Главная Антивирус

Как выполнить энергоснабжение на шине knx eib. Что такое KNX ABB для умного дома — как это работает? Смотреть что такое "KNX" в других словарях

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:

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).
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.
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:

Фирмы-члены KNX Association обеспечивают производство изделий, совместимых с шиной. Благодаря этому устройства различных изготовителей способны работать в одной установке KNX/EIB.

Стремление к большему удобству и большим техническим возможностям требует и все бoльших затрат на электрооборудование.

Обычный способ электроустановки (выполнения внутренних электропроводок) наталкивается здесь на свой предел. Шина KNX/EIB позволяет удовлетворить эти обширные требования наглядно и экономично.

Аргументы в пользу системы

В системе обычной электроустановки каждая функция требует своей собственной электропроводки, а каждая система управления - своей собственной цепи. В отличие от этого шина KNX/EIB позволяет выполнить управление, контроль и сигнализацию всех эксплуатацинно-технических функций и процедур по общему проводу. Благодаря этому подвод питания может быть проложен непосредственно к потребителям, минуя окольные пути.

Помимо экономии проводов из этого вытекают и другие достоинства:

Электроустановка здания может быть выполнена гораздо проще, а позже без проблем расширена и модифицирована;
При изменении назначения или перераспределении помещений быстрое и легкое согласование системы instabus EIB осуществляется простым перераспределением (изменением параметров) абонентов шины без необходимости прокладки новых электропроводок.

Такое изменение параметров, осуществляется при помощи подключенного к системе KNX/EIB персонального компьютера и установленных для этой цели программных средств проектирования и ввода в эксплуатацию ETS (EIB Tool Software), которые требуются уже при первом вводе в работу. Шина KNX/EIB позволяет соединиться через соответствующие интерфейсы с другими системами автоматизации зданий. При этом шина KNX/EIB в доме на одну семью может использоваться столь же экономично, как и в гостиницах, школах, банках, конторских зданиях или в комплексном гражданском строительстве.

Техника передачи

Шина KNX/EIB представляет собой децентрализованную систему событийного управления с последовательной передачей данных управления, контроля и сигнализации эксплуатационно-технических функций. Подключенные к шине абоненты могут обмениваться информацией через общий канал передачи, шину. Передача данных происходит последовательно по точно установленным правилам (протоколу шину). При этом подлежащая передаче информация упаковывается в телеграмму и транспортируется по шине от датчика (сенсора — отправителя команд) к одному или нескольким исполнительным механизмам (акторам — получателям команд).

При успешной передаче каждый приемник квитирует получение телеграммы. При отсутствии квитирования передача повторяется до трех раз.

Если и после этого квитирование телеграммы отсутствует, процесс передачи прерывается и в запоминающем устройстве отправителя отмечается отказ.

Передачи в шине KNX/EIB гальванически не разделены, поскольку питание (DC 24 В) абонентов шины подается по ней же. Телеграммы модулируются на этом напряжении постоянного тока, причем логический нуль пересылается в виде импульса.

Отсутствие импульса интерпретируется как логическая единица.

Отдельные данные телеграммы пересылаются асинхронно. Тем не менее, пересылка синхронизируется старт- и стоп-битами.

Доступ к шине, как к общему физическому средству связи для асинхронной пересылки должен быть однозначно урегулирован. В шине KNX/EIB для этого применяется метод CSMA/CA. В методе CSMA/CA речь идет о методе, гарантирующем случайный, беспроблемный доступ к шине, при этом без снижения ее пропускной способности.

Все абоненты шины слушают одновременно, но реагируют только исполнительные механизмы (акторы), вызванные своим адресом. Если абонент хочет начать пересылку, он должен прослушать шину и дождаться момента, когда не будет передачи любого другого абонента (Carrier Sense). Если шина свободна, то, в принципе, любой абонент может приступить к передаче (Multiple Access).

Если два абонента одновременно начинают передачу, то на шину без задержки выходит абонент, обладающий более высоким приоритетом (Collision Avoidance), при этом другой абонент уступает и процесс передачи повторяется в более позднее время.

Если оба абонента имеют одинаковый приоритет, то проходит тот, который обладает меньшим физическим адресом.

Адресация

Каждое письмо нуждается в адресе, чтобы почта могла его правильно доставить. Сходно осуществляется и адресация абонентов шины, только здесь неприменима почтовая форма.

Каждый абонент шины при проектировании при помощи ETS получает свой собственный физический адрес, позволяющий однозначно идентифицировать его, так же как почтовый адрес однозначно указывает получателя письма. Физический адрес, однако, должен задаваться на языке шины и ориентироваться на топологическую структуру системы KNX/EIB. Физическая адресация используется ETS только для ввода в работу отдельных абонентов или для работ по обслуживанию и диагностике. В этом случае адресация производится аналогично почтовой адресации.

В практической работе системы KNX/EIB при пересылке телеграмм используются, напротив, логические или так называемые групповые адреса. Они ориентируются не на топологию шины, а на эксплуатационно-технические функции (применения) системы KNX/EIB. В отличие от почтовой доставки, когда почта доставляет письмо по адресу получателя, в каждую телеграмму отправителем вносится запроектированный групповой адрес. Каждый абонент прослушивает эту телеграмму на шине, считывает указанный в ней групповой адрес и проверяет, адресована телеграмма ему или нет.

Во время проектирования системы KNX/EIB при помощи ETS для каждого абонента шины устанавливается групповой адрес, по которому он должен ощущать себя вызванным. Таким образом, в отличие от почтового отправления, одному абоненту шины может быть присвоено несколько групповых адресов.

Если теперь абонент шины прослушивает телеграмму, он всегда воспринимает ее, если ощущает себя вызванным по внесенному в телеграмму групповому адресу (и пересылка прошла успешно). В противном случае он пренебрегает телеграммой, поскольку она предназначена не ему.

