Media transmisyjne stosowane w systemie sterowania KNX

Ze względu na stosowane media transmisyjne, rozróżnia się następujące odmiany systemu KNX [1, 2]:

• KNX TP, w której stosuje się skrętkę (skręcaną parę przewodów),
• KNX PL, wykorzystującą linie (przewody) elektroenergetyczne,
• KNX RF, wykorzystującą fale o częstotliwości radiowej,
• KNX IP, w której korzysta się z sieci komputerowej typu Ethernet.

Szczegółowy opis poszczególnych odmian systemu KNX można znaleźć m. in. w [1–8]. Rozwiązania normatywne w odniesieniu do systemu KNX zostały przedstawione w [9].

W prezentowanym artykule dokonano charakterystyki poszczególnych odmian systemu KNX, ze wskazaniem odnoszących się do nich norm. Przedstawiono również krótki opis programu narzędziowego ETS4. Zwrócono także uwagę na bezpieczeństwo przesyłu informacji w systemie KNX. Niektóre z poruszanych w niniejszym artykule zagadnień były już przedmiotem rozważań dokonanych w referacie [1].

Opis odmian systemu KNX

System KNX TP

Schemat poglądowy przedstawiający zasadę działania systemu KNX TP zaprezentowano na rysunku 1.

Sensory są urządzeniami zadającymi polecenia sterownicze, zaś aktory urządzeniami wykonawczymi. Sensorami są najczęściej [1, 7, 8]: łączniki klawiszowe, a także różnego rodzaju czujniki (detektory): natężenia oświetlenia, temperatury, podczerwieni, wilgotności, użytej siły, wiatru, otwarcia drzwi (okien) oraz zegary. Aktory to z kolei najczęściej [1, 7, 8]: wyjścia binarne, ściemniacze, elementy załączająco-ściemniające, elektrozawory, elementy sterujące pracą napędów żaluzji itd. Sensory i aktory określane są mianem elementów magistralnych (EM). Wszystkie te urządzenia posiadają autonomiczny (rozproszony) system sterowania.

Wymiana informacji pomiędzy sensorami i aktorami odbywa się za pomocą pakietów informacyjnych, zwanych telegramami, o ściśle określonej budowie. Maksymalna prędkość transmisji w tym systemie wynosi 9,6 kb/s. Sensory przekształcają wielkości fizyczne w telegramy o określonej strukturze i nadają je. Telegramy te rozchodzą się po całym systemie KNX TP. Aktory, dla których są przeznaczone przesyłane telegramy, odbierają je, potwierdzają nadawcy (sensorowi) prawidłowe przyjęcie telegramu i wykonują zadane polecenia sterownicze. Inne elementy magistralne, których dany telegram nie dotyczy, ignorują go. Średni czas przesyłu i potwierdzenia otrzymania informacji wynosi około 25 ms [1, 5, 7, 8].

Możliwość dostępu do magistrali i wysyłania informacji przez elementy magistralne jest określona za pomocą specjalnej procedury nazywanej metodą testowania nośnika i wspólnego dostępu do sieci z unikaniem kolizji – CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) [4, 5, 7]. Strukturę topologiczną systemu KNX TP, w którym nie występują wzmacniacze liniowe, przedstawiono na rysunku 2.

Jak pokazano na rysunku 2., podstawowym elementem topologicznym systemu KNX TP jest linia, do której są przłączane elementy magistralne – sensory lub aktory (maksymalnie 64 elementy). W jednym obszarze, związanym z linią główną, może być maksymalnie 15 linii, oddzielonych od siebie sprzęgłami liniowymi (SL). W całej instalacji, związanej z linią obszarową, może być maksymalnie 15 obszarów, oddzielonych od siebie sprzęgłami obszarowymi (SO). Elementy magistralne mogą się wzajemnie komunikować, bez względu na miejsce ich przyłączenia do systemu KNX TP. Jeśli istnieje potrzeba podłączenia do linii magistralnej więcej niż 63 elementów, jako 64. element należy wstawić wzmacniacz liniowy (WL), który pozwala podłączyć do linii następne 63 elementy (w sumie poprzez trzy wzmacniacze liniowe do linii można maksymalnie przyłączyć 189 urządzeń magistralnych). Sprzęgła i wzmacniacze występują zazwyczaj w bardziej rozległych instalacjach, zawierających dużą liczbę elementów magistralnych [1, 7, 8].

