Thema: KNX Feldbus zur Gebäudeautomation Funktionsweise und Anwendung

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1 Literaturarbeit Thema: KNX Feldbus zur Gebäudeautomation Funktionsweise und Anwendung Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Dirk Timmermann und M.Sc. Vlado Altmann Bearbeiterin: Antje Bauermeister Matrikelnummer: Rostock, den

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung Kommunikationsteilnehmer Übertragungsmedien Topologie & Busgeräte Protokollaufbau Kontrollfeld Quelladresse Zieladresse DAF, Routing-Zähler und Länge Nutzinformation Sicherungsfeld Kommunikationsablauf UART Busarbitrierung Interworking & Konfiguration KNXnet/IP Auswertung Literatur- und Quellenverzeichnis

3 1. Einleitung Gebäudeautomatisierung ist ein immer wichtigerer Sektor, sowohl im privaten Wohnungs- oder Hausbau als auch im Zweckbau. Dabei sind alle Anlagen des Gebäudes miteinander gekoppelt. Die Prozesse werden automatisch gesteuert, geregelt, überwacht. Für diese Notwendigkeit gibt es verschiedene Aspekte, die diese Entwicklung begründen. Zum einen die immer weiter steigenden Komfortbedürfnisse von Nutzern, zum anderen die immer steigenden Energiekosten. Somit wird ein intelligentes Energiemanagement einer Immobilie immer unerlässlicher. Dadurch können Betriebskosten und Instandhaltungskosten gesenkt werden. Der Umweltschutz ist auch ein maßgeblicher Faktor für diese Entwicklung. Je geringer der Energieverbrauch, desto geringer ist auch der Ausstoß von Treibhausgasen und Luftschadstoffen. Dafür ist ein entsprechendes Kommunikationssystem und Geräte erforderlich. Ein geeignetes Kommunikationssystem ist der KNX. KNX steht für Konnektivität. KNX ist ein Feldbus zur informationstechnischen Vernetzung von Geräten in der Gebäudeautomatisierung. Der KNX ist ein offener Standard der Gebäudesystemtechnik. Der KNX entstand aus dem europäischen Installationsbus (EIB), dem BatiBUS und dem European Home Systems (EHS). Außerdem ist der KNX abwärtskompatibel zum EIB. Der KNX hat vom EIB und BatiBUS das Übertragungsmedium Twisted-Pair, und vom EHS das Übertragungsmedium Powerline übernommen. Beim EIB wurden nur die Bitübertragungs-, Sicherungs-, Vermittlungs-, Transport- und Anwendungsschicht entsprechend dem OSI-Referenzmodell implementiert. Der KNX hat diese implementierten Schichten vom EIB übernommen [PLÖNNINGS2007]. Die Datenübertragung kann aber auch über Funk, Infrarot oder Ethernet erfolgen. Der KNX findet in vielen Bereichen der Gebäudeautomatisierung Anwendung. Beispielsweise ist die Regelfunktion von Heizungsanlagen und somit auch eine optimierte Raumtemperaturregelung zu einer Selbstverständlichkeit geworden. Ebenso ist die automatische Lichtsteuerung ein Bespiel für eine Automatisierungsfunktion. Weitere Anwendungen sind Rollladensteuerung, Sicherheitssysteme, Lüftung und Kühlung sowie Alarm. 3

4 2. Kommunikationsteilnehmer In der Gebäudeautomation werden viele verschiedene Gebäudefunktionen wie z.b. - Ein- und Ausgabefunktionen - Verarbeitungsfunktionen - Managementfunktionen und - Bedienfunktionen umgesetzt. Um diese Funktionen zu implementieren, müssen unterschiedliche Teilnehmer miteinander kommunizieren: - Sensoren z.b. Helligkeits-, Bewegungs- oder Tastsensor - Aktoren z.b. Relais, Dimmer, Motor - Steuer- und Regelgeräte z.b. Heizungsregler, Klima- und Lüftungsanlagen - Bedien- und Beobachtungsgeräte z.b. Touchscreen Beispielsweise kann die Außenbeleuchtung von Grundstücken durch einen Bewegungsmelder gesteuert werden. Der Bewegungsmelder verfügt über einen Sensor, der die Wärmestrahlung einer sich nähernden Person registriert und mit den Signalen eines Helligkeitssensors koppelt. Folglich schaltet sich die Außenbeleuchtung nur dann ein, wenn es entsprechend dunkel ist. Ein weiteres Beispiel ist das automatische Öffnen und Schließen von Fenstern. Um diese Funktion zu realisieren ist ein Schalter im Raum installiert. Dadurch kann jedes Fenster im Raum mit einem Tastendruck automatisch geöffnet oder geschlossen werden. Denkbar wäre zusätzlich einen CO 2 -Sensor zu installieren. Dieser misst die CO 2 -Konzentration im Raum. Wird die Luft im Raum als stickig eingestuft, werden eines oder mehrere Fenster geöffnet und der Raum wird gelüftet und zu einem späteren Zeitpunkt die Fenster wieder geschlossen. Eine Erweiterung der automatischen Fenstersteuerung wäre ein Regensensor. Stellt dieser Regen fest, werden die Fenster automatisch geschlossen. Weiterhin könnte die automatische Fenstersteuerung mit der Schließanlage verbunden werden. Wird die Haustür abgeschlossen, schließen sich automatisch die noch offenen Fenster [1]. 4

