Protocolli e standard di comunicazione per la domotica e la gestione dell illuminazione

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1 Protocolli e standard di comunicazione per la domotica e la gestione dell illuminazione Ing. Susanna Spinsante Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università Politecnica delle Marche Ancona, 21 Novembre

2 Outline Che cos è un protocollo Perché i protocolli? Gateways e integrazione Principali protocolli di controllo per apparecchi di illuminazione Integrazione con protocolli per la domotica 2

3 Che cos è un protocollo? Un protocollo è un insieme di regole o linee guida condivise e concordate, per attuare la comunicazione tra sistemi e/o reti. Nei termini più semplici, è il linguaggio che sistemi di produttori differenti usano per parlare tra loro. 3

4 Perché i protocolli? I protocolli consentono ai dispositivi di comunicare tra loro, utilizzando un linguaggio condiviso e mutuamente comprensibile. I protocolli rendono possibili le comunicazioni tra dispositivi senza dover prevedere delle modalità custom per ogni specifica implementazione. I protocolli consentono di attuare l integrazione tra sistemi di produttori differenti incrementando l efficienza. I dispositivi che sottoscrivono il medesimo protocollo possono comunicare tra loro senza la necessità di una interfaccia di traduzione. 4

5 Come opera un protocollo? Un protocollo di comunicazione è un insieme di regole (sintassi, semantica, sincronismo) per consentire la comunicazione tra nodi su una rete. Il protocollo definisce i metodi per la rappresentazione dei dati, la segnalazione, l autenticazione, il controllo di errore, per la connessione, la comunicazione e lo scambio dati. Le comunicazioni possono essere uni- o bi-direzionali. La definizione di un protocollo può riguardare qualunque elemento della comunicazione tra dispositivi: hardware, software, formato o contenuti. Quando la maggior parte dei produttori e delle industrie gravitano attorno ad uno specifico protocollo, esso tende a diventare uno standard de facto. 5

6 Aperto vs Proprietario I protocolli possono essere aperti o proprietari. Entrambe le tipologie abilitano le comunicazioni tra dispositivi Lo sviluppo avviene grazie alla collaborazione e condivisione delle decisioni tra i partecipanti (consensus-based). La supervisione delle attività di definizione del protocollo è attuata da un gruppo di governance collegato ad un ente riconosciuto (es. ANSI) che organizza lo sviluppo e le revisioni degli standard. Se vi è una proprietà intellettuale associata ad uno standard aperto, essa può essere licenziata in cambio di una royalty ragionevole, o secondo altri accordi di licenza. I protocolli proprietari possono essere liberamente disponibili o implementabili solamente a fronte di un contratto. Sono sviluppati da produttori o individui per un uso specifico piuttosto che per uno standard, quindi non sono sviluppati con una metodologia basata sul consenso e la condivisione. Offrendo soluzioni specifiche a problemi specifici, presentano delle applicazioni target. 6

7 Nella domotica e nel controllo luci, i protocolli permettono di passare da una modalità tradizionale controllo locale 7

8 ad una distribuita controllo di stanza o di area 8

9 fino a questa! controllo dell intero edificio o di più edifici scenari efficientamento energetico 9

10 Modello concettuale per le reti modello ISO/OSI a sette livelli 10

11 e nel controllo luci Network: gruppo di nodi (dispositivi, apparati, sistemi) che operano in modalità cooperativa o interdipendente per implementare una catena di comando per il controllo luci. Physical Layer: definisce il mezzo fisico o l insieme dei mezzi fisici utilizzati per trasferire i comandi e i messaggi di controllo da un nodo di rete ad un altro (sensore -> attuatore). Tipicamente si tratta di bus. Topology: la topologia rappresenta la relazione fisica o logica esistente tra i nodi di una rete. Essa può descrivere la connessione fisica (cablaggio) tra i nodi di una rete, o la connessione logica tra essi (quali nodi possono scambiare messaggi). Nel processo che genera un comando per il controllo luci a partire da un input dell utente, o di un sensore, sono in genere coinvolti una pluralità di protocolli. 11

12 Gateways Un gateway è un dispositivo progettato per interfacciare sistemi o reti che operano secondo differenti protocolli. Un gateway può includere diversi elementi, come traduttori di protocollo, dispositivi che realizzano il matching di impedenza, rate converters, convertitori di segnale, ovvero tutto ciò che è necessario per garantire l interoperabilità tra i sistemi. I gateways diventano essenziali nelle architetture eterogenee che ospitano sistemi operanti secondo protocolli differenti. 12

