انتقال داده سریال و پروتکل KNX در هوشمند سازی ساختمان

1 مبانی انتقال داده سریال در هوشمند سازی ساختمان

1.1 مقدمه و اصطلاحات پروتکل KNX در هوشمند سازی ساختمان

1.1.1 دسته بندی سلسله مراتبی سیستم هوشمند ساختمان

این تقسیم بندی سلسله مراتبی برای انواع کارهایی که ناشی از اتوماسیون ماشینی یا شامل مراحل عملیاتی است، مطرح میشود. سطوح سلسله مراتبی برای مثال عملیات زیر را انجام می دهد:

رایانه اصلی:

در سیستم هوشمند سازی ساختمان کلیه برنامه ریزی مورد نیاز ساخت (MRP) و کنترل تولید انجام می شود. از موارد دیگر، اینکه برنامه ریزی ساخت، نتیجه مقرراتی، برای زمان بندی و همچنین کنترلر مرکزی تولید میباشد. بنابراین لازم است داده های خاص فشرده شده تولید از سطح پردازش به کامپیوتر اصلی برگردانند.

رایانه پردازشگر / مرکز کنترل:

یک بخش از فرآیند تولید را کنترل می کنند. در ساخت اتومبیل، چنین بخشهای از کارخانه میتواند خط تولید بدنه خودرو، رنگ، مونتاژ مکانیک راه انداز و غیره باشد. کامپیوتر پردازشگر وظیفه جمع آوری داده ها، فشرده سازی، نظارت و بهینه سازی را بر عهده دارد.

Field level:

بعنوان مثال می تواند یک کنترلر قابل برنامه ریزی (PLC) با تمام سنسورها و محرک های هوشمند متصل به آن باشد.

1.1.2 ساختارهای سلسله مراتبی سیستم هوشمند ساختمان

تقسیم سلسله مراتبی کارها منجر به ساختار سلسله مراتبی شبکه های ارتباطی مورد استفاده در تجهیزات و تاسیسات میشود. مطالبات مطرح شده در شبکه در بحث  هوشمند سازی ساختمان در هر سطح متفاوت است.

مقادیر نسبتاً کمی از داده ها در Field level پردازش می شوند اما تأخیرهای غیرقابل کنترل در انتقال داده ها در این سطح از تاسیسات اتوماسیون قابل پذیرش نیست.

1.1.3 سیستم های BUS مورد استفاده در هوشمند سازی ساختمان در کجای این سلسله مراتب قرار دارد؟

شبکه های مورد استفاده در تاسیسات اتوماسیون ساختمان(هوشمند سازی ساختمان، بی ام اس) نوعی از سیستم های BUS هستند. (سنسور-محرک-BUS)

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

شکل 1: از کجا می توانیم سیستم های BUS  ساختمان هوشمند را پیدا کنیم؟

1.1.4 طبقه بندی BUS های سریال

طبق روشهای انتقال داده و دسترسی به BUS :

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

شکل 2: طبقه بندی BUS های سریال

(Frequency Division Multiplexing (FDM

پیام هایی که باید منتقل شوند از طریق مدولاسیون دامنه یا فرکانس با فرکانس های حامل مدوله می شوند. بنابراین یک خط BUS می تواند چندین کانال (فرکانس های مختلف) را منتقل کند که هرکدام از آنها امکان انتقال داده ها به طور مستقل از دیگر داده ها را فراهم می کند.

(Time Division Multiplexing (TDM

برش های زمانی معینی برای هر پیام یا کانال اختصاص داده می شود، یعنی دستگاه های BUS فقط ممکن است یکی پس از دیگری از BUS استفاده کنند. بنابراین با TDM، دسترسی به BUS در سیستم هوشمند سازی ساختمان کنترل می شود تا از دسترسی همزمان چندین دستگاه به BUS جلوگیری شود.

