Умный дом. Типовое решение на шине KNX
Умный дом. Типовое решение на шине KNX
Умный дом на системе KNX.
Добрый день, дорогие читатели. В данной статье мы коснемся умного дома на системе стандарта KNX и решений фирм ABB, Gira и Jung.
Итак, Вы захотели сделать Умный дом и выбрали для реализации европейскую шину KNX.
Отличный выбор, так как эта система:
— распределенная и не имеет одного центра. Т.е. если сгорит один элемент, вся остальная система продолжит работу.
— каждое устройство стандарта KNX проходит сертификацию на соответствие стандарту.
— множество фирм производителей: ABB, Berker, Jung, Merten, Gira и пр. и у всех фирм есть взаимозаменяемые устройства.
— большинство фирм производителей это – Германия.
Приведем пример управляющих элементов разных фирм производителей:
Система визуализации ABB Busch-priOn, система управление Gira Control 9 на основе Home Server 4 и Jung Smart Pilot. У каждой из этих устройств есть свои особенности, но самое главное, что они взаимозаменяемы, т.е. вы сможете к реле и диммерам фирмы Gira поставить управляющий элемент ABB Busch-priOn.
На данной картинке мы попытались показать, как выглядит топология сети с использованием технологии KNX.
Система KNX построена из трех основных компонентов:
— управляющие модули (выключатели, датчики, ик-приемники)
1) ABB Busch-priOn
2) Jung Smart Pilot
3) Терморегулятор Gira
4) Датчик Merten
5) Метеостанция Jung
— исполнительные модули (реле, диммеры, модули штор, регуляторы тепловые, ик-передатчики)
2) модуль диммера
4) модуль сервопривода
5) ИК передатчики
— системные модули (интерфейсы и блоки питания)
2) интерфейсный модуль
2) Ipad с установленной программой Iridium mobile
Для соединения устройств между собой используется кабель стандарта KNX. Соединение происходит последовательно-параллельно, т.е. каждое последующее устройство подсоединяется параллельно следующему. Соединение звездой запрещено. Так как система сертифицированная, то программировать и производить пусконаладку систем Умного дома стандарта KNX могут только сертифицированные специалисты прошедшие курсы повышения квалификации в центрах KNX. В нашей компании есть специальный штат инженеров, обученный в России и в Европе по стандарту KNX.
Рекомендуем данную систему для реализации климат-контроля: управление кондиционированием, вентиляцией, теплыми полами, конвекторами и радиаторами вместе по своей логике. Вам же надо будет задать только желаемую температуру!
Пример интерфейса температурной карты коттеджа, а так же других функций:
Описание стандарта KNX для Умного дома
На сегодня в мире существует несколько признанных стандартов построения систем «умных домов». Одним из них является KNX — международный открытый стандарт, созданный и продвигаемый ассоциацией KNX. В нее входят свыше 300 организаций Европы и остального мира.
Что такое KNX
Итак, KNX — стандарт связи для организации домашней автоматизации и набор программных и аппаратных решений для подобных систем. Он имеет давнюю историю: в основе находится появившаяся в 90-х годах XX века спецификация универсальной шины European Installation Bus. У шины имелись конкуренты — стандарты EHS (European Home System) и BatiBus. Разработавшие и продвигавшие три решения консорциумы пришли к тому, что необходимо объединиться и создать более продвинутую и совершенную технологию. Так в 1999 году родился протокол и ассоциация KNX.
Публично стандарт представили в 2002 году, и с тех пор он прошел долгое развитие, заняв почетное место среди решений для «умных домов».
Протокол KNX
В сердце системы лежит собственный протокол передачи данных KNX. С точки зрения сетевой модели OSI это распределенная одноранговая сеть со стандартным протоколом передачи данных в различных средах. К таковым относятся:
- витая пара, скорость передачи по ней достигает 9600 бит/с, что достаточно для отправки управляющих команд и получения ответов;
- линии электропитания (до 1200 бит/с);
- сети tcp/ip;
- радиочастотные каналы 433 и 868 МГц.
Интересной особенностью протокола является частичный контроль доставки сигнала: отправившее информационный пакет устройство ожидает подтверждения от отправителя, а при его отсутствии повторяет отправку еще дважды. Таким образом реализуется защита от сбоев на ненадежных каналах связи. Для борьбы с коллизиями используется технология CSMA/CA («множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий»).