W przypadku systemu KNX TP informacja jest przesyłana w linii magistralnej 24 V DC w sposób symetryczny, tj. jako różnica potencjałów między dwoma przewodami magistrali (oznaczonymi jako plus i minus), a nie jako różnica potencjałów w stosunku do ziemi. Dlatego zakłócenia, które oddziałują na oba przewody magistrali, nie wpływają na poprawny przesył informacji [5].

Zagadnienia standaryzacyjne odnoszące się do systemu KNX TP zostały przedstawione w normie [12]. W normie tej zostały podane wymagania dla HBES (ang. Home and Building Electronic Systems – domowych i budynkowych systemów elektronicznych) wykorzystujących jako medium transmisyjne skrętkę (parę skręcaną), dla dwóch odmian, tj. TP0 i TP1 (TP1-64 i TP1-256).

System KNX PL

W systemie KNX PL [1, 5] urządzenia komunikują się ze sobą za pośrednictwem telegramów poprzez sieć zasilającą 230/400 V (rys. 3.). W tym celu wykorzystuje się zarówno przewody fazowe, jak i przewód neutralny. System pracuje dwukierunkowo, tj. każde urządzenie może nadawać i odbierać informacje.

Ze względu na zakłócenia pojawiające się w sieci zasilającej 230/400 V oraz występujące w niej przerwy łączeniowe, systemu KNX PL nie można stosować w takich sytuacjach, gdy brak komunikacji mógłby spowodować zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzi, ewentualnie duże straty materialne, np. w instalacjach bezpieczeństwa.

Zastosowanie sprzęgaczy fazowych lub sprzęgaczy systemowych – repeaterów (regeneratorów) pozwala na komunikację elementów magistralnych w sieciach trójfazowych 230/400 V. Sprzęgacz fazowy jest urządzeniem pasywnym i zwykle jest stosowany w małych instalacjach. Z kolei, repeater jest urządzeniem aktywnym, najczęściej występującym w dużych obiektach budowlanych. W instalacji KNX PL może występować albo sprzęgacz fazowy albo repeater [1, 5].

W celu transmisji danych, w systemie KNX PL stosowane jest kluczowanie częstotliwością z poszerzonym widmem (ang. Spread Frequency Shift Keying – SFSK), którego zasada została pokazana na rysunku 4. Polega to na generowaniu sygnałów o dwóch częstotliwościach: 105,6 kHz podczas transmisji „0” oraz 115,2 kHz podczas transmisji „1”. Podczas odbioru sygnały podlegają przetwarzaniu na postać cyfrową. Komparator porównuje odebraną wartość cyfrową sygnału z przechowywaną wartością wzorcową częstotliwości odpowiadającej sygnałom „0” i „1”. W ten sposób rozpoznaje się sygnały „0”, „1” oraz sygnały niezdefiniowane, tj. szum. Prędkość transmisji sygnałów w tym systemie wynosi 1,2 kbit/s [1, 5].

Wszystkie elementy magistralne systemu KNX PL są podłączone do jednej „magistrali” – sieci zasilającej 230/400 V; dlatego nie jest konieczna żadna specjalna topologia tej instalacji. W celu zachowania przejrzystości systemu zalecane jest jednak zachowanie struktury topologicznej stosowanej w przypadku instalacji KNX TP. Wszystkie urządzenia są przydzielone do wirtualnych obszarów i linii. W systemie KNX PL można maksymalnie zdefiniować 8 obszarów, 16 linii w obszarze i 256 elementów w linii [1, 5]. ożliwość dostępu do magistrali i wysyłania informacji przez elementy magistralne jest określona za pomocą specjalnej procedury nazywanej metodą testowania sekwencją i wspólnego dostępu do sieci, będącej modyfikacją metody CSMA [5].

Jak pokazano na rysunku 3., każda instalacja KNX PL musi być oddzielona (odseparowana) od sieci elektroenergetycznej za pośrednictwem filtrów zaporowych, instalowanych na każdym przewodzie fazowym [5]. Maksymalny dopuszczalny prąd takiego filtra wynosi 63 A. Filtry zaporowe muszą być zainstalowane przed obwodami odbiorczymi wykorzystywanymi do transmisji sygnałów i bezpośrednio za głównym zabezpieczeniem przed prądem przetężeniowym rozważanej instalacji lub wyłącznikiem różnicowoprądowym. Sprzęgacze fazowe lub repeatery są instalowane bezpośrednio za filtrami zaporowymi.

