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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Rede domótica compatível com KNX Flávio José da Silva Oliveira

VERSÃO FINAL

Relatório de Preparação da Dissertação realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Major Automação Orientador: Prof. Dr. Mário de Sousa

2013-02-13


© Flávio Oliveira, 2013

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Resumo

A tecnologia tem evoluído a um ritmo incrível, impondo novas regras ao mundo em que vivemos, sendo nós próprios mesmo que inconscientemente, forçados a adaptarmo-nos a este ritmo e a este processo evolutivo, tendo o Ser Humano ficado dependente desta tecnologia. A Domótica, resulta da simbiose desta evolução com a necessidade de conforto e sustentabilidade inerente a cada um de nós. Neste documento apresenta-se o trabalho realizado no âmbito da unidade curricular de Preparação da Dissertação, onde se dá principal enfase à revisão bibliográfica necessária à integração dos conceitos fundamentais sobre CAN e KNX integrados no projeto a realizar. Apresenta-se também de uma perspetiva generalizada sobre os mais populares sistemas de Domótica e ainda se clarifica o planeamento do trabalho a desenvolver na dissertação.

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Abstract

Technology has evolved at an astonishing rhythm, creating new rules for our world, making ourselves unconsciously forced to adapt to this rhythm, to this evolutionary process and leading to a present state where Human Being become dependent on this technology. Home Automation (Domotics), is the final product of a symbiosis between this present technology and the need for comfort and sustainability inherent in each of us. This document shows the work done within the course Preparação da Dissertação where the main emphasis is given to the literature review required to integrate the main concepts covered in the project, CAN and KNX. It is also presented a general overview about the most known systems of Home Automation finishing with description of the working plan for the course Dissertação in the last chapter.

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Índice

Resumo ............................................................................................ iii Abstract............................................................................................. v Índice ...............................................................................................vi Lista de figuras ................................................................................... vii Abreviaturas e Símbolos ....................................................................... viii Capítulo 1 .......................................................................................... 1 Introdução ........................................................................................................ 1 1.1 - Motivação ............................................................................................... 1 1.2 - Objetivos da dissertação ............................................................................. 2 1.3 - Estrutura do documento .............................................................................. 3

Capítulo 2 .......................................................................................... 4 Revisão bibliográfica ............................................................................................ 4 2.1 - Perspetiva geral sobre sistemas de Domótica .................................................... 4 2.2 - Protocolo KNX .......................................................................................... 8 2.2.1 - Componentes do Sistema KNX ............................................................ 10 2.2.2 - Topologia ..................................................................................... 11 2.2.3 - Formato da trama .......................................................................... 12 2.3 - Protocolo CAN ........................................................................................ 13 2.3.1 - Lógica de barramento ..................................................................... 13 2.3.2 - Modo standard e modo estendido........................................................ 14 2.3.3 - Formato da trama .......................................................................... 15 2.3.4 - Prioridades ................................................................................... 16

Capítulo 3 ......................................................................................... 18 Planeamento .................................................................................................... 18 3.1 - Lista de tarefas ...................................................................................... 18 3.2 - Planeamento do trabalho .......................................................................... 19

Referências ....................................................................................... 23

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Lista de figuras

Figura 1: Mercados de Domótica no Mundo ...............................................................5 Figura 2: Representação da união dos sistemas de Domótica em um só .............................7 Figura 3: Interação entre meios de comunicação e configuração ................................... 10 Figura 4: Octetos KNX ....................................................................................... 11 Figura 5: Rede KNX com as várias áreas e sub-redes .................................................. 12 Figura 6: Trama de KNX..................................................................................... 12 Figura 7: Lógica de barramento CAN ..................................................................... 14 Figura 8: Trama Estendida e Trama Standard do protocolo CAN .................................... 15 Figura 9: Comunicação entre dispositivos no barramento CAN ...................................... 16 Figura 10: Prioridade entre Nodos no barramento CAN ............................................... 17 Figura 11: Gráfico de Gantt, parte 1 ..................................................................... 20 Figura 12: Gráfico de Gantt, parte 2 ..................................................................... 21

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Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas Lonworks

Local Operation Network

CAN

Control Area Network

KNX

Protocolo da associação Konnex

FEUP

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

CEbus

Consumer Electronics Bus

EIB

European Installation Bus

EHS

European Home Systems

HBS

Home Bus Systems

HES

Home Electronic System

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Capítulo 1 Introdução Neste capítulo pretende-se fazer uma introdução ao trabalho que foi desenvolvido no âmbito da unidade curricular de Preparação de Dissertação e que posteriormente será aprofundado na Dissertação.

