【技术干货】提升智能建筑能源效率的KNX解决方案

艾睿电子 2023-08-31 14:47

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提升智能建筑能源效率的KNX解决方案

随着能源短缺问题日益严重，如何有效地利用能源，以更智能的方式提升能源的利用率，节约能源将会是智能建筑应用中的关键要素之一。KNX是一种用于商业和住宅建筑自动化的开放标准，本文将为您介绍KNX标准与应用的发展，以及支持KNX技术的相关解决方案。

成熟的商业和住宅建筑自动化开放标准

KNX是一种用于商业和住宅建筑自动化的开放标准，KNX设备可以用来管理照明、百叶窗和窗帘、暖通空调（HVAC）、安全系统、能源管理、音频视频、白色家电、显示器、远程控制等，将可提升智能建筑应用的整体性与便利性，并提升能源的利用效率。

KNX标准已经存在了几十年，是一项成熟的技术。KNX从三个早期标准发展而来，包括欧洲家庭系统协议（EHS）、BatiBUS和欧洲安装总线（EIB或Instabus）。它可以使用双绞线（树形、线形或星形拓扑结构）、电力线、射频（RF）或IP链路。在这个网络上，设备形成分布式应用并且尽可能紧密交互，这是通过具有标准化数据点类型和对象的互通模型实现的，对逻辑设备通道进行建模，该协议一直用于提高家庭和建筑物的能源效率。

KNX的广泛应用之一是房间自动化，中央控制组件不仅可以实现照明和遮阳等操作功能，还可以与安装在加热或冷却组件上的可用阀门相结合，实现单独的房间控制，例如KNX系统可以在窗户被开启时，通过发送通知来关闭HVAC，以避免能源的浪费。

KNX还允许连接各种能源计量表，人们可以通过密切监控数据，来发现过高的能源消耗来源，及早进行能源的控管，以避免浪费。事实上，一些KNX产品甚至允许在电路级进行分表计量，以更精准地掌握能源的消耗状况。

与此同时，支持KNX标准的产品制造商中有提供电池存储设备（其使用状态可以通过KNX监控），也有制造商利用KNX来控制家庭和充电站之间的连接，因此，KNX解决方案将成为太阳能逆变器、储能、电池管理系统（BMS）制造商的一个关键要素。

KNX市场的发展相当快速，主要的应用类别包括控制和连接、照明、能源管理、家庭娱乐、智能电器、安全等领域。依据统计数据显示，预计到2025年底，中国的智能家居市场规模将接近370亿美元，到2030年全球KNX产品市场规模则将在500亿美元左右，复合年增长率（CAGR）约为15.9%。

丰富的KNX产品提升能源的利用效率

目前市面上的KNX相关产品已经相当多样，像是支持KNX的能源计量表（电表、气表、水表或热表等）能够使您意识到能源的消耗状况，以了解该如何降低能源成本和提高机器和电气资产的能源效率，以更节能、更经济的方式来运行更智能的建筑。这些KNX设备能够提供长期数据记录，以便针对能源数据进行进一步的处理，只需使用KNX-IP路由（KNX-IP Router）及标准网络浏览器，便可以读出数据，深入了解能源消耗数据的状态，并可以进行远程诊断。

另一方面，太阳能电池板逆变器的KNX网关提供了一种简单的解决方案，可将所有相关数据从逆变器传输到KNX。它允许集成商利用完全集成的太阳能电池板逆变器进行能源管理，数据可用于优化能源消耗、监控、趋势或触发KNX系统中的特定操作。

此外，KNX还可应用于电池存储单元，通过将光伏系统产生的能源存储到电池存储单元中，可以用自产的清洁能源来满足每年约75%的能源需求，由于这种能源是在自家的屋顶上产生的，而不是来自外部能源供应商，因此它可以更独立地管理能源消耗，更完整的掌握能源的利用状况。

目前电动汽车已经成为汽车市场的发展趋势，通过KNX设备可以管理家中的充电桩，也可以当电动汽车在外面的充电站进行充电时，更精准地掌握电动汽车的能源消耗状态。

KNX在EN50491-12-2标准的基础上设计了各种功能块，以便在建筑物中的客户能源管理器和能源消费者／生产者之间交换数据，以便更能够掌握能源的消耗状态并进一步的处理，以避免能源的浪费。使用KNX对能源消耗有相当大的影响，由于商业和公共建筑的规模，大型建筑的投资回报当然比住宅建筑更快。然而，当能源成本越高，在家庭应用时的投资回报也就越显著。

相较于常规的智能建筑系统安装，每个功能都需要通过一根或多根电缆来实现，每个设备仅用于一种功能，如果需要更改功能，则必须更改物理安装。相较于KNX的安装，所有信息仅需一根电缆（总线）来进行传输，功能取决于编程方式，且可以在不改变安装的情况下改变功能，单一设备可以多重使用，在一个网络中可有超过65000台设备具有地址分配，拥有更多的应用优势。