5 3. Übertragungsmedien Im Allgemeinen versteht man unter Kommunikationsmedien, die zum Informationsaustausch benötigten Übertragungsleitungen zwischen den Kommunikationsgeräten. Beim KNX gibt es folgende unterschiedliche Möglichkeiten Daten zu übertragen: 1. Twisted Pair (KNX.TP) 2. Powerline (KNX.PL) 3. Ethernet (KNXnet/IP) Des Weiteren gibt es Übertragungsmedien, die keine Übertragungsleitungen zwischen den Kommunikationsgeräten zum Informationsaustausch benötigen wie z.b. Radio Frequency (KNX.RF) und Infrarot (KNX.IF). Oftmals wird die Datenübertragung mittels Twisted Pair (verdrillte Kupferleitungen) realisiert. Aus Kostensicht ist es eine günstige Variante wenn es keine Probleme bereitet eine separate Datenleitung zu verlegen [MERZ2009]. Diese Variante wird meistens in Neubauten eingesetzt. Twisted-Pair-Leitungen sind nicht eingeschränkt in der Verlegungsmöglichkeit. So können die Leitungen auf Putz, unter Putz, in trockenen Räumen, aber auch in feuchten und nassen Räumen verlegt werden. Soll beispielsweise ein denkmalgeschütztes Bauwerk oder eine Kirche mit dem KNX nachgerüstet werden, sollen häufig keine weiteren Leitungen verlegt werden. Da gibt es die Möglichkeit, die Powerline-Variante einzusetzen. Dabei werden die Datensignale mit der Sinusspannung des Energieversorgungsnetzes überlagert [ROSCH98]. Diese Variante wird häufig in Altbauten eingesetzt, da das Stromnetz in diesen Gebäuden schon installiert ist. Des Weiteren gibt es die Varianten Radio Frequency und Infrarot. Auch hier müssen keine zusätzlichen Leitungen verlegt werden, da die Datenübertragung über Funk bzw. Infrarot realisiert wird. Die Funktechniken verwenden einen Frequenzbereich von 868 MHz bis 870 MHz. Der Einsatz von Funktechnik ist überall da sinnvoll, wo Verkabelungen schwierig zu verlegen oder zu teuer sind. Weiterhin ist zu sagen, dass 5

6 KNX.RF kostengünstiger als KNX.TP und einfacher nachzurüsten ist. Ein Nachteil von KNX.RF ist die maximale Reichweite von 30m innerhalb eines Gebäudes [2]. Ebenso sind Funkverbindungen störanfälliger als Übertragungsleitungen. Als letzte Variante gibt es KNXnet/IP. Hierbei werden KNX-Geräte in ein TCP/IP- Netzwerk integriert. KNXnet/IP findet Anwendung, wo schon ein lokales Netzwerk mit Internetverbindung vorhanden ist z.b. in Zweckbauten aber auch zunehmend in Eigenheimen. Bei KNXnet/IP ist eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit zwischen den Geräten gegeben. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Integration von Geräten in eine bestehende Infrastruktur. Es kann von jeder beliebigen Stelle auf das Netzwerk zugegriffen werden [3]. Durch die Nutzung bestehender Netzwerke wird der Installationsaufwand gesenkt. 6

7 4. Topologie & Busgeräte In der Gebäudeautomation mit dem KNX.TP werden unterschiedliche Busgeräte benötigt. Zunächst wird der Aufbau einer KNX-Anlage betrachtet. Dies verdeutlicht, wie viele und welche Busgeräte eingesetzt werden können. Der KNX ist prinzipiell hierarchisch aufgebaut. Die verschiedenen Teilnehmer werden einer Linie zugeordnet. Beim KNX ist eine Linie die kleinste Einheit. Eine Linie kann beispielsweise ein Stockwerk sein. Jede Linie ist auf eine eigene Spannungsversorgung angewiesen. An einer Linie können bis zu 64 Teilnehmer angeschlossen werden. Sollen mehr als 64 Teilnehmer angeschlossen werden, müssen zusätzliche Linien gebildet werden, jedoch maximal 15 Linien. Ein Linienkoppler verbindet dann mehrere Linien an eine Hauptlinie und bildet einen Bereich. Maximal 15 Hauptlinien können mittels eines Bereichskopplers an die Bereichslinie angeschlossen werden. Die Bereichslinie ist die Hauptübertragungsleitung. Folglich können maximal Teilnehmer zusammengeschlossen werden. Mit Hilfe eines Linienverstärkers können so gar bis zu 256 Geräte pro Linie angeschlossen und theoretisch insgesamt Teilnehmer zusammengeschlossen werden. werden Dies ermöglicht auch große Gebäude mit dem KNX zu automatisieren. Bild 1: Aufbau einer KNX-Anlage [a] [a] Quelle: ION/KNX_Flash_DE_2CDC500043B0101.pdf (Seite 8) 7

8 Beim KNX werden die Busgeräte in verschiedene Gruppen unterteilt: - Systemgeräte z.b. Spannungsversorgung, Drossel, Koppler, Linienverstärker - Sensoren z.b. Helligkeitssensor, Tastsensor, Bewegungssensor - Aktoren z.b. Schaltaktor, Jalousieaktor, Rollladenaktor - Bedien- und Beobachtungsgeräte z.b. LC-Display, Touchscreen Die Spannungsversorgung mit integrierter Drossel wird an das Niederspannungsnetz (230V) angeschlossen und versorgt die Liniensegmente mit der vorgesehenen Spannung. Die Busgeräte brauchen mindestens eine Spannung von 21V. Um dies zu gewährleisten müssen die maximalen Leitungslängen beachtet werden [MERZ2009]. Bild 2: Spannungsversorgung mit integrierter Drossel [MERZ2009] Ein häufig verwendetes Busgerät ist ein 6-fach-Schaltaktor. Dieser besitzt 6 potentialfreie Ausgänge. Jeder Ausgang kann einen Laststromkreis schalten. Bild 3: 6-fach-Schaltaktor [MERZ2009] Ein 4-fach-Tastsensor ist ein Anwendungsmodul. Dieser wird Busankoppler aufgesteckt [MERZ2009]. auf den Bild 4: 4-fach-Tastsensor [MERZ2009] 8

