M4212C :Bâtiments Intelligents

Ch1 : Bus KNX

2019-2020 1

M4212C :

Bâtiments Intelligents

nicolas.neanne@univ-tln.fr

 GTB, GTC, bus et réseaux

 Ch1 : Bus KNX………3

 Ch2 : Bus DALI……….36

 Ch3 : Enocean……….59

 PLAN du Cours :

2019-2020 3

CH1 : KNX

1.1 –Historique

1.2 – Exemple d’application 1.3 – Adressages

1.4 – Architectures

2.1 TP 2.2 CPL 2.3 Radio 2.4 IP

2 – Couches Physiques

3.1 Principe des échanges 3.2 Trame MB RTU

3.3 Trame MB TCP 3 – Télégrammes

4 - DPT

1 - Présentation

• 1-1 – Historique & Principe

• En 1997, Batibus, EIB et EHS ont décident de s’associer pour

développer un standard de communication dédié aux bâtiments intelligents.

• La spécification KNX fut alors publiée au printemps 2002 par l’association KONNEX :

• En novembre 2006 le protocole KNX et tous ses média de

communication (TP, PL, RF, IR) sont reconnus par ISO/IEC (norme : 14543-3-x) pour la publication comme standard international.

• KNX est le seul standard ouvert au monde pour la domotique et l’immotique

• Plus de 100 entreprises membres dans le monde distribuent 7.000

produits certifiés KNX

Ch1 : Bus KNX

1-2 – Exemple d’installation

• On considère la gestion technique d’une partie d’un bâtiment tertiaire (bureaux + salle de réunion) comportant les fonctionnalités suivantes :

• Gestion des ouvrants (volet roulant)

• Gestion de l’éclairage (gradation, on/off, présence, plages horaires)

• Supervision et paramétrages via une dalle tactile

• CVC (ventilation motorisée + chauffage)

Ligne principale (TP) Actionneur pour

volet roulant MTN649802 1.1.1

Variateur 500W MTN649350

1.1.2 (Eclairage)

Variateur 500W MTN649350

1.2.4 (ventil.) Actionneur de

Commutation (Ecl. + chauff) MTN647595

1.2.1

Thermostat MTN619790

1.2.2

Détect. Pres. / capteur luminosité

MTN630919

Poussoir double MTN649350

1.2.3

Poussoir double MTN649350

1.1.3

Coupleurs de ligne 1.1.0 1.2.0

Ligne 1 (TP) Ligne 2 (TP)

Alim Alim

Ch1 : Bus KNX

• L’élément topologique de base d’une installation KNX est la ligne.

• Elle est composée de :

• une alimentation spécifique, dite de ligne,

• un maximum de 64 participants,

• une longueur de câble totale n’excédant pas 1 000 mètres.

• La ligne représente l’installation minimale KNX.



1-3 – Structure du réseau KNX

Pour augmenter le nombre de participants, il est possible d’ajouter des segments à une ligne.

On peut aller dans ces cas jusqu’à 255 participants. On utilise par segment une alimentation de ligne, et chaque segment est séparé de son voisin par un

composant spécifique, le répéteur de ligne.

Certaines précautions sont alors à respecter sur les distances, notamment :

• longueur des câbles entre deux participants < 700 mètres,

• longueur des câbles entre deux alimentations < 350 mètres,

Ch1 : Bus KNX

• Les installations KNX peuvent être constituées de plusieurs lignes, on parle alors de zones et plusieurs zones peuvent à leur tour être rassemblées pour constituer des installations plus importantes.

• On peut aller ainsi théoriquement jusqu’à environ 55 000 participants :

1-4 – Adressages Physique & Logique

• Adresse Physique

 L’adresse physique permet d’identifier les participants sur une installation KNX.

 Cette adresse physique est liée à la topologie du réseau KNX et à la situation du participant dans la topologie.

 L’adresse physique du participant est attribuée au début de la programmation.

