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智能楼宇的智能连接,从这个高能效KNX收发器开始!

2020-12-02
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在这个万物皆智能的世界,我们每天都置身其中的“楼宇”当然也需要智能起来,而且这一进程正在加速。根据前瞻研究院的数据,2019年中国的楼宇智能化市场规模约为6,039亿元,而到2025年市场容量将快速攀升到10,161亿元左右。

所谓智能楼宇,实际上就是“楼宇自动化”概念的一个延伸,其核心的价值就在于利用新技术提升楼宇内部安防、照明、电力、暖通、空调给排水、防灾等设备和子系统的自动化运行能力,为用户带来更安全、便捷和舒适的体验,同时提高楼宇运营管理的效率,减少运维成本并且降低能耗。


但不论智能楼宇的概念和功能如何扩展,构筑整个智能楼宇系统的一个基础要件是不会变化的,那就是需要将遍布于建筑内外各处的设备——无论是传感器还是执行器,或者是两者的合体——可靠地连接在一起,确保信号和数据有效地汇聚、传输和处理。



开放的KNX标准




将智能楼宇设备连起来


构建一个智能楼宇的互联网络,需要很多技术选项,特别是随着物联网的兴起,越来越多的无线技术被整合进来。不过有线通信凭借其可靠而稳定的特性,也一直没有退出舞台,而且在很多应用场景中仍然发挥着不可替代的作用。


在智能楼宇行业,KNX总线是当下被普遍接受和采用的一个开放性的国际标准,它从欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHS发展而来,目的就是将建筑中需要接入智能楼宇系统的设备,方便无缝地通过KNX规定的介质(包括双绞线、射频、电力线或IP/Ethernet等)连接进来。


具体来讲,KNX系统的架构分为不同层次——区域总线下接主干线,主干线下接总线;每个系统允许有15个区域总线,每条区域总线或者主干线允许连接多达15条总线,而每条总线最多允许连接64台设备;每一条区域总线、主干线或总线,经由一个变压器供电,每条总线之间通过隔离器来区分。这样,楼宇中所有联网的设备都可以通过同一条总线进行数据通信,所有的信号在总线上都是以串行异步传输(广播)的形式进行传播,所有的总线设备会同时接收到总线上的信息,只要总线上无信息传输时,设备即可将报文发送到总线上。整个系统通过预先设置控制参数来实现诸如组命令、逻辑顺序、控制调节等相应的系统功能。


与其他楼宇自动化总线相比,KNX系统具有很多突出的优势:

1

标准化

KNX已经成为欧洲、美国、中国等国家和地区认可的标准,通过KNX产品认证,可以很好地解决不同厂商产品之间互操作性的问题。
2

开放性

KNX不依附于任何硬件或软件技术厂商,开发者可以基于KNX从头开发,也可基于已经过认证的其他KNX系统组件进行二次开发。
3

质量高

KNX协会对产品质量制定了严格的要求,产品质量监控覆盖产品生命周期的各个阶段。
4

应用广

KNX支持多种传输介质,几乎可以适用于所有的家居和楼宇控制应用。
5

可扩展

KNX与很多其他楼宇自动化连接系统(如BACnet、DALI等)能够实现互连,可扩展性强。
6

成本低

KNX是完全免费的,没有附加的专利费用,使用其他KNX会员的KNX产品也无需支付知识产权费。


正是由于KNX上述的这些优势,经过30年的发展,其已经拥有了500家会员,8,000个产品,影响范围遍及190个国家和地区的93,000合作伙伴,可以说是智能楼宇行业最成功的行业标准之一。


图1:KNX标准发展状况(图源:www.knx.org)



高能效、高集成




安森美半导体的KNX收发器


对于希望在智能楼宇领域开疆扩土的厂商来说,选择一个前途广阔的标准,围绕着它去做产品布局,显然是明智之举。在KNX标准上深耕的厂商也为数不少,他们在KNX提供的平台上尽可能将自己的技术优势发挥到极致。