9 5. Protokollaufbau Damit die Geräte miteinander kommunizieren können, müssen diese Telegramme senden und empfangen können. Der KNX-Standard ermöglicht problemlos eigene Geräte z.b. in ein Smart Home einzubinden. In der folgenden Abbildung ist der grundsätzliche Telegrammaufbau dargestellt. Kontroll- Quell- Ziel- DAF Länge Routing- Nutzin- Sicherungsfeld feld adresse adresse Zähler formationen 8 Bit 16 Bit 16 Bit 1 Bit 3 Bit 4 Bits Bis zu 16*8 8 Bit Bit Bild 5: Telegrammaufbau [MERZ2009] Die Inhalte der einzelnen Telegrammabschnitte werden in den folgenden Unterkapiteln erläutert Kontrollfeld Das Kontrollfeld besteht aus 8 Bits. D7 und D6 geben die Telegrammart an. D5 ist das Wiederholungsbit R. D3 und D2 sind Prioritätsbits (P1 und P0). D0 und D1 sind Präambel-Bits. Diese sind immer 0. Dadurch wird verhindert, dass Spannungsspitzen als Startbits interpretiert werden [4]. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 R 1 P1 P Systempriorität 1 0 Alarmpriorität 0 1 hohe Priorität 1 1 niedrige Priorität 0 Wiederholung 1 keine Wiederholung 1 0 Standarddatentelegramm 0 0 erweitertes Datentelegramm Abfragetelegramm Bild 6: Aufbau des Kontrollfeldes [MERZ2009] Das Wiederholungsbit wird beim erstmaligen Senden des Datentelegramms auf 1 gesetzt. Bei einer Wiederholung wird das Wiederholungsbit auf 0 gesetzt. Damit wird gewährleistet, dass die Teilnehmer, die das Datentelegramm erfolgreich erhalten und 9

10 dieses mit einem Bestätigungstelegramm quittiert haben, die Wiederholung nicht beachten müssen. Das Bestätigungstelegramm wird vom Empfänger unmittelbar nach dem Erhalt des Datentelegramms an den Sender geschickt. Ein Bestätigungstelegramm besteht nur aus dem Kontrollfeld (1 Byte) und kann vier Inhalte haben [MERZ2009]: ACK: Telegramm wurde fehlerfrei empfangen BUSY: Empfänger ist beschäftigt NACK: Telegramm wurde nicht korrekt empfangen D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 N1 N0 B1 B ACK NAK BUSY NAK + BUSY Bild 7: Inhalte des Bestätigungsbytes [MERZ2009] Schickt der Empfänger ein BUSY oder NACK an den Sender, wird das Telegramm erneut übertragen, aber maximal 3mal. Wurde jedoch ein Datentelegramm falsch adressiert oder bei der Übertragung durch Störspannungen zerstört, erhält der Sender keine positive Quittierung. In diesem Fall erfasst der Sender 13 Einsbits, und das Datentelegramm wird erneut gesendet, maximal 3mal Quelladresse Die Quelladresse ist die physikalische Adresse des Senders. Jedem KNX-Gerät wird eine eindeutige physikalische Adresse zugewiesen. Die Zuweisung einer eindeutigen physikalischen Adresse erfolgt bei der Programmierung der Teilnehmer mittels der Engineering Tool Software 3 (ETS3). Die ETS3 ist ein Programm zur Projektierung und Inbetriebnahme von KNX-Anlagen [MERZ2009]. Jede Adresse wird nur ein Mal im ganzen System vergeben. Dadurch sind alle Teilnehmer eindeutig identifizierbar. Die physikalische Adresse wird bei der Inbetriebnahme des Systems dem jeweiligen Gerät zugewiesen und sollte gut sichtbar an dem Busgerät angebracht werden. Ebenso soll die physikalische Adresse Aufschluss über die Position des Busgerätes im System geben. 10

11 Die Quelladresse besteht aus einem höherwertigen und einem niederwertigen Byte. Hinsichtlich der Übertragung ist zu sagen, dass erst das höherwertige Byte und dann das niederwertige Byte übertragen wird. Senden zwei Teilnehmer mit der gleichen Priorität zur gleichen Zeit, hat der Teilnehmer mit der niedrigeren physikalischen Adresse die höhere Priorität. Dieses Verfahren wird in Kapitel 6.2. näher erläutert. höherwertiges Byte niederwertiges Byte D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B3 B2 B1 B0 L3 L2 L1 L0 T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 T0 Bereich Linie Teilnehmer Bild 8: Aufbau der Quelladresse [MERZ2009] Die physikalische Adresse ist wie folgt aufgebaut: Bereich.Linie.Teilnehmer Mit Hilfe des Punktes wird die physikalische Adresse von einer Gruppenadresse unterschieden. Für Linien- und Bereichskoppler sind spezielle physikalische Adressen vorgesehen. Für einen Linienkoppler gilt allgemein Bereich.Linie.0. Für einen Bereichskoppler gilt allgemein Bereich.0.0 [5] Zieladresse Die Zieladresse dient der Teilnehmeradressierung. Diese kann eine physikalische Adresse oder eine Gruppendresse sein. Um zwischen diesen beiden Adressarten zu unterscheiden wird ein zusätzliches Bit DAF (Destination Address Field) genutzt. Handelt es sich um eine physikalische Adresse ist das zusätzliche Bit Null. Folglich ist nur ein Teilnehmer der Empfänger, da physikalische Adressen nur einmal im ganzen System vergeben werden. Ansonsten ist die Zieladresse eine Gruppenadresse. Die Gruppenadressierung ist eine logische Adressierung. Mit Hilfe der Gruppenadressierung ist die Kommunikation verschiedener Teilnehmer mit gleicher Funktion untereinander gewährleistet. Die Zuordnung der KNX-Geräte zu einer Gruppenadresse erfolgt während der Projektierung des KNX-Systems mit der Engineering Tool Software (ETS). Ein Busteilnehmer kann mehreren Gruppenadressen zugeordnet werden [15]. Beispielsweise werden Aktoren, Schalter und Bewegungssensoren einer Gruppenadresse zugeordnet. 11