Aby zapewnić poprawną pracę systemu KNX PL, należy przestrzegać następujących zasad i wymagań [5]:

• krzywa napięcia zasilającego nie powinna być zniekształcona,
• dopuszczalny poziom napięcia fazowego powinien wynosić 230 V ±10%,
• częstotliwość powinna zawierać się w przedziale 50 Hz ±0,5 Hz,
• nie należy stosować tego systemu w sieciach elektroenergetycznych, w których występują maszyny i urządzenia elektryczne bez dostatecznego zabezpieczenia od generowanych przez nie dużych zaburzeń elektromagnetycznych, jeśli nie mogą być one oddzielone od sieci używanej do transmisji sygnałów przez zastosowanie odpowiednich środków tłumiących lub filtrów (np. filtru zaporowego) lub oddzielne układanie przewodów,
• nie należy stosować tego systemu w sieciach elektroenergetycznych, w których do transmisji sygnałów są w nich stosowane inne systemy sterowania oparte na modulacji częstotliwości,
• ze względu na silne tłumienie sygnału, w obwodach wykorzystywanych do transmisji sygnałów nie wolno stosować przewodów ekranowanych (z uziemionymi ekranami) i przewodów o przekrojach większych niż 25 mm²,
• z powodu dużej upływności, w obwodach wykorzystywanych do transmisji sygnałów nie powinno się stosować wyłączników nadprądowych instalacyjnych oraz wyłączników różnicowoprądowych o prądach znamionowych mniejszych od 10 A. W tych przypadkach należy stosować bezpieczniki topikowe.

Ograniczenie poziomu sygnałów sterujących w systemie KNX PL jest zwykle powodowane pracą kondensatorów występujących w wielu urządzeniach elektrycznych. Należy podkreślić, że urządzenia systemu KNX PL są w stanie same przystosować się do tych zmian poziomu sygnałów sterujących [5].

Większość urządzeń elektrycznych wprowadza zaburzenia elektromagnetyczne do sieci. Pojedyncze urządzenia zwykle nie mają dużego wpływu na poprawność transmisji w systemie KNX PL. Sytuacja może jednak ulec pogorszeniu w przypadku jednoczesnego przyłączenia wielu urządzeń odbiorczych generujących zaburzenia.

W celu wykrycia i identyfikacji źródeł zaburzeń elektromagnetycznych, na etapie projektowania stosowana jest metoda oparta na liczbie charakterystycznej K [5]. W metodzie tej każdemu odbiornikowi w sieci przypisuje się określoną liczbę charakterystyczną, która identyfikuje jego własności zakłócające.

Suma liczb charakterystycznych (współczynników) dla wszystkich zainstalowanych urządzeń w systemie ma wpływ na maksymalną odległość poprawnej transmisji między urządzeniami KNX PL. Odległość ta, określana wykreślnie, zależy także od tego, czy system KNX PL jest wyposażony w repeater, czy nie. W tym drugim przypadku dopuszczalne odległości transmisji są mniejsze.

Rozróżnia się 4 charakterystyczne grupy urządzeń, ze względu na ich własności zakłócające [5]:

• urządzenia z małymi własnościami zakłócającymi: K=1 (np. zasilacze przyłączane do gniazd wtyczkowych, lampy żarnikowe, napędy rolet i żaluzji, urządzenia KNX PL),
• urządzenia ze średnimi własnościami zakłócającymi: K=10 (np. żelazka i inny sprzęt gospodarstwa domowego, lodówki i zamrażarki, elektronarzędzia, sprzęt HiFi i video, lampy energooszczędne),
• urządzenia z dużymi własnościami zakłócającymi: K=50 (np. komputery, monitory, telewizory, kserokopiarki, lampy fluorescencyjne z elektronicznym zapłonem, klimatyzatory),
• urządzenia z bardzo dużymi własnościami zakłócającymi: K=1000 (np. inwertery, systemy sterowania oparte na modulacji częstotliwościowej sygnału, urządzenia UPS).

Warto zaznaczyć, że wymagania dla systemów HBES wykorzystujących jako medium komunikacyjne linię zasilającą (przewód elektryczny), dla dwóch możliwych odmian, tj. PL110 i PL132, zostały sformułowane w normie [13].

System KNX RF

W systemie KNX RF [1, 5, 14] przesył informacji (komunikacja między elementami magistralnymi) odbywa się za pośrednictwem fal elektromagnetycznych o określonej częstotliwości.

