Integrazione e Sperimentazione dello Standard EIB/KNX in Gateway Residenziali

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1 POLITECNICO DI TORINO III Facoltà di Ingegneria dell Informazione Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Tesi di Laurea Specialistica Integrazione e Sperimentazione dello Standard EIB/KNX in Gateway Residenziali Relatore: prof. Fulvio Corno Candidato: Enrico Allione Luglio 2007

2 ii Achi, da quaggiù edalassù, mi ha seguito ed aiutato

3 Ringraziamenti Un sincero ringraziamento ai miei genitori ed alla mia famiglia, che mi hanno permesso di intraprendere il cammino universitario e di arrivare fino a qui. Ringrazio il prof. Corno ed il gruppo ELITE per avermi dato la possibilità di realizzare questa tesi, con un lavoro sia teorico che pratico; in particolare ringrazio l ing. Bonino per avermi seguito ed assistito durante l intera realizzazione di questa tesi. iii

4 Indice Ringraziamenti iv 1 Introduzione 1 2 Stato dell arte Domotica Mezzi Trasmissivi Cavo coassiale (CX) Twisted pair (TP) o doppino in rame Fibra ottica (Optical Fiber - OF) Linea di potenza (Onde convogliate, Power line, PL) Wireless Dispositivi Dispositivi di input Dispositivi di output: attuatori Dispositivi di sistema Interfacciamento Protocolli di comunicazione Consumer Electronic Bus (CEBus) Jini LonWorks X Home Bus System (HBS) BatiBUS European Home Systems (EHS) European InstaBus (EIB) KONNEX Obiettivi e motivazioni Contesto Prototipo iv

5 4 Architettura Architettura Interaction Manager Reti e dispositivi domotici House Manager Banco di lavoro EIB/KNX EIB/KNX Gerarchia e suddivisione in linee e aree Indirizzi Configurazione Scelta componenti Materiale elettrico Materiale domotico Montaggio Sezione layout Sezione centralino Collegamenti House Manager Architettura interna Intelligence Layer Startup Abstraction Layer SoluzioniAdottate Driver KnxDispatcher KnxWriter KnxReader KnxEncoder Differenze con BTicino Configurazione Gruppi HouseModel Regole Esempio base Regole per comandi intervaligia v

6 8 Conclusioni Risultati ottenuti Raggiungimento obiettivi Problemi riscontrati Conclusioni Complessità di EIB Costi della domotica Modifiche ed implementazioni future Bibliografia 91 vi

7 Elenco delle tabelle 2.1 CENELEC: suddivisione frequenze Consumi apparati Caratteristiche valigia Disposizione su guida DIN EN linea sinistra Disposizione su guida DIN EN linea destra Indirizzi fisici dispositivi Elenco gruppi nell installazione EIB/KNX vii

8 Elenco delle figure 2.1 Corrente alternata Onda convogliata Risultante Pila protocollare ISO/OSI Architettura generale House Manager - struttura Topologia della rete EIB/KNX Bus Coupling Unit - BCU Architettura di comunicazione con bus Struttura indirizzo individuale Struttura indirizzo di gruppo Eib Tool Software (ETS) Frutti e loro inserimento Gruppo prese Gruppo luci Tasti tradizionali Interruttore differenziale Interruttore magnetotermico Attuatore Abb Attuatore Merten Gateway Abb Alimentatore Merten Tastiera Abb Tastiera Merten Telecomando IR Merten Interfaccia a tasti Valigia Manutan 1986Y Sezione layout Sezione centralino Terminale di connessione bus Topologia di rete in oggetto viii

9 5.26 Schema elettrico installazione Valigia EIB/KNX ultimata House Manager: schema a blocchi Esempio di corrispondenza tra oggetti software e device domotici KnxDriver da inserire nell Abstraction Layer Driver BTicino e Knx Struttura indirizzo di gruppo Pseudo-codice per il concatenamento di main e middle Funzionamento BTicinoDispatcher Funzionamento KnxDispatcher Corrispondenza oggetti software - device domotici (valigia Knx) Schema loop con 3 luci ix

10 Capitolo 1 Introduzione La tesi mira a definire metodologie per integrare, nel contesto di gateway residenziali per edifici intelligenti, diversi sottosistemi domotici tra loro eterogenei e potenzialmente incompatibili. Essa prevede lo studio dei dispositivi domotici esistenti e dei relativi protocolli di accesso, la definizione di opportune rappresentazioni e metodi di accesso astratti capaci di rappresentare in modo uniforme i vari dispositivi e l implementazione di un prototipo dimostrativo che integri più sottosistemi in un unico ambiente di controllo. Verranno trattati alcuni standard ad-hoc, per poi soffermarsi maggiormente su sistemi con protocollo OpenWebNet (BTicino) ed EIB/KNX, affrontando la loro integrazione nell House Manager, gateway domestico in fase di sviluppo presso il Politecnico di Torino. Il dimostratore sarà composto da componenti software e da un banco contenente dispositivi domotici. La tesi è così strutturata: nel capitolo 2 viene introdotto il campo della domotica, con alcuni concetti e terminologie chiave al fine di delineare l ambito in cui la tesi va a collocarsi. Viene inoltre proposta una panoramica sugli standard e sulle tecnologie domotiche attualmente presenti sul mercato mondiale, spiegando in particolare le alternative a disposizione nel caso si voglia progettare e/o installare una rete domotica. Termina con l introduzione ad EIB/KNX, tecnologia scelta per il presente lavoro, la cui trattazione più esaustiva è rimandata al capitolo successivo. Nel capitolo 3 vengono spiegate ed argomentate le motivazioni che hanno portato alla proposta ed alla realizzazione di questa tesi. Viene innanzitutto introdotto il ruolo dell House Manager, pur lasciando una sua trattazione completa al capitolo 4 ed in seguito viene spiegata la progettazione di un banco dimostrativo in grado di interagire col gateway in oggetto. Chiariti i requisiti, vengono presentati gli obiettivi che ci si prefigge di raggiungere con questo lavoro. 1

