KNX-RF. Ein neuer Standard für drahtlose Netzwerke in Gebäuden

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1 WEINZIERL ENGINEERING GMBH Dr.-Ing. Thomas Weinzierl Bahnhofstr Tyrlaching Tel. +49 (0) 8623 / t.weinzierl@weinzierl.de Web: KNX-RF Ein neuer Standard für drahtlose Netzwerke in Gebäuden Abstract KNX ist die Abkürzung für Konnex, ein offener Standard für die Vernetzung und Steuerung von Gebäudetechnik. Konnex ist im Wesentlichen eine Weiterentwicklung des bekannten EIB- Systems (Europäischer Installationsbus), der mit seinen Medien Twisted Pair und Powerline bereits eine starke Verbreitung gefunden hat. Eine entscheidende Erweiterung von Konnex ist die drahtlose Alternative KNX-RF (Konnex Funk). Dieser Beitrag gibt einen kurzen Überblick über Anwendungsmöglichkeiten, technische Eigenschaften und über verfügbare Lösungen. 1 Anwendungsbereich Wie bei den etablierten Konnex Medien konzentriert sich auch bei KNX-RF der Anwendungsbereich auf Steuerungsaufgaben. KNX-RF ist unter anderem geeignet, die Beleuchtung, Jalousien oder auch das Raumklima zu steuern. An Installationsorten, an denen weder Twisted Pair noch Powerline eingesetzt werden können, bietet KNX-RF die Möglichkeit, Daten innerhalb eines Gebäudes drahtlos zu übertragen. Wie der gesamte Konnex Standard ist auch die Funkkommunikation KNX-RF herstellerunabhängig. Die Konfiguration der KNX-RF Geräte kann ohne PC oder Laptop für die Inbetriebnahme erfolgen. Im Handel sind bereits Geräte der Firma Siemens (Gamma wave) und von Hager (Tebis TX). Seite 1/8

2 Verschiedene Geräte für KNX-RF (Siemens und Hager) 2 Protokoll 2.1 Physical Layer Die Funkschnittstelle von Konnex-RF entspricht den gesetzlichen Vorgaben für Short Range Devices. Die Spezifikation ist hardware-unabhängig. Derzeit gibt es verschiedene Chips am Markt, die für KNX-RF geeignet sind. Technische Daten: Mittenfrequenz: 868,3 MHz FSK Abweichung: +-50 khz Duty cycle: <1 % Modulation: FSK Codierung: Manchester Chip Rate: cps Sendeleistung: 1-25 mw 2.2 Link Layer Das Frame-Format für KNX-RF besteht aus mehreren Elementen. Jedes Telegram startet mit einem Pre-Header, auf den sich der Empfänger synchronisiert. KNX-RF Preheader Preamble 15x 01 chip Preheader Manchester violation Sync word Nach dem Preheader folgt der erste Block mit einigen Control-Informationen und der Serien- Nummer des Absenders. Der erste Block besteht immer aus 10 Datenbytes und besitzt eine eigene Checksumme mit 2 Bytes. Seite 2/8

3 Block 1 Length C-Field Esc Ctrl SN SN SN SN SN SN CRC hi CRC lo 0x11 0x44 0xFF 0x03 KNX-RF Datenblock 1 Die Nutzdaten folgen im Block 2, der maximal eine Länge von 16 Bytes plus 2 Bytes Checksumme haben kann. Bei längeren Telegrammen folgen weitere Datenblöcke. Die Codierung der Daten ab Block 2 entspricht im Wesentlichen dem KNX Telegrammformat wie es auch für Twisted Pair und für Powerline definiert ist. Block 2 KNX-Ctrl Src hi Src lo Dst hi Dst lo L/NPCI TPCI APCI Data... CRC hi CRC lo 0x00 0x05 0xFF 0x00 0x01 0xE6 0x00 0x81 KNX-RF Datenblock 2 Bemerkenswert sind die getrennten Checksummen für jeden Block. Durch das Generator- Polynom erhält man eine Hamming-Distanz von 6. Trotz der knappen Zeit, die dem Controller für die Auswertung zur Verfügung steht, ist es möglich, mindestens ein Bit pro Block zu korrigieren. Bei einer angenommenen Bit Error Rate (hier Chip Error Rate) von 10-4 kann die Telegramm-Erfolgsrate mit Hilfe der Korrektur von 96,31 % auf 99,97 % erhöht werden. 2.3 Network Layer Die Network Layer für Endgeräte (Sensoren und Aktoren) ist sehr einfach gehalten. In der Empfangsrichtung wird nur die Adressierungsart ausgewertet. Im Sendefall führt die Network Layer die verschiedenen Kommunikationsarten zur einheitlichen Link Layer Requests zusammen. 2.4 Transport Layer Derzeit wird für KNX-RF nur die verbindungslose Kommunikation verwendet. Die verbindungsorientierte Kommunikation wie sie für das Management bei Twisted Pair und Powerline zum Einsatz kommt, ist bisher für Funk nicht vorgesehen. 2.5 Session und Presentation Layer Wie bei Twisted Pair und Powerline sind auch bei KNX-RF Session und Presentation Layer nicht definiert. Die entsprechende Funktionalität nach dem OSI/ISO Referenzmodell ist der Applikation Layer zugeordnet. 2.6 Application Layer Die Application Layer teilt sich auf in die Services für die Runtime-Kommunikation, das heißt für die eigentlichen Steuerungsaufgaben, und in das Geräte-Management für die Konfiguration. Für die Runtime-Kommunikation werden folgende APCI-Services (Application Protocol Control Information) verwendet: APCI_VALUE_READ Seite 3/8

