型、通信机制等功能模块。其中协议模型和通信机制是KNX实现通信控制功能的核心内容。最后根据照明系统需求和KNX技术原理知识，完成了系统的整体设计方案。第三章：系统设计与功能开发。本章基于KNX的协议模型和通信机制，对第二章的整体设计方案进行系统设计。主要介绍了KNX通信控制系统的硬件平台和软件平台设计。本章按照KNX的BCU-AM结构模型，使用KNX设计工具分别完成了传感器采集板和执行器驱动板的设计，并进行相关功能测试。其中传感器采集板和执行器驱动板都是选用了低成本、高性能的8位内核Atmega64作为BCU的通信控制器模块。选用了NCN5120作为传感器采集板BCU的总线收发模块，选用BH1750FVI作为传感器控制芯片，通过用户应用程序的设计，下载调试，完成了采集电路的设计，实现数据采集功能。选用FZB1066作为执行器驱动板BCU的总线收发器模块，选用GL8211作为驱动电路的控制芯片，通过分析功能板的通信对象、组地址和关联表之间关系，设计了相应的用户应用程序，实现了开关、调光和场景控制功能。第四章：系统应用与节能研究。将第三章设计的传感器采集板和执行器驱动板实施应用于实际的办公环境照明系统，主要完成系统的软硬件搭建和通信对象、地址表、关联表的关系处理，并通过PC上位机下载ETS软件工具完成系统的物理地址、组地址配置，以及通信对象表、地址表和关联表等参数配置，并分析照明系统的通信控制状态。为了对照明系统的节能进行深入研究，本文设计了一种模糊BP神经网络的控制算法实施于照明系统，分析了控制算法对照明系统的节能效果和KNX应用价值。第五章：总结与展望。主要是对本文的研究技术和应用成果进行总结和分析，针对KNX技术在研究开发设计过程中与在实际的项目实施应用中存在的不足和问题，提出了今后仍需要进一步提高和努力的方向。第二章 系统分析与整体设计第二章 系统分析与整体设计建筑物的照明系统，特别是办公和居家场所的光环境与人们日常工作和生活的健康及舒适度关系密切。随着现代建筑行业的发展，与之配套的照明系统也变得日益复杂，仅靠传统的照明技术，单纯的开关控制显然无法满足人们对照明系统更高的光环境需求。针对建筑物照明系统的功能化、人性化和节能化这三大需求以及传统照明技术的不足，本文提出了基于KNX技术的改善照明系统解决方案。利用KNX技术的控制功能，可实现照明系统自动开关、调光和场景控制的功能需求；通过改变传统人工手动控制方式，可满足人性化需求；通过实施节能控制策略可实现节能化需求。2.1 照明系统需求分析照明系统是根据人们对光环境的需求，将照明技术与光源技术、电气技术、微电子技术、微计算机控制技术、自动控制技术、通信及网络技术综合考虑，通过选择灯具和照明方式，充分利用天然光补偿和自动调光功能以及实施科学的节能控制策略，达到控制光环境的目的33。随着人们生活质量的改善，在对人们日常办公和居家的照明系统进行设计时不仅要求熟悉国内外的设计规范，更需要对照明环境中人们的行为习惯和心理需求有相当程度的了解，并对不同照明区域的不同定位和运维管理成本有一个综合考量。照明系统中通常存在灯具老化和设计不合理两种问题，本文针对照明设计不合理问题对照明系统的需求进行归纳总结，主要有三方面。（1）功能化需求（Functional requirement）。这是照明系统最基本的要求，也就是在满足建筑照明设计标准 GB50034-2013要求基础上，对照明系统的不同区域、不同时段应满足功能差异化的照明光环境需求34。建筑照明系统的标准如表2-1所示。表2-1 建筑照明系统设计标准房间或场所参考平面和高度（m）光照度标准值（lux）办公大厅地面0200服务台水平面0.75200办公室、会议室水平面0.75300休息室地面0100电梯间、厕所、走道地面0100（2）人性化需求（Human-centric requirement）。建筑照明区域的活动主体是人，因此照明系统设计应充分考虑人的行为因素，如通过设计合理的位置、美观并易于操作的控制面板等。