【摘要】目前高校正在推進和深化節(jié)約型校園的建設，本文針對廣州鐵路職業(yè)技術學院公共機房能源浪費比較嚴重的問題，提出一種基于 KNX 總線的智能控制系統(tǒng)解決方案，通過總線智能控制技術，對機房的照明、空調(diào)、教學電腦進行管理和監(jiān)控，避免能源浪費現(xiàn)象的發(fā)生。實踐證明，系統(tǒng)節(jié)能效果好、穩(wěn)定可靠、操作方便，有效地提高了學院公共機房的管理水平。
【關鍵詞】KNX 總線；智能控制系統(tǒng)；高校計算機房；場景模式
0 引 言
近年來，國家大力推進節(jié)能減排工作，節(jié)約資源成為我國的基國策。但目前大學生的平均能耗指標明顯高于居民的平均能耗指標，據(jù)統(tǒng)計，高校大學生生均能耗是民人均能耗的4倍。教育部發(fā)（2009）163號文件指出：高等學校是公共機構的重要組成部分，要建立高等學校校園節(jié)能工作的長久機制，推進和深化節(jié)約型校園的建設。高校想做好節(jié)能工作，除了做好師生宣傳教育工作外，提高能源管理水平、使用智能控制的技術節(jié)能手段等也是行之有效的方法。
大學校園建筑分布范圍廣，教室、專業(yè)實訓室多，學生上課流動性大，使用傳統(tǒng)節(jié)能管理辦法需要耗費大量人力。以廣州鐵路職業(yè)技術學院（以下簡稱廣鐵學院）的計算機公共機房管理為例，該校目前擁有計算機公共機房18間、計算機1000多臺，分布在兩棟實訓樓中，但是配置的實訓管理員只有3名。機房承擔全院的計算機應用基礎教學工作和不同專業(yè)的實訓教學工作，每天上課和上機的學生達到2000多人次。由于管理人員較少，機房長期存在嚴重的能源浪費現(xiàn)象：機房長時間無人使用時，電腦、空調(diào)、照明等仍然處于打開狀態(tài)；上課時照度足夠卻照樣開燈；空調(diào)和窗戶同時打開等等。針對機房能源浪費現(xiàn)象，學院采用了一種基于KNX總線技術的節(jié)能控制系統(tǒng)設計方案。KNX是一種基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，所有的控制信號都是通過一根雙芯控制電纜進行傳輸?shù)模€路與配電*分開。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)智能燈光控制、智能窗簾管理、智能新風、智能電腦控制、智能安防管理、智能視頻監(jiān)控等功能，能夠達到智能節(jié)能控制的目的。
1 KNX 總線技術的特點
KNX是家居和樓宇控制領域開放式標準，是由歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHS合并發(fā)展而來，已被批準為歐洲標準、標準、美國標準和中國指導性標準。通過KNX總線系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對家居和樓宇的照明、遮光/百葉窗、安防系統(tǒng)、能源管理、供暖、通風、空調(diào)系統(tǒng)、信號和監(jiān)控系統(tǒng)、服務界面及樓宇控制系統(tǒng)、遠程控制、計量、視頻/音頻控制、大型家電等的控制。
1.1 傳輸技術的特點
KNX/EIB是一個基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸和總線裝置的電源共用一條電纜，把通訊信號耦合在24V 系統(tǒng)電源上，采用弱電載波方式，用弱電控制強電。操作安全、結構簡單。
1.2 拓撲結構
KNX系統(tǒng)采用分層結構，分域（Area）和線路（Line），線路是KNX系統(tǒng)的更小結構單元。每個線路至多包括4個線段（Line Segment），每個線段至多可連接64臺設備，每個設備都有一個物理地址。一般情況下，可以有15個線如果有多個域存在時，每個域需要通過主干耦合器（BK）與干線路相連接。一個系統(tǒng)多包括15個域，這樣理論上一個KNX系統(tǒng)可以連接58000多臺總線設備。KNX拓撲結構如圖 1 所示。
