技术干货 | 智能家居领域KNX与RS485全面对比

前言:智能家居是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。衡量一个住宅小区智能化系统的成功与否,并非仅仅取决于智能化系统的多少、系统的先进性或集成度,而是取决于系统的设计和配置是否经济合理并且系统能否成功运行,系统的使用、管理和维护是否方便,系统或产品的技术是否成熟适用,换句话说,就是如何以最少的投入、最简便的实现途径来换取最大的功效,实现便捷高质量的生活。

KNX072001

近一年来老马走到市场一线与客户深度接触后感触颇深,发现不少客户迷失在物联网、大数据、云计算及5G的浪潮之下。如何将智能家居的本质和底层技术普及给他们?一直想推送一篇关于RS485和KNX两者之间的比较文章给客户,苦于非技术出身,于是请教了业内大神“安徽菜农”,他说不用你费劲了,几年前就准备好了——共四篇,一个包子一篇,哈哈哈……我尊敬而可爱的安徽神农!

言归正传,之所以选择RS485来与KNX比较,是因为它在国内有广泛的群众基础。本文尽量不偏袒任何一种技术,围绕硬件、软件、标准、产品四个方面进行阐述,希望通过本篇内容可以帮助客户去选择所需要的总线系统。

硬件篇

首先我们来看看RS485与KNX两者的定义:

KNX:是一个合集的称呼,包括了KNX软件、KNX硬件、KNX协会、KNX协议、KNX线缆、KNX芯片。无论你在世界的任何一台计算机上搜索,结果都是相似甚至相同的,仅此一家,绝无分店!楼宇控制系统中需要定义的内容它全部囊括。从电气到介质(线缆)、从介质(线缆)到设备、从设备到软件、从软件到配置、从配置到系统。

RS485:准确的来说,它是一种通信技术,仅仅是定义了物理层,也就是有电气规定,规定了它的信号电压、阻抗等。当一个公司宣称他们的产品采用RS485协议的时候,实际上包含了两层含义:一、采用RS485的通信技术;二、使用RS485技术运行自己的协议。所以如果你是个现场总线的门外汉,上网一搜“485协议”,结果可能是五花八门。

RS485总线技术,在国内流行的已经很久了,在RS485这个技术的基础上发展了很多通信协议,如DMX512、Modbus协议等等。RS485技术广泛应用于现场总线的各个领域,小到智能家居控制系统,大到大型楼宇控制系统、以及抄表系统,可谓是无所不在。由于它仅定义了物理层,所以一个应用485总线技术公司的产品的稳定性就要看公司自身的软件实力和硬件实力了,所以一些实力强悍的公司在这个技术的开发了稳定了楼控系统:如快思聪、霍尼韦尔、施耐德的C-BUS等等。

KNX引入中国是在2000年左右,毕竟KNX协会也才1999成立的。中国第一批做KNX的厂家也大都是2006年以后的事了。所以KNX在中国的历史并不长,得益于其完善的KNX技术体系和技术背景(前身是EIB-欧洲安装总线、BatiBus和EHSA),目前在中国的发展也是相当了得。不只是已经有不少机场、地铁、高端酒店、以及其他公建广泛应用了KNX产品,同时已经有超过20家国内厂家加入了KNX阵营,开发KNX产品。

我们先来说他们之间的硬件区别。这里硬件主要包括:技术介绍、总线线缆、设备连接方式、应用部分。

一、总线技术介绍(主要差异):

RS485技术介绍:

RS485技术采用了差分的信号,它抗干扰能力较强(相对而言),时序定位准确,所以其可以获得高达10Mbps的通信速度。

RS485技术支持多种速率。不同厂家的通信速率不同。在实际使用中为了提高抗干扰性,一般降低速率,最低可以低至1200bps,以获得较远的通信距离,可达1000米以上。