1.1 - Motivação A natureza procura sempre alcançar o estado de repouso, o estado onde as perdas de energia são mínimas, onde a entropia é menor. Nós, como seres humanos pertencentes a este infindável sistema, agimos segundo um subconsciente involuntário de forma a alcançarmos também os mesmos princípios, as mesmas normas que o universo em que estamos integrados se rege. A Domótica nasce assim, potenciando a integração de soluções já em exploração, como a gestão técnica e comunicações das habitações, com novas soluções relacionadas com o conforto, segurança e a racionalização dos consumos energéticos. Segundo [1] o termo “Domótica”, bem como as primeiras implementações desta tecnologia, surgiram em França, nos anos 70. Derivando da palavra “Domus” (“casa” em Latim) e da mistura entre os termos ”Informática + Eletrónica”, esta nova tecnologia As tecnologias existentes na altura baseavam-se em sistemas centralizados, requerendo a existência de uma unidade central que desempenhando o papel de “cérebro” da casa, controlava todas as suas funções. A primeira evolução destes sistemas, passou pela duplicação e hierarquização desta unidade central, aparecendo então os sistemas distribuídos. Os sistemas distribuídos tiveram um papel relevante no início dos anos 80, evoluindo no final da mesma década para sistemas integrados. Alguns destes sistemas não foram anulados com a evolução que se verificou nesta área e ainda hoje existem tecnologias cujo aparecimento remonta à década de 70.


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Com a evolução de algumas destas tecnologias e o aparecimento de muitas outras, encontramos hoje no mercado uma grande variedade de soluções de Domótica. As tecnologias proprietárias têm como base um protocolo fechado, limitando por isso o desenvolvimento de equipamentos a fabricantes, que não os responsáveis pela mesma. As tecnologias standard, são usualmente fruto de uma aliança entre vários fabricantes. Os seus protocolos de comunicação são conhecidos, e por isso qualquer fabricante que respeite todas as suas normas, e que as submeta a aprovação por parte dos comités responsáveis, pode desenvolver novos produtos, aumentando a oferta de funcionalidades disponíveis nestas soluções. O KNX, sendo resultante da integração de três protocolos europeus, tem vindo a angariar cada vez mais cota no mercado europeu, sendo hoje o standard mais forte e mais popular neste mercado, partilhando mais de 70% do valor total de mercado na Europa [2]. Em Portugal entram-se já algumas desenvolvidas algumas soluções proprietárias como as ofertas da Simon [3], Vivimat [4], Cardio [5], Comunitec [6], projetadas exclusivamente por empresas nacionais. Sendo esta uma tecnologia na qual o meu interesse em trabalhar e desenvolver soluções é bastante elevado e tendo como ponto de que esta tecnologia esta em franca evolução no mercado

emergente

do

nosso

pais,

constitui

assim

motivação

deste

trabalho

o

desenvolvimento de uma gateway capaz de integrar e estabelecer a comunicação entre dispositivos KNX existentes na FEUP e a solução desenvolvida no âmbito de uma dissertação de Mestrado, onde o KNX está implementado sobre o protocolo CAN.

1.2 - Objetivos da dissertação Os objetivos do trabalho a desenvolver durante a dissertação são: 1. Propor uma estrutura capaz de traduzir o protocolo CAN, sobre o qual o projeto desenvolvido anteriormente assenta, para o protocolo TCP/IP de forma a posteriormente tratar estes dados. 2. Programação, desenvolvimento e teste de um sistema capaz de estabelecer a comunicação entre o equipamento já desenvolvido sobre CAN e um protocolo KNX sobre TP1existente na FEUP. 3. Migração deste sistema para uma plataforma embebida 4. Validação experimental da solução apresentada 5. Comparação dos resultados obtidos com os resultados pretendidos

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1.3 - Estrutura do documento O âmbito deste trabalho insere-se nas áreas das redes de controlo e automação e protocolos de comunicação, com o intuito de desenvolver uma integração entre duas redes distintas mas com um mesmo conceito em comum, o KNX. Assim, e de forma a ter um posicionamento e uma melhor compreensão do projeto a desenvolver, constituiu-se como tarefa principal a desenvolver no âmbito da unidade curricular de Preparação da Dissertação a análise do sistema desenvolvido anteriormente e sobre o qual se vai trabalhar e estudo sobre vários sistemas de Domótica. No capítulo 2, apresenta-se uma visão sobre os mais populares sistemas de Domótica existentes em diversas partes do globo focando algumas das suas principais características e dando um interesse especial aos projetos desenvolvidos em Portugal e que começam cada vez a emergir. É dada uma explicação detalhada sobre KNX, CAN e TCP/IP, protocolos de comunicação necessários ao desenvolvimento deste projeto. A escolha do gateway CAN/TCP bem como o estudo da implementação do projeto KNX/CAN será realizada posteriormente no início do trabalhado da dissertação, pois sendo esta uma unidade curricular com o peso de 3ECTS, optou-se por dar um maior ênfase à obtenção de conhecimentos no âmbito dos protocolos de comunicação a aplicar. No capítulo 3, é figurado o plano de atividades a desenvolver na Dissertação, onde se listam as principais tarefas e se mostra a evolução temporal das mesmas, por forma a cumprir os objetivos previamente definidos. Por fim, são apresentadas as referências bibliográficas que suportam este documento.


