سیستم‌های اتوماسیون/مدیریت ساختمان (BAS/BMS) با هدف ایجاد امکان کنترل و نظارت هوشمند بر بخش‌های مختلف یک ساختمان طراحی می شوند. از جمله بخش‌هایی که می‌توانند در این سیستم یکپارچه شوند می‌توان به سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)، روشنایی، سیستم‌های صوتی و تصویری، سیستم‌های امنیتی، کنترل تردد، اعلام و اطفای حریق و آبیاری باغچه ها و فضای سبز ساختمان اشاره کرد. در یک سیستم اتوماسیون، تجهیزات مختلفی مانند انواع سنسورها، کلیدها، کنترلرها و عملگرها به کار گرفته می‌شوند. این تجهیزات باید بتوانند اطلاعات را به‌صورت دقیق و مطمئن با یکدیگر تبادل کنند. با توجه به تعداد زیاد تجهیزات در یک ساختمان و حجم بالای داده‌هایی که بین آن‌ها منتقل می‌شود، استفاده از روش‌های سنتی سیم‌کشی مستقیم بین هر دو تجهیز نه‌تنها پرهزینه است، بلکه توسعه و عیب‌یابی سیستم را نیز دشوار می‌کند. به همین دلیل، در سیستم‌های اتوماسیون ساختمان از پروتکل‌های ارتباطی شبکه استفاده می‌شود تا همه تجهیزات از طریق یک بستر مشترک با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

برای فهم بهتر فرض کنید در یک خانه هوشمند، سناریویی برای خروج از منزل تعریف شده است که طبق آن با فعال سازی یک کلید هوشمند توسط کاربر، سیستم امنیتی منزل فعال گردیده و کلیه سیستمهای روشنایی، صوتی و تصویری و تهویه مطبوع خاموش می شوند. در این مثال، سیستم های روشنایی و تهویه مطبوع از طریق ماژولهای رله هوشمند کنترل می شوند و سیستم امنیتی و سیستم صوتی و تصویری دارای کنترلر مخصوص به خود می باشند. ممکن است اجزای این خانه هوشمند از برندهای متفاوتی باشند. برای اجرای این سناریو، کلید هوشمند می بایست طبق یک پروتکل ارتباطی مشخص، پیام خود را برای سیستم های فوق ارسال نماید. در ادامه هرکدام از سیستمهای فوق با دریافت پیام، فرمان مربوط به خود را پردازش و اجرا نمایند. در این مثال نیازی به ایجاد ارتباط دو به دوی سیستم های فوق نیست و وجود یک شبکه مابین آنها کفایت مینماید. به این ترتیب، پروتکل ارتباطی تضمین می‌کند که تجهیزات هوشمند بتوانند بدون مشکل و به‌صورت هماهنگ با یکدیگر تعامل داشته باشند و سیستم اتوماسیون ساختمان عملکرد قابل اطمینان و ساده‌ای داشته باشد.

پروتکل ارتباطی در واقع مجموعه‌ای از قوانین و استانداردهاست که مشخص می‌کند تجهیزات مختلف چگونه با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و اطلاعات را ارسال و دریافت نمایند. همان‌طور که برای برقراری ارتباط بین انسان‌ها به یک زبان مشترک نیاز است، تجهیزات هوشمند نیز برای تبادل داده به یک «زبان مشترک» نیاز دارند. این زبان مشترک همان پروتکل ارتباطی است. برای فهم ساده تر، فرض کنید یک فرد ایرانی و یک فرد چینی قصد صحبت با یکدیگر را دارند. فرد ایرانی با پروتکل زبان پارسی و فرد چینی با پروتکل زبان چینی میتواند تبادل اطلاعات را انجام دهد. در اینحالت امکان برقراری پیام مابین این دو فرد وجود ندارد. اما اگر این دو فرد علاوه بر زبان های محلی، به زبان انگلیسی تسلط داشته باشند میتوانند از طریق این پروتکل (زبان انگلیسی) با هم ارتباط برقرار کنند.

