Knx bina otomasyonu veri yolu standardı üzerinden bağlu olduğu klimanın kontrolünü sağlayan arabirim tasarımı
Design of air conditioner gateway via Knx building automation protocol
Yazar: FATİH MEHMET KUZUOĞLU
Danışman: PROF. DR. SALMAN KURTULAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Hızlıca gelişen bilişim ve teknoloji pazarı ile birlikte hayatlarımızın genel akış ve işleyişini kolaylaştıracak yeni teknolojik ürünler sürekli olarak geliştirilmekte ve günlük yaşamlarımıza sunulmaktadırlar. Varlığını sürdürmeye başladığı ve kendisini keşfetmeye başladığı günlerden bu yana insanoğlu hep yeni buluşların ve icatların bulunmasının gayretinde olmuş, yaşamakta olduğu çağ ne olursa olsun her zaman bir adım daha ileriye gidebilmek için çalışmış, belirli bir aşamadan sonra minimum enerji harcayıp maksimum iş yapmayı ve en düşük maliyetlerle yüksek kar marjları elde etmenin yöntemlerini bulmayı şiar edinmiştir. Bu yöntemlerin günümüzdeki karşılığına örnek olarak herhangi bir iş yerinde, yapılacak olan işlerin verimini arttırmak amacıyla makineleşme ve robot kullanımına yönelim verilebilir.
Otomasyon sistemi veya diğer bir adlandırmayla otomatik kontrol sistemleri, bir makinenin veya sürecin, insan gücü ve makine gücünün birleştirilmesi ve çeşitli kontrol sistemleriyle yönetilmesidir. Otomatik kontrol sisteminin seviyesinin yükselmesiyle kullanılmakta olan insan gücü, bir diğer deyişle işçilik azaltılmaktadır. Otomasyon sisteminde amaç, gündelik hayatta ve üretim yapılan iş alanlarında en az miktarda insan enerjisinin kullanılması ve iş süreçlerine olan insan etkisinin en aza indirilmesidir.
Otomasyon kelimesi, 2. Dünya Savaşı' ndan sonra 1947 yılında General Mobile firmasının otomatik tabirinden ilham alınarak otomasyon departmanını açmasıyla yaşamımızda yer bulmuş ve yaygınlaşmıştır. Başta endüstriyel uygulamalar olmak üzere teknolojinin her alanında otomasyon sistemlerinden faydanılması giderek artmaya başlamıştır. Özellikle geri beslemeli kontrol sistemlerinin endüstride yaygın bir kullanım alanı bulması da bu yaygınlaşma sürecini hızlandırmıştır.
Teknolojik gelişmelerin her geçen gün daha da hızlı bir şekilde artmasıyla otomatik kontrol sistemleri insan hayatında daha da fazla yer edinmektedir. Otomasyon sistemleri, insanların iş yükünü azaltarak maliyetlerin azaltılmasına katkıda bulunmakta ve kalite, konfor ve güvenlik gibi ihtiyaçları karşılamaktadır. Günümüz sanayisinde otomatik kontrol sistemlerine dayalı üretim giderek yaygınlaşmakta ve sahadan elde edilen geri bildirimler sayesinde teknik ve teknolojik ilerlemelere katkıda bulunulmaktadır. Böylelikle, otomatik kontrol sistemlerinin daha yaygın biçimde kullanılması, yükleme ve transfer sistemleri, sanayide kullanıma özel üretilmiş robotlar, süreç kontrolü uygulamalarının daha da tercih edilir bir biçimde kullanılmasına olanak sağlamaktadır.
Giderek artan dünya nüfusu ve bunun paralelinde gündelik hayatta da artan yoğun ve hareketli yaşam biçimiyle birlikte iş, ev ortamı gibi insanların bulunduğu kapalı mekanlarda hayat kolaylığı ve konfor ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Bina otomasyonu denilen otomasyon sektörünün bir alt dalı olarak adlandırılabilecek bu alan rezidans, otel, villa ve iş yeri ortamlarında giderek büyüyen bir sektör haline gelmektedir.