RS485通信需要AB两根信号线(毫伏差分),芯片的收发引脚直接对外,对静电及其敏感,一言不合就烧芯片。所以一般RS485的接口电路都配有TVS管,以防止静电击穿芯片。

RS485系统一般需要额外两芯线缆的供电,或者设备自带供电。

如果采用非隔离的形式,小系统短距离应用十分稳定,当系统中设备数量接入较多时(>32),设备之间就有可能干扰信号,就会有不稳定情况。

为了解决设备接入数量问题,不少厂家采用隔离驱动方式,这种解决通信问题的成本其实跟KNX已相差无几。

RS485的通信方式决定了它不具备载波监听的功能,也就是发送之前没有办法检测总线有无数据。所以RS485系统通信大都采用主从轮询时,以防止报文丢失,同时实时性不高。

RS485的接口芯片一般是MAX485、SP485等等,同时也有AD公司推出的隔离芯片。这几种在市场上极为流行。当然也有不少山上的货,产品质量参差不齐。好的可能10+元,差的可能只有0.5元。大家可以到淘宝或者ickey上搜下价格比较。

KNX技术介绍:

KNX采用单线调制技术,调制电压高达7V,这种调试技术,总线速率较低,所有KNX产品均支持9600bps,实际应用中,设备间距离最大为700米。

KNX调制的信号收发信号引脚都有电容隔离,所以很少听说KNX芯片烧毁的情况,抗静电能力较强。

KNX系统内部无需进行任何隔离,与其他系统进行相连都需要做隔离。以保证KNX系统稳定。

KNX系统的通信和供电共用两芯线,供电即代表已联机。KNX设计理念为低功耗,所以一般单设备功耗小于0.3瓦(少数可能会达到0.6瓦)。同时备有额外两芯用于辅助供电。如屏、网关等。

KNX具有载波监听的能力,也称为无损传输,实测3台设备不停地对发报文10万条不丢一包。鉴于这种电路设计KNX中没有主机的概念,纯粹的分布式系统。设备损害、插拔并不会影响整个系统。

目前做KNX芯片的就ON、ELMS、西门子三家,每家的产品都是经过KNX协会认证的,由于技术和专利所限,根本不可能买到假货。

由于KNX设备的供电和通信是共用一组线,所以KNX电源是特别的,普通电源不能直接替换(加一个Choke可将普通电源转成KNX电源输出)

二、总线线缆介绍:

RS485线缆:没有特定种类的线材需求,由于其只使用差分传输信号,故对线材要求不高。不过为了提高抗干扰能力,一般的仍然是采用带屏蔽的线缆,具体需求参考网线,短距离无所谓,长距离就需要带屏蔽。由于通信方式跟网络类似,所以不少RS485线缆可以用网线。

KNX线缆:有专门的线缆,4芯4色0.8mm,红黑黄白带屏蔽,这个线缆也需要KNX协会的认证。工欲善其事必先利其器,大工程中,线缆是保证系统可靠工作的先决条件。KNX的端子和线缆都是特别的,防止插错。

三、设备连接方式:

RS485接口:目前大都采用普通的接线端子,没有极性识别,端子外观相同,不过为了解决这种问题,少数厂家已经定做了专用的4位快速接线端子,以防止插错。因为RS485通信至少2个线,如果需要集中供电,则必须要4根线。

KNX接口:目前都是标准支持快速接线两芯的红黑端子,这两芯基本上是80%以上KNX产品的设计,即两线完成供电和通信,如果额外大电流供电才需要两芯黄白端子。颜色和KNX线缆一致,最大限度保证不会接错线。排查和施工都比较容易,左侧为一般RS485接线方式,右侧为KNX接线端子。

四、应用部分(完成功能):

说实话,没有KNX能实现的功能,RS485实现不了的;也没有RS485能实现,KNX实现不了的。就好比需要到达一个地方,可以选择汽车、火车或飞机。至于哪种可靠,可能更多的设计者自身需求和一些认证需求,比如功率输出器件的电流,按键的寿命次数、继电器的不同等级等等。关于产品认证:对于RS485产品出口的可能需要认证,但是对于KNX产品则必须要进行认证。