Топология

К наименьшей единице системы KNX/EIB, линии, могут подключаться и работать до 64 совместимых с шиной устройств (абонентов). Линейными устройствами сопряжения, подключаемыми к так называемой главной линии, могут объединяться в одну зону до 12 линий.

Через зонные устройства сопряжения, подключаемые к так называемой зонной линии, 15 зон могут быть объединены в более крупный блок. К зонной линии (Gateways) подключаются интерфейсы внешних систем (SICLIMAT X, ISDN и т. п..) или других систем KNX/EIB.

Хотя в один блок может быть объединено до 12.000 абонентов, ясная логика системы сохраняется. При работе не возникает никакого информационного хаоса, поскольку телеграмма проходит через интерфейс к другим линиям и функциональным зонам только в том случае, если там под групповым адресом должен быть вызван абонент. При этом линейные и зонные устройства сопряжения выполняют необходимые функции фильтрации.

Физические адреса ориентированы на такую топологическую структуру: каждый абонент может быть однозначно идентифицирован указанием зонного, линейного и абонентского номера.

Для присвоения абоненту эксплуационно-технических функций групповые адреса разделяются на основные группы и подгруппы.

При проектировании групповые адреса различных механизмов могут быть разделены на 14 основных групп, напр., для:

управления освещением,
управления жалюзи,
управления отоплением,
вентиляцией и управления климатом помещений.

Каждая основная группа может в соответствии с точкой зрения пользователя содержать до 2048 подгрупп. Групповые адреса присваиваются абонентам независимо от их физических адресов.

Благодаря этому каждый абонент может связываться с любым другим абонентом.

Технология

Каждая линия требует свой собственный блок питания для абонентов. Этим обеспечивается работоспособность остальной системы KNX/EIB даже при выходе из строя одной линии.

Блок питания снабжает отдельных абонентов линии напряжением SELV (безопасным сверхнизким напряжением) DC 24 В и способен в зависимости от исполнения нести нагрузку 320 мА или 640 мА. Он имеет ограничение, как по напряжению, так и по току и поэтому устойчив при коротком замыкании. Кратковременные перерывы напряжения сети перекрываются на время до 100 мс.

Нагрузка шины зависит от характера подключенных к ней абонентов. Абоненты сохраняют работоспособность при минимальном напряжении DC 21 В и обычно потребляют от шины 150 мВт, при дополнительном потреблении конечными устройствами (напр., светодиодами) — до 200 мВт. Если более 30 абонентов установлены на кротком участке линии, блок питания должен размещаться вблизи от них.

Для одной линии допустимо макс. 2 блока питания. Между обоими блоками питания должно соблюдаться минимальное расстояние 200 м (длина линии).

При повышенном потреблении к шине KNX/EIB может подключаться параллельно и 2 блока через общий дроссель. Допустимая токовая нагрузка линии повышается при этом на 500 мА.

Длина проводов одной линии вместе с ответвлениями не должна превышать 1000 м. Расстояние между блоком питания и абонентом не должно быть более 350 м.

Для однозначного предотвращения коллизий телеграмм расстояние до второго абонента ограничено макс., 700 м. Провод шины может быть проложен параллельно сетевому проводу. Он может иметь петли и ответвления. Оконечное линейное сопротивление при этом не требуется.

Абоненты соединяются с шиной либо прижимным контактом, либо шинным зажимом. Соединение прижимным контактом осуществляется при защелкивании абонента распредустройства на монтажной рейке DIN EN 50 022-35 x 7,5 с наклеенной информационной шиной. Переход от информационной шины к шинному проводу осуществляется соединительным устройством. Подключение шинного провода к абонентам открытой и скрытой проводки, настенного и потолочного монтажа и встроенным устройствам осуществляется путем надевания шинного зажима.

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.

Режим E-mode - вариант, ориентированный на небольшие системы автоматизации. При его использовании настройка компонентов осуществляется с помощью кнопок, расположенных на самих гаджетах, либо посредством центрального контроллера, причем последний, как правило, может быть удален из системы после завершения конфигурации. В целом, возможности E-mode ограничены, но их, нередко, оказывается достаточно для завершения пусконаладочных работ.

Системный режим открывает доступ к настройкам всех параметров устройств, вот только для использования S-mode требуется специальное программное обеспечение - ETS (Engineering Tool Software). Данный продукт является универсальным, и, теоретически, он совместим со всеми высокотехнологичными KNX-гаджетами. Программа позволяет подключаться к внешним интерфейсам сети автоматизации посредством компьютера, используя RS-232 (COM-порт), USB или LAN. Если KNX-система имеет доступ в интернет, то контроль над ее работой может осуществляться удаленно. Следует отметить, что ETS активно используется не только для настройки, но и для проектирования сети.

Одно из основных требований, которые предъявляют к умному дому, это значительное снижение расходов на электроэнергию. Ведь сама концепция умного дома предполагает управление потреблением электроэнергии, чтобы снизить его расход в тех комнатах и ситуациях, в которых можно обойтись естественным освещением. Поэтому умный дом контролирует не только освещение, но и отопление, а также другие функции. Еще одно требование к умному дому – возможность без серьезной доработки применять оборудование от различных производителей. Именно для этой цели и был разработан стандарт KNX.

Каждый владелец умного дома желает подстроить его под какие-то свои требования и пожелания. Разработка системы управления таким домом с нуля обойдется очень дорого, поэтому гораздо проще взять максимально гибкую систему и выстроить ее архитектуру в соответствии со своими пожеланиями. Стандарт KNX – общая системная платформа, позволяющая использовать аппаратуру любого производителя, придерживающегося этого стандарта.

Кроме того, KNX – это набор протоколов для обмена данными между всеми участниками системы. Поэтому установка нового оборудования требует лишь минимального вмешательства в систему, ведь все элементы умного дома работают по одному стандарту и обмениваются данными по одним протоколам.