Bina ve ev otomasyonu sistemleri, kurulumu yapıldığı otel, rezidans gibi kapalı alanların güvenliği ve enerji tasarruflu kullanılabilirliğini arttırarak ve konforlu alanlar yaratarak hayatı giderek kolaylaştırmaktadır. Enerji bağımlılığı olan Türkiye gibi ülkelerde bina otomasyonu sistemlerinin kullanımının yaygınlaşması yurt dışına ödenmekte olan döviz miktarının azaltılmasına da bir katkıda bulunmaktadır. Türkiye uluslararası yaygınlığı giderek artan bu sektörde hızlı ve sıkı atılımlarla rekabetini güçlendirmesi gerekmektedir. Teknolojik cihazlara erişimin, satın almanın kolaylaşması ile birlikte, tüketicilerin yaşam alanlarına daha çok dahil olmaktadır.
Bina ve ev otomasyonu sektöründe, gerçeklenmesi istenilen otomasyon senaryosu için ilgili sisteme yönelik çeşitli cihazlar kullanılmaktadır. Dünyada insanların kendi aralarında anlaşabilmesi için nasıl konuşma dilleri var ise bu otomasyon cihazlarının da kendi aralarında iletişim kurabilmeleri için aynı dili konuşmaları gerekmektedir. Aynı dili konuşabilmek bu cihazlar arasında aynı protokol üzerinden haberleşme yapabilmek ile mümkündür.
Bina otomasyon protokolleri olarak sektörde; KNX, HBS, BacNET... gibi çeşitli protokoller kullanılmaktadır. KNX standardı kullandığı alt yapı ile hem iletişim hem enerji iletimini sağlayabilmesi ve Avrupa merkezli olması sayesinde ülkemizde de yaygın olarak kullanılmaktadır.
KNX standardı 2005 yılında ISO tarafından ISO/IEC 14543 normuyla standart olarak kabul edilmiş, ev ve bina otomasyonu sektöründe tüm dünyada ilk ve tek standarttır. Bu standarta uygun olarak ürün geliştirmek isteyen tüm üretici firmalar, KNX organizasyonuna üye olmak ve bu organizasyon tarafından yayınlanmış standartlara uymak zorundadır. Bu standartlar, KNX organizasyonu tarafından üreticilere sunulmaktadırlar. Bu sunulan standartlarda üreticilerin; veri tiplerinden iletişim fiziksel katmanı, ürün veri tabanı oluşturulması, saha montaj aşaması alanlarında bilgi sahibi olması ve bu standartlara yönelik üretim yapmaları beklenmektedir
EIB markası, KNX organizasyonunun temeli olduğu için günümüzde hali hazırda kullanılmakta olan birçok cihaz hem geçmişe yönelik uyumluluğun korunması hem de geleneksel olarak EIB ve KNX logosunu birarada kullanmaktadırlar.
KNX cihazlarında standart olarak bulunan MCU' lar sayesinde başka bir merkezi MCU' ya ihtiyaç bulunmamaktadır. Bundan dolayı KNX altyapısı hem villa gibi küçük çaplı projelerde hem de rezidans-otel projeleri gibi büyük projelerde kullanılabilmektedir.
KNX altyapısında veri iletişimi KNX cihazları arasında genellikle aynı kontrol kablosu üzerinden yapılmaktadır. Bununla birlikte KNX verileri, kablosuz KNX/RF radyo frekansları, ethernet alt yapısını kullanan KNX/IP ya da direkt olarak 230 V enerji iletim hattı üzerinden sağlanabilmektedir. KNX ortamında aslen telgraf isminden esinlenilmiş ve gönderilip alınan veri manasına gelen telegramlar kullanılmaktadır. KNX telegramlarının fiber optik kablolar aracılığıyla da iletilebilmesi mümkündür.
Çalışmanın ana konusu olan klima arabiriminin yapılabilmesi için gerçekleştirilmiş olan analiz ve tasarım çalışmalarına değinilmiştir. Dünyada satılmakta olan çok çeşitli marka ve modelde klima cihazları bulunmaktadır. Her üreticinin ürettiği cihazın iletişim dili farklı olduğundan dolayı jenerik bir tasarım yapılması mümkün olmamaktadır.
Çalışma kapsamında Daikin marka, VRV & Sky tipi modellerindeki klimaların KNX altyapısı üzerinden kontrol edilmesi amacıyla bir arabirim cihazı yapılması amaçlanmıştır. Öncelikle ilgili Daikin marka iç ünite modellerinin tablosu çıkarılmıştır.