1.3高兼容性、高擴展性和設備可替換性
KNX標準的優(yōu)勢在于不同性能、不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品可以實現(xiàn)互操作；產(chǎn)品通過了嚴格的質(zhì)量控制和第三方KNX認證，質(zhì)量非?？煽?；KNX標準功能豐富，適用于各種類型的建筑物；通信介質(zhì)多樣，可以用雙絞線、電力線和無線實現(xiàn)通信；可以采用多種系統(tǒng)配置模式。
2 計算機房 KNX 智能控制系統(tǒng)方案設計
2.1 系統(tǒng)需求
廣鐵學校機房設備的傳統(tǒng)控制方式基于開關觸點的接通與斷開來控制，但機房管理人員有限，很多設備控制不合理、不到位，很難達到節(jié)能效果。機房智能控制系統(tǒng)總體設計應該達到以下要求：
（1）機房區(qū)域內(nèi)采用分布式智能控制方式，開關、調(diào)光、窗簾、空調(diào)模塊均配有處理器，可以不依賴其他元件而獨立工作。
（2）需能實現(xiàn)燈光的智能開啟和人工控制，以及分散集中控制、遠程控制、延時控制、定時控制等多種控制方式；實現(xiàn)空調(diào)、上課電腦的智能開啟/關閉和人工控制。
（3）照明控制系統(tǒng)在滿足各個機房使用需求及舒適度要求的基礎上，應充分考慮結合自然光的明暗自動調(diào)節(jié)照度，達到節(jié)能目的。
（4）系統(tǒng)擁有良好的擴展性，將需增加的元件直接掛接在總線上，即可實現(xiàn)功能或回路的擴展。
（5）各系統(tǒng)元件均有獨立的CPU及地址，可通過巡檢功能監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)元件運行是否正常，如總線或元件出現(xiàn)故障、斷線，可及時反饋給智能主機。路分別經(jīng)過線路耦合器（LK）與主線路相連接，組成一個域。
（6）建立Web監(jiān)控管理系統(tǒng)和手機操作APP，實現(xiàn)不同權限的操作管理，可集中控制和遠程操作，降低運行成本。
2.2 系統(tǒng)框架設計
廣鐵學院計算機房KNX總線系統(tǒng)是通過一條總線將兩棟實訓樓的四層樓共18間計算機房所有的KNX設備連接起來，各個設備既可獨立工作，又可通過中控電腦進行集中監(jiān)視與控制。KNX設備通過電腦編程獨立完成諸如開關、調(diào)光、控制、監(jiān)視等工作，根據(jù)要求進行不同的場景設置（如：全開模式、全關模式、清潔模式、投影模式等），實現(xiàn)對多個設備的聯(lián)動控制。
總線上設備元件分為三類：
（1）系統(tǒng)元件。負責整個KNX總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行， 如KNX總線電源、KNX/IP網(wǎng)關、線路耦合器等。
（2）傳感器。負責監(jiān)控機房內(nèi)的開關操作或光照度、溫度、濕度、煙霧等信號變化，如光照度傳感器、紅外線傳感器。
（3）執(zhí)行器。負責接收傳感器發(fā)出的信號并執(zhí)行相應的操作，如調(diào)節(jié)燈光，控制窗簾、空調(diào)等。
系統(tǒng)架構圖如圖 2 所示。
安裝在機房的傳感器監(jiān)視感知現(xiàn)場的光照度、溫度、煙霧濃度和人體存在感應，并通過KNX總線將數(shù)據(jù)反饋給中控主機模塊，主機模塊將接收的信號與預先設定的正常值范圍進行比較，以判斷執(zhí)行哪些操作，將相應的控制信號通過總線發(fā)送給執(zhí)行器，如：窗簾控制模塊接收到的光照度信號值超過預設照度，窗簾執(zhí)行器對機房窗簾執(zhí)行升/降/停/百葉角度調(diào)整。
2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.3.1 模塊選型和組網(wǎng)