KNX – это шина, которая объединяет все элементы умного дома в единое целое. Основное преимущество KNX в невероятной гибкости, ведь для изменения конфигурации всей системы достаточно удалить ненужные элементы и установить вместо них более подходящие или необходимые. При этом не придется менять управляющую систему, перепрограммировать ее и мучительно согласовывать ее элементы между собой. Ведь недавно именно это и было главной проблемой, над которой бились монтажники управляющих систем умных домов – каждый производитель придерживался собственных стандартов, поэтому приходилось придумывать способы согласования деталей между собой.

Возможности шины KNX

На самом деле вопрос не в том, что может KNX, а в том, чего хочет владелец умного дома. Шинная система управляет любым оборудованием по заданному ей алгоритму, поэтому в рамках этой задачи KNX может все. Система, работающая на этом стандарте управляет всеми потребителями электричества в умном доме, поэтому KNX может обеспечить их работу в любых допустимых режимах, в зависимости от настроек и пожеланий владельца дома. Поэтому возможности систем стандарта KNX напрямую зависят от того оборудования, которое к ним подключено.

Использование шины KNX позволяет создавать различные системы управления умным домом. К примеру, система free@home от концерна ABB позволяет создать универсальную и простую в настройке и использовании систему, в которой управление домом может осуществляться в трех режимах:

автоматическом;
через команды с сенсорного пульта управления;
с помощью мобильного приложения для смартфона или планшета.

Все три режима обеспечивают полный контроль над энергопотреблением умного дома. Поэтому даже находясь далеко от дома, вы сможете контролировать безопасность своего жилища, наблюдать за детьми, включать и выключать различные электрические приборы.

Как это работает

Каждое устройство, подключенное к шине KNX имеет свой уникальный ip-адрес, а также список устройств, с которыми оно взаимодействует. Датчики и иные устройства, отслеживающие изменение обстановки, запрограммированы таким образом, чтобы при наступлении определенного события посылать связанным с ним устройствам сигнал.

В зависимости от настроек системы конечные устройства, которые и управляют подачей электроэнергии на различные приборы, могут реагировать как на определенные ситуации, так и на целый перечень различных событий. Поскольку к одной линии нельзя подключить больше 64 любых устройств, используют различные способы соединения нескольких шин в одну систему. В таких объединенных системах все происходит по стандарту KNX, поэтому никаких серьезных сложностей с настройкой не возникает.

Для связи между устройствами вне шины используют три вида каналов:

проводные;
оптические;
радиочастотные.

Проводные каналы наиболее востребованы, ведь для подключения к ним конечного устройства не требуется никаких дополнительных манипуляций. Оптическими и радиочастотными каналами пользуются лишь в том случае, если все, связанные этими каналами устройства, оснащены соответствующими приемо-передатчиками. В частности, эти каналы используют для подключения выносных видеокамер там, куда по каким-то причинам невозможно проложить проводной канал шины. По всем каналам связь между устройствами происходит по одним и тем же протоколам стандарта KNX.

Что такое ABB

Концерн ABB (в русской транскрипции АББ) занимается разработкой и производством оборудования для автоматизации различных процессов, в том числе для управляющих систем умных домов. Концерн был образован в 1988 году после слияния шведской компании Asea и швейцарской компании ВВС (Brown, Boveri & Cie). К этому времени обе компании обладали колоссальным опытом в сфере информационных технологий и автоматизации, поэтому АББ была одним из создателей стандарта KNX.

Концерн предлагает огромный перечень устройств, необходимых для создания полноценной сети, которая будет эффективно управлять умным домом. Несмотря на немалую стоимость, продукция концерна пользуется устойчивым спросом, потому что отличается великолепными характеристиками и полным соответствием стандарту KNX. К примеру, 12-канальный активатор отопления HA-M-0.12.1, который может одновременно управлять работой 12 клапанов системы отопления, обойдется в 23 тысячи рублей. Это заметно дороже китайских аналогов, но и гораздо надежней. Еще один пример – дисплей с поворотным управляющим элементом от ABB обойдется в 70–100 тысяч рублей , тогда как малонадежный китайский аналог можно купить за 20–40 тысяч . Но велика вероятность, что китайский элемент не прослужит и 2 лет.

Обзор стандарта KNX

И. КУТЕПОВ, г. Санкт-Петербург

На рынке оборудования для автоматизации зданий и помещений сегодня имеется много различных устройств и систем. В прошлом разработчики всегда стремились применить в них свои идеи, инновации и протоколы обмена информацией. Освещением управляли по одному протоколу, кондиционированием - по другому, вентиляцией могли и по третьему. Но возникла необходимость обеспечить совместимость этих систем и иметь для них один универсальный протокол. Сегодня всё большее применение получают устройства автоматики, управляемые и общающиеся между собой по протоколу KNX. В предлагаемой статье описаны основные особенности этого протокола.

Протокол KNX даёт возможность легко объединять различные инженерные системы в единый комплекс. Это позволяет снизить стоимость автоматизации и повысить надёжность из-за отказа от различных преобразователей и шлюзов для соединения устройств, работающих по разным протоколам.

KNX стал протоколом, который отвечает всем этим требованиям. Он позволяет управлять различными системами как в комплексе зданий, так и в отдельной квартире и хорошо интегрируется в другие системы. Описан этот протокол в международном стандарте ISO/IEC 14543-3.

Все устройства, согласно KNX, объединяются в распределённую сеть, в которой не нужен центральный компьютер. Технология KNX позволяет контролировать работу всех задействованных систем и управлять ими без применения сложных центров управления. Можно назвать следующие преимущества KNX-систем:

Низкие эксплуатационные расходы;

Наглядность контроля и управления;

Возможность расширения существующей системы под новые задачи;

Возможность изменять настройки в процессе эксплуатации;

Предоставляя единый пакет программного обеспечения для осуществления проектирования систем, их настройки и эксплуатации,гарантирует совместимость и взаимодействие изделий разных производителей, используемых для выполнения необходимых функций.

Имеется возможность применить протокол KNX и в радиолюбительской практике. В качестве аппаратной платформы можно выбрать дешёвые и освоенные устройства. Например, Arduino и его модификации, Raspberry Pi, ODROID и др.