 On agit directement sur le produit, en appuyant sur le bouton de programmation et, par le logiciel ETS™, il reçoit son adresse physique.

Ch1 : Bus KNX

• Adresse Logique

L’adresse de groupe sert quant à elle à programmer les fonctionnalités de l’installation.

Cette adresse, logique, permet de relier un capteur (ou une entrée) à un actionneur (ou une sortie).

Cette opération d’affectation est effectuée dans le logiciel ETS™.

Un télégramme véhiculé via une adresse de groupe X par un capteur sera lu par un actionneur si ce dernier contient cette même adresse de groupe X correspondant à une de ses fonctionnalités.

Le participant rejette tout télégramme qui ne lui est pas destiné.

L’adresse de groupe 1/2/1 a été assignée à la touche 1 du bouton poussoir...

...mais aussi aux voies 1 et 4 de l’actionneur de commutation d’éclairage 1.1.2...

ce qui aura pour effet d’activer ces 2 voies lors d’un appui sur le bouton 1.

Sur une ligne figurent un détecteur de mouvement, un bouton poussoir multifonction, un actionneur de commutation d’éclairage et une alimentation KNX.

Nous allons nous intéresser au fonctionnement de l’allumage des circuits 1 et 4 sur le schéma suivant, donc seulement au bouton poussoir multifonction et

à l’actionneur de commutation.

 Exemple :

Ch1 : Bus KNX

• Conventions d’adressage

Une part importante du travail à réaliser sur ETS va être la création d'adresses de groupe pour lier les différents participants et assurer les fonctionnalités désirées au sein du

bâtiment.

Pour cela, il convient d'avoir une démarche structurée afin que le projet reste lisible, que les différents liens soient facilement identifiables, dans le but de faciliter le

développement et la maintenance du système.

Ainsi, la lecture d’une adresse de groupe doit permettre d’identifier clairement :

 La fonction du groupe (éclairage, store, chauffage…),

 Le lieu où se déroule l’action (salle de réunion, zone accueil…),

 le type d’action (commutation, variation…).

On pourra donc adopter la méthodologie suivante pour définir les adresses de groupe d’un projet :

- Le groupe principal définit le type/domaine de l’action (éclairage, CVC …)

- Le groupe Médian le type d’objet concerné :

- Commutation - Valeur/gradation

- Acquittement de commutation - Acquittement de Valeur

- Le sous-groupe la sortie concernée

Ch1 : Bus KNX

 Exemple :

 Eclairage On/Off de la salle de réunion :

 Allumage/extinction sur appui courts (touches 1 & 2 )du module 1.1.3

 Extinction si absence prolongée

 Variation Eclairage de la salle de réunion :

 Allumage/extinction sur appui longs (touches 1 & 2 )du module 1.1.3

 Ajustement si luminosité extérieure > 350 lux

 Ventilation :

 Commande manuelle variable via touches 3 & 4 du module 1.2.3

 Déclenchement thermostaté

 Chauffage :

 Commandé par thermostat

 Eclairage On/Off espace détente :

 Allumage/extinction sur touches 1 & 2 du module 1.2.3

 Proposition d’adressage de groupe :

- 3 groupes principaux : Eclairage (1), Ventilation (2), Chauffage (3) - 2 groupes médians : Commutation (1), Variation (2)

GP GM SG Adresse de Groupe Adresses Physiques liées

1 Eclairage

1

Commutation

1

SDR_Ecl_Sw

2

ED_Ecl_Sw

2 Variation

1

SDR_Ecl_Dim

2

Ventilation

1

Commutation

1

ED_Ven_Sw

2 Variation

1

ED_Ven_Dim

3 Chauffage

1

Commutation

1 ED_Ch_Sw

Ch1 : Bus KNX

2 – Couches physiques

 2.1 – TP0 et TP1

La paire torsadée est le support le plus couramment utilisé pour véhiculer les télégrammes KNX.