計算機房KNX總線智能控制系統(tǒng)主要由電源供給模塊、IP接口模塊、線路耦合器模塊、開關調(diào)光執(zhí)行模塊、窗簾執(zhí)行模塊、空調(diào)遠程控制網(wǎng)關、APP智能控制網(wǎng)關和若干觸摸屏、開關面板、傳感器等組成，系統(tǒng)采用廣州樂原智能科技有限公司的KNX總線智能產(chǎn)品。所有模塊及系統(tǒng)元件均為模塊化產(chǎn)品，采用標準35mm導軌安裝方式，安裝在的智能控制箱內(nèi)。
系統(tǒng)的組網(wǎng)采用支干線模式，一層樓一根干線（域），每個房間鋪設若干支線（線路），模塊至設備間采用兩芯1.5mm2的KNX/EIB總線控制線纜，總線和電源線分開穿管敷設?？偩€通過分布在各個機房的傳感器（包括光照度傳感器、溫濕度傳感器、人體存在傳感器、紅外線傳感器、煙霧傳感器）實時采集數(shù)據(jù)，并通過總線把信號傳輸?shù)较鄳K。
一個機房配置4路14A調(diào)光模塊1個，每個調(diào)光模塊所能控制的燈具數(shù)量不超過64個；一層樓配置12路16A開關模塊2個、14路窗簾控制模塊1個；一棟實訓樓配置空調(diào)遠程控制網(wǎng)關1個、APP智能控制網(wǎng)關1個；每個機房的連接總線配置線路耦合器 1個，每層樓的連接總線配置主干耦合器1個；每個機房配置多聯(lián)智能開關面板1個，每層樓配置3.5寸智能控制面板1個，可實現(xiàn)手動控制、分散/集中控制和場景控制。系統(tǒng)配置IP接口模塊1個，通過雙絞線連接路由器，實現(xiàn)KNX系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)，可實現(xiàn)計算機集中控制和手機APP遠程控制?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。
2.3.2 軟件設計
在硬件設計完成的基礎上，根據(jù)需求對智能控制模塊進行軟件編程。KNX模塊編程可用ETS5編程實現(xiàn)。項目需要導入相應產(chǎn)品模塊的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫由模塊廠商提供；通過在ETS5軟件里建立項目，為每個機房建立新支線，在相應支線里加入各個功能元件，設置每個元件的物理地址；根據(jù)功能的不同設置組地址，功能相同的對象組地址相同，傳感器同一功能只能有一個組地址，執(zhí)行器組地址根據(jù)控制功能的不同可以劃分多個組地址。建立好群組地址后把相應元件進行關聯(lián)，以一號機房為例，控制要求和關聯(lián)設置如表2所示。關聯(lián)了相同的組地址的元件就可以進行通訊，操作面板發(fā)出指令，執(zhí)行器執(zhí)行命令。關聯(lián)結束后把程序下載到模塊。上述編程設計只是針對開關、調(diào)光、窗簾進行的關聯(lián)設置，針對場景模式的設計編程采用類似方法。
2.3.3 控制模式
機房設備控制包括分散集中控制、場景控制、智能感光控制、定時控制、遠程控制等多種控制方式。
分散/集中控制：可以每個機房分散控制，也可以通過智能面板集中控制。每層設置智能控制面板、場景面板、多聯(lián)智能開關，通過智能按鍵面板可以很方便地控制所有燈光的開/關、亮度調(diào)節(jié)、空調(diào)開/關、窗簾升/降/停/百葉角度調(diào)整。
場景控制：分四類場景，全開模式打開機房所有燈光、空調(diào)和插座開關；全關模式關閉所有燈光、空調(diào)和插座開關；投影模式關閉窗簾和部分燈光回路，保證投影清晰顯示；清潔模式打開窗簾和部分燈光回路，保證基本照明。具體如表3 所示。
智能感光控制：通過光感應控制百葉窗簾和采光較好部位的燈光，在自然光線照度足夠的情況下關閉照明，更大限度節(jié)能。通過人體存在感應控制的方式，長時間無人情況下，自動關閉照明、空調(diào)和計算機，做到有人時開燈，無人時延時關燈。
定時控制：系統(tǒng)自動按照預設的運行時間完成燈光、空調(diào)的控制，滿足上課、下課時間段對燈光照度的要求。通過定時功能確保在非正常工作時間內(nèi)的更小能源消耗。
