CHƯƠNG 2 : TIÊU CHUẨN KNX
2.2 Sự ra đời của tiêu chuẩn giao tiếp KNX
• Trong những năm gần đây các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các hệ thống kỹ thuật tự động gọi chung là tự động hóa tòa ngôi nhà đóng một vai trò quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả vận hành, khai thác cho tòa nhà và cải thiện điều kiện làm việc của con người. Một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh là hệ thống cung cấp các giải pháp điều khiển, quản lý điều kiện làm việc như nhiệt độ, độ ẩm, lưu thông không khí, các hệ thống chiếu sáng, hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, thân thiện hơn với môi trường... Ở Việt Nam, khái niệm hệ thống tòa nhà thông minh cũng không còn là điều gì mới mẻ. Tuy nhiên, mức độ ứng dụng các hệ thống này còn giới hạn, chưa thực sự sâu và rộng. Nhưng một điều tất yếu là trong những năm tới đây, khi nhịp độ xây dựng các tòa nhà văn phòng cao cấp, các trung tâm thương mại… ngày càng hiện đại sẽ không thể không áp dụng các hệ thống quản lý tòa nhà thông minh. Bởi các tính năng và hiệu quả kinh tế mà nó mang lại cho các tòa nhà đó là rất lớn.
• Các giải pháp công nghệ tòa nhà thông minh đã được nhiều hãng Lagrand(Pháp), hãng Comfort (Singapore), hãng Siemens (Đức) có những chi nhánh toàn cầu của mình với những mẫu nhà đa dạng theo từng yêu cầu của khách hàng. Với các loại công nghệ thông minh như: X10 Compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug, Bluetooth, KNX…
• Giải pháp công nghệ X10 (Mỹ) được phát triển từ thập niên 1970 của thế kỷ trước, là giao thức Home Automation cũ nhất, mô hình cho phép điều khiển dễ dàng 9 loại thiết bị như: bộ điều khiển trung tâm, thiết bị báo động mở cửa hoặc két sắt, thiết bị nhận diện người lạ xâm nhập, thiết bị điều khiển điện gia đình, thiết bị kết nối Internet,… Với những trang bị này, chủ nhà có thể kiểm soát và điều khiển từ xa mọi thiết bị điện, điện tử trong gia đình để tăng cường hiệu quả sinh hoạt và bảo vệ gia đình từ internet, điện thoại…
• Ở Châu Âu, công nghệ trang bị cho nhà với các thiết bị thông minh đang được phát triển như EIB, Instabus, SCS. Đường Instabus kết nối tất cả các ứng dụng tới một hệ thống giao tiếp phi tập trung cho tất cả các thiết bị được điều khiển. Hệ thống SCS
cũng là một hệ thống có cấu trúc gần giống với hệ Instabus, các thiết bị điều khiển và các thiết bị chấp hành có thể được nối theo kiểu vòng, sao, trên một đường bus 2 dây nhưng vẫn đảm bảo được việc truyền dữ liệu, và tăng khả năng mềm dẻo khi thi công, mở rộng mạng và tiết kiệm được đường dây cho chủ đầu tư. Một trong các hệ thống tiêu biểu cho hệ SCS là hệ thống của Bticino, với hệ thống này toàn bộ các hệ thống Home Automation, Camera doorphone, Sound system, Sercurity,…được đi trên một đôi bus. Đây là một hệ thống có độ tích hợp công nghệ cao, có nhiều sản phẩm cho mọi ứng dụng của một ngôi nhà thông minh trên một hệ thống.
• Hệ thống lắp đặt tòa nhà thông minh của ABB – ABB i-bus đã giúp một số tòa nhà lớn ở Singapore cắt giảm năng lượng tiêu thụ và giành được những giải thưởng công nghiệp về hiệu suất năng lượng và ít tác động đến môi trường. ABB i-bus là hệ thống lắp đặt tòa nhà được sử dụng phổ biến nhất tại Singapore. Nó có nền tảng lắp đặt lớn nhất, từ văn phòng, nhà máy, khách sạn, nhà nghỉ, trường đại học, các căn hộ, biệt thự và nhà gỗ một tầng.
