【導(dǎo)讀】隨著能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，如何有效地利用能源，以更智能的方式提升能源的利用率，節(jié)約能源將會(huì)是智能建筑應(yīng)用中的關(guān)鍵要素之一。KNX是一種用于商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，本文將為您介紹KNX標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用的發(fā)展，以及支持KNX技術(shù)的相關(guān)解決方案。
成熟的商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)
KNX是一種用于商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，KNX設(shè)備可以用來(lái)管理照明、百葉窗和窗簾、暖通空調(diào)（HVAC）、安全系統(tǒng)、能源管理、音頻視頻、白色家電、顯示器、遠(yuǎn)程控制等，將可提升智能建筑應(yīng)用的整體性與便利性，并提升能源的利用效率。
KNX標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)存在了幾十年，是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。KNX從三個(gè)早期標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來(lái)，包括歐洲家庭系統(tǒng)協(xié)議（EHS）、BatiBUS和歐洲安裝總線（EIB或Instabus）。它可以使用雙絞線（樹(shù)形、線形或星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）、電力線、射頻（RF）或IP鏈路。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)備形成分布式應(yīng)用并且盡可能緊密交互，這是通過(guò)具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)點(diǎn)類型和對(duì)象的互通模型實(shí)現(xiàn)的，對(duì)邏輯設(shè)備通道進(jìn)行建模，該協(xié)議一直用于提高家庭和建筑物的能源效率。
KNX的廣泛應(yīng)用之一是房間自動(dòng)化，中央控制組件不僅可以實(shí)現(xiàn)照明和遮陽(yáng)等操作功能，還可以與安裝在加熱或冷卻組件上的可用閥門相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的房間控制，例如KNX系統(tǒng)可以在窗戶被開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)發(fā)送通知來(lái)關(guān)閉HVAC，以避免能源的浪費(fèi)。
KNX還允許連接各種能源計(jì)量表，人們可以通過(guò)密切監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，來(lái)發(fā)現(xiàn)過(guò)高的能源消耗來(lái)源，及早進(jìn)行能源的控管，以避免浪費(fèi)。事實(shí)上，一些KNX產(chǎn)品甚至允許在電路級(jí)進(jìn)行分表計(jì)量，以更精準(zhǔn)地掌握能源的消耗狀況。
與此同時(shí)，支持KNX標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品制造商中有提供電池存儲(chǔ)設(shè)備（其使用狀態(tài)可以通過(guò)KNX監(jiān)控），也有制造商利用KNX來(lái)控制家庭和充電站之間的連接，因此，KNX解決方案將成為太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能、電池管理系統(tǒng)（BMS）制造商的一個(gè)關(guān)鍵要素。
KNX市場(chǎng)的發(fā)展相當(dāng)快速，主要的應(yīng)用類別包括控制和連接、照明、能源管理、家庭娛樂(lè)、智能電器、安全等領(lǐng)域。依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2025年底，中國(guó)的智能家居市場(chǎng)規(guī)模將接近370億美元，到2030年全球KNX產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模則將在500億美元左右，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）約為15.9%。
豐富的KNX產(chǎn)品提升能源的利用效率
