بطور کلی سیستم های اتوماسیون ساختمان با هدف فراهم نمودن رفاه بیشتر برای ساکنین، کنترل و نظارت بر بخش های مختلف ساختمان، مدیریت مصرف انرژی و نهایتاً خودکارسازی فرآیندها، تجهیزات و سیستمهای مختلف موجود در یک ساختمان همچون سیستم های تهویه مطبوع، سیستم های روشنایی، سیستم های صوتی و تصویری، سیستم های امنیتی، سیستم های اعلام و اطفاء حریق و … توسعه یافته اند. پیاده سازی چنین سیستم هایی نیازمند بکارگیری مجموعه ای از تجهیزات هوشمند می باشد که به صورت مطمئن با یکدیگر تبادل داده می نمایند. با توجه به گستردگی تجهیزات و حجم بالای داده ها در اکثر کاربردها، استفاده از روش های سنتی انتقال داده ها کارآمد نبوده و استفاده از حداقل یک پروتکل ارتباطی شبکه در انواع مختلف سیستم های اتوماسیون ساختمان الزامی است. 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 چارت زیر، برخی از مهمترین آنها بر مبنای میزان استفاده در پروژه های اجرا شده در سطح جهان نشان داده شده است. طبق این چارت، «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.

با این مقدمه در ادامه این مطلب، استاندارد ISO/IEC 14543-3 EIB/KNX (به اختصار استاندارد KNX) به عنوان پرکاربردترین استاندارد در طراحی و ساخت انواع تجهیزات اتوماسیون خانگی و پیاده سازی کاربردهای مرتبط با آن معرفی و تشریح می شود. به خوانندگان محترم پیشنهاد می گردد در صورت عدم آشنایی با مفاهیم پایه شبکه، پیش از مطالعه ادامه این مطلب، مطلب دیگری با عنوان آشنایی با مباحث پایه شبکه و اجزاء انواع پروتکل ها را مطالعه نمایند.

تاریخچه سازمان KNX و چگونگی پیدایش استاندارد

ISO/IEC 14543-3 EIB/KNX

در سال ۱۹۹۷ 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 ۱۹۹۹ میلادی با ۹ 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 ۲۰۰۲ 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 سازمان KNX با برخورداری از ۴۲۰ عضو (سازنده تجهیزات هوشمندسازی ساختمان) از ۴۴ کشور جهان، مسئول تمامی فعالیت های مرتبط با استاندارد KNX می باشد. استانداردی که توسط بیش از ۷۴۰۰۰ شرکت در ۱۹۰ کشور جهان مورد استفاده قرار می گیرد و از این حیث، بزرگترین پروتکل و استاندارد شبکه ارتباطی سیستم های اتوماسیون خانگی در جهان به شمار می رود.

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.

مزایا و محاسن سازمان KNX

برای مشتریان و صنعت اتوماسیون خانگی

  • 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.

انواع مُدهای پیکره بندی تجهیزات

و واسط های انتقال قابل استفاده

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 ۹.۶Kbps 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 ۳۰ 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 بوده و سرعت انتقال اطلاعات در آن ۱.۲Kbps می‌باشد. این واسط انتقال از کاربرد محدودی برخوردار بوده و محصولات اندکی بر پایه آن تولید می گردد. در مقابل PL132، برگرفته از پروتکل EHS می باشد و نرخ انتقال اطلاعات در آن ۲.۴Kbps می‌باشد اما این واسط انتقال در عمل مورد استفاده قرار نمی گیرد.

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

در این بستر ارتباطی، از امواج رادیویی در باند فرکانسی ۸۶۸MHZ با یک نوسان ۵۰Khz برای مدوله کردن اطلاعات استفاده می شود که سرعت انتقالی برابر ۱۶.۳۸۴Kbps 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 اخیراً به ‌عنوان یکی از واسط های ارتباطی شبکه KNX معرفی شده و انتظار می‌رود در آینده 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 ۹۰% کاربردهای اتوماسیون خانگی از آن استفاده می شود نشان داده شده است :

معرفی نرم افزار مهندسی سازمان KNX

(Engineering Tool Software (ETS

(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 ۴۲۰ 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.