Transceiver KNX, czyli IoT w Twoim domu i biurze

Rys. 1. Schemat blokowy STKNX

Siłą KNX jest otwarta formuła, która jest wspierana przez ponad 400 producentów urządzeń. Dzięki staraniom twórców KNX stał się też standardem międzynarodowym w zakresie automatyzacji budynków i urządzeń zdefiniowanym w normie ISO/IEC 14543-3, komunikacja i zasilanie KNX są ponadto opisane w normie EN 50090, a z kolei normy EN 13321-1 i EN 13321-2 definiują go jako standard dla systemów automatycznego sterowania budynkami.

Co ciekawe, jest to także rozwiązanie uznane na rynku chińskim (standard GB/T 20965). System umożliwia stworzenie inteligentnego budynku poprzez integrację sterowania i nadzoru urządzeń z takich kategorii, jak: zarządzanie energią, klimatyzacja, oświetlenie, nadzór i kontrola dostępu, zdalny serwis i zarządzanie, komunikacja z innymi systemami itp.

KNX bazuje na architekturze rozproszonej, dzięki czemu nie jest wymagana jednostka centralna. Każdy element podłączony do instalacji wyposażony jest we własny procesor, dzięki czemu w przypadku awarii system dalej działa.

Przesyłanie sygnałów w systemie KNX może odbywać się za pośrednictwem skrętki dwuprzewodowej, co jest najpopularniejszym rozwiązaniem lub z wykorzystaniem przewodów instalacji elektrycznej w budynku. Jest też możliwość połączenia radiowego w paśmie ISM 868 MHz, gdzie szacunkowy zasięg urządzeń wynosi do 30 m wewnątrz pomieszczeń lub za pomocą podczerwieni. W dużych budynkach lub tam, gdzie KNX obsługuje monitoring wideo, wykorzystuje się kable ethernetowe.

Podstawową częścią struktury jest tzw. linia magistralowa, do której oprócz zasilacza podłączonych jest maksymalnie 64 urządzeń definiowanych przez adresy fizyczne lub grupowe. Do każdej linii głównej można podłączyć do 15 linii podrzędnych i w sumie daje to możliwość rozbudowy systemu do maksymalnie 58 tys. urządzeń. Szybkość komunikacji wynosi 9600 bps. Dane transmitowane są w postaci pakietów zwanych telegramami.

Zawierają one pola adresowe, dane kontrolne oraz dane aplikacyjne. Unikanie kolizji pakietów wysyłanych jednocześnie przez kilka urządzeń zapewnia technika CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). W przypadku skrętki dwuprzewodowej magistrala KNX jest symetryczna, a więc nie ma odniesienia do poziomu masy. Polaryzacja obu linii też nie jest z góry zdefiniowana i zamiana przewodów miejscami w złączu aplikacji nie ma wpływu na działanie.

Standard KNX jest ponadto niezależny od producenta. Urządzenie sieciowe KNX może być skonstruowane z różnych podzespołów, od 8-bitowego mikrokontrolera do standardowego komputera PC, w zależności od wymagań konkretnej implementacji systemu.

Transceiver STKNX

Rys. 2. Typowa aplikacja

STKNX to nowy certyfikowany scalony transceiver KNX z wbudowanym wysoko sprawnym stabilizatorem napięcia i obsługującym tryby obniżonego poboru mocy zapewniający wysoką efektywność rozwiązania wymaganą przez aplikacje IoT zasilane z baterii. Do pracy nie wymaga dołączania zewnętrznego rezonatora kwarcowego i pozwala na proste połączenie z mikrokontrolerem.

Układ umieszczono w obudowie QFN-24L o wymiarach 4×4 mm i pracuje w zakresie temperatur od -40 do +85ºC, co otwiera możliwość jego zastosowania w warunkach zewnętrznych, np. w systemach monitoringu i inteligentnego opomiarowania. Poza samym transceiverem ST Microelectronics oferuje kompletne środowisko projektowe razem z 32-bitowym mikrokontrolerem STM32F1 oraz oprogramowaniem stosu komunikacyjnego.