11 1 Introduzione Nel quarto capitolo viene presentata l architettura logica in cui si inserisce l House Manager e, scendendo nell opportuno livello di dettaglio, il driver EIB/KNX necessario alla comunicazione con tale tecnologia. Nel capitolo 5 vengono spiegati i passi necessari alla costruzione del banco di lavoro, dalla scelta dei componenti fino alla realizzazione fisica. Una volta definiti il contesto ed i requisiti da soddisfare, vengono motivate le scelte in fatto di dispositivi e loro integrazione nel prototipo; essi vengono presentati nel dettaglio, mettendone in luce le caratteristiche sia positive che negative ed in seguito viene trattato il loro montaggio fisico sia a livello elettrico che domotico. Il capitolo si conclude con la presentazione del prototipo ultimato, la cui configurazione logica viene presentata nel capitolo 7. Una volta chiariti gli obiettivi della tesi, nel capitolo 6 viene presentata l architettura dell House Manager, soffermandosi sui moduli di cui si compone, al fine di comprendere la sua funzione di collegamento tra differenti tecnologie domotiche ed interfacce. Astraendo ad alto livello la rete domotica come insieme di oggetti software co-operanti tra loro, esso favorisce la comunicazione tra divese reti domotiche. L integrazione descritta consta di un modulo driver da inserire nel gateway che si occupi di tradurre il linguaggio astratto ad alto livello, utilizzato dallo stesso, in messaggi sulla rete domotica e viceversa. Viene inoltre presentato uno schema rappresentante i moduli base necessari all House Manager per comunicare con una rete domotica; tale schema viene affiancato da una trattazione dell interazione che i suddetti moduli devono avere sia tra loro, sia verso l esterno, permettendo la configurazione ed il comando da parte dell utente. Il capitolo 7 tratta l inserimento del driver necessario per la comunicazione con la rete EIB/KNX; tale driver viene introdotto nell Abstraction Layer dell House Manager, ove è già presente quello per la rete BTicino. In seguito vengono evidenziate le differenze tra i due driver necessari alle due tecnologie, rimandando una discussione più esaustiva al capitolo 8. Nel capitolo 7 viene inoltre presentata la configurazione necessaria al funzionamento logico della rete in oggetto, spiegando i collegamenti e le motivazioni che hanno portato alle scelte effettuate. Inoltre, nel medesimo capitolo, si dimostra come il motore a regole interno all House Manager possa essere utilizzato per garantire l effettiva interoperabilità tra le installazioni BTicino ed EIB/KNX. Nell ultimo capitolo (8) viene analizzato in maniera critica il lavoro svolto. In particolare ci si sofferma sui risultati ottenuti una volta ultimato il prototipo, sulle difficoltà e/o ritardi di realizzazione e sulla precisione dello stesso nell attuare ciò per cui è stato progettato. Viene proposta inoltre una riflessione sulla tesi 2

12 1 Introduzione portata a termine, valutando il lavoro fatto e proponendo eventuali modifiche e/o implementazioni future. 3

13 Capitolo 2 Stato dell arte In questo capitolo si presenta il campo della domotica, effettuando una panoramica sui concetti chiave, sui mezzi trasmissivi e dispositivi impiegati e sugli standard attualmente presenti sul mercato. Si conclude introducendo EIB/KNX quale standard utilizzato nel lavoro svolto. 2.1 Domotica La domotica è la disciplina che si occupa di studiare le tecnologie, atte a migliorare la qualità della vita degli esseri viventi, negli ambienti antropizzati.[1] Il termine domotics (domotica in italiano) deriva dall unione di domus e informatics [2] e pone la sua attenzione particolare sull automazione della casa (home automation), intesa come integrazione di tecnologie dell impiantistica tradizionale, magari pre-esistenti, con tecnologie innovative e di nuova installazione, al fine di ottenere funzionalità maggiori e moderne, mirando a migliorare la qualità della vita degli utilizzatori dell edificio, il comfort, la sicurezza ed il risparmio energetico. Tale integrazione è da intendersi come condivisione dell informazione tra i vari impianti, permettendo quindi una riorganizzazione degli stessi in un unico sistema in grado di coordinare le diverse funzionalità, permettendo da un lato l indipendenza operativa dei vari impianti e dall altro l interoperabilità degli stessi. La presenza di un sistema coordinatore fornisce funzionalità aggiuntive e, in caso di guasto, dovrebbe garantire che i vari sottosistemi continuino ad operare singolarmente, perdendo quindi solamente quelle funzionalità aggiuntive rese possibili dall integrazione degli stessi. Tali funzionalità aggiuntive possono essere potenzialmente molte e complesse: se in un contesto di impianti isolati un dispositivo può comunicare solamente con dispositivi del suo impianto o addirittura con un solo particolare dispositivo, in un contesto multifunzione si può avere un sensore piuttosto che un interruttore in grado 4