遠程控制：通過Internet遠程控制，有管理員權限即可登錄Web管理系統(tǒng)或手機APP，遠程控制設備的開/關。
表 3 燈光控制統(tǒng)計
2.3.4 WinSwitch中控系統(tǒng)集中監(jiān)控
系統(tǒng)采用WinSwitch監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對機房元件的實時管理和遠程操控。WinSwitch采用標準的圖形圖像界面進行操作，可插入樓層、房間、元器件的平面圖，操作簡單直觀。 圖4為WinSwitch 的監(jiān)控界面，界面設置了各組燈光開關、空調(diào)開關、窗簾控制開關、機房電腦總開關，可對現(xiàn)場設備實施遠程控制；控制系統(tǒng)面板和執(zhí)行器的控制狀態(tài)可通過KNX總線實時反饋到監(jiān)控界面，監(jiān)控界面的控制命令通過總線傳輸?shù)津?qū)動器，執(zhí)行相應的操作?？赏ㄟ^中控系統(tǒng)檢查設備是否運行正常，判斷總線是否工作正常、執(zhí)行器是否正常及回路斷路器是否處于打開的狀態(tài)，如出現(xiàn)故障，能夠有效判斷故障原因。
3 安科瑞智能照明控制系統(tǒng)
3.1系統(tǒng)簡介
Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)，是基于KNX總線技術設計的控制系統(tǒng)。KNX總線技術起源于歐洲，是在EIB，Batibus和EHS這三種住宅和樓宇的總線控制技術上發(fā)展起來的，其中EIB（European Installation Bus,歐洲安裝總線）是該總線技術的主體。
Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)采用標準的2*2*0.8EIB BUS總線（即KNX總線）作為總線線纜，將所有的智能照明控制模塊連接到一起并組成一套完整的控制系統(tǒng)，既可實現(xiàn)照明燈具的遠程集中控制，又可實現(xiàn)就近控制功能。該系統(tǒng)理論可連接控制模塊數(shù)量達580000多個。
安科瑞智能照明產(chǎn)品種類齊全，方案完善。用戶可通過控制面板、人體感應、照度感應、微波感應、上位機系統(tǒng)、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實現(xiàn)靈活多樣的智能控制，特別適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明系統(tǒng)。
3.2系統(tǒng)工作原理示意圖
3.3產(chǎn)品選型
3.3.1開關驅(qū)動器
用于對設備進行開關控制的驅(qū)動器，具有延時、預設、邏輯控制、場景、閾值開關等功能，電氣參數(shù)如下：
3.3.2調(diào)光驅(qū)動器
2路0-10V調(diào)光器，可對每路進行回路開關控制并輸出0-10V調(diào)光信號對具有0-10V調(diào)光接口的燈具進行調(diào)光,具有開關、場景、狀態(tài)反饋等功能，電氣參數(shù)如下：
3.3.3傳感器
傳感器是一種能感受外界信號、物理條件（如光、移動）的設備裝置，并將感應的信息傳遞給其它設備裝置（如調(diào)光器、開關驅(qū)動器），電氣參數(shù)如下：
3.3.4總線電源
KNX/EIB系統(tǒng)標準供電電源，為總線提供電壓640mA 輸出電流，至多可以為 64 個設備供電，帶總線復位、 過流指示和短路保護。標準導軌安裝，電氣參數(shù)如下：
3.3.5智能面板
用于接受按鍵觸動信號，可通過區(qū)分短按與長按并結合不同參數(shù)配置實現(xiàn)開關、調(diào)光、場景、窗簾控制、調(diào)溫、報警等功能，電氣參數(shù)如下：
3.3.6干接點輸入模塊