Cechą charakterystyczną i dużą zaletą tego systemu jest jego duża mobilność. System KNX RF może być m. in. stosowany podczas przesyłu informacji na duże odległości w otwartych przestrzeniach oraz w specyficznych warunkach układania przewodów, np. na ścianach ze szkła. Bardzo często system ten stanowi rozszerzenie możliwości funkcjonalnych oferowanych przez system KNX TP lub KNX PL i bezpośrednio współpracuje z tymi systemami [1, 5].

Maksymalny zasięg transmisji w wolnej przestrzeni wynosi około 300 m [1, 5], zaś wewnątrz obiektów budowlanych około 30 m [1, 14]. Zasięg transmisji w budynkach można zwiększyć przez zastosowanie repeaterów (wzmacniaczy) – patrz rys. 5.

W przypadku transmisji radiowej sygnałów sterujących konieczne jest zastosowanie kluczowania. W systemie KNX RF stosuje się kluczowanie częstotliwości FSK (ang. Frequency Shift Keying) [1, 14]. Wykorzystuje się pasmo 868 MHz, tj. pasmo ISM (ang. Instrumentation, Science, Medicine). Częstotliwość centralna tego pasma wynosi 868,3 MHz, zaś odchylenie (szerokość pasma) ±50 kHz. Moc wyjściowa urządzeń podczas nadawania zawiera się w przedziale od 1 do 25 mW. Prędkość transmisji wynosi 16 kbit/s.

Przedstawiony powyżej system KNX RF, który wykorzystuje do transmisji pasmo o częstotliwości 868 MHz, to system jednopasmowy, jednokanałowy. System ten pozwala na bardzo pewną komunikację w obszarze domu lub małego budynku użyteczności publicznej. Pojedynczy kanał komunikacji systemu KNX RF może być jednak zaburzany przez inne niż KNX RF systemy radiowe, z różnymi mechanizmami dostępu do medium w tym samym lub w sąsiednich pasmach częstotliwości. Z tego typu zaburzeniami daje sobie natomiast dobrze radę system KNX RF Multi, którego opis został zamieszczony w [15].

System KNX RF Multi posiada następujące cechy charakterystyczne [15]:

1. W systemie tym urządzenia mogą automatycznie „przeskakiwać” z aktualnie zajmowanego kanału (np. F1) do innego dostępnego kanału RF; w systemie zdefiniowano bowiem dwa dodatkowe kanały szybkie (F2 i F3) oraz dwa kanały wolne (S1 i S2).

2. Częstotliwość centralna kanału F1 jest równa 868,3 MHz, zaś odchylenia wynoszą ±0,3 MHz. Z kolei, częstotliwości centralne i odchylenia pozostałych kanałów przedstawiają się następująco:

• F2: 868,95 MHz ±0,25 MHz,
• F3: 869,85 MHz ±0,15 MHz,
• S2: 869,525 MHz ±0,125 MHz,
• S1: 869,85 MHz ±0,15 MHz.

3. Kanały szybkie są przeznaczone do stosowania w aplikacjach sterowanych przez ludzi, takich jak: sterowanie oświetleniem, sterowanie roletami, itd. Z kolei kanały wolne są przeznaczone do stosowania przez urządzenia pracujące w trybie nieciągłego odbioru, dla takich zastosowań jak np. sterowanie systemem HVAC. Prędkość transmisji w kanałach szybkich wynosi 16,384 kb/s, podczas gdy w kanałach wolnych jest ona równa połowie tej prędkości.

4. Aby zapewnić kompatybilność między urządzeniami systemu KNX RF i systemu KNX RF Multi, nowo produkowane urządzenia systemu KNX RF muszą obecnie wysyłać dłuższy nagłówek telegramu. Urządzenia systemu KNX RF Multi muszą z kolei być kompatybilne wstecznie (downgrade) z urządzeniami systemu KNX RF.

5. Wprowadzenie kilku kanałów zwiększa prawdopodobieństwo poprawnej transmisji sygnału. Dodatkowo, pozwala na weryfikację poprawności odbioru (przez wspieranie szybkiego – bezzwłocznego potwierdzenia odbioru) przez aż 64 odbiorniki. W przypadku braku szybkiego, bezzwłocznego potwierdzenia prawidłowego odbioru, telegramy są automatycznie retransmitowane (przesyłane ponownie). Ponadto, repeatery systemu KNX RF odnotowują i przekazują dalej te potwierdzenia tak, aby możliwe było sprawdzanie poprawnego odbioru nawet w przypadku dużych odległości między urządzeniami.