14 2 Stato dell arte di dialogare con apparati non prettamente rientranti nel suo ambito. Si pensi ad esempio ad un rilevatore di gas che non solo sia collegato con un avvisatore acustico ma che permetta anche l apertura della finestra per aerare il locale e l invio di un sms ad un numero telefonico prestabilito. Un concetto simile all home automation è quello di building automation, ilquale concerne l automazione degli edifici intesi di grosse dimensioni o comunque con un uso ben specifico, si pensi ad esempio all ambito residenziale (alberghi), socioassistenziale (ospedali, cliniche, scuole, uffici), produttivo (fabbriche e industrie) o commerciale (centri commerciali). I due tipi di automazione sono nati in periodi diversi, per esigenze diverse e si rivolgono ad utilizzatori differenti: mentre la building automation si rivolge prevalentemente ad operatori professionali, tecnici e gestisce funzionalità piuttosto complesse, la home automation gestisce un ambiente domestico e fornisce servizi a persone che, molto spesso, non sono solite utilizzare un personal computer e quindi deve disporre di interfacce utente semplici, facili da utilizzare senza una competenza tecnica specifica. 2.2 Mezzi Trasmissivi I mezzi trasmissivi utilizzati per collegare i vari dispositivi possono essere differenti, non solo da installazione ad installazione, ma anche all interno di una stessa installazione. La scelta è fatta in base all estensione della rete, alla sua topologia, all analisi dell ambiente in cui essa va ad inserirsi, alla distanza tra i dispositivi e all utilizzo che si intende effettuare dell installazione considerata o parte di essa Cavo coassiale (CX) Il cavo coassiale è formato da un conduttore in rame, rivestito da uno strato in plastica che ne garantisce l isolamento con un ulteriore strato metallico intrecciato esterno il cui compito è contenere i disturbi esterni (gabbia di Faraday 1 [3]) e diminuire le interferenze. Il suo utilizzo tipico avviene nella trasmissione a distanza di dati digitali, più sensibili a rumori e distorsioni rispetto ai dati analogici. Il vincolo dell utilizzo di questo tipo di cavo risiede nella contenuta distanza a cui possono trovarsi i dispositivi senza utilizzo di apparati di rete appositi che prendono il nome di repeater, il cui compito è rigenerare il segnale ricevuto e ritrasmetterlo in uscita. Essi non possono essere sostituiti banalmente con semplici amplificatori in quanto verrebbe non solo amplificato il segnale ma anche il rumore e la distorsione. 1 Con gabbia di Faraday si intende qualunque sistema costituito da un contenitore in materiale elettricamente conduttore (o conduttore cavo) in grado di isolare l ambiente interno da un qualunque campo elettrostatico presente al suo esterno, per quanto intenso questo possa essere. 5

15 2 Stato dell arte La resistenza all interferenza presenta però una bassa maneggevolezza dovuta alla rigidità del rivestimento in metallo, che lo rende poco pratico in ambienti ristretti e confinati e soggetto a rotture meccaniche; risulta inoltre costoso e difficile da realizzare. Il campo di applicazione solito è la trasmissione di segnali video Twisted pair (TP) o doppino in rame Il twisted pair è costituito da una coppia di fili di rame ritorti secondo un processo chiamato binatura che permette di far agire i campi elettromagnetici esterni in egual misura su entrambi i cavi. Utilizzando inoltre tecniche di trasmissione differenziale si può ridurre il rumore, sfruttando il fatto che esso agisce su entrambi i cavi e viene ad annullarsi nell operazione di differenza fatta dal ricevitore. Il twisted pair è formato da 4 coppie di fili colorati, ognuna avente una frequenza di binatura differente per permettere di ridurre il fenomeno della diafonia 2. Il doppino può essere schermato (Shielded Twisted Pair [STP]) oppure non schermato (Unshielded Twisted Pair [UTP]) e permette solamente collegamenti punto-punto, realizzando quindi una topologia a stella o ad anello. Esistono diverse categorie di cavo twisted pair, classificati secondo la velocità di trasmissione e l uso. Di seguito ne viene presentata una panoramica. Categoria 1: telefonia analogica (POTS) - citofoni e reti a 1 Mbps Categoria 2: telefonia digitale (ISDN) - reti token ring a 4 Mbps Categoria 3: reti locali con frequenze fino a 16 MHz Categoria 4: reti locali fino a 10 Mbps Categoria 5: reti locali fino a 100 Mbps Categoria 5e: reti locali fino a 1 Gbps Categoria 6: reti locali fino a 1 Gbps (qualità migliore di Cat. 5e) Categoria 7: reti fino a Mbps 2 Con diafonia si intende il fenomeno per cui vi è un passaggio, in maniera capacitiva o induttiva, di energia da una linea ad un altra (più precisamentedauncircuitoadunaltro)[4] 6

16 2 Stato dell arte Fibra ottica (Optical Fiber - OF) La fibra ottica è formata da un filamento di materiale vetroso in grado di condurre la luce, rivestito da uno strato protettivo che lo isola dall esterno. La trasmissione avviene sfruttando i principi dell ottica e consiste in un trasferimento di luce e non di segnali elettrici come nei casi visti in precedenza, eliminando quindi i disturbi dovuti all interferenza elettrica. La fibra ottica permette un collegamento ad alta velocità, a distanze molto elevate ed è impiegata maggiormente nelle dorsali di comunicazione. Il suo utilizzo nella building automation può trovare motivazione nelle tratte dorsali, di collegamento ad esempio tra più edifici di un comprensorio, ma risulta eccessiva per connessioni in ambito residenziale. La breve spiegazione è fatta per completare la panoramica dei mezzi trasmissivi Linea di potenza (Onde convogliate, Power line, PL) Utilizzano i normali cavi delle rete elettrica (alternata 220 v - 50 Hz, Fig. 2.1) a cui si aggiunge un basso voltaggio modulato (3-148 KHz, Fig. 2.2) che non va ad influire significativamente sulla potenza distribuita Fig.2.3. Figura 2.1. Corrente alternata Figura 2.2. Onda convogliata Alimentazione e dati viaggiano sullo stesso mezzo, la rete elettrica appunto, quindi occorre operare affinché questi possano essere opportunamente separati in fase di ricezione. Questo mezzo trasmissivo permette di raggiungere, ovviamente, qualunque dispositivo che sia collegato alla rete elettrica, oltre ad evitare la posa di una nuova infrastruttura. La regolamentazione delle frequenze utilizzate èaffidata perl Europa alcomitato Europeo per la Standardizzazione Elettrica (CENELEC) [5] e per il nord America 7