Deneysel çalışmaların yapılabilmesi için; KNX fiziksel katman geliştirme kartı, ARM tabanlı bir mikro denetleyici geliştirme kartı ve klima fiziksel haberleşmesinde kullanılabilecek prototip tasarımı arasında bağlantılar kurularak ön prototipleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu ön prototip ile KNX kütüphanesi ve detaylı analiz çalışmalarıyla çıkartılan protokollerin entegrasyonu yapılarak deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Mekanik tasarım çalışmalarında Solidworks isimli mühendislik yazılımı kullanılmıştır. En ufak boyutlarda olabilecek ve klima iç ünitesinin içerisine yerleştirilebilecek çok özellikli bir tasarım gerçekleştirilmiştir.
Deneysel çalışmalar bir araya getirilerek Altium isimli PCB tasarım yazılımında genel blok diyagramına ve mekanik tasarıma uygun şematik ve PCB tasarımı gerçekleştirilmiştir.
Gömülü yazılım tasarım çalışmalarında deneysel çalışmalarda çıkartılan klima protokol dökümanı C dilinde haberleşme kütüphanesi haline getirilmiş, ardından çıkartılan KNX parameter ve nesne şablonları kurgulanan yazılıma enjekte edilmiştir. Ardından geliştirilen gömülü yazılımla arayüzün haberleşmesi sağlanmış ve KNX altyapısı üzerinden klimanın kontrolü sağlanmıştır.
KNX organizasyonunun üretici firmalara özel olarak ETS programıyla cihazlarını devreye alabilmeleri için tasarladıkları Microsoft Visual Studio programına eklenti olarak kullanılabilinen bir veri tabanı oluşturma aracı program bulunmaktadır. Sadece üretici firmaların özel olarak alabildiği bu program yardımıyla, tasarlanmış olan herhangi bir KNX cihazının veritabanı dosyası oluşturulabilinmektedir. Oluşturulan veritabanı dosyası ETS programından görülebilmekte ve ilgili konfigürasyonlar yapılarak, kullanılmak istenen cihaza uygun atamalar ile yüklemeler gerçekleştirilebilinmektedir.
Şu anda piyasada bulunan klimalar, üzerlerinde herhangi bir KNX arabirimi içermemektedirler. Bu durum akıllı ev sistemleri geliştiren firmalarda üçüncü parti klima-KNX iletişim arabirimi çözümleri geliştirme zorunluluğu ortaya çıkartmaktadır. Piyasada mevcut olan cihazlarda yalnızca tek bir fiziksel katman desteklenmekte olup, proje kapsamında geliştirilen cihaz ile birden çok fiziksel katman desteği tek bir çatı altında toplanmıştır.

Abstract:
Together with the rapidly developing IT and technology market, new technological products that facilitate the general flow and operation of our lives are continuously developed and presented to our daily lives. Since the days when he began to exist and he began to discover himself, human being has always been in the endeavor of finding new inventions and inventions, always trying to go a step further regardless of the era in which he lives, spending the minimum energy after a certain stage and doing maximum work and at the lowest costs to obtain methods to obtain high profit margins. As an example of the present value of these methods, at any workplace, mechanization and the use of robots can be given to increase the efficiency of the work to be done.
Automated control systems with an automation system or other designation are the integration of a machine or process, manpower and machine power and management with various control systems. With the rise of the level of the automatic control system, the manpower used, in other words the labor, is reduced. The purpose of the automation system is to use the least amount of human energy in the daily life and production areas and to minimize the human impact on business processes.
The word sonra automation sonra became a part of our life after the World War II in 1947, when it was inspired by the automatic expression of General Mobile company. In all areas of technology, especially industrial applications, the use of automation systems has started to increase. Especially the widespread use of feedback control systems in the industry has accelerated this process of expansion.
Automatic control systems gain more and more place in human life with the increasing technological developments. Automation systems contribute to reducing costs by reducing the workload of people and meeting the needs such as quality, comfort and safety. In today's industry, production based on automatic control systems is becoming more widespread and the technical and technological advancements are contributed by the feedback received from the field. Thus, the more common use of automatic control systems, loading and transfer systems, robots produced for industrial use, and process control applications are more preferable.
