技术解读:KNX技术应用在2019年的新发展

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智能控制在建筑领域是一个非常普及的控制系统,一个符合时代和趋势的行业技术标准,不可否认地会大大加快一个行业的发展。KNX是一个国际化的住宅、大厦控制标准,应用于家庭、楼宇控制已经有近30年的历史。国内“KNX系统”概念起源于二十世纪90年代末,进入中国已经有20多年的时间。

如今重新从智能家居角度看KNX技术,整个市场的环境需求已经时过境迁,KNX从中高端应用到普通民用市场,开始应用于百平的普通居家空间内。过去的十年间,整个智能家居的定义已经发生了很大变化,对于KNX老朋友而言,与时俱进带来更多的功能应用,又将会有哪些改变?

目前智能家居集成项目仍然比较多地集中在高端住宅和公建项目当中,而系统稳定、功能延展性丰富的总线产品无疑在前装项目上拥有得天独厚的优势,众多智能家居行业人与消费者,都在见证KNX在新市场环境中的快速成长,本期《智能家居》杂志邀请了国内外KNX产业链企业和嘉宾,共话国内的KNX技术应用生态。

总线技术

从智能家居系统的技术标准来说,有线技术可以说是智能家居的鼻祖,市场上比较有影响力的总线技术包括RS485、KNX、CAN、C-Bus、SCS-BUS、LonWorks、Modbus等,其优势在于技术成熟、系统稳定、可靠性高,应用也比较广泛。

总的来说,总线系统需要一种标准,或者有一个大部分设备厂家都能认可并采用的“语言”,即控制协议,牵涉到自动控制领域中的“现场总线技术”,要求控制与智能“本地化”与“模块化”,让控制系统的传感器与控制器都具有独立的运算、处理、发送信号的能力,相互独立又相互联系,构成一个控制网络的“Internet”。

KNX协议标准及优势简介:国际化是KNX制胜的关键点

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传统智能系统体系中,无论是声名远扬的美系智能品牌,还是近年来雨后春笋般盛发的国内无线系统,因为协议的纷杂,都受困于品牌之间的无形壁垒,在不同功能实现中无法采用取长补短的方式强强联合,无论用户还是安装商都被这种单一的选择束缚了手脚。

1990年5月8日,以ABB、SIEMENS、MERTEN、GIRA、Hager等共七家欧洲著名的电气产品制造商为核心组成联盟,制订了欧洲安装总线规范(European Installation Bus),成立了中立的非商业性组织EIBA(European Installation Bus Association,欧洲安装总线协会)。

KNX是Konnex协会,总部位于布鲁赛尔,基于EIB(欧洲安装总线)协议于1999年提出并制定的新一代协议总线标准,是智能家居、智能建筑行业唯一的开放式国际标准。KNX标准目前已被批准为欧洲标准(CENELEC EN50090&CEN EN 13321-1&13321-2)、国际标准(ISO/IEC 14543-3)、美国标准(ANSI/ASHRAE 135)和中国指导性标准(GB/Z 20965),已经成为“HBES技术规范-住宅与楼宇控制”的国家标准化指导性技术文件,同时KNX也是家居和楼宇控制领域唯一的开放式国际标准。

KNX协议是自动化流派的智能家居标准,源于工业自动化和建筑自动化。KNX总线是目前世界上适用于家居和楼宇自动化控制领域最主流的开放式国际标准,1999 年由 EIBA (欧洲安装总线协会) 、EHSA (欧洲家用电器协会) 和 BCI (BatiBUS 国际俱乐部)三大协会联合成立。KNX 协议以 EIB 为基础,兼顾了 BatiBus 和 EHS 的物理层规范,并吸收了 BatiBus 和 EHS 中配置模式等优点,提供了家居和楼宇自动化的完全解决方案 。