12 Die Adressierung kann entweder eine 2-Ebenen-Adressierung oder 3-Ebenen- Adressierung sein [5]. 2-Ebenen-Adressierung: Bei der 2-Ebenen-Adressierung wird zwischen Hauptgruppen und Untergruppen unterschieden. Einer Hauptgruppe wird ein bestimmter Bereich zugewiesen z.b. die Beleuchtung, Jalousie oder Heizung. Die Untergruppe ist ein Teilbereich. Höherwertiges Byte niederwertiges Byte D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 H3 H2 H1 H0 U10 U9 U8 U7 U6 U5 U4 U3 U2 U1 U0 Hauptgruppe Untergruppe Bild 9: 2-Ebenen-Adressierung [MERZ2009] Die Hauptgruppe besteht aus 4 Bits und die Untergruppe aus 11 Bits. Die 2-Ebenen-Adresse bedarf folgender Notation: Hauptgruppe/Untergruppe Beispiele für eine 2-Ebenen-Adressierung: [Merz2009] 0/1 Beleuchtung/ Zentral ein oder aus 1/1 Licht/ Wohnzimmer ein oder aus 1/2 Licht/ Büro ein oder aus 2/1 Jalousien/ Wohnzimmer rauf oder runter 3-Ebenen-Adressierung: Die 3-Ebenen-Adressierung ist detaillierter aufgebaut. Zusätzlich gibt es eine Mittelgruppe. Die Hauptgruppe besteht aus 4 Bits, die Mittelgruppe aus 3 Bits und die Untergruppe aus 8 Bits. Höherwertiges Byte niederwertiges Byte D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 H3 H2 H1 H0 M2 M1 M0 U7 U6 U5 U4 U3 U2 U1 U0 Hauptgruppe Mittelgruppe Untergruppe Bild 10: 3-Ebenen-Adressierung [MERZ2009] Die 3-Ebenen-Adresse unterliegt folgender Schreibweise: Hauptgruppe/Mittelgruppe/Untergruppe 12

13 Beispiele für eine 3-Ebenen-Adressierung: [Merz2009] 1/1/1 Licht/ Wohnzimmer/ Decke ein oder aus 1/1/2 Licht/ Wohnzimmer/ Stehlampe ein oder aus 1/2/1 Licht/ Büro/ Decke ein oder aus 1/2/2 Licht/ Büro/ Schreibtisch ein oder aus 5.4. DAF, Routing-Zähler und Längeninformation Die ersten drei Telegrammabschnitte wurden in den vorherigen Unterkapiteln erläutert. Als Nächstes werden DAF, Routing-Zähler und die Längeninformation genauer betrachtet. Kontroll- Quell- Ziel- DAF Routing- Längenin- Nutzin- Sicherungs- feld adresse adresse Zähler formation formationen feld 8 Bit 16 Bit 16 Bit 1 Bit 3 Bit 4 Bits Max. 16 Byte 8 Bit D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DAF R2 R1 R0 L3 L2 L1 L Weiterleitung unbegrenzt Weiterleitung bis zu 6mal Weiterleitung bis zu 5mal Weiterleitung bis zu 4mal Weiterleitung bis zu 3mal Weiterleitung bis zu 2mal Weiterleitung bis zu 1mal keine Weiterleitung mehr 0 Zieladresse = phys. Adresse 1 Zieladresse= Gruppenadresse Bild 11: Telegrammabschnitte DAF, Routing-Zähler, Längeninformation [MERZ2009] Das erste Bit DAF (Destination Address Field) dient der Bestimmung der Zieladresse logische oder physikalische Adresse. Die nächsten 3 Bits werden für den Routing-Zähler genutzt, welcher die Häufigkeit der Weiterleitung der Datentelegramme über Koppler erfasst. Der Routing-Zähler wird mit dem Wert 6 initialisiert und von jedem Koppler dekrementiert, den das Telegramm durchlaufen hat. Hat der Routing-Zähler den Wert 0 erreicht wird das Telegramm nicht mehr weitergeleitet. Dieses ist auch nicht nötig, da ein Telegramm von Teilnehmer A zu Teilnehmer B maximal 6 Koppler passieren muss. Dadurch lassen sich kreisende Telegramme verhindern, die durch mögliche 13

14 Verdrahtungsfehler entstehen können [13]. Zu Testzwecken wird der Routing-Zähler von der Engineering Tool Software automatisch auf den Wert 7 gesetzt [4]. Dieser Wert wird von den Kopplern nicht dekrementiert. Somit ist es möglich alle Teilnehmer anzusprechen. Die letzten 4 Bit geben Aufschluss über die Längeninformationen. Die Längeninformation gibt die Anzahl der Nutzdatenbytes an. Haben die 4 Bits den binären Inhalt 0000 entspricht dies einem Nutzdatenbyte, 1000 entspricht 9 Nutzdatenbytes und 1111 entspricht 16 Nutzdatenbytes Nutzinformation Die Länge der Nutzinformationen eines Standarddatentelegramms kann von 2 Byte bis 16 Byte lang sein. Es gibt auch ein erweitertes Datentelegramm, bei dem die Länge der Nutzinformationen bis zu 255 Bytes betragen kann. Wie lang genau die Nutzinformationen sind, und somit auch der Datenblock, geben die vorherigen 4 Bits (Längeninformation) an. Bei einem erweiterten Datentelegramm geben 8 Bits die Länge der Nutzinformation an [14]. Die ersten 16 Bit beinhalten den Befehl und die zu übertragenden Informationen. Befehl 0 0 x x X x B3 B2 B1 B0 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Lesen X x X X X X Schreiben D Antwort A A A A A A Bild 12: Aufbau der ersten 16Bit der Nutzinformationen [MERZ2009] X Keine Auswertung A Antwort 0 oder 1 D Daten 0 oder 1 14