13 Controllo in potenza tramite dimmer Molti apparecchi d illuminazione possono essere accesi, spenti e regolati in intensità modulando la loro alimentazione tramite taglio di fase, mediante componenti elettronici chiamati dimmer. La scelta del dimmer, se a controllo di fase (Leading Edge) o a taglio di fase (Trailing Edge) dipende dal tipo di apparecchio. I sistemi a LED richiedono dimmer a taglio di fase. Nel settore residenziale questi componenti integrano quasi sempre anche un dispositivo manuale di comando (slitta, potenziometro, telecomando, touchscreen). Nel settore professionale un dimmer è frequentemente comandato da un segnale analogo a quelli utilizzati per il controllo degli apparecchi (1/10V, DALI, DMX) oppure da un altro protocollo di automazione. 13

14 Controllo 1/10 V e DSI Il controllo analogico 1/10V permette la regolazione degli apparecchi d illuminazione e dei dimmer tramite un segnale analogico di tensione compreso tra 1V (livello di luminosità minimo), e 10V (livello di luminosità massimo). L accensione e lo spegnimento avvengono agendo sull alimentazione. Per il cablaggio la topologia è libera, mediante cavo dello stesso tipo impiegato per l alimentazione degli apparecchi. E necessario utilizzare due conduttori distinti per alimentazione e regolazione 1/10V, possibilmente stesi in due condutture separate. Il controllo digitale DSI (Digital Signal Interface) è la tecnologia digitale per la gestione di apparecchi di illuminazione fluorescenti, in grado di impostare il livello luminoso tra 0% (OFF) e 100%. E un protocollo unidirezionale che non permette di indirizzare i singoli apparecchi. 14

15 DALI: Digital Addressable Lighting Interface Sviluppato dai principali produttori di alimentatori elettronici come standard non proprietario per rispondere alle esigenze legate al controllo della luce. L interscambiabilità degli alimentatori elettronici di produttori diversi è assicurata dall inclusione del protocollo nella norma EN come Appendice E4. Il protocollo mette a disposizione un mezzo intelligente per il controllo della luce con ridotto costo dei componenti, elevata funzionalità e facilità di applicazione. Gli alimentatori elettronici digitali per il controllo dell illuminazione secondo specifiche DALI devono permettere indirizzamento e comunicazione digitali. 15

16 DALI: vantaggi Facilità d installazione: i sistemi DALI usano lo stesso materiale standard impiegato per gli impianti a tensione di rete. Gli indirizzi degli apparecchi (short address), fino a 64 su uno stesso bus, sono programmati via software: l eventuale riconfigurazione di un impianto non richiede modifiche al cablaggio. Semplicità progettuale: ogni alimentatore elettronico del sistema DALI può essere indirizzato digitalmente, può appartenere a più di un gruppo (fino a 16), memorizzare differenti valori dei parametri illuminotecnici associati in funzione dei vari scenari di illuminazione, ed essere acceso e spento digitalmente. Semplicità di funzionamento: l utente può cambiare le funzioni con facilità, adattandole a nuove situazioni. La bidirezionalità del protocollo permette di avere un feedback sullo stato degli apparecchi, consentendone la gestione e manutenzione da una postazione remota. Può essere collegato via gateway al sistema di gestione di un intero edificio. Consente di far funzionare insieme i controlli dell'illuminazione, i sensori, gli apparecchi di comando, gli alimentatori elettronici e le lampade, attraverso l uso di una stessa interfaccia. 16

17 DALI: vantaggi Tutti i moduli possono dialogare tra loro in modo bidirezionale in quanto ognuno possiede un indirizzo univoco. Per inviare un comando contemporaneo a più moduli si utilizza l indirizzo del gruppo (group address broadcast). I comandi inviati su un bus DALI possono essere quindi indirizzati ad un singolo modulo, ad un gruppo oppure a tutti i moduli connessi. Gli impianti DALI possono essere integrati facilmente nei sistemi di automazione per edifici, ad es. nei sistemi BACnet attraverso l utilizzo di un gateway che trasformi il protocollo DALI in BACnet. In questo modo tutti i corpi illuminanti, nonché tutti gli altri dispositivi di controllo costituenti l impianto di illuminazione normale degli ambienti, saranno virtualizzati sotto forma di oggetti BACnet. 17

18 Es: integrazione DALI/BACnet 18

19 DALI: limitazioni Il protocollo DALI è tipicamente usato per il controllo della luce funzionale, ovvero in quei casi in cui non è richiesta una particolare velocità di aggiornamento dello stato delle sorgenti luminose. Esempi tipici: controllo manuale della luminosità o regolazione automatica in funzione della luce naturale. Applicazioni architettoniche o scenografiche realizzate con apparecchi LED RGB usano altri protocolli, in genere DMX, a causa delle limitazioni del protocollo DALI, ovvero: Numero limitato di indirizzi Associazione biunivoca indirizzo/modulo sul bus Scarsa banda disponibile (ridotta velocità di segnalazione) 19