以上就是一些硬件方面的比较。我想比较已经很全面了,大家可以对RS485和KNX产品的实体构成大致有了一定了解。

软件篇 

经过了上一篇:硬件比较,想必大家对KNX和RS485之间的实体区别有了理解。接下来介绍软件方面比较。这部分可以说是最重要的区别了。当然为了符合工程师的思维这里分为底层软件和上层配置软件。

一、底层软件软件:

RS485底层软件:

一般的都是自定义的通信协议,采用主从通信方式。有的实现方式参考网络七层OSI模型,有的直接就是底层到应用(这种模型不方便维护)。底层软件是一个系统的最关键的组成部分,它直接决定了这个系统是否健壮。一般公司的底层软件都是个不断更新迭代的过程,在应用中提升,使这个485系统越来越稳定。所以一个公司的485产品的稳定的程度,体现了一个公司的发展历史和实力。一般公司的底层测试遵循企业内部标准,所以公司的实力更决定了一个485系统是否可靠稳定。

KNX底层软件:

KNX协议有一整套协议规范,所有的KNX产品都遵循此规范。它的通信方式是对等无损传输,上面一篇已经介绍。底层软件一般获得两种:外购和自行开发。无论哪一种都有一整套测试流程,其设计参考了网络7层OSI模型中的5层。只有通过KNX测试的底层软件才能进行应用开发,至少这个层次上,整个系统的健壮性已经毋容置疑。部分公司以金钱换取时间,直接外购底层软件,站在巨人肩膀上,可以快速开发出高Bigger产品。稳定、可靠,又兼容。

二、上层配置软件:

RS485配置软件:

没有哪两个公司的配置工具是一样的,不同公司的配置工具可以做的很有特色及人性化。但现场调试工程人员,接触不同公司的485软件,可能都要从0开始,能配置的设备也是限于本公司。由于这个是系统配套软件,所以他的稳定性和可靠性,也是有其公司实力所决定,毕竟一个软件非朝夕所能产出,也是需要反复测试、验证、升级才可以做的稳定。

KNX配置软件(ETS)

这个软件有KNX协会发行,并有KNX国际协会来进行升级维护,软件可以配置所有KNX厂家的产品,也就是说工程人员只要学会了这个软件,那么他就可以通杀所有KNX产品。目前的ETS5已发展到ETS5,界面也十分人性化,同时支持ETS App和ETS插件,KNX厂家可以基于这些功能开发出很多具有特色的功能。

ETS5目前支持KNX TP(双绞线)、KNX IP(网络)、KNX RF(无线)、KNX Security(安全)等等,可以不同介质媒体的大融合。

通过上面的介绍我们可以看出:

一个RS485厂家的核心竞争力在于其软件,毕竟硬件可以相似甚至相同,而软件却不同,它真真实实的反映出一个公司的实力。所以目前基于RS485的一些国际大厂的产品依然活跃在各个工地现场,而且会越来越好,风韵不减!

而KNX呢,它却有着完整的底层软件和配置软件,让产品制造商不再为这两大难题为烦恼,这些厂家可以安安心心的开发出满足客户不同功能的产品。厂家不同功能的产品细分在KNX市场已初现,毕竟没有哪一家公司可以做出满足所有楼控系统的产品。只有大融合才能强强联合,着实的为客户创造价值。

不少人可能会说:一般竞标,也大都是同一家公司产品,很难做到融合。这话其实不假,但是许多大型工程都是要为几十年设计,无论是KNX厂家还是485厂家,都会经过大浪淘沙终沉淀。采用485是绑定厂家,系统与厂家共存亡;采用KNX是绑定产品即可,后期如需更新替换,升级。原有的功能,配置都可以一如既往容易实现。