Capítulo 2 Revisão bibliográfica Pretende-se neste capítulo mostrar a procura bibliográfica feita para o envolvimento no contexto do sistema a desenvolver, focando os protocolos de comunicação necessários.

2.1 - Perspetiva geral sobre sistemas de Domótica Com a evolução da tecnologia atualmente a diversidade de soluções existentes ao nível da Domótica é grande, pondo à disposição do utilizador um vasto leque de tecnologias fundamentadas em soluções proprietárias e soluções standard. As tecnologias proprietárias têm como base um protocolo fechado que limita o desenvolvimento de equipamentos a fabricantes que não os proprietários das mesmas. Desta forma estes sistemas são desenvolvidos e lançados por um único grupo de fabricantes. As tecnologias standard são usualmente fruto de uma aliança entre vários fabricantes, o que facilita e promove o desenvolvimento dos protocolos de comunicação, visto que estes são abertos e conhecidos. Com isto, qualquer fabricante que respeite as normas de desenvolvimento e que se submeta a aprovação por parte dos comités responsáveis, pode desenvolver novos produtos, aumentando a oferta de funcionalidades disponíveis para estas soluções. No mercado Norte-Americano, há duas tecnologias standard de peso, o Lonworks e o X10, a concorrer com o CEBus (Consumer Electronic Bus) e variadas tecnologias proprietárias. Destas, o pioneiro X10, foi o que mais cedo conseguiu penetrar noutros mercados, como o Europeu, onde ainda hoje é dono de uma cota de mercado, ainda que pequena. O Lonworks ganhou terreno no mercado dos edifícios, devido à sua fiabilidade, robustez e capacidade de


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resposta na oferta de soluções. Nos últimos anos as mesmas razões motivaram o aparecimento de uma cota de mercado, que tem vindo a aumentar, na Europa. O CEbus concorre com estas duas tecnologias, usando como grande trunfo face ao X10, a fiabilidade e robustez, e face ao Lonworks, os preços mais reduzidos. No que diz respeito a sistemas proprietários, Hai e Amazing são dos que mais se destacam na vastíssima oferta do mercado Norte-Americano, não só pelo peso que têm no seu mercado mas também por terem conseguido emergir, ainda que de forma reduzida, no mercado Europeu. O mercado Europeu deu os primeiros passos com o X10. Após o aparecimento de algumas tecnologias proprietárias, e dinamizado pela Siemens, surge o primeiro standard europeu – o EIB. Este alcançou o seu sucesso devido ao grande número de fabricantes de peso que se lhe associaram (são hoje mais de 100 os fabricantes a apostar nesta tecnologia). Á poucos anos o EIB foi alvo de uma integração com outros dois protocolos que conseguiram angariar alguma cota do mercado europeu, o EHS e o Batibus. Como resultado desta integração aparece então, em 2006, o KNX [10]. Um standard ainda mais forte que pretende dominar por completo o mercado Europeu. À semelhança do que aconteceu nos mercados internacionais, também na Europa proliferaram

as

tecnologias

proprietárias.

Em

Portugal

as

que

possuem

mais

representatividade, em termos de cota de mercado, são as ofertas da Simon (Versões Vis, Vox e mais recentemente Vit@), Vivimat, Cardio e Comunitec. A última década foi marcada, no nosso

país,

pelo

aparecimento

das

primeiras

soluções

proprietárias

exclusivamente por empresas nacionais como já referido anteriormente.

Figura 1: Mercados de Domótica no Mundo [11]

desenvolvidas


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As diferenças entre as várias tecnologias existem a diversos níveis, sendo por isso necessário analisar vários aspetos aquando da eleição de uma solução de Domótica. De entre várias características apresentam-se as que, devido ao seu maior relevo, se destacam [7] [11]: 

Sistemas centralizados ou distribuídos;

Standard’s ou Tecnologias Proprietárias;

Meio Físicos de Comunicação: Powerline, Par entrançado, Cabo Coaxial, Rádio Frequência, Infravermelhos,…;

Topologias Físicas: Bus, Estrela, Malha,...;

Maior ou menor dependência de outras infra-estruturas;

Fiabilidade;

Preço;

Nº de Funcionalidades Disponíveis.

