【導讀】隨著(zhù)能源短缺問(wèn)題日益嚴重，如何有效地利用能源，以更智能的方式提升能源的利用率，節約能源將會(huì )是智能建筑應用中的關(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)放標準，本文將為您介紹KNX標準與應用的發(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)放標準
KNX是一種用于商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化的開(kāi)放標準，KNX設備可以用來(lái)管理照明、百葉窗和窗簾、暖通空調（HVAC）、安全系統、能源管理、音頻視頻、白色家電、顯示器、遠程控制等，將可提升智能建筑應用的整體性與便利性，并提升能源的利用效率。
KNX標準已經(jīng)存在了幾十年，是一項成熟的技術(shù)。KNX從三個(gè)早期標準發(fā)展而來(lái)，包括歐洲家庭系統協(xié)議（EHS）、BatiBUS和歐洲安裝總線(xiàn)（EIB或Instabus）。它可以使用雙絞線(xiàn)（樹(shù)形、線(xiàn)形或星形拓撲結構）、電力線(xiàn)、射頻（RF）或IP鏈路。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )上，設備形成分布式應用并且盡可能緊密交互，這是通過(guò)具有標準化數據點(diǎn)類(lèi)型和對象的互通模型實(shí)現的，對邏輯設備通道進(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的廣泛應用之一是房間自動(dòng)化，中央控制組件不僅可以實(shí)現照明和遮陽(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(mén)相結合，實(shí)現單獨的房間控制，例如KNX系統可以在窗戶(hù)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。
KNX還允許連接各種能源計量表，人們可以通過(guò)密切監控數據，來(lái)發(fā)現過(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。事實(shí)上，一些KNX產(chǎn)品甚至允許在電路級進(jìn)行分表計量，以更精準地掌握能源的消耗狀況。
與此同時(shí)，支持KNX標準的產(chǎn)品制造商中有提供電池存儲設備（其使用狀態(tài)可以通過(guò)KNX監控），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、儲能、電池管理系統（BMS）制造商的一個(gè)關(guān)鍵要素。
KNX市場(chǎng)的發(fā)展相當快速，主要的應用類(lèi)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。依據統計數據顯示，預計到2025年底，中國的智能家居市場(chǎng)規模將接近370億美元，到2030年全球KNX產(chǎn)品市場(chǎng)規模則將在500億美元左右，復合年增長(cháng)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)相當多樣，像是支持KNX的能源計量表（電表、氣表、水表或熱表等）能夠使您意識到能源的消耗狀況，以了解該如何降低能源成本和提高機器和電氣資產(chǎn)的能源效率，以更節能、更經(jīng)濟的方式來(lái)運行更智能的建筑。這些KNX設備能夠提供長(cháng)期數據記錄，以便針對能源數據進(jìn)行進(jìn)一步的處理，只需使用KNX-IP路由（KNX-IP Router）及標準網(wǎng)絡(luò )瀏覽器，便可以讀出數據，深入了解能源消耗數據的狀態(tài)，并可以進(jìn)行遠程診斷。
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)數據從逆變器傳輸到KNX。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，數據可用于優(yōu)化能源消耗、監控、趨勢或觸發(fā)KNX系統中的特定操作。
此外，KNX還可應用于電池存儲單元，通過(guò)將光伏系統產(chǎn)生的能源存儲到電池存儲單元中，可以用自產(chǎn)的清潔能源來(lái)滿(mǎn)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)自外部能源供應商，因此它可以更獨立地管理能源消耗，更完整的掌握能源的利用狀況。
目前電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢，通過(guò)KNX設備可以管理家中的充電樁，也可以當電動(dòng)汽車(chē)在外面的充電站進(jìn)行充電時(shí)，更精準地掌握電動(dòng)汽車(chē)的能源消耗狀態(tài)。
KNX在EN50491-12-2標準的基礎上設計了各種功能塊，以便在建筑物中的客戶(hù)能源管理器和能源消費者／生產(chǎn)者之間交換數據，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。使用KNX對能源消耗有相當大的影響，由于商業(yè)和公共建筑的規模，大型建筑的投資回報當然比住宅建筑更快。然而，當能源成本越高，在家庭應用時(shí)的投資回報也就越顯著(zhù)。
相較于常規的智能建筑系統安裝，每個(gè)功能都需要通過(guò)一根或多根電纜來(lái)實(shí)現，每個(gè)設備僅用于一種功能，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(xiàn)）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，單一設備可以多重使用，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可有超過(guò)65000臺設備具有地址分配，擁有更多的應用優(yōu)勢。