• Hiện nay, N 50090là tiêu chuẩn Châu Âu của công nghệ cài đặt cho tòa nhà dựa vào tiêu chuẩn KNX. KNX là giao thức duy nhất đáp ứng tiêu chuẩn này. Sau 11 năm hình thành và phát triển (1999) hiện nay KNX đã có hơn 100 công ty thành viên với hơn 7000 sản phẩm được cấp chứng chỉ chất lượng của KNX. Hiện nay Hiệp hội KNX đã nhận được sự tham gia của 21000 công ty tích hợp giải pháp từ 70 nước trên toàn thế giới, cùng với 50 trường đại học và 100 trung tâm đào tạo. Với tham vọng trở thành một tiêu chuẩn duy nhất cho toàn bộ các thiết bị điện - điện tử dân dụng trên toàn thế giới, hiện nay các sản phẩm của KNX bao trùm hầu hết các ứng dụng điều khiển cho ngôi nhà và toà nhà như: chiếu sáng, rèm cửa, hệ thống an ninh, thiết bị nhiệt, thông khí, điều hoà nhiệt độ, thiết bị giám sát, thiết bị cảnh báo, điều khiển bơm nước, quản lý năng lượng, thiết bị điện gia dụng, hệ thống nhạc, xem phim,..
• Gần đây việc xây dựng tòa nhà thông minh là một vấn đề rất được quan tâm, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành, khai thác cho tòa nhà và cải thiện điều kiện làm việc của con người. Nghiên cứu, xây dựng và điều khiển tòa nhà thông minh trên tiêu chuẩn KNX là một cách tiếp cận mới mang lại độ chính xác cao so với các phương pháp
trước. Xây dựng tòa nhà thông minh theo tiêu chuẩn KNX giúp việc quản lý tòa nhà linh hoạt, tiết kiệm năng lượng, thiết bị bền, dễ sử dụng, dễ thay đổi và sửa chữa.
Đã có nhiều nghiên cứu về việc xây dựng tòa nhà thông minh được công bố trên các tạp chí và hội nghị trong nước. Tuy nhiên, việc ứng dụng tiêu chuẩn KNX để xây dựng tòa nhà thông minh thì chưa được giới thiệu phổ biến.
2.3 Hệ thống KNX
➢ Là hệ thống mở
➢ Đảm bảo sự đồng bộ giữa các nhà sản xuất linh kiện (đã được cấp giấy chứng nhận KNX)
➢ Dựa trên 15 năm kinh nghiệm có nguồn gốc từ EIB, BatiBUS và EHS
➢ Hàng ngàn mặt hàng đã được sáng chế bởi hàng trăm nhà sản xuất đã có mặt trên thị trường.
2.4 Những thành phần cơ bản trong hệ thống điều kiển tòa nhà KNX
• Thiết bị hệ thống: Nguồn cấp, bus dữ liệu, giao diện nối tiếp (RS-232), kết nối, phân
nguồn, phân tuyến và phân vùng.
• Cảm biến: Nút nhấn, bộ chuyển đổi (gió, mưa, ánh sáng, nhiệt, vv), bộ điều khiển nhiệt độ, đầu vào tương tự.
• Chấp hành: Chấp hành chuyển mạch, chấp hành điều chỉnh tăng/giảm, chấp hành
cho rèm, chấp hành cho cuộn sưởi.
• Bộ điều khiển: Cảm biến và chấp hành có thể được kết nối lôgic với nhau bằng các
phương pháp điều khiển thể hợp lý (đơn vị logic, module logic hay tương tự) để giải quyết các chức năng phức tạp.