KNX以其优越的性能和质量获得了很大的成功。2007年,被中国控制网络HBES技术规范住宅和楼宇控制系统吸收为国家标准GB/Z20965-2007,KNX技术于2013年又被批准为推荐性中国标准GB/T 20965-2013,做符合中国市场的调整,能够更好地应用于中国市场,同时也是国际标准ISO/IEC14543-3。

成果斩获

如何打通品牌区隔,成为构建智能家居生态圈目前最关键的问题。“兼容并包”正是KNX与其他系统最大不同和强大之处。KNX最大的特点是互联互通,KNX认证厂商间的产品都是互相兼容的,KNX在产品兼容性上是其他智能体系无法比拟的,例如可以选择一家的面板,再选择另外一家的执行器。

KNX兼容性强,应用KNX技术的厂商、品牌、产品之间可以进行无缝稳定对接。目前覆盖全球四十多个国家,拥有470家会员(会员是开发家居和楼宇控制系统设备的制造商。后来集成商或服务供应商也可成为 KNX 会员),包含8000个互操作产品设备,几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要,全球拥有470个KNX培训中心,全球超过190个国家使用KNX,为用户解决了未来售后之忧,同时,KNX可以通过与其他协议和网关的对接,提升应用场合的扩容性,并且可以与目前的主流协议Wi-Fi、DALI、Zigbee、BLE、RS485、etc等进行连接通信,降低总体系统的价格,增加性价比。

KNX协会的业务范围

由工作组及专家组制定检测标准和质量标准(KNX 技术规范)。

  • · 为 KNX 兼容设备制造商提供技术支持服务。
  • · 基于 KNX 认证规范授权KNX商标。
  • · 组织国家和国际标准化活动
  • · 推广认证培训中心的培训课程
  • · 促进国家组织成立
  • · 推进与技术机构的科研合作
  • · 旧系统的进一步规范化/推广/认证工作

此外,KNX 协会还将继续为 Batibus,EIB 和 EHS 等旧系统提供技术支持,也提供按照以前标准进行的认证服务。EIB 向后兼容 KNX,因此,大多数设备既可以标贴 KNX 又可以标贴 EIB 标志。

KNX的特点:稳定、安全、开放兼容

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通过中立的认证确保交互性,KNX标识确保不同厂家和应用产品之间的交互性,ISO 9001是所有KNX制造商必须达到的标准,KNX只使用一个工程软件ETS,独立于厂商、设备和应用,可以用于设计、配置、诊断所有KNX认证设备,可使用应用程序来扩展工具,KNX可以用于各种应用程序,照明控制、空调控制、安防控制、供暖控制、能源管理、烟火探测、音视频控制、家电控制、计量、百叶窗控制等。

KNX/EIB系统是目前世界上最先进、应用最广泛的总线控制技术之一。该系统通过一条总线将所有的元器件连接起来,每个元器件均可独立工作,同时又可通过中控电脑进行集中监视和控制。通过电脑编程的各元件既可独立完成诸如开关、控制、监视等工作,又可根据要求进行不同组合,从而实现不增加元件数量而功能却可灵活改变的效果。

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综合来看,采用KNX/EIB总线标准搭建的系统有以下特点:传感器(例如智能面板)与驱动器之间用单根双绞线连接(DC24V控制电压),可采取串接连接或菊花链式连接,每个智能元件之间都可互通信息;由传感器发出指令,相应的驱动器执行动作,输出一个或一组触点,以实现对灯光等用电设备的控制。

KNX/EIB总线与传统控制不同,传感器和驱动器之间的对应控制关系不是通过各种复杂的线缆连接实现,而是通过该系统专用的ETS编程应用软件进行定义、组合,再通过接口下载到每个元件。KNX通过一条总线将各个分散的设备连接并分组和赋予不同的功能;系统采用串行数据通讯进行控制、监测和状态报告。KNX是基于事件控制的分布式总线系统,只有当总线上有事件发生时和需要传输信息时才将报文发送到总线上。

