KNX
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| 國際標準 | EN 50090、ISO/IEC 14543 |
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| 使用於 | 楼宇自动化 |
| 官方网站 | https://knx.org |
KNX是面向商用与住宅楼宇自动化的开放标准（参考EN 50090、ISO/IEC 14543）。KNX设备可管理照明、百叶窗与卷帘、HVAC、安防系统、能源管理、音视频、家用电器、显示屏、远程控制等系统。KNX由三项早期标准演进而来：欧洲家庭系统协议（EHS）、BatiBUS以及欧洲安装总线（EIB，又称Instabus）。
KNX可使用双绞线（采用树型、线型或星型拓扑）、电力载波、RF或IP链路组网。网络中的设备构成分布式应用，可实现紧密交互。该特性通过具备标准化数据点类型与对象的互操作模型实现，对逻辑设备通道进行建模。
标准
[编辑]KNX标准建立在基于OSI模型的EIB通信栈之上，融合了BatiBUS与欧洲家庭系统协议（EHS）的物理层、配置模式与应用经验。
KNX系统可采用多种物理通信介质：
- 双绞线布线（TP1线缆），继承自EIB标准（此前继承自BatiBUS的TP0通信介质已不再纳入KNX规范）。
- 电力载波组网，继承自EIB标准（此前继承自EHS的PL132通信介质已不再纳入KNX规范）。
- 射频（KNX-RF）
- IP（又称EIBnet/IP或KNXnet/IP）
KNX不依赖特定硬件平台，网络控制器可根据建筑需求选用从8位微控制器到个人计算机的各类设备。最常见的安装方式为双绞线介质。
KNX已获得以下机构的标准认证（包括但不限于）：[1]
该标准由KNX协会（一家依据比利时法律设立的非营利组织）管理，成立于1999年。截至2021年7月1日，KNX协会拥有来自45个国家的500家注册软硬件厂商会员，与172个国家的10万家安装企业达成合作协议，并设有超过500家注册培训中心[2]。KNX是免版税的开放标准，规范文本可自由获取[3]。
架构
[编辑]KNX设备通常通过双绞线总线连接，可通过控制器进行配置。总线与供电线路平行敷设，连接网络中的所有设备与系统：[4]
- 传感器（如按钮、恒温器、风速计、运动探测器）采集信息，并以数据报文形式发送到总线上；
- 执行器（调光单元、供暖阀门、显示屏）接收数据报文并转换为相应动作；
- 控制器与其他逻辑单元（房间温度控制器、百叶窗控制器等）；
- 系统设备与组件（如线路耦合器、主干耦合器）。
将设备简单划分为“传感器”或“执行器”已过于简化。许多执行器兼具控制器功能与传感功能（例如统计运行时长、开关次数、电流、功耗等参数）。
应用软件、系统拓扑与调试软件通过系统接口组件加载到设备中。已安装的系统可通过局域网、点对点链路或电话网络访问，实现计算机、平板电脑、触屏与智能手机的集中或分布式控制。
KNX架构的核心特点包括：
- 面向楼宇自动化各类任务的互操作与分布式应用模型；
- 网络资源的配置与管理方案，支持分布式应用的不同组件在不同节点间绑定；
- 具备消息协议的通信系统，以及每个节点中的通信栈模型（可承载分布式应用，即KNX通用内核）；
- 实际设备开发与安装部署时的落地实现模型。
应用、互操作与绑定
[编辑]KNX架构的核心概念是数据点（包括输入、输出、参数与诊断数据），代表系统中的过程与控制变量。这些数据点的标准化容器为组对象与接口对象属性。通信系统提供精简的指令集用于读写数据点值。数据点必须符合标准化的数据点类型，数据点类型又归类为功能块。这些功能块与数据点类型对应不同应用领域，部分为通用类型（如日期与时间）。数据点可通过单播或组播机制访问。
为实现网络中应用数据点的逻辑关联，KNX定义了三种基础绑定方案：自由绑定、结构化绑定与标记绑定：
- 自由绑定：不预设数据点之间的连接关系，结合自由寻址可支持数据点级别的自定义组播，是S模式配置的核心（见下文）；
- 结构化绑定：KNX规范规定了整组数据点关联的精确模式，通常对应一个功能块或通道（按钮模式即遵循该概念）；
- 标记绑定：同样由应用模型预定义结构，但地址数值本身是数据值的一部分。
内核与消息协议
[编辑]通用内核位于物理层与介质专用数据链路层之上，为KNX网络中所有设备共享，符合OSI七层模型：
- 通用数据链路层：位于各介质专用数据链路层之上，提供访问控制与逻辑链路控制；
- 网络层（具备路由功能的节点）：提供分段确认报文，控制帧的跳数；
- 传输层：支持四种通信模式：一对多无连接（组播）、一对所有无连接（广播）、一对一无连接、一对一面向连接；
- OSI会话层与表示层为空；
- 应用层：为应用进程提供服务工具集。
配置模式
[编辑]系统需要在网络拓扑层面与单个节点/设备层面进行配置。第一阶段为前置条件或“引导”阶段，在分布式应用配置（即绑定与参数设置）之前完成。配置可通过设备本地操作（如按下按钮）与总线上的主动网络管理通信（对等模式，或更集中的主从模式）结合实现。
KNX配置模式的作用包括：
