0 просмотров

Что такое шина knx

Основа единства «умного дома». Обзор стандарта KNX

История развития

У KNX богатое прошлое. Начнем с того, что в основе стандарта лежит шина EIB (European Installation Bus), которая появилась еще в начале 90-х годов. Основные принципы, используемые в работе KNX, были сформированы уже тогда. К концу века EIB являлась явным лидером в своей области, однако у нее имелись достойные конкуренты. Речь идет о шине Batibus, получившей распространение на юге Европы, а также о стандарте EHS (European Home System), приглянувшемся производителям бытовой техники. Три консорциума, ответственных за продвижение EIB, Batibus и EHS, решили объединить усилия для разработки нового, более совершенного решения. В результате в 1999 году на свет появилась «Ассоциация KNX».

Сам стандарт KNX был представлен весной 2002 года. Как оказалось, около 80 процентов разработок, лежащих в основе новинки, было позаимствовано у EIB. От двух других «доноров» дебютанту достались механизмы задания настроек и новые способы передачи сигналов. По этой причине, EIB и KNX часто приравнивают, нередко шину называют «EIB/KNX». В конце 2003 года разработка была оформлена в качестве европейского стандарта EN 50090, а еще через три года она приобрела статус международного стандарта ISO/IEC 14543. Другими словами, KNX успешно применяется и за пределами Европы.

В чем преимущества стандарта? В первую очередь, он славится своей надежностью: несмотря на наличие сразу нескольких сред передачи данных, основные компоненты KNX-систем обычно объединяются воедино с помощью специальных кабелей, причем в системе предусмотрен механизм подтверждения получения пакетов, то есть если команда не дошла до цели, то она отправляется повторно (не более двух раз). Конкуренты в лице Z-Wave и ZigBee, использующие радиоканал, считаются менее надежным вариантом, ну а про Х10 даже говорить неудобно — здесь все печально. Другой очевидный плюс проводного соединения — возможность размещения оборудования на значительном расстоянии друг от друга. Также следует отметить, что KNX-устройства не испытывают проблем с совместимостью, чего нельзя сказать, например, о продукции с шилдиком ZigBee. Еще один довод в пользу KNX — гибкая масштабируемость. Стандарт можно одинаково успешно использовать как в частных домах, так и больницах или аэропортах. Кроме того, в отличие от Z-Wave или Insteon, у этого решения нет жесткой привязки к аппаратной платформе — физическая реализация связи с передающей средой целиком лежит на плечах производителей оборудования.

Недостатки у KNX тоже имеются: данный продукт ориентирован на профессиональные системы автоматизации, проектировкой и установкой которых занимаются компании-интеграторы. Самостоятельный монтаж KNX-сети является весьма сложной задачей, и потому использование Insteon или Z-Wave, как правило, более оправдано. С точки зрения объема затрат, в основном.

Аппаратная часть

Компоненты KNX-сети можно разделить на три основных группы. Первая из них состоит из устройств, генерирующих управляющие команды. Это могут быть выключатели, контрольные панели, различные сенсоры и таймеры, а также датчики измерения физических величин. Вторая категория — это актуаторы, то есть исполнительные устройства. В их число входят релейные модули и различные регуляторы — например, диммеры. Третью группу образуют вспомогательные системные устройства, такие как блоки питания, повторители, логические модули и интерфейсы, обеспечивающие связь с внешним миром. Следует отметить, что сеть KNX является децентрализованной: сенсоры и актуаторы могут обмениваться данными напрямую, без участия дополнительного контроллера. В этом плане стандарт схож с Insteon.

Стандарт KNX предусматривает сразу четыре среды передачи данных: отдельная шина (витая пара), электропроводка, радиоканал и IP-сеть. Нельзя сказать, что они равноправны: как правило, витая пара стоит во главе, а остальные варианты являются вспомогательными либо отсутствуют вовсе. Шинное соединение позволяет использовать различные варианты топологии сети и объединять большое количество устройств, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.