15 5.6. Sicherungsfeld Das Sicherungsfeld besteht aus 8 Bit. Im Sicherungsfeld wird die fehlerfreie Übertragung der Daten geprüft. Dazu wird das Kreuzparitätsverfahren sowohl vom Sender als auch Empfänger angewendet. Dieses ermöglicht 1-Bit-Fehler, 2-Bit-Fehler und 3-Bit-Fehler zu erkennen. Beim Kreuzparitätsverfahren wird für jede Zeile ein gerades Paritätsbit ermittelt und zu den Daten als neuntes Datenbit hinzugefügt. Für jede Spalte wird ein ungerades Paritätsbit ermittelt und als neuntes Datenwort hinzugefügt. Der Empfänger bildet die Paritätsbits nach dem gleichen Verfahren. Erkennt der Empfänger bei der Überprüfung Fehler, sendet er ein NAK-Bestätigungstelegramm an den Sender. Der Sender verschickt erneut das Datentelegramm, da keine Fehlerkorrektur beim Empfänger durchgeführt wird. Feld D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 gerade Parität Kontrollfeld Quelladresse (höherwertiges Byte) Quelladresse (niederwertiges Byte) Zieladresse (höherwertiges Byte) Zieladresse (niederwertiges Byte) DAF/ Routing/ Länge Nutzdaten Nutzdaten Sicherungsfeld (ungerade Parität) Bild 13: Bsp. Paritätsbildung beim Kreuzparitätsverfahren bei der Blocksicherung bei KNX 15

16 6. Kommunikationsablauf Die Geräte kommunizieren miteinander über Datentelegramme. Der KNX ist ein ereignisgesteuertes Bussystem. Ein Ereignis wird zum Beispiel durch Drücken einer Taste eines Mehrfachtastsensors ausgelöst. Der Sensor verschickt nun ein Datentelegramm mit einer Gruppenadresse. Datentelegramme stellen beim KNX eine Folge von UART- Zeichen dar. Die Empfänger der Gruppenadresse quittieren nun Erhalt des Telegramms mit einem Bestätigungstelegramm. Datentelegramme werden immer vom Empfänger quittiert. Befindet sich ein Empfänger außerhalb der Linie des Senders, bestätigt der Koppler den Erhalt des Datentelegramms und leitet das Datentelegramm zum nächsten Koppler weiter. Reagiert kein Teilnehmer wird keine Quittierung versendet und die Datenübertragung wird abgebrochen. Standarddatentelegramm Bestätigungs- (mit 2 Nutzdatenbytes) telegramm Pause Pause Pause (50 oder 53 Bits) 115 Bits 15 Bits 11 Bits (50 oder 53 Bits) Bild 14: Zeitlicher Ablauf eines Kommunikationsablaufs [MERZ2009] In den folgenden Unterkapiteln werden der Aufbau eines UART-Zeichens, dessen Übertragung über Twisted-Pair-Leitungen und der Buszugriff dargestellt UART UART bedeutet Universal Asynchronous Receive Transmit universelles asynchrones Empfangen und Senden. Bei KNX stellt ein Telegramm eine Folge von UART-Zeichen dar. Ein UART-Zeichen besteht aus einem Startbit, 8 Datenbits, einem Paritätsbit und einem Endbit. UART-Zeichen = Startbit (SB) + Datenbits D7. D0 + Paritätsbit + Endbit (EB) Die Datenbits werden allerdings in umgekehrter Reihenfolge versendet. Als Erstes werden das LSB D0 und dann das MSB D7 gesendet. Das Startbit hat den Wert 0 und das Endbit den Wert 1. 16

17 SB D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PB EB Bild 15: Reihenfolge der Kontrollfeldbits auf dem Bus beim Versenden Nach dem Versenden eines UART-Zeichens erfolgt eine Pause von 2 Bitzeiten. Daraus resultiert die Dauer eines KNX-Zeichens von 13 Bitzeiten Busarbitrierung Der Zugriff auf den Bus wird beim KNX durch das CSMA/CA-Verfahren geregelt. Dieses Verfahren regelt den Buszugriff in sofern, dass genau ein Sender sein Datentelegramm ohne Zeitverlust übertragen kann. Zuerst hören alle Teilnehmer den Bus ab. Der Bus gilt als frei, wenn über einen Zeitraum von 50 Bitzeiten bzw. 53 Bitzeiten keine Busaktivität zu verzeichnen ist. Zwei Zeitintervalle sind notwendig, da beim KNX Telegramme in Zugriffsklassen eingeteilt sind und nach einer definierten Zeit ohne Busaktivität versendet werden dürfen. Dadurch werden Buszugriffskonflikte und Kollisionen vermieden. Nach einer fehlerfreien Übertragung quittiert der Empfänger den Erhalt durch ein ACK. Starten zwei Teilnehmer zur gleichen Zeit mit der Telegrammübertragung, erhält der Teilnehmer mit der höheren Priorität den Buszugriff und der andere Teilnehmer mit der niedrigeren Priorität bricht den Sendevorgang ab. Dabei gehen keine Informationen verloren [17].Haben beide Teilnehmer die gleiche Priorität, entscheidet die Quelladresse, welcher Teilnehmer den Buszugriff erhält. Beide Teilnehmer starten die Datentelegrammübertragung. Das erste Bit des Teilnehmers A wird mit dem ersten Bit des Teilnehmers B verglichen. Sind beide gleich, wird das zweite Bit der beiden Teilnehmer miteinander verglichen. Ist dieses auch identisch wird das nächste übertragene Bit der Teilnehmer miteinander verglichen bis sich die Bits von einer unterscheiden. Dabei gilt eine 1 als rezessives Bit (hohe Spannung) und eine 0 als dominantes Bit (niedrige Spannung) [EDER2006]. Dieses Verfahren wird an dem folgenden kurzen Beispiel verdeutlicht: Teilnehmer A sendet Teilnehmer B sendet Das erste Bit der beiden Teilnehmer wird miteinander verglichen beide Bits sind 1 Das zweite Bit der Teilnehmer wird miteinander verglichen beide Bits sind 0 Das dritte Bit der Teilnehmer wird miteinander verglichen Bits sind unterschiedlich 17