  • تخصیص BUS متمرکز (Master/Slave)
  • تخصیص BUS غیر متمرکز (به عنوان مثال Token Passing, Flying Master)
  • ترکیبی از هر دو روش کنترل دسترسی (به عنوان مثال PROFIBUS)
  • CSMA / CD (دسترسی چندگانه با شنود سیگنال حامل با تشخیص برخورد، بعنوان مثال اترنت)
  • CSMA / CA (دسترسی چندگانه با شنود سیگنال حامل با جلوگیری از برخورد، به عنوان مثال KNX ، CAN)

چگونه شکل سیگنال (نمایش بیت) با مدولاسیون تغییر می کند

فرکانس حامل با اطلاعات باینری که منتقل می شود مدوله می شود:

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

شکل 3: تغییر شکل سیگنال با مدولاسیون (نمایش بیت)

مدولاسیون برای بخش تقسیم فرکانسی و زمانی استفاده می شود.

نحوه تغییر شکل سیگنال (بیت ارائه شده) با انتقال در باند پایه

با انتقال باند پایه، اطلاعات باینری به صورت پالس های مستطیلی منتقل میشوند. این نوع انتقال داده در KNX (پروتکل هوشمند سازی خانه ) استفاده می شود.

نوعی از قالبهای انتقال باند

مثال: دنباله بیت 00101100 را در نظر بگیرید

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

شکل 4: تغییر شکل سیگنال با انتقال باند (نمایش بیت)

NRZ = non return to zero

RZ = return to zero

1.1.5 تکنیک های تشخیص خطا

  • توازن (VRC – بررسی تکرارعمودی)

در انتقال بیت به بیت داده ها فقط یک بیت برای هر بسته داده، زوج یا فرد، اضافه میشود به عنوان مثال در KNX ( پروتکل هوشمند سازی ساختمان ) معمولاً در تمام روشهای انتقال start-stop استفاده می شود. این روش با عنوان توازن عمودی شناخته می شود. که فقط خطاهای بیت فرد را تشخیص می دهد و حتی موارد زوج را نیز نمی توان یافت.

  • توازن افقی / افقی(LRC – بررسی توازن طولی)

یک داده بررسی، که دقیقاً به همان اندازه بیت های اطلاعات منتقل شده است استفاده می شود. داده بررسی در قالب بیت (زوج یا فرد)  مشتق شده از موقعیت های بیتی مرتبط با همه بیت های اطلاعاتی که قبلاً منتقل شده اضافه می شوند.

  • بررسی متقابل

ترکیبی از بررسی توازن عمودی و افقی است. این نوع بررسی انتقال قادر به اصلاح خطاهای تک بیتی و تشخیص خطاهای دو بیتی می باشد. مثال: KNX ( پروتکل هوشمند سازی ساختمان ) با توازن زوج عمودی و فرد افقی.

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

یک خطای تک بیتی در داده 4 وجود دارد. این خطا با بررسی توازن عمودی در حالی که موقعیت بیت نادرست است تشخیص داده می شود ولی با کمک بررسی توازن افقی موقعیت بیت تشخیص داده می شود. این باعث می شود اشتباهات اصلاح شود.

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

بسته داده 4 دارای یک خطای 2 بیتی است که با بررسی توازن عمودی ردیابی نمی شود اما با بررسی توازن افقی شناخته می شود.

  • بررسی چرخه (CRC – بررسی افزونگی چرخه)

با استفاده از این روش تشخیص خطا، یک داده بررسی در نتیجه یک محاسبه گسترده چند جمله ای تولید می شود. روش CRC حتی خطاهای پیچیده را تشخیص می دهد.

مقایسه روشهای مختلف تشخیص خطا

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

2 –  مدل مرجع ISO 7498) OSI)

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

2.1 معرفی مدل مرجع OSI

2.1.1 چرا استاندارد لازم است؟

وقتی سیستم های پردازش داده و شبکه های ارتباطی تولید کنندگان مختلف برای اولین بار معرفی شدند، هیچ سازگاری بین آنها وجود نداشت. بنابراین ارتباط متقابل بین سیستمهای با سطوح و استانداردهای مختلف دشوار و تنها با تلاش زیاد امکان پذیر بود. شبکه های چند وجهی در بازار برای اهداف بسیار متفاوتی در بخش های صنعت و تجارت طراحی شده اند. هر شبکه یک سیستم خود مختار بود که ارتباط با دیگر شبکه ها دشوار بود. سیستم هوشمند ساختمان نیز از این موضوع مستثنا نیست.