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技术架构

KNX 拥有可由厂家独立设计和测试工具 (ETS);提供多种通信介质 (TP, PL, RF 和 IP);提供多种系统配置模式(A,?E, S 模式)。

KNX总线硬件架构

KNX总线元件分为三类:

● 控制器

● 传感器

● 驱动执行器

控制器则负责传感器与执行器之间的交互(例如,逻辑模块)。若为 S 模式兼容 KNX 设备,则(通过 ETS)为总线耦合器加载了应用模块合适的应用程序之后,该设备就可以获得自身的具体功能。总线耦合器上安装的 S 模式兼容 KNX 按钮,在通过 ETS 为该设备编制了合适的应用程序之后,仅能产生调光信号。

传感器负责探测建筑物中的开关的操作,或光线,温度,湿度等信号变化,例如智能面板人体感应、光感、温控面板等。如果是传感器,则应用模块可以将信息传送给总线耦合器。总线耦合器对这些信息数据进行编码,并将其发送至总线。此后,总线耦合器会在合适的时隙检查应用模块的状态。

驱动执行器器负责接收传感器传送的信号并执行相应的操作,如开关,调节灯光的亮度,控制窗帘开合,空调开关等。如果是执行器,则总线耦合器负责接收来自总线的报文,对它们进行解码,并将解码后信息传送给应用模块。

通信模型

KNX技术的通信模型采用五层结构:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。KNX物理层支持TP1(双绞线)、PL110(电力线)、RF(射频)和Ethernet(以太网),其中TP1介质应用最多。数据链路层实现总线设备之间的数据传输,并解决网络中的通信冲突问题。

对于小KNX系统中的总线设备,网络层的功能很少,只是完成了传输层和数据链路层的通信映射功能。大型KNX系统中有耦合器类产品,作用是在网络层完成路由功能和跳数(hop)控制功能。传输层完成设备之间的传输,有四种传输模式:点到点无连接,点到点有连接,广播和多播。

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KNX传输介质主要是双绞线,比特率为9600bit/s。总线由KNX电源(DC24V)供电,数据传输和总线设备电源共用一条电缆,数据报文调制在直流电源上。

KNX总线设备是通过报文传输信息。设备发送报文后会收到应答,发送设备。若收到NAK(接收错误)确认时,通常会重复发送报文三次;若收到BUSY(总线被占用)确认,发送总线设备将会等待一个短时隙,此后重新尝试发送报文;若发送总线设备未收到确认,则最多重复发送该报文三次,此后,终止发送请求。KNX技术应用CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)和报文优先级来控制介质访问。KNX系统采用单元地址化结构设计,分为物理地址和组地址。

配置模式

KNX系统有三种配置模型:A-Mode(自动模式)、S-Mode(系统模式)和E-Mode(简单模式)。

S-Mode: A 模式是一种最简单的配置模式,一般适用于功能已经确定的设备。当这类设备与系统的通信介质相连接后就能自动完成配置,因此没有操作经验的用户也可以使用。这种配置模式适用于家用电器和娱乐电子设备,使用者不需要经过任何培训。但是目前在市场上尚没有此类成熟的产品。

S-Mode:该配置机制是为经过良好培训的KNX安装者实现复杂的楼宇控制功能。一个由“S-Mode”组件组成的装置可以由通常的软件工具(ETS专业版),在由S-Mode产品制造商提供的产品数据库的基础上进行设计,ETS也可以用于连接和设置产品(即设置安装和下载要求的可用参数),“S-Mode”提供给实现楼宇控制功能的最高级别的灵活性。采用这种模式既可以进行中小系统的配置,也可以完成大型建筑物中复杂系统的配置。