В самом простом варианте проводная сеть KNX представляет собой сегмент с топологией «линия». Он может включать в себя до 64 шинных устройств. Максимальная длина одной линии составляет километр, но с помощью специальных усилителей это значение (а также предельное число устройств) можно увеличить в четыре раза. Каждый сегмент обязан иметь собственный блок питания. До 15 линии могут быть подключены к так называемой главной линии и объединены тем самым в «зону». В свою очередь, зоны (до 15 штук) умеют общаться между собой посредством магистральной линии. В итоге, одна KNX-сеть, теоретически, может содержать около 58 000 шинных устройств.

Скорость передачи данных внутри проводной KNX-сети составляет около 9600 бит/с — скромно, но за счет малого объема транслируемых сообщений (несколько байт) этого хватает для обеспечения хорошей отзывчивости: среднее время отклика на команду составляет всего 25 мс. Для передаваемых пакетов задается приоритет, что помогает решить проблему возникновения коллизий. Следует отметить, что в такой сети используется сразу два вида адресов — физические и групповые. Последний вариант используется в тех случаях, когда одну команду необходимо отослать сразу нескольких устройствам — он определяет принадлежность гаджета к той или иной условной группе. Физический адрес у элемента сети всегда один, а вот групповых может быть несколько.

Беспроводная версия KNX использует частоту 868 МГц, при этом на передачу сигнала от отдельных устройств тратится не более одного процента эфирного времени, что позволяет избежать длительных помех, блокирующих радиоканал. Максимальная скорость передачи данных — примерно 16 400 бит/с. Гаджеты с однонаправленной связью отсылают пакеты незамедлительно, двунаправленные варианты предварительно проверяют, свободен ли радиоканал. Сообщения, передаваемые «по воздуху», помимо всего прочего, содержат такие данные, как уровень заряда батареи и серийный номер устройства. Последний позволяет избежать проблем при использовании нескольких радиосетей на одной территории. По радиусу покрытия KNX сопоставим со своими прямыми конкурентами, при этом дальнобойность на отдельных участках может быть увеличена с помощью специальных повторителей.

Возможность использования электропроводки в качестве передающей среды предусмотрена для тех случаев, когда прокладка нового кабеля затруднена, а радиосигнал не распространяется на достаточное расстояние. Технология позволяет добиться скоростей порядка 1200 бит/с. Следует отметить, что этот вариант не пользуется популярностью, и в практических реализациях он встречается редко. Что касается такой среды, как IP-сеть, то она применяется для туннелирования и маршрутизации KNX-команд путем их преобразования в IP-пакеты. Данная возможность особенно полезна в тех случаях, когда взаимодействующие устройства располагаются на значительном расстоянии друг от друга.

Настройка системы

Устройства KNX недостаточно просто объединить между собой — их после этого необходимо еще и настроить. До недавнего времени стандарт предусматривал три режима конфигурирования системы — A-mode (Auto), E-mode (Easy) и S-mode (System). Первый вариант — самый простой и создавался он как раз для новичков, занимающихся самостоятельным монтажом. Предполагалось, что A-mode позволит автоматически объединять устройства, функции которых имеют однозначную привязку друг к другу. Единственные действия со стороны пользователя — подключение гаджетов к среде передачи данных и выбор предопределенных параметров. Увы, A-mode «не взлетел», и от него, в конечном счете, отказались.

Умный дом — теория и реализация на базе шины KNX


В предыдущей статье я осветил само понятие умного дома, теперь же поговорим о его реализации. Для удобства рассмотрим две возможности: создание умного дома уже после ремонта, и интеграция умного дома в квартиру во время ремонта.