With the increasing population of the world, and in parallel with this increase in daily life, the need for life and comfort in indoor places where people like work, home environment are increasing is increasing day by day. This area, which can be called as a sub-branch of the automation sector called building automation, is becoming a growing sector in residences, hotels, villas and business environments.
Building and home automation systems make life easier by increasing the security and energy-saving availability of indoor spaces such as hotels, residences, and creating comfortable spaces. Energy dependence of the widespread use of building automation systems in countries such as Turkey to reduce the amount of foreign currency abroad are also being paid a contribution. Turkey international prevalence is increasing in this sector needs to strengthen its competitiveness with fast and tight breakthrough. Access to technological devices, as well as ease of purchase, are more and more involved in consumers' living spaces.
In the building and home automation sector, various devices are used for the relevant system for the desired automation scenario. In order to communicate among themselves, people need to speak the same language in order to communicate among themselves. Speaking the same language is possible by means of communication between these devices over the same protocol.
In the industry as building automation protocols; Various protocols such as KNX, HBS, BacNET ... are used. The KNX standard is widely used in our country due to the fact that it can provide both communication and energy transmission with the infrastructure it uses and it is based in Europe.
The KNX standard is the first and only standard in the home and building automation industry, which was adopted as a standard in 2005 by ISO / IEC 14543 norm by ISO. All manufacturers who wish to develop products in accordance with this standard must be a member of the KNX organization and comply with the standards published by this organization. These standards are offered to the manufacturers by the KNX organization. These are the standards offered by manufacturers; data types are expected to have knowledge in the fields of communication physical layer, product database creation, field installation phase and production for these standards
Since the EIB brand is the foundation of the KNX organization, many devices currently in use today use both the EIB and KNX logo as well as the protection of past compatibility.
There is no need for another central MCU thanks to MCUs that are standard on KNX devices. Therefore, the KNX infrastructure can be used in small projects such as villas and in large projects such as residence-hotel projects.
In the KNX infrastructure, data communication is usually made between the KNX devices via the same control cable. However, KNX data can be provided via KNX / RF radio frequencies, KNX / IP using ethernet infrastructure or directly via 230 V power transmission line. In the KNX environment, telegrams are used which are inspired by the name of the telegram and the data that is sent and received. It is also possible to transmit KNX telegrams via fiber optic cables.
Analysis and design studies which are carried out in order to make the air conditioning interface, which is the main subject of the study, has been mentioned. There are many different brands and models of air conditioners in the world. Since the communication language of each device is different, it is not possible to make a generic design.
Within the scope of the study, it is aimed to construct an interface device to control the air conditioners in Daikin, VRV & Sky models via KNX infrastructure. Firstly, the table of the related Daikin indoor unit models has been removed.
In order to conduct experimental studies; Preliminary prototyping was performed by establishing connections between the KNX physical layer development board, an ARM based microcontroller development board, and the prototype design that can be used in air conditioning physical communication. With this preliminary prototype, KNX library and detailed analysis studies were carried out and experimental studies were carried out. Solidworks engineering software is used in mechanical design studies. A multidimensional design has been realized, which can be of the smallest size and can be placed inside the air conditioning indoor unit.
Experimental studies were brought together and the PCB design software called Altium was designed according to the general block diagram and mechanical design.
In the case of embedded software design studies, the air conditioning protocol document issued in experimental studies was converted into a C-language communication library, and then the extracted KNX parameter and object templates were injected into the software. The interface with the embedded software was then communicated and the control of the air conditioner was ensured via the KNX infrastructure.
The KNX organization has a database creation tool that can be used as an add-on to the Microsoft Visual Studio program, which is designed to enable manufacturers to deploy their devices with the ETS program. Only with the help of this program, which can be obtained exclusively by the manufacturers, a database file of any KNX device can be created. The created database file can be seen in the ETS program and the related configurations can be performed, and the appropriate device can be loaded with the appropriate assignments.
Air conditioners currently on the market do not contain any KNX interfaces. This situation necessitates the development of thirdparty air conditioning-KNX communication interface solutions in companies developing smart home systems. Only one physical layer is supported on the devices available on the market, and multiple physical layer support is gathered under a single roof.