Технология KNX может быть применена в различных подсистемах "Умного дома":

Регулирование и управление освещением (его включение и выключение, в том числе автоматическое, изменение яркости, поддержание постоянной освещённости, управление посредством DALI (Digital Addressable Lighting Interface) - цифрового интерфейса с адресацией для осветительных приборов);

Отопление, кондиционирование и вентиляция (индивидуальное управление температурой в помещении, управления вентиляцией, отслеживания состояния окон), объединение их в единую систему. Полученные с датчиков сведения о температуре и состоянии воздуха используются для обеспечения оптимальных значений контролируемых параметров;

Управление жалюзи, ролл-ставнями и занавесами. Ролл-ставни, занавесы и жалюзи с регулировкой положения ламелей, в зависимости от угла падения солнечных лучей, обеспечивают оптимальное естественное освещение;

Охрана и безопасность (отслеживание состояния окон и дверей, противопожарная и дымовая сигнализация, подача сигналов тревоги и оповещения о несанкционированном проникновении, аварийных сигналов, имитация присутствия, освещение в режиме "Паника").

Принципы построения и функционирования KNX-системы

Система KNX состоит из датчиков, исполнительных устройств (актуаторов) и системных устройств. Все они объединены в KNX-сеть. Датчики подают сигналы о состоянии различных устройств и окружающей среды. Исполнительные устройства выполняют команды. Например, перемещают жалюзи, регулируют освещение, перекрывают клапаны подачи воды. К системным устройствам относятся, например, блоки питания, соединители линий, логические модули, 1Р-маршрутизаторы, GSM-шлюзы.

Для информационного обмена между элементами сети используются четыре вида сред передачи данных: физическая шина из витой пары проводов (KNXTP), электросеть (KNX PL), радиоканал на частоте 868 МГц (KNX RF), соединение по Ethernet (KNXnet/IP).

Подробно об особенностях построения сетей KNX можно прочитать в .

Чтобы KNX-система заработала, необходимо не только установить устройства и соединить их необходимыми кабелями между собой и с питающей сетью, но и запрограммировать устройства с помощью инженерного программного обеспечения ETS. До его загрузки необходимо назначить устройствам индивидуальные физические адреса, выбрать и настроить прикладные программы устройств, создать структуру групповых адресов и объединить в ней объекты связи, обозначив одни объекты как датчики, а другие - как исполнительные устройства. В пределах сети каждое устройство должно иметь индивидуальный физическии адрес.

Система может быть сконфигурирована в одном из следующих режимов:

Системный (S-mode) даёт полный доступ к конфигурированию всех устройств, включая проектирование, формирование групповых адресов и программирование (загрузка) устройств с помощью ETS. Используется для создания систем квалифицированными спе-
вание элементов системы с возможностью ручного изменения некоторых параметров. В последних вариантах стандарта KNX от него отказались.

Среда передачи информации -шина

Система KNX со связью по физической шине (витой паре проводов) работает от безопасного сверхнизкого напряжения питания SELV (Safety Extra Low Voltage), максимальное значение которого 29 В. Оно поступает на все устройства по той же витой паре, что и информация. Шина всегда надёжно изолирована от электросети, и прикосновение к ней не может причинить вреда человеку.

При использовании шины стандарт KNX предусматривает иерархическое деление на линии и зоны. Нижнее звено системы - сегмент линии, объединяющий до 64 шинных устройств. Линия может состоять как из одного сегмента, так и из нескольких (до четырех), связанных через линейные усилители.

Возможная топология линии показана на рис. 1. Допустимое число шинных устройств, подключённых к одной линии, зависит от выбранного источника питания и электропотребления конкретных устройств. В пределах линии допускаются максимальная длина сегмента 1000 м, максимальное расстояние между источником питания и шинным устройством 350 м, максимальное расстояние между двумя источниками питания 200 м, максимальное расстояние между двумя шинными устройствами 700 м.

Через линейные усилители, как показано на рис. 2, линия может быть расширена дополнительными сегментами, максимальная длина каждого из них также 1000 м. Каждый сегмент должен быть подключён к своему блоку питания. Число параллельно включённых линейных усилителей не должно превышать трёх на каждую линию.

С помощью линейных соединителен до 15 линий могут быть подключены к главной линии и объединены в одну зону. Топология зоны показана на рис. 3. К главной линии также возможно подключение до 64 шинных устройств. Она должна иметь отдельный источник питания. Подключение линейных усилителей к зонным и главной линиям не допускается.

Несколько зон могут быть соединены между собой с помощью зонной линии, при этом каждая зона подключается к зонной линии через отдельный зонный соединитель. Зонная линия должна иметь собственный источник питания. К ней возможно подключение шинных устройств, максимальное их число сокращается с увеличением числа зонных соединителей. Зонная линия может соединять максимум 15 зон, объединяя, таким образом, в одну систему более 58000 шинных устройств.

Зонные и линейные соединители, а также линейные усилители - идентичные приборы. Задачи, которые они выполняют, определяются их местом в топологии сети, соответствующим этому месту физическим адресом и загруженной в прибор прикладной программой. Зонные и линейные соединители пропускают телеграммы только от устройств, принадлежащих строго к указанным линиям или зонам, линейные усилители пропускают все телеграммы.

Обмен информацией между отдельными шинными устройствами происходит путём отправления телеграмм. Оконечные нагрузочные резисторы для шины не требуются, и возможны её различные топологии. Скорость передачи - 9600 бит/с, среднее время отсылки и подтверждения приёма телеграммы - около 25 мс.

Информация по шине передаётся отдельными пакетами один за другим. В каждый момент времени передаётся только один пакет от одного конкретного шинного устройства. Из соображений надёжности для доступа к шине и обмена телеграммами применяется метод децентрализованного доступа CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance). Одновременный и независимый доступ к шине нескольких шинных устройств может привести к конфликтам между ними. Однако метод CSMA/CA гарантирует сохранность информации и оптимальное использование шины.

