MODEL DO BADANIA KOMUNIKACJI W INTELIGENTNYM BUDYNKU W STANDARDZIE KNX. Marek Horyński 1

Transkrypt

1 MODEL DO BADANIA KOMUNIKACJI W INTELIGENTNYM BUDYNKU W STANDARDZIE KNX Marek Horyński 1 Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej, Politechnika Lubelska Streszczenie: Postęp w dziedzinie informatyzacji instalacji elektrycznych skutkuje powstaniem nowych możliwości w sterowaniu urządzeniami będącymi komponentami systemów automatyki budynkowej. Analiza topologii tych systemów wskazuje, że oprócz sterowania przewodowego charakterystycznego dla większości tradycyjnych instalacji elektrycznych w budynkach istnieje duży obszar do wykorzystania przez urządzenia zintegrowane z siecią teleinformatyczną. Słowa kluczowe: budynek inteligentny, sterowanie, zdalny, projektowanie, instalacja, model WSTĘP Koncepcja budynku inteligentnego ma swoje korzenie w latach 80 dwudziestego wieku. Wywodzi się ona z sektora przemysłowego Stanów Zjednoczonych. Pojęcie budynku inteligentnego, pomimo powszechnego przyjęcia w środowisku zajmującym się profesjonalnie tą tematyką, wciąż budzi liczne kontrowersje. Wątpliwości te powodowane są głównie brakiem precyzyjnej definicji określającej to zagadnienie. W laboratoriach badawczych powstają modele instalacji budynkowych, dzięki którym można analizować ich pracę bez potrzeby ingerowania w instalację oddanego do użytku budynku. Modele te sprzyjają również rozwijaniu umiejętności projektantów oraz popularyzowaniu idei energooszczędnego budownictwa. ZDALNE ZARZĄDZANIE INSTALACJĄ W SYSTEMIE KNX Dzięki dynamicznemu rozwojowi Internetu stała się możliwa komunikacja oraz zarządzanie z dowolnego miejsca na świecie siecią automatyki budynków mieszkalnych oraz obiektów użyteczności publicznej, wyposażonych w możliwość podłączenia do globalnej sieci informacyjnej. Możliwość taką uzyskuje się poprzez zastosowanie protokołu internetowego IP w wersji połączeniowej TCP bądź bezpołączeniowej UDP. Pełne wykorzystanie możliwości, oferowanych przez protokół internetowy, możliwe jest dzięki zastosowaniu odpowiednich mechanizmów sprzętowych bądź programowych. Mechanizmy te można podzielić na trzy podstawowe grupy: - programowe implementowane po stronie komputerów PC wspierające klasyczne interfejsy szeregowe (RS232/KNX, RS422/KNX, RS562/KNX, USB/KNX), - programowe implementowane po stronie komputerów PC wspierające interfejsy wyposażone w obsługę protokołu IP, - programowe implementowane w odpowiednich modułach systemu KNX wyposażonych w obsługę protokołu IP. Pierwszy z wymienionych mechanizmów, a więc mechanizm programowy wspierający klasyczne interfejsy szeregowe opiera się zazwyczaj o wykorzystanie komputera klasy PC, wyposażonego w odpowiedni interfejs szeregowy do komunikacji z magistralą KNX oraz interfejs wpierający protokół IP (zazwyczaj karta sieciowa wyposażona w interfejs RJ45). 1. Lublin University of Technology, Nadbystrzycka 38 D Str., Lublin, Poland.

