KNX

KNX
国際標準	EN 50090、ISO/IEC 14543
業界	ビルオートメーション
Webサイト	https://knx.org

KNXは、商業および住宅ビルの自動化のためのオープンスタンダード（EN 50090、ISO/IEC 14543を参照）です。KNXデバイスは、照明、ブラインドとシャッター、 HVAC 、セキュリティシステム、エネルギー管理、オーディオビデオ、家庭用電化製品、ディスプレイ、リモートコントロールなどを管理できます。KNXは、 European Home Systems Protocol（EHS）、BatiBUS、およびEuropean Installation Bus（EIBまたはInstabus）という3つの以前の標準から発展しました。

ツイストペア（ツリー型、ライン型、スター型トポロジ）、電力線、RF、またはIPリンクを使用できます。このネットワークでは、デバイスは分散アプリケーションを形成し、緊密な相互作用が可能です。これは、標準化されたデータポイントタイプとオブジェクトを備えた相互運用モデルによって実装され、論理デバイスチャネルをモデル化します。

標準

KNX 標準は、BatiBUSとEHSの物理層、構成モード、アプリケーションエクスペリエンスを拡張したOSIベースのEIB 通信スタック上に構築されています。

KNX インストールでは、いくつかの物理通信メディアを使用できます。

ツイストペア配線（TP1ケーブル）（EIB規格から継承）。（以前継承されていたBatiBUS通信媒体（TP0）は、KNX仕様には含まれなくなりました。）
電力線ネットワーク（EIB 標準から継承）。（以前継承されたEHS通信媒体（PL132）は、KNX 仕様の一部ではなくなりました。）
無線（KNX-RF）
IP (EIBnet/IP または KNXnet/IP とも呼ばれる)

KNXは特定のハードウェアプラットフォームをベースとせず、特定の建物の要件に応じて、8ビットマイクロコントローラーからPCまで、あらゆるデバイスでネットワークを制御できます。最も一般的な設置形態は、ツイストペアケーブル経由です。

KNXは、以下の組織によって承認された標準規格です。^{[ 1 ]}

国際規格（ISO/IEC 14543-3）
欧州規格 ( CENELEC EN 50090 および CEN EN 13321–1)
米国規格（ANSI / ASHRAE 135）
中国国標（GB/T 20965）

これは、1999年に設立されたベルギーの法律に基づく非営利団体であるKNX協会（cvba）によって運営されています。KNX協会には、2021年7月1日現在、45か国から500社のハードウェアおよびソフトウェアベンダーが登録されています。また、172か国の10万社のインストーラー企業および500以上の登録トレーニングセンターとパートナーシップ契約を結んでいます。 ^{[ 2 ]}これはロイヤリティフリーのオープンスタンダードであるため、KNX仕様へのアクセスは制限されていません。^{[ 3 ]}

建築

KNXデバイスは通常、ツイストペアバスで接続され、コントローラから変更可能です。このバスは、ネットワーク上のすべてのデバイスとシステムへの電源供給と並列に配線され、以下のデバイスとシステムを接続します。^{[ 4 ]}

センサー(例: 押しボタン、サーモスタット、風速計、動き) が情報を収集し、それをデータテレグラムとしてバスに送信します。
アクチュエータ（調光ユニット、加熱バルブ、ディスプレイ）はデータテレグラムを受信し、それをアクションに変換します。
コントローラおよびその他のロジック機能（室温コントローラ、シャッターコントローラなど）
システムデバイスおよびコンポーネント (例: ラインカプラ、バックボーンカプラ)。

デバイスを「センサー」と「アクチュエータ」のどちらかに分類するのは時代遅れで単純すぎます。多くのアクチュエータはコントローラー機能だけでなく、センサー機能（例えば、動作時間、スイッチサイクル数、電流、電力消費量の測定など）も備えています。

アプリケーションソフトウェアは、システムトポロジーおよびコミッショニングソフトウェアとともに、システムインターフェースコンポーネントを介してデバイスにロードされます。設置されたシステムには、LAN、ポイントツーポイントリンク、または電話回線網を介してアクセスでき、コンピューター、タブレット、タッチスクリーン、スマートフォンからシステムを集中管理または分散管理できます。

KNX アーキテクチャの主な機能は次のとおりです。

ビルオートメーションのさまざまなタスクのための相互運用および分散アプリケーションモデル。
ネットワーク上のリソースの構成と管理、および異なるノードでの分散アプリケーションの一部をバインドできるようにするスキーム。
各ノードの通信スタック用のメッセージプロトコルとモデルを備えた通信システム（分散アプリケーション（KNX共通カーネル）をホスト可能）
設備内に設置されリンクされる実際のデバイスを開発する際に、これらの要素を実現するためのモデル。