پروتکل تعیین می‌کند که اطلاعات چگونه کدگذاری شوند، با چه سرعتی ارسال شوند، چگونه به مقصد برسند و در صورت بروز خطا چه اتفاقی بیفتد. اگر همه تجهیزات یک ساختمان از یک پروتکل استاندارد پشتیبانی کنند، می‌توانند بدون وابستگی به یک برند خاص، به‌درستی با یکدیگر کار کنند. به همین دلیل، انتخاب پروتکل مناسب یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی سیستم‌های اتوماسیون ساختمان محسوب می‌شود. امروزه طیف وسیعی از پروتکل ها و استانداردهای شبکه توسط سازندگان تجهیزات هوشمند و سازمان ها و انجمن های بین المللی توسعه یافته است که در شکل زیر، برخی از مهمترین آنها بر مبنای میزان استفاده در پروژه‌های اجرا شده در سطح جهان نشان داده شده است. از بین این پروتکلها، «EIB/KNX» با در اختیار داشتن ۶۹% از سهم بازار به عنوان بزرگترین پروتکل شبکه در زمینه انواع کاربردهای اتوماسیون خانگی و خانه هوشمند در جهان شناخته می شود. به خوانندگان محترم پیشنهاد می گردد در صورت عدم آشنایی با مفاهیم پایه شبکه، پیش از مطالعه ادامه این مطلب، مقاله «آشنایی با مباحث پایه شبکه و اجزاء انواع پروتکل ها» را مطالعه نمایند.

از میان پروتکل‌های نشان داده شده در شکل فوق، KNX تنها پروتکل سیمی استاندارد است که می‌تواند روی کابل شبکه اجرا شود. سایر پروتکل‌های معروف مثل بلوتوث، وایفای، Zigbee ،Z-Wave و Thread بی‌سیم هستند و برای ارتباط دستگاه‌ها بدون کابل استفاده می‌شوند. علاوه بر KNX، پروتکل‌های سیمی دیگری هم مانند Modbus (RTU/TCP)، BACnet، DALI و LON (LonWorks) وجود دارند. این پروتکل‌ها بیشتر در پروژه‌های صنعتی یا قدیمی کاربرد دارند و در خانه‌های هوشمند کمتر استفاده می‌شوند؛ به همین دلیل در این مقاله به آنها پرداخته نمی‌شود. همچنین برخی شرکت‌ها برای محصولات خود، پروتکل‌های اختصاصی طراحی کرده‌اند که فقط در همان اکوسیستم کار می‌کنند. برای مثال شرکت Control4 پروتکل C4 Bus و شرکت Crestron پروتکل Cresnet را ارائه می‌دهد. با توجه به اینکه KNX در بسیاری از برندها پشتیبانی می‌شود و کاربرد گسترده‌ای دارد، در ادامه تمرکز اصلی روی معرفی و بررسی این پروتکل خواهد بود و در مطلب جداگانه ای به معرفی پروتکلهای بی سیم خواهیم پرداخت. در شکل زیر، ساختار یک نمونه پروژه با پروتکل KNX نشان داده شده است.

در سال 1997 میلادی، سه انجمن اروپایی فعال در حوزه توسعه پروتکل های ارتباطی سیستم های اتوماسیون خانگی گرد هم آمدند تا در خصوص ایجاد و توسعه یک باس ارتباطی مشترک مابین تجهیزات هوشمندسازی ساختمان ها به یک دیدگاه مشترک دست یابند. این سه انجمن عبارت بودند از انجمن فرانسوی (Batibus Club International (BCI که در حال توسعه پروتکل BatiBUS بود. پروتکلی که اولین بار توسط شرکت اشنایدر الکتریک ابداع شده بود. گروه دیگر،انجمن هلندی (European Home Systems Association (EHSA بود که روی پروتکلی موسوم به EHS فعالیت می نمود و نهایتاً سومین انجمن، انجمن بلژیکی (European  Installation  Bus  Association (EIBA بود که تکنولوژی EIB را توسعه داده بود. تکنولوژی که توسط کنسرسیومی از سازندگان تجهیزات هوشمندسازی ساختمان به رهبری شرکت زیمنس ابداع شده بود. این سه انجمن پس از پایان این جلسه، بر ایجاد یک سازمان مشترک به نام «سازمان Konnex یا KNX» با هدف تلاش برای تعریف یک پروتکل ارتباطی جدید به نام «پروتکل KNX» بر پایه پروتکل EIB به توافق رسیدند.