Com o desenvolvimento

e aparecimento de novas tecnologias, o número de

funcionalidades disponíveis, bem como a integração entre as mesmas, é também hoje mais significativo. Atualmente, facilmente encontramos no mercado uma solução que nos ofereça as seguintes funcionalidades [7] [11] base: Segurança 

Controle de Acessos (Cartões Magnéticos, Biometria...);

Deteção de Intrusão;

Deteção de Inundação;

Deteção de Incêndio;

Deteção de Gases;

Deteção de Situações de Emergência;

Urgências Médicas;

Apoio Domiciliário;

Videovigilância;

Simulação de Presença.

Conforto 

Controlo de Iluminação (On/Off, Automática, Variação de Fluxo Luminoso);

Controlo de Estores;

Controlo de Aquecimento / Refrigeração / Ventilação;

Controlo de Eletrodomésticos;

Controlo de Rega;

Controlo de Motores (Portões, Portas).

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Integração de Sistemas 

Sistemas Hi-Fi;

Sistemas Vídeo;

Redes Locais e Internet;

Sistema de Vídeo Porteiro.

Gestão 

Local a partir de Teclas de Aparelhagem;

Local a partir de Sensores (Movimento, Luminosidade, Temperatura, Humidade...);139

Local a partir de Ecrãs Tácteis;

Local a partir de um PC;

Remota via Internet (E-mail, Browser);

Remota via Telefone Móvel (GSM, UMTS, 3G);

Remota via Telefone Fixo (Voz, Códigos Numéricos).

O HES [8], é um standard mundial em desenvolvimento e sobre a avaliação da ISO(International Organization of Standardization) e da IEC(International Electrotechnical Commission) de Geneva, onde participam diversos países, numa tentativa de integração de todos os sistemas. O objetivo principal é especificar software e hardware para a integração, para tal específica: uma interface universal, um HomeGate que especifica uma gateway para ligação da rede com o exterior e finalmente métodos, modelos, para interoperação das redes. Infelizmente a informação disponível sobre este novo standard é muito escassa.

X10 CEBus

EHS EIB Batibus

LonWorks

KNX

HBS

HES – Home Electronic System Figura 2: Representação da união dos sistemas de Domótica em um só


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2.2 - Protocolo KNX O KNX é um protocolo de automação desenvolvido por um conjunto de empresas líderes no mercado europeu do material elétrico, com o objetivo de criar um sistema standard Europeu que integra três grandes tecnologias de automação e permite a comunicação entre todos os dispositivos de uma instalação. Facto que constitui uma barreira às importações de produtos e sistemas semelhantes, produzidos nos mercados Japonês e dos Estados Unidos da América, onde estas tecnologias possuem, um grau de maturidade superior ao produzido na Europa. O KNX possui uma arquitetura descentralizada. Ele define uma relação elemento a elemento entre os dispositivos, o que permite distribuir a inteligência entre os sensores e atuadores instalados. Apesar de no início se usar unicamente um cabo do tipo telefónico como meio físico para a comunicação, procurou-se estender as capacidades do KNX, de forma a funcionar sobre os seguintes meios físicos [9]: 

KNX.TP: Sobre o par de condutores a 9600 bits/s. Igualmente por estes dois fios é fornecida a alimentação a 24 Vdc para os participantes. Usa o protocolo de comunicação CSMA-CA onde são evitadas as colisões, maximizando a largura de banda disponível. Foi o primeiro meio de comunicação a ser disponibilizado e é o único a ter expressão. Todos os outros, pouco mais conseguiram que algumas instalações ou aplicações de referência.

KNX.PL: Transmite o sinal por correntes portadoras comunicando a 1200 bit/s sobre os 230V/50Hz. Usa a modulação SFSK (Spread Frequency Shift Keying), semelhante á FSK mas com maior separação entre as portadoras. A distância máxima sem repetidor é de 600 metros.

KNXnet.IP: Utiliza a rede Ethernet a 10 Mbit/s (IEC 802-2). É usado como linha tronca entre linhas e/ou áreas do EIB, permitindo a transferência de telegramas EIB através do protocolo IP entre instalações muito afastadas. Antes este problema era resolvido utilizando modems EIB e a rede telefónica comutada.

KNX.RF: Transmite o sinal por radiofrequência, conseguindo-se distâncias até 300 metros em campo aberto. Para maiores distâncias podem ser usados repetidores. Também para ser usado no interior das casas ou dos edifícios.

KNX.IR: Transmite o sinal por infravermelho, até uma distância máxima de aproximadamente 12 metros. Ideal para o uso com comandos à distância em salas ou salões onde se pretende controlar os dispositivos EIB instalados se o número destes ou as distâncias a cobrir estão dentro do limite indicado.