E-Mode:E 模式一般需要通过中央控制器或操作设备上的编码盘和按钮进行配置,和S-Mode相比,“E-Mode”兼容产品只提供有限的功能。E-Mode组件是已经预先编程好的并且已经载入默认参数。使用简单配置,可以部分的重新配置各个组件(主要是它的参数设置和通信连接)。采用 E 模式配置设备在功能范围方面有一定的限制性,比较适合于中小规模的系统。但是操作时不需要 PC 机和 ETS 工具软件,该配置机制是针对经过基本KNX培训的安装人员,操作者只要阅读有关技术资料或经过简单的培训就可以完成设备的配置和调试。

ETS软件是系统设计、编程和调试的工具软件。KNX系统的构建和各种参数设置都需要ETS软件。ETS软件安装好后数据库是空的,需要将各个制造商产品的参数导入数据库;KNX认证过的产品应当会有光盘之类的介质存储相关的产品信息。

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KNX总线设备结构图

由上图可知KNX总线设备主要由三部分组成。总线耦合单元主要由两部分组成:控制器和收发器,这也是硬件设计的地方。总线耦合单元有自己的MCU并集成了KNX协议栈;BCU会提供已定义的API(应用程序编程接口)函数,供AM通过PEI(一般是串口通讯)调用。KNX总线设备的BCU硬件都是相同的,一个总线设备的功能是由AM模块的应用程序决定。
由BCU和AM可决定总线设备可以是一体或者分离结构。“一体结构”的通信部件和应用部件不可分离,不需要PEI(物理外部接口)。“一体结构”产品的总线耦合功能和应用功能是由一个MCU实现;“分离结构”的产品其总线耦合功能和应用功能由不同中央处理单元分别实现。我们的KNX网关应该是分离结构的,设备由BCU和AM组成;还要加入以太网等通讯协议。如果需要中央管理功能,可以通过在PC或触摸屏上安装监控软件来实现。

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KNX系统原理示意图

KNX总线设备主要分为执行器和传感器,如果KNX系统网络较大还需要耦合器路由器。

拓扑结构

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在KNX系统中,总线接法是区域总线下接主干线,主干线下接总线,系统允许有15个区域,即有15条区域总线,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,这主要取决于电源供应和设备功耗。

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KNX系统拓扑结构

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KNX系统拓扑结构

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KNX系统拓扑的层次结构是:线路、干线(域)、主干线。

KNX采用分层结构,分为域和线路;一个系统有15个域,每个域有15条线路,每个线路有64个设备。大型KNX网络中支线/干线耦合器(路由器)和中继器是构建整个网络的关键设备。

线路

线路是KNX系统最小的单元,可接64个设备;实际可连接的设备数量应取决于总线电源和设备耗电。每条线路最长1000m。每条支线可以连接64个总线元件,一个域包含15条支线。

干线(域)

KNX系统可以有15条线路通过线路耦合器(路由器)连接到主线路,一个域可以连接 15×64 个总线元件。

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KNX系统拓扑结构

主干线(多个区域)

总线可以按主干线的方式进行扩展,干线耦合器 (BC) 将其域连接到主干线上。干线可通过干线耦合器(路由器)组成多个区域,一般情况下一个KNX系统可接14400(15*15*64)个总线设备。一般KNX系统线路和干线都采用KNX通讯。
KNX总线耦合器负责发送、接收和存储数据,总线设备需要处理的信息,设备的物理地址,一个或几个组地址,应用程序和相关的参数,经过总线送到总线耦合器,总线耦合单元中的微处理器是耦合单元的,大脑负责协调总线设备的各项功能,当出现故障或电源失效时,总线设备会进入预先设置好的应对状态,数据则保存在总线设备中,当故障排除或电源恢复后,总线设备会进入预定的恢复程序。

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基于IP网络的KNX系统

大型KNX网络在主干线上可以采用以太网通讯,这样可以提高系统的通信速率;在干线上用以太网通讯,干线和线路的耦合采用的是IP/KNX网关,线路用KNX通讯。这样的系统在干线网络中可以有大量的状态信息。

