Escola Superior de Tecnologia de Tomar Tiago Alexandre Martins Fernandes sistema integrado de segurança e gestão de energia (sisge)



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Protocolos de comunicação

Evolução dos protocolos


Os protocolos de comunicação foram definidos para regular a transferência de informação e garantir duas funções essenciais às redes, a primeira é que qualquer elemento da rede pode enviar ou receber informação, a segunda é que esses elementos podem sincronizar o envio entre si. Estas duas funções são vantajosas em relação a outras tecnologias pois permitem uma elevada quantidade de tráfego de informação sem aumentar o tempo de espera de cada elemento para envio da mesma, sendo esta vantagem essencial para aplicações de controlo.

Há mais de uma década protocolos como o European Installation Bus (EIB) ou Lonworks lideravam as tecnologias de comunicação nos sistemas de automação para edifícios. Atualmente, o protocolo LonWorks continua a ser uma tecnologia líder a par do protocolo KNX. Outro protocolo utilizado desde o aparecimento dos sistemas de automação em edifícios e que continua a ser utilizado hoje é o X-10[Gra06].


KNX




  1. Logotipo KNX[KNX].

As organizações europeias European Installation Bus (EIB), European Home Systems Association (EHSA) e Batibus Club International (BCI) desenvolveram o protocolo KNX normalizado pelas normas técnicas para as redes de comunicação em sistemas de automação de edifícios EN 50090 e ISO/EIC 14543[KNX].

O intuito do seu desenvolvimento foi o de criar um padrão europeu para sistemas deste tipo e com os objetivos de melhorar o desempenho das comunicações, permitir modos de funcionamento Plug&Play e incentivar as empresas de prestação de serviços nas áreas das energias e telecomunicações a envolverem-se no tema. Tecnicamente o objetivo deste padrão foi desenvolver um sistema de gestão de energia, controlo e gestão de segurança. Todos estes objetivos foram definidos tendo em conta o cumprimento dos requisitos e necessidade das instalações, quer estas sejam habitacionais ou de outro tipo.

O KNX herdou do EIB o envio de informação sequencial através de ligações por barramento, podendo utilizar arquiteturas centralizadas ou descentralizadas em que os vários dispositivos comunicam entre si permitindo que a qualquer momento sejam adicionados novos dispositivos à rede.

Todos os dispositivos construídos segundo o padrão KNX têm de obedecer a estritas regras de qualidade, sendo que têm de cumprir a norma ISO 9001. Os dispositivos KNX são totalmente compatíveis entre si o que torna esta tecnologia altamente flexível.
Configuração

As redes KNX podem ser configuradas recorrendo ao software de desenvolvimento Engineering Tool Software (ETS) que permite a personalização das funções de todos os dispositivos ligados à rede. A configuração dos dispositivos através do software ETS é chamada de System mode (S-mode). Por defeito, os dispositivos KNX permitem ainda uma configuração Easy mode (E-mode). Em modo de configuração simples (E-mode) os dispositivos são programados com os padrões de fábrica cuja função é realizar uma determinada tarefa específica para o dispositivo em causa (figura 4).




  1. Relação Funcionalidade-Sofisticação do projeto dos modos de configuração KNX, modo simples E-mode, modo de sistema S-Mode[KNX].
Meios de transmissão

Vários meios de transmissão são atualmente utilizados no protocolo KNX, sendo que inicialmente apenas era utilizado os pares de fio. Com a evolução alargaram-se os meios de comunicação para a transmissão de sinais pelas instalações elétricas, por radiofrequência, por infravermelhos e por Ethernet. Estes meios foram identificados do seguinte modo:

  • KNX/TP0 e KNX/TP1: A transmissão é feita através de um par de condutores com velocidade de transmissão até 4,8 kbps para TP0 e até 9,6 kbps para TP1. Os pares são também utilizados para fornecer a alimentação aos dispositivos com uma tensão de 24V CC e com um mínimo de 21V. O protocolo de comunicação Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) é utilizado para evitar a colisão de informação e melhorar o aproveitamento da largura de banda disponível. Este foi o primeiro meio de comunicação e é atualmente o mais utilizado em instalações KNX.

  • KNX/PL110 e KNX/PL132: A transmissão é feita pelas instalações elétricas através de sinais com frequências na gama dos 110 KHz que permitem velocidades até 1,2 kbps para PL110 e frequências na gama dos 132 KHz que permitem velocidades até 2,4 kbps. A distância máxima de transmissão é de 600m, para distâncias superiores será necessário a utilização de repetidores. A modulação do sinal utilizada é a Spread Frequency Shift Keying (S-FSK), semelhante à Frequency Shift Keying (FSK) com a diferença da separação entre as portadoras ser maior, o que permite a diminuição das interferências causadas pelos harmónicos. A modulação FSK altera a frequência da onda portadora consoante o sinal binário que se quer enviar.