带稳压器的微型KNX双绞线收发器

由ST推出的STKNX是用于KNX TP（双绞线）通信的收发器。器件采用小型封装，具有很少的外部组件，使KNX节点设计非常紧凑。器件具有一个简单的微控制器接口，可轻松替代基于分立组件实现的物理层。

STKNX器件具有两个集成稳压器，供外部应用使用，包括可选的3.3 V/5 V - 20 mA线性稳压器，和可调节的1 V至12 V - 150 mA高效率DC/DC降压型开关转换器。器件集成KNX总线电源提取器，支持高达30 mA的总线电流，可为外部器件供电并满足STKNX收发器的电力需求，同时器件还根据KNX规范限制总线电流转换速率。STKNX可确保与总线的安全耦合，并在总线电源过耗时，提供总线监控警告。

STKNX器件采用超薄小脚距4x4mm VQFNPN24封装，通过KNX认证、支持KNX TP1-256标准，可轻松连接微控制器（如STM32），是超小的系统解决方案，具有两个集成稳压器，供应用外部使用，无需晶振，工作温度范围为-40℃至+85℃。

STKNX器件结合STM32微控制器，可搭配合作伙伴TAPKO或Shufan KAIStack的KNX协议栈软件支持，在ST与TAPKO的密切合作下，共同开发STKNX器件，并通过KNX认证，可提供KNX双绞线应用的完整解决方案。

低功耗、成本优化的双无线电

KNX解决方案

在KNX无线连结应用方面，ST也推出KNX-RF多重解决方案，其中包括S2-LP与BlueNRG-2两款芯片，可成为同时支持KNX-RF与BLE的双无线电解决方案，搭配合作伙伴TAPKO的KNX-RF协议栈软件支持，可以支持更为便利的无线KNX应用的需求。

ST的S2-LP是一款高性能超低功耗射频收发器，适用于低于1 GHz频段的射频无线应用。它设计用于在433、512、868和920 MHz的免许可ISM和SRD频段中运行，但也可以编程为在413-479 MHz、452-527 MHz、826 MHz-958 MHz、904-1055 MHz频段等其他附加频率下运行。

S2-LP支持不同的调制方案，包括2(G)FSK、4(G)FSK、OOK和ASK，空中数据速率可编程为0.1至500 kbps。S2-LP可用于通道间隔低至1 kHz的系统，支持窄带操作。S2-LP远距离通信的射频链路预算高于140 dB，并满足适用于全球地区（包括欧洲、日本、中国和美国）的监管要求。

ST另外还推出BlueNRG-2蓝牙低功耗无线单芯片来与S2-LP搭配，BlueNRG-2是一颗具有超低功耗蓝牙BLE的SoC单芯片，符合Bluetooth标准规范。BlueNRG-2扩展了ST已有的BlueNRG系列蓝牙网络处理器的功能，内置有Cortex M0内核，可运行客户应用代码。

BlueNRG-2同时内部还包含了256KB的编程闪存、带有保持功能的24K静态RAM（分为2块，各12KB），以及SPI、UART、I2C等标准外设通信接口。另外，BlueNRG-2还配备了多功能定时器、看门狗、实时时钟和DMA控制器等诸多模块。

BlueNRG-2内部的ADC模块可与外部模拟传感器进行连接，也可读取内部电池电压传感器测量值，一个内置的数字滤波器可以用来处理外部的PDM数据流。BlueNRG-2具有同样出色的射频性能，内置的高效DC-DC转换器具有相同的超低功耗特性，同时改善了睡眠模式下的功耗，能够进一步延长实际应用中电池的使用寿命。

ST在与TAPKO的密切合作下，将S2-LP、BlueNRG-2与KAIStack KNX协议栈软件相搭配，通过了KNX认证，双无线电解决方案可满足应用在低功耗与成本优化上的需求。

ST针对KNX应用，推出了多款通过认证的芯片组，包括上述的STKNX与STM32的双绞线芯片组，以及S2-LP与BlueNRG-2的KNX RF结合BLE的芯片组，也可以另外将S2-LP与STM32相搭配，成为支持KNX RF的芯片组，并可搭配TAPKO、南京数帆、麦克方程的协议栈软件，来满足有线与无线的KNX应用需求。

结语

KNX在能源效率方面有着出色的记录，近年来的技术扩展，也允许它扩展到使用KNX技术来增强能源管理目的。KNX能源管理是一种主动方法，其目标是在任何给定时间期间，能够根据用户的需求提供优化的能源使用，让人们能够打造出更为环保的环境，KNX将成为智能建筑能源应用中扮演重要的角色。本文介绍的ST有线与无线KNX解决方案，将能够满足KNX应用的多样化需求，加快客户KNX产品的开发速度，以抢占智能建筑能源应用的广大商机。