KNX-RF стандарт за безжична сградна автоматизация

Стандартът KNX-RF (Konnex-RF, Konnex Radio Frequency) е безжичната алтернатива на международния стандарт за автоматизация в търговски и жилищни сгради KNX. Konnex-RF е предпочитаният избор за безжичен пренос на данни в сгради, в които не е подходящо окабеляването с усукана двойка кабели или PLC технология (Powerline communication).

Приложната му област обхваща контрол на осветлението, регулиране на ОВК системите, автоматично отваряне и затваряне на врати и прозорци, управление на щори, контрол на системата за сигурност, пожароизвестяване, дистанционно отчитане на потреблението на електроенергия, управление на комуникационни уреди и други.

Подобно на основния KNX стандарт, и безжичната версия е с отворен протокол, а конфигурацията на KNX-RF устройствата може да бъде извършена без нужда от настолен компютър или лаптоп. KNX устройствата, които поддържат безжична комуникация, използват радио сигнали, за да изпращат KNX съобщения, условно наречени “телеграми”.

Тези телеграми се предават в честотна лента до 868 MHz (за устройства с малък честотен обсег), с 25 mW максимална излъчвателна мощност и скорост на предаване на данни от 16.384 kb/sec. Радиочестотната KNX среда може да бъде изградена с готови стандартизирани компоненти и позволява еднопосочни и двупосочни внедрявания.

Тя се характеризира с ниска консумация на енергия и за малки и средни по размер инсталации изисква ретрансмитери само по изключение. Безжичният стандарт разграничава еднопосочните устройства, които само изпращат данни, от двупосочните, които съдържат и приемник.

За разлика от последните, устройствата за еднопосочна комуникация не са в постоянен режим на приемане и се нуждаят от много малко захранване, което позволява интегрирането в тях на сензори с батерии. Задвижващите механизми, от друга страна, винаги работят двупосочно и обикновено се захранват от мрежата.

Аспекти на внедряването на KNX-RF устройства
Разработването на радиочестотни KNX устройства не изисква специални KNX компоненти. С цел намаляване на времето и разходите за проектиране и производство, се препоръчва интегрирането на готови RF модули, особено за по-малки производствени серии. Една KNX-RF възлова точка обикновено се състои от следните елементи:

Предавателен чип. KNX-RF стандартът не изисква конкретен модел чип. На пазара са достъпни няколко различни модела, подходящи за изграждане на KNX-RF възел. За еднопосочните устройства се предлагат само предавателни чипове (без функция приемане), които са на по-ниска цена.

Радиочестотна схема. Предавателното устройство, заедно с няколко пасивни компонента, е в основата на изграждането на RF схемата. Въз основа на референтния дизайн на производителите на чипове, схемата може да бъде проектирана и оптимизирана за изискванията на KNX-RF стандарта.

Микроконтролер. Ядрото на всяко KNX устройство е микроконтролер, който осъществява комуникацията и дейностите по приложенията. При радиочестотната комуникация най-важната особеност е ниската консумация на енергия. Интерфейсната логика за свързване на предавателя е налична при много от съвременните контролери.

Комуникационен стек. KNX стандартът дефинира сложен протокол, който изисква сериозни усилия за внедряване и сертифициране. Комуникационният стек е системният софтуер за KNX-RF устройствата. Той контролира предавателя и управлява цялостната комуникация, включително процедурата по конфигуриране. В допълнение, той осигурява API интерфейс за програмиране на приложения.

Мрежов слой. Мрежовият слой за крайните устройства (сензори и изпълнителни механизми) е сравнително прост. В посоката на приемане мрежовият слой интерпретира само режима на адресиране. В посоката на изпращане той реализира запитването на свързващия слой за всички типове фреймове (кадри), които се изпращат.

Схема на адресиране. Схемата за адресиране се основава на схемата за усукана двойка кабели, която използва отделни адреси и група адреси (по 2 байта всеки). Индивидуалният адрес се осъществява с единичен адресен модул и се използва главно за конфигуриране. Груповият адрес 0x0000 се резервира за радио адресиране.

Тъй като радиочестотната среда е отворена, подобно на Powerline технологията, се добавя домейн адрес (6-битов, програмируем) към отделните съседни инсталации. Еднопосочните устройства не могат да бъдат програмирани и следователно не са в състояние да използват общ домейн адрес.

Ето защо груповите телеграми съдържат серийния номер на изпращащия модул. Серийният номер, заедно с 2-битовия групов адрес, се нарича разширен групов адрес. Докато при усукана двойка кабели или Powerline технология както изпращащият, така и приемащият модул трябва да бъдат програмирани, за да се изгради връзка, то при KNX-RF се конфигурира само приемникът.