TP0 : 4800 bauds / TP1 : 9600 bauds

Câble :

 Codage des bits :

 ‘1’ : silence

 ‘0’ : alternance +/- 5v

 Tension moyenne = 29V(alim ligne)

Ch1 : Bus KNX

2.2 – PL110

U lisa on de courants porteurs → Un bus n’est plus nécessaire

Une fréquence porteuse (110 kHz) est superposée à la tension du réseau

Modula on FSK de ce e porteuse : ‘0’ → 105,6 kHz / ‘1’ → 115,2 kHz

Débit : 1200 Bauds

 2.3 - Radio

Support radio pour possible pour les petites & moyennes installations

Mise en oeuvre simplifiée

Fréquence : 868 MHz

Débit : 16,3 kBds



2.4 - IP

 A l’instar de Modbus, les télégrammes KNX peuvent être encapsulées dans des trames Ethernet

 Cela permet d’utiliser le réseau Ethernet comme support pour…

 Remplacer les coupleurs de zones, et ainsi communiquer facilement avec la supervision

 Accéder à l’interface de programmation (ETS) et remplacer les interfaces USB / RS232

Ch1 : Bus KNX

3 –télégrammes

• Format général

Les participants échangent des informations entre eux par le biais de télégrammes, (=trames) découpés en champs.

Tout participant peut émettre un télégramme qui sera traité par les destinataires concernés (c’est à dire ayant l’adresse de groupe correspondante enregistrée).

Contrôle @ expé @desti Cpt / long Données sécu

octets 1 2 2 1 16 maxi 1

Analyse d'un télégramme (1/6)

Télégramme : BC 12 0A 33 03 E1 00 81 0B CC BC : caractère de contrôle

émission normale, priorité basse

1 0 R 1 P P 0 0 Priorité de transmission 0 0 Priorité système

1 0 Priorité alarme 0 1 Priorité haute 1 1 Priorité basse 0 Répétition

1 Émission normale

Ch1 : Bus KNX Télégramme : BC 12 0A33 03 E1 00 81 0B CC

 12 0A : adresse physique de l'expéditeur

→ zone 1 - ligne 2 - participant 10

 E1 :

→ 1 : adresse du destinataire =

→ 110 :

→ 0001 :ueur de la donnée = 1 (2 octets)

Analyse d'un télégramme (2/6)

Télégramme : BC 12 0A 33 03 E1 00 81 0B CC

 33 03 : adresse du destinataire

bit fort du caractère suivant (E1)=1 : adresse groupe 0011 0011 0000 0011 : 6/3/3 sur 3 niveaux

Analyse d'un télégramme (3/6)

Ch1 : Bus KNX Télégramme : BC 12 0A 33 03 E1 00 81 0B CC

 00 81 : donnée, qui sera interprétée par le destinataire

Analyse d'un télégramme (4/6)

Télégramme : BC 12 0A 33 03 E1 00 81 0B CC

 0B : octet de sécurité, calculé en parité impaire (0B donne 0000 1011)

BC 1 0 1 1 1 1 0 0

12 0 0 0 1 0 0 1 0

0A 0 0 0 0 1 0 1 0

33 0 0 1 1 0 0 1 1

03 0 0 0 0 0 0 1 1

E1 1 1 1 0 0 0 0 1

00 0 0 0 0 0 0 0 0

81 1 0 0 0 0 0 0 1

nombre de 1 3 1 3 3 2 1 4 4 octet de sécurité 0 0 0 0 1 0 1 1

Analyse d'un télégramme (5/6)

Ch1 : Bus KNX Télégramme : BC 12 0A 33 03 E1 00 81 0B CC

 CC : caractère d'acquittement

0 0 0 0 1 1 0 0

0C 1 1 0 0 0 0 0 0

C0 1 1 0 0 1 1 0 0

CC

Analyse d'un télégramme (6/6)

Exercice

On considère le télégramme suivant, émis par un participant sur un bus KNX de type TP1 : 94 24 1B 21 0C 91 00 FF ?? C0

1 / Tracer le chronogramme représentant la tension mesurée sur le bus pour les 8 premiers bits de ce télégramme.