Благодаря дополнительному механизму учёта приоритета телеграммы информация (например, сообщения о неисправностях) обрабатывается в соответствии с уровнем её приоритета. Обмен информацией в сети KNX событийно управляем. Телеграммы отправляются только в том случае, если происшедшее событие требует передачи информации.

Структура телеграммы KNX ТР - базовая для других сред передачи. Поэтому она будет рассмотрена подробно.

Когда происходит некое событие (например, нажата кнопка), шинное устройство отправляет телеграмму. Передача начинается, если в течение интервала времени t, шина остаётся свободной. Как только телеграмма отправлена,
устройство ждёт в течение интервала t2 квитанцию получателя.

Устройство-получатель проверяет достоверность принятой информации с помощью контрольного байта и отправляет соответствующую квитанцию (табл. 1). Если получена квитанция NACK (информация принята с ошибками), то устройство-отправитель повторяет телеграмму до трёх раз. Если получена квитанция BUSY (шина занята), то устройство-отправитель перед повторением телеграммы выжидает некоторое время. Если устройство-отправитель не получает никакой квитанции, то телеграмма не повторяется. Квитанцию безошибочного приёма АСК все устройства, которым адресована данная телеграмма, передают одновременно и при этом передаются одинаковые посылки. Таким образом, при успешной передаче телеграммы конфликтов на шине не происходит.

Структура телеграммы показана на рис. 4. Она состоит из блоков: служебного, информационного (в котором сообщается о событии, например, нажатии на кнопку) и контрольного, позволяющего обнаружить ошибки приёма. Передаваемые двоичные разряды, в зависимости от их информационного содержания, объединяются в поля.

Контрольное поле и контрольный байт необходимы для бесперебойного обмена телеграммами. Они обрабатываются шинными устройствами, которым адресованы. Адресные поля содержат исходный адрес (адрес отправителя телеграммы) и адрес назначения (адрес получателя).

Адрес источника сигнала всегда физический. Он указывает, к какой зоне и к какой линии относится посылающий телеграмму прибор. При проектировании системы индивидуальный физический адрес закрепляется за каждым шинным устройством.

Адрес назначения определяет участников сеанса связи. Получателем, которому отправляется телеграмма, может быть как отдельный прибор, так и группа приборов, подключенных к одной линии или распределённых по разным линиям. Один и тот же прибор может входить в разные коммуникационные группы и иметь несколько групповых адресов. Групповые адреса определяют коммуникационные отношения внутри системы.

Поле информации служит для передачи собственно информационного послания: команд, сообщении, значении параметров, результатов измерений и пр.

Структура контрольного поля показана на рис. 5. Если хотя бы одно из устройств, которым адресована телеграмма, приняло ее с ошибкой и вернуло отрицательное подтверждение ("NACK"), то необходимо в разряд D5 контрольного поля повторно отправляемой телеграммы занести ноль. Благодаря этому признаку шинные устройства, получившие первичную телеграмму корректно, не станут исполнять команду повторно.

Приоритет учитывают, когда несколько устройств пытаются передать свои телеграммы одновременно. Приоритет каждого из них должен быть установлен заранее с помощью программного обеспечения ETS. По умолчанию у всех 1 устройств он низший.

Адрес назначения определяет, какие устройства должны получить телеграмму и выполнить соответствующие действия. Обычно это групповой адрес, с помощью которого можно обратиться одновременно к любому числу шинных устройств. Групповые адреса могут быть назначены устройствам системы вне зависимости от их расположения и физических адресов. Исполнительным устройствам-получателям телеграмм может быть назначено несколько групповых адресов, но датчики могут отправлять телеграммы только по одному адресу.

В сложных системах используют, как правило, трёхуровневую систему групповой адресации - главная группа/ средняя группа/подгруппа. Чтобы отличить физический адрес от группового, используется дополнительный семнадцатый разряд поля адреса получателя. Если в нём записан 0, то адрес физический, им адресуется только одно шинное устройство, а если записана 1, то адрес групповой, одновременно адресуются все устройства с этим адресом.

Объекты связи, между которыми устанавливается коммутация, могут иметь размер от 1 бита до 14 байт в зависимости от функции, выполняемой этим объектом. Устройства могут быть связаны с различным числом объектов. Например, у двухклавишного выключателя их будет минимум два размером в один бит каждый.

В телеграммах допускаются типы информации, перечисленные в табл. 2. Они были стандартизованы ассоциаций KNX, чтобы добиться совместимости одинаковых приборов (в частности, диммеров и таймеров) разных производителей. На интернет-сайте ассоциации www.knx.org можно найти полный перечень стандартизованных типов информации.

Среда передачи информации -электросеть

В качестве среды передачи информации в системе KNX может использоваться также электросеть 230 В. Прокладка дополнительных линий связи (витых пар) в этом случае не требуется. Все приборы, использующие технологию KNX PL, нуждаются лишь в подключении к фазному и нулевому проводам электросети. Применение KNX PL возможно как при модернизации старых систем, так и при установке новых.

Технология KNX PL соответствует су-шествующим в этой области европейским нормам, в частности, стандартам DIN EN 50065 "Сигнализация на низковольтных электрических установках в диапазоне частот от 3 до 148,5 кГц" и DIN EN 50090 "Системы электронные бытовые и для зданий". Использование электросети 230 В часто бывает решением проблемы в тех случаях, когда по каким-либо причинам проложить отдельную линию связи невозможно.

KNX PL, как и KNX ТР, предусматривает иерархическое деление системы на линии и зоны. Топология системы аналогична представленной выше на рис. 2. Самое малое её звено - линия. К ней может быть подключено до 255 шинных устройств. Специальных блоков питания не требуется, так как все шинные устройства питаются от электросети 230 В напрямую.

Замена линейных соединителей, применяемых для витой пары, на системные соединители позволяет преобразовать линии витой пары в линии KNX PL. Системные соединители связаны друг с другом через главную или зонную линию (витая пара). Отличие от сети на базе только витой пары состоит лишь в среде передачи данных.