用于接受外部干接點信號輸入，可通過不同參數(shù)配置實現(xiàn)開關、調(diào)光、場景、窗簾控制、調(diào)溫、報警等功能，電氣參數(shù)如下：
3.4系統(tǒng)功能
（1）光照度（需要配照度傳感器）監(jiān)測，對利用自然光照明區(qū)域，根據(jù)自然光照度變化，進行照明控制和調(diào)節(jié)，滿足照明和節(jié)能要求；
（2）公共區(qū)域、走廊、通道、門廳、電梯廳等的照明，應設置紅外或微波類人體感應器，并結合智能控制面板，實現(xiàn)各種場景照明控制，盡可能較少燈具點亮時間；
（3）樓梯間照明采用人體感應探測控制；
（4）設備房、設備房走道采用分組就地控制；
（5）室外路燈、景觀等照明采用光照度控制結合時控的集中控制方式；
（6）監(jiān)控系統(tǒng)界面友好，畫面美觀,實時顯示各區(qū)照明工作狀態(tài)；
（7）應具有完善的用戶權限管理功能，避免越權操作；
3.5系統(tǒng)應用領域
3.6系統(tǒng)的控制優(yōu)勢
（1）系統(tǒng)可通過、觸摸屏、電腦對現(xiàn)場的燈光、空調(diào)及窗簾等進行遠程集中控制，使得控制更加方便智能，用戶體驗更好；
（2）系統(tǒng)中控制模塊均工作在直流30V安全電壓下，用戶操作更加安全、舒適；
（3）系統(tǒng)在實施過程中，充分結合自然光及人員的活動規(guī)律來自動控制燈光，減少能源消耗，達到很好的節(jié)能效果；
（4）系統(tǒng)采用分布分布式KNX總線結構，搭建簡單靈活，系統(tǒng)內(nèi)各模塊互不影響，可獨立工作，可靠性更高；
（5）多種控制方式可供選擇，如本地控制，自動感應控制，定時控制，場景控制和集中控制等，控制方式更靈活；
（6）系統(tǒng)的自動控制、遠程集中控制等功能，在實現(xiàn)自動化的同時，大量減少了值班人員，提高了管理水平和工作效果；
（7）升級系統(tǒng)內(nèi)控制模塊或更改系統(tǒng)功能時，無需增加連接線，不需關閉整個系統(tǒng)，只需更改設備參數(shù)即可實現(xiàn)，維護方便，操作簡單；
（8）系統(tǒng)可與消防系統(tǒng)聯(lián)動，在出現(xiàn)消防報警時，強制打開應急回路，方便人員疏散，從而降低了人員傷亡的風險，提高了建筑的安全性。
3.7安科瑞組網(wǎng)方案
智能照明控制系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活，擴展方便，當系統(tǒng)模塊數(shù)量較少、距離較近、范圍較小時，各設備以樹形枝狀延伸，構成支路系統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)；當系統(tǒng)模塊數(shù)量較多、距離較遠、范圍較大時，用支線耦合器組成多條支路，構成區(qū)域智能照明控制系統(tǒng)；當系統(tǒng)模塊數(shù)量很多、距離很遠、范圍很大時，用支線耦合器、區(qū)域耦合器等構成樓群智能照明控制系統(tǒng)。
4 結 語 廣鐵學院從2017年采用KNX總線控制系統(tǒng)管理公共計算機房，比傳統(tǒng)的機房管理方式節(jié)約了20%～30%的電能，管理方式先進，節(jié)約了人力，避免了能源的浪費，降低了相關費用的支出。KNX總線技術可延長設備使用壽命，機房的照明燈具較往年的損耗率明顯降低。實踐證明，KNX總線系統(tǒng)穩(wěn)定、操作方便、擴展性好、節(jié)能效果好，達到預期目標，提高了學院公共機房的管理水平。目前由于國內(nèi)引進KNX核心技術的費用高昂，KNX模塊產(chǎn)品價格相對較高，使得KNX技術主要應用于大型公共設施、國企和學校樓宇，大規(guī)模的推廣普及受到一定影響。隨著國內(nèi)KNX廠商的不斷增加，研發(fā)能力不斷提高，性價比更高的KNX設備產(chǎn)品將越來越多，將對KNX總線技術的普及有更好的推動作用。
【參考文獻】
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