17 2 Stato dell arte Figura 2.3. Risultante al Federal Communications Commission (FCC) [6]. Il CENELEC ha stabilito regole di suddivisione delle frequenze, riportate in Tabella 2.1 FREQUENZE ACCESSO UTILIZZO 3-95KHz Riservato Fornitori energia elettrica KHz Libero Sistemi domotici KHz RegolamentatoCELENEC Sistemi domotici ,5 KHz Riservato Allarmi e Sicurezza Tabella 2.1. CENELEC: suddivisione frequenze Le velocità raggiungibili in Europa sono nell ordine di alcuni Kbps (fino a circa 5,4 Kbps) da rispettare per lo standard, anche se velocità superiori sono tecnicamente raggiungibili ma non necessarie (trasmissione audio/video esclusa) Wireless La tecnologia di trasmissione senza fili (dall inglese wireless) si suddivide principalmente tra infrarosso e radiofrequenza a seconda della banda di frequenza impiegata. L importante caratteristica è data dall assenza di fili, che permette una maggiore mobilità dei dispositivi, dei suoi utilizzatori ed una maggiore comodità d uso. Inoltre, nel caso in cui non si possano posare cavi, risulta essere di fondamentale utilità. Tra gli svantaggi occorre annoverare sicuramente l interferenza di trasmissione, la difficoltà nel superare barriere fisiche e strutturali e la distanza limitata tra idispositivi. Raggi Infrarossi (IR - Infrared Rays) Utilizza l infrarosso (lunghezza d onda maggiore della luce visibile e minore delle onde radio) e necessita di un campo aperto e privo di ostacoli non trasparenti tra trasmettitore e ricevitore. Trova impiego nella termografia ma anche nella comunicazione, ad esempio tra telecomando e TV per evitare le interferenze delle onde radio del segnale televisivo. La radiazione infrarossa viene emessa da diodi (detti anche LED luminosi) e messa a fuoco da lenti in plastica; 8

18 2 Stato dell arte in seguito viene modulata assegnandole informazione ed inviata. Il ricevitore traduce con un fotodiodo la radiazione infrarossa in corrente elettrica e da qui viene estratta l informazione originale. Standardizzato da IrDA (Infrared Digital Association, 1994) [7] per comunicazioni punto-punto entro il metro e velocità fino a 4 Mbps. Radiofrequenza (RF - Radio Frequency) La radiofrequenza utilizza onde radio per la trasmissione e ricezione dei segnali la cui lunghezza d onda supera quella dell infrarosso. La porzione dello spettro elettromagnetico è ampia e a seconda del campo di applicazione, esso si può suddividere in fasce. La radiofrequenza è utilizzata in campi di uso comune quali radio e TV, ma in particolare per gli usi che se ne possono fare in campo domotico risultano importanti le frequenze dai 300 Hz ai 30 GHz. Una tecnologia diventata famosa e di uso sempre più frequente al giorno d oggi èilbluetooth. Il Bluetooth è stato standardizzato dall omonimo consorzio [8] nato nel 1988 dalla cooperazione tra grandi società operanti nel campo della telefonia 3. Esso permette tramite collegamento radio a 2.4 GHz la comunicazione ad un massimo di 1 Mbps tra dispositivi nel raggio di alcune decine di metri 4. I dispositivi compatibili Bluetooth superano una fase di test da parte del consorzio ottenendo il marchio di certificazione e quindi sono per definizione interoperabili tra loro. Un esempio di collegamento Bluetooth può essere quello tra cellulare e PC o tra cellulare ed auricolare. Per permettere sicurezza del canale, il Bluetooth utilizza lo FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 5 la cui sequenza di salti è conosciuta solo ai dispositivi appartenenti alla comunicazione in oggetto, rendendo quindi ardua l intrusione di apparecchiature estranee. 2.3 Dispositivi La rete domotica è solitamente strutturata a bus e comprende due tipi di linee, una di potenza che alimenta i vari dispositivi presenti e una di controllo/comando che gestisce gli apparati permettendo loro la comunicazione. Mentre la linea di potenza è costituita dai classici tre cavi (fase, neutro e terra), la linea bus può essere realizzata utilizzando vari mezzi trasmissivi descritti in precedenza sia nella totalità della rete, sia in partizioni di essa. In quest ultimo caso si rende opportuno l impiego di gateway o dispositivi che si occupino di operare il collegamento e la comunicazione tra reti non omogenee. 3 IBM, Toshiba, Intel, Nokia, Ericsson 4 Maggiori distanze significano antenne + potenti (fino a 20 db) e più probabilità diinterferenza con le reti b 5 Tecnica che prevede l impiego di sequenze di frequenze tra le quali saltare 9

19 2 Stato dell arte Esistono differenti tipi di device, suddivisibili in dispositivi di: input: sensori, pulsanti, interruttori; output: attuatori; di sistema: accoppiatori, gateway, alimentatori; interfacce: interfacce USB, Ethernet, RS232,... Alcune tipologie di rete più complesse (ad esempio EIB/KNX), introducono un ulteriore dispositivo tra il bus e il dispositivo vero e proprio, con il compito di accoppiare quest ultimo al bus (sezione 5.1.1) Dispositivi di input Tra i dispositivi di input, importanti sono i sensori, che hanno il compito di rilevare o misurare grandezze dell ambiente esterno e segnalare eventuali variazioni per le quali sono stati impostati. Generalmente hanno due soglie, una inferiore ed una superiore e possono essere settati per avvisare in caso di superamento di anche solo una delle due. L avviso consiste in una segnalazione alla rete, la quale provvederà ad avviare le opportune procedure richieste, oppure nell invio di un comando ad un particolare dispositivo precedentemente settato. I sensori possono essere usati in ambiti diversi e per motivazioni differenti: si pensi ad un sensore che rilevi la quantità di gas presente in un ambiente (cucina), ad uno che rilevi la velocità del vento e ad uno che rilevi i movimenti. Uno stesso sensore può avere non necessariamente un unico utilizzo. Il sensore che rileva il movimento può essere usato per accendere una luce al passaggio di una persona ed agevolare così il suo cammino evitando che questa debba azionare un interruttore manuale, ma può anche azionare un allarme nel caso in cui il suo compito sia quello di rilevare delle presenze ostili e non previste in un determinato ambiente. I sensori possono essere inseriti direttamente sulla rete oppure essere collegati ad una centralina (allarmi, meteo,...), la quale provvederà, al ricevimento della segnalazione, ad avviare le opportune procedure ed azionare eventuali altri dispositivi (sirene, motori, luci,...), oppure semplicemente ad immagazzinare i dati rilevati per analisi ed usi futuri. In questa categoria ricadono anche gli interruttori ed i pulsanti comunemente usati nelle abitazioni e collegati con la rete domotica tramite opportune interfacce. La differenza tra interruttori e pulsanti risiede nello stato che possono assumere: mentre i primi possono avere due stati (generalmente ON e OFF), i pulsanti hanno uno stato solo. La pressione di questi determina, previa configurazione piùo meno complessa a seconda delle reti, una variazione dello stato dei dispositivi a 10