پس از تأیید نسخه اولیه استاندارد KNX توسط کمیته اروپایی استانداردسازی الکتروتکنیک (CENELEC)، سازمان KNX رسماً در سال 1999 میلادی با 9 عضو در بروکسل، پایتخت بلژیک پایه گذاری گردید و فعالیت خود را به صورت رسمی از این سال آغاز نمود. اولین نسخه استاندارد KNX در ماه می سال 2002 میلادی مابین اعضاء توزیع گردید و پایه و مبنای توسعه محصولات جدید قرار گرفت. از آن زمان تاکنون این استاندارد روند تکاملی خود را طی نموده و توانسته است تأییدیه ها و گواهینامه های متعددی را از سازمان های معتبر اروپایی و بین المللی کسب نماید. امروزه KNX Association با بیش از 480 عضو رسمی (تولیدکننده تجهیزات هوشمندسازی ساختمان) از بیش از 45 کشور جهان فعالیت می‌کند و مسئول تمامی فعالیت‌های مرتبط با استاندارد KNX است. این استاندارد در بیش از 80,000 شرکت در 190 کشور جهان به‌کار گرفته می‌شود و از این نظر، KNX بزرگترین پروتکل و استاندارد شبکه‌ای سیستم‌های اتوماسیون خانگی در جهان محسوب می‌شود.

کلیه اعضای سازمان KNX ملزم به رعایت این استاندارد در کلیه مراحل طراحی، ساخت، تست و راه اندازی محصولات هوشمند خود می باشند و سازمان KNX، نظارت گسترده ای بر محصولات آن ها اعمال می نماید. رعایت استاندارد KNX از سوی سازندگان مختلف در کنار مزایایی که برای آن ها و برای صنعت اتوماسیون خانگی به همراه دارد، دارای این نکته منفی است که رقبای مختلف می بایست محصولاتی هماهنگ و سازگار با محصولات دیگر تولیدکنندگان ارائه نمایند. از آنجا که هیچ شرکتی به صورت پیشفرض مایل به همکاری با رقبای خود در تولید یک محصول نیست و شرکت ها مایل به حفظ و نگهداری از تکنولوژی و دانش فنی خود هستند، سازمان KNX به منظور جلوگیری از رقابت منفی و یا به مخاطره افتادن دانش فنی شرکتهای پیشرو، الزاماتی در حفظ حریم خصوصی شرکت ها تدوین نموده و به صورت پیوسته با نظارت بر حوزه های مختلف، از تعامل میان سازندگان مختلف اطمینان به عمل می آورد. بدیهی است که همکاری شرکت های مختلف منجر به تولید محصولات باکیفیت تر، هماهنگ تر و با قیمت مناسب تر می شود و مسیر راه را برای آینده این صنعت هموارتر می سازد.

• جلوگیری از موازی کاری سازندگان با ارائه یک استاندارد مرجع جهت استفاده در ساخت تجهیزات اتوماسیون خانگی در سطح جهان.
• تضمین سازگاری و هماهنگی کامل تجهیزات KNX تولید شده توسط سازندگان مختلف و امکان استفاده از محصولات برندهای مختلف در یک ساختار واحد.
• ارتقاء و تضمین کیفیت محصولات تولیدی با وضع قوانین و مقررات سختگیرانه برای سازندگان و نظارت بر حسن اجرای آنها.
• همکاری با مراکز آموزشی و خدماتی در سرتاسر جهان و ایجاد بستر لازم جهت تربیت پرسنل متخصص برای انجام تعمیرات و پشتیبانی از پروژه های نصب شده.
• کاهش مدت زمان راه اندازی پروژه ها از طریق ارائه تنها یک نرم افزار مهندسی برای پیکره بندی، راه اندازی و برنامه نویسی کلیه کاربردهای اتوماسیون خانگی صرفه نظر از برند تولیدکننده تجهیزات.
• ایجاد پرتفویی کامل و متنوع از محصولات در تمامی کاربردهای اتوماسیون خانگی از طریق همکاری با طیف گسترده ای از سازندگان در سرتاسر جهان.
• بروزرسانی مستمر و تکامل استاندارد جهت پوشش کلیه نیازهای موجود اعم از کاربردی بودن برای تمامی پروژه ها شامل ساختمان های درحال احداث و یا تکمیل شده، کوچک یا بزرگ، مسکونی یا تجاری، هتل یا بیمارستان و …، لحاظ نمودن واسط های انتقال متنوع، پشتیبانی از چندین مُد پیکره بندی، فراهم نمودن بستر لازم جهت اتصال به سایر پروتکل های شبکه و …
• آزاد گذاشتن دست سازندگان در انتخاب سخت افزار و سیستم عامل تجهیزات ساخت خود و حفظ و حراست از دانش فنی و تخصصی آنها.