和下棋一样,用KNX系统进可攻,退可守;用485,用于其全部封闭性,只可攻(如成本),不好守。所以如果选择RS485产品,其实就是在选择好好队友,队友比产品更重要。

标准篇

情景再现:正在一线奋斗的机智的小明突然打电话过来,噼里啪啦盖脸问了一大堆问题:我现在手头有3个窗帘、1个背景音乐、1个温控器、1个指纹锁,他们都是485协议的,怎么用一个RS485转换器转成KNX啊?我说:那么多东西,我现在也没有协议,我不知道怎么搞?小明又问:不都是485协议吗?我觉得好无辜。。。

我相信搞集成的小伙伴们都遇到这样的问题:面对纷乱错杂的485产品,一筹莫展,为了完成特定功能,还不得不用,用起来又麻烦!那为什么会这样呢?这是因为大家都在玩自己的那一摊子事儿。每个人都自定义一个协议,哪怕就是一个485单品,仅仅是预留了控制接口,比如背景音乐,也需要别人写程序跟他对接,而不是他想办法去兼容现有的其他协议。所以一想到对接,头就大了!为了解决485对接的问题,还催生了一个485网关市场,将485转成主流的协议:如KNX、Bacnet等,目前可谓是欣欣向荣。

上面这段介绍,仅仅是指出了目前做工程的苦逼的小伙伴头疼的事儿,跑现场已经够累了,还要想着软件对接,顿时一万头羊驼在心头翻腾着。

好了,现在来看看标准的定义:国家标准GB/T 3935.1—83是这样定义的“标准是对重复性事物和概念所做的统一规定,它以科学、技术和实践经验的综合为基础,经过有关方面协商一致,由主管机构批准,以特定的形式发布,作为共同遵守的准则和依据”。

上面不难看出为什么485没有标准了:一、它没有统一规定,规定怎么用,用在什么场合等;二、它没有主管机构,谁是485的协议层的制定者(人家创建的就不是定义协议的好不好)三、厂家之间也没有协商,有的完全自定义,有的则利用现有的协议。到现在为止貌似没听到有485联盟这个词。最近联盟很流行,我觉得是好事,即使大家不完全按联盟套路来走,但是还是很多人向联盟套路来靠,比如目前比较流行的:ZigBee联盟、z-wave联盟等等。Zigbee的开始也是偏向于技术,现在已经在几个大佬的牵头下走向标准应用,ZigBee联盟也就应运而生。

其实基于RS485这种技术,也有不少公司制定了相关的协议,这种协议目前也有着广泛的应用。下面做下基本的介绍:

Modbus:它由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。在一个系统中它只有一个主机,可以接多达247个从机。Modbus系统目前支持两种模式ASCII(美国信息交换码)和RTU(远程终端设备),这两种模式不能混用。Modbus主要工作机制是主机对从机采用了读写寄存器的方式进行操作和控制,从机之间无法进行彼此通信。目前这套协议广泛应用在抄表系统、空调网关、温控系统中。这套协议也没有标准去定义功能,所以各厂家用这个协议做自己的应用,由于协议格式本身是通用的,网关还是可以做成通用的,比那些起始结束都是自定义AA、55 等等的着实好对接很多。

DMX512:USITT(美国剧院技术协会)发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。目前市面上面流行的舞台灯光设备都支持这个协议,这个协议电气特性基于485,所以也算是485基础上发展出来的一个标准协议吧。DMX512顾名思义是支持512路通道输出,每通道256级亮度,所以它的速度比较快:250kbps。它的工作机制就是刷新式,总线上一直存在数据,一帧接着一帧,毫无空闲。当然DMX512主机也不需要通道的反馈。

以上协议未能囊括目前所主流的485应用,如Bacnet MS/TP也可以跑在485总线上,其他协议大家自行搜索。

未来,硬件会越来越同质化,各方面电气的认证如CE、UL、3C统统都可以实现,就跟现在手机一样,无非就是性能优劣,但是功能都是标配。任何产品到市场普及到一定程度,即使如KNX、LonWorks 、HBS这种依附于专门芯片才能实现的总线系统,其硬件成本也必然会降低。剩下的,还能比啥?就只有比标准了。

