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提升智能建筑能源效率的KNX解决方案
来源:Arrow 发布:2023/11/20 浏览量:254

随着能源短缺问题日益严重,如何有效地利用能源,以更智能的方式提升能源的利用率,节约能源将会是智能建筑应用中的关键要素之一。KNX是一种用于商业和住宅建筑自动化的开放标准,本文将为您介绍KNX标准与应用的发展,以及支持KNX技术的相关解决方案。

 

随着能源短缺问题日益严重,如何有效地利用能源,以更智能的方式提升能源的利用率,节约能源将会是智能建筑应用中的关键要素之一。KNX是一种用于商业和住宅建筑自动化的开放标准,本文将为您介绍KNX标准与应用的发展,以及支持KNX技术的相关解决方案。

 

成熟的商业和住宅建筑自动化开放标准

 

KNX是一种用于商业和住宅建筑自动化的开放标准,KNX设备可以用来管理照明、百叶窗和窗帘、暖通空调(HVAC)、安全系统、能源管理、音频视频、白色家电、显示器、远程控制等,将可提升智能建筑应用的整体性与便利性,并提升能源的利用效率。

 

KNX标准已经存在了几十年,是一项成熟的技术。KNX从三个早期标准发展而来,包括欧洲家庭系统协议(EHS)、BatiBUS和欧洲安装总线(EIBInstabus)。它可以使用双绞线(树形、线形或星形拓扑结构)、电力线、射频(RF)或IP链路。在这个网络上,设备形成分布式应用并且尽可能紧密交互,这是通过具有标准化数据点类型和对象的互通模型实现的,对逻辑设备通道进行建模,该协议一直用于提高家庭和建筑物的能源效率。

 

KNX的广泛应用之一是房间自动化,中央控制组件不仅可以实现照明和遮阳等操作功能,还可以与安装在加热或冷却组件上的可用阀门相结合,实现单独的房间控制,例如KNX系统可以在窗户被开启时,通过发送通知来关闭HVAC,以避免能源的浪费。

 

KNX还允许连接各种能源计量表,人们可以通过密切监控数据,来发现过高的能源消耗来源,及早进行能源的控管,以避免浪费。事实上,一些KNX产品甚至允许在电路级进行分表计量,以更精准地掌握能源的消耗状况。

 

与此同时,支持KNX标准的产品制造商中有提供电池存储设备(其使用状态可以通过KNX监控),也有制造商利用KNX来控制家庭和充电站之间的连接,因此,KNX解决方案将成为太阳能逆变器、储能、电池管理系统(BMS)制造商的一个关键要素。

 

KNX市场的发展相当快速,主要的应用类别包括控制和连接、照明、能源管理、家庭娱乐、智能电器、安全等领域。依据统计数据显示,预计到2025年底,中国的智能家居市场规模将接近370亿美元,到2030年全球KNX产品市场规模则将在500亿美元左右,复合年增长率(CAGR)约为15.9%

 

丰富的KNX产品提升能源的利用效率

 

目前市面上的KNX相关产品已经相当多样,像是支持KNX的能源计量表(电表、气表、水表或热表等)能够使您意识到能源的消耗状况,以了解该如何降低能源成本和提高机器和电气资产的能源效率,以更节能、更经济的方式来运行更智能的建筑。这些KNX设备能够提供长期数据记录,以便针对能源数据进行进一步的处理,只需使用KNX-IP路由(KNX-IP Router)及标准网络浏览器,便可以读出数据,深入了解能源消耗数据的状态,并可以进行远程诊断。

 

另一方面,太阳能电池板逆变器的KNX网关提供了一种简单的解决方案,可将所有相关数据从逆变器传输到KNX。它允许集成商利用完全集成的太阳能电池板逆变器进行能源管理,数据可用于优化能源消耗、监控、趋势或触发KNX系统中的特定操作。

 

此外,KNX还可应用于电池存储单元,通过将光伏系统产生的能源存储到电池存储单元中,可以用自产的清洁能源来满足每年约75%的能源需求,由于这种能源是在自家的屋顶上产生的,而不是来自外部能源供应商,因此它可以更独立地管理能源消耗,更完整的掌握能源的利用状况。

 

目前电动汽车已经成为汽车市场的发展趋势,通过KNX设备可以管理家中的充电桩,也可以当电动汽车在外面的充电站进行充电时,更精准地掌握电动汽车的能源消耗状态。

 

KNXEN50491-12-2标准的基础上设计了各种功能块,以便在建筑物中的客户能源管理器和能源消费者/生产者之间交换数据,以便更能够掌握能源的消耗状态并进一步的处理,以避免能源的浪费。使用KNX对能源消耗有相当大的影响,由于商业和公共建筑的规模,大型建筑的投资回报当然比住宅建筑更快。然而,当能源成本越高,在家庭应用时的投资回报也就越显著。

 