8


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Como já referido anteriormente, o protocolo KNX foi desenvolvido integrando o EIB, EHS e o Batibus, 3 pilares da Domótica europeia que juntos competem em qualidade, robustez e fiabilidade com sistemas Norte Americanos. Estes fatores sustentam a BSRIA (Building Services Research and Information Association) num estudo de mercado europeu sobre casas inteligentes realizado no ano de 2011, o protocolo KNX é o mais popular no mercado Europeu, partilhando mais de 70% do valor total de mercado, num valor total de 600 milhões de euros e tendo como maior produtor e consumidor de soluções de Domótica a Alemanha. Atualmente, o KNX contempla três modos de funcionamento: 

S-mode (System mode): a configuração do modo sistema usa a mesma filosofia que o EIB atual, isto é, os diversos dispositivos ou modos da nova instalação, são instalados e configurados por profissionais com ajuda de um software (ETS) especialmente concebido para este propósito. Este modo está pensado para o uso em instalações mais complexas que impliquem um elevado nível de integração e de funções a implementar. Os dispositivos S-mode só poderão ser comprados através de distribuidores especializados.

E-mode (Easy mode): na configuração do modo simples os dispositivos são programados em fábrica para realizar uma função concreta. Mesmo assim devem ser configurados alguns detalhes no local da instalação mediante o uso de um controlador (como uma porta residencial ou uma set-top-box) ou mediante microinterruptores alojados nos dispositivos (semelhante ao X-10 ou outros dispositivos proprietários que há no mercado).

A-mode (Automatic mode): na configuração do modo automático, com uma filosofia Plug&Play, nem o instalador nem o utilizador final têm de configurar o dispositivo. Este modo será especialmente indicado para ser usado em eletrodomésticos e equipamentos de entretenimento (consolas, set-top boxes, áudio e vídeo).

A Figura 4 representa uma ilustração do que foi descrito a cima, mostrando a interação entre os vários meios de transmissão e os três diferentes modos de configuração, utilizando para configuração e programação dos dispositivos o programa ETS

(Engeneering Tool

Software). Este software, que se comporta como mestre de configuração sempre que se encontra ligado ao barramento, permite a criação do projeto, a escolha dos produtos a utilizar, a atribuição dos endereços físicos, a criação dos endereços de grupo e a parametrização dos produtos.


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Figura 3: Interação entre meios de comunicação e configuração

Voltando a focar o meio físico de suporte e dando destaque ao par de condutores e correntes portadoras, enumeramos os meios físicos sobre os quais o novo standard poderá ser adaptado: 

Par de condutores (TP1): aproveitando a norma EIB equivalente.

Par de condutores (TP0): aproveitando a norma Batibus equivalente.

Correntes portadoras (PL100): aproveitando a norma EIB equivalente.

Correntes portadoras (PL132): aproveitando a norma EHS equivalente.

Ethernet: aproveitando a norma EIB.net.

Radiofrequência: aproveitando a norma EIB.RF

Infravermelhos: aproveitando a norma EIB:IR

2.2.1 - Componentes do Sistema KNX Os componentes do sistema KNX são componentes que suportam as operações básicas do sistema, encontrando-se entre eles o Bus Coupling Units (BCU), os Line Couplers (LC), os Área Couplers, os Repeaters, etc [13]. O “repeater” é um repetidor de sinal para as redes par entrançado. A sua função é regenerar os sinais elétricos permitindo assim criar redes maiores, necessárias a edifícios grandes. O “Line Coupler” garante a filtragem e o encaminhamento dos pacotes de dados, da rede principal para o seu segmento e vice-versa, o que implica uma melhor gestão do tráfego global da rede, ou seja, este componente une ramificações da rede KNX à rede principal [15]. O “Area Coupler” tem um funcionamento semelhante ao “Line Coupler”. No entanto, serve para ligar uma área à linha Backbone da rede a que pertence.

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O Bus Coupling Units (BCU) tem como funcionalidade interligar dispositivos KNX à rede física. Estes podem ser dispositivos independentes através dos quais os módulos de aplicação se conectam à rede ou, em alternativa, podem estar integrados nestes dispositivos. Um BCU é composto por um módulo de transmissão e um módulo controlador (Communication Controler). O módulo de transmissão é responsável pelo envio e recepção de dados da rede.

2.2.2 - Topologia O KNX é uma rede distribuída que pode ter até 65536 dispositivos com endereços individuais de 16 bit podendo ser esses endereços de dois tipos: de grupo ou individual. Normalmente, a denotação dos endereços é feita da seguinte forma “x.x.xx”, em que cada “x” representa um número decimal de 4bits. Deste modo, podemos construir endereços desde 0.0.00 até 15.15.255. O endereço de grupo não necessita de ser único, pelo que um dispositivo pode ter mais do que um endereço de grupo, por exemplo, um sensor pode fazer atuar vários dispositivos que estejam num grupo ou, apenas só um, através do endereço único do dispositivo a atuar.