在大厅、电梯间、厕所等公共区域，应设置场景控制，实现人走灯灭的效果。而对于办公照明环境，应可根据人流量和自然光的因素实现分区和分时控制。（3）节能化需求（Energy-saving requirement）。由文献2可知，我国2018年建筑能耗报告中提到，以单位面积能耗角度，公共建筑能耗强度最大，为30.11Kgce/m2，是城镇居建的2.5倍。其中公共建筑能耗中以电能耗为最大，达62.74Kwh/m2。如图2-1所示。由此可见，建筑照明系统节能问题将是我国面临的严峻问题，并有增长趋势。因此对照明系统的设计也应尽可能满足节能化的需求。图2-1 2016年我国建筑能耗强度和建筑耗电（左：建筑能耗；右：建筑电力能耗）我国为了实现建筑能源的可持续性发展，2013年在建筑照明设计标准 GB50034-2013中对照明的功率密度进行了限值和目标值规定。如表2-2所示。因此设计者对照明系统进行设计时应尽可能在此基础上进行优化。 表2-2 建筑照明系统功率密度限值和优化目标值房间或场所光照度标准值（lux）照明功率密度限值（W/m2）现行值目标值办公大厅2006.55.5服务台2009.08.0办公室、会议室30015.013.5休息室1004.54.0电梯间、厕所、走道1005.04.52.2 传统照明技术不足照明系统的传统控制方式一般是直接将开关接入220V的市电，采用人工手动的控制方式，如图2-2所示。这样的控制方式比较简单，一般需要人工手动完成灯光的开闭。根据传统照明控制方式特点，我们可以了解到，传统照明技术控制方式单一，只能解决简单的开关、明暗效果，大多数需要采取人工手动开闭开关，无法实现开关自动控制，满足不了人们对现代办公和居家照明光环境的三大需求，也无法解决通过光环境带来丰富的品质体验与良好的光照环境问题4。传统照明技术虽然可以采用定时器或光控器，让不同区域以预定状态亮灭，但是无法实现实时控制，不便于集中监控和管理，这样经常会造成出现故障无法及时维修，增加了额外的管理成本5,6。图2-1 传统照明系统开关控制针对照明系统的功能化、人性化和节能化这三大需求以及传统照明技术的不足，国内外不少学者进行了相关研究，主要有三方面。（1）选择节能灯具创新。灯具因其材料具有节能特质，是节能控制技术创新之一，因为不同发光材料节能效果不同，所以系统选择灯具时要选取合适的灯具材料。例如，国内学者张立萍等人在对LED灯具研究时，采用了蚁群控制策略控制方法，对城市照明的大型系统实现了节能效果35。国外学者Elinspornd JA早期分别对LED灯和荧光灯的光通量进行研究，表明了LED的高效节能性36。（2）照明控制方式创新。在原系统电路上增加控制模块，进行节能改造，改造照明控制方式,增强照明系统的节能效果。例如在楼道上安装红外线检测技术，有人靠近，自动开灯；没人情况，自动关闭，实现节电效果。国内学者吴起行等人，对LED的驱动方式进行改造，实现了节能控制37。国外学者Mateja TL采用模糊逻辑的控制方式，改善了室内光照环境38。 （3）天然光补偿和自动调光创新。充分利用室内的天然光进行光照补偿，根据室内光照情况自动调节光照度，既满足室内照明需求, 并实现节能效果。国外学者Verderber RR于1989年研究了天然光对办公环境的照度补偿，节约了70%的能耗39。国内学者丁新东对室内天然光的光通量研究，提出了人工调光与自动调光结合的模型40。本文立足工作实际，以办公环境照明系统为研究对象，基于KNX技术对建筑物照明系统的三大需求提出了一种改善办公照明系统的解决方案。通过创新照明控制方式，拟设计一套基于KNX技术的照明控制系统，充分利用天然光补偿，实现自动调光和场景控制，并采用一种模糊算法和BP神经网络深度学习结合的控制方法进行节能控制41,42。KNX控制技术如图2-3所示。