Akıllı Evler ve KNX

Akıllı evler ve binalar ya da bir başka deyişle ev ve bina otomasyonu uygulanmış yapılar, küresel ısınma, enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji kaynakları gibi kavramların önem kazanmasıyla birlikte hayatımıza daha fazla girmeye başlamıştır. Temel olarak ev yada bina içinde birbiri ile haberleşebilen ve etkileşen cihazların yerleştirilmesi ile oluşturulan bu sistemler de en belirleyici özellik sistemi karakterize eden haberleşme protokolü ve veri iletim ortamıdır. Dünya çapında kabul görmüş ve standartlaşmış protokollerin, sürdürülebilirlik, rekabet artışı, birlikte çalışabilirlik, uyumluluk, ürün çeşitliliği ve desteği gibi nedenlerle özel protokoller ile tanımlanmış otomasyon sistemlerine göre önemli avantajları ortaya vardır. Bu anlamda bakıldığına KNX protokolü, gerek ilk resmi ev ve bina otomasyon standardı olması, dünya çapındaki üretici ve uygulayıcı yaygınlığı ile ön plana çıkmaktadır. Bu makalede, dünya çapındaki bina ve ev otomasyon standartları ve özellikle KNX protokolü üzerinde inceleme yapılacaktır.

1. Ev ve Bina Otomasyonunun Faydaları, Karşılaşılan Zorluklar

Ev otomasyonu konusundaki ilk düşünceler 1940 lı yıllarda, gelecek projeleri olarak fuarlarda, yazılarda ve romanlarda hayat bulmuştur. İlk realistik çalışmalar ise 1970 lı yılların başlarında, aydınlatma otomasyonu ve küçük cihazların kontrolü ile başlamıştır. Daha önceleri akıllı evler ve binalar, kullanım konforu ve güvenlik amaçlı olarak ön plana çıkarken, 80 li yıllardan sonra petrol krizi, küresel ısınma gibi kavramların ortaya çıkışı, enerjiyi daha verimli kullanan ve tasarruf sağlayan otomasyon sistemlerinin önemini artmıştır. Avrupa birliğinde yapılan araştırmalar enerjinin %35 - %40 ının binalar tarafından harcandığını göstermektedir. Bina otomasyonunda Enerji verimliliği, güvenlik ile birlikte daha önemli iken, son 20 yılda evsel enerji kullanım oranının enerji tüketimindeki payı hızla artması, enerji verimliğini artıran ev otomasyon sistemlerinin kullanımını teