Smart Home mit KNX – Grundlagen zum System

Um mit KNX arbeiten zu können, muss man zuerst verstehen, wie das System arbeitet und wie dies aufgebaut ist. Wir wollen Euch in den nächsten Monaten zeigen, wie Ihr mit KNX ein komplettes Haus planen und automatisieren könnt. Dazu schreiben wir Euch anhand sehr vieler Praxisbeispiele, die wir aus aktuellen Projekten der smartfabrik zeigen werden, wie Ihr hier vorgehen könnt. Doch bevor wir mit den einzelnen Tutorials anfangen werden, würde ich gerne über ein paar Grundlagen zum Thema KNX berichten. Diese sind wichtig um zu verstehen, wie das System aufgebaut ist und wie dieses funktioniert. KNX ist kein eigener Hersteller sondern ein Standard, den unterschiedliche Hersteller bedienen können. Das hat zur Folge, dass es Weltweit mehr als 400 Hersteller und Mitglieder gibt, die nach diesem Standard Geräte und Software entwickeln. Die KNX Association gibt dabei den Standard vor, der von allen Herstellern eingehalten werden muss. Daher ist es auch möglich, in einer Installation unterschiedliche Hersteller zu verwenden, ohne das es zu Problemen bei der Kommunikation kommt. Nähere Informationen dazu und welche Rolle EIB dabei spielt, werde ich Euch in späteren Artikel erklären.

Unterschiedliche Medien für KNX

Ein KNX System kann in verschiedenen Formen aufgebaut werden. Jeder kennt wahrscheinlich das grüne EIB / KNX Kabel – mit diesem Kabel wird grundsätzlich eine KNX Installation assoziiert. Es gibt aber auch noch andere Möflichkeiten, den Bus aufzubauen. Diese will ich Euch in diesem Einführungsartikel zu KNX vorstellen. Bei einem Neubau ist fast immer eine KNX TP-Anlage zu finden. KNX kann aber auch in Bestandsimmobilien eingesetzt werden, wo bisher noch keine Busleitung vorhanden ist. Auch können alle Medien, die ich Euch hier kurz vorstellen will miteinander gekoppelt werden. Daher ist es auch ohne weitere möglich, eine bestehende KNX Anlage durch zusätzliche Funkkomponenten (KNX RF) zu erweitern.

KNX Zweitdraht (KNX TP)

TP steht dabei für Twisted Pair und beschreibt die Art des Mediums, mit der der Bus aufgebaut wird. Das EIB / KNX Kabel ist genormt und ist ein YCYM 2x2x0,8 Kabel. Es können auch andere Kabel benutzt werden, hier muss nur unbedingt auf die Verlegeart geachtet werden. Ich werde Euch aber im Verlauf auch noch einen ausführlichen Artikel zum Thema KNX Kabel schreiben. In dem Kabel werden 4 Adern geführt. Ein rot/schwarzes Paar und ein gelb/weißes Paar. Für die Funktion des Bussses wird aber nur das rot/schwarze Paar benötigt. Mit diesen beiden Adern kommt der komplette Bus. Hierüber werden die Teilnehmer mit Energie versorgt und kommunizieren gleichzeitig über dieses Medium.

Die Nennspannung für den Bus beträgt dabei 24V. Ein normales Netzteil (inkl. Drossel) speist 29V in das System ein. Die KNX Teilnehmer sind sehr robust aufgebaut und arbeiten bis zu einer minimalen Spannung von 21V. Somit steht ein Toleranzbereich von 8V zur Verfügung.

Durch die hohe Tolleranz können Kontaktwiderstände an Klemmen, ohmsche Verluste auf langen Leitungswegen ausgeglichen werden. Die Übertragungsrate der Daten beträgt 9600 Bit/s. Das klingt für eine digitale Kommunikation recht wenig, reicht aber für die Art der Telegramme vollkommen aus.

KNX über Ethernet (KNX IP)

Eine weiteres Medium, welches für KNX genutzt werden kann ist das IP Netzwerk. Geräte, die diesen Standard sprechen, kommunizieren ausschließlich über Ethernet / IP miteinander. Es kann sehr vorteilhaft sein, die KNX TP Anlage mit der IP Welt zu verbinden, dadurch können Programmierungen über das Internet vorgenommen werden und weitere Dienste (z.B. Multimedia) mit dem TP Bus verbunden werden. Bei sehr großen Anlagen wird meist ein Backbone aus einer IP Infrastruktur aufgebaut, dadurch wird die Last auf den einzelnen Linien gesenkt. Dies muss aber z.B. durch eine zusätzliche Filterung von Telegrammen unterstützt werden.