18 Da sich eine 0 gegen eine 1 durchsetzt, erhält Teilnehmer A den Buszugriff und führt die Datentelegrammübertragung fort. Teilnehmer B bricht den Sendevorgang ab. Beim KNX sind Telegramme in Zugriffsklassen eingeteilt. Der Zugriffsklasse 1 sind Systemtelegramme (Telegramme mit Systempriorität), Alarmtelegramme (Telegramme mit Alarmpriorität) und Wiederholungstelegramme zuzuordnen. Diese Telegramme dürfen schon nach 50 Bitzeiten ohne Busaktivität versendet werden. Vorzugstelegramme (Telegramme mit hoher Priorität) und Normaltelegramme (Telegramme mit niedriger Priorität) gehören der Zugriffsklasse 2 an. Diese Telegramme dürfen erst nach 53 Bitzeiten ohne Busaktivität versendet werden. 18

19 7. Interworking & Konfiguration KNX ist ein offen gelegtes Protokoll. Die Hersteller entwickeln auf seiner Basis die KNX- Geräte. Dadurch ist Interoperabilität zwischen den Herstellern gewährleistet. Dementsprechend können Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren. Die Eigenschaften der Telegramm-Nutzinformationen wurden von der KNX-Association im EIB Interworking Standard (EIS) definiert. Damit ist gewährleistet, dass sowohl Sender als auch Empfänger die Telegramme und deren Inhalte korrekt erfassen und decodieren können. Beim KNX sind Datapoint Types (DPT) definiert. Datapoint Types sind eine Weiterentwicklung des EIB Interworking Standards (EIS). Einige EIS-Typen wurden in neue Datapoint Types unterteilt. In Tabelle 1 werden einige KNX-Funktionen, die Informationslänge, Definition im EIS und deren Einteilung in DPT dargestellt. KNX-Funktion Informationslänge EIS DPT Schalten 1 Bit EIS 1 DPT 1 Dimmen - Position 1 Bit, 4 Bit, 8 Bit EIS 2 DPT 3 - Control - Value Zeit 3 Byte EIS 3 DPT 10 Datum 3 Byte EIS 4 DPT 11 Gleitkomma 2 Byte EIS 5 DPT 9 Relativwert - Percent 1 Byte EIS 6 DPT 5 - Degree DPT 6 Jalousie/ Rollladen 1 Bit EIS 7 DPT 1 Zwangsteuerung - Position 1 Bit, 2 Bit EIS 8 DPT 2 - Control IEEE Gleitkomma 4 Byte EIS 9 DPT Bit-Zählerwert 2 Byte EIS 10 DPT 7, DPT 8 32-Bit-Zählerwert 4 Byte EIS 11 DPT 12, DPT 13 Zugangskontrolle 1 Byte EIS 12 DPT 15 ASCII-Zeichen 1 Byte EIS 13 DPT 4 8-Bit-Zählerwert 1 Byte EIS 14 DPT 5, DPT 6 Zeichenkette (max. 14 Zeichen) 14 Byte EIS 15 DPT 16 Tabelle 1: KNX-Funktionen [6] 19

20 Um das Konzept der Datapoint Types zu verdeutlichen werden die KNX-Funktionen Schalten und Dimmen näher betrachtet. KNX-Funktion Schalten : Für die Schaltfunktion, entsprechend Datapoint Type 1, werden 5 Bits, aber insgesamt 2 Nutzdatenbytes, benötigt [MERZ2009]. MSB LSB MSB LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B Einschalten Ausschalten Bild 16: Benötigte Nutzdatenbytes für die Schaltfunktion Die Bits B9 bis B6 haben den Inhalt 0010 und enthalten den Befehl schreibend auf einen Speicherbereich zuzugreifen. Das Bit B0 enthält entweder eine 0 oder eine 1. Dieses ist das einzige Bit, welches für die Schaltfunktion relevant ist. Ist B0=1 bedeutet dieses Einschalten und B0=0 Ausschalten. Die anderen Bits bekommen den Wert 0 zugewiesen und werden auch nicht ausgewertet. KNX-Funktion Dimmen : Für die Dimmfunktion, entsprechend Datapoint Type 3, werden 8 Bits (insgesamt 2 Nutzdatenbytes) benötigt [MERZ2009]. MSB LSB MSB LSB D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B Bild 17: Benötigte Nutzdatenbytes für die Dimmfunktion Die Bits B9 bis B6 haben auch bei der Funktion Dimmen den Inhalt 0010 und enthalten den Befehl schreibend auf einen Speicherbereich zuzugreifen. Die eigentliche Dimmfunktion wird durch die Bits B3 bis B0 realisiert. B3 gibt die Dimmrichtung an, wobei eine 1 Helligkeit erhöhen bedeutet und eine 0 Helligkeit verringern. Die Bits D2 bis D0 haben den Inhalt 011. Dieser Inhalt bedeutet Dimmstufe 4., d.h. auf die nächste Dimmgrenze (0%, 25%, 50%, 75%, 100%), 20