Создание умного дома в готовой квартире

И так, ремонт уже сделан, и вам хочется сделать свой дом чуточку умнее. Увы, многое реализовать уже не получится — централизованной системы управления не будет, все умные приборы будут работать отдельно.
Начать можно с умных розеток:

Что же они из себя представляют? Это устройства, которые вставляются в обычную розетку и умеют контролировать ток и напряжение на выходе. С их помощью можно, например, включить настольную лампу, обогреватель, кондиционер, чайник и т.д. Такие розетки имеют в себе GSM-передатчик, поэтому управлять ими можно и вне квартиры, прямо с телефона.

Второе, что можно сделать — это купить умный электроприбор, умеющий работать через приложение для мобильного телефона или с пульта. К примеру, чайник от Xiaomi:

Или умная лампа:

Все подобные устройства управляются дистанционно, но, увы, не централизовано — для каждого устройства потребуется отдельный пульт или приложение, что не очень удобно.

Ну и третье: если вы разбираетесь в электрике, то можно сделать систему дистанционного управления светом по радио. Для этого вам потребуется электронный коммутатор и пульт для удаленного управления. Для установки коммутатора придется разобрать нужный выключатель и впаять его в цепь, после чего собрать выключатель обратно (сам коммутатор маленький и в выемке для выключателя без проблем поместится) и подружить с пультом для удаленного управления. Возможностей применения — масса: в семье маленький ребенок, который не дотягивается до выключателя, или же не хочется шарить в темной комнате по стене, чтобы нащупать выключатель. Так же есть более продвинутые коммутаторы, позволяющие управлять не только включением и выключением света, но и яркостью свечения ламп.

Создание умного дома на стадии ремонта — теория и реализация

Итак, вы делаете ремонт в квартире и хотите интегрировать в нее умный дом. Первое, с чем нужно определиться — это с коммуникационной шиной, иными словами — как будут связываться между собой устройства. Стоит учитывать то, что при выборе одной шины придется в дальнейшем покупать устройства, которые совместимы именно с ней. Если устройство рассчитано для работы с другой шиной — оно у вас не заработает.

Одной из самых популярных шин является шина KNX, который выросла из гораздо более древней EIB. Поддерживает достаточно много возможностей передачи данных:

  • Витая пара — специальный кабель с фиксированной скоростью передачи 9600 бит/с.
  • Силовая линия, скорость передачи 1200 бит/с, первоначально только поверх 230 В, 50 Гц.
  • IP-сеть (EIB.net) — например, Ethernet
  • Радиоканал — для обмена используются два частотных окна 868 и 433 МГц.

Принцип передачи информации прост: передача производится модулированием напряжения в сети, причём логический нуль пересылается в виде импульса, с амплитудой примерно ±6 В. Отсутствие импульса интерпретируется как логическая единица. Телеграммы (команды) пересылаются пакетами по 8 информационных байт. Пересылка синхронизируется старт- и стоп-битами. Есть бит контроля чётности (контрольный бит для проверки целостности пакета).

Для разрешения столкновений телеграмм в сети применяется метод CSMA/CA. Этот метод гарантирует случайный, беспроблемный доступ устройств к шине, при этом без существенного снижения её максимальной пропускной способности. При этом гарантируется, что первоначально будут переданы сообщения с наивысшим приоритетом.

Для того, чтобы система заработала, необходимо не только установить устройства и соединить их необходимыми кабелями между собой и с силовой сетью, но и запрограммировать устройства с помощью программного обеспечения ETS. До загрузки необходимо провести следующие операции: назначить устройствам индивидуальные физические адреса, выбрать и настроить (параметризировать) прикладные программы устройств, создать структуру групповых адресов и объединить на них объекты связи, взяв один объект в датчике и другой в исполнительном устройстве.

