Datenübertragung mittels KNX
Was ist KNX?
Der Konnex-Bus KNX ist ein Feldbus für die Gebäudeautomation und hieß ursprünglich "Europäischer Installationsbus" (abgekürzt EIB) und war ein von der EIB-Association (EIBA) entwickeltes und vermarktetes System. 1999 kam es dann zu einem Zusammenschluss der EIBA mit anderen europäischen Vereinigungen: dem BCI aus Frankreich, der das Batibus-System förderte und der European Home Systems Association aus den Niederlanden, die das EHS-System unterstützte. Bei diesem Zusammenschluss wurde der neue Name KNX geschaffen und die KNX-Association mit Sitz in Brüssel gegründet. Die Technik der heutigen KNX Geräte ist identisch mit der Technik des ehemaligen EIB-Systems, so dass alle Geräte, die ein KNX oder EIB-Logo tragen, problemlos miteinander betrieben werden können.
Wie funktioniert KNX?
Beim KNX System geht es um ein Bussystem für die Gebäudesteuerung. Alle Geräte benutzen das gleiche Übertragungsverfahren und tauschen über eine gemeinsame Busleitung Daten aus. Ein weiteres wichtiges Merkmal des KNX Bussystems ist der dezentrale Aufbau. Es gibt also kein Zentralgerät, sondern die Intelligenz des Systems ist gleichmäßig über alle Teilnehmer verteilt. Jeder Teilnehmer hat seinen eigenen Mikroprozessor. Ein großer Vorteil einer dezentralen Anlage ist, dass bei Ausfall eines Gerätes die übrigen Geräte weiter arbeiten. Es sind nur jene Funktionen gestört, die das ausgefallene Gerät betreffen.
Neben den Systemgeräten (Spannungsversorgung, Busleitung usw.) wird beim KNX System generell zwischen Sensoren und Aktoren unterschieden. Sensoren sind Geräte, die Ereignisse im Gebäude erkennen (Tastenbetätigung, Bewegung, Über-/Unterschreitung eines Temperaturwerts usw.) und in Telegramme umwandeln. Anschließend versenden sie diese Telegramme (Datenpakete). Geräte, die Telegramme empfangen und die darin enthaltenen Befehle in Aktionen umwandeln, bezeichnet man als Aktoren. Sensoren sind als die Befehlsgeber im Bus und Aktoren die Befehlsempfänger. Um Sensoren unabhängig vom Stromnetz platzieren zu können, werden die Sensoren meist mit Batterien versorgt, Solarzellen sind für viele Anwendungen aber auch gut geeignet. Dies ist natürlich nur möglich, wenn die Geräte nicht permanent empfangsbereit sein müssen. Dazu wurde in KNX speziell ein unidirektionales Gerätemodell definiert, die nur bei Bedarf senden und keinen Empfänger haben. Aktoren müssen stets empfangsbereit sein und stellen bidirektionale Geräte mit einem eigenen Gerätemodell dar. Aktoren werden meist aus dem Stromnetz versorgt. Empfänger ohne Sender sind in KNX nicht vorgesehen.
Der Zugriff auf die Busleitung muss eindeutig definiert sein (Buszugriffverfahren) d.h. die übertragenen Daten sind nicht als Nutzdaten anzusehen z.B.(Licht\an oder Licht\aus), sondern als Adressinformationen d.h. von welchem Sensor(Befehlsgeber) kommen die Daten und an welchen Aktor(Befehlsempfänger) sind sie gerichtet.Wie Groß das KNX-System werden kann?, bestimmt der Bedarf an Anwendungen. Als kleinste Anwendung ist ein System mit zwei Busteilnehmern möglich. Es verbindet einen Sensor und einen Aktor. Theoretisch kann ein KNX System bis zu 10000 Teilnehmern umfassen.
KNX praktische Anwendung mit verschiedenen Übertragungsmedien
Es gibt beim KNX Bus mehrere Übertragungsmedien und somit mehrere Übertragungsverfahren:
KNX Twisted Pair (KNX TP):Übertragung über verdrillte Zweidraht-Datenleitung
Hier versorgt die Busleitung alle Busteilnehmer mit Daten und Betriebsspannung. Die Nennspannung beträgt 24V. In den Teilnehmern wird zunächst die Versorgungsgleichspannung von der Informationswechselspannung getrennt. Ein Kondensator erzeugt die Versorgungsgleichspannung, ein Übertrager koppelt die Informationswechselspannung aus. Eine weitere Funktion des Übertragers ist es, die ausgehenden Informationen bei sendenden Teilnehmern auf die Busspannung zu bringen.