アプリケーション、相互運用、バインディング

KNXアーキテクチャの概念の中核を成すのは、システム内のプロセス変数と制御変数を表すデータポイント（入力、出力、パラメータ、診断データ）です。これらのデータポイントの標準化されたコンテナは、グループオブジェクトとインターフェースオブジェクトプロパティです。通信システムは、データポイント値の読み取りと書き込みを行うための簡略化された命令セットを提供します。データポイントは、標準化されたデータポイントタイプに準拠する必要があり、それらは機能ブロックにグループ化されています。これらの機能ブロックとデータポイントタイプはアプリケーション分野に関連していますが、その一部は汎用的です（日付や時刻など）。データポイントには、ユニキャストまたはマルチキャストメカニズムを通じてアクセスできます。

ネットワーク全体でアプリケーションのデータポイントを論理的にリンクするために、KNX には 3 つの基本的なバインディングスキームがあります。1 つはフリーバインディング、1 つは構造化バインディング、もう 1 つはタグ付きバインディングです。

フリーバインディングでは、データポイント間のリンクは規定されません。フリーアドレス指定との組み合わせにより、個々のデータポイントレベルでカスタマイズされたマルチキャストグループ化がサポートされ、S モード構成の中心となります (以下を参照)。
構造化バインディングでは、 KNX 仕様は、通常、機能ブロックまたはチャネルに対応するデータポイントのセット全体をリンクするための正確なパターンを規定します (プッシュボタンモードはこの概念に従います)。
タグ付きバインディングもアプリケーションモデルによって事前に構造化されていますが、アドレスの数値はその値の一部です。

カーネルとメッセージプロトコル

共通カーネルは、物理層と媒体固有のデータリンク層の最上位に位置し、KNXネットワーク上のすべてのデバイスで共有されます。OSI参照7層モデルに準拠しています。

各メディアの特定のデータリンク層の上位にある一般的なデータリンク層は、アクセス制御と論理リンク制御を提供します。
ネットワーク層（ルーティング機能を持つノード用）は、セグメント単位で確認応答されたテレグラム（フレーム）を提供し、フレームのホップ数を制御します。
トランスポート層は、1 対多のコネクションレス (マルチキャスト)、1 対全のコネクションレス (ブロードキャスト)、1 対 1 のコネクションレス、1 対 1 のコネクション指向の 4 種類の通信を可能にします。
（OSIセッション層とプレゼンテーション層は空です）
アプリケーション層は、アプリケーションプロセスにサービスのツールキットを提供します。

設定モード

インストールは、ネットワークトポロジレベルと個々のノードまたはデバイスレベルで構成する必要があります。最初のレベルは、分散アプリケーションの構成（バインディングとパラメータ設定）の前の前提条件、つまり「ブートストラップ」フェーズです。構成は、デバイス上のローカルアクティビティ（ボタンの押下など）と、バスを介したアクティブなネットワーク管理通信（ピアツーピア、またはより集中化されたマスタースレーブ）の組み合わせによって実現できます。

KNX 構成モード:

構成とバインディングのための特定のスキームを選択します。
特定のアドレススキームの選択にマッピングし、
管理手順とそれに応じたリソースの実現を選択することで、これらすべてが完了します。

一部のモードではバスを介したよりアクティブな管理が求められますが、他のモードでは主にローカル設定が求められます。KNXデバイスには3つのカテゴリがあります。

自己構成が可能で、エンドユーザーがインストールできるA モードまたは「自動モード」デバイス。
インストールに基本的なトレーニングを必要とするEモードまたは「簡単モード」デバイス：動作は事前にプログラムされていますが、構成パラメータはユーザーの要件に合わせて調整する必要があります。
高度なビル自動化システムの作成に使用できるS モードまたは「システムモード」デバイス。デフォルトの動作はなく、専門家がプログラムしてインストールする必要があります。

KNXは、一連の個別デバイスを機能的な設備にリンクし、異なるメディアや設定モードを統合するといったプロジェクトエンジニアリングタスクのためのツールを網羅しています。これは、エンジニアリングツールソフトウェア（ETS）スイートに統合されています。

デバイス

KNX のインストールは、バスまたはネットワークに接続された一連のデバイスから構成されます。デバイスモデルは、ノードの役割、機能、管理機能、および設定モードによって異なり、すべてプロファイルに定義されています。また、バスカップリングユニット (BCU) やバスインターフェースモジュール (BIM) などの汎用デバイスモデルも存在します。

デバイスは、設定モードに応じて、個別のアドレスまたは固有のシリアル番号によってネットワーク全体で識別され、アクセスできます。(固有のシリアル番号は、KNX 協会の認証部門によって割り当てられます。) デバイスは、クエリ時に、メーカー固有の参照情報と機能情報 (メーカーに依存しない情報) の両方を公開することもできます。

トポロジとアドレス指定

KNX有線ネットワークは、ツリー型、ライン型、スター型のトポロジーで構成でき、必要に応じてこれらを混在させることができます。リング型トポロジーはサポートされていません。大規模な導入にはツリー型トポロジーが推奨されます。