Transceiver ma zintegrowany układ wydzielający zasilanie z magistrali komunikacyjno-zasilającej (power bus extractor), który zapewnia wydajność do 30 mA. Są też dwa stabilizatory napięcia, za pomocą których zasilane są jego układy wewnętrzne, a także inne elementy aplikacji (mikrokontroler, czujniki). Jeden z nich to liniowy stabilizator o stałym napięciu wyjściowym 3,3/5 V, 20 mA, drugi to przetwornica impulsowa DC-DC pozwalająca na regulację napięcia wyjściowego w zakresie 1-12 V przy maksymalnej wydajności do 150 mA.

STKNX zapewnia bezpieczne rozdzielenie komunikacji od zasilania, zapewniające odporność na zakłócenia i przepięcia, które mogą pojawić się w liniach komunikacyjnych, a także obwody monitorowania napięcia zasilającego wykrywające zaniki zasilania. Funkcjonalność podnoszą zabezpieczenia: nadprądowe, zwarciowe, termiczne, które zapewniają niezawodne działanie bez względu na warunki.

STKNX składa się z dwóch części: interfejsu magistrali komunikacyjnej oraz układu zasilania. Pierwsza zawiera nadajnik, odbiornik oraz modulator impedancji, druga obejmuje stabilizatory i układy zabezpieczeń oraz układ wydzielania zasilania ze wspólnej magistrali komunikacyjnej. Połączenie z mikrokontrolerem zapewnia translator stanów logicznych.

Rys. 3. Zestaw ewaluacyjny EVALKITSTKNX

Standard KNX definiuje logiczną jedynkę jako stan, gdy linia komunikacyjna jest nieobciążona. Wówczas panuje na niej stałe napięcie o poziomie wahającym się między 21 a 32 V. Logiczne zero to niski poziom napięcia (6-9 V), przy czym transmitowany bit ma postać impulsu o prostokątnym kształcie o czasie trwania 104 μs z zerem trwającym 35 μs i następującej po nim fazie wyrównania potencjału przez 69 μs. Takie podejście pozwala na sprawną komunikację nawet przy długich liniach połączeniowych oraz ogranicza wpływ przerzutów i zakłóceń.

Modulator impedancji jest obwodem wymaganym dla zapewnienia poprawnej pracy transceivera w sytuacji, gdy jedną parą przewodów przesyłane jest zasilanie i dane. Oznacza to, że wymagane jest odpowiednio niewielkie obciążanie magistrali w czasie bezczynności tak, aby napięcie na niej pozostawało w zakresie wymaganym przez standard, a więc 21-32 V.

Podczas transmisji do tego potencjału dodaje się składowa zmienna -10,5/+13 V, wynikająca z modulacji. Zgodnie z wymaganiami KNX szybkość narastania zboczy dla transmitowanych sygnałów cyfrowych musi być ograniczana. Standard wymaga od transceivera ograniczania szybkości narastania prądu pobieranego przez obwody urządzenia w czasie, gdy nie transmituje ono danych, po to, aby pobór mocy zasilającej nie zakłócał komunikacji.

Innymi słowy, chodzi o łagodne (poniżej 0,5 mA/ms) przeniesienie gwałtownych zmian obciążenia na stronę magistrali KNX. Z tych powodów obwód wejściowy zawiera modulator impedancji wejściowej, który zapewnia spełnienie tych wymagań. W przypadku STKNX szybkość zbocza można ustalać za pomocą wejścia CGATE.

Zestaw projektowy

Dla konstruktorów ST Microelectronics oferuje zestaw startowy (EVALKITSTKNX) zawierający wszystkie niezbędne komponenty do realizacji aplikacji w oparciu o linię komunikacyjną na skrętce miedzianej. Są to mikrokontroler STM32F1 zawierający protokół KNX o nazwie KAIstack przygotowany przez firmę Tapko Technologies, transceiver STKNX i elementy peryferyjne. Złącza Morpho i Arduino pozwalają na dołączenie do płytki układów charakterystycznych dla tworzonej aplikacji, także z pomocą innych płytek oferowanych przez ST.