KNX-RF - Weinzierl Engineering GmbH

WEINZIERL ENGINEERING GmbH
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Dr.-Ing. Thomas Weinzierl
Bahnhofstr. 6
84558 Tyrlaching
Tel. +49 (0) 8623 / 987 98 - 03
E-Mail: t.weinzierl@weinzierl.de
Web: www.weinzierl.de
KNX-RF
Ein neuer Standard für drahtlose Netzwerke in Gebäuden
Abstract
KNX ist die Abkürzung für Konnex, ein offener Standard für die Vernetzung und Steuerung von
Gebäudetechnik. Konnex ist im Wesentlichen eine Weiterentwicklung des bekannten EIB-
Systems (Europäischer Installationsbus), der mit seinen Medien Twisted Pair und Powerline bereits
eine starke Verbreitung gefunden hat. Eine entscheidende Erweiterung von Konnex ist die
drahtlose Alternative KNX-RF (Konnex Funk). Dieser Beitrag gibt einen kurzen Überblick über
Anwendungsmöglichkeiten, technische Eigenschaften und über verfügbare Lösungen.
1 Anwendungsbereich
Wie bei den etablierten Konnex Medien konzentriert sich auch bei KNX-RF der Anwendungsbereich
auf Steuerungsaufgaben. KNX-RF ist unter anderem geeignet, die Beleuchtung, Jalousien
oder auch das Raumklima zu steuern. An Installationsorten, an denen weder Twisted Pair noch
Powerline eingesetzt werden können, bietet KNX-RF die Möglichkeit, Daten innerhalb eines
Gebäudes drahtlos zu übertragen.
Wie der gesamte Konnex Standard ist auch die Funkkommunikation KNX-RF herstellerunabhängig.
Die Konfiguration der KNX-RF Geräte kann ohne PC oder Laptop für die Inbetriebnahme
erfolgen. Im Handel sind bereits Geräte der Firma Siemens (Gamma wave) und von Hager
(Tebis TX).
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Verschiedene Geräte für KNX-RF (Siemens und Hager)
2 Protokoll
2.1 Physical Layer
Die Funkschnittstelle von Konnex-RF entspricht den gesetzlichen Vorgaben für Short Range
Devices. Die Spezifikation ist hardware-unabhängig. Derzeit gibt es verschiedene Chips am
Markt, die für KNX-RF geeignet sind.
Technische Daten:
• Mittenfrequenz: 868,3 MHz
• FSK Abweichung: +-50 kHz
• Duty cycle:

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Block 1
Length C-Field Esc Ctrl SN SN SN SN SN SN CRC hi CRC lo
0x11 0x44 0xFF 0x03
KNX-RF Datenblock 1
Die Nutzdaten folgen im Block 2, der maximal eine Länge von 16 Bytes plus 2 Bytes Checksumme
haben kann. Bei längeren Telegrammen folgen weitere Datenblöcke. Die Codierung der
Daten ab Block 2 entspricht im Wesentlichen dem KNX Telegrammformat wie es auch für
Twisted Pair und für Powerline definiert ist.
Block 2
KNX-Ctrl Src hi Src lo Dst hi Dst lo L/NPCI TPCI APCI Data ... CRC hi CRC lo
0x00 0x05 0xFF 0x00 0x01 0xE6 0x00 0x81
KNX-RF Datenblock 2
Bemerkenswert sind die getrennten Checksummen für jeden Block. Durch das Generator-
Polynom 2 16 +2 13 +2 12 +2 11 +2 10 +2 8 +2 6 +2 5 +2 2 +2 0 erhält man eine Hamming-Distanz von 6. Trotz
der knappen Zeit, die dem Controller für die Auswertung zur Verfügung steht, ist es möglich,
mindestens ein Bit pro Block zu korrigieren. Bei einer angenommenen Bit Error Rate (hier Chip
Error Rate) von 10 -4 kann die Telegramm-Erfolgsrate mit Hilfe der Korrektur von 96,31 % auf
99,97 % erhöht werden.
2.3 Network Layer
Die Network Layer für Endgeräte (Sensoren und Aktoren) ist sehr einfach gehalten. In der Empfangsrichtung
wird nur die Adressierungsart ausgewertet. Im Sendefall führt die Network Layer
die verschiedenen Kommunikationsarten zur einheitlichen Link Layer Requests zusammen.
2.4 Transport Layer
Derzeit wird für KNX-RF nur die verbindungslose Kommunikation verwendet. Die verbindungsorientierte
Kommunikation wie sie für das Management bei Twisted Pair und Powerline zum
Einsatz kommt, ist bisher für Funk nicht vorgesehen.