20 2 Stato dell arte cui essi sono stati legati in fase di configurazione. La segnalazione su rete avviene dapprima all attuatore ed in seguito al carico, in quanto quest ultimo verrà pilotato dall attuatore a cui è collegato Dispositivi di output: attuatori Gli attuatori hanno il compito di realizzare (attuare) un comando. Ricevono i comandi dalla rete e provvedono ad effettuarli sulle uscite corrette a cui sono collegati i carichi elettrici. A seconda del tipo di uscita l attuatore si comporta in modo differente: binaria: l uscita viene attivata e disattivata tramite relè o circuito equivalente; dimmer: tramite un regolatore elettronico regola la tensione o la corrente per pilotare il carico; analogica: fornisce corrente o tensione variabile per comandare uscite non intelligenti. Inoltre gli attuatori si differenziano ancora a seconda del numero e tipologia di carichi collegabili (induttivi, resistivi,...), del massimo carico collegabile e della forma (montabile a incasso o su modulo DIN EN ) Dispositivi di sistema In questa categoria rientrano dispositivi necessari per la realizzazione, il controllo e la gestione della rete. Alcuni dispositivi, quali ad esempio l alimentatore, sono necessari e senza di essi qualunque sistema non sarebbe operativo, mentre altri diventano necessari solo in talune reti o tipologie. L alimentatore fornisce energia elettrica ai dispositivi connessi al bus; tali dispositivi solitamente operano con tensioni variabili dai 12 V ai 30 V. Esso è posizionato normalmente dentro il quadro generale e può essere utilizzato singolo o con altri alimentatori a seconda di quanti ne vengano richiesti dalle specifiche del sistema. Generalmente due fattori che influenzano il numero di alimentatori utilizzati sono la quantità di dispositivi impiegati sulla rete e la massima distanza tollerata degli stessi dall alimentatore. Altri dispositivi utili soprattutto in reti di dimensioni considerevoli sono i dispositivi di accoppiamento del bus, il cui scopo è ampliare la porzione di rete, collegando due sottoreti eventualmente con mezzi trasmissivi diversi. Si può parlare di ripetitori, accoppiatori, gateway o utilizzare nomenclature più specifiche. 6 Deutsches Institut für Normung e.v. - German Institute for Standardization: standard tedesco, ora mondiale, per il montaggio di apparecchi elettrici sull omonima apposita guida. 11

21 2 Stato dell arte Interfacciamento Compito di questi dispositivi è permettere il dialogo tra la rete e l esterno, ad esempio un personal computer. Tali interfacce da una parte operano il collegamento sul bus e dall altra offrono una porta USB, RS232 oppure una presa di rete a cui collegare il pc. Tramite opportuni pacchetti software è possibile visualizzare la rete domotica ed operare su di essa. 2.4 Protocolli di comunicazione Nella presentazione della domotica una parte rilevante è costituita dal protocollo di comunicazione tra i vari dispositivi. Questo caratterizza una determinata installazione e può essere molto differente da altri protocolli presenti in altre realtà. Molti di questi seguono un modello ISO/OSI (Fig. 2.4), con la relativa suddivisione in 7 livelli. Figura 2.4. Pila protocollare ISO/OSI La potenzialità dell utilizzo di tale modello è la possibilità di permettere un interconnessione tra livelli omogenei presenti in dispositivi di reti differenti. Tale comunicazione può essere effettuata grazie ad apparati particolari, detti generalmente gateway, ilcuicompitoè quello di realizzare un ponte tra due installazioni differenti ma comunque simili. Data la complessità del modello ISO/OSI si assiste solitamente ad una non-implementazione dei livelli dal 3 al 6, ed inglobazione degli stessi nei livelli adiacenti (2 e 7), permettendo una minore complessità edunminor costo di implementazione. 12

22 2 Stato dell arte I primi standard nacquero quando organizzazioni operanti sul mercato domotico cercarono di creare uno standard unico al fine di favorirne la crescita e lo sviluppo. Dato che a tale processo non aderì la totalità delle aziende, non ebbe il successo desiderato e si assistette al proliferare di differenti standard. Con il passare degli anni sono stati effettuati ulteriori tentativi, ma a tutt oggi non esiste ancora uno standard unico e globale, sebbene vi siano associazioni nate con lo scopo di creare a livello locale quell unificazione che non si è riusciti a creare a livello mondiale. Considerando le tre principali aree geografiche mondiali (America del Nord, Europa e Giappone) viene presentata una suddivisione dei vari standard e dei tentativi di standardizzazione locale degli stessi. America del Nord: CEBus, Jini, LonTalk, X-10 Giappone: HBS Europa: BatiBUS, EHS, EIB, KONNEX Consumer Electronic Bus (CEBus) CEBus [10] è anche noto come EIA-600 ed è stato sviluppato dall americana EIA (Electronic Industries Alliance) 7 [9] nel 1992, in seguito ad un lavoro di sei anni per cercare di migliorare e ampliare le capacità dell allora standard de facto X- 10 (sezione 2.4.4). CEBus è uno standard integrato multimediale per i sistemi di automazione domestica, presenta caratteristiche quali flessibilità e modularità, ma non risulta molto diffuso. I dispositivi che lo utilizzano devono possedere una potenza di elaborazione non minimale per gestire tutti i dati in transito sulla rete. Inizialmente supportava solamente linee di potenza, mentre in seguito è stato permesso l utilizzo di cavi coassiali, raggi infrarossi, frequenze radio e fibre ottiche Jini Jini technology is a service oriented architecture that defines a programming model which both exploits and extends Java technology to enable the construction of secure, distributed systems consisting of federations of well-behaved network services and clients. [11] Prodotto dall americana Sun [14], prende il suo nome dall arabo jini il cui significato è mago, per evidenziare la sua capacità di autoconfigurazione. Ogni dispositivo connesso alla presa di rete viene inserito in un registro contenente tutti gli apparati 7 Fino al 1997 nota come Electronic Industries Association 13

