【摘要】目高校正在推進和深化節(jié)約型校園的建設(shè)，本文針對廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院公共機房能源浪費比較嚴(yán)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(shù)，對機房的照明、空調(diào)、教學(xué)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(xué)院公共機房的管理水平。
【關(guān)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本國策。但目大學(xué)生的平均能耗指標(biāo)明顯高于全國居民的平均能耗指標(biāo)，據(jù)統(tǒng)計，全國高校大學(xué)生生均能耗是全國居民人均能耗的4倍。教育部發(fā)（2009）163號文件指出：高等學(xué)校是公共機構(gòu)的重要組成部分，要建立高等學(xué)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(shè)。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(shù)節(jié)能手段等也是行之有效的方法。
大學(xué)校園建筑分布范圍廣，教室、專業(yè)實訓(xùn)室多，學(xué)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(shù)學(xué)院（以下簡稱廣鐵學(xué)院）的計算機公共機房管理為例，該校目擁有計算機公共機房18間、計算機1000多臺，分布在兩棟實訓(xùn)樓中，但是配置的實訓(xùn)管理員只有3名。機房承擔(dān)全院的計算機應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)工作和不同專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)工作，每天上課和上機的學(xué)生達到2000多人次。由于管理人員較少，機房長期存在嚴(yán)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(xué)院采用了一種基于KNX總線技術(shù)的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)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)?，線路與配電*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(fēng)、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(shù)的特點
KNX是家居和樓宇控制領(lǐng)域開放式標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)和中國指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。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(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、信號和監(jiān)控系統(tǒng)、服務(wù)界面及樓宇控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)簡單。
1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
KNX系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，分域（Area）和線路（Line），線路是KNX系統(tǒng)的小結(jié)構(gòu)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(shè)備，每個設(shè)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(shè)備。KNX拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
1.3高兼容性、高擴展性和設(shè)備可替換性
KNX標(biāo)準(zhǔn)的勢在于不同性能、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(yán)格的質(zhì)量控制和第三方KNX認(rèn)證，質(zhì)量非?？煽?；KNX標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計
2.1 系統(tǒng)需求
廣鐵學(xué)校機房設(shè)備的傳統(tǒng)控制方式基于開關(guān)觸點的接通與斷開來控制，但機房管理人員有限，很多設(shè)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(shè)計應(yīng)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(guān)、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(yuǎn)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(guān)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(chǔ)上，應(yīng)充分考慮結(jié)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(quán)限的操作管理，可集中控制和遠(yuǎn)程操作，降低運行成本。
2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計
廣鐵學(xué)院計算機房KNX總線系統(tǒng)是通過一條總線將兩棟實訓(xùn)樓的四層樓共18間計算機房所有的KNX設(shè)備連接起來，各個設(shè)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(shè)備通過電腦編程獨立完成諸如開關(guān)、調(diào)光、控制、監(jiān)視等工作，根據(jù)要求進行不同的場景設(shè)置（如：全開模式、全關(guān)模式、清潔模式、投影模式等），實現(xiàn)對多個設(shè)備的聯(lián)動控制。
總線上設(shè)備元件分為三類：
（1）系統(tǒng)元件。負(fù)責(zé)整個KNX總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行， 如KNX總線電源、KNX/IP網(wǎng)關(guān)、線路耦合器等。
（2）傳感器。負(fù)責(zé)監(jiān)控機房內(nèi)的開關(guān)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(fù)責(zé)接收傳感器發(fā)出的信號并執(zhí)行相應(yīng)的操作，如調(diào)節(jié)燈光，控制窗簾、空調(diào)等。
系統(tǒng)架構(gòu)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(yīng)，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(yù)先設(shè)定的正常值范圍進行比較，以判斷執(zhí)行哪些操作，將相應(yīng)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(yù)設(shè)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(guān)調(diào)光執(zhí)行模塊、窗簾執(zhí)行模塊、空調(diào)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)、APP智能控制網(wǎng)關(guān)和若干觸摸屏、開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)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(shè)若干支線（線路），模塊至設(shè)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(shè)?？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?yīng)模塊。
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(guān)模塊2個、14路窗簾控制模塊1個；一棟實訓(xùn)樓配置空調(diào)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)1個、APP智能控制網(wǎng)關(guān)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(guān)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(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。
2.3.2 軟件設(shè)計