21 ausgehend vom aktuellen Helligkeitswert [MERZ2009]. Die anderen Bits, genau wie bei der Schaltfunktion, bekommen den Wert 0 zugewiesen und werden auch nicht ausgewertet. Gerätekonfiguration: Im KNX-Standard sind drei Geräte-Konfigurationsmodi festgelegt: [20] - S-Mode (System Modus) - E-Mode (Einfacher Modus) - A-Mode (Automatischer Modus) KNX-Geräte mit dem S-Mode können frei zu parametriert und adressiert werden. Des Weiteren können unterschiedliche Geräte miteinander verbunden werden. Dazu sind eine Verbindung zu einem PC und die Engineering Tool Software (ETS) notwendig. Mit der ETS werden die KNX-Geräte in Betrieb genommen. KNX-Geräte mit dem E-Mode besitzen schon voreingestellte Parameter und definierte Funktionsblöcke, auch Kanäle genannt. Es gibt mehr als 100 verschiedene Kanäle wie z.b. Schalten, Dimmen, Jalousie, Heizung, Uhren und Wetter. Ein PC und die ETS kommen bei dem Modus nicht zum Einsatz. Die Geräte können mit einem speziellem Werkzeug (Kontroller, Einstellrad ) parametriert und konfiguriert werden. KNX-Geräte mit dem A-Mode verfügen über fest eingestellte Parameter und Anweisungen sowie über einen automatischen Konfigurationsmechanismus. Dieser verbindet das KNX-Gerät mit anderen Geräten, die ebenfalls über den A-Mode verfügen. Die Parametrierung und Verbindung kompatibler KNX-Geräte erfolgt durch die Anschließung der Geräte an das KNX-System ( plug-and-play ). Die Kommunikation der Geräte wird durch Funktionsblöcke gewährleistet. Funktionsblöcke sind eine Methode zur Funktionsspezifizierung. Ein Funktionsblock ist immer nur einem Gerät zugeordnet [21] und stellt eine Zusammenfassung von Inputs, Outputs und Parameter dar. Inputs, Outputs und Parameter sind in den entsprechenden Datapoint Types definiert. 21

22 Input: Funktionsblock X Output: DPT I1 I1 DPT O1 DPT I2 I2 Parameter: DPT P1 P1 Bild 18: allgemeine Darstellung eines Funktionsblocks Die nächste Abbildung zeigt das Funktionsblockdiagramm einer Lichtsteuerung. Functionblock Binary Push Button DPT_Switch Functionblock Light Switching DPT_Switch Functionblock DPT_Switch Actuator Dimming Actuator Functionblock Dimming Push Button DPT_Scaling DPT_Control_ Dimming Bild 19: Funktionsblockdiagramm einer Lichtsteuerung: [21] Allgemein gilt: Damit zwei Geräte Informationen austauschen können, müssen diese den gleichen Datapoint Type haben. Beispielsweise hat Schalten den DPT und das Fahren von Rollläden den DPT Werden zwei Geräte unterschiedlichen DPTs miteinander verbunden, können diese falsch interpretiert werden und zu verheerenden Fehlern im System führen. 22

23 8. KNXnet/IP Bestandteile des IP-Netzwerkes sind IP-Gateways und IP-Router. Diese haben eine ähnliche Funktionalität wie Linien- und Bereichskoppler. Der IP-Router leitet die Datentelegramme zwischen den Linien eines Netzwerkes weiter. Die IP-Adresse kann entweder durch Konfiguration mittels der ETS-Software zugewiesen werden oder über einen DHCP-Server. Des Weiteren werden aber auch Protokolle wie ARP, ICMP, IGMP, UDP/IP unterstützt. Die folgende Darstellung zeigt wie KNX-Telegramme über UDP/IP verschickt werden. Header Ethernet Header IP Header UDP KNXnet/IP 14 Bytes 20 Bytes 8 Byte Bytes Header Länge Protokoll Version Service Type Gesamtlänge Nutzdaten Nachrichten Länge der Strg1 Strg2 Quell- Ziel- Länge TPCI/APCI/ Code zus. Info adresse adresse Daten Bild 20: Telegramm-Format KNXnet/IP [18], [19] Des Weiteren ist eine Datenübertragung mit dem Transmission Control Programm (TCP) möglich. Das User Data Protocol (UDP) wird dem TCP jedoch aus Effizienzgründen hinsichtlich Übertragungs-Overhead vorgezogen [SCHÄFER]. Ein IP-Router kann unterschiedliche Funktionalitäten haben z.b. als Koppler (so genanntes Routing) oder den Buszugriff (so genanntes Tunnelling). Wird ein IP-Router als Koppler eingesetzt, wird diesem, wie alle anderen Teilnehmer, eine physikalische Adresse zugewiesen. Anhand dieser Adresse ist die Funktionalität des Routers, Bereichskoppler oder Linienkoppler, klar zu erkennen. Ethernet und KNX haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Ethernet hat eine Geschwindigkeit von 100 MBit/s bzw. 1 GBit/s, KNX nur 9,6KBits/s. Es ist also klar ersichtlich, dass mit Ethernet mehr Telegramme übertragen werden können. Werden mehrere Telegramme für eine Linie 23

24 gesendet, müssen diese Telegramme im Router zwischengespeichert werden. Der IP- Router kann auch für den Buszugriff verwendet werden. Dazu fungiert der IP-Router als Schnittstelle zum KNX und es kann vom ganzen Netzwerk auf den KNX zugegriffen werden [7]. Mit KNX.IP können also auch entfernte Gebäudeteile zu einer KNX-Anlage hinzugefügt werden. 24