W artykule [15] zostały także przedstawione inne, wybrane cechy systemu KNX RF:

• w systemie KNX RF każde urządzenie nadające, zanim rozpocznie się jego własna transmisja, sprawdza również, czy ma miejsce inna transmisja w tym systemie, w ten sposób redukując znacznie liczbę możliwych kolizji;
• system KNX RF, a w szczególności system KNX RF Multi, w naturalny sposób wspiera dłuższe ramki danych. Jest to konieczne w celu wsparcia warstwy aplikacyjnej z zawartymi mechanizmami bezpieczeństwa (Secure Application Layer, szyfrowanie danych) systemu KNX, aby możliwe było uwierzytelnianie i zachowanie poufności (patrz pkt 4). W ten sposób sprzęgacze mediów nie pogarszają bezpieczeństwa przesyłu sygnałów. Pozwala to stosować system KNX RF dla takich aplikacji jak: pomiary, kontrola dostępu, kontrola antywłamaniowa, sygnalizacja pożaru, itd.

Wymagania dla HBES, które wykorzystują jako medium komunikacyjne częstotliwości radiowe, zostały przedstawione w normie [16].

System KNX IP

Wymagania stawiane systemom sterowania w nowoczesnych budynkach ciągle rosną. W szczególności są one związane z takimi zagadnieniami, jak [1, 17]: wzrastająca liczba węzłów (urządzeń) podlegających sterowaniu, stosowanie systemów informatycznych do monitorowania i zdalnego sterowania pracą różnego rodzaju instalacji, konieczność zwiększenia prędkości przesyłu informacji, przesył informacji na duże i bardzo duże odległości.

Wychodząc naprzeciw tym wymaganiom został opracowany protokół KNXnet/IP [1, 18], w którym medium transmisyjnym jest sieć Ethernet, pozwalająca na przesył informacji (telegramów) z prędkością 10 lub nawet 100 Mbit/s. Telegramy KNXnet/IP są generowane przez warstwę aplikacyjną stosu protokołów, zgodną z modelem referencyjnym OSI. Oprócz tego w procesie komunikacji biorą udział warstwy [1, 17]: transportowa (protokół UDP), sieciowa (protokół IP), łącza danych i fizyczna (sieć Ethernet).

W protokole KNXnet/IP wyróżnia się dwie podstawowe czynności [1, 17]: procedurę tunelowania (KNXnet/IP Tunneling) i procedurę routingu (KNXnet/IP Routing).

Tunelowanie jest niezbędne w przypadku konieczności przesyłu informacji w ramkach IP przez program narzędziowy ETS. Z sytuacją taką mamy do czynienia wtedy, gdy adresem docelowym jest adres fizyczny urządzenia, np. podczas wysyłania adresu fizycznego i/lub aplikacji programowej do urządzenia KNX w czasie jego programowania. Komunikacja tego typu (unicast) jest przeprowadzana za pośrednictwem adresu IP urządzenia KNXnet/IP, które będzie dokonywać tunelowania telegramów.

Z routingiem mamy z kolei do czynienia w przypadku jednoczesnej transmisji telegramów KNX do kilku urządzeń za pośrednictwem routerów IP. Czynność ta odpowiada komunikacji opartej na adresie grupowym w systemie KNX TP.

W początkowym okresie rozwoju systemu KNX IP routery IP były wykorzystywane jako sprzęgła liniowe lub sprzęgła obszarowe w systemie KNX TP [1, 17]. Ich zadaniem było routowanie telegramów z jednej linii (obszaru) systemu KNX TP na stronę IP, a następnie routowanie tych telegramów na stronę innej linii (obszaru) systemu KNX TP. Komunikacja tego typu jest przeprowadzana za pośrednictwem adresu multicast, zgodnie z protokołem UDP. Przykład wykorzystania routerów IP jako sprzęgieł liniowych został pokazany na rysunku 6.

