KNX通信内核的研究及其节点设备的开发

随着物联网技术的发展,智慧楼宇作为物联网技术发展和应用的方向之 一,在国内外迅速发展起来。KNX 协议以其良好的交互性、开放性和适应 性,目前已发展为世界上唯一的楼宇自动化领域的国际标准,成为全球楼宇 自动化领域竞相发展的技术之一。 国内对 KNX 技术的研究和应用起步比较晚,近年来国内相关单位和公 司在系统集成和应用方面进行 KNX 相关技术的研究和产品的开发,对 KNX 协议的研究和底层开发的研究并不多。目前国内 KNX 产品开发中 BCU(Bus Couple Unit,总线耦合单元)等依靠进口,KNX 产品成本居高不下。开发 具有自主知识产权的 KNX 协议栈,突破 KNX 核心技术的瓶颈,对 KNX 技 术在国内的推广和应用具有现实意义。 本课题在对 KNX 通信内核进行深入研究的基础上,完成了 KNX BAU (Bus Access Unit,总线访问单元)的开发,同时开发出了基于 KNX 协议 的调光执行器和楼宇照明控制终端设备。课题主要研究的内容有以下几个方 面: (1)深入研究了 KNX 系统架构、网络拓扑、通信模型等。研究了 KNX 的 OSI 结构模型,对通信对象、组地址在 KNX 通信中的作用以及地址表、 关联表和通信对象表之间的关系进行了深入的分析。对 KNX 协议各层的服 务原语、服务接口和参数进行了分析,确定了 KNX 协议各层的设计和实现 方法。 (2)在对 KNX 协议全面理解的基础上,对 KNX 通信内核进行了深入 的研究,分析了 KNX 通信内核硬件需求,提出了以低成本的 8 位单片机为 硬件的通信内核的设计方案,确定了通信内核的硬件结构和软件架构,完成 了 KNX BAU 的开发,并对 KNX 通信内核各层服务原语、接口的设计进行 了详细说明。 (3)完成了具有调光控制、场景预设、开关控制等功能的调光执行器 的硬件设计、应用程序编写及功能测试。对 KNX 节点设备的开发流程、数 据库的设计和建立等进行了全面的分析和说明。 (4)在已开发的 BAU 的基础上,分析了 KNX 应用终端设备的需求, 确定了以 Cortex-M3 为核心、以 ATMEGA64 为通信内核的设计方案,完成 I了楼宇照明控制终端的硬件设计和软件设计。软件设计基于 uc/OS-II 嵌入式 操作系统,同时嵌入 uc/GUI 图形界面系统,为人机交互界面设计提供了方 便。最后对照明控制终端的功能和性能进行了测试。 (5)搭建了具有调光执行器和楼宇照明控制终端的 KNX 测试系统, 通过设定参数,配置组地址,实现楼宇照明控制终端对调光执行器的控制, 对照明控制终端和调光执行器的整体功能进行了测试。同时通过分析总线报 文,验证了前期开发的 KNX 通信内核的正确性和完备性

  • 2021-06-27
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基于KNX总线通信的网关设备开发

KNX作为新一代现场总线技术,凭借良好的互操作性和开放性、完善 的通信机制以及支持多种通信介质等方面优势,在智能楼宇领域取得了广泛 应用。随着智慧楼宇的不断发展,控制设备之间传递的信息量日益增加,对 互操作性、互联也提出了更高的需求。本课题在对KNX通信内核研究的基 础上,设计一种基于KNX通信协议的网关,实现KNX协议和TCP/IP协议的 转换,实现KNX总线信号在高速以太网上的传输。KNX系统的扩展不再受 传输距离的影响,而数据的传输量和传输速度也不再成为KNX系统的问题。 从而实现楼层之间、楼宇之间的KNX设备的互联,推动楼宇建设向数字化、 智能化方向发展,为打造智慧城市奠定基础。论文的主要工作总结如下: (1) 分析了KNX总线技术和TCP/IP技术的工作原理、技术特点及通信协 议。在此基础上,通过不同方案的对比,设计了系统总体架构及技术路线, 最后完成了系统的软硬件设计。 (2) 完成了KNX通信模块的软硬件设计,KNX通信模块硬件部分以微控 制器ATMEGA32为控制器,以FZE1066为收发器。软件部分主要分为驱动程 序设计、系统程序设计以及应用程序,完成KNX通信内核在硬件平台上的 开发。 (3) 完成了TCP/IP通信模块的软硬件设计,TCP/IP通信模块硬件部分以 ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103RE为主控制器,由电源模块、 网络模块和接口模块组成。软件部分以μC/OS-II实时操作系统为核心,完成 μC/OS-II的移植以及LwIP协议栈的移植,实现标准的TCP/IP网络接口。 (4) 实现了KNX协议与TCP协议的转换,通过串口实现KNX通信模块与 TCP/IP网络模块的交互,并实现了KNX-TCP/IP网关的信息过滤功能。 (5) 实现了网关与远端控制中心的通信协议的制定,实现远端控制中心 对网关的参数设置、过滤表的设置以及对KNX节点设备的远程管理。 测试结果表明,本论文开发的KNX-TCP/IP嵌入式网关设备运行稳定可 靠,可扩展性强,网关设备在实现协议转换的同时,实现了网络管理和设备 管理的功能,实现了网关的参数设置和KNX节点设备的远程控制。

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