关于RS485,生来就是为技术而生,它是为了解决一个现场通信问题,而不是为了应用而生,不是为了实现某些功能(合集)而生。所以市面上,都在用这个非常成熟的技术去实现自己的功能。各顾各,各玩各,不同厂家的功能之间也不需要沟通和交流,需要交流的时候,需要一个中间人(网关)进行协调和翻译!哎,所以从标准上来说我都不知道怎么去介绍RS485,江郎才尽了。但是我真心希望有大公司能牵头干这件事,在485总线技术的基础上定义一些标准的应用接口。比如温控器、背景音乐、窗帘、门锁、等等等等….好期待485联盟的出现!

写了那么多,有点恨铁不成钢的感觉,RS485技术,处于现场总线中比较特别位置,很流行,但也不强大;谁都能做,但是也不是谁都能做(有点绕,自己解读)。

下面介绍KNX,突然有种如释重负的感觉,估计得益于KNX的技术和成熟的协议标准。介绍KNX和RS485的标准,就跟一个是在吃自助餐,一个在吃快餐。KNX,不用考虑选择在哪儿吃,你只要进来考虑想吃啥就可以了;RS485你还要考虑到哪儿吃,好不好吃,看到菜牌,喏,就这么多,你自己看着办吧!

目前国内做任何一个行业的都有标准,一般标准有三种:GB/Z,指导性标准;GB/T,推荐性标准;GB,强制性标准。

无处不在的标准文件

KNX这个标准,最早是在欧洲流行,所以在欧洲很早就已经有了相应的标准号:EN50090《住宅和楼宇电子系统(HBES)》;在中国KNX协会的推动下,这个标准在2007年转变成国家指导性标准:GB/Z 20965-2007;随着时间的发展,在2013年又进一步转化成国家推荐性标准:GB/T 20965-2013。从字面上不难理解:当你进行住宅和楼宇电子系统设计时,从国家指导文件,推荐采用KNX系统。2016年,欧洲的KNX协会又更新KNX RF、KNX Security、KNXWebservice。在2016年底,中国KNX协会召集了目前几家国内做KNX的厂家以及国外的KNX厂家,讨论了如何快速的进行原有GB/T 20965-2013进行修订的会议。2018年6月进行再次商讨。

基于KNX技术的HBES的国家标准文件,有兴趣自行搜索和阅读。

KNX标准,指导了整个KNX产品的开发,测试,认证的过程,同时包括布线、安装、调试等诸多方面。让制造商有标准可循,开发出既符合标准又能体现差异化的KNX产品,技术又可以与时俱进;让工程商的工程人员有章可依,对于建立稳定的现场总线系统有极大的作用。

本篇到此结束。从标准上来说RS485,这确实是很不公平。这里我只是从个人角度解释一些小伙伴心中的疑惑:为什么那么难对接?“485协议”又是什么梗?相信经过了以上的描述,能够为你在未来的产品选择和应用中提供更多的帮助。如果你发现有本内容与实际有偏差的地方,也可以关注留言。

产品篇

本篇是RS485 VS KNX中的最后一篇,目的也就是在未来应用中能够为读者提供点帮助。

一、485产品

RS485是一种很成熟的技术,如果说带有485接口的都算是485产品,那么相信485产品应该占到工控类产品的7成以上市场。作为485的产品一般理解为两种:

功能性应用的产品:

这类产品是完成一种特定功能的带有485接口。这类产品一般都是特定领域中厂家所开发的,一般可以满足单体式的应用,因为配有485接口,也可以完成扩展的系统的应用。比如:电表、背景音乐、门禁系统、温控器、遮阳系统等等。一般这类产品是基于Modbus的居多,也有厂家自定义的协议。当然基于DMX512的舞台灯控设备不能完成单体式应用,但是它已有标准协议可以容易集成到DMX512系统中。这类产品的应用是单兵作战,靠集成商来完成系统级别的应用,一般做工程的人头疼的就是这类产品的对接。