Kolejnym krokiem w rozwoju systemu KNX IP jest stosowanie docelowych urządzeń KNX IP [1, 17] (rys. 7.). W tym przypadku możliwa jest bezpośrednia komunikacja (typu unicast lub multicast) między dwoma urządzeniami KNX IP, za pośrednictwem odpowiednich adresów IP tych urządzeń. Adresem docelowym jest w tej sytuacji adres odbiorcy. W ten sposób możliwe jest wykorzystanie zalet sieci Ethernet i innych technologii IT, takich jak [1, 17]: integracja serwera Web i usług Web, wysyłanie e-maili oraz komunikatów (alarmów) SMS przez urządzenia, udostępnianie przez przeglądarki Web przechowywanych stron HTML itp. Konfigurowanie urządzeń KNX IP za pomocą programu ETS jest możliwe począwszy od wersji 3f.

Protokół KNXnet/IP dla urządzeń systemu KNX przyłączanych do sieci z protokołem IP, nazywanych urządzeniami KNX IP, został przedstawiony w normie [18], w której określono wymagania dla systemów BACS (ang. Building Automation and Control Systems).

Program narzędziowy ETS

Do projektowania instalacji inteligentnych typu KNX służy specjalny program narzędziowy o nazwie ETS (ang. Engineering Tool Software). Jest to standardowy program służący do wspomagania projektowania i uruchamiania tego typu instalacji [1, 4-8]. Główne zasady projektowania instalacji typu KNX, z wykorzystaniem programu ETS, zostały przedstawione m. in. w [4, 5, 7, 8].

Oprócz podstawowych funkcji tj. projektowania i uruchamiania program ETS umożliwia także testowanie i serwisowanie instalacji KNX. Opcje te pozwalają m. in. na [1, 4, 5, 7, 8]: „odsłuchiwanie” telegramów wysyłanych po magistrali, odnajdywanie urządzeń po wcześniejszym określeniu ich adresu fizycznego, odnajdywanie sytuacji konfliktowych, odczytywanie zadanych funkcji i parametrów urządzeń KNX oraz innych, tym podobnych, czynności. Należy zaznaczyć, że po uruchomieniu instalacja KNX jest gotowa do pracy i nie wymaga dalszej współpracy z komputerem, z wyłączeniem sytuacji, w której jest realizowana funkcja monitoringu i zdalnego sterowania tej instalacji.

Obecnie, najnowszą wersją programu ETS jest wersja 4, dostępna od końca 2010 roku. Szczegółowe informacje na jej temat można znaleźć m.in. w [19–22].

W artykule [19] przedstawione zostały zasadnicze cechy programu ETS4:

1. Program ETS4, w porównaniu z poprzednimi jego wersjami, zawiera wiele nowych funkcji. Użyto w nim uniwersalnego standardu XML, co pozwala na dostęp do wszystkich informacji, odnoszących się do wykonywanych projektów systemu KNX, w formie tekstowej.
2. Zgodnie z przyjętymi założeniami odnośnie do jego konstrukcji, program ETS4 oferuje prosty strukturalnie i intuicyjny w obsłudze interfejs, spełniający wzrastające wymagania dotyczące procesu projektowania, uruchamiania i nadzoru systemów KNX.
3. ETS4 oferuje kilka szczególnie użytecznych funkcji w celu szybszego, pewniejszego i bardziej ekonomicznego sposobu projektowania, uruchamiania i obsługi instalacji KNX.
4. Nowy format wymiany danych pozwala na otwieranie pliku z danymi i ich wyświetlanie w dowolnym edytorze tekstowym lub przeglądarce web. Zestandaryzowany, otwarty interfejs pozwala na integrację wielu aplikacji KNX i przez to daje dodatkowe możliwości rozszerzenia funkcjonalności programu ETS.
5. Program ETS4 można zainstalować równolegle z programem ETS3. Te dwie wersje programu ETS funkcjonują niezależnie od siebie. Możliwy jest również upgrade (uaktualnienie) programu ETS3 bezpośrednio do wersji ETS4.

Zgodnie z informacjami podanymi w [22], program ETS4 w wersji Professional jest w zasadzie wystarczający do projektowania, uruchamiania i obsługi systemu KNX. Użytkownicy programu ETS zwykle życzą sobie udostępnienia im coraz nowszych, dodatkowych funkcjonalności. Ponieważ nie jest możliwe, aby wszystkie dostępne funkcjonalności były częściami składowymi programu ETS4, została wprowadzona koncepcja aplikacji KNX (KNX apps). Aplikacje KNX stanowią rozszerzenia programu ETS4 i mogą być tworzone dzięki dostarczonemu interfejsowi API, który zawiera wiele podstawowych funkcji. Program ETS4 może być parametryzowany indywidualnie przez użytkowników, w zależności od potrzeb [22].