Figura 4: Octetos KNX

Como referido, o endereço individual é único em cada dispositivo EIB/KNX e na denotação (“x.x.xx” em que cada x=4bits), o primeiro número decimal corresponde ao endereço da área, que são os 4 bits MSB do octeto 0 e o segundo número decimal, corresponde ao endereço da linha e são os 4 bits LSB do octeto 0. O octeto 1 é o que tem o endereço do dispositivo e corresponde ao terceiro número decimal na denotação dos endereços com dois pontos. Como apenas 8bits representam o endereço do dispositivo, assim o número máximo de dispositivos é 256. A Figura 6 ilustra um exemplo de uma rede KNX com o backbone onde são ligadas várias áreas que contém as diversas sub-redes.


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Figura 5: Rede KNX com as várias áreas e sub-redes

Cada área tem uma linha principal (main line) onde vão ser ligadas as várias sub-redes que se denominam por linhas. Em cada área é possível ter até 15 linhas pois o seu endereçamento utiliza apenas 4bits e o endereço 0 é reservado para o acoplador entre a linha principal e o backbone. Ligados ao backbone poderemos ter também no máximo 15 áreas pois o seu endereçamento utiliza também 4 bits e o endereço 0 é reservado para definir os dispositivos KNX que se ligam diretamente ao backbone.

2.2.3 - Formato da trama Na Figura 7 podemos verificar a estrutura de uma trama normal EIB/KNX. As tramas não estendidas (atualmente suportadas por poucos dispositivos), são semelhantes às tramas normais, ou seja, não estendidas, com a diferença de suportarem um tamanho máximo de 254 octetos, o que revela ser muito superior na quantidade de octetos suportados por cada trama, uma vez que as tramas do tipo não estendido, apenas suportam 22 octetos.

Figura 6: Trama de KNX

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O campo Control Field identifica a prioridade da trama bem como o seu tipo, isto é, se esta se trata de uma trama normal ou de uma trama estendida. Os campos Source Address e Destination Address contêm os endereços de origem e destino da trama. O endereço de origem é sempre um endereço físico mas, o endereço de destino pode ser um endereço físico ou um endereço de grupo. O campo Address Type da trama irá fornecer a identificação do tipo de endereço utilizado, ou seja, se é um endereço de grupo ou individual. O campo NPCI Length contém o número máximo de saltos (hops) da trama, para que em cada router faça a decrementação deste número, até que este chegue a zero, sendo então a trama descartada. O campo TPCI (Transport Layer Protocol Control Information) administra as relações de comunicação da camada de transporte, como por exemplo, para estabelecer e manter uma ligação ponto-a-ponto, e o campo APCI (Application Layer Protocol Control Information) controla os serviços da camada de aplicação (leitura, escrita, resposta…) que estão disponíveis entre os intervenientes da comunicação. Os octetos que se seguem são referentes aos dados a enviar e dependendo, evidentemente, da função pretendida, podem ocupar até 14 octetos numa trama normal. Para os casos em que é necessário transferir dados superiores a 14 octetos, por exemplo em caso de o utilizador pretender carregar uma aplicação para um BCU, é necessário separar os dados em várias tramas, sendo essa operação do encargo da ferramenta de gestão. Por último, o campo Frame Check permite corroborar a solidez e fiabilidade da trama.

2.3 - Protocolo CAN Desenvolvido na década de 1980, pelo grupo alemão BOSH, este protocolo foi projetado para uma rápida troca de dados entre controladores eletrónicos em veículos motorizados, na indústria automóvel. Rapidamente e devido ao seu bom comportamento, fiabilidade, robustez e baixo custo, passou a ser aplicado também em diversos sistemas industriais como linhas de produção, robótica, aparelhos médicos, gruas, barramento interno de máquinas, controlo de máquinas descentralizadas ou apenas para ligar com um só cabo, blocos de sensores [4]. CAN é um protocolo síncrono dirigido à mensagem, isto é, identifica mensagens como um número máximo de dados de 8 bytes e não equipamentos, sendo a comunicação por eventos. Podem-se desenvolver comunicações do tipo mestre/escravo, peer-to-peer e broadcast, onde a respetiva gestão da rede é do tipo mestre/escravo.

2.3.1 - Lógica de barramento A representação lógica deste protocolo é tida em dois valores, “0” e “1”, sendo reconhecidos como bits dominantes ou recessivos, respetivamente.


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Figura 7: Lógica de barramento CAN

Os dados enviados pelo barramento, são interpretados através da diferença de tensão entre VCAN_H e VCAN_L, dai também que um nome muito comum para o barramento CAN seja par entrelaçado diferencial. Este conceito, atenua em grande escala defeitos e ruidos com origem em interferências eletromagnéticas, uma vez que que qualquer perturbação causada é sentida por ambos os fios, causando um flutuação mutua com o mesmo sentido e intensidade. Atendendo a que a interpretação é feita pela diferença de potencial entre CAN_H e CAN_L, a comunicação não será alterada por interferências eletromagnéticas.