23 2 Stato dell arte presenti, permettendo che ogni device riesca a venire a conoscenza di qualunque altro device presente nella rete. Jini è basato sul concetto di servizio: ogni apparato fornisce servizi al resto della rete (o comunità) tramite una propria interfaccia attraverso cui è possibile accertarne l affidabilità e la compatibilità con altri servizi. A sua volta ogni dispositivo può utilizzare i servizi messi a disposizione da altri apparati, andando così a formare una rete articolata dalle funzionalità complesse. Quando si rende necessario comunicare con un dispositivo, tramite un servizio di ricerca viene individuato il destinatario e da esso il richiedente scaricherà il codice Java necessario per la comunicazione. Punto fondamentale di tutto ciò è l estensione al modello di sicurezza di Java che permette l esecuzione sicura di codice scaricato dalla rete. Il modello originale di sicurezza Java è basato sulla località, per cui ogni applet scaricata può accedere solamente ai servizi messi a disposizione dal dispositivo da cui essa è stata scaricata. Ogni servizio inoltre gestisce una lista di controllo che ne specifica gli utilizzatori. L utilizzo del servizio è effettuato tramite il meccanismo detto leasing, che rappresenta una concessione a tempo sull uso del servizio. Esistono due tipi di leasing, quello esclusivo, che permette ad un unico componente di utilizzare il servizio e quello condiviso, che permette ad una lista di fruitori di accedervi ed utilizzarlo LonWorks LonWorks [12] è un tipo di rete creato nel 1988 dalla Echelon Corporation [13]. E stato studiato per l automazione industriale, di grandi complessi e di aerei. Ha costi relativamente alti, anche se il principale fornitore di energia elettrica in Italia ha installato milioni di contatori elettrici compatibili con questo standard. Il protocollo che utilizza prende il nome di LonTalk 8 e si basa sull intelligenza distribuita e su una rete aperta, in cui ogni applicazione può interagire con un altra senza bisogno di un controllo o di una intermediazione gerarchica. I protocolli non sono proprietari e i prodotti che li utilizzano, dopo aver superato una fase di test, possono utilizzare il logo LonWorks. La Echelon Corporation ha ideato il Neuron Chip (costruito da Toshiba, Cypress e Motorola) che implementa tali protocolli ed il sistema si completa con Lonworks Network Service (LNS), il sistema operativo per la connessione e lo sviluppo della rete dei dispositivi di controllo, permettendo l installazione, la configurazione ed il monitoraggio della rete di controllo LonWorks. Il server LNS supporta a livello di trasporto sia il protocollo LonTalk che TCP/IP. 8 Definito nello standard ANSI/EIA A

24 2 Stato dell arte X-10 X-10 [15] è nato nel 1976 con comunicazione monodirezionale da dispositivi di comando ad attuatori e solamente due anni più tardi viene aggiornato (X-10-Pro) permettendo anche la lettura dello stato di un dispositivo e rendendo bidirezionale la comunicazione. Il mezzo fisico di trasmissione utilizzato è costituito dalle onde convogliate sulla rete elettrica tradizionale e la velocità di trasmissione è molto bassa. Negli USA ove è nato utilizza la rete elettrica 120 volt a 60 Hz, mentre in Europa quella 220 volt a 50 Hz. Ogni apparato viene identificato da una lettera (A-P) e da un numero (1-16) e quindi permette di collegare fino a 256 dispositivi o gruppi di dispositivi. Il trasmettitore è una unità centrale che invia comandi a dispositivi periferici, ma il sistema può essere controllato e comandato da telecomandi ad infrarossi o computer. Principalmente diffuso negli Stati Uniti, ha trovato anche un suo utilizzo in Europa e, grazie alla presenza di numerosi dispositivi disponibili sul mercato, a basso costo e alla semplicità di installazione, ha una posizione di rilievo tra gli standard attualmente usati Home Bus System (HBS) HBS è frutto di un progetto congiunto di tre diversi soggetti giapponesi: Ministry of International Trade & Industry (MITI) [16], Radio Engeneering & Electronics Association (REEA) [17] e Electronic Industries Association of Japan (EIAJ) [18]. Oltre a questi colossi, al progetto hanno partecipato anche alcune tra le maggiori compagnie giapponesi del settore, fornendo un enorme apporto di capitali di investimento. Standardizzato nel 1986 dopo cinque anni di ricerca, ha subito un ulteriore innovazione quando un anno più tardi è stato proposto Super-HBS, per allargare l uso di HBS ad un utenza condominiale. Per renderlo accessibile dall esterno inoltre è stato sviluppato nel 1997 un gateway HBS/ISDN. Utilizza due cavi coassiali e otto cavi twisted pair e permette il collegamento di apparati audio, video e telefonici. Risulta l unico standard de facto presente in Giappone grazie anche alle modalità di creazione adottate e la successiva ricerca e sviluppo nel campo degli elettrodomestici di nuova generazione con un basso consumo energetico [19]. Occorre precisare che in Giappone il processo di standardizzazione segue un iter differente da quello europeo: prima viene proposto uno standard alla cui creazione partecipa una pluralità di soggetti e solo successivamente viene avviata la produzione di apparati che rispettino tale standard. In Europa invece il processo risulta spesso invertito: prima avviene la produzione dei 15