در استاندارد KNX، دو مُد پیکره بندی زیر برای نصب و راه اندازی تجهیزات هوشمند در نظر گرفته شده و سازندگان مجازند بسته به بازار هدف، مُد پیکره بندی مدنظر خود را انتخاب و آن ها روی محصولات خود فعال نمایند :

• مُد نصب و راه اندازی آسان (به انگلیسی : Easy Mode یا E-Mode)

تجهیزات در این مُد پیکره بندی به صورت از پیش برنامه نویسی شده عرضه می شوند. به بیان دیگر، تجهیزات در مُد راه اندازی آسان، دارای یک مجموعه از پارامترها با مقادیر پیشفرض می باشند و کارشناسان نصب تنها از امکان تنظیم مقادیر پارامترها و تنظیمات ارتباطی تجهیز برخوردار می باشند. بدیهی است که در این شیوه، نصب و راه اندازی هر محصول به سرعت و به سادگی صورت می پذیرد اما در مقابل قابلیت های هر محصول نیز محدود می باشد.

• مُد سیستمی (به انگلیسی : System Mode یا S-Mode)

پیکره بندی محصولات در این مُد پیکره بندی از طریق نرم افزار مهندسی ETS و توسط کارشناسان مجرب و آموزش دیده صورت می پذیرد و قابلیت ها و امکانات قابل تنظیم روی هر محصول به مراتب بیشتر از مُد نصب آسان می باشد. این شیوه پیکره بندی، حداکثر انعطاف پذیری را در اختیار کاربران قرار می دهد و عمدتاً برای کاربردهای سطح متوسط و بالای اتوماسیون خانگی بکار گرفته می شود.

جدا از دو مُد پیکره بندی معرفی شده، استاندارد KNX مانند سایر استانداردهای شبکه از چندین واسط ارتباطی یا انتقال (به انگلیسی : Communication Media) به عنوان بستر فیزیکی پروتکل استفاده می نماید. هر کدام از این واسط های ارتباطی که در ادامه معرفی می شوند، میتوانند به صورت ترکیبی با یک یا چند مُد پیکره بندی مورد استفاده قرار گیرند :

• کابل زوج سیم بهم تابیده شده (به انگلیسی : Twisted Pair (TP))

این واسط انتقال که تاکنون در دو نسخه TP0 و TP1 مورد استفاده قرار گرفته، از پروتکل EIB اقتباس شده است. نسخه TP0 کاملاً منسوخ شده ولی نسخه TP1 که دارای سرعت تبادل داده 9.6Kbps می باشد، امروزه به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و میتوان آن را اصلی ترین واسط ارتباطی در شبکه KNX به شمار آورد. کابل TP1، به دو نوع تک زوج و دو زوج مورد استفاده قرار می گیرد. کابل تک زوج از دو رشته سیم مشکی و قرمز رنگ به همراه یک رشته سیم زمین و کابل دو زوج، از چهار سیم به رنگ های سفید، زرد، مشکی و قرمز به همراه یک سیم زمین تشکیل شده است. سیم های سفید و زرد برای انتقال 30 ولت تغذیه تجهیزات و دو رشته سیم مشکی و قرمز به ترتیب به عنوان باس منفی و مثبت شبکه KNX مورد استفاده قرار می گیرند. توپولوژی TP1 بسیار انعطاف پذیر است و میتواند در انواع آرایشهای خطی، ستاره ای، درختی و یا تلفیقی از آنها مورد استفاده قرار گیرد.

• سیم برق (به انگلیسی : Powerline (PL))

 این واسط ارتباطی نیز در دو نسخه PL110 و PL132 مورد استفاده قرار می گیرد. PL110، برگرفته از پروتکل EIB با سرعت انتقال 1.2Kbps و PL132، برگرفته از پروتکل EHS با سرعت انتقال 2.4Kbps می‌باشد. این واسطها در عمل منسوخ شده اند و مورد استفاده قرار نمی گیرد.

•  امواج رادیویی (به انگلیسی : Radio frequency (RF))

در این بستر ارتباطی، از امواج رادیویی در باند فرکانسی 868MHZ با یک نوسان 50Khz برای مدوله کردن اطلاعات استفاده می شود که سرعت انتقالی برابر 16.384Kbps را فراهم می آورد. گرچه در حال حاضر تولید‌کنندگان کمی از این استاندارد استفاده می‌نمایند اما پیش بینی می شود در آینده نزدیک، گرایش به استفاده از این واسط انتقال افزایش یابد.