2.4.1 Thiết bị hệ thống
- Nguồn điện cho BUS (Power supply 30V) - Bộ Nối (Couper)
Hình 2- 3 Thiết bị cơ bản của hệ thống KNX
2.4.2 Nhận phát lệnh (sensors: nút bấm, đo nhiệt độ, đo ánh sáng, sự hiện diện)
- Nhận tính hiệu từ bên ngoài (bấm nút, nhiệt độ thay đổi) - Chuyển dạng tín hiệu đó thành dạng tín hiệu KNX (tín hiệu) - Gởi tín hiệu KNX lên BUS
Lệnh Binary (tắt/mở): Nút bấm. Lệnh Analogic (biến đổi theo dãy tần): đồng hồ, máy đo sức gió, mưa, ánh sáng, nhiệt độ, CO2… Những sensors nhận tín hiệu vật lý (bấm nút, gió…) và biến nó thành một tín hiệu KNX
Hình 2- 4 Nhận phát lệnh hệ thống KNX
2.4.3 Cơ cấu chấp hành, thực thi lệnh (actuators: relay mở đèn, giãm độ sáng, mở máy…)
- Nhận một tín hiệu từ BUS
- Xử lý thông tin trong tín hiệu nhận được - Thực hiện chức năng
Hình 2- 5 Cơ cấu chấp hành lệnh Actuator
Những chức năng: Những actuators nhận một tín hiệu KNX, xử lý nó, sau đó chuyển nó thành một tác động vật lý lên các thiết bị (đóng relay, kích hoạt máy lạnh, hiển thị trên màn hình chạm…)
• Switch actuator: Kích hoạt trạng thái (on/off relay)
• Dimming actuator: Kích hoạt theo dãy tần (thay đổi độ sáng, nhiệt độ)
• Blind/roller shutter actuator: Kích hoạt màn, cửa chớp
• Heating actuator: Kích hoạt lò sưởi
2.4.4 Phần mềm Engineering Tool Software (ETS)
Là phần mềm được dùng để lập trình những dự án, làm những tài liệu kèm theo dự án và chuẩn đoán kiểm tra hệ thống lắp ráp.
Hình 2- 6 Phần mềm ETS 5
Những phần mềm áp dụng cho những hệ thống thông minh được tải về miển phí trên các website của các hãng sản xuất, chúng được cài vào các linh kiện KNX bằng phần mềm ETS thông qua kết nối trung gian USB hoặc IP.
2.5 Các giải pháp của KNX
Hình 2- 7 Các giải pháp của hệ thống KNX ➢ Rèm cửa tự động
➢ Chiếu sáng thông minh
➢ Bình nóng lạnh
➢ Hệ thống báo cháy tự động
➢ Hệ thống giám sát ngôi nhà
➢ Hệ thống tưới nước tự động
2.6 Lắp đặt hệ thống KNX
− Hai thiết bị STNs các thể phối hợp với nhau bằng nguồn cấp thông qua bus nhánh với các quy mô nhỏ. Các bus cài đặt dần sẽ tương thích với quy mô của hệ thống và các chức năng cần thiết, có thể mở rộng lên đến 45,000 thiết bị.
− Đường bus của KNX/EIB có thể được đặt theo cách gần như bất kỳ. Cấu trúc liên kết tuyến có thể nối tiếp, hình sao, hình cây. Nhưng không thể theo kiểu mạch khép kín KNX/EIB không yêu cầu thiết bị điện trở đầu cuối.
− Độ dài tối đa trong một nhánh không được vượt quá mức cho phép sau:
− Nguồn điện cung cấp xa nhất cho thiết bị: Tối đa là 350 m.
− Khoảng cách xa nhất giữa hai thiết bị: Tối đa là 700 m.
− Tổng chiều dài một tuyến: Tối đa là 1000 m.
− Khoảng cách tối thiểu giữa hai nguồn điện: Tối thiểu là 200 m.