Beim KNX TP beträgt Die Datenübertragungsgeschwindigkeit 9600 Bit/s. Die einzelnen Zeichen (0 und 1) sind bei der Datenübertragung folgendermaßen verschlüsselt: Wird eine logische 0 gesendet, so sinkt die Spannung erst kurzzeitig, steigt dann wieder an und pendelt sich nach maximal 104 Mikrosekunden auf 28 V wieder ein. Dies ist auf die Spulenwirkung der Netzdrossel zurückzuführen. Wird eine logische 1 vom Bus gesendet, so liegen 28 V Gleichspannung an. Der Ruhezustand des Busses entspricht dem permanenten Übertragen von Einsen.(S. Bild 3)
Die Busteilnehmern werden hier über eine Busklemme angeschlossen S.Bild 2, sodass der Teilnehmer vom Bus genommen werden kann, ohne dass die Busleitung unterbrochen wird. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des KNX Bussystems: Die Entfernung eines Busteilnehmers führt nicht zur Unterbrechung der Kommunikation der übrigen Teilnehmer!
KNX Power Line (KNX PL)Übertragung über das vorhandene 230 V-Netz
Hier dient die 230V-Leitung als Übertragungsmedium, wobei die Busteilnehmer über das 230V-Netz mit Spannung versorgt werden. Die einzelnen Zeichen (0 und 1) werden hier über zwei Frequenzen verschlüsselt 105,6 kHz für das Übertragen einer 0 und 115,2 kHz für das Übertragen einer 1. . KNX PL arbeitet mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1200 Bit/s. Der Signalform ist in Bild 4 zu sehen. Bei KNX PL-Geräten sollte man darauf achten, sie über Stichleitungen an das bestehende 230-V-Netz anzuschließen, damit die Entfernung eines Teilnehmers nicht die Kommunikation anderer Teilnehmer unterbricht.
KNX Radio Frequency (KNX RF): Übertragung über Funk
KNX Übertragung über Funk kommt of zum Einsatz, wenn ein Verlegen von Leitungen unmöglich ist. Bei Systemen, die über Twisted Pair verfügen, ist es möglich ein vorhandenes System drahtlos zu erweitern. Wie bei allen KNX Medien erfolgt auch bei Funk die Übertragung der Nutzdaten mit Gruppentelegrammen. Das heißt, ein Telegramm kann von mehreren Geräten gleichzeitig empfangen werden und zum Beispiel mehrere Leuchten gleichzeitig einschalten. Auch die Kodierung der Daten, das so genannte Interworking wurde bei Funk nicht geändert. Wer mit Twisted Pair oder mit Powerline vertraut ist, wird sich mit KNX RF schnell zurecht finden.
KNX IP Übertragung über Ethernet
KNX IP ist die Bezeichnung des vierten Übertragungsmediums für den KNX Standard. KNX IP Geräte kommunizieren über Ethernet/IP. Die dazugehörige Übertragungsprotokollreihe heißt KNXnet/IP. KNX IP ermöglicht optimale Kommunikation im Gebäude (z.B. Telekommunikation, Multimedia) und ermöglicht, von außen auf die KNX Installation zuzugreifen.
Bei der Entwicklung von KNX IP Geräten werden keine besonderen KNX Komponente benötigt. Sie können auf Ethernet oder WIFI Kontrollern basieren, die von verschiedenen Halbleiterherstellern verfügbar sind. Kontroller mit einer Bitrate von 10 MBits sind in der Regel ausreichend um die KNXnet/IP Anforderungen zu erfüllen. Die Systemsoftware eines KNX IP Gerätes besteht aus zwei Protokollstacks. Kommunikation über Ethernet benötigt einen IP Stack mit UDP, da KNXnet/IP auf verbindungsloser Kommunikation basiert. KNX Unicast als auch Multicast Telegramme werden über UDP übertragen. Der KNX Stack sitzt oberhalb des IP/UDP Stacks. Entweder werden diese Stacks komplett neu entwickelt oder man basiert sich auf verfügbaren und zertifizierten Lösungen von Tapko oder Weinzierl. Für den IP Stack kann man sich auch überlegen, leistungsfähigere Betriebssysteme wie Linux zu verwenden, die prinzipiell einen IP Stack mit UDP beinhalten. Entwicklung einer ETS APP. [5]KNX IP stellt eines der wichtigsten Übertragunsmedien dar. Zur Vertiefung empfielt sich folgender Link [6]
Was muss man tun, um ein Gerät zu entwickeln, dass über KNX mit bestehenden Komponenten kommunizieren kann?
Wenn eine Entwicklung gestartet wird, hat ein KNX Hersteller folgende Möglichkeiten:
- Der Hersteller entscheidet sich, das KNX Produkt komplett eigenständig zu entwickeln. Dies bedeutet, dass die einzige Basis für die Entwicklung die KNX Spezifikationen sind und alle Teile des Produktes (Physical Layer, Kommunikationsstack, Anwendungsprogramm und ETS- Produkteintrag) entwickelt und zertifiziert werden müssen. Es hat den Vorteil, dass man von jeglichem Lieferant unabhängig ist.