Устройства, находящиеся в сети KNX, подразделяются на 3 категории:

  1. Датчики — устройства, которые генерируют управляющие команды (выключатели, сенсоры освещенности, влажности, температуры, таймеры и т.д). Эти устройства фиксируют происходящие внешние события, и в зависимости от типа событий посылают команды на те или иные исполнительные устройства (например, температура в комнате опустилась ниже заданных 20 градусов — датчик температуры отправляет сигнал на включение отопления).
  2. Исполнительные устройства — устройства, которые исполняют команды датчиков: различные регуляторы и релейные модули. Они меняют своё состояние (включено-выключено, открыто-закрыто и т.п.) в соответствии с командами, поступающими от сенсоров, тем самым управляя различным электрооборудованием.
  3. Системные устройства — блоки питания, интерфейсные модули, шинные соединители, повторители и другие, включая панели и логические модули. Системные устройства обеспечивают работоспособность и возможность настройки сети KNX.

Сама система является как децентрализованной (датчики и исполнительные устройства могут обмениваться данными напрямую, без участия дополнительного контроллера), так и централизованной (есть управляющий контроллер).

Топология сети

Термин топология сети означает способ соединения устройств в сеть. Шина KNX поддерживает 3 основных топологии:

  • Для простых систем используется топология Линия (или шина). Она предполагает соединение устройств последовательно. Также есть возможность создания ответвлений и соединений в одной точке — такая топология называется Звезда. В сегмент линии можно установить не более 64 устройств. В одной линии может быть до 4-х сегментов. Из минусов — при обрыве линии перестает работать вся сеть.
  • Если устройств больше, то рекомендуется топология Область (Area). При такой топологии линия с номером 0 становится главной линией области, и к ней можно присоединить до 15 дополнительных линий.
  • Самая сложная «древовидная» топология реализуется при объединении областей с помощью магистральной линии. Таких областей может быть до 15. Таким образом, максимальное число устройств в сети может достигать 58000.

Схематично эти топологии выглядят так:

Протокол KNX

Амортизационные издержки

«Как нам известно на сегодняшний день, амортизационные издержки через 15-20 лет становятся равными строительной стоимости. Более того, амортизационные издержки являются постоянными. Мы хотим показать: если вы будете строить здания с учетом критерия жизнеспособности, в конечном итоге это принесет вам выгоду.»

История

Протокол KNX — международный стандарт для всех приложений для автоматизации зданий и сооружений, начиная с систем управления жалюзи и освещением до различных охранных систем, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоподготовки, мониторинга, оповещения, водоснабжения, энергопотребления, измерения, а также домашних приборов, аудио-видео и не только. KNX — это единственный международный стандарт для систем управления зданий и сооружений с единым для всех производителей инженерным программным пакетом (ETS), который поддерживает все конфигурации и системы связи (TP, PL, RF и IP).

Ассоциация KNX — это создатель и владелец технологии KNX. Задачи ассоциации: продвижение на рынке самой технологии, контроль качества и совместимости оборудования, производимого её членами, и подготовка программ обучения специалистов.

История протокола ведется с февраля 1990 года с момента создания ассоциации EIBA со штаб-квартирой в г. Брюссель (Бельгия). Основателями ассоциации считаются 15 компаний в том числе Siemens, Gira, ABB, Berker, Jung и другие. В мае 1999 произошло объединение трех европейских ассоциаций автоматизации зданий в одну, которая со временем получила окончательное название «Ассоциация KNX». Произошло и слияние трех технологий: EIB, EHS (European Home System) и BatiBUS.

Технология KNX была утверждена как европейский стандарт (CENELEC EN 50090 и CEN EN 13321–1), так и международный (ISO/IEC 14543–3). Этот стандарт основан на 22 летнем опыте работы на рынке, включая предшественников EIB, EHS и BatiBUS. Более 300 компаний-членов по всему миру из разных областей применения имеют в своих каталогах почти 7000 групп продуктов. Ассоциация KNX имеет партнерские соглашения с более чем 30000 компаниями-инсталляторами в 115 странах.

Рынок «умных домов» сконцентрирован в сегменте домов премиум-класса, так как выполненные на заказ решения для элитного жилья составляют 2/3 рынка. Вторую по значимости нишу (приблизительно 20% объёма рынка) занимают малые и средние бизнесы, которые используют решения для умных домов в коммерческих зданиях.

