KNX
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| 國際標準 | EN 50090、ISO/IEC 14543 |
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| 使用於 | 樓宇自動化 |
| 官方網站 | https://knx.org |
KNX是面向商用與住宅樓宇自動化的開放標準（參考EN 50090、ISO/IEC 14543）。KNX設備可管理照明、百葉窗與捲簾、HVAC、安防系統、能源管理、音視頻、家用電器、顯示屏、遠程控制等系統。KNX由三項早期標準演進而來：歐洲家庭系統協議（EHS）、BatiBUS以及歐洲安裝總線（EIB，又稱Instabus）。
KNX可使用雙絞線（採用樹型、線型或星型拓撲）、電力載波、RF或IP鏈路組網。網絡中的設備構成分布式應用，可實現緊密交互。該特性通過具備標準化數據點類型與對象的互操作模型實現，對邏輯設備通道進行建模。
標準
[編輯]KNX標準建立在基於OSI模型的EIB通信棧之上，融合了BatiBUS與歐洲家庭系統協議（EHS）的物理層、配置模式與應用經驗。
KNX系統可採用多種物理通信介質：
- 雙絞線布線（TP1線纜），繼承自EIB標準（此前繼承自BatiBUS的TP0通信介質已不再納入KNX規範）。
- 電力載波組網，繼承自EIB標準（此前繼承自EHS的PL132通信介質已不再納入KNX規範）。
- 射頻（KNX-RF）
- IP（又稱EIBnet/IP或KNXnet/IP）
KNX不依賴特定硬件平台，網絡控制器可根據建築需求選用從8位微控制器到個人計算機的各類設備。最常見的安裝方式為雙絞線介質。
KNX已獲得以下機構的標準認證（包括但不限於）：[1]
該標準由KNX協會（一家依據比利時法律設立的非牟利組織）管理，成立於1999年。截至2021年7月1日，KNX協會擁有來自45個國家的500家註冊軟硬件廠商會員，與172個國家的10萬家安裝企業達成合作協議，並設有超過500家註冊培訓中心[2]。KNX是免版稅的開放標準，規範文本可自由獲取[3]。
架構
[編輯]KNX設備通常通過雙絞線總線連接，可通過控制器進行配置。總線與供電線路平行敷設，連接網絡中的所有設備與系統：[4]
- 傳感器（如按鈕、恆溫器、風速計、運動探測器）採集信息，並以數據報文形式發送到總線上；
- 執行器（調光單元、供暖閥門、顯示屏）接收數據報文並轉換為相應動作；
- 控制器與其他邏輯單元（房間溫度控制器、百葉窗控制器等）；
- 系統設備與組件（如線路耦合器、主幹耦合器）。
將設備簡單劃分為「傳感器」或「執行器」已過於簡化。許多執行器兼具控制器功能與傳感功能（例如統計運行時長、開關次數、電流、功耗等參數）。
應用軟件、系統拓撲與調試軟件通過系統接口組件加載到設備中。已安裝的系統可通過局域網、點對點鏈路或電話網絡訪問，實現計算機、平板電腦、觸屏與智能手機的集中或分布式控制。
KNX架構的核心特點包括：
- 面向樓宇自動化各類任務的互操作與分布式應用模型；
- 網絡資源的配置與管理方案，支持分布式應用的不同組件在不同節點間綁定；
- 具備消息協議的通信系統，以及每個節點中的通信棧模型（可承載分布式應用，即KNX通用內核）；
- 實際設備開發與安裝部署時的落地實現模型。
應用、互操作與綁定
[編輯]KNX架構的核心概念是數據點（包括輸入、輸出、參數與診斷數據），代表系統中的過程與控制變量。這些數據點的標準化容器為組對象與接口對象屬性。通信系統提供精簡的指令集用於讀寫數據點值。數據點必須符合標準化的數據點類型，數據點類型又歸類為功能塊。這些功能塊與數據點類型對應不同應用領域，部分為通用類型（如日期與時間）。數據點可通過單播或組播機制訪問。
為實現網絡中應用數據點的邏輯關聯，KNX定義了三種基礎綁定方案：自由綁定、結構化綁定與標記綁定：
- 自由綁定：不預設數據點之間的連接關係，結合自由尋址可支持數據點級別的自定義組播，是S模式配置的核心（見下文）；
- 結構化綁定：KNX規範規定了整組數據點關聯的精確模式，通常對應一個功能塊或通道（按鈕模式即遵循該概念）；
- 標記綁定：同樣由應用模型預定義結構，但地址數值本身是數據值的一部分。
內核與消息協議
[編輯]通用內核位於物理層與介質專用數據鏈路層之上，為KNX網絡中所有設備共享，符合OSI七層模型：
- 通用數據鏈路層：位於各介質專用數據鏈路層之上，提供訪問控制與邏輯鏈路控制；
- 網絡層（具備路由功能的節點）：提供分段確認報文，控制幀的跳數；
- 傳輸層：支持四種通信模式：一對多無連接（組播）、一對所有無連接（廣播）、一對一無連接、一對一面向連接；
- OSI會話層與表示層為空；
- 應用層：為應用進程提供服務工具集。
配置模式
[編輯]系統需要在網絡拓撲層面與單個節點/設備層面進行配置。第一階段為前置條件或「引導」階段，在分布式應用配置（即綁定與參數設置）之前完成。配置可通過設備本地操作（如按下按鈕）與總線上的主動網絡管理通信（對等模式，或更集中的主從模式）結合實現。