2 / Déterminer le niveau de priorité de ce message.

3 / Déterminer l'adresse du participant expéditeur du télégramme.

4 / Déterminer à qui s'adresse ce télégramme.

5 / Compléter le champ «??».

6 / Le message a-t-il été correctement reçu par le destinataire ? A-t-il été traité par ce dernier ? Que va faire l'expéditeur ?

Ch1 : Bus KNX

4 –DPT : Data points types

Les liens (adresses de groupes) entre les participants KNX ne peuvent se faire que si les données mises à disposition par ceux-ci sur le bus sont compatibles.

Pour cela, KNX définit une grande variété de types de données, appelés

« DPT : Data Points Types » définissant le format de la donnée mise à disposition sur le bus.

Certains DPT sont à usage général (ex : booléen, valeur entière non

signée sur 8 bits…), d’autres plus spécifique (ex : mesure de luminosité en lux, valeur de courant en mA…).

Chaque type est identifié par deux chiffres séparés par un point:

Type_principal . Sous_type

Ci-après les types principaux disponibles, avec les formats correspondants et les plages de valeurs possibles.

Ch1 : Bus KNX

A titre d’exemple, pour le type booléen, les sous-types suivants sont disponibles :

Pour type flottant (16 bits), les sous-types suivants sont disponibles :

Ch1 : Bus KNX

• Exemple ci-dessus : Mesure du courant consommé via un actionneur équipé d’un dispositif de mesure d’intensité.

Par ailleurs, pour lier ces données au sein d’une adresse de groupe, il faudra vérifier la cohérence des accès en lecture/écriture (R/W) sur ces données par le bus.

• Exemple ci-dessus : pilotage de la montée/descente d’un store via un écran tactile.

Ch1 : Bus KNX

Enfin, on pourra souvent paramétrer la façon dont une donnée doit être émise sur le bus, par exemple :

- De façon cyclique (toutes les 100ms, toutes les 10s, tous les jours …)

- Sur changement d’état/de valeur uniquement pour ne pas surcharger le réseau

• Exemple ci-dessus : Envoi de la luminosité toutes les 10s par un capteur de luminosité

CH2 : DALI

2.1 Support

2.2 Codage des signaux 2 – Couche Physique

3.1 Adressage 3.2 Valeurs

3.3 Commandes 3 – Trames

4 –Matériel / Logiciel

Ch2 : Bus DALI 37 2019-2020

DALI est la définition de l'interface numérique standardisée pour les ballasts électroniques.

La norme DALI, couvrant tous les constructeurs, est fixée par la norme pour ballasts électroniques CEI 60929.

L'association DALI AG :

Digital Addressable Lighting Interface Activity Group

se charge de promouvoir cette nouvelle technologie et de coordonner les activités des différents constructeurs.

1 - Présentation

Par le passé, les ballasts avec gradation étaient contrôlés par des interfaces analogiques 1-10V :

Ch2 : Bus DALI 39 2019-2020

L'objectif : conception d’une technologie simple et économique, répondant aux contraintes de la gestion d'éclairage.

Principe des échanges :

Ch2 : Bus DALI 41 2019-2020

Positionnement dans la GTB :

La norme DALI garantie l'interchangeabilité des produits de différents Constructeurs (ex : OSRAM, Philips...)

La communication et l'installation sont simplifiées autant que possible.

• Données techniques :

→ Transmission série, 16 bits

→ Débit 1.2 kBit/s

→ Longueur des câbles, jusqu'à 300m

→ Topologie libre

Caractéristiques principales de DALI :

Ch2 : Bus DALI 43 2019-2020

43

Membres de DALI-AG :

2 – Couche Physique

2.1 - Support

• Des câbles spécifiques ne sont pas nécessaires grâce au faible débit de transmission.