− Cấu trúc phân bố cho nhiều tuyến
− Nếu có nhiều hơn 64 thiết bị, với số lượng như vậy hệ thống cần thêm ít nhất là một bộ tách tuyến, các tuyến được kết nối với nhau bằng phương tiện của một bộ ghép nối. Tuyến chính cũng yêu cầu được cung cấp nguồn, đó cũng đòi hỏi một nguồn cung cấp năng lượng. Trục chính đường hình thành từ các bộ phân nhánh.
− Trong thực tế, một nhánh mới được cấu hình với sối lượng ít hơn 64, do đó việc bổ xung thêm một thiết bị không nhất thiết phải ngay lập tức lắp đặt thêm một tuyến mới.
− Có thể lên đến 15 tuyến chính được kết hợp lại thành một vùng.
− Số lượng lớn nhất có thể cho một tuyến của KNX/EIB lên đến 64 thiết bị, trong trường hợp với số lượng lớn hơn, cấu trúc liên kết có thể được mở rộng tối đa lên đến 255 thiết bị trên một tuyến. Việc mở rộng cần đến bộ lặp lại (Repeater). Về mặt toán học, hệ thống có thể đạt tối đa 45.900 thiết bị cho một hệ thống KNX/EIB:
− 255 (thiết bị/ nhánh) x 12 (nhánh/khu vực) x 15 (khu vực/lắp đặt) = 45.900 (thiết bị/ lắp đặt)
− Thiết kế điện
− Thiết kế với KNX/EIB có đôi chút khác biệt so với việc thiết kế dựa trên các kỹ thuật thông thường. Có hai điểm khác biệt chính, cần xem xét:
− Đặc tính kỹ thuật phải bao gồm các mô tả chi tiết chức năng. Các chức năng được mô tả này cho phép chủ đầu tư có thể để ước lượng đầu vào cần thiết cho dự án đang được đầu tư xây dựng.
− Mặt bằng bản vẽ thiết kế KNX/EIB sẽ được thể hiện sơ đồ nguyên lý tổng thể và sơ đồ điều khiển. Đồng thời cung cấp thêm thông tin về tiến độ, mức đầu tư và quy mô đầu tư của dự án.
− Khuyến cáo về thiết kế với KNX/EIB. Thực tế cho thấy rằng việc thiếu kinh nghiệm thường dẫn đến việc đưa hệ thống KNX/EIB thành một mục riêng. Điều này dẫn đến những bất lợi sau:
− Khó khăn trong đấu thầu thi công lắp đặt, bởi có nhiều mối tương quan giữa các nhóm thi công lắp đặt.
2.7 Ứng dụng và lợi ích của hệ thống KNX 2.7.1 Ứng dụng
Từ khu phức hợp văn phòng cho đến căn hộ đơn giản, bất kể loại tòa nhà nào, KNX mở ra những cơ hội hoàn chỉnh cho việc xây dựng các hệ thống quản lý với mức chi phí hợp lý. KNX có thể cung cấp các giải pháp được hiệu quả đáng kể chỉ với kỹ thuật lắp đặt thông thường. Thông qua một bảng điều khiển đơn lẻ, tất cả các thiết bị trong nhà hoặc tòa nhà có thể được kiểm soát. Từ hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều khiển truy cập đến điều khiển từ xa của tất cả các thiết bị gia đình, KNX cho phép người dùng điều khiển thiết bị bằng những cách hoàn toàn mới, an toàn và tiết kiệm năng lượng trong nhà hoặc tòa nhà đáng kể… Không chỉ với người dùng, KNX mang lại những lợi ích thực sự cho kiến trúc sư, nhà thiết kế và nhà thầu, và trên hết là để xây dựng chủ sở hữu và/hoặc người sử dụng.
Hàng triệu hệ thống KNX thành công được tìm thấy không chỉ ở khắp Châu Âu mà còn ở miền Viễn Đông, Bắc và Nam Mỹ – một minh chứng cho độ phủ sóng của KNX.