两个KNX系统可知耦合器(路由器)的作用,干线耦合器和线路耦合器作为网络的节点,作用是为数据传输找到合适的路径和切换链路,确保数据包到达目的地;另外对系统线路中的信号进行过滤后才能进入到干线中,这样可以增加干线的通讯速率。耦合器(路由器)使用两种不同的路由机制,对于组地址寻址,使用一种过滤算法;对于物理地址寻址,通过解释接收帧的物理地址进行路由。耦合器接收到的组地址只要包含在该过滤表内,就可以被路由;这样可以保证各个线路独立工作。

有的大型设备在线路中还会增加中继器,中继器没有物理地址,不具有过滤特性,只是确认接收到数据链路层上的帧,并在中继器的另一侧发送已接收到的帧;这样可以增加线路的长度。

拓扑结构总结

系统最小的结构称为线路,一般情况下(使用一个 640mA 总线电源)最多可以有 64 个总线元件在同一线路上运行。如有需要可以在通过计算线路长度和总线通讯负荷后,通过增加系统设备来增加一条线路上总线设备的数量,最多一条线路可以增加到 256 个总线设备。

一条线路(包括所有分支)的导线长度不能超过 1000m,总线装配与最近的电源之间的导线距离不能超过 350m。为了确保避免报文碰撞,两个总线装配之间的导线距离不能超过 700m。

接线方式结构

KNX 系统的接线结构,可有以下几种方式:

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总线型,或称为串联连接

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星型连接

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树型连接,或称为复合型连接。

在同一条支线中,所有分支电缆总和不超过 1000 米;总线元件之间最远不超过 700 米;电源到总线元件最远不超过 350 米。

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模块安装示意图

KNX系统通信基本解释

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KNX基本线路工作示意图

KNX地址类别:物理地址和组地址

上图中工作流程如下简述:当物理地址(PA)为1.1.1的开关按下后会发生,包含组地址(GA)为5/2/66、操作值“1”的报文;在线路中的所有总线设备都会接受到这个报文,但只有相同组地址的总线设备才会执行。

在KNX网络中根据系统的等级结构和应用模块的功能赋予每个总线设备相应的物理地址(用于识别总线设备和反应在网络中的拓扑位置)和组地址(用于连接传感器和执行器的功能)。物理地址是KNX系统中总线设备的唯一编码,它由域地址、线路地址和设备地址组成;物理地址在系统中用于对设备进行管理和配置。组地址是功能相关的地址,在系统中并不唯一;因此总线设备根据功能分配有一个或多个组地址,可进行“多控一”或者“一控多”操作。在KNX系统各种功能应该是靠组地址实现;物理地址在系统中主要用于程序下载(通过ETS软件)、诊断、排错等。

报文结构

当KNX系统有事件发生,总线设备就会向总线发送报文。经过长度不短于T1的总线空闲时间之后,开始进行传输;报文传输完成之后,总线设备将使用时间T2检查报文是否已被成功接收。如果没有总线设备来应答,发送的报文会被重复。报文发送后会收到报文传输时间如下图所示:

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标准报文结构图

A、控制字段

上图中A表示报文是否重复,BB表示报文的优先级。

B、源地址、目标地址

报文中源地址只能是物理地址,表示报文发送设备自身所在的域和线路;目标地址可以是物理地址或者组地址,它定义了通信的接收对象,可以是一台或者多台设备,也可以是在同一条线路或者不同的线路中。目标地址的第17位可由接收方可以判定目标地址为组地址还是物理地址。若为“0”,则目标地址为物理地址仅对总线中一个设备进行寻址;若为“1”,为组地址,对总线中所有相同组地址的设备寻址。

C、路由计数、长度

该字节除了包含LSDU(链层服务数据单元)数据的长度还包含一个bit的标志表明地址的属性,以及3个bit的路由计数信息。数据长度是指报文中实用数据字节的长度。同时在每一个数据报中包含一个3bits的路由计数器。一般总线设备计数器的初始值为6,每经过个总线耦合器、线路耦合器和中继器等都减一,当这个计数值减为0时,这个报文就被丢弃,因而避免了死循环的问题。