  • KNX/RF: A transmissão por radiofrequência permite distâncias em campo aberto até 300 metros, para distâncias superiores ou no interior de edifícios onde as estruturas provocam a diminuição da força do sinal será necessário a utilização de repetidores. Os sinais operam em frequências na gama dos 868 MHz e atingem velocidades até 16 kbps. A tecnologia Listen Before Talk (LBT) é utilizada para evitar a colisão de mensagens.

  • KNX/IR: A transmissão por infravermelhos permite distâncias apenas em campo aberto até 12 metros e é utilizada geralmente apenas para a comunicação de controlos remotos que trabalham numa gama de frequências entre o 10 e os 70 KHz.

  • KNXnet/IP: A transmissão por redes Ethernet com velocidades até 10 Mbit/s no padrão IEC 802.2, em que a sua utilização é feita sobretudo para interligar sistemas ou efetuar a ligação dos sistemas às centrais de controlo. Estas ligações são particularmente utilizadas para a transferência de informação através de protocolos IP entre instalações muito afastadas.



Envio da informação

Os conjuntos de informação que fluem entre dispositivos ligados à rede são chamados de telegramas e são constituídos por sequências binárias. A informação de cada telegrama emitido por um determinado dispositivo é convertida em binário e posteriormente em sinal analógico simétrico entre os pares de fio que constituem o barramento.

O envio de informação para o barramento só pode ser efetuado quando o barramento estiver livre, caso contrário o dispositivo que está a enviar informação necessita de aguardar que o barramento fique livre. Os dispositivos verificam constantemente a existência de outras mensagens no barramento com o intuito de evitar colisões de telegramas. Quando um dispositivo está a enviar um telegrama e deteta um telegrama com prioridade superior ao seu, vindo de outro dispositivo na rede, pára imediatamente o envio do seu telegrama e fica a aguardar que o barramento fique novamente livre para que possa enviar de imediato o seu telegrama.



Endereçamento

A comunicação entre dispositivos é possível devido a todos os dispositivos KNX utilizarem a mesma linguagem e terem todos endereços físicos únicos para cada dispositivo. Os endereços são hierarquizados por Linhas e Zonas ou Áreas, atribuídos por instalação e têm o seguinte formato, como se mostra na Figura 4.



  1. Modelo de endereçamento de dispositivos, A-bits de área, L-bits de linha e B-bits de barramento[KNX13].

Outro modo de endereçamento existente é o endereçamento de grupo, podendo este ter dois (Figura 6) ou três níveis (Figura 7) definidos, ou níveis definidos consoante as necessidades da instalação (Figura 8).





  1. Modelo de endereçamento de grupos com dois níveis M-grupo principal e S-subgrupo [KNX13].




  1. Modelo de endereçamento de grupos com três níveis, M-bits de grupo principal, Mi- bits de grupo intermédio e S- bits de subgrupo[KNX13].




  1. Modelo de endereçamento de grupos livre, F-bit de livre atribuição[KNX13].

Um telegrama enviado de um dispositivo para outro é identificado com o endereço origem da informação e com o endereço de destino, sendo que o endereço de destino pode corresponder a um único dispositivo ou a um conjunto de dispositivos dependendo do tipo de endereçamento de grupo utilizado. Cada telegrama só pode ser enviado para um endereço de grupo, no entanto cada dispositivo pode ter vários endereços de grupo. Quando um telegrama é enviado todos os dispositivos recebem esse telegrama, no entanto apenas os dispositivos cujo endereço se encontra no telegrama tomam nota do mesmo, sendo este o princípio dos sistemas descentralizados.

Cada linha apenas suporta até um máximo de 64 dispositivos, sendo que para adicionar mais dispositivos ao sistema terá de se acrescentar uma segunda linha, o que levará a que a linha existente e a segunda linha tenham de ser ligadas a uma linha que serve apenas para ligar as duas ao sistema.

Vantagens e desvantagens

A vantagem principal deste protocolo é ser considerado por vários organismos internacionais como o protocolo padrão para as comunicações em sistemas de automação em edifícios[KNX]. Outras vantagens incluem os altos padrões de qualidade dos equipamentos KNX, e o elevado número de produtores de dispositivos KNX o que leva a uma grande e diversificada oferta e software único de configuração.

A desvantagem principal do protocolo KNX é o seu custo elevado em relação a outras tecnologias, devendo-se isto principalmente ao facto dos fabricantes terem de cumprir a norma de qualidade ISO 9001 e serem cobrados para que os seus produtos tenham reconhecimento em como cumprem os padrões do protocolo, o que aumenta o custo do produto final.



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