• Tout câble électrique à 5 conducteurs standard peut être utilisé.

• La section minimale des câbles à utiliser est dépendante de la longueur du réseau :

Ch2 : Bus DALI 45 2019-2020

Pas de polarité sur les fils DALI (!)

L’architecture du réseau DALI permet à la fois des topologies de type bus et étoile :

La combinaison de différentes topologies de réseaux est possible :

2.2 – Architecture :

Ch2 : Bus DALI 47 2019-2020

47

Les trames de commande circulant sur le bus sont des informations numériques.

Les signaux ont les caractéristiques suivantes :

• transmission différentielle

• Codage Manchester

• Niveaux de tension 0/16V.

2.3 – Codage des signaux

3 – Trames de Communication

Le contrôleur envoie une requête vers le ballast, puis reçoit une réponse de celui-ci.

• La requête contient 19 bits : 1 bit de start + 1 octet d'adresse + 1 octet de donnée + 2 bits de stop. Sa durée est 19 x 1 / 1200 = 15,83 ms

• La réponse contient 11 bits : 1 bit de start + 1 octet de donnée + 2 bits de stop. Sa durée est 11 x 1 / 1200 = 9,17 ms

Ch2 : Bus DALI 49 2019-2020

• L'espace adressable d'un contrôleur concerne 64 composants.

Chaque luminaire possède :

→ Une adresse individuelle (1 à 64)

→ Une adresse de Groupe (1 à 16)

Dans un groupe, les luminaires sont commandés identiquement, mais leurs états sont remontés individuellement.

Les adresses individuelles et de groupe du luminaire sont mémorisées dans le ballast.

• Celui-ci mémorise aussi les certains réglages :

 Consigne en cas de perte de connexion

 Niveaux min et max

 Temps de montée/descente

 …

• Enfin, un contrôleur DALI permet de définir 16 scènes. Le rappel d’une scène positionne les luminaires concernés (ayant le numéro de scène correspondant mémorisé) dans l’état défini par la scène.

Note : Un ballast peut être appelé par plusieurs scènes.

Octet d’adresse :

• Si Y='0' → Adressage individuel sur les bits A5....A0

• Si Y='1' → Adressage de groupe sur les bits A3....A0 ( dans ce cas : A5=A4='0')

• Si tous les bits sont à '1' → Adresse de diffusion (« broadcast ») : commande générale s'adressant à tous les ballasts présents sur la ligne.

 Exercice :

- Écrire l'octet permettant de s'adresser individuellement au ballast n°55

- Écrire l'octet permettant de s'adresser au groupe de ballasts n°12

Ch2 : Bus DALI 51 2019-2020

Le bit de sélection S de l'octet d'adresse (cf page précédente) indique que :

→ la donnée qui suit est une valeur de varia on si S='0'

→ la donnée qui suit est une instruc on de commande si S='1'

Rq : Si l'octet d'adresse commence par 101 ou par 110, il s'agit d'une instruction de commande étendue spéciale.

Octet de données :

52

 Dans le cas où S = '0' :

la valeur de luminosité est codée par un nombre N compris entre 0 et 255 selaon la formule

suivante :

N = 255/3 x log (P)

Où P est la puissance électrique désirée exprimée en millième de la puissance nominale du luminaire.