Упрощенная диаграмма работы технологии:
Еще одна интересная (и ключевая) особенность KNX — отсутствие обязательного «головного устройства», центрального контроллера. Обмен данных между компонентами сети идет напрямую. Это дает определенные преимущества:
- можно создавать автономные сегменты сети, действующие на заложенных на этапе программирования триггерах;
- отсутствует дорогой контроллер, что делает комплекс дешевле.
Но есть и минусы такого подхода — приходится проводить большую подготовительную работу и отдельно конфигурировать каждое устройство для этого поставляется специальный инструментарий разработчика Engineering Tool Software и конфигурационные файлы с сайтов производителей.
Возможности
KNX обеспечивает функционирование всех элементов «умного дома»:
- управление светом;
- обработка информации с различных датчиков и счетчиков;
- контроль кондиционеров и климатических систем;
- взаимодействие с реле для управления шторами, воротами и так далее;
- различные «умные» выключатели, диммеры, розетки;
- взаимодействие с любыми устройствами через бинарные входы/выходы;
- контроль «умного дома» со смартфона/ПК из локальной сети и через Интернет.
Оборудование KNX
В экосистеме KNX умный дом присутствует набор объединенных общей шиной устройств. В качестве последней можно использовать двухпроводную витую пару, но на практике нередко прибегают к четырехпроводному кабелю 2×2×0.8 — такой используют, например, в пожарных сигнализациях. Изначально задействуются две жилы, а остальные остаются про запас для дальнейшего расширения. Дополнительное преимущество такого провода состоит в экранировании каждой жилы, а значит, за наводки можно не переживать.
Проводная шина является основной средой передачи данных, прочие (электросеть, Ethernet и радиоканал) относятся к дополнительным. Шинный принцип дает возможность реализовывать почти любые топологии сети.
В простых случаях используется линейная топология с последовательным соединением устройств (до 64 на сегмент линии, до 4 сегментов). Пример:
Можно прибегнуть к «звезде» — тогда все «ветви» будут сходиться в одной точке.
При большом количестве оборудования рекомендуется топология «общая шина»: линия 0 выступит главной, а к ней присоединяются до 15 дополнительных. А в самых сложных ситуациях — древовидная, объединяющая несколько областей на магистральной линии (всего до 15).
Таким образом, максимальное число устройств KNX-сети составляет 58 тысяч.
Конструктивно любая KNX-система состоит из:
- исполнительных устройств, управляющих связанными с ними системами. Они меняют состояние по сигналам от сенсоров, контролируя подключенное к ним оборудование;
- системных устройств — источников питания, соединителей и прочего. Это могут быть репитеры, шинные соединители, логические модули;
- сенсоров, датчиков и прочего. Они фиксируют внешние события и отправляют заданные команды на оборудование (например, при обнаружении падения температуры в помещении ниже 20 градусов автоматически включается отопление).
Каждый компонент должен быть присоединен к шине и запрограммирован (параметризован) соответственно требуемым функциям с помощью ПО ETS. Монтаж многих устройств (блоков питания, актуаторов и прочего.) проводится на стандартную DIN рейку.
В систему также может быть установлено устройство, условно называемое контроллером. Это средство визуализации компонентов сети KNX, контроля и организации удаленного доступа. К таким можно отнести, например, логический контроллер с функциями IP шлюза, ETS-KNX шлюза, и прочими возможностями.
Схема «умного дома» на KNX:
Пример стенда с популярным для реализации KNX-проектов в Москве контроллером LogicMachine:
Обязательных «контроллеров» в классическом понимании технология, как уже говорилось, не предусматривает, все элементы равнозначны и могут работать напрямую.
KNX «для чайников»
Описанное выше может показаться излишне сложным. При многих достоинствах стандарт и решения на его основе обладают, на первый взгляд, высоким порогом входа. Причина тому — необходимость порой непростого программирования устройств и тщательного продумывания логики будущего проекта, особенно в сложных сетях. Но на практике построение «умного дома на KNX не составит проблем, если понять базовые принципы.
Итак, основной элемент — проводная шина KNX, посредством которой «общаются» все устройства, обращаясь друг к другу по известному адресу. В качестве дополнительных служат среды передачи «по воздуху» через радиосвязь, по сети tcp/ip или электропроводке.