Mechanizmy bezpieczeństwa przesyłu informacji w systemie KNX

Zagadnienie bezpiecznej komunikacji w systemie KNX zostało opisane w [23]. Zwrócono tam uwagę na fakt, że w przypadku stosowania systemu KNX w nowszych aplikacjach, istnieje duże prawdopodobieństwo, że będą w nich przesyłane bardzo istotne lub poufne informacje. Otwartość systemu KNX, dostęp do elementów elektronicznych i używanie mediów takich jak fale o częstotliwości radiowej, wymagać będzie dodatkowych środków „wbudowanych” w standardowy protokół, tj. zastosowania koncepcji KNX Secure.

W ramach koncepcji KNX Secure, w artykule [23] omówiono następujące zagadnienia:

Protokół KNX IP Secure

Rozwiązanie to przede wszystkim chroni instalację KNX w przypadku stosowania protokołu KNXnet/IP jako szybkiej linii szkieletowej lub w przypadku zdalnego dostępu do tej instalacji. KNX IP Secure zawiera bowiem mechanizmy zapewniające, że urządzenie KNX IP może być dostępne jedynie dla użytkownika programu ETS posiadającego odpowiedni klucz kryptograficzny. Gwarantuje to również użytkownikowi programu ETS, że będzie się on rzeczywiście łączyć z wybranym przez niego urządzeniem, nie udostępniając jego danych konfiguracyjnych dla nieautoryzowanych stron procesu komunikacji. Protokół ten chroni również komunikację w czasie jej przebiegu, sprawdzając tożsamość uczestniczących w niej stron.

Warstwa aplikacyjna z mechanizmami bezpieczeństwa (KNX Secured Application Layer)

Dodatkowo, w przypadku każdego medium transmisyjnego systemu KNX, rozszerzeniem standardowego protokołu KNX jest warstwa aplikacyjna z mechanizmami bezpieczeństwa. Ma ona zagwarantować, że otrzymana wiadomość nie została zmodyfikowana, nie jest „podmieniona” i pochodzi od wiarygodnego nadawcy. Przesyłane dane są ponadto kodowane, zgodnie z ustalonym protokołem w systemie KNX. Oprócz tego, gdy dane są zaszyfrowane, wówczas jedynie uczestnicy komunikacji z zawartymi mechanizmami bezpieczeństwa będą zdolni do zdekodowania wiadomości. Integracja w systemie KNX została zaprojektowana w taki sposób, że istniejące sprzęgacze mediów i interfejsy (RS232, USB, IP) mogą być również używane do przesyłu komunikatów w sposób bezpieczny.

Konfiguracja mechanizmów bezpieczeństwa

Użytkownik programu ETS będzie potrafił wybrać dane, które w systemie KNX powinny być zabezpieczone i podać, w jaki sposób należy to uczynić. Klucze bezpieczeństwa (kryptograficzne) w systemie KNX nie są nigdy przesyłane w plain tekście (w sposób jawny). Są one chronione przez użycie specyficznego – sprzętowego klucza fabrycznego, przez certyfikaty lub przez zbudowanie bezpiecznej komunikacji z urządzeniem. W przypadku urządzeń klucze kryptograficzne będą zapisane w bezpiecznej pamięci.

Podsumowanie

W artykule szczególną uwagę zwrócono na opis występujących odmian systemu KNX. Zagadnienie to było również przedmiotem rozważań zaprezentowanych w referacie [1]. W artykule opisano m.in. nowy typ instalacji wykorzystującej częstotliwości radiowe, tj. system KNX RF Multi, który powinien poradzić sobie z zaburzeniami powodowanymi przez inne niż KNX RF systemy radiowe, z różnymi mechanizmami dostępu do medium w tym samym lub w sąsiednich pasmach częstotliwości. W artykule przedstawiono także krótki opis programu narzędziowego ETS4, jak również opisano mechanizmy bezpieczeństwa przesyłu informacji w systemie KNX. Mechanizmy bezpieczeństwa polegają na zastosowaniu koncepcji KNX Secure, tj. zaimplementowaniu dodatkowych środków „wbudowanych” w standardowy protokół komunikacji.