2.5 Session und Presentation Layer
Wie bei Twisted Pair und Powerline sind auch bei KNX-RF Session und Presentation Layer
nicht definiert. Die entsprechende Funktionalität nach dem OSI/ISO Referenzmodell ist der Applikation
Layer zugeordnet.
2.6 Application Layer
Die Application Layer teilt sich auf in die Services für die Runtime-Kommunikation, das heißt
für die eigentlichen Steuerungsaufgaben, und in das Geräte-Management für die Konfiguration.
Für die Runtime-Kommunikation werden folgende APCI-Services (Application Protocol Control
Information) verwendet:
• APCI_VALUE_READ
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• APCI_VALUE_RESP
• APCI_VALUE_WRITE
Unidirektionale Geräte unterstützen natürlich nur Value Write für die Anwendung. Das komplexe
Management für KNX-RF umfasst wesentlich mehr Services:
• APCI_PHYS_ADDR_WRITE
• APCI_PHYS_ADDR_READ
• APCI_PHYS_ADDR_RESP
• APCI_PHYS_ADDR_SER_NUM_READ
• APCI_PHYS_ADDR_SER_NUM_WRITE
• APCI_PHYS_ADDR_SER_NUM_RESP
• APCI_DOMAINADDRESS_WRITE
• APCI_DOMAINADDRESS_READ
• APCI_DOMAINADDRESS_SER_NUM_WRITE
• APCI_DOMAINADDRESS_SER_NUM_READ
• APCI_DOMAINADDRESS_SER_NUM_RESP
• APCI_NETWORK_PARAM_WRITE
• APCI_DEVICE_DESC_READ
• APCI_DEVICE_DESC_RESP
• APCI_PROP_VALUE_READ
• APCI_PROP_VALUE_RESP
• APCI_PROP_VALUE_WRITE
• APCI_PROP_DESC_READ
• APCI_PROP_DESC_RESP
• APCI_FNCT_PROP_CMD
• APCI_FNCT_PROP_STATE_READ
• APCI_FNCT_PROP_STATE_RESP
Damit ergibt sich bei der Implementierung von bidirektionalen Geräten ein erheblicher Code-
Umfang für die Management-Funktionen. Bei unidirektionalen Geräten ist der Umfang stark
reduziert, da diese Geräte ohnehin über den Bus nicht angesprochen werden können.
3 Gerätemodelle
Für ein Interworking von Geräten verschiedener Hersteller ist es erforderlich, dass die Geräte
nicht nur dasselbe Protokoll verwenden, sondern auch eine bestimmte Menge an Funktionen
bereitstellen. Dazu wurden in Konnex verschiedene Gerätemodelle als Profile definiert.
Der KNX-RF Standard unterscheidet zwischen unidirektionalen Geräten, die nur senden können
und bidirektionalen Geräten, die auch einen Empfänger besitzen. Da unidirektionale Geräte nicht
permanent empfangsbereit sein müssen, können sie sehr stromsparend realisiert werden und eignen
sich für Batterie betriebene Sensoren. Aktoren müssen natürlich bidirektional ausgeführt
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werden und werden in der Regel aus dem Stromnetz versorgt. Derzeit sind für Funk folgende
Geräte-Modelle definiert:
• 2010 (bidirektional)
• 2011 (unidirektional)
Die derzeit am Markt verfügbaren Geräte werden im so genannten Easy-Mode konfiguriert. Das
heißt, es ist kein PC oder Laptop erforderlich. Allerdings wird unterschieden in den Push-Button
Mode und in den Controller Mode. Im Push Button Mode können zwei Busteilnehmer, zum Beispiel
ein Sensor und ein Aktor, ohne weitere Hilfsmittel kombiniert werden. Sie werden nur
gleichzeitig im Lernmodus aktiviert. Für den Controller Mode ist, wie der Name schon sagt, ein
zusätzliches Gerät erforderlich, das die Verknüpfungen programmiert.
Bei komplexen Installationen stoßen allerdings beide Easy Modes aufgrund des eingeschränkten
User-Interfaces an ihre Grenzen. Als Alternative bietet sich in diesem Fall der System Mode, das
heißt die Konfiguration mittels eines PCs, an. Da die am Markt verfügbaren Geräte bereits für
den System Mode vorbereitet sind, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis eine entsprechende
Software verfügbar sein wird. Geplant ist auch die Unterstützung von KNX-RF durch die ETS
(EIB Tools Software).