25 2 Stato dell arte dispositivi e solo dopo si cerca di armonizzare lo status quo creando uno standard per permettere la comunicazione tra di essi. La realtà dei fatti dimostra come in Giappone sia molto più facile, per uno standard, essere l unico adottato, al contrario dell Europa dove un eventuale standard deve scontrarsi con le quote di mercato già consolidate da protocolli proprietari BatiBUS Lo standard Batibus [20] è stato il primo bus sul mercato europeo; nato in Francia ad opera della Schneider è stato sviluppato nel 1989 su iniziativa di MERLIN GE- RIN, AIRELEC, EDF e LANDIS & GYR, utilizza un doppino come mezzo fisico e permette una topologia libera. Ogni pacchetto di comunicazione è composto da un numero fisso di byte rappresentanti il tipo di apparato da gestire, il controllo dell errore, l indirizzo e un numero variabile di byte di dati, contenente istruzioni e comandi per la gestione della rete. La velocità di trasmissione è di 4800 baud. Successivamente alla sua creazione è stato fondato nel 1990 il Batibus Club International con lo scopo di promuovere le applicazioni dello standard BatiBus. Tale associazione ha partecipato insieme ad EIBA ed EHSA al processo detto Convergenza che ha portato nel maggio 1999 alla fusione delle tre associazioni ed alla nascita di una nuova associazione (KONNEX) [23] che ha dato il nome all omonimo standard European Home Systems (EHS) EHS è stato creato nel 1992 dalla EHSA (European Home System Association) [21] con il compito di promuovere uno standard aperto basato sui 7 livelli ISO/OSI per permettere la comunicazione tra milioni di dispositivi, riuniti in gruppi di 256 elementi. Prevede la funzionalità Plug&Play, permette autoconfigurazione della rete, flessibilità di posizionamento ed alta affidabilità dovuta ad un efficace metodo per il controllo e la correzione di errori. Prevede bus su quasi tutti i mezzi di trasmissione ed è uno standard aperto per il quale esiste la certificazione dei prodotti. EHSA ha partecipato insieme a BatiBus ed EIBA al processo detto Convergenza che ha portato nel maggio 1999 alla fusione dei tre ed alla nascita di una nuova associazione (KONNEX) [23] che ha dato il nome all omonimo standard European InstaBus (EIB) EIB è stato creato ad opera della EIBA (European InstaBus Association) [22] e prevede un sistema decentralizzato suddiviso gerarchicamente in aree e linee. Per 16

26 2 Stato dell arte collegare insieme più linee vengono usati apparecchi di rete che prendono il nome di accoppiatori di linea (o Line Coupler), mentre per accoppiare più aree vengono impiegati gli accoppiatori di area (o Area Coupler). Su ciascuna linea possono essere inseriti fino a 64 dispositivi, mentre fino a 15 linee possono entrare a far parte di un area. Nel caso in cui le linee in questione siano fino a 12, esse potranno comunicare tra loro senza la necessità di creare un area. In una installazione EIB è quindi possibile inserire fino a dispositivi. EIB supporta qualunque topologia di rete, anche unioni di topologie diverse, fatta eccezione per l anello ma presenta alcuni limiti in fatto di distanze da rispettare tra alimentatore e dispositivo (max 350 m), tra due dispositivi (max 700 m) e tra due alimentatori (min 200 m). EIBA ha partecipato insieme a BatiBus ed EHSA al processo detto Convergenza che ha portato nel maggio 1999 alla fusione delle tre associazioni ed alla nascita di una nuova associazione (KONNEX) [23] che ha dato il nome all omonimo standard KONNEX Questo nuovo standard è stato il risultato del processo detto Convergenza ad opera di Batibus, EIBA e EHSA ed è anche noto con l acronimo EIB/KNX. L associazione creata, Konnex [23], trova il suo scopo nel creare uno standard europeo per la home e building automation. EIB/KNX si basa sulle caratteristiche migliori dei tre protocolli da cui deriva, anche se in realtà risulta essere un innovazione di EIB (paragrafo 2.4.8) con cui mantiene una compatibilità totale. Produttori differenti costruiscono i dispositivi e li sottopongono all approvazione del consorzio, il quale dopo una fase di testing di rispetto delle specifiche pone il marchio Konnex, garantendo quindi la loro compatibilità con qualunque altro dispositivo certificato. I mezzi fisici principalmente utilizzati sono twisted pair e powerline, anche se esistono dispositivi utilizzanti InfraRed e radiofrequenze. Permette una topologia a scelta, anche mista. Mantiene una compatibilità totale con EIB, da cui deriva e da esso ha preso la suddivisone gerarchica in aree, linee e device, innalzando però a 16 i bit di indirizzamento, permettendo quindi un impiego di dispositivi in una istallazione EIB/KNX. Il protocollo di comunicazione si basa sullo stack ISO/OSI, con un accorpamento di alcuni livelli. Una trattazione più esaustiva viene proposta all inizio del capitolo 5. 17