2 Rozwiązanie takie przeznaczone jest głównie dla małych systemów, głównie ze względu na niewielką wydajność połączenia szeregowego. Wymaga ono zastosowania odpowiednich mechanizmów programowych, takich, jakich program komunikacyjny, pozwalający na dwukierunkową wymianę danych (z/do magistrali systemu KNX), wspierający zastosowaną technologię komunikacji szeregowej, jak również odpowiednie oprogramowanie (aplikacja klienta/serwera), umożliwiające przesył otrzymanych w ten sposób informacji za pośrednictwem protokołu IP i przykładowo ich publikację na stronie internetowej. W przypadku oprogramowania umożliwiającego przesył z wykorzystaniem protokołu IP z otrzymanych z magistrali informacji można wyróżnić dwa typy: aplikacja serwera, aplikacja klienta. Aplikacja serwera, zainstalowana na jednostce połączonej poprzez interfejs szeregowy z magistralą KNX, umożliwia poprawne działanie aplikacji wizualizacyjnej poprzez ciągły nasłuch oraz analizę informacji, odbieranych z oprogramowania komunikacyjnego (np. za pośrednictwem protokołu DDE), bądź z magistrali sytemu KNX (często stosowanym rozwiązaniem jest integracja aplikacji serwera z oprogramowaniem komunikacyjnym) i przesyłanie ich za pośrednictwem protokołu IP do odpowiedniej jednostki pracującej w sieci (np. LAN, Internet), dzięki czemu istnieje możliwość zmiany stanu obiektu oprogramowania wizualizacyjnego. Aplikacja klienta z kolei pozwala na kontrolę sposobu działania urządzeń magistralnych (grup adresowych), poprzez przesył za pośrednictwem protokołu IP, stanu obiektu oprogramowania wizualizacyjnego do jednostki komunikującej się z magistralą za pośrednictwem interfejsu szeregowego. Odpowiednie mechanizmy programowe, zaimplementowane w oprogramowaniu klienckim ww. jednostki, pozwalają na konwersję otrzymanych w ten sposób informacji na odpowiednie telegramy systemu KNX, przesyłane na magistralę za pośrednictwem łącza szeregowego. Rys. 1. Zdalne zarządzanie instalacją KNX przy wykorzystaniu mechanizmu programowego wspierającego klasyczne interfejsy szeregowe, UM KNX urządzenie magistralne Fig. 1. Remote management of KNX installation using a software mechanism to support classic serial interfaces, UM KNX - bus coupler device

3 Podstawowym problemem, występującym przy tego typu rozwiązaniu, jest konieczność utrzymywania dla potrzeb diagnostyki, konfiguracji, wizualizacji itp. sieci uruchomionego w sposób ciągły komputera PC. Wiąże się to w głównej mierze ze wzrostem kosztów eksploatacji dla danego obiektu (energia elektryczna, wyposażenie komputerów w komponenty o zwiększonej wytrzymałości termicznej, mechanicznej itp.). Z tego też powodu, chętniej stosowanym rozwiązaniem jest wyposażenie instalacji KNX w odpowiednie interfejsy, wspierające obsługę protokołu IP oraz mechanizmy programowe umożliwiające zarządzanie, konfigurację, wizualizację itp. implementowane na komputerze PC. Należy jednak zwrócić uwagę to, iż w odróżnieniu od poprzednio omówionego rozwiązania, komputer PC nie musi znajdować się w pobliżu zarządzanej instalacji. Dany interfejs może zostać przyłączony do sieci lokalnej bądź sieci globalnej, dzięki czemu uzyskuje się możliwość zdalnego zarządzania instalacją z wykorzystaniem protokołu IP. Rys. 2. Zdalne zarządzanie instalacją KNX za pośrednictwem urządzeń wyposażonych w obsługę protokołu internetowego IP, gdzie UM KNX urządzenie magistralne KNX Fig. 2. Remote management of KNX installation with support for Internet Protocol, UM KNX - bus coupler device Mechanizm procesu zdalnego zarządzania instalacją KNX, za pośrednictwem urządzeń wyposażonych w obsługę protokołu internetowego IP, jest bardzo podobny do omówionego wcześniej mechanizmu z wykorzystaniem klasycznego łącza szeregowego oraz dodatkowego interfejsu IP. Podstawową różnicą, wynikającą ze stosowania określonego typu mechanizmu, są wykorzystywane przez daną metodę pakiety programowe dostępu do magistrali oraz przesyłu danych za pośrednictwem IP. W przypadku mechanizmu, wykorzystującego interfejsy z obsługą IP do komunikacji z magistralą, nie jest wymagane dodatkowe oprogramowanie (bądź moduł) do przesyłu danych przez łącze internetowe. Połączenie pomiędzy systemem KNX a siecią komputerową LAN jest wykonane za pomocą bramy internetowej IG/S 1.1, która może także pełnić funkcję sprzęgła liniowego łączącego dwie linie magistralne KNX. W tym zastosowaniu prędkość transmisji pomiędzy liniami wynosi 10 Mbit/s. Przy zastosowaniu oprogramowania iets możliwa jest konfiguracja, monitoring i diagnostyka systemy EIB/KNX. Podobnie jak w sprzęgle liniowym w bramie internetowej możliwa jest parametryzacja tablicy filtrów. Ustawia się tu polecenia, które mają być wysłane do sieci komputerowej LAN lub do drugiej linii magistralnej EIB. Podstawowym narzędziem