D、实用数据

实用数据的长度根据应用的不同而改变,最少为2字节,最多为16字节。包括各种开关、调光、读写地址命令。

E、校验字节

检测数据采用校验位(字符校验)和校验字节(报文校验)的形式传输,用于检测报文传输错误。

报文中的每个字符均执行偶校验,报文中全部字符的每一个位位置均执行奇校验,字符校验和报文校验相结合。

编码方式

KNX以双绞线作为传输介质时,“0”和“1”两个逻辑状态采用一个bit位表示;逻辑“0”有调制信号到总线上(有6-9V的电压下降),“1”期间的发生器被禁用没有调制信号,总线上只有直流信号。因此,逻辑“0”的优先级高于逻辑“1”。

介质访问控制

KNX采用CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)技术。为了发送报文,总线设备必需首先侦听总线,如果在前一帧间隔时间内在媒体上没有检测到活动,那么可以立即开始传输;否则应当等待总线上的报文传输完成。在检测到总线空闲之后,可能会有多个总线设备同时开始传输会发生碰撞。因此,KNX的报文结构中有优先级机制,优先级高的先发送;当报文优先级相同时应再根据报文中的的物理地址(发送报文设备的自身物理地址)决定发送先后顺序,物理地址低的先发送。发送期间,总线设备应监测总线;当发送逻辑“1”的总线设备监测到逻辑“0”(总线上有电流)时,当前设备应停止发送让位于其它设备。

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KNX总线电压和逻辑电平

频率调制

在无线 KNX 系统中一般采用频率调制法或移频键控(FSK)进行调制。以载波频率(或中间频率)为基础,正反两个方向发生偏移的频率分别代表逻辑“0”和逻辑“1”。无线 KNX 系统的中间频率为868.30MHz,信息的传输速率为16,384bit/s,并按照曼彻斯特编码方式调制,即从“0”到“1”(或相反)的变化沿位于调制脉冲的过零点。

采用这种编码方式可以调整同步信号,使得发放设备和接收设备比较容易同步。无线 KNX 系统的传输频率处于工业、科学和医学应用频道(ISM频段),在这个频段对不同应用领域的频率范围有严格的规定。无线KNX 设备最大的发送功率为 12mW。每一台设备发送信号的时间(或称负载周期)为 1%,即每分钟有 0.6 秒的发送时间。由于有严格的发送时间限制,不可能有某台设备连续发送信号而造成无线通信网络的阻塞。

传输技术特点总结

  1. · KNX/EIB 是一个基于事件控制的分布式总线系统。
  2. · 系统采用串行数据通讯进行控制、监测和状态报告。
  3. · KNX/EIB 的数据传输和总线装置的电源共用一条电缆。
  4. · 报文调制在直流信号上。
  5. · 一个报文中的单个数据是异步传输的,但整个报文作为一个整体是通过增加起始位和停止位同步传输的。
  6. · KNX/EIB 采用 CSMA/CA(避免碰撞的载波侦听多路访问协议〕,CSMA/CD 协议保证对总线的访问在不降低传输速率的同时不发生碰撞。

KNX的安全性

2018年是KNX安全年,KNX国际协会推出了KNX Secure安全技术标准。它的安全机制采用了目前最高等级的安全加密算法国际标准AES128。最新的KNX Secure已广泛应用于大多数KNX制造商的总线设备中,从硬件、软件等方面对智能家居实现过程中可能出现的黑客、网络病毒等进行了很好的隔断和预防,使得智能家居技术在实现的同时安全得到充分保障。目前KNX安全标准转化成中国国家标准已基本完成,现正等待中国国家标准化管理委员会的审批,预计今年获得批准并正式发布。

KNX发展展望

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KNX企业名录

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*其他企业见KNX官网名单

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