4 APCI_VALUE_RESP APCI_VALUE_WRITE Unidirektionale Geräte unterstützen natürlich nur Value Write für die Anwendung. Das komplexe Management für KNX-RF umfasst wesentlich mehr Services: APCI_PHYS_ADDR_WRITE APCI_PHYS_ADDR_READ APCI_PHYS_ADDR_RESP APCI_PHYS_ADDR_SER_NUM_READ APCI_PHYS_ADDR_SER_NUM_WRITE APCI_PHYS_ADDR_SER_NUM_RESP APCI_DOMAINADDRESS_WRITE APCI_DOMAINADDRESS_READ APCI_DOMAINADDRESS_SER_NUM_WRITE APCI_DOMAINADDRESS_SER_NUM_READ APCI_DOMAINADDRESS_SER_NUM_RESP APCI_NETWORK_PARAM_WRITE APCI_DEVICE_DESC_READ APCI_DEVICE_DESC_RESP APCI_PROP_VALUE_READ APCI_PROP_VALUE_RESP APCI_PROP_VALUE_WRITE APCI_PROP_DESC_READ APCI_PROP_DESC_RESP APCI_FNCT_PROP_CMD APCI_FNCT_PROP_STATE_READ APCI_FNCT_PROP_STATE_RESP Damit ergibt sich bei der Implementierung von bidirektionalen Geräten ein erheblicher Code- Umfang für die Management-Funktionen. Bei unidirektionalen Geräten ist der Umfang stark reduziert, da diese Geräte ohnehin über den Bus nicht angesprochen werden können. 3 Gerätemodelle Für ein Interworking von Geräten verschiedener Hersteller ist es erforderlich, dass die Geräte nicht nur dasselbe Protokoll verwenden, sondern auch eine bestimmte Menge an Funktionen bereitstellen. Dazu wurden in Konnex verschiedene Gerätemodelle als Profile definiert. Der KNX-RF Standard unterscheidet zwischen unidirektionalen Geräten, die nur senden können und bidirektionalen Geräten, die auch einen Empfänger besitzen. Da unidirektionale Geräte nicht permanent empfangsbereit sein müssen, können sie sehr stromsparend realisiert werden und eignen sich für Batterie betriebene Sensoren. Aktoren müssen natürlich bidirektional ausgeführt Seite 4/8

5 werden und werden in der Regel aus dem Stromnetz versorgt. Derzeit sind für Funk folgende Geräte-Modelle definiert: 2010 (bidirektional) 2011 (unidirektional) Die derzeit am Markt verfügbaren Geräte werden im so genannten Easy-Mode konfiguriert. Das heißt, es ist kein PC oder Laptop erforderlich. Allerdings wird unterschieden in den Push-Button Mode und in den Controller Mode. Im Push Button Mode können zwei Busteilnehmer, zum Beispiel ein Sensor und ein Aktor, ohne weitere Hilfsmittel kombiniert werden. Sie werden nur gleichzeitig im Lernmodus aktiviert. Für den Controller Mode ist, wie der Name schon sagt, ein zusätzliches Gerät erforderlich, das die Verknüpfungen programmiert. Bei komplexen Installationen stoßen allerdings beide Easy Modes aufgrund des eingeschränkten User-Interfaces an ihre Grenzen. Als Alternative bietet sich in diesem Fall der System Mode, das heißt die Konfiguration mittels eines PCs, an. Da die am Markt verfügbaren Geräte bereits für den System Mode vorbereitet sind, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis eine entsprechende Software verfügbar sein wird. Geplant ist auch die Unterstützung von KNX-RF durch die ETS (EIB Tools Software). 4 Hardware-Architektur KNX-RF Geräte enthalten im Kern einen Mikrocontroller, der sowohl die Kommunikation mit dem Bus als auch die Applikation ausführt. Derzeit wird in der Regel die Prozessor-Familie MSP430 von Texas Instruments eingesetzt, die sich durch eine geringe Stromaufnahme auszeichnet. Für die Funk-Kommunikation dient ein Transmitter bzw. Transceiver. Geeignet sind zum Beispiel Chips der Firma Chipcon. Es können aber auch andere Komponenten eingesetzt werden. KNX-RF Device Application-HW Inputs Outputs Sensors Aktuators I/O Microcontroller CPU RAM, Flash USART, SPI PDATA PALE PCLK DIO DCLK Prog. Interface Data Interface RF Transceiver Analog Part Typische Hardware-Architektur für KNX-RF Evaluation-Boards bidirektional Seite 5/8