4 programowym, pozwalającym na komunikację systemu KNX z komputerem PC za pośrednictwem łącza internetowego, jest interfejs programowy iets Server. W stosunku do klasycznego programu ETS pakiet iets różni się głównie obsługiwanym protokołem komunikacyjnym. W przypadku iets jest to protokół EIBlib/IP, obsługujący protokół internetowy, dzięki czemu istnieje możliwość wykorzystania dowolnego medium transmisyjnego określonego przez IP (Ethernet, linia telefoniczna itp.). Protokół EIBlib/IP został również zintegrowany z programem ETS w wersji 3, umożliwiając tym samym na zdalne np. za pośrednictwem sieci Internet, programowanie urządzeń magistralnych, zmianę konfiguracji sieci KNX itp. Rozwiązanie takie posiada jednak pewne ograniczenia technologiczne pełne przekonfigurowanie sieci nie jest możliwe w sposób zdalny, ze względu na konieczność fizycznego przyciśnięcia na każdym z urządzeń przycisku, umożliwiającego potwierdzenie przypisania do niego określonego adresu fizycznego. W sposób niezależny od rozwiązań, z wykorzystaniem komputerów PC, jako narzędzia, umożliwiających programową obróbkę danych, pochodzących z magistrali, jak i wysyłanych na magistralę, niektóre z firm produkujące urządzenia magistralne przeznaczone dla systemu KNX oferują tzw. bramy internetowe. Dzięki wbudowanym mechanizmom programowym, pozwalają one za pośrednictwem mediów transmisyjnych, takich jak linia telefoniczna bądź sieć komputerowa, na parametryzację (w nieco ograniczonym zakresie) oraz wizualizację instalacji w systemie KNX. Mechanizmy programowe oferowane przez tego typu urządzenia ograniczają się zazwyczaj do zapisanych w ich EEPROM tzw. Web Serwerów, czyli odpowiednich programów, odpowiedzialnych za akceptację zapytań kierowanych przez klientów wykorzystujących protokół HTTP (ang. Hypertext Transfer Protocol), np. za pośrednictwem przeglądarki internetowej, oraz obsługę odpowiedzi na zapytania wraz z przesyłem wymaganych informacji. Przykładem tego typu urządzenia może być moduł magistralny firmy ABB TG/S 3.1. Brama internetowa ABB TG/S 3.1 pozwala na zarządzanie oraz wizualizację stanu, skorelowanych z urządzeniem przy pomocy pakietu ETS (zapisanymi w pamięci urządzenia), maksymalnie 40 obiektów komunikacyjnych urządzeń magistralnych. Przykładowo zapisanie w pamięci bramy obiektu komunikacyjnego przełącznika oraz obiektu komunikacyjnego jednego z kanałów wyjścia binarnego, pozwoli na sterowanie tym kanałem z poziomu przeglądarki internetowej (Rys. 3) bądź za pośrednictwem linii telefonicznej. Rys. 3. Przykład kontroli obiektów komunikacyjnych skojarzonych z bramą TG/S 3.1 za pośrednictwem przeglądarki internetowej Fig. 3. Example for control of communication objects associated with the gate TG / S 3.1 with a web browser Dodatkowo moduł ten pozwala na informowanie użytkownika o zaistniałych stanach zakłóceniowych, wartościach pomiarowych, stanach pracy urządzeń za pomocą poczty elektronicznej, bądź wiadomości SMS.