图2-3 照明系统应用KNX总线控制技术首先，KNX是一种总线协议技术，具有与其他系统安全兼容性和互操作性，可以对照明系统的各类设备进行关联，实现系统的通信网络控制。然后，将KNX技术应用于照明系统，利用KNX的通信控制功能，可实现照明系统的自动开关、调光和场景控制，满足照明系统的功能化和人性化需求。最后，在KNX技术基础上，通过实施分区和分时的节能控制策略和系统优化，可有效降低管理成本和能耗浪费，满足照明系统的节能化需求。基于KNX技术对照明系统进行技术创新，有很多优势，例如KNX安装简单，经济和易于编程。KNX产品界面具有舒适性，便利性，安全性和较低的能源需求。下面对KNX技术进行全面分析。2.3 KNX控制技术分析2.3.1 KNX工作原理KNX控制技术是通过一条总线将总线上全部分散的设备连接起来、并通过分组赋予每个具有功能类的总线设备不同功能，形成一个通信控制系统。KNX系统是一种基于事件控制的分布式总线型系统，也就是当总线上有事件发生时或者设备需要传输信息时，与之相对应的设备才将通信报文发送到总线上，系统采用串行数据通信方式进行控制、监测和状态报告。KNX总线设备及其电源与系统的数据传输共用同一条电缆，数据传输的消息报文调制在直流信号上，虽然一个报文中的单个数据是异步传输的，但整个报文是通过增加起始位和停止位作为一个整体实现同步传输。KNX技术的工作原理如图2-4所示。图 2-4 KNX总线技术工作原理由图2-4可知，KNX总线在布线方面与230V电线并排，但两者是绝缘的，所以可认为KNX系统是一种以弱电控制强电的控制系统。系统主要有总线(KNX Bus)、总线设备（Bus Device）和总线电源(KNX Power Souce)等。KNX系统的传输信息介质主要有4种类型：双绞线电缆TP（Twist Pais）、电力线PL（Power Line）、红外线或射频RF（Radio Frequency）和以太网IP（Internet Protocol）。其中后面2种为无线通信介质。根据介质不同，可以分成三种KNX系统：双绞线电缆系统、电力线系统和无线系统。如表2-3所示。表2-3 KNX通信传输介质KNX通信介质双绞线（KNX TP）电力线（KNX PL）射频（KNX RF）以太网（KNX IP）传输速率9600bit/s1200bit/s868 MHz25mW16.38kbit/s由图2-4可知，KNX总线设备主要有输入设备和输出设备。总线上的按钮、开关面板、传感器等属于输入设备。总线上的执行器、负载灯具、驱动器等属于输出设备。总线设备如果按功能分类可以分为功能类设备和系统辅助类设备。系统辅助类设备包括总线电源、总线耦合器和扼流器等，这类设备一般不具有通信控制功能。功能类设备主要包括传感器（Sensor）和执行器（Actuator）两类，具有通信控制功能。其中传感器类设备是那些可以感知外界环境变化信息，并可将其转化成总线通信处理信号的设备，如移动探测传感器、温湿度传感器、光照度传感器和PM2.5传感器等。执行器类设备主要用于控制系统的末端输出，如开关控制模块、调光控制模块、窗帘和风机控制模块等。传感器和执行器类设备都具有通信控制功能，是因为设备里集成了通信控制模块。该通信控制模块主要由总线耦合单元BCU（Bus Coupling Unit）和应用模块AM（Application Module）构成，如图2-5所示42。图2-5 功能类总线设备的构造原理图由图2-5可知，通信控制模块BCU与总线直接相连与交互，而AM属于总线设备的功能模块，负责该总线设备的功能设计与应用。BCU和AM之间通过物理外部接口PEI（Physical External Interface）相连接，实现总线与用户应用模块的交互。图2-6 KNX的BCU/BAU的结构示意图BCU总线耦合单元本质上是一种特殊的总线访问单元BAU（Bus Access Unit）。