Максимум 15 линий KNX PL с 255 шинными устройствами в каждой могут быть объединены через главную линию в одну зону. Физическое разделение между отдельными зонами выполняется с помощью заграждающих полосовых фильтров.

Поскольку электросеть 230 В исходно не предназначена для передачи информации, систему KNX PL приходится приспосабливать к параметрам уже имеющейся электропроводки. Характеристики этой проводки, важные для передачи информации, её импеданс и характерные помехи по большей части ещё не изучены. Техника передачи информации на базе технологии KNX PL обеспечивает наибольшую надёжность передачи информации в этих условиях. Система работает двунаправленно в полудуплексном режиме. Отправлять и принимать телеграммы может каждый прибор.

Для передачи информации в существующую электросеть(230 В, 50 Гц) вводят высокочастотные сигналы, используя частоты в соответствии с нормами EN 50065. Это 105,6 кГц (логическая 1) и 115,2 кГц (логический 0). Такой способ передачи называют SFSK (Spread Frequency Shift Keying: - расширенная частотная манипуляция). Максимальный уровень сигнала - 116 дБ относительно пиковольта. Скорость передачи достигает приблизительно 1200бит/с, передача телеграммы длится около 130 мс. Это гарантирует высокую надёжность системы при типичных характеристиках электросети.

Благодаря корреляционному методу сравнения и интеллектуальной коррекции искажённый помехами сигнал может быть восстановлен. Если телеграмма принята без каких-либо проблем, принимающее устройство отвечает на нее положительной квитанцией. С этого момента процесс отправки телеграммы считается завершённым. Если передатчик не получает ответа, процесс повторяется.

В KNX PL применяется метод децентрализованного доступа к среде передачи информации CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Прежде чем какое-либо устройство начнёт отправлять телеграмму, оно проверяет, не отправляет ли в этот момент свою телеграмму другое. Если два устройства отправляют телеграммы одновременно, система распознаёт конфликт и процессы передачи телеграмм обоими устройствами прекращаются. Имеющиеся в них генераторы случайных интервалов времени обеспечивают отправление повторных телеграмм в разное время во избежание новых конфликтов.

Для предотвращения нежелательного взаимовлияния близко расположенных разных систем KNX PL используется системный идентификатор (ID), который может принимать значения от 1 до 255. Между собой общаются только приборы, имеющие одинаковые ID. Системный идентификатор играет важную роль и при построении крупных систем KNX PL. Если в системе имеется более одного системного соединителя, то неизбежно существуют несколько зон. Каждая из них получает свой ID.

Структура телеграммы KNX PL представлена на рис. 6. Поле проверки служит в ней для синхронизации передатчика и приёмника. Здесь передаётся строго определённая последовательность 0101. Вводные поля 1 и 2 представляют собой стартовый сигнал для принимающего устройства, сообщающий о начале телеграммы. Содержание обоих вводных полей одинаково - 10110000.

Среда передачи информации -радиоканал

Приборы системы KNX с радиоканалом в качестве среды передачи не образуют какой-либо иерархической структуры. Они могут устанавливаться в любых местах. Любой датчик может сообщаться с любым исполнительным устройством, находящимся в пределах дальности действия радиоканала.

Но дальность действия радиоканала строго ограничить невозможно. Поэтому KNX-радиотелеграммы могут быть получены даже приборами соседней KNX-радиосистемы. Чтобы избежать возникающего при этом взаимного влияния, каждый радиопередатчик KNX отсылает в составе телеграммы свой серийный номер. На телеграммы этого передатчика реагируют лишь те принимающие устройства, которым разрешена связь с устройством, имеющим его серийный номер.

Существуют и естественные ограничения дальности действия радиоканалов в зданиях, обусловленные наличием стен, потолков, мебели и других поглощающих и отражающих радиоволны объектов. Дальность действия может быть увеличена за счёт активных и пассивных ретрансляторов, благодаря которым радиосигналы могут распространяться даже через несколько этажей.

Система KNX может использовать для передачи информации как исключительно радиоканал, так и комбинацию различных коммуникационных сред: радиоканал, витую пару, электросеть. Для их объединения существуют соединители сред, позволяющие передавать информацию и команды устройств одной коммуникационной среды устройствам другой среды.

Частота связи в KNX RF лежит в полосе частот ISM (Industrial, Scientifc, Medical). Диапазоны частот для различных применений в пределах этой полосы строго определены. Максимальная излучаемая мощность - приблизительно 12 мВт. Радиосигнал каждого прибора должен занимать в эфире в среднем не более 1 % времени его работы (например, не более 0,6 с в минуту). Строго регламентированная продолжительность непрерывной работы на передачу позволяет избежать длительных взаимных помех, блокирующих радиоканал.

В KNX RF применяется частотная манипуляция сигналов FSK (Frequency Shift Keying). При этом логические ноль и единица обозначаются сравнительно небольшими отклонениями несущей частоты от среднего значения. В KNX RF средняя несущая частота - 868,30 МГц. Скорость передачи - 16384 бит/с с использованием манчестерского кодирования. При таком кодировании дополнительные перепады логического уровня 0-1 и наоборот обязательно происходят в середине интервала передачи каждого бита информации. Благодаря этому передающее и принимающее устройства могут быть легко синхронизированы.

Однонаправленные устройства посылают телеграмму сразу, как только в этом возникает необходимость. Благодаря ограничению средней длительности передачи конфликты в эфире практически исключены. Двунаправленные устройства перед отправкой телеграммы проверяют, свободен ли радиоканал. Если он занят, устройство откладывает отсылку телеграммы до освобождения канала.

KNX-радиотелеграмма состоит из нескольких информационных блоков, как показано на рис. 7, разделяемых полями защиты информации. В информационный блок входят непосредственно само сообщение (например, команда включения устройства или регулирования освещения) и специфическая информация, служащая для адресации.