25 9. Auswertung Der Feldbus KNX ist ein Kommunikationssystem in der Gebäudeautomation. Das KNX- Protokoll ist offen gelegt. Das heißt, dass die Hersteller auf der Basis dieses Protokolls die KNX-Geräte entwickeln [8]. Dadurch ist Interoperabilität zwischen den verschiedenen Herstellern gewährleistet. Mit dem KNX lassen sich sowohl Neubauten, als auch Altbauten wie z.b. denkmalgeschützte Gebäude oder Kirchen automatisieren. Die Informationsübertragung erfolgt mittels Datentelegramme. Am häufigsten wird das Twisted Pair-Kabel als Übertragungsmedium in Neubauten verwendet. Dabei ist theoretisch eine Zusammenschließung von maximal Teilnehmern möglich. Dies ermöglicht auch große Gebäude mit dem KNX zu automatisieren. In Altbauten oder auch größeren Gebäuden kommen oftmals, sofern keine Kabel zusätzlich verlegt werden sollen, Übertragungsmedien wie z.b. KNX.IP zum Einsatz. Hinsichtlich der Kosten ist zu sagen, dass diese abhängig von den gewünschten Funktionalitäten der KNX-Anlage abhängen. Gegenüber der konventionellen Elektroinstallation ist eine Automation mit KNX teuerer, aber KNX hat einen geringeren Verkabelungsaufwand. Im Gegensatz zu einer konventionellen Elektroinstallation lässt sich mit einer intelligenten KNX-Anlage Energiekosten sparen, da beispielsweise das Licht in den Räumen durch Bewegungssensoren gesteuert wird. Dabei spielt auch der Komfort eine Rolle. Eine Automation rechnet sich allerdings nur wenn mehrere Gewerke wie Heizung, Licht, Jalousie usw. miteinander verknüpft sind. Für die Konfiguration der Geräte ist eine spezielle Software ETS (Engineering Tool Software) notwendig, die kostenintensiv ist. Mittels der ETS werden KNX-Installationen am PC erstellt, parametriert und programmiert. Programmieren bedeutet in diesem Fall die Daten in die KNX-Geräte zu übertragen. Soll eine KNX-Anlage von einem Nutzer konfiguriert werden, ist dieser Kostenpunkt zu beachten. Aktuell kostet die ETS4 ca. 900 zzgl. Mehrwertsteuer [16]. Das Bussystem ist einfach erweiterbar und flexibel. Die Datensicherheit ist ein Aspekt, der ebenfalls betrachtet werden sollte. Der KNX hat keine Authentifizierung oder Verschlüsselung als Sicherheitsmerkmal. Bei KNX.IP kann eine Verbindung mit einer IP-Schnittstelle ohne Authentifizierung hergestellt werden oder über Multicast Befehle über einen IP-Router senden [9]. Auch Netzwerke über WLAN, die den Standard WPA2 verwenden, sind nicht 100%ig sicher. Um die Sicherheit 25

26 zu verbessern, kann eine Demilitarisierte Zone (DMZ) für die KNX-IP-Koppelung eingerichtet werden. Es ist möglich zwischen dem Netzwerk und der KNX-IP-Umgebung eine zusätzliche Firewall integrieren, oder einen Router mit integrierter Firewall einsetzen. Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, gibt es einen Überwachungsbaustein KNXGuard, der das Auslesen und Umprogrammieren von KNX-Geräten untersagt und somit die Funktionalität sichert [10]. Ein nennenswerter Vorteil beim KNX ist Benutzerfreundlichkeit. Mit Hilfe eines Touchscreens wird eine hohe Bedienfreundlichkeit erreicht. Mit dem Touchscreen können alle realisierten Funktionen gesteuert werden. Beispielsweise kann das Licht in einem bestimmten Raum ein- oder ausgeschaltet werden oder die Rollläden rauf oder runter gefahren werden. Ergibt sich eine Statusveränderung wird diese sofort in Echtzeit an das Display übertragen [11]. Der KNX wird auch in Zukunft in der Gebäudeautomatisierung weiterhin Bestand haben wurde ein Bündnis von KNX und EEBus gebildet. Dieses Bündnis hat sich zur Aufgabe gemacht, einen weltweit herstellerneutralen Standard für die Verbindung von Smart Home und Smart Grid zu setzen [12]. 26

27 10. Literatur- und Quellenverzeichnis [PLÖNNINGS2007] Plönnings, J.: Control Network Performance Engineering Qualitätsorientierter Entwurf von CSMA-Netzwerken der Automation, 2007, Vogt Verlag [MERZ2009] Merz, H.: Gebäudeautomation Kommunikationssysteme mit EIB/KNX, LON, BACnet, 2. neu bearbeitete Auflage, 2009, Fachbuchverlag Leipzig [ROSCH98] Rosch, R.; Dostert, K.; Lehmann, K.; Zapp, R.: Gebäudesystemtechnik Datenübertragung auf dem 230-V-Netz, Landsberg/Lech: moderne Industrie, 1998 [EDER2006] Eder, C.: Optimierte nutzungsabhängige Raumheizung durch Gebäudesystemtechnik - Diplomarbeit, 2006, GRIN Verlag, Seite 6 [SCHÄFER] Schäfer, C.: Effiziente Architekturen und Technologien zur Realisierung von Smart Metering im Bereich der Nahkommunikation, Diplomarbeit Seite 75 [1] [2] g&cd=3&hl=de&ct=clnk&gl=de#23 [3] [4] [5] EIB/KNX-Buseigenschaft/knx-buseigenschaft.htm [6] 27

28 [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] ics/pdf_elmos/981-03_25ds0046e.00.pdf [15] [16] programmiersoftware&catid=47:planung&itemid=104 [17] [18] [19] bit%20microcontrollers%20zur%20ethernet%20vernetzung%20in%20der%20hausaut omation.pdf; Seite 44 [20] [21] 28