目前市面上的KNX相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)多樣，像是支持KNX的能源計(jì)量表（電表、氣表、水表或熱表等）能夠使您意識(shí)到能源的消耗狀況，以了解該如何降低能源成本和提高機(jī)器和電氣資產(chǎn)的能源效率，以更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)運(yùn)行更智能的建筑。這些KNX設(shè)備能夠提供長(zhǎng)期數(shù)據(jù)記錄，以便針對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，只需使用KNX-IP路由（KNX-IP Router）及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，便可以讀出數(shù)據(jù)，深入了解能源消耗數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。
另一方面，太陽(yáng)能電池板逆變器的KNX網(wǎng)關(guān)提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案，可將所有相關(guān)數(shù)據(jù)從逆變器傳輸?shù)終NX。它允許集成商利用完全集成的太陽(yáng)能電池板逆變器進(jìn)行能源管理，數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化能源消耗、監(jiān)控、趨勢(shì)或觸發(fā)KNX系統(tǒng)中的特定操作。
此外，KNX還可應(yīng)用于電池存儲(chǔ)單元，通過(guò)將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能源存儲(chǔ)到電池存儲(chǔ)單元中，可以用自產(chǎn)的清潔能源來(lái)滿足每年約75%的能源需求，由于這種能源是在自家的屋頂上產(chǎn)生的，而不是來(lái)自外部能源供應(yīng)商，因此它可以更獨(dú)立地管理能源消耗，更完整的掌握能源的利用狀況。
目前電動(dòng)汽車已經(jīng)成為汽車市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)KNX設(shè)備可以管理家中的充電樁，也可以當(dāng)電動(dòng)汽車在外面的充電站進(jìn)行充電時(shí)，更精準(zhǔn)地掌握電動(dòng)汽車的能源消耗狀態(tài)。
KNX在EN50491-12-2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了各種功能塊，以便在建筑物中的客戶能源管理器和能源消費(fèi)者／生產(chǎn)者之間交換數(shù)據(jù)，以便更能夠掌握能源的消耗狀態(tài)并進(jìn)一步的處理，以避免能源的浪費(fèi)。使用KNX對(duì)能源消耗有相當(dāng)大的影響，由于商業(yè)和公共建筑的規(guī)模，大型建筑的投資回報(bào)當(dāng)然比住宅建筑更快。然而，當(dāng)能源成本越高，在家庭應(yīng)用時(shí)的投資回報(bào)也就越顯著。
相較于常規(guī)的智能建筑系統(tǒng)安裝，每個(gè)功能都需要通過(guò)一根或多根電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)設(shè)備僅用于一種功能，如果需要更改功能，則必須更改物理安裝。相較于KNX的安裝，所有信息僅需一根電纜（總線）來(lái)進(jìn)行傳輸，功能取決于編程方式，且可以在不改變安裝的情況下改變功能，單一設(shè)備可以多重使用，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可有超過(guò)65000臺(tái)設(shè)備具有地址分配，擁有更多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
帶穩(wěn)壓器的微型KNX雙絞線收發(fā)器
由ST推出的STKNX是用于KNX TP（雙絞線）通信的收發(fā)器。器件采用小型封裝，具有很少的外部組件，使KNX節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常緊湊。器件具有一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器接口，可輕松替代基于分立組件實(shí)現(xiàn)的物理層。
STKNX器件具有兩個(gè)集成穩(wěn)壓器，供外部應(yīng)用使用，包括可選的3.3 V/5 V - 20 mA線性穩(wěn)壓器，和可調(diào)節(jié)的1 V至12 V - 150 mA高效率DC/DC降壓型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。器件集成KNX總線電源提取器，支持高達(dá)30 mA的總線電流，可為外部器件供電并滿足STKNX收發(fā)器的電力需求，同時(shí)器件還根據(jù)KNX規(guī)范限制總線電流轉(zhuǎn)換速率。STKNX可確保與總線的安全耦合，并在總線電源過(guò)耗時(shí)，提供總線監(jiān)控警告。
STKNX器件采用超薄小腳距4x4mm VQFNPN24封裝，通過(guò)KNX認(rèn)證、支持KNX TP1-256標(biāo)準(zhǔn)，可輕松連接微控制器（如STM32），是超小的系統(tǒng)解決方案，具有兩個(gè)集成穩(wěn)壓器，供應(yīng)用外部使用，無(wú)需晶振，工作溫度范圍為-40℃至+85℃。