Hơn 370 công ty thành viên của KNX trên toàn thế giới cung cấp hơn 7.000 nhóm sản phẩm được chứng nhận KNX trong catalog của họ, từ các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
2.7.2 Lợi ích
− Chi phí vận hành thấp tạo ra tiết kiệm năng lượng đáng kể: Một ví dụ đơn giản với đèn. Đèn chỉ được bật khi cần thiết tùy theo giờ hoặc theo cảm biến chuyển động được cài đặt trước đó với cường độ ánh sáng cũng được kiểm soát tự động theo cường độ ánh sáng trong ngày, do đó duy trì độ sáng tối thiểu được chỉ định ở mỗi nơi làm việc và giảm tiêu thụ năng lượng.
− Tiết kiệm thời gian: Liên kết các thiết bị kết nối với một hệ thống phân phối giúp giảm đáng kể thời gian thiết kế và lắp đặt. Một nhà sản xuất độc quyền và lĩnh vực ứng dụng độc lập Engineering Tool Software (ETS) cho phép thiết kế, kỹ thuật và cấu hình của các cài đặt có chứa sản phẩm được chứng nhận KNX. Vì công cụ là nhà sản xuất độc lập, nên nhà tích hợp hệ thống có thể kết hợp các sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau với các phương tiện truyền thông khác nhau (cặp xoắn, tần số vô tuyến, đường dây điện hoặc IP / Ethernet).
− Linh hoạt và khả năng thích ứng với sự phát triển trong tương lai: Một hệ thống KNX có thể dễ dàng thích nghi với các ứng dụng mới và có thể dễ dàng mở rộng. Các thành phần mới có thể dễ dàng kết nối với cài đặt hệ thống phân phối hiện có.
− An toàn cao nhất cho người sử dụng điện: Các công tắc điện dùng nguồn cấp 24V DC là điện áp an toàn, không nguy hiểm (SELV) theo tiêu chuẩn của Châu Âu.
− Kiểu dáng sang trọng: Các công tắc thông minh được thiết kế trang nhã và sang trọng phù hợp với bất cứ kiểu nội thất nào của ngôi nhà.
− Tính linh hoạt cao: Có thể thay đổi chức năng sử dụng cũng như chức năng điều khiển rất đơn giản bất cứ lúc nào mà không cần đi lại dây.
− Kịch bản không giới hạn: Điều khiển và phối hợp nhiều chức năng trong nhà với nhau theo các kịch bản phong phú. Các kịch bản chiếu sáng, báo cháy, chống trộm, điều khiển cửa ra vào, gara, cửa sổ, rèm che cửa, bơm nước, hệ thống camera quan sát, hệ thống nghe-nhìn (audio-video) trong nhà.
− Ổn định với độ tin cậy cao: Các thiết bị được sản xuất tại Đức và châu Âu, đã qua những công đoạn kiểm tra rất ngặt nghèo trước khi xuất xưởng.
− Đã được nhiệt đới hoá theo đúng tiêu chuẩn Châu Âu phù hợp với mọi khí hậu và thời tiết.
− Hoạt động theo ý muốn của người sử dụng: Chức năng điều khiển gần như là không có giới hạn và có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu và mơ ước của chủ nhân ngôi nhà.
2.7.3 Lý do bạn nên chọn nhà thông minh tiêu chuẩn KNX
− Công nghệ Nhà thông minh theo chuẩn KNX của hiệp hội KNX là hệ thống điều khiển tiên tiến, không cần bộ xử lý trung tâm. Hệ thống thông minh này đáp ứng được tất cả các yêu cầu mà những công trình sang trọng và hiện đại cần phải có.
− An toàn cao nhất cho người sử dụng điện. Các công tắc điện dùng nguồn cấp 24V DC là điện áp an toàn, không nguy hiểm (SELV) theo tiêu chuẩn của Châu Âu.