Wydaje się, że w dalszym ciągu większość instalacji KNX będzie budowanych na podstawie systemu KNX TP. Jednakże, ze względu na ciągły wzrost wymagań stawianych systemom sterowania w nowoczesnych budynkach oraz nieustanny rozwój technologii informatycznych, należy przewidywać coraz większą liczbę wykonanych instalacji wykorzystujących system KNX IP. Liczba instalacji elektrycznych budowanych z użyciem systemów KNX PL lub KNX RF będzie mniejsza niż tych opartych na systemie KNX TP. Instalacje bazujące na systemach KNX PL lub KNX RF będą głównie wykorzystywać niektóre specyficzne aspekty zastosowań tych systemów w inteligentnych budynkach.

Literatura

1. Parol M.: Podstawy budowy i projektowania instalacji elektrycznych w systemie KNX. Materiały 45. Konferencji z cyklu „Inżynieria elektryczna i energetyczna; projektowanie, budowa i eksploatacja” – Nowoczesny budynek, 25-27 maja 2012, Łochów, str. 140 – 156.
2. http://www.konnex.org
3. Parol M.: Instalacje w „Inteligentnych budynkach”. Przegląd Elektrotechniczny, 2006, Nr 10, str. 1-5
4. Petykiewicz P.: Nowoczesna instalacja elektryczna w inteligentnym budynku: przesłanki, zasady, techniczna realizacja, osprzęt. COSiW SEP, Warszawa, 2004
5. Project Engineering for EIB Installations. Basic Principles. 4th (revised) edition, EIBA sc, 1998
6. Sauter T., Dietrich D., Kastner W. (Eds.): EIB. Installation Bus System. Publicis Corporate Publishing, Erlangen, 2001
7. Niestępski S., Parol M., Pasternakiewicz J., Wiśniewski T.: Instalacje elektryczne. Budowa, projektowanie i eksploatacja. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Wyd. 3 (poprawione i uzupełnione), Warszawa 2011
8. Barnaś K., Dołowy M., Machowski J., Magdziarz A., Pająk J., Parol M., Pasternakiewicz J., Zdun Z., Ziemianek S., Żagan Z.: Laboratorium podstaw elektroenergetyki. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003
9. Parol M.: Normy dotyczące systemu sterowania KNX w inteligentnych budynkach. Wiadomości Elektrotechniczne, 2011, R. LXXIX, Nr 7, str. 42-44
10. Parol M.: Ochrona przeciwprzepięciowa w instalacjach inteligentnych typu KNX. Wiadomości Elektrotechniczne, 2009, R. LXXVII, Nr 6, str. 42-45
11. Parol M.: Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach inteligentnych typu KNX-TP. Wiadomości Elektrotechniczne, 2008, R. LXXVI, Nr 3, str. 44-48
12. PN-EN 50090-5-2:2005: Domowe i budynkowe systemy elektroniczne (HBES) – Część 5-2: Nośniki oraz warstwy zależne od nośników – Sieć HBES klasy 1, skrętka dwużyłowa
13. PN-EN 50090-5-1:2007: Domowe i budynkowe systemy elektroniczne (HBES) – Część 5-1: Nośniki i warstwy zależne od nośników – Transmisja liniami zasilającymi w systemach HBES klasy 1
14. KNX RF – The Worldwide Radio Frequency Standard, KNX RF Inside, Data Transmission on KNX RF, Why 868 MHz? KNX Journal, No. 2, 2007
15. KNX RF – more robust thanks to multi-channel extension. KNX Journal, No. 1, 2012
16. PN-EN 50090-5-3:2007: Domowe i budynkowe systemy elektroniczne (HBES) – Część 5-3: Nośniki i warstwy zależne od nośnika – Częstotliwość radiowa
17. Implementing Ethernet as KNX Medium, KNX IP – a New Class of KNX Devices. KNX Journal, No. 1, 2008
18. PN-EN 13321-2:2007: Otwarta wymiana danych w automatyzacji budynków, sterowaniu i zarządzaniu budynkami — Domowe i budynkowe systemy elektroniczne — Część 2: Komunikacja KNXnet/IP
19. The new ETS4: Easy, Fast, Open. KNX Journal, No. 1, 2010
20. New ETS4 Functions, Improved Work Procedures for KNX experts. KNX Journal, No.1, 2011
21. KNX ETS4 eLearning. KNX Journal, No. 2, 2011
22. New apps make ETS4 even more versatile. Extra functions and more flexability customized ETS with new apps. KNX Journal, No. 1, 2012
23. KNX IP Secure and KNX Secured Application Layer. The tools for the realization of KNX secured communication. KNX Journal, No. 2, 2012

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!