От 2011 г. KNX-RF е с мултиканално разширение
Оригиналните KNX-RF спецификации описват едноканално радиочестотно решение в една честотна лента. То използва честотен обхват до 868 MHz и най-модерните предавателни характеристики. Това позволява изключително надеждна комуникация за малки жилищни или търговски приложения. Двупосочните устройства, захранвани с батерия, се поддържат посредством подсистема, наречена Bibat.

Този тип едноканална RF комуникация обаче може да бъде смутена от системи, неработещи по стандарта KNX RF, с различни механизми за достъп до средата в съседни честотни ленти.

Мултиканалното решение KNX-RF Multi се справя с тези смущения, като позволява на устройствата да „прескачат” от заетите канали към съседни или несъседни радиочестотни канали, например към 2 несъседни възможни бързи канала F2 и F3 или два бавни канала S1 и S2.

Бързите канали се използват за приложения, управлявани от оператор, като осветление, отваряне/затваряне на щори и др. Бавните канали са предвидени за устройства, които не са в постояннен режим „приемане”, използвани за ОВК контрол например (фиг. 1).

Бързите канали се характеризират със скорост на данните 16,384 kbps, докато при бавните скоростта е наполовина. Работните цикли в F1 и F2 са ограничени до 1%, респективно 0,1% от времето при максимум от 25 mW излъчвателна мощност, но те могат да бъдат увеличени до 100% при максимум от 5 mW за каналите F3 и S2 (между 5 и 25 mW съответно отново ще бъдат намалени до 1%).

Работният цикъл в S2 канала е настроен на 10% при максимум от 25 mW мощност. Тъй като едно устройство може да предава по всяко време, то може да бъде в „спящ” режим и да работи с намалена консумация през 80% от времето в бързите канали и дори до 99% от времето в бавните канали, като само периодично излиза от спящ режим, за да получи кадров сигнал.

Мултиканалната функция увеличава вероятността за качествено предаване. В допълнение, тя спомага за осъществяването на добро приемане, като поддържа бързо или незабавно разпознаване на до 64 индивидуални приемника.

В случай че бързо/незабавно разпознаване не може да се осъществи, телеграмите автоматично се препредават. KNX-RF ретранслаторите (повторители) събират и предават тези разпознавания, за да е възможно качествено приемане да се осигури и на по-големи разстояния. KNX-RF системата проверява и дали друго радиочестотно KNX предаване е налично, преди да започне да предава, като по този начин значително намалява броя на вероятните колизии (сблъсъци) на сигнали.

Стандартът KNX-RF, и по-специално мултиканалната версия, поначало поддържа по-дълги кадрови сигнали. Това е необходимо, за да се поддържа KNX слой за сигурност на приложенията, който се използва от други KNX комуникационни среди, да стане възможно удостоверяване на комуникацията и да се осигури нейната конфиденциалност.

По този начин комуникационният разклонител не представлява слабо звено по отношение на сигурността и KNX-RF мрежата може да бъде използвана за приложения като измерване, контрол на достъпа, охрана, противопожарна защита и др.

Предимства на безжичните системи за автоматизация
Прилагането на безжични технологии в жилищната и сградна автоматизация предлага множество предимства. На първо място, инсталационите разходи са значително по-ниски, тъй като не се изисква окабеляване.

Това е особено полезно, когато е необходимо разширяване на мрежата вследствие промяна на изискванията. Жичните разширения се нуждаят от кабелни съединения или скари, докато безжичните възли могат лесно да бъдат добавяни към мрежата, което превръща инсталацията им в изгодна инвестиция.

Безжичната комуникация позволява и монтаж на сензори на места, където окабеляването не е безопасно или не е препоръчително поради естетически съображения, както и с оглед съхраняването на сградната конструкция. Примери за това са исторически сгради или такива със стъклени фасади/архитектурни елементи, както и индустриални помещения.

При последните наличието на силно електромагнитно поле би могло да повлияе негативно на възловите точки. В допълнение, дългите кабели имат склонност да натрупват разлики в електрическия потенциал, които (дори и да са безвредни за мрежовите устройства и потребителите) могат да генерират искри и в този смисъл са недопустими в експлозивни среди с оглед осигуряване на оптимална безопасност за операторите и оборудването.

С безжичните мрежи, свързващи мобилни устройства като PDA устройства и смартфони със системата за автоматизация, конкретната физическа локация на отделните звена вече не е от значение, стига устройствата да са в рамките на обхвата на мрежата.

Възможно е също краткотрайно свързване към мрежата за изпълнение на дадена задача и изключване веднага след това. Всички тези предимства и възможности правят безжичната технология не само атрактивен избор при ремонт и обновяване на сгради, но и за нови инсталации.

С KNX-RF разширението Асоциацията Konnex направи важна стъпка към бъдещия успех на KNX стандарта. Konnex-RF разшири обхвата на достъпните среди и разкри редица нови приложни области, включително в жилищния сектор и ремонтните дейности.