STKNX器件結(jié)合STM32微控制器，可搭配合作伙伴TAPKO或Shufan KAIStack的KNX協(xié)議棧軟件支持，在ST與TAPKO的密切合作下，共同開(kāi)發(fā)STKNX器件，并通過(guò)KNX認(rèn)證，可提供KNX雙絞線應(yīng)用的完整解決方案。
低功耗、成本優(yōu)化的雙無(wú)線電
KNX解決方案
在KNX無(wú)線連結(jié)應(yīng)用方面，ST也推出KNX-RF多重解決方案，其中包括S2-LP與BlueNRG-2兩款芯片，可成為同時(shí)支持KNX-RF與BLE的雙無(wú)線電解決方案，搭配合作伙伴TAPKO的KNX-RF協(xié)議棧軟件支持，可以支持更為便利的無(wú)線KNX應(yīng)用的需求。
ST的S2-LP是一款高性能超低功耗射頻收發(fā)器，適用于低于1 GHz頻段的射頻無(wú)線應(yīng)用。它設(shè)計(jì)用于在433、512、868和920 MHz的免許可ISM和SRD頻段中運(yùn)行，但也可以編程為在413-479 MHz、452-527 MHz、826 MHz-958 MHz、904-1055 MHz頻段等其他附加頻率下運(yùn)行。
S2-LP支持不同的調(diào)制方案，包括2(G)FSK、4(G)FSK、OOK和ASK，空中數(shù)據(jù)速率可編程為0.1至500 kbps。S2-LP可用于通道間隔低至1 kHz的系統(tǒng)，支持窄帶操作。S2-LP遠(yuǎn)距離通信的射頻鏈路預(yù)算高于140 dB，并滿足適用于全球地區(qū)（包括歐洲、日本、中國(guó)和美國(guó)）的監(jiān)管要求。
ST另外還推出BlueNRG-2藍(lán)牙低功耗無(wú)線單芯片來(lái)與S2-LP搭配，BlueNRG-2是一顆具有超低功耗藍(lán)牙BLE的SoC單芯片，符合Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。BlueNRG-2擴(kuò)展了ST已有的BlueNRG系列藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)處理器的功能，內(nèi)置有Cortex M0內(nèi)核，可運(yùn)行客戶應(yīng)用代碼。
BlueNRG-2同時(shí)內(nèi)部還包含了256KB的編程閃存、帶有保持功能的24K靜態(tài)RAM（分為2塊，各12KB），以及SPI、UART、I2C等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)通信接口。另外，BlueNRG-2還配備了多功能定時(shí)器、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和DMA控制器等諸多模塊。
BlueNRG-2內(nèi)部的ADC模塊可與外部模擬傳感器進(jìn)行連接，也可讀取內(nèi)部電池電壓傳感器測(cè)量值，一個(gè)內(nèi)置的數(shù)字濾波器可以用來(lái)處理外部的PDM數(shù)據(jù)流。BlueNRG-2具有同樣出色的射頻性能，內(nèi)置的高效DC-DC轉(zhuǎn)換器具有相同的超低功耗特性，同時(shí)改善了睡眠模式下的功耗，能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)實(shí)際應(yīng)用中電池的使用壽命。
ST在與TAPKO的密切合作下，將S2-LP、BlueNRG-2與KAIStack KNX協(xié)議棧軟件相搭配，通過(guò)了KNX認(rèn)證，雙無(wú)線電解決方案可滿足應(yīng)用在低功耗與成本優(yōu)化上的需求。
ST針對(duì)KNX應(yīng)用，推出了多款通過(guò)認(rèn)證的芯片組，包括上述的STKNX與STM32的雙絞線芯片組，以及S2-LP與BlueNRG-2的KNX RF結(jié)合BLE的芯片組，也可以另外將S2-LP與STM32相搭配，成為支持KNX RF的芯片組，并可搭配TAPKO、南京數(shù)帆、麥克方程的協(xié)議棧軟件，來(lái)滿足有線與無(wú)線的KNX應(yīng)用需求。
結(jié)語(yǔ)
KNX在能源效率方面有著出色的記錄，近年來(lái)的技術(shù)擴(kuò)展，也允許它擴(kuò)展到使用KNX技術(shù)來(lái)增強(qiáng)能源管理目的。KNX能源管理是一種主動(dòng)方法，其目標(biāo)是在任何給定時(shí)間期間，能夠根據(jù)用戶的需求提供優(yōu)化的能源使用，讓人們能夠打造出更為環(huán)保的環(huán)境，KNX將成為智能建筑能源應(yīng)用中扮演重要的角色。本文介紹的ST有線與無(wú)線KNX解決方案，將能夠滿足KNX應(yīng)用的多樣化需求，加快客戶KNX產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，以搶占智能建筑能源應(yīng)用的廣大商機(jī)。
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