2.1.2 هدف از مدل مرجع OSI

سازمان بین المللی استاندارد سازی (ISO) در دهه هفتاد تصمیم به ایجاد معماری استاندارد برای شبکه های رایانه ای و پردازش اطلاعات گرفت. هدف این بود که …

  • ایجاد یک مدل استاندارد در ارتباطات داده ها که بر اساس آن شبکه ها و سیستم های توزیع شده می توانند با یکدیگر صحبت کنند
  • دستیابی به سازگاری بین شبکه ها بدون اصرار بر اجرای مدل کامل برای هر شبکه
  • دستیابی به ارتباطات باز (Open System Interconnection OSI) در بین کلیه کاربران یک شبکه رایانه ناهمگن.

2.2 قاعده کلی مدل مرجع OSI) OSI) در سیستم هوشمند ساختمان

OSI به طور کلی عملیات مورد نیاز برای ارتباط داده و تعامل بین این عملیات را مشخص می کند. نتیجه  یک مفهوم سلسله مراتبی متشکل از لایه ها می باشد.

در هنگام رمزگشایی تلگرام توسط دستگاه BUS ساختمان هوشمند(بی ام اس)، هر لایه بخشی از تلگرام را رمزگشایی می کند. در حین ایجاد تلگرام توسط دستگاه BUS ساختمان هوشمند(بی ام اس)، هر یک از لایه های OSI عملیات گروه بندی شده ای برای ساخت بخشی از تلگرام، مشارکت می کنند.

موارد فوق را می توان به ترتیب با لایه برداری از لایه های یک پیاز برای رسیدن به هسته (اطلاعات مفید) یا اضافه کردن لایه های پیاز به اطلاعات اصلی مقایسه کرد.

2.2.2 دو نوع ارتباط موجود

ارتباط اتصال محور:

برقرار کردن اتصال در ارتباط منطقی بین دو شریک ارتباطی است. هر دو شریک این ارتباط را پیوندی می دانند که فقط بین آنها وجود دارد (اتصال نقطه به نقطه [P2P]) و فقط آنها می توانند از آن استفاده کرد.

سرور (دستگاهی که مایل به برقراری ارتباط است) باید این ارتباط را مطابق با برخی معیارهای مشخص (کیفیت، هزینه، تأخیر زمانی و غیره) برقرار کند و از ابزاری برای انجام این کار استفاده می کند. علاوه بر این، ممکن است یک پروتکل یا پارامترهایی مانند طول بلوک داده ها تعریف شود. با برقراری اتصال، مبادله واقعی داده (انتقال داده) مطابق پروتکل انجام می شود.

این اتصال ممکن است در هر زمان توسط هر یک از شرکا قطع شود (قطع اتصال). منابعی که برای این لینک استفاده می شود آزاد شده و در اختیار سایر عملیات قرار می گیرد.

ارتباط اتصال محور بسیار ایمن است، اما از نظر پهنای باند بهینه نیست (یعنی برای دستیابی به تنها یک شریک ارتباطی به ارتباطات زیادی نیاز است).

هنگام در نظر گرفتن مدل OSI، در طول این ارتباط، لایه انتقال و لایه پیوند پیامهایی را تولید می کنند که داده ها را تأیید می کنند.

این نوع ارتباط را می توان با صحبت کردن با یک فرد و چک کردن بعد از هر سوال مقایسه کرد، آیا وی این سؤال را درک کرده است یا خیر.

  • ارتباط بدون اتصال

این نوع ارتباطات از هیچ اتصالی استفاده نمی کند. بنابراین برای دستگاه های پیچیده امکان پذیر نیست

  • برای توافق بر سر پروتکل یا پارامترها
  • برای تعیین معیارهایی مانند کیفیت خدمات، هزینه و غیره

از آنجا که هیچ ارتباطی وجود ندارد، پس از هر درخواست داده، آدرس باید به همراه داده های مفید ارسال شود. هیچ تأییدی در مورد داده های دریافت شده وجود ندارد و دستگاه ارسال کننده اطلاعات (سرور) ترتیب صحیح بلوک های داده منتقل شده را تضمین نمی کند.