目前市面上有多种BAU，如BCU（Bus Coupling Units）、BIM（Bus Interface Module）、SIM（Serial Interface Module）、Chip-set、TPUART、BAOS（Bus Access And Obiect Server）等44。本文主要研究BCU类型。BCU可以实现总线数据的发送、接收和存储功能，主要是因为内部集成了总线收发器模块和通信控制器模块。如图2-6所示。根据KNX总线协议要求，BCU通信控制器模块本质是BCU芯片。BCU在开发设计时，其内部ROM固化了KNX系统程序，但预留了可编程的EEPROM空间。BCU的芯片目前主要由国外Siemens西门子、OS意法公司等几家公司开发设计，所以实际上用户对BCU开发时主要是开发了EEPROM空间。其中收发器模块和通信控制器模块的功能如表2-4所示。表2-4 收发器模块和通信控制器模块的功能收发器模块功能通信控制器模块功能将总线的电能和数据信号分离自动运行系统程序发送和接收通信控制器模块的处理信号运行存储于EEPROM的用户应用程序提供5V、24V电压通信控制器和AM模块存储用户应用程序参数、用户应用程序于EEPROM监测总线电压，并由此产生复位信号提供PEI接口，实现应用模块的硬件连接由BCU内部结构可知，总线设备需要处理的数据信息（消息报文和应答，后面小节介绍）首先经过总线送到BCU，这些消息报文一般包括：物理地址、一个或多个组地址、应用程序和相关参数。BCU的通信控制器负责协调总线设备的各项功能，当出现故障或电源失效时，总线设备会进入预先设置好的应对状态，消息报文则保存在总线设备中。当故障排除或电源恢复后，总线设备会进入预定的恢复程序状态。AM应用模块及其应用程序AP决定了总线设备的应用功能，也是开发人员研究的重点，其可以实现传感器与执行器在总线之间的交互。例如：传感器的应用模块可以将消息报文传送给BCU，BCU对这些消息报文进行编码，并将其发送至总线，总线发送给被指定的执行器，BCU也会在适当的间隙检查当前的应用模块状态。执行器的应用模块由BCU负责接收来自总线的报文，对它们进行解码，并将解码后的消息报文息传送给应用模块，对执行器上的驱动负载执行控制。由以上分析可知，BCU具有通信控制模块功能，其内部ROM已被固化，主要完成系统程序运行。BCU预留了一定容量的可编程EEPROM，所以用户无需自行设计KNX通信协议栈，只需将精力投入应用模块的设计和应用程序的编写即可，节约了开发时间。但从另一个角度分析，这也在本质上限制了用户开发，特别是对于国内的开发者。这是导致KNX产品价格一直居高不下的主要原因。本文主要研究功能类设备，其核心是BCU和AM，利用这两个模块开发可实现传感器和执行器相应功能的控制功能板，用于实现照明系统的开关、调光和场景控制以及照度数据的采集，降低了产品成本（详见第三章）。 2.3.2 KNX拓扑结构本文主要研究双绞线电缆系统（KNX TP1），双绞线电缆系统是采取一种对等分层结构系统。通过线路（Line）和区域（Area）进行结构分层，通过线路（Line）、支线（Branch Line）、主干线（Main Line）的耦合连接方式进行层次结构拓扑。线路（Line）简称“线”，是KNX系统的最小单元，其结构如图2-7所示：图2-7 KNX系统的线路（Line）线路在连接时分为主干线（Main Line）和支线（Branch Line），每条支线通过线路耦合器（LC）与主干线（Main Line）连接。主干线须安装一个总线电源，为该条线路上的所有设备提供工作电源。由于电源容量供应和设备耗电原因，每个线路最多包括4 条线段（Line Segment），每条线最多可接64台设备，而每条线总长度最多不超过1000米（m），并且每两个设备之间最长距离不超过700米（m），才能保证系统设备正常。一个线路最多可并联3个线路中继器（LR）。如果一个线段通过线路中继器（LR）扩展连接另外一个线段，那么这个线段也可达到1000m，并且每个线段应配备合适的KNX 电源。