2.3.2 - Modo standard e modo estendido Um módulo que assenta a transmissão em CAN, para efetuar uma transmissão verifica primeiro o estado do barramento para assegurar que este não se encontra ocupado por um módulo com maior prioridade evitando assim múltiplo acesso ao barramento. Na situação de vários módulos pedirem acesso ao barramento ao mesmo tempo, o sistema com menor prioridade para a sua transmissão e entra em modo de leitura. O de maior prioridade continua a transmissão sem ter de reiniciar a mesma. Esta técnica é denominada de CSMA/CD+AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Non-Destructive Arbitration). Atualmente este protocolo conta com duas versões distintas [12] que não podem ser combinadas num mesmo sistema, pois funcionam com diferentes taxas de transmissão. A primeira versão, conhecida como Standard CAN version 2.0A com 11 bits identificadores tem também duas áreas de aplicação diferentes. Uma para aplicações até 125kbps e outra de 125kbps até 1Mbps. A mais recente atualização originou então a versão a que vulgarmente se dá o nome de Extended CAN version 2.0B, pois está é dotada de um modo estendido de 29bits.

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2.3.3 - Formato da trama Existem 4 tipos de mensagens: a Data Frame, a Remote Frame, a Overload Frame e a Error Frame. A Data Frame é uma trama cujo propósito é transportar informações correntes do sistema, ou seja, sempre que for necessário enviar dados. A trama Remote Frame é utilizada quando necessário solicitar informações do sistema. A Overload Frame consiste numa mensagem que serve para indicar que o dispositivo se encontra ocupado. Sempre que um dispositivo se encontra ocupado para atender mensagens provenientes de outros dispositivos, este responde com uma mensagem Overload Frame. A Error Frame é uma mensagem característica que serve para indicar que não foi possível enviar uma mensagem de controlo por ser recessiva.

Figura 8: Trama Estendida e Trama Standard do protocolo CAN

Pela análise da Figura 9 podemos observar a estrutura da trama das duas versões de CAN. O bit SOF indica o início da trama, seguido de um campo indentifier de 11bits que representa, como já referido anteriormente, a prioridade da mensagem a enviar. Quanto menor for o valor lógico deste campo maior será a prioridade. O Campo RTR é usado quando um recetor pretende pedir uma informação a um transmissor. Como já foi referido, existem dois tipos de formatos de tramas (2.0A e 2.0B) onde essa identificação é feita através do campo IDE de um bit que, em caso de ser um bit dominante, indica que estamos na presença de uma trama do tipo CAN 2.0A, ou seja, que não serão utilizados bits de endereço extra (CAN 2.0B). Os restantes campos são de interpretação bastante fácil, onde R0 é apenas um bit reservado seguindo o campo DLC (4bits) e DATA (64bits), onde estes representam o tamanho da informação a transmitir e a informação em si, respetivamente. O campo CRC


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(teste de redundância cíclica) serve para deteção de erros de envio que é comum em vários tipos de protocolos. ACK representa o campo de validação da mensagem seguindo de EOF de 7bits indicadores de final da trama e de verificação do “bit stuffing”. O formato da trama Extended CAN é de certa forma idêntica à Standadrd CAN mas, contendo mais 18 bits para o campo de identificação. No local onde se encontrava o RTR agora encontra-se o bit SRR que apenas preenche o espaço com um bit recessivo. O Bit R1 tal como o R0 são bits reservados.

2.3.4 - Prioridade entre módulos Um transmissor envia uma mensagem para o barramento onde cada dispositivo decide, com base no endereço recebido, se deve processar a mensagem ou não, como ilustra a Figura 11. A

C

B

D

Figura 9: Comunicação entre dispositivos no barramento CAN

Pode-se observar na Figura 10 que o dispositivo A faz um pedido de envio de informações (RTR) figurado como (1), pedido este que será recebido/aceite pelo dispositivo B, que tem a informação pretendida. Este responde o retorno do pedido com uma trama de dados (representado por 2) que será aceite pelo posteriormente por A e D. Como referido anteriormente, o campo identifier da trama determina a prioridade que a mensagem tem, na concorrência ao acesso ao barramento CAN, dado que mais do que um dispositivo pode tentar comunicar ao mesmo tempo e, para isso, o CAN utiliza um método para selecionar quem terá prioridade na mensagem a enviar. Essa prioridade é feita da forma indicada na Figura 11.

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Identifier

Figura 10: Prioridade entre Nodos no barramento CAN

Assim, é evitada a colisão de mensagens quando mais do que um nó inicia a transmissão ao mesmo tempo, onde cada nó envia os bits do seu endereço (campo identifier) de mensagem e monitoriza o nível do barramento para verificar se o que se encontra no barramento é o que foi enviado por este. Enquanto os bits de todos os transmissores forem iguais não acontece nada, caso contrário, tem prioridade o bit dominante.