Поля в начале и в конце телеграммы служат для синхронизации приёмника с передатчиком.

Первый информационный блок состоит из контрольного поля (4 байта), серийного номера KNX устройства (6 байтов) и поля защиты информации (2 байта). Структура блока показана на рис. 8. Контрольное поле имеет фиксированное значение 01000100.

Серийный номер позволяет однозначно опознать прибор. Его записывают в устройство при изготовлении и в дальнейшем не изменяют. Этот номер передают в каждой телеграмме. В приёмные устройства допустимые для них серийные номера передатчиков заносят при вводе этих устройств в эксплуатацию. Серийный номер служит не только для адресации шинных устройств, но и для разграничения соседних KNX-pa-диосистем.

Во втором информационном блоке, структура которого показана на рис. 9, наряду со стартовым и стоповым разрядами находятся также индивидуальный исходный адрес, адрес назначения и собственно сообщение. Индивидуальный адрес источника сигнала - это его физический адрес. Он используется только вышестоящими контроллерами или соединителями при программировании этих приборов и автоматически сообщается им при вводе в эксплуатацию.

В зависимости от типа доступа к устройствам, получающим сообщение, адрес назначения имеет разные функции. При физическом доступе, т. е. при программировании, адрес назначения служит индивидуальным исходным адресом устройства. В нормальном режиме (например, при передаче команды переключения) адрес назначения содержит номер запрашиваемого коммуникационного объекта в устройстве.
Сообщение содержит такую информацию, как, например, команды, оповещения, параметры настройки, измеренные значения. В одной KNX-радиотелеграмме могут передаваться и другие информационные блоки.

Среда передачи информации -Ethernet

IP-сеть и доступ к Интернету уже давно стали стандартом в современных зданиях. В крупных системах KNX IP-сеть используется также для пересылки телеграмм KNX в рамках сети KNX (так называемое решение "Fast Backbone"). Этот процесс также называют KNXnet/IP-маршрутизацией.

Через этот интерфейс система KNX может соединяться с Интернетом не напрямую. Для этого следует зарегистрироваться на сайте промежуточного провайдера и после ввода пароля запустить установление связи с выбранной системой KNX. Как только между систе-
мой KNX и провайдером установлена связь, с помощью стандартного браузера можно получать информацию от системы и осуществлять управление ею. Этим обеспечивается экономный доступ к системе KNX без постоянного IP-адреса и постоянного подключения к Интернету. Как правило, достаточно использовать контроллеры с пропускной способностью 10 Мбит/с.

Системное программное обеспечение KNX IP-устройств основано на использовании двух стековых протоколов. Для передачи информации через Ethernet необходим IP-стек с поддержкой протокола UDP (User Datagram Protocol), поскольку технология KNXnet/IP основана на передаче информации без организации соединения. С использованием протокола UDP происходят одноадресная и многоадресная передачи пакетов. KNX-стек действует поверх IP/UDP-стека. Это так называемое общее ядро KNX, которое должно быть реализовано в каждой модели устройств. KNX-стек использует IP/UDP-стек в качестве интерфейса для связи с системой. Преобразование KNX-пакетов в UDP-пакеты выполняется по протоколу KNXnet/IP. KNX-приложение использует доступ к API (Application Programming Interface) KNX-стека для взаимодействия со всей системой в целом.

Для многоадресной передачи как адрес назначения должен использоваться МАС-адрес, лежащий в интервале от 01-00-5Е-00-00-00 до 01-00-5E-7F-FF-FF (всегда начинающийся с 01-00-5Е). В протоколе IPv4 IP-адреса для многоадресной рассылки лежат в интервале от
224.0.0.0 до 239.255.255. В KNXnet/IP-системе для этих целей зарезервирован IP-адрес 224.0.23.12.

KNXnet/IP-телеграмма (рис. 10) базируется на TP-телеграмме, но содержит некоторые дополнительные поля.

Длина заголовка (1 байт) всегда одна и та же. Flo в последующих версиях протокола этот параметр может измениться.

Версия протокола (1 байт) показывает текущую версию KNXnet/IP-протокола. В настоящее время это версия - 1.0. Значение поля - ЮН.

Идентификатор сервиса (2 байта) указывает, какие действия должны быть выполнены. В табл. 3 показаны выделенные интервалы идентификаторов и соответствующие им сервисы.

Туннелирование - один из основных способов взаимодействия в системе KNX. По сути, это организация соединения точка-точка (unicast) от одного внешнего устройства к системе KNX. что позволяет видеть весь трафик и общаться непосредственно с отдельным устройством. Туннелирование часто используют для общения с KNX внешних систем, что необходимо для передачи телеграмм при непосредственном соединении через IP-сеть с конкретным KNX-устройством. Оно позволяет вести обмен информацией между внешним устройством с конкретным IP-адресом и устройством с конкретным физическим адресом в KNX-системе. Такая возможность применяется для дистанционного программирования устройств, обмена информацией, организации сервисов.

Важно обратить внимание на то, что подобное соединение можно организовать и внутри стандартного туннельного IP-канала. Например, можно создать защищённое SSH-соединение между терминалом и KNX-роутером.

Общая длина кадра KNXnet/IP (2 байта) указывается в байтах. При её определении учитываются и байты предыдущих полей.

Если передаваемых байтов больше, чем 252, первый байт поля длины имеет значение 0FFH (255), а второй содержит дополнительную информацию о длине.