چنین ارتباطی ایمن نیست، اما پهنای باند بسیار بهینه دارد: نیازی به برقراری یا قطع اتصال یک ارتباط نیست و با یک پیام تنها می توان به کلیه دستگاههای موجود در مجموعه دسترسی داشت. با این حال، فقط یک تأیید مشترک دریافت می شود. بنابراین نمی توان اطمینان حاصل کرد که همه دستگاه ها پیام ارسال شده را به درستی دریافت کرده اند.

هنگامی که مدل OSI را در نظر می گیرید، در طی این ارتباط فقط لینک رسید تأییدیه تولید می شود.

این نوع ارتباطات را می توان با گفتگو با گروهی از افراد مقایسه کرد و ادامه دادن با سوال بعدی، اگر حداقل یک نفر تأیید کند که وی پیام را درک کرده است یا خیر.

2.3 عملکرد اصلی لایه های پیاده سازی شده مدل OSI در KNX ( پروتکل هوشمند سازی ساختمان ) 

لایه های شبکه، شرکت مهندسین هوشمند سازی کارن

لایه های شبکه، شرکت مهندسین هوشمند سازی کارن

2.3.1 –  لایه Application (لایه 7)

لایه Application اساساً عملیات دو کار را فراهم می کند:

  • کمک به برنامه کاربردی در ارسال و دریافت اطلاعات مفید

پیاده سازی در KNX (بی ام اس ):

KNX (از پروتکل هوشمند سازی ساختمان )  که از یک BUS برای ارتباطراجزا استفاده می کند. (گروه بندی اشیاء نامیده می شود، مشابه BUS CAN). به عنوان مثال یک گروه بندی اجزا می تواند حالت سوئیچ، شدت نور یا دمای اتاق باشد.

برنامه کاربردی یک سنسور در ساختمان هوشمند کمیت فیزیکی (مانند وضعیت اتصال، مقدار روشنایی، درجه حرارت و غیره) را “اندازه گیری” کرده و مقدار را در گروه بندی اجزا متناسب می نویسد. در عین حال از نرم افزار سیستم درخواست می کند که مقدار جدید گروه بندی اجزا را در BUS ارسال کند تا تجهیزات ارتباطی (بی ام اس ) از مقدار به روز شده سنسور آگاه شوند.

لایه کاربردی محرک (های) در ساختمان هوشمند آدرس دهی شده تضمین می کند که مقدار دریافت شده جدید در گروه بندی (های) مربوطه نوشته شده و متعاقباً برنامه کاربردی را از بروزرسانی شدن محرک آگاه می سازد. برنامه (ها) مقدار گروه اجزاء محرک را می خواند و عملیات لازم را بر این اساس اجرا می کند. این می تواند سوئیچ رله، کاهش شدت نور یک لامپ، عملکرد یک شیر و غیره باشد.

بنابراین، برنامه های کاربردی در یک شبکه KNX (پروتکل هوشمند سازی ساختمان ) از طریق گروه بندی اجزا ارتباط برقرار می کنند. از این رو هیچ اتصالی برای ارتباط داده برقرار نمی شود. (به “ارتباط بدون اتصال” مراجعه کنید).

توجه داشته باشید که برنامه کاربردی قادر به بازیابی منبع بروزرسانی گروه بندی اجزا نیست !!

در مرحله راه اندازی برای بارگذاری دستگاه های BUS، بین دستگاه ها با برنامه های کاربردی ارتباط اتصال محور برقرار می شود. این برنامه کاربردی است که به درک دستورات پیکربندی کمک خواهد کرد.

2.3.2 لایه Presentation (لایه 6)

این لایه وظیفه محافظت  از لایه 7 مدل OSI و وظیفه ترجمه اشکال مختلف داده های منتقل شده از برنامه کاربردی را بر عهده دارد. پیام را ترجمه می کند و در صورت لزوم، ترکیب پیام را تنظیم یا تبدیل می کند.