帶穩壓器的微型KNX雙絞線(xiàn)收發(fā)器
由ST推出的STKNX是用于KNX TP（雙絞線(xiàn)）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節點(diǎn)設計非常緊湊。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)現的物理層。
STKNX器件具有兩個(gè)集成穩壓器，供外部應用使用，包括可選的3.3 V/5 V - 20 mA線(xiàn)性穩壓器，和可調節的1 V至12 V - 150 mA高效率DC/DC降壓型開(kāi)關(guān)轉換器。器件集成KNX總線(xiàn)電源提取器，支持高達30 mA的總線(xiàn)電流，可為外部器件供電并滿(mǎn)足STKNX收發(fā)器的電力需求，同時(shí)器件還根據KNX規范限制總線(xiàn)電流轉換速率。STKNX可確保與總線(xiàn)的安全耦合，并在總線(xiàn)電源過(guò)耗時(shí)，提供總線(xiàn)監控警告。
STKNX器件采用超薄小腳距4x4mm VQFNPN24封裝，通過(guò)KNX認證、支持KNX TP1-256標準，可輕松連接微控制器（如STM32），是超小的系統解決方案，具有兩個(gè)集成穩壓器，供應用外部使用，無(wú)需晶振，工作溫度范圍為-40℃至+85℃。
STKNX器件結合STM32微控制器，可搭配合作伙伴T(mén)APKO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認證，可提供KNX雙絞線(xiàn)應用的完整解決方案。
低功耗、成本優(yōu)化的雙無(wú)線(xiàn)電
KNX解決方案
在KNX無(wú)線(xiàn)連結應用方面，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(xiàn)電解決方案，搭配合作伙伴T(mén)APKO的KNX-RF協(xié)議棧軟件支持，可以支持更為便利的無(wú)線(xiàn)KNX應用的需求。
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(xiàn)應用。它設計用于在433、512、868和920 MHz的免許可ISM和SRD頻段中運行，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行。
S2-LP支持不同的調制方案，包括2(G)FSK、4(G)FSK、OOK和ASK，空中數據速率可編程為0.1至500 kbps。S2-LP可用于通道間隔低至1 kHz的系統，支持窄帶操作。S2-LP遠距離通信的射頻鏈路預算高于140 dB，并滿(mǎn)足適用于全球地區（包括歐洲、日本、中國和美國）的監管要求。
ST另外還推出BlueNRG-2藍牙低功耗無(wú)線(xiàn)單芯片來(lái)與S2-LP搭配，BlueNRG-2是一顆具有超低功耗藍牙BLE的SoC單芯片，符合Bluetooth標準規范。BlueNRG-2擴展了ST已有的BlueNRG系列藍牙網(wǎng)絡(luò )處理器的功能，內置有Cortex M0內核，可運行客戶(hù)應用代碼。
BlueNRG-2同時(shí)內部還包含了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等標準外設通信接口。另外，BlueNRG-2還配備了多功能定時(shí)器、看門(mén)狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和DMA控制器等諸多模塊。
BlueNRG-2內部的ADC模塊可與外部模擬傳感器進(jìn)行連接，也可讀取內部電池電壓傳感器測量值，一個(gè)內置的數字濾波器可以用來(lái)處理外部的PDM數據流。BlueNRG-2具有同樣出色的射頻性能，內置的高效DC-DC轉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(cháng)實(shí)際應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認證，雙無(wú)線(xiàn)電解決方案可滿(mǎn)足應用在低功耗與成本優(yōu)化上的需求。
ST針對KNX應用，推出了多款通過(guò)認證的芯片組，包括上述的STKNX與STM32的雙絞線(xiàn)芯片組，以及S2-LP與BlueNRG-2的KNX RF結合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、南京數帆、麥克方程的協(xié)議棧軟件，來(lái)滿(mǎn)足有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)的KNX應用需求。
結語(yǔ)
KNX在能源效率方面有著(zhù)出色的記錄，近年來(lái)的技術(shù)擴展，也允許它擴展到使用KNX技術(shù)來(lái)增強能源管理目的。KNX能源管理是一種主動(dòng)方法，其目標是在任何給定時(shí)間期間，能夠根據用戶(hù)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用中扮演重要的角色。本文介紹的ST有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)KNX解決方案，將能夠滿(mǎn)足KNX應用的多樣化需求，加快客戶(hù)KNX產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，以搶占智能建筑能源應用的廣大商機。
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