在硬件設(shè)計完成的基礎(chǔ)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(dǎo)入相應(yīng)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(yīng)支線里加入各個功能元件，設(shè)置每個元件的物理地址；根據(jù)功能的不同設(shè)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(yīng)元件進行關(guān)聯(lián)，以一號機房為例，控制要求和關(guān)聯(lián)設(shè)置如表2所示。關(guān)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(guān)聯(lián)結(jié)束后把程序下載到模塊。上述編程設(shè)計只是針對開關(guān)、調(diào)光、窗簾進行的關(guān)聯(lián)設(shè)置，針對場景模式的設(shè)計編程采用類似方法。
2.3.3 控制模式
機房設(shè)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(yuǎn)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(shè)置智能控制面板、場景面板、多聯(lián)智能開關(guān)，通過智能按鍵面板可以很方便地控制所有燈光的開/關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、空調(diào)開/關(guān)、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(guān)；全關(guān)模式關(guān)閉所有燈光、空調(diào)和插座開關(guān)；投影模式關(guān)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(yīng)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(guān)閉照明，大限度節(jié)能。通過人體存在感應(yīng)控制的方式，長時間無人情況下，自動關(guān)閉照明、空調(diào)和計算機，做到有人時開燈，無人時延時關(guān)燈。
定時控制：系統(tǒng)自動按照預(yù)設(shè)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)的小能源消耗。
遠(yuǎn)程控制：通過Internet遠(yuǎn)程控制，有管理員權(quán)限即可登錄Web管理系統(tǒng)或手機APP，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的開/關(guān)。
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(yuǎn)程操控。WinSwitch采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置了各組燈光開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、窗簾控制開關(guān)、機房電腦總開關(guān)，可對現(xiàn)場設(shè)備實施遠(yuǎn)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(yīng)的操作?？赏ㄟ^中控系統(tǒng)檢查設(shè)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(shù)設(shè)計的控制系統(tǒng)。KNX總線技術(shù)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(shù)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(shù)的主體。
Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(yīng)、照度感應(yīng)、微波感應(yīng)、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(xué)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(guān)驅(qū)動器
用于對設(shè)備進行開關(guān)控制的驅(qū)動器，具有延時、預(yù)設(shè)、邏輯控制、場景、閾值開關(guān)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(guān)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(guān)、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(shè)備裝置，并將感應(yīng)的信息傳遞給其它設(shè)備裝置（如調(diào)光器、開關(guān)驅(qū)動器），電氣參數(shù)如下：
3.3.4總線電源
KNX/EIB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)供電電源，為總線提供電壓640mA 輸出電流，至多可以為 64 個設(shè)備供電，帶總線復(fù)位、 過流指示和短路保護。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(jié)合不同參數(shù)配置實現(xiàn)開關(guān)、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(guān)、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(yīng)設(shè)置紅外或微波類人體感應(yīng)器，并結(jié)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?xí)r間；
（3）樓梯間照明采用人體感應(yīng)探測控制；
（4）設(shè)備房、設(shè)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(jié)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(yīng)具有完善的用戶權(quán)限管理功能，避免越權(quán)操作；
3.5系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
3.6系統(tǒng)的控制勢
（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(yuǎn)程集中控制，使得控制加方便智能，用戶體驗好；
（2）系統(tǒng)中控制模塊均工作在直流30V安全電壓下，用戶操作加安全、舒適；
（3）系統(tǒng)在實施過程中，充分結(jié)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(jié)構(gòu)，搭建簡單靈活，系統(tǒng)內(nèi)各模塊互不影響，可獨立工作，可靠性高；
（5）多種控制方式可供選擇，如本地控制，自動感應(yīng)控制，定時控制，場景控制和集中控制等，控制方式靈活；
（6）系統(tǒng)的自動控制、遠(yuǎn)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)控制模塊或改系統(tǒng)功能時，無需增加連接線，不需關(guān)閉整個系統(tǒng)，只需改設(shè)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(yīng)急回路，方便人員疏散，從而降低了人員傷亡的風(fēng)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(dāng)系統(tǒng)模塊數(shù)量較少、距離較近、范圍較小時，各設(shè)備以樹形枝狀延伸，構(gòu)成支路系統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)模塊數(shù)量較多、距離較遠(yuǎn)、范圍較大時，用支線耦合器組成多條支路，構(gòu)成區(qū)域智能照明控制系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)模塊數(shù)量很多、距離很遠(yuǎn)、范圍很大時，用支線耦合器、區(qū)域耦合器等構(gòu)成樓群智能照明控制系統(tǒng)。
4 結(jié) 語 廣鐵學(xué)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(guān)費用的支出。KNX總線技術(shù)可延長設(shè)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(yù)期目標(biāo)，提高了學(xué)院公共機房的管理水平。目由于國內(nèi)引進KNX核心技術(shù)的費用高昂，KNX模塊產(chǎn)品價格相對較高，使得KNX技術(shù)主要應(yīng)用于大型公共設(shè)施、國企和學(xué)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，性價比高的KNX設(shè)備產(chǎn)品將越來越多，將對KNX總線技術(shù)的普及有好的推動作用。
【參考文獻】
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