KNX配置模式的作用包括：
- 選定配置與綁定方案；
- 映射到對應的尋址方案；
- 選擇管理流程與配套資源實現方案。
部分模式需要更多的總線主動管理，另一些則側重本地配置。KNX設備分為三類：
- A模式（自動模式）：設備可自行配置，終端用戶即可安裝；
- E模式（簡易模式）：安裝需基礎培訓，設備行為已預編程，但配置參數可根據用戶需求調整；
- S模式（系統模式）：可用於構建複雜的樓宇自動化系統，無默認行為，必須由專業人員編程與安裝。
KNX包含項目工程工具，用於將獨立設備連接為可運行系統，以及集成不同介質與配置模式，具體體現為工程工具軟件（ETS）套件。
設備
[編輯]KNX系統始終由一組連接到總線或網絡的設備組成。設備模型根據節點角色、功能、管理特性與配置模式各有不同，均在配置文件中定義。此外還有通用設備模型，如總線耦合單元（BCU）或總線接口模塊（BIM）。
設備可通過獨立地址或唯一序列號在全網中被識別與訪問，具體取決於配置模式（唯一序列號由KNX協會認證部門分配）。設備在被查詢時，還可返回廠商特定標識與功能信息（與廠商無關）。
拓撲與尋址
[編輯]KNX有線網絡可採用樹型、總線型和星型拓撲，可按需混合使用；**不支持**環型拓撲。大型安裝推薦採用樹型拓撲。
KNX使用16位地址，最多可連接57375台設備。
- 低8位地址支持單條線路最多256個地址；一條線路可包含最多4個網段，每個網段最多64台（TP1-64）或256台（TP1-256）設備。每個網段需配備本地電源，網段最大長度為1000米（實際支持設備數量取決於電源供電能力與單台設備功耗）。通過線路中繼器連接的網段總長可達4000米，最多連接256台設備。
- 多條線路可組成一個區域，最多15條線路通過線路耦合器連接到主幹線。地址的高4位用於識別不同線路。
- 整個域可由15個區域通過主幹線路與主幹耦合器連接組成，地址空間的最高4位用於標識區域（主幹線與主線路上不可使用線路中繼器）。
耦合單元支持地址過濾，在總線信號速率有限的情況下可提升性能。基於KNXnet/IP的安裝可通過IP集成KNX子網，因為KNX地址結構與IP位址結構相似。
物理層
[編輯]TP 1
[編輯]TP1雙絞線總線繼承自EIB，提供異步、面向字符的數據傳輸與半雙工雙向差分信號傳輸，信令速率為9600 bit/s。介質訪問控制採用CSMA/CA機制，所有總線用戶享有平等的數據傳輸權限，數據在總線用戶間直接對等交換。總線同時為低功耗設備提供SELV供電。另有已廢棄的TP0規範，傳輸速率為4800 bit/s，繼承自BatiBUS標準，但KNX產品無法與BatiBUS設備交換信息。
PL 110
[編輯]PL 110電力線傳輸採用擴頻移頻鍵控信令，支持異步數據包傳輸與半雙工雙向通信。中心頻率為110 kHz（CENELEC B頻段），數據速率為1200 bit/s，同樣採用CSMA機制。KNX電力載波技術面向智能白色家電，但市場接受度較低。另有PL 132變體，載波中心頻率為132.5 kHz（CENELEC C頻段）。
RF
[編輯]射頻模式工作在868.3 MHz頻段，採用頻移鍵控調製與曼徹斯特編碼。
IP
[編輯]KNXnet/IP使用3671端口，可集成支持IP的介質，如以太網（IEEE 802.2）、藍牙、Wi-Fi（IEEE 802.11）、火線（IEEE 1394）等。
幀格式
[編輯]忽略介質專用訪問與衝突控制的前導碼，幀格式通常如下：
| 字節 | 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 | 數據 |
| N ≤ 22 | 幀校驗 |
安全
[編輯]2013年起開發的協議擴展支持KNX報文簽名與加密，包括面向傳統KNX介質（TP與RF）的KNX Data Secure，以及面向IP隧道KNX報文的KNX IP Secure。KNX Data Secure於2018年成為歐洲標準（EN 50090-3-4），KNX IP Secure於2019年成為ISO標準（ISO 22510）。
符合性
[編輯]任何帶有KNX商標的產品都必須經過授權第三方實驗室的標準符合性認證（確保與其他設備互操作）。所有帶有KNX標識的產品均可通過通用接口，使用與廠商無關的ETS軟件進行編程。
相關條目
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參考文獻
[編輯]- ^ What is KNX?. National KNX Norway. [2018-07-07]. （原始內容存檔於2015-09-25）.
- ^ 當前廠商列表可參見knx.org：KNX Community.
- ^ KNX Specifications. KNX.
- ^ 本節及後續章節內容整理自KNX System Specifications. v3.0. Architecture. KNX Association. 2013.