比如安森美半导体(ON Semiconductor)就推出了三款经过KNX认证的双绞线收发器产品——NCN5110、NCN5121 和 NCN5130,这三款新品是对安森美半导体上一代KNX双绞线收发器NCN5120的补强。该器件支持在楼宇网络中连接执行器、传感器、微控制器、开关或其他应用。


图2:安森美半导体的NCN51xx系列KNX双绞线收发器

图源:安森美半导体)


这三款KNX双绞线收发器有一个共同的特点,就是在收发器功能之外将高能效的电源管理功能集成了进来。所有的收发器都包括两个高能效的DC-DC转换器:一个是固定3.3V输出,可以为收发器和其他可选的外设(如微控制器)供电;另一个是输出电压在1.2V至21V之间可调的DC-DC转换器,可用于为继电器、显示器等外设供电。同时,这个系列的KNX双绞线收发器还集成了一个20V低压降稳压器 (LDO),支持从KNX总线为外部负载供电,令系统设计所需的BOM得以简化,有效地优化系统成本。


根据安森美半导体提供的数据,这些新器件与现有方案相比,可以通过增强的电源管理特性令总能效提升20%,同时在封装尺寸和占板面积等方面的优势也可以满足一些应用严苛的空间限制。


除了上面高能效、高集成的这个“共性”之外,NCN5110、NCN5121和NCN5130也各具特点,这为开发者根据实际应用的要求,选取合适的方案提供了更大的灵活性。具体来讲:


  • NCN5110是一颗单纯的模拟IC,负责KNX双绞线网络中的物理收发,其MAC层的控制是由与其相连的片外微控制器来实现的。

  • NCN5121和NCN5130则包括完整的KNX物理(PHY) 层和MAC层控制功能,简化了相关的软件开发工作,所有的关键的时序管理都由收发器直接处理。

  • NCN5121与之前推出的同系列NCN5120收发器pin-to-pin兼容,但提供更高的能效和增强的稳压输出,方便用户在原有设计上迭代升级。

  • NCN5130作为一个全功能的器件,更适合于新的Design-in项目,由于其能够从KNX总线上汲取高达40 mA的电流,使得设计人员能够通过它为LCD面板和触摸屏供电,或以更高的速度驱动继电器,应用范围和灵活性优势显著。


图3:NCN51xx系列KNX收发器的特性比较

图源:安森美半导体)


可以说,三款新器件的“加盟”,令安森美半导体的NCN51xx系列KNX收发器的产品组合更为完整,不同层次、不同场景、不同需求的用户很容易从中为最终的应用找到对应的产品。


图4:NCN51xx系列KNX收发器的框图

(图源:安森美半导体)



配套评估板




快速创建你的KNX应用


为了能够帮助用户快速将NCN51xx系列器件付诸设计“实战”,安森美半导体还推出了配套的开发工具——NCN51xxASGEVB KNX评估板。

图5:NCN51xxASGEVB KNX评估板

图源:安森美半导体)


NCN51xxASGEVB KNX评估板有三种型号可选,分别对应NCN5110NCN5121NCN5130三款器件,评估板上集成了运行收发器所需的所有外部元件,使用它开发者可以快速上手进行KNX应用的开发。


另外值得一提的是,NCN51xxASGEVB KNX评估板是Arduino兼容扩展板,也就是说开发者可以借此与Arduino丰富的开源硬件资源相连,通过所选的微控制器实现快速原型设计。NCN5110是一款位收发器所有定时均由微控制器处理。NCN5121和NCN5130实现可减少软件开发工作量的MAC层。此外,评估板上配置了四个板载按钮/LED,可用于构建调光器应用,提供了UART和SPI版本可选,这无疑都会为开发带来更大的便利。


总之,智能楼宇市场的火热,正在逐渐将越来越多的应用囊括在其中,这也就需要更为丰富和多样性的产品去支持个性化的应用场景。在KNX收发器领域,安森美半导体一方面将高能效的电源管理功能整合到新产品之中,让开发者和最终用户从中获益,另一方面通过产品组合的细化,为客户带来多样性的选择,并提供配套的开发工具支持KNX应用的落地。这一整套策略环环相扣,让你基于KNX标准实现智能的楼宇设备互连的设计创意,轻松起步,后续无忧。


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