5 STANOWISKO BADAWCZE Dla potrzeb badań komunikacji w systemach automatyki budynku zaprojektowano stanowisko badawcze (Rys. 4). W celu umożliwienia komunikacji pomiędzy oprogramowaniem, umożliwiającym zarządzanie instalacją w systemie KNX, a instalacją w systemie KNX, koniecznym staje się zastosowanie interfejsów sprzętowych w postaci odpowiednich modułów, takich jak łącza szeregowe, bądź specjalnie do tego przystosowane bramy (ang. gateway). Wykorzystując standardowe układy wejścia/wyjścia jednostki, na której implementowane jest oprogramowanie, zapewniające możliwość kontroli oraz wizualizacji stanu instalacji systemu KNX (zazwyczaj komputer klasy PC), możliwe jest zapewnienie komunikacji, a więc wymiany danych pomiędzy tą jednostką a elementami wchodzącymi w skład instalacji. W systemie KNX wykorzystywane się trzy główne typy modułów interfejsów komunikacyjnych : łącza szeregowe, np. RS232/KNX, USB/KNX, bramy telefoniczne i internetowe, np. ISDN/KNX, Ethernet/KNX, specjalizowane serwery, np. GiraHomeSerwer, Signum Home Controller. Dzięki wyposażeniu stanowiska w bramę internetową ABB TG/S 3.1 możliwe jest sterowanie elementami instalacji magistralnej KNX za pomocą telefonu. Rys. 4. Stanowisko badawcze Fig. 4. The laboratory stand Konstrukcja stanowiska jest odwzorowaniem rzeczywistej instalacji magistralnej w budynku. Ponadto jego modułowa budowa pozwala na zmianę lub dodanie komponentów systemu KNX. Dzięki temu możliwa jest analiza pracy różnych instalacji wchodzących w skład budynku inteligentnego, np. oświetleniowej, grzewczej, sterowania roletami, powiadamiania i nadzoru. Taka uniwersalność sprzyja również

6 PODSUMOWANIE Brama telefoniczna może być używana w instalacjach magistralnych KNX, jako połączenie między tym systemem a użytkownikami, którzy powinni być informowani w wypadku błędów. Dzięki oprogramowaniu zarządzającemu tym urządzeniem użytkownicy mogą wysyłać telegramy z poleceniami do bramy przez telefon. Integracja bramy z instalacjami budynku inteligentnego umożliwia sterowanie wybranymi w czasie programowania systemu urządzeniami w budynku. Dzięki dużej liczbie aplikacji, które zostały opracowane dla tego urządzenia, w których może być użyta brama TG/S można zdalnie wykonywać różne operacje związane z obsługą budynku, np. otwierać drzwi garażowe lub bramy na teren posesji, dzięki przeglądarce internetowej sprawdzać stan wybranych urządzeń, otrzymywać komunikaty z informacjami o ewentualnych błędach lub stanach alarmowych. PIŚMIENNICTWO 1. Buczaj M.: Integracja systemów alarmowych i systemów zarządzających pracą urządzeń w budynku mieszkalnym. Zabezpieczenia nr 4/2009, s Buczaj M.: Eliminacja czynnika ludzkiego przez techniczne środki przekazu informacji w systemach nadzoru nad stanem chronionego obiektu. Motrol Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa, 2011, tom. 13, s Buczaj M., Sumorek A.: Wirtualny system nadzoru sterujący pracą systemu sygnalizacji włamania i napadu. Motrol - Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa, 2010, tom 12, s Directive 2002/91/EC issued by European Parliament and European Council on 16th December 2002 concerning the energetic quality of the buildings. 5. Horyński M.: Reasonable energy management in an intelligent building : Racjonalne zarządzanie energią w inteligentnym budynku, Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 2010, tom 10 C, s Jelondz, D., Spasokukotskiy, K., Ruser, H.: Concept and realisation of an EIB based automated room climate control In Proceedings of EIB Conference. Technical University Munich, Luchowski G.: Systemy informatyczne do wizualizacji pracy instalacji w budynku inteligentnym. Praca magisterska, Politechnika Lubelska, Olga Plaksina, Thomas Rausch: Fieldbus Systems and their Applications, Vol. 6, Part 1, Spasokukotskiy, K.; Trankler, H.-R.; Lukasheva, K. Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications. Proceedings of the Second IEEE International Workshop, Sumorek A., Buczaj M.: Przyszłość magistrali Local Interconnect Network. Motrol - Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa, 2010, tom 12, s THE MODEL FOR STUDIES ON COMMUNICATION IN A SMART BUILDING IN THE KNX STANDARD Summary - Particular attention in this paper was given to the implementation of the KNX system. This article concerns the design of intelligent electrical bus system. It describes the laboratory model of the intelligent building. It allows the designer to test the devices before installing in the building. An important element of the model is telephone gateway. Key words: electrical system, intelligent building, bus, KNX, model