Bei der KNX IP Kommunikation kommt das UDP-Protokoll zum Einsatz. Hier gibt es dann zwei unterschiedliche Kommunikationsarten. Das Tunneling und das Routing. Die Details zu beiden verfahren würden an dieser Stelle zu weit führen und sind für die Einführung nicht so wichtig, wir werden an späterer Stelle und mit einem Bezug zur Praxis genauer auf diese Punkte eingehen.

KNX Funk (KNX RF)

Mit KNX-RF wird auch der Funkbereich abgedeckt. Hier sind Geräte verfügbar, die auf der 868 MHz Frequenz kommunizieren. Durch die Nutzung von Funk können so auch Bestandsimmobilien und Orte in KNX eingebunden werden, die sonst über ein Kabel nicht zu erreichen sind. Ich persönlich finde KNX RF sehr interessant, da hier sehr viele neue Einsatzmöglichkeiten für KNX geschaffen werden, die es so in der Vergangenheit nicht gab. Daher werden wir auf dieses „Medium“ in unserem späteren Artikel einen gesonderten Fokus legen. Durch Medienkoppler ist es zudem möglich, eine vorhandene Installation z.B. KNX TP mit KNX RF Geräten zu erweitern. Diese Geräte werden dann unabhängig vom Medium gemeinsam in der ETS Software programmiert. In der Software gibt es bei der Programmierung keinen Unterschied bei den verschiedenen Medien. Diese können gemeinsam verknüpft und programmiert werden.

KNX über Powerline (PL / KNX PL)

Um die Reihe der nutzbaren Medien zu komplettieren sollte an dieser Stelle noch die Übertragung via Powerline genannt werden (KNX PL). Die Signale werden bei diesem Verfahren auf die Netzspannung aufmoduliert. Hierfür werden zwei Frequenzen genutzt 105,6 kHz (logische 0) und 115,2 kHz (logische 1). Die Verbreitung dieser Geräte ist aber kaum relevant. Viele Hersteller bieten keine Geräte für diese Übertragungsart an.

Womit wird KNX programmiert?

Bei der Programmierung unterscheidet sich KNX zu anderen Systeme. Es gibt zwei zentrale Software-Systeme. Zum einen die ETS5, die es in verschiedenen Versionen gibt (kostenlos, Lite und Professional) und das neue ETS Inside System. Da ich einen gerne einen gesonderten Artikel über die unterschiedlichen Software Versionen und auch etwas zu ETS Inside schreiben möchte, will ich diesen Punkt hier im Artikel nicht zu weit vertiefen.

Wie kommunizieren die Geräte miteinander? Brauche ich eine Zentrale?

Auch dieser Punkt unterschneidet ein KNX System sehr stark zu anderen Smart Home Systemen. Für eine KNX Installation wird keine zentrale Steuereinheit benötigt. Die Intelligenz der einzelnen Geräte sitzt im jeweiligen Gerät. Bei der Programmierung werden jedem Gerät physikalische und Gruppenadresse zugewiesen. Über die Gruppenadressen werden die einzelnen Geräte direkt angesprochen.

Die Kommunikation findet direkt zwischen den Geräten statt und muss nicht zuerst über eine Zentrale laufen. Das hat den großen Vorteil, dass so das System sehr robust und stabil ist. Sollte ein Teilnehmer ausfallen, können die anderen Teilnehmer ohne Probleme weiter ihren Dienst verrichten. Die besagte Intelligenz steckt in den Aktoren / Sensoren. Der Umfang dieser Intelligenz ist immer stark von der Software des Herstellers abhängig. Daher sollte beim Kauf von KNX Komponenten auch immer geschaut werden, welche Funktionen diese Geräte zur Verfügung stellen. Auch hierzu werden wir Euch detaillierte Anleitungen und Tutorials schreiben.

Diese Direktverknüpfungen der Geräte lassen sehr viele Funktionen zu, die darüber abgebildet werden können. Für eine „normale“ Installation ist der Umfang der Möglichkeiten mit dieser Methode vollkommen ausreichend. Sollte der Wunsch bestehen, auch komplexere Logiken und Abhängigkeiten, die über Schleifen und zusätzliche Wenn-/Dann Verknüpfungen realisiert werden sollen, dann kann auf einen Logikbaustein gesetzt werden. Dieses Gerät kann ebenfalls über die ETS programmiert werden – hier gibt es dann sehr komplexe Möglichkeiten, Schleifen, wenn-/dann Funktionen, zusätzliche Trigger usw. auszulösen.

Bei noch komplexeren Aufgaben wie z.B. die Anbindung von Multimedia, anderen Smart Home Systemen usw.. kann auf einen Server gesetzt werden. Hier gibt es unterschiedliche Geräte, die wiederum einen unterschiedlichen Umfang an Möglichkeiten bieten. Es können aber auch Systeme wie ioBroker genutzt werden, um andere Systeme mit dem KNX Bus zu koppeln. Auf dieses Thema werden wir ebenfalls einen Fokus legen.