- Der Hersteller entscheidet sich, existierende KNX Geräte eines anderen KNX Mitglieds in seinem eigenen Namen zu verkaufen. Der Entwicklungsaufwand dafür ist sehr niedrig, da sie auf eine erneute Registrierung des bestehenden ETS Anwendungsprogrammes im Namen des wiederverkaufenden Herstellers beschränkt ist. Dies ist ein administratives Verfahren, wobei die Produkte nicht erneut getestet werden müssen.
- Der meistgeeignete Fall für Hersteller, die mit neuen Produkten anfangen, ist dass man existierende KNX zertifizierte Systemkomponente und/oder Stacks einsetzt. So beschränkt sich die Entwicklung auf das Anwendungsprogramm und die Erstellung eines ETS Produkteintrages. Nur diese Teile sind Bestandteil der Zertifikation. KNX bietet sogar eine Unterstützung bei der Entwicklung („KNX Cookbook“) mit Beispielen basierend auf existierenden Systemkomponenten, als Bestandteil des KNX Standards.
Anwendungsbeispiele von KNX
Es gibt viele Gründe, die für die Nutzung von KNX gegenüber anderen Bussystemen sprechen:
- alle starken Marken der Elektroinstallationsbranche treiben KNX voran.
- KNX ist ein System, das speziell auf die Anforderungen der Elektroinstallation hin entwickelt wurde.
- die Installation und Programmierung der Geräte ist handwerksgerecht umsetzbar.
- KNX ist seit Jahren etabliert, feiert in 2010 seinen 20.ten Geburtstag - der verfügbare Funktionsumfang ist enorm.
- mit fast 7.000 KNX zertifizierten Produkten werden nahezu alle Anwendungen im Gebäudebereich abgedeckt.
- Endkunden können auf ein weites Netz von Integratoren mit fundierten KNX-Kenntnissen zurück greifen, die Qualifikation beweist ein Zertifikat.
- KNX ist in den bedeutendsten Normungs- und Standardisierungsgremien verankert.
In der folgenden Tabelle sind einpaar Anwendungsbeispiele im Bereich der Heimautomation erläutert:
| Anwendung | Erläuterung |
|---|---|
| Heizung | automatische und optimale Wärmeregelung nach Nutzung der Räume bzw. Bedarf der Bewohner |
| Lüftung | Fenster werden nach Bedarf geöffnet. Die Lüftung reagiert, wenn Personen im Raum sind |
| Beschattung | Steuerung von Jalousien und Markisen über Wind-, Helligkeits-, und Regensensoren oder nach Zeitplan |
| Licht | Zentrale Steuerung der Beleuchtung im Haus und Garten |
| Audiogeräte | Fernsteuerung von beliebiger Stelle im Haus und Musik nach Belieben in jedem Raum |
Zusammenfassung
KNX ist die Basis für alle Anwendungen im Bereich der Heimautomation wie z.B.(Heizung, Lüftung Beschattung, Licht usw.) und ermöglicht die Erweiterung von schon existierenden Systemen. Ein KNX System ist meist dezentral aufgebaut und schützt vor einer Kommunikationsunterbrechung der nicht betroffenen Geräte, dabei ist vorteilhaft, dass die Gräte über eigenen Mikroprozessor verfügen. Das KNX System verfügt über Sensoren und Aktoren sowie Bediengerät zur Steuerung das kann Smartphone oder PC sein.Die Aktoren müssen immer Empfangsbereit sein.Empfänger ohne Sender sind in KNX nicht vorgesehen. Nach der Konfiguration der Software oder App. kommt es zur Kommunikation, wobei es beim KNX vier verschiedene Datenübertragungsmedien gibt:
- KNX Twisted Pair (KNX TP):Übertragung über verdrillte Zweidraht-Datenleitung
- KNX Power Line (KNX PL)Übertragung über das vorhandene 230 V-Netz
- KNX Radio Frequency (KNX RF): Übertragung über Funk
- KNX IP Übertragung über Ethernet
Je nach Übertragungsverfahren werden die Signale unterschiedlich verschlüsselt, dabei werden die Einsen und Nullen mit verschiedenen Verfahren interpretiert wie z.B. die Signalform beim KNX TP ist abhängig von der Spannung während es beim KNX PL Frequenz abhängig ist.
Meistens setzten Hersteller, die mit neuen Produkten anfangen, schon existierende KNX zertifizierte Systemkomponente und/oder Stacks ein. So beschränkt sich die Entwicklung auf das Anwendungsprogramm und die Erstellung eines ETS Produkteintrages. Nur diese Teile sind Bestandteil der Zertifikation. KNX bietet sogar eine Unterstützung bei der Entwicklung („Cookbook“) mit Beispielen basierend auf existierenden Systemkomponenten, als Bestandteil des KNX Standards.