• کابل شبکه اِترنت (به انگلیسی : Ethernet/WIFI)

کابل شبکه اترنت نیز به ‌عنوان یکی از واسط های ارتباطی شبکه KNX معرفی شده و انتظار می‌رود به یکی از مهمترین بستر‌های انتقال اطلاعات در استاندارد KNX تبدیل شود. مزیت استفاده ازاین بستر انتقالی آن است که میتوان شبکه های LAN ،WiFi خانگی یا حتی شبکه اینترنت را مستقیماً به شبکه تجهیزات هوشمند متصل نمود و بدین شکل به مزایای بیشماری در این ساختار دست یافت.

در شکل زیر، چندین نمونه کابل KNX TP1 که در بیش از 90% کاربردهای اتوماسیون خانگی از آن استفاده می شود نشان داده شده است :

(Engineering Tool Software (ETS، یک نرم افزار مهندسی تحت ویندوز جهت طراحی، پیکره بندی، برنامه نویسی و مدیریت پروژه های هوشمندسازی منازل و سیستم های مدیریت ساختمان (BMS) است که مستقل از یک برند یا سازنده مشخص بوده و از محصولات تمامی سازندگان تجهیزات هوشمند سازی ساختمان مبتنی بر پروتکل KNX پشتیبانی می نماید. به بیان دیگر، نظر به تنوع و دامنه گسترده محصولات KNX در زمینه هوشمندسازی ساختمان و وجود بیش از 480 برند مختلف در این حوزه در سرتاسر جهان، سازمان جهانی KNX، اقدام به ارائه یک نرم افزار واحد برای پشتیبانی از تمامی محصولات بر پایه این پروتکل نموده و بدین ترتیب، این تجهیزات می توانند مستقل از سازنده در کنار یکدیگر در یک پروژه بکار گرفته شوند. این امر، محبوبیت و استقبال بیشتر به پروتکل و محصولات KNX را در پی داشته و به جرأت می توان گفت امروزه گسترده ترین پروتکل در پیاده سازی خانه های هوشمند در جهان، پروتکل KNX می باشد. بدیهی است که استفاده از یک نرم افزار واحد برای محصولات برندهای مختلف سبب می شود تا طراحان خانه های هوشمند و سیستم های مدیریت ساختمان با در اختیار داشتن مجموعه ای بزرگ از محصولات در این حوزه به صورت سفارشی برای هر پروژه، اقدام به طراحی منحصر به فرد نمایند. از دیگر مزایای استفاده از یک نرم افزار واحد می توان به موارد ذیل نیز اشاره نمود :

• بهبود مستمر پروژه های هوشمندسازی ساختمان در دو بخش سخت افزار و نرم افزار با امکان بروزرسانی پروژه های پیشین.
• یکسان سازی حوزه عملکرد کلیه طراحان خانه هوشمند در سرتاسر جهان.
• اطمینان از طراحی کلیه محصولات KNX بر پایه یک استاندارد واحد توسط سازندگان مختلف.

لازم به ذکر است آخرین نسخه نرم افزار ETS5 در چهار ویرایش Professional ،Lite ،Demo و Supplementary عرضه گردیده است. ویرایش Demo، ویرایش رایگان نرم افزار است که برای پروژه های بسیار کوچک با ماکزیمم سه تجهیز KNX قابل استفاده است و از وب سایت سازمان KNX قابل دانلود است. ویرایش Lite نرم افزار، برای پروژه های سطح متوسط با ماکزیمم ۲۰ تجهیز KNX و ویرایش Professioanl نسخه کامل و بدون محدودیت نرم افزار می باشد. در صورت نیاز به استفاده از نرم افزار روی بیش از یک کامپیوتر می بایست علاوه بر ویرایش Professional، به ازای هر PC یک لایسنس از نوع Supplementary نیز تهیه گردد.

در پایان ذکر این نکته نیز لازم است که خوشبختانه امروزه علاوه بر وجود مراکز آموزشی مورد تأیید سازمان KNX در ایران، شرکتهای مختلف در کشور با این سازمان همکاری دارند و حتی چند سازنده تجهیزات هوشمندسازی ساختمان تحت پروتکل KNX در ایران وجود دارد. جهت مشاهده و کسب اطلاعات بیشتر در خصوص این مراکز و شرکت ها میتوان به وب سایت رسمی سازمان KNX مراجعه نمود. به عنوان نمونه جهت مشاهده لیست سازندگان ایرانی KNX، اینجا را کلیک نمائید.