KNX は、16 ビットアドレスを使用して最大 57,375 台のデバイスをリンクできます。

最下位8ビットは、1回線あたり最大256個のアドレスを提供します。回線は最大4つのセグメントで構成され、各セグメントには最大64個（TP1-64）のデバイス、または最大256個（TP1-256）のデバイスを接続できます。各セグメントにはローカル電源が必要で、セグメントの最大長は1000mです。（実際にサポートされるデバイス数は、電源と個々のデバイスの電力負荷によって異なります。）ラインリピータに接続されたセグメントは、最大4000mまで延長でき、最大256個のデバイスを接続できます。
回線は1つのエリアにグループ化され、回線カプラを介して最大15本の回線が1本の幹線に接続されます。アドレスの次の4ビットは、個々の回線を識別するために使用されます。
バックボーンカプラを使用してバックボーン回線で接続された 15 個のエリアでドメイン全体を形成でき、アドレス空間の上位 4 ビットでエリアを識別します。(バックボーンまたはメインラインではラインリピータは使用できません。)

カップリングユニットはアドレスフィルタリングを可能にし、バス信号速度の制限下でのパフォーマンス向上に役立ちます。KNXnet/IPベースのシステムでは、KNXアドレス構造がIPアドレスに類似しているため、IP経由でKNXサブネットワークを統合できます。

物理層

TP 1

TP1ツイストペアバス（EIBから継承）は、非同期、キャラクタ指向のデータ転送、および9600ビット/秒の信号速度で半二重双方向差動信号を提供します。メディアアクセス制御は CSMA/CAを介して行われます。すべてのバスユーザーは平等なデータ転送権を持ち、データはバスユーザー間で直接（ピアツーピアで）交換されます。低電力デバイスには、同じペアを介してSELV電力が供給されます。BatiBUS規格から、より低速な4800ビット/秒の信号速度で動作する廃止仕様TP0が引き継がれていますが、KNX製品はBatiBUSデバイスと情報を交換できません。

PL 110

PL 110電力線伝送は、拡散周波数偏移変調（SFM）方式を採用し、データパケットの非同期伝送と半二重双方向通信を実現します。中心周波数は110kHz（CENELEC Bバンド）で、データレートは1200bit/sです。CSMAも採用しています。KNX電力線伝送はスマート家電向けですが、普及率は低いままです。代替規格であるPL 132は、搬送周波数の中心が132.5kHz（CENELEC Cバンド）です。

高周波

RF は、マンチェスターデータエンコーディングによる周波数シフトキーイングを使用して、868.3 MHz 帯域での通信を可能にします。

IP

KNXnet/IP ポート 3671 には、イーサネット(IEEE 802.2)、Bluetooth、WiFi/ワイヤレス LAN (IEEE 802.11)、FireWire (IEEE 1394) などのIP対応メディアの統合ソリューションがあります。

フレームフォーマット

メディア固有のアクセスと衝突制御のプリアンブルを無視すると、フレーム形式は通常次のようになります。


オクテット	役割
0	制御フィールド
1～2	送信元アドレス
3～4	宛先アドレス
5	アドレスタイプ \| NPCI \| 長さ
6～7	トランスポート層プロトコル情報 \| アプリケーション層プロトコル情報 \| data/APCI
8 – N-1	データ
N ≤ 22	フレームチェック

安全

KNXテレグラムは、2013年から開発が進められているプロトコルの拡張により、署名または暗号化が可能になりました。KNX Data Secureは従来のKNXメディアTPおよびRF上のテレグラムを保護し、KNX IP SecureはIPトンネリングされたKNXテレグラムを保護します。KNX Data Secureは2018年にEN規格（EN 50090-3-4）に、KNX IP Secureは2019年にISO規格（ISO 22510）に認定されました。

適合性

KNX商標のラベルが付いた製品はすべて、認定された第三者試験機関によって規格への適合性（および他のデバイスとの相互運用性）が認定される必要があります。KNXロゴが付いたすべての製品は、ベンダーに依存しないETSソフトウェアを使用して、共通インターフェースを介してプログラミングされます。

参照

ドール×8
エンオーシャン
ホームオートメーション
インステオン
Zウェーブ
インテリジェントビル
照明制御コンソール
照明制御システム
オープンサーム
スマートな環境
タッチパネル
UPB
Matter（標準）は、ホームオートメーション機器の統合のための独自のロイヤリティフリーの標準です。

参考文献

^ 「KNXとは？」 . National KNX Norway . 2015年9月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年7月7日閲覧。
^現在のベンダーリストは、knx.org:「KNX コミュニティ」で確認できます。
^ 「KNX仕様」。KNX 。
^このセクションおよび以降のセクションのすべての情報は、『KNX システム仕様. v3.0. Vol. アーキテクチャ. KNX Association. 2013』から要約したものです。

[1] 「KNXとは？」 . National KNX Norway . 2015年9月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年7月7日閲覧。

[2] 現在のベンダーリストは、knx.org:「KNX コミュニティ」で確認できます。

[3] 「KNX仕様」。KNX 。

[4] このセクションおよび以降のセクションのすべての情報は、『KNX システム仕様. v3.0. Vol. アーキテクチャ. KNX Association. 2013』から要約したものです。

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