20 DMX: Digital MultipleX Signal Tecnologia digitale basata sullo standard DMX512-A che permette di gestire fino a 512 indirizzi distinti su uno stesso bus, corrispondente ad un universo DMX. Ad ogni modulo connesso possono essere attribuiti degli indirizzi anche non univoci in quanto il protocollo è unidirezionale ed il sistema di controllo si occupa solo dell invio dei comandi. Moduli con gli stessi indirizzi risponderanno in modo identico agli stessi comandi ed avranno quindi lo stesso comportamento, formando in pratica un gruppo funzionale. Ad esempio un apparecchio RGB utilizza 3 indirizzi DMX, uno per ogni canale di colore. Per ogni indirizzo DMX viene impostato un valore compreso tra 0 (sorgente spenta) e 255 (sorgente a livello massimo). Apparecchi che utilizzano gli stessi indirizzi DMX formeranno un gruppo di colore omogeneo in quanto le componenti di colore interne sono gestite con le stesse informazioni. 20

21 DMX: vantaggi L elevato numero di indirizzi disponibili, la molteplicità di utilizzo degli stessi e la velocità di trasmissione dei dati rendono DMX il protocollo adatto al controllo degli apparecchi d illuminazione in applicazioni architettoniche e scenografiche, tipicamente realizzate con apparecchi LED multi sorgente (RGB, ). L architettura di sistema DMX è modulare e scalabile. Sul mercato esistono numerosi accessori compatibili come amplificatori e diramatori di segnale (booster e splitter). 21

22 DMX RDM L estensione RDM (Remote Device Management) del protocollo standard DMX512-A permette il controllo bidirezionale dei vari moduli presenti sul bus, aggiungendo la capacità di ricezione di informazioni dal campo. Uno dei principali vantaggi introdotti da questa estensione dello standard è la possibilità di impostare tramite un PC remoto gli indirizzi DMX utilizzati dagli apparecchi dopo la loro installazione sul bus. La possibilità di scambiare dati con i vari moduli ne permette inoltre un impostazione di dettaglio garantendo una configurazione dell impianto altamente accurata. La topologia del cablaggio, la tipologia di cavi e le distanze massime rimangono quelle prescritte per il protocollo DMX. 22

23 Cablaggio DMX DMX è basato sullo standard elettrico RS485 ed ha una velocità di trasmissione dei dati pari a 250 kbit/sec. E necessario utilizzare un cavo compatibile RS485, schermato e twistato; sono tipicamente utilizzati connettori RJ45 e XLR. Il cablaggio deve essere realizzato con struttura daisy chain. L architettura DMX ammette la presenza di un solo sistema di controllo ed ogni ramo del bus può connettere al massimo 30 moduli DMX, per una lunghezza massima consigliata di circa 300 m. L alimentazione degli apparecchi è realizzata in modo indipendente dal modulo di controllo e può essere sempre inserita in quanto, oltre alla regolazione, il bus DMX è in grado di inviare anche comandi di accensione e spegnimento. 23

24 Integrazione I sistemi dedicati al controllo della luce utilizzano le tecnologie richieste dai vari apparecchi d illuminazione e possono dialogare tra loro e con altri sistemi di automazione secondo diversi protocolli. Mentre per il controllo degli apparecchi d illuminazione vengono utilizzati segnali e protocolli dedicati come 1/10V, DALI e DMX, per la gestione e la comunicazione nei sistemi di automazione vengono utilizzate altre tecnologie, basate principalmente su protocolli standard come KNX e LONWorks. Integrare i sistemi significa condividere delle informazioni e dei comandi in modo da rendere sinergica la gestione complessiva dell edificio. Ad esempio: un segnale di presenza persona può attivare l accensione della luce artificiale, come l attivazione di un allarme o la partenza di uno splitter per il rinfrescamento. 24

25 Principali protocolli per la domotica EIB/Konnex (KNX): standard utilizzato nella domotica e nella building automation che può essere implementato su diversi mezzi trasmissivi. LonWorks (LON): tecnologia utilizzata nella building automation per la realizzazione di sistemi ad intelligenza distribuita. Può essere implementata su diversi mezzi trasmissivi. BACnet: protocollo di comunicazione utilizzato nella building automation per la centralizzazione dei vari servizi presenti in un edificio (HVAC, Lighting, Access Control, Fire Detection). Ethernet, TCP/IP: tecnologie e protocolli di comunicazione utilizzati per internet e per altre reti di dispositivi, implementate su diversi mezzi trasmissivi (evoluzione verso IoT). ZigBee, Z-Wave: protocolli di comunicazione a Radio Frequenza (RF) caratterizzati da basso consumo e possibilità di rilancio del segnale e dei messaggi. EnOcean: tecnologia per la comunicazione wireless tra dispositivi che utilizzano fonti alternative per generare la potenza necessaria alla trasmissione dei dati (energia solare, movimento meccanico). 25

26 Integrazione tra protocolli Definizione e implementazione di scenari (un singolo comando scatena un insieme di eventi secondo una logica pre-definita). Definizione e implementazione di strategie di controllo regolate da principi di efficienza, sicurezza, comfort e risparmio energetico. 26

27 Grazie per l attenzione! 27