6 4.1 Verfügbare Implementierungen Derzeit bieten die Firmen Siemens und Hager diverse Endgeräte für KNX-RF an. Als erste Firma bietet die Weinzierl Engineering GmbH eine Stack Implementierung für KNX RF an. Die Firmware stellt ein minimalistisches Betriebssystem für KNX-RF-Geräte bereit. Es enthält nicht nur den reinen Kommunikations-Stack, sondern stellt eine vollständige Implementierung der standardisierten Gerätemodelle dar. Dies beinhaltet auch den Linkmechanismus entsprechend dem KNX Easy Mode. Die Firmware ist verfügbar sowohl für unidirektionale als auch für bidirektionale Geräte. Um eine lange Lebensdauer der Batterie zu erreichen, unterstützt das unidirektionale Modell einen Stromsparmodus. Comm- Object- Table Assoc- Table Address- Table Application Layer Properties, Link Mgm. Management Comm.- Objects Transport Layer Connection-Less Network Layer Link Layer Physikal Layer Application KNX-RF-Stack Transceiver KNX-RF Stack-Architektur Sowohl unsere unidirektionale als auch unsere bidirektionale Implementierung bieten die Möglichkeit der Integration der Applikationssoftware in den Controller 4.2 Entwicklungs-Tools Die Qualität jeder Entwicklung ist abhängig von der Qualität der benutzten Werkzeuge. Bei der Entwicklung eines Geräts für KNX-RF ist es sehr wichtig, das Verhalten des Geräts am Bus genau analysieren zu können. Zu diesem Zweck ist ein Busmonitor erforderlich, der die Telegramme, die auf dem Bus ausgetauscht werden, sichtbar macht. Seite 6/8

7 Bildschirmphoto Net n Node Zur effektiven Entwicklung von KNX-RF Systemen haben wir unsere bewährte EIB/KNX Analysesoftware für KNX-RF erweitert. kann Funktelegramme sowohl senden, als auch empfangen. Die Anzeige erfolgt im cemi-format. Zum Zugriff auf das Medium ist ein USB-Interface für KNX-RF verfügbar. USB-Interface für KNX-RF 5 Zusammenfassung Mit der Funklösung KNX-RF hat die Konnex Association einen entscheidenden Schritt für den weiteren Erfolg des Konnex Standards vollzogen. KNX-RF vervollständigt die verfügbaren Medien und eröffnet neue Anwendungsbereiche. Durch die drahtlose Kommunikation können gerade im Wohnbau neue Märkte erschlossen werden. Seite 7/8

8 Für Hersteller von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass KNX-RF ab sofort verfügbar ist. Dazu ist Konnex ein offener Standard. Konnex wurde in der EN50090 als Europäische Norm bestätigt. Die Integration von KNX RF unter EN ist bereits in Bearbeitung. Mit der Stack Implementierung und den Entwicklungstools der Weinzierl Engineering GmbH ist darüber hinaus ein leistungsfähiges Gesamtpacket verfügbar, um effizient und kostengünstig Geräte zu entwickeln. 6 Literatur [1] Konnex Association: KNX standard (Version 1.1), Brussels, February 2004; CD-ROM [2] Weinzierl, Thomas: A new development kit for EIB/KNX devices based on TP-UART chip; Proceedings KNX Scientific Conference 2002, TU-München October 2002 [3] Weinzierl, Thomas: EIB-USB Data Interface; Proceedings EIB Scientific Conference 2001, TU-München October 2001 [4] Weinzierl, Thomas: Integriertes Managementkonzept für die Gebäudesystemtechnik; Pflaum Verlag München 2001; ISBN [5] More Information at Seite 8/8