به عنوان مثال، یک پرونده حاوی مشخصات یک گروه از افراد باید از یک دستگاه BUS به دیگری منتقل شود. دستگاه اول از پرونده های داده حاوی فیلدها به ترتیب “نام ، نام کوچک” استفاده می کند، در حالی که دستگاه دوم از ترتیب معکوس استفاده می کند. در این حالت، کار لایه این است که اطمینان حاصل کند که هر دستگاه ثبت داده ها را به ترتیب صحیح دریافت می کند. بنابراین لایه 6 باید بطور خودکار ترتیب قسمتهای ثبت داده را مطابق نیاز تغییر دهد.

در KNX (پروتکل هوشمند سازی ساختمان )، مشکل تبدیل شکل نمایش در داده های منتقل شده بوجود نمی آید. از اینرو دستگاه های KNX (ساختمان هوشمند،بی ام اس) نیازی به لایه OSI 6 ندارند.

2.3.3 لایه Session  (لایه 5)

وظیفه اصلی لایه 5 مطابق OSI کنترل ارتباط بین دو شریک ارتباطی است. این شامل:

  • باز کردن یک گفتگو ،
  • بستن یک گفتگو
  • قطع یا اختلال در گفتگو
  • ادامه گفتگو در مرحله بعدی
  • از سرگیری گفتگو معین، در صورت شناسایی بروز خطاهای مشخص گفتگو را در یک نقطه مشخص و با زمان پشتیبان تنظیم می کند، به طوری که انتقال داده معیوب می تواند به درستی تکرار شود.

از آنجا که پیام های رد و بدل شده (مقادیر اندازه گیری شده) در field buses کوتاه هستند، این BUS ها (سیستم هوشمند ساختمان) نیازی به کنترل ارتباط صریح ندارند. از این رو در سیستم هوشمند سازی ساختمان دستگاه های KNX (تجهیزات هوشمند سازی) نیازی به لایه OSI 5 ندارند.

2.3.4 لایه Transport (لایه 4)

  • عملکرد در طول ارتباط بدون اتصال

برای ارتباط بدون اتصال، لایه Transport در KNX (هوشمند سازی ساختمان) عملکرد زیر را دارد:

  • هنگام ارسال، اطمینان حاصل می کند که مقدار گروهبندی اجزاء تغییر یافته توسط لایه پیوند، با آدرس گروه صحیح مرتبط، ارسال می شود.
  • هنگام دریافت، اطمینان حاصل می کند که مقدار کلیه گروهبندی اجزا با آدرس گروه دریافت شده مرتبط با آن، بروز رسانی شده است.

در ارتباطات بی سیم، لایه TRANSPORT به عبارت دیگر وظیفه بررسی جدول انجمن بارگیری شده در دستگاه های BUS (سیستم هوشمند ساختمان) را دارد. این جدول رابطه بین اشیاء گروه پشتیبانی شده و آدرس های گروه منتسب را تشکیل می دهد.

  • عملکرد در طول ارتباطات اتصال محور

به منظور برقراری ارتباط اتصال محور، دستگاه شروع کننده یک پیام ارتباطی لایه انتقال را با استفاده از آدرس منحصر بفرد گیرنده بعنوان آدرس مقصد ارسال می کند.

در طی اتصال مستقیمی که بین دو دستگاه BUS ارتباط برقرار شده است، در لایه انتقال هر دو دستگاه برای تأیید یا رد تلگرام دریافتی از “ACK” (تأییدیه مثبت) یا “پیام های NACK” (تأییدیه منفی) استفاده می کند.

در هنگام دریافت پیام NACK از لایه انتقال در سیستم هوشمند سازی خانه، تلگرامهای رد شده (تأیید منفی) تا سه بار تکرار میشوند. پارامتر تکرار در نرم افزار سیستم ثابت است.