- 选定配置与绑定方案；
- 映射到对应的寻址方案；
- 选择管理流程与配套资源实现方案。
部分模式需要更多的总线主动管理，另一些则侧重本地配置。KNX设备分为三类：
- A模式（自动模式）：设备可自行配置，终端用户即可安装；
- E模式（简易模式）：安装需基础培训，设备行为已预编程，但配置参数可根据用户需求调整；
- S模式（系统模式）：可用于构建复杂的楼宇自动化系统，无默认行为，必须由专业人员编程与安装。
KNX包含项目工程工具，用于将独立设备连接为可运行系统，以及集成不同介质与配置模式，具体体现为工程工具软件（ETS）套件。
设备
[编辑]KNX系统始终由一组连接到总线或网络的设备组成。设备模型根据节点角色、功能、管理特性与配置模式各有不同，均在配置文件中定义。此外还有通用设备模型，如总线耦合单元（BCU）或总线接口模块（BIM）。
设备可通过独立地址或唯一序列号在全网中被识别与访问，具体取决于配置模式（唯一序列号由KNX协会认证部门分配）。设备在被查询时，还可返回厂商特定标识与功能信息（与厂商无关）。
拓扑与寻址
[编辑]KNX有线网络可采用树型、总线型和星型拓扑，可按需混合使用；**不支持**环型拓扑。大型安装推荐采用树型拓扑。
KNX使用16位地址，最多可连接57375台设备。
- 低8位地址支持单条线路最多256个地址；一条线路可包含最多4个网段，每个网段最多64台（TP1-64）或256台（TP1-256）设备。每个网段需配备本地电源，网段最大长度为1000米（实际支持设备数量取决于电源供电能力与单台设备功耗）。通过线路中继器连接的网段总长可达4000米，最多连接256台设备。
- 多条线路可组成一个区域，最多15条线路通过线路耦合器连接到主干线。地址的高4位用于识别不同线路。
- 整个域可由15个区域通过主干线路与主干耦合器连接组成，地址空间的最高4位用于标识区域（主干线与主线路上不可使用线路中继器）。
耦合单元支持地址过滤，在总线信号速率有限的情况下可提升性能。基于KNXnet/IP的安装可通过IP集成KNX子网，因为KNX地址结构与IP地址结构相似。
物理层
[编辑]TP 1
[编辑]TP1双绞线总线继承自EIB，提供异步、面向字符的数据传输与半双工双向差分信号传输，信令速率为9600 bit/s。介质访问控制采用CSMA/CA机制，所有总线用户享有平等的数据传输权限，数据在总线用户间直接对等交换。总线同时为低功耗设备提供SELV供电。另有已废弃的TP0规范，传输速率为4800 bit/s，继承自BatiBUS标准，但KNX产品无法与BatiBUS设备交换信息。
PL 110
[编辑]PL 110电力线传输采用扩频移频键控信令，支持异步数据包传输与半双工双向通信。中心频率为110 kHz（CENELEC B频段），数据速率为1200 bit/s，同样采用CSMA机制。KNX电力载波技术面向智能白色家电，但市场接受度较低。另有PL 132变体，载波中心频率为132.5 kHz（CENELEC C频段）。
RF
[编辑]射频模式工作在868.3 MHz频段，采用频移键控调制与曼彻斯特编码。
IP
[编辑]KNXnet/IP使用3671端口，可集成支持IP的介质，如以太网（IEEE 802.2）、蓝牙、Wi-Fi（IEEE 802.11）、火线（IEEE 1394）等。
帧格式
[编辑]忽略介质专用访问与冲突控制的前导码，帧格式通常如下：
| 字节 | 作用 |
|---|---|
| 0 | 控制字段 |
| 1 – 2 | 源地址 |
| 3 – 4 | 目的地址 |
| 5 | 地址类型 | NPCI | 长度 |
| 6 – 7 | 传输层协议信息 | 应用层协议信息 | 数据/APCI |
| 8 – N-1 | 数据 |
| N ≤ 22 | 帧校验 |
安全
[编辑]2013年起开发的协议扩展支持KNX报文签名与加密，包括面向传统KNX介质（TP与RF）的KNX Data Secure，以及面向IP隧道KNX报文的KNX IP Secure。KNX Data Secure于2018年成为欧洲标准（EN 50090-3-4），KNX IP Secure于2019年成为ISO标准（ISO 22510）。
符合性
[编辑]任何带有KNX商标的产品都必须经过授权第三方实验室的标准符合性认证（确保与其他设备互操作）。所有带有KNX标识的产品均可通过通用接口，使用与厂商无关的ETS软件进行编程。
相关條目
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参考文献
[编辑]- ^ What is KNX?. National KNX Norway. [2018-07-07]. （原始内容存档于2015-09-25）.
- ^ 当前厂商列表可参见knx.org：KNX Community.
- ^ KNX Specifications. KNX.
- ^ 本节及后续章节内容整理自KNX System Specifications. v3.0. Architecture. KNX Association. 2013.