相较于常规的智能建筑系统安装,每个功能都需要通过一根或多根电缆来实现,每个设备仅用于一种功能,如果需要更改功能,则必须更改物理安装。相较于KNX的安装,所有信息仅需一根电缆(总线)来进行传输,功能取决于编程方式,且可以在不改变安装的情况下改变功能,单一设备可以多重使用,在一个网络中可有超过65000台设备具有地址分配,拥有更多的应用优势。

 

带稳压器的微型KNX双绞线收发器

 

ST推出的STKNX是用于KNX TP(双绞线)通信的收发器。器件采用小型封装,具有很少的外部组件,使KNX节点设计非常紧凑。器件具有一个简单的微控制器接口,可轻松替代基于分立组件实现的物理层。

 

STKNX器件具有两个集成稳压器,供外部应用使用,包括可选的3.3 V/5 V - 20 mA线性稳压器,和可调节的1 V12 V - 150 mA高效率DC/DC降压型开关转换器。器件集成KNX总线电源提取器,支持高达30 mA的总线电流,可为外部器件供电并满足STKNX收发器的电力需求,同时器件还根据KNX规范限制总线电流转换速率。STKNX可确保与总线的安全耦合,并在总线电源过耗时,提供总线监控警告。

 

STKNX器件采用超薄小脚距4x4mm VQFNPN24封装,通过KNX认证、支持KNX TP1-256标准,可轻松连接微控制器(如STM32),是超小的系统解决方案,具有两个集成稳压器,供应用外部使用,无需晶振,工作温度范围为-40℃+85℃

 

STKNX器件结合STM32微控制器,可搭配合作伙伴TAPKOShufan KAIStackKNX协议栈软件支持,在STTAPKO的密切合作下,共同开发STKNX器件,并通过KNX认证,可提供KNX双绞线应用的完整解决方案。

 

低功耗、成本优化的双无线电KNX解决方案

 

KNX无线连结应用方面,ST也推出KNX-RF多重解决方案,其中包括S2-LPBlueNRG-2两款芯片,可成为同时支持KNX-RFBLE的双无线电解决方案,搭配合作伙伴TAPKOKNX-RF协议栈软件支持,可以支持更为便利的无线KNX应用的需求。

 

STS2-LP是一款高性能超低功耗射频收发器,适用于低于1 GHz频段的射频无线应用。它设计用于在433512868920 MHz的免许可ISMSRD频段中运行,但也可以编程为在413-479 MHz452-527 MHz826 MHz-958 MHz904-1055 MHz频段等其他附加频率下运行。

 

S2-LP支持不同的调制方案,包括2(G)FSK4(G)FSKOOKASK,空中数据速率可编程为0.1500 kbpsS2-LP可用于通道间隔低至1 kHz的系统,支持窄带操作。S2-LP远距离通信的射频链路预算高于140 dB,并满足适用于全球地区(包括欧洲、日本、中国和美国)的监管要求。

 

ST另外还推出BlueNRG-2蓝牙低功耗无线单芯片来与S2-LP搭配,BlueNRG-2是一颗具有超低功耗蓝牙BLESoC单芯片,符合Bluetooth标准规范。BlueNRG-2扩展了ST已有的BlueNRG系列蓝牙网络处理器的功能,内置有Cortex M0内核,可运行客户应用代码。

 

BlueNRG-2同时内部还包含了256KB的编程闪存、带有保持功能的24K静态RAM(分为2块,各12KB),以及SPIUARTI2C等标准外设通信接口。另外,BlueNRG-2还配备了多功能定时器、看门狗、实时时钟和DMA控制器等诸多模块。

 

BlueNRG-2内部的ADC模块可与外部模拟传感器进行连接,也可读取内部电池电压传感器测量值,一个内置的数字滤波器可以用来处理外部的PDM数据流。BlueNRG-2具有同样出色的射频性能,内置的高效DC-DC转换器具有相同的超低功耗特性,同时改善了睡眠模式下的功耗,能够进一步延长实际应用中电池的使用寿命。

 

ST在与TAPKO的密切合作下,将S2-LPBlueNRG-2KAIStack KNX协议栈软件相搭配,通过了KNX认证,双无线电解决方案可满足应用在低功耗与成本优化上的需求。

 

ST针对KNX应用,推出了多款通过认证的芯片组,包括上述的STKNXSTM32的双绞线芯片组,以及S2-LPBlueNRG-2KNX RF结合BLE的芯片组,也可以另外将S2-LPSTM32相搭配,成为支持KNX RF的芯片组,并可搭配TAPKO、南京数帆、麦克方程的协议栈软件,来满足有线与无线的KNX应用需求。

 

结语

 

KNX在能源效率方面有着出色的记录,近年来的技术扩展,也允许它扩展到使用KNX技术来增强能源管理目的。KNX能源管理是一种主动方法,其目标是在任何给定时间期间,能够根据用户的需求提供优化的能源使用,让人们能够打造出更为环保的环境,KNX将成为智能建筑能源应用中扮演重要的角色。本文介绍的ST有线与无线KNX解决方案,将能够满足KNX应用的多样化需求,加快客户KNX产品的开发速度,以抢占智能建筑能源应用的广大商机。

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