27 Capitolo 3 Obiettivi e motivazioni In questo capitolo vengono spiegate le motivazioni alla base della tesi, presentando il contesto in cui questa va ad inserirsi e quali sono gli obiettivi fissati. 3.1 Contesto Nel contesto dell automazione degli ambiente domestici, il gruppo di ricerca elite del Politecnico di Torino ha realizzato un progetto denominato Domotic House Gateway [24], il cui scopo è collegare tramite un gateway, che prende il nome di House Manager, differenti reti domotiche che utilizzano una varietà di protocolli di comunicazione di basso livello. L House Manager permette un interazione omogenea con i vari dispositivi e fornisce una interoperabilità tra gli stessi che risulta attualmente impossibile viste le differenti tecnologie presenti sul mercato (presentati nella sezione 2.4). Una trattazione più approfondita del contesto in cui la tesi va ad inserirsi è rimandata al capitolo 4 Nel caso particolare affrontato in questa tesi, si è deciso di estendere l operatività dell House Manager alla rete EIB/KNX, a cui verrà collegato tramite LAN ed un apposito apparato domotico noto come gateway. L obiettivo è quello di integrare la soluzione House Manager, già disponibile ed in grado di operare con la rete MyHome BTicino [25], con il supporto a reti EIB/KNX. Ciò consentirà di dimostrare l efficacia dell approccio all interoperabilità tra sistemi domotici diversi, anche con specifiche prove sperimentali come illustrato nel capitolo 8. L integrazione di reti EIB/KNX all interno del set gestibile dall House Manager richiede la progettazione e lo sviluppo di un driver apposito per la rete EIB/KNX e la realizzazione di un prototipo che consenta di verificare sperimentalmente la tesi proposta. La scelta di EIB/KNX come protocollo di comunicazione è stata fatta in quanto questo risulta essere il protocollo maggiormente diffuso a livello europeo e mira ad 18

28 3 Obiettivi e motivazioni essere uno standard in tale continente. EIB/KNX è stato introdotto nella sezione e verrà affrontato in maniera più approfondita nel capitolo successivo a questo. 3.2 Prototipo Al fine di dimostrare la tesi non solamente dal punto di vista architetturale e funzionale ma anche praticamente, si intende realizzare un banco dimostrativo, contenente dispositivi domotici EIB/KNX, i quali devono essere comandabili tramite House Manager, oltre che ovviamente da un ipotetico utilizzatore. Mirando alla dimostrazione della tesi il banco viene attrezzato con elementi base quali luci, prese ed attuatori, sebbene la vastità di dispositivi possibili sia di gran lunga maggiore; per semplicità realizzativa si pensa inoltre di non inserire dispositivi complessi quali ad esempio telecamere, sensori meteorologici o anti-intrusione, pur non escludendone una futura introduzione. Requisito fondamentale del progetto è che l House Manager sia in grado di interagire con dispositivi presenti nel banco di lavoro EIB/KNX, attuando i comandi richiesti. Inoltre, dovranno essere presenti collegamenti e tecniche opportune al fine di comandare l accensione e spegnimento di utenze intervaligia; dovrà cioèes- sere possibile sia pilotare luci BTicino tramite pulsanti EIB/KNX, sia luci e prese EIB/KNX tramite pulsanti BTicino. L House Manager dovrà conservare intatta la sua architettura, eccezion fatta per i moduli aggiuntivi necessari alla comunicazione con la nuova rete. Esso dovrà quindi continuare ad operare a livello astratto sui device presenti nell installazione globale e non dovrà rendersi necessaria la distinzione secondo il protocollo utilizzato a basso livello. L utilizzo dell installazione da parte utente tramite House Manager non dovrà interferire con l uso consueto delle utenze elettriche attraverso i relativi dispositivi di comando. 19

29 Capitolo 4 Architettura In questo capitolo viene presentata l architettura dell House Manager, soffermandosi sui moduli in esso contenuti, al fine di comprendere la sua funzione di collegamento tra differenti tecnologie domotiche ed interfacce. In particolare esso risulta già testato su rete BTicino, utilizzante il protocollo SCS, ma la sua architettura non è specifica per tale tecnologia; astraendo ad alto livello la rete domotica come insieme di oggetti software operanti tra loro, potenzialmente favorisce la comunicazione con qualunque altra rete domotica, a patto che l House Manager riesca ad interagire con essa. Tale collegamento viene operato tramite appositi moduli driver da inserire nel gateway che si occupino di tradurre il linguaggio astratto ad alto livello da esso adottato in messaggi sulla rete domotica e viceversa. 4.1 Architettura Quando un ambiente come una casa viene dotato di intelligenza operativa, attraverso opportuni device e meccanismi, un utente può usare e comandare tale ambiente tramite appositi tasti o bottoni opportunamente configurati e facenti parte dell installazione. Naturalmente il fatto stesso che l ambiente sia intelligente fa si che a queste interfacce più tradizionali si possano affiancare interfacce più evolute basate ad esempio sul tracciamento oculare, sul riconoscimento di gesti, ecc. Data la varietà diinter- facce che si possono immaginare e dato che il loro utilizzo è frequentemente mediato da dispositivi con potenza elaborativa limitata, è necessario operare una separazione tra la presentazione all utente (Interface Layer) e l elaborazione che la gestione della casa implica (Application Logic). Quest ultima richiede capacità e potenza di calcolo non indifferenti e quindi deve essere eseguita da un sistema più potente/adatto, quale ad esempio un PC o un Home Gateway. Date queste considerazioni l architettura che ne consegue (Fig. 20

30 4 Architettura 4.1) presenta principalmente 3 entità: l Interaction Manager, l House Manager e la casa. Figura 4.1. Architettura generale I primi due elementi si occupano rispettivamente della generazione delle interfacce e della gestione dell Application Logic (Interaction Manager) e dell interazione con la casa (House Manager). Viene ora presentata una breve trattazione di questi, per quanto di interesse ai fini dellavoroditesi Interaction Manager L Interaction Manager gestisce le varie interfacce grafiche agendo come un proxy e permettendo l accesso e la gestione degli apparati domotici tramite House Manager. Esso comunica da una parte con l House Manager, tramite un opportuno protocollo (House Manager Protocol - HMP) e dall altra con le varie interfacce a cui risulta collegato. Tali interfacce necessitano di essere molto semplici, dovendo essere gestibili da dispositivi solitamente poco potenti e lavorano quindi su insiemi semplificati di elementi 21