Схема одного из вариантов сети для дома:
Реакция оборудования на изменение внешних условий или воздействие определяется его параметрами. Они прописаны в хранящемся на каждом устройстве «приложении», которым можно управлять и менять настройки через ПО ETS. Само ПО устанавливается на подключенном к KNX-шине через шлюз компьютере.
В терминологии KNX существуют следующие понятия:
- физический адрес — он назначается каждому компоненту через ПО ETS и служит для непосредственной идентификации оборудования;
- Group Address, групповой адрес — программная сущность, куда помещаются объекты взаимодействующего оборудования (Objects). Например, если нужно создать сенсор включения света, следует создать групповой адрес «свет вкл.» (или другой по желанию), в который помещаются объекты Input 1 актуатора и Output 1 сенсора. Проще говоря, связывается объект датчика и исполнительного устройства.
Формат адресов может быть различным (один бит, байт, два байта и тому подобное). Выключателю достаточно одного байта со значением 1 и 0 (свет вкл./свет выкл.).
Когда групповой адрес создан, он через ПО прописывается в Приложение целевого устройства. Последнее «узнает» адреса всех связанных с ним элементов сети и будет готово к работе.
В качестве тренировочной «песочницы» можно использовать программу KNX Virtual.
Она позволяет экспериментировать с виртуальной сетью без приобретения и монтажа реальных устройств.
Пример системы
Рассмотрим небольшой пример реализации управления освещением дома. Предположим, необходимо:
- включать свет в коридоре, лестнице, на крыльце;
- по датчику присутствия делать это в санузле;
- реализовать автоотключение через 10 минут;
- сделать аварийное включение света, например, в прихожей при звонке в дверь;
- отключение света при уходе из дома.
Нужно подсчитать группы освещения, продумать на плане количество и положение выключателей. В качестве последних можно использовать и «родные» KNX-совместимые, и обычные, пакет в шину с последних будет передаваться сухим контактом наподобие такого:
Определившись с группами и функциями, можно подобрать подходящее реле одного из производителей (Gira, Zennio и прочее).
Следующий ответственный момент — планирование проводки и принципиальная схема будущей сети. В рассматриваемом случае на выключатели от щитка идет только кабель шины, а на светильники (нагрузку) — непосредственно электропитание.
Когда все разведено, установлено и скоммутировано, начинается процесс настройки через ПК с установленной ETS: создание нового проекта, заведение топологии, добавление устройств. После этого нужно создать группы: в них будут писать данные сенсоры, а актуаторы станут срабатывать по этим данным. Актуатор допускается приписывать к нескольким группам.
Например, есть четырехканальное реле.
Распределим группы. Групповые адреса первого этажа имеют обозначение 0, освещение на первом этаже 0/0.
- 0/0/0 — свет на этаже целиком;
- 0/0/1 — крыльцо, (канал А);
- 0/0/2 — канал В, прихожая;
- 0/0/3 — санузел, канал C;
- 0/0/4 — гостиная, канал D.
В интерфейсе ETS это будет выглядеть примерно следующим образом:
К группам присоединяются выключатели — например, двухклавишные. Предположим, что первая клавиша выключателя в гостиной должна включать-выключать лампы непосредственной в ней, а вторая гасить его на этаже.
Привязка в программе:
Остается лишь загрузить программу в оборудование, и можно проверять.
Где купить
Приобрести оборудование KNX можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых позиций есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:
Выводы
KNX — интересный, гибкий и многофункциональный стандарт «умного дома». Децентрализованная структура позволяет создавать сложные распределенные сети; центральный контроллер при этом не нужен. Использование проводного канала связи как основного обеспечивает устойчивый сигнал, а возможность передавать данные через электропроводку в некоторых случаях дает возможность избежать протягивания дополнительных проводов. Кроме того, остается и функционал беспроводной связи, качественной работе которого помогает контроль данных.
На рынке присутствует множество производителей оборудования KNX, при этом всем оно гарантированно совместимо между собой.
Из минусов можно отметить:
- относительно высокую стоимость решений;
- высокий «порог входа» для новичков, которым придется разбираться с программированием KNX системы;
- единственный инструмент настройки — Engineering Tool Software. Программа платная, версия для инсталляций до 20 устройств стоит 200 USD, полнофункциональная — 1000.