系统性应用的产品:

目前基于485技术的楼控系统厂家,他们推出的产品都是这样的。如快思聪之类厂家,他们的产品是为整个楼控系统提供解决方案,也就是这类产品通常不能作为单体应用。一个厂家可以几乎可以提供楼控系统中需要的绝大多数产品,从面板到执行器、从温控器到遮阳系统、从配置软件到调试工具、从小系统应用到大系统拓扑等等。这类厂家的一般产品线都很长,因为他们作为一个私有的协议,他必须要从各个功能产品方面去完善自己的系统,所以这类厂家的产品一般可以广,但不一定专。这类厂家都具有一定的历史沉淀,如果一个厂家2/3年搞出一套系统,要么就不要尝试着去使用(稳定性?);要么就是基于现在已有的系统,换个外壳重新包装而已。因为基于485技术搭建出来的系统(系统稳定、产品应用、配置调试)的稳定性,就看这个厂家的态度了!就怕认真,这条在485厂家上也适用!

这类系统出现的原因就是,楼控系统中本来就是没有什么标准的,但是这个行业又需要产品去解决实际需求,早些时候都是些国外厂家的产品,后来国内厂家的技术也紧随其上。可以简单理解485系统的发展史,就是楼控系统的发展史(485产品大都跟建筑打交道)。因为它看起来最合适做小的、做大的、做系统的一种技术,同时简单、便宜、可靠。当然后面还有CAN总线系统,目前其实还是逊色485不是一点两点。

这类产品,你可以去找任何一个提供楼宇控制完整解决方案的基于485技术的厂家来获取。看看他们的产品手册,或许你可以发现,楼宇控制系统中需要哪些产品(因为他们产品太多啦)。

二、KNX产品

相较于485的产品,KNX产品就少了一些,原因:一、KNX技术没有485那样广泛,同时KNX主要起源于欧洲,做KNX厂家本来就不多;二、做KNX产品前期投入,对于部分做功能性产品的厂家是一笔不大不小的支出,所以目前通过认证的KNX产品应该刚超过万个。上万个KNX产品,也应该可以解决了楼宇控制中的各种应用了。只要走了KNX这条路,不管你认不认真,你都得按标准来走,出来的产品都不会太差。

从技术选择上说,KNX技术应该是最合适做功能性产品的厂家的选择了,KNX几乎定义了楼宇系统所有应用的数据类型。比如温控、遮阳、音乐控制、能源计量等等。任何一个基于485技术的这类产品,只需要换个接口,换个软件便是标准的KNX产品,随即都可以跟成千上万的KNX产品互联互通起来,再无对接的烦恼。

国内的做KNX产品的厂家目前也大都提供楼宇控制系统的基本设备,如执行端、面板、部分传感器等等。目前国内细分市场的485厂家还未全面进入KNX领域,比如国外有了基于KNX的背景音乐模块、能源计量模块、各类传感器模块等等,但是价格较高,但是国内鲜有厂家进入,为了降低成本有的工程还是得采用对接485的形式来完成。

在KNX产品中,在不考虑厂家的情况下,你可以找到任何你所需要功能的产品。本着做精做专的原则,期待更多的细分功能的厂家能加入这个开放性的系统中来,让KNX系统越来越强大!对于485类的产品来说,希望如果有哪个大佬可以定义一套485的标准(协议),如同KNX协议中定义了详细的功能数据类型,让不同的485厂家的产品能够彼此相认,发展一套属于国人的标准出来。无论是KNX还是485,没有谁强谁弱,存在即有合理性,在一定时期内,它们必然会继续活跃在自己的那一份市场内。未来,我可能更看好KNX标准,还是会让大家玩的更HI一点!

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