4 Hardware-Architektur
KNX-RF Geräte enthalten im Kern einen Mikrocontroller, der sowohl die Kommunikation mit
dem Bus als auch die Applikation ausführt. Derzeit wird in der Regel die Prozessor-Familie
MSP430 von Texas Instruments eingesetzt, die sich durch eine geringe Stromaufnahme auszeichnet.
Für die Funk-Kommunikation dient ein Transmitter bzw. Transceiver. Geeignet sind
zum Beispiel Chips der Firma Chipcon. Es können aber auch andere Komponenten eingesetzt
werden.
KNX-RF Device
Application-HW
Microcontroller
CPU
PDATA PALE PCLK
Prog. Interface
RF Transceiver
Inputs
Outputs
I/O
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Sensors
Aktuators
RAM, Flash
USART, SPI
DIO DCLK
Data Interface
Analog Part
Typische Hardware-Architektur für KNX-RF Evaluation-Boards bidirektional
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4.1 Verfügbare Implementierungen
Derzeit bieten die Firmen Siemens und Hager diverse Endgeräte für KNX-RF an. Als erste Firma
bietet die Weinzierl Engineering GmbH eine Stack Implementierung für KNX RF an.
Die Firmware stellt ein minimalistisches Betriebssystem für KNX-RF-Geräte bereit. Es enthält
nicht nur den reinen Kommunikations-Stack, sondern stellt eine vollständige Implementierung
der standardisierten Gerätemodelle dar. Dies beinhaltet auch den Linkmechanismus entsprechend
dem KNX Easy Mode.
Die Firmware ist verfügbar sowohl für unidirektionale als auch für bidirektionale Geräte. Um
eine lange Lebensdauer der Batterie zu erreichen, unterstützt das unidirektionale Modell einen
Stromsparmodus.
Comm-
Object-
Table
Assoc-
Table
Address-
Table
KNX-RF Stack-Architektur
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Application Layer
Management
Properties,
Link Mgm.
Comm.-
Objects
Transport Layer
Connection-Less
Network Layer
Link Layer
Physikal Layer
Application
KNX-RF-Stack
Transceiver
Sowohl unsere unidirektionale als auch unsere bidirektionale Implementierung bieten die Möglichkeit
der Integration der Applikationssoftware in den Controller
4.2 Entwicklungs-Tools
Die Qualität jeder Entwicklung ist abhängig von der Qualität der benutzten Werkzeuge. Bei der
Entwicklung eines Geräts für KNX-RF ist es sehr wichtig, das Verhalten des Geräts am Bus genau
analysieren zu können. Zu diesem Zweck ist ein Busmonitor erforderlich, der die Telegramme,
die auf dem Bus ausgetauscht werden, sichtbar macht.
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Bildschirmphoto Net’n Node
Zur effektiven Entwicklung von KNX-RF Systemen haben wir unsere bewährte EIB/KNX Analysesoftware
für KNX-RF erweitert. kann Funktelegramme sowohl senden,
als auch empfangen. Die Anzeige erfolgt im cEMI-Format.
Zum Zugriff auf das Medium ist ein USB-Interface für KNX-RF verfügbar.
USB-Interface für KNX-RF
5 Zusammenfassung
Mit der Funklösung KNX-RF hat die Konnex Association einen entscheidenden Schritt für den
weiteren Erfolg des Konnex Standards vollzogen. KNX-RF vervollständigt die verfügbaren Medien
und eröffnet neue Anwendungsbereiche. Durch die drahtlose Kommunikation können gerade
im Wohnbau neue Märkte erschlossen werden.
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Für Hersteller von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass KNX-RF ab sofort verfügbar ist.
Dazu ist Konnex ein offener Standard. Konnex wurde in der EN50090 als Europäische Norm
bestätigt. Die Integration von KNX RF unter EN50090-5-5 ist bereits in Bearbeitung.
Mit der Stack Implementierung und den Entwicklungstools der Weinzierl Engineering GmbH ist
darüber hinaus ein leistungsfähiges Gesamtpacket verfügbar, um effizient und kostengünstig
Geräte zu entwickeln.
6 Literatur
[1] Konnex Association: KNX standard (Version 1.1), Brussels, February 2004; CD-ROM
[2] Weinzierl, Thomas: A new development kit for EIB/KNX devices based on TP-UART
chip; Proceedings KNX Scientific Conference 2002, TU-München October 2002
[3] Weinzierl, Thomas: EIB-USB Data Interface; Proceedings EIB Scientific Conference
2001, TU-München October 2001
[4] Weinzierl, Thomas: Integriertes Managementkonzept für die Gebäudesystemtechnik;
Pflaum Verlag München 2001; ISBN 3-7905-0851-9
[5] More Information at www.weinzierl.de
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