On pourra utiliser l'abaque suivant pour établir la correspondance →

Ch2 : Bus DALI 53 2019-2020

 Dans le cas où S = ‘1' :

L'octet correspond à une commande prédéfinie dont voici quelques exemples :

- commande 0 : "OFF" commande qui permet l'extinction immédiate de la lampe

- commande 6 : "RECALL MIN LEVEL" commande qui permet le réglage de luminosité à la valeur minimale

- commandes 16 à 31 : "GO TO SCENE" commande qui permet d'obtenir le réglage mémorisé dans le scénario considéré (XXXX indique le numéro du scénario : 0 à 15)

- commandes 96 à 111 : "ADD TO GROUP" commande qui permet d'ajouter le ballast au groupe considéré (XXXX indique le numéro du groupe : 0 à 15)

- commande 146 : "QUERY LAMP FAILURE" commande qui demande si la lampe dont l'adresse est spécifiée présente un problème. La réponse sera "Yes" ou "No"

- L'octet de donnée d'une réponse est du type "Yes", "No", ou information 8 bits exemple : "Yes" commande

 Exercice :

• Écrire la trame permettant l'appel de la scène 5 pour l'ensemble des ballasts connectés au bus.

• Représentez le chronogramme de la tension différentielle correspondante sur le bus. On prendra le front montant pour le '0' logique.

Ch2 : Bus DALI 55 2019-2020

La norme DALI, qui couvre tous les constructeurs, garantit l'interchangeabilité et l'interopérabilité des équipements de différents fabricants. Exemples de composants DALI :

4 – Aspects matériels & logiciels

• Intégration de DALI dans un système de GTB global :

Ch2 : Bus DALI 57 2019-2020

57

• Utilisation de passerelles KNX/DALI pour intégration dans un réseau KNX :

Le logiciel Wago DALI configurator utilisé en TP permettra le paramétrage des ballasts (adresses, scènes etc…) :

2019-2020 59

Enocean

2 – Structure des Trames

3 – Fonctionnalités & Profils

4 –Equipment

60

EnOcean est une technologie sans fil et sans pile basée sur des émetteurs radio à très faible consommation.

Les émetteurs puisent leur énergie dans l’environnement : cellules photovoltaïques, interrupteur piézo-électrique.

 Quelques données Techniques :

 Fréquence : 868.3 MHz

 Puissance à l’émission : 10mW

 Identifiant UNIQUE, sur 32 bits, fixé en usine pourchaque émetteur

 Trames de données très courtes

 Faible rayonnement électromagnétique (100 fois moins qu’un téléphone mobile)

 Portée : 100m en champ libre, 30m placo, 20m brique

1 – Concept

Ch3 : Enocean 61 2019-2020

Caractéristique de la modulation utilisée :

62

 Avantages :

 Installation aisée : libre positionnement des capteurs

 Réduction de la pollution : Pas de fil, pas de saleté, pas de pile (et donc pas d’élimination des piles)

 Économies d’énergie

 Avantages au niveau coût

 Flexibilité et confort

 Simplicité de commande

Ch3 : Enocean 63 2019-2020

63

2 – Structure d’une trame :

64

• Le type de télégramme radio :

→ 0xA5 : « 4BS Telegram » = donnée sur 4 octets (4 bytes sensor)

→ 0xD5 : « 1BS Telegram » = donnée capteur sur 1 octet

→ 0xF6 : « RPS Telegram » = données booléennes sur 1 octet

L'identifiant inclue une fonction et un type, qui, en complément du champ RORG identifie précisément le comportement de l'équipement et permet son interopérabilité /

interchangeabilité avec d'autres produits proposés par d'autres fabricants…

Ch3 : Enocean 65 2019-2020

65

• Les fonctions de base (FUNC) :

3 – Fonctionnalités et profils :

66

• Les types de dispositifs (TYPE) :

Ch3 : Enocean 67 2019-2020

67

• Exemples de profils (RORG + FUNC +TYPE)

68

Ch3 : Enocean 69 2019-2020

69

 Emetteurs : Gamme d’interrupteurs, Contacts magnétique, Détecteur de présence, régulateurs, télécommandes...

4 – Equipements :

70

 Récepteurs : Contrôleurs de GTC, ou simples actionneurs

Contrôleur Wago muni d’un récepteur Enocean,

Actionneur Ubiwizz à 2 sorties relayées

Ch3 : Enocean 71 2019-2020

Ch3 : Enocean 73 2019-2020