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Capítulo 3 Planeamento Neste capítulo apresenta-se o plano de trabalho que se pretende desenvolver na unidade curricular Dissertação. Numa primeira parte são listadas as principais tarefas tendo em vista e atendendo ao cumprimento dos objetivos propostos no capítulo 1. Em seguida é apresentado um diagrama de Gantt onde se mostra este plano já escalonado com os determinados períodos de duração.

3.1 - Lista de tarefas Apresentam-se de seguida as tarefas a desenvolver. 1. Colocação em serviço do projeto KNX/CAN No decorrer da Preparação da Dissertação estudou-se o desenvolvimento deste projeto. É agora necessário colocar este sistema em funcionamento. 2. Escolha de uma estrutura hardware capaz de traduzir o protocolo CAN para TCP/IP Nesta tarefa será necessário especificar os requisitos necessários da interface eletrónica e analisar os diferentes fornecedores. 3. Colocação em serviço do equipamento na FEUP Pretende-se com esta tarefa, analisar o equipamento existente na FEUP, para de seguida se proceder a sua colocação em serviço. 4. Estudo, implementação e teste da gateway entre as duas redes Nesta fase será feita a programação necessária ao desenvolvimento de um sistema capaz de estabelecer a comunicação entre o equipamento já desenvolvido sobre CAN e um equipamento assente no protocolo KNX sobre

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TP1existente na FEUP. 5. Migração deste sistema de gateway para uma plataforma embebida Depois de testada a solução anterior, pretende-se migrar o sistema para uma plataforma embebida e dedicada a este fim. 6. Validação experimental da solução final Nesta fase pretende-se que sejam realizados testes por forma a analisar o desempenho do sistema desenvolvido. 7. Redação da Dissertação Elaboração de um documento relatório, onde são apresentados detalhadamente e de forma estruturada o conhecimento desenvolvido, os métodos adotados, os resultados atingidos e detalhes técnicos de relevância.

3.2 - Planeamento do trabalho É descrito agora o plano de trabalho a realizar durante a dissertação, tendo em conta a distribuição temporal de cada tarefa.


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Figura 11: Grรกfico de Gantt, parte 1

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Figura 12: Grรกfico de Gantt, parte 2


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Referências [1] Documento Técnico - Redes de Comunicação Industrial. Internet: http://www.schneiderelectric.pt/documents/productservices/training/doctecnico_redes.pdf [último acesso em 2013-02-12] [2] KNX Journal. Internet: http://www.knx.org/fileadmin/downloads/07%20%20News%20&%20Press/01%20-%20KNX%20Journal/2012/Journal_2_2012_EN.pdf [último acesso em 2013-02-09] [3] Simon Empresa. Internet: http://www.simon.pt/html/int/Coro/empresa/quees.jsp [último acesso em 2013-02-09] [4] Rede Vivimat. Internet: http://www.estv.ipv.pt/estv/ctic2005/media/AntonioRoque2.pdf [último acesso em 2013-02-09] [5] Cardio, Um coração para o seu lar. Internet: http://www.cardio.pt/quemsomos.php [último acesso em 2013-02-09] [6] Casa Sapiens – Soluções Inteligentes. Internet: http://www.casasapiens.pt [último acesso em 2013-02-09] [7] Domótica Presente e Futuro. Internet: http://www.enei.net/enei2006/documentos/apresentacoes/Dia2_Prof_Renato%20Nu nes_Domotica.pdf [último acesso em 2013-02-13] [8] International Home Automation Standards. Internet: http://hesstandards.org/sc25_wg1_overview.pdf [último acesso em 2013-02-13] [9] KNX, Communication Media. Internet: http://www.knx.org/knxstandard/communication-media/ [ultimo acesso em 2013-02-12] [10] KNX, Standardisation. Internet: http://www.knx.org/knx-standard/standardisation/ [ultimo acesso em 2013-02-10]


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[11] Workshop: A Domótica e a Casa do Futuro. Internet: http://www.aveirodomus.pt/workshop/4%20Domotica/1%20Gra%C3%A7a%20Almeida. pdf [último acesso em 2013-02-11] [12] The CAN Protocol Tour. Internet: file:///C:/Users/Fl%C3%A1vio/Desktop/Disserta%C3%A7%C3%A3o/%5B40%5D%20Websit es/CAN/kvaser.com%20-%20CAN%20Messages,%20page%201%20of%203.htm [ultimo acesso em 2013-02-13] [13] KNX over CANBus. Internet: http://paginas.fe.up.pt/~ee03227/files/rel_pdi_knxcan.pdf [último acesso em 201302-13]

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