Тело кадра KNXnet/IP описывает полезную информацию. Кадр состоит из заголовка, который включает в себя код сообщения (1 байт) и длину кадра (1 байт). Далее идёт так называемый cEMI-кадр, который в основном повторяет структуру ТР-теле-граммы. Контрольная сумма не используется, так как обнаружение ошибок при IP-коммуникации происходит в рамках IP-протокола. Кроме того, введено второе контрольное поле (1 байт), следующее за контрольным полем ТР. Во втором контрольном поле содержатся тип адреса назначения (1 разряд) и счётчик маршрутизации (3 разряда). Последние 4 разряда - так называемый расширенный формат кадра (Extended Frame Format, EFF). Он принимает значения 0000 для обычных кадров и 01хх для LTE (Logical Tag Extended - расширенный логический тэг) кадров. LTE - расширение стандарта KNX. Его применяют для систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Для устройств в LTE-режиме должны быть назначены зоны (информация о местоположении, например, комната, этаж). Фактически зона - это структурированная информация, которая используется в качестве адреса назначения в телеграмме. LTE-телеграммы не могут быть приняты другими KNX-устройствами, за исключением тех, которые настроены специальным образом.

На практике мне не приходилось встречать широкого применения режима LTE, за исключением устройств фирмы Siemens. Они конфигурируют специальным инженерным программным обеспечением.

Безопасность протокола - один из ключевых вопросов. Поэтому необходимо хотя бы минимально обеспечить безопасность служб. В KNX безопасность рассматривается лишь частично. Мощных средств её обеспечения не предусмотрено, но есть возможность установить ключ на доступ к устройству (а именно, к его настройкам).

Однако эти ключи передаются в открытом виде. Очевидно, что перехват таких телеграмм открывает возможность несанкционированного доступа к устройству. Чтобы избежать его, необходимо включить в программное обеспечение алгоритм шифрования сообщений.

В KNX предусмотрены службы идентификации A_SetKey и A_Authorize. Подробно о них можно прочитать в официальной документации. Обе службы работают в режиме коммуникации без установления соединения. В стандарте предусмотрено, что каждое из устройств может иметь 255 различных кодов, сопоставленных с 255 различными уровнями (приоритетами) доступа. Каждый код состоит из четырёх байтов. Эти коды записываются в каждое устройство заранее.

С помощью службы A_SetKey можно повторно выбрать уровень доступа, причём новый уровень доступа не может быть выше старого. Работает она так:

На стороне отправителя формируется и передаётся получателю запрос A_SetKey.req;

На стороне получателя генерируется и отправляется извещение A_SetKey.ind;

После этого определяется, верен ли код и можно ли установить новый уровень доступа;

В случае успешной проверки обратно отправляется телеграмма с новым уровнем доступа A_SetKey.res;

Приём A_SetKey.res подтверждается отправкой сообщения A_SetKey. con;

Если получатель не установил новый уровень доступа, он возвращает в качестве значения уровня число 255.

При необходимости выяснить у устройства, верен ли код и какой уровень доступа он обеспечивает, используется служба A_Authorize. Она также состоит из запроса, ответа и подтверждения, как было описано выше.

Удалённое приложение может установить права для отправителя на чтение и запись информации в память. На основе этого можно реализовать другие службы, представляющие интерес для управления сетью.

Хочу упомянуть, что есть ещё один адаптированный под использование в KNX-системе протокол аутентификации - ElBsec. Он предназначен для установления сеанса обмена и базируется на защищённом варианте протокола Нидхема-Шрёдера - протокола для обмена ключами и аутентификации. Суть его в том, что в системе предусматривается дополнительное устройство, занимающееся генерацией и распределением сеансовых ключей. Эти ключи передаются остальным устройствам в зашифрованном виде. Подробнее с этим протоколом можно ознакомиться в .

Пример применения

Рассмотрим пример системы, представленный на рис. 11. Здесь датчик (выключатель) имеет физический адрес 1.1.1 и групповой адрес 2/1/3, а исполнительное устройство (реле) имеет физический адрес 1.1.2 и такой же, как у датчика, групповой адрес 2/1/3.

При нажатии на кнопку выключателя в линию связи посылается телеграмма, которая содержит некоторую служебную информацию, определяемую протоколом, и сведения о произошедшем событии (в данном случае это нажатие на кнопку) вместе с командой, как эти сведения использовать. Телеграмма направляется от устройства 1.1.1 по групповому адресу 2/1/3.

Все устройства, подключённые к сети, получают эту телеграмму, но лишь те из них, которые имеют групповой адрес 2/1/3, обрабатывают её, проверяют правильность приёма, отсылают телеграмму подтверждения и выполняют команду. В рассматриваемом случае замкнутся контакты реле и включится лампа.

Для выключения лампы датчик-выключатель посылает другую команду, всё повторяется, в результате реле размыкает контакты. Если исполнительное устройство занято или телеграмма принята с ошибкой, в ответ на нее устройство, посылавшее команду, получит информацию об этом. Через некоторое время телеграмма будет повторена и устройства, которые не смогли её принять и выполнить команду, получат второй шанс.

Отмечу, что все адреса и программы сохраняются в энергонезависимой памяти устройств KNX, поэтому их достаточно запрограммировать только один раз, причём не обязательно на объекте.

Заключение

В этой обзорной статье кратко рассмотрен стандарт KNX. Конечно, были рассмотрены далеко не все его возможности, поскольку тема очень обширна. Я постарался дать основные сведения и технические аспекты этой технологии. Надеюсь, тема статьи вызовет интерес. Более подробно с ней можно ознакомиться по документации, которая имеется в открытом доступе на сайте KNX-ассоциации www.knx.org . Много полезной информации можно найти и на сайте автоматизации зданий http://www.autobuilding.ru/articles . html, а также на сайте Российской национальной ассоциации Коппех .

Лучше всего пользоваться оригинальной англоязычной документацией. Переводы нередко содержат неточности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по системной технике для автоматизации зданий и домов. 5-е изд., переработанное. - Центральный Союз немецких электротехников и IT-технологов (ZVEH), 2006.

2. Granzer, Kastner, Neugschwandtner. ElBsec: A Security Extension to KNX.- URL: http://www . knx.org/media/docs/downloads/ KNX-Partners/03%20-%20Becoming% 20a%20KNX%20Scientific%20Partner/2006-11 %20Scientific%20Conference%20Paper s%20Vienna/05_granzer-eibsec_security-knxsci06-website.pdf (05.02.2015).

Статьи по теме