ارتباط اتصال محور بوسیله تایمر کنترل می شود. اگر یک تلگرام در مدت زمان تعیین شده قابل انتقال نباشد، یا اگر “ACK” و “NACK” از شریک ارتباطی دریافت نکنند، اتصال برقرار شده به طور خودکار پاک می شود.

ارتباط اتصال محوربا تعداد توالی اضافی (بین 0 تا 15) نیز کنترل می شوند. اگر شماره دنباله مقدار مورد انتظار را نداشته باشد، گیرنده به طور خودکار اتصال ایجاد شده را پاک می کند.

2.3.5 لایه Network (لایه 3)

یک شبکه معمولاً با توجه به یک توپولوژی تعریف شده ترکیبی از گره هایی است که توسط پیوندهای منحصر بفرد  به هم پیوسته اند. وظیفه اصلی لایه OSI 3 (لایه شبکه) چنین شبکه ای یافتن مسیرهای مناسب برای انتقال داده ها، تغییر لینک های اشغال و اطمینان از هدایت تلگرام به سمت مقصد است. معمولا به آن “مسیریابی” گفته می شود.

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

nodeهای موجود بین مشترک A و مشترک B باید از “خدمات سوئیچینگ” اطمینان حاصل کنند که پیام ارسال شده توسط A به B میرسد. این قابل مقایسه با تماس های رله ای در یک شبکه تلفن عمومی است.

شبکه (KNX Twisted Pair (KNX-TP در سیستم هوشمند سازی ساختمان دارای ساختار زیر است:

هوشمند سازی ساختمان ، ساختمان هوشمند ، خانه هوشمند ، بی ام اس

شکل 5: ساختار شبکه KNX TP در ساختمان هوشمند

بخشهای منحصر بفرد شبکه KNX-TP پیوندها را تشکیل می دهند، در حالی که اتصال دهنده های ستون فقرات و اتصال دهنده های خط گره های شبکه هستند.

2.3.6 لایه Data Link (لایه 2)

وظایف کلی لایه پیوند

طبق OSI ،وظیفه این لایه مطمئن شدن از انتقال “بدون خطا” تلگرام در یک ارتباط است. یعنی بین دو NODE یک شبکه یا بین دستگاه BUS و NODE مطمئن شود.

از اینرو اطلاعاتی مانند دیتای هماهنگ سازی، شماره دنباله ها، فیلد بررسی خطا و سایر داده های کنترلی علاوه بر داده های واقعی که باید منتقل شوند، در تلگرام ها قرار میگیرند.

2.3.7 لایه فیزیکی (انتفال بیت، لایه 1)

پایین ترین لایه در مدل مرجع OSI لایه فیزیکی نامیده می شود. این لایه مربوط به ماهیت سیگنال ها است. این لایه وظیفه دارد بیت های دریافت شده از لایه 2 را شناسایی کند. آنها را به سیگنال های فیزیکی مانند ولتاژ، جریان و امواج الکترومغناطیسی (سیگنال های رادیویی یا نوری) تبدیل کند. نهایتا این سیگنالها را از طریق رسانه انتقال BUS (کابل مسی، فیبر نوری و غیره) منتقل کند.

هدف اصلی ارائه خدمات توسط لایه 1 محافظت لایه 2 بواسطه تجهیزات فیزیکی مورد استفاده برای انتقال بیت است. بنابراین تضمین می شود که لایه های بالایی شبکه مستقل از فیزیک انتقال مورد استفاده قرار گیرند. به طوری که اصولاً رسانه انتقال میتواند بدون تأثیرگذاری بر لایه های بالایی تغییر یابد.

لایه فیزیکی شامل پروتکل، مشخص کردن کابل کشی و سیم کشی بین دستگاه ها و ویژگی های آن را در مورد اجزای الکترومکانیکی مانند دو شاخه ها و کانکتورها تعریف می کند.

لایه انتقال بیت شبکه KNX ( پروتکل هوشمند سازی خانه ) به شرح زیر است:

شبکه KNX-TP شامل یک یا چند بخش الکتریکی است. هر بخش یک یا دو منبع تغذیه دارد اما – طبق تعریف – هیچ اتصال دهنده خطی ندارد.