Особенности и преимущества

Потребности ваших клиентов постоянно изменяются. Они хотят независимости, им необходимы совместимые системные решения с возможностью их дальнейшего улучшения и развития в будущем. Удобство, низкое энергопотребление и высочайшая надежность — именно эти качества пользуются максимальным спросом у сегодняшних заказчиков современных систем для управления зданиями.

Для собственников, арендаторов и эксплуатирующих организаций:

  • Создание многофункциональной автономной системы управления инженерными системами объекта с возможностью как локального, так и удаленного управления.
  • Возможность централизованного управления инженерными системами объекта.
  • Повышение качества жизни и пользования объектом: простота управления и настройки, многообразие возможных функций.
  • Снижение расходов и трудозатрат на техническое обслуживание: быстрая реакция на возникающие неполадки оборудования, имитация присутствия в доме, снижение энергозатрат до 50%.
  • Проводной тип связи и цифровое управление обеспечивают надежность.
  • Гарантия на все устройства 3 года.
  • Товарный знак KNX служит символом эталона качества для владельцев зданий.
  • KNX — открытая система с широким выбором необходимого оборудования. Свыше 100 производителей предлагают широкий спектр KNX-совместимых и сертифицированных продуктов.
  • Высокая степень гибкости: система в любое время может быть с легкостью адаптирована к изменившимся потребностям или расширена, в том числе, путем добавления дополнительных функций и оборудования.

Для электромонтажников, инсталляторов и системных интеграторов:

  • Свободная топология.
  • Простота программирования сценариев управления и настроек.
  • Хорошо документированный протокол.
  • Нет привязки к одному производителю: широкий ассортимент совместимого оборудования.
  • Легкая интеграция практические во все системы верхнего уровня.
  • Настройка выполняется с помощью единого для всех производителей инженерно-проектного программного пакета ETS.
  • Протокол ISO/IEC 14543.
  • Новые компоненты могут быть легко подключены к существующей шинной системе.

Для светодизайнеров, архитекторов и проектировщиков:

  • Комфорт и интеллектуальность: простота управления, возможность настройки в зависимости от интенсивности освещения, времени, текущих потребностей и других параметров.
  • Широкий выбор совместимых устройств от разных производителей.
  • Простота настройки и изменения конфигурации при необходимости.
  • Многообразие дизайнерских решений для элементов управления (панели, кнопки и т.п.).
  • Возможность комбинирования органов управления нескольких инженерных систем на одном управляющем устройстве.
  • KNX можно инсталлировать как в строящиеся, так и в уже существующие здания. KNX может использоваться как в небольших домах на одну семью, так и в крупных административных и коммерческих зданиях (гостиницах, офисных зданиях, конференц-центрах, больницах, школах, магазинах, складах, аэропортах и т.д.).
  • Высокая степень гибкости: в любое время система может быть с легкостью адаптирована к изменившимся потребностям или расширена, в том числе, путем добавления дополнительных функций и оборудования.
  • Высокая энергоэффективность.
  • Высокая коммерческая рентабельность использования систем KNX в проектах.

Принцип работы

KNX — единственная в мире шинная система, использующая полный спектр различных сред передачи информации в системах управления зданиями: витая пара, линии электропередач, радиочастотные каналы и IP-подключение. Различные каналы передачи данных могут быть легко соединены между собой с помощью переходных KNX-устройств. Для наладки KNX-систем используется программный пакет ETS, единый для всех производителей, продуктов и областей применения.

Управление работой KNX-системы может осуществляться как обычным способом, с помощью кнопок, так и с использованием сенсорных панелей. Кроме того, системой можно управлять и дистанционно через Интернет или с помощью телефона.

Среда передачи сигналов управления:

Все контроллеры, датчики и исполнительные устройства подключаются к проводной шине (витой паре).

  • максимальная длина кабелей в сегменте — 1 000 м;
  • максимальное расстояние от устройства до блока питания — 350 м;
  • максимальное расстояние между двумя устройствами — 700 м;
  • минимальное напряжение на устройствах — 21 В;
  • допустимо использовать любую смешанную топологию сети без закольцовывания (последовательное, комбинированное соединение или звезда).
  • Рекомендуется использовать для шины кабель 2×2×0.8, хотя для работы KNX достаточно одной пары линий данных.
  • Вторая пара может использоваться для подачи дополнительного питания (некоторые устройства могут питаться от самой шины KNX) или как резерв.
  • Стоит уделить внимание защите от перенапряжения и гроз.
  • Общее число устройств в одной сети составляет около 58 тысяч.
  • Базовым элементом логической структуры является сегмент, который содержит до 64 узлов. До четырех сегментов могут быть объединены в линии, которые могут быть объединены в область (до 15 линий). На самом верхнем уровне можно объединить в систему до 15 областей.

Устройства, работающие по протоколу KNX

ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВ

  • Могут устанавливаться в стандартные распределительные коробки, либо монтироваться на DIN-рейку.
  • Дополнительное питание не требуется: устройства подключаются только к шине KNX и непосредственно датчикам или управляемым устройствам.
  • Все устройства KNX сертифицируются. Для программирования обязательно иметь соответствующий устройству файл конфигурации. Файл загружается с сайта производителя и интегрируется в программу ETS. В этой же программе можно изменить конфигурацию устройств по предусмотренной производителем схеме.
  • В большинстве случаев, устройства имеют в своем составе несколько объектов, которые являются минимальной единицей для участия в группах, приема и отправки сообщений, настройки параметров и других элементах проекта.

АДРЕСАЦИЯ И КОМАНДЫ

  • Обмен данными между устройствами осуществляется напрямую, без непосредственного участия какого-либо отдельного специализированного контроллера.
  • Адресация устройств обычно использует схему «область-линия-устройство».
  • Собственные адреса необходимо прописывать в каждое устройство на этапе программирования системы через ETS. Данная операция требует физического доступа (обычно — нажатия на кнопку на корпусе), а после установки адреса можно осуществлять все операции удаленно. В дальнейшем эти адреса можно изменить.
  • Групповые адреса — элементы системы, которые представляют собой собранные по функциональному признаку устройства. При этом датчик/сенсор (например, кнопка) может отправлять команды только в одну группу, а исполнительные устройства (например, реле) могут принимать информацию сразу в нескольких группах.
  • Все устройства в группе должны иметь совпадающие типы данных. Это позволяет реализовать упрощенное управление группой устройств путем отправки одного сообщения на групповой адрес вместо индивидуальной адресации.
  • Групповые адреса можно разбивать по определенным категориям. Например, по схеме «этаж-комната-освещение».
  • Кроме отправки команд исполнительным устройствам, предусмотрены и другие типы сообщений, например, получение статуса. В частности, таким образом можно реализовать сохранение индивидуального управления источником света одной кнопкой (нажатие вызывает переключение) с одновременным участием этого источника света в сцене.
  • В схеме не предусмотрено никаких программ, в том числе логических действий, проверки условий, задержек, циклов и других операций. Однако можно подключать устройства, в которых есть базовые логические операции, либо использовать внешние логические блоки.
  • Отдельный класс устройств представляют собой контроллеры. Они оборудованы собственным процессором, адаптером шины KNX, а также могут иметь и другие интерфейсы. Эти устройства способны выполнять множество дополнительных операций, включая работу с таймерами и временем, сценами, проверкой логических условий (например, по состоянию датчиков), взаимодействие с внешними устройствами и другими системами.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Всё программирование системы KNX осуществляется в программе ETS (Engineering Tool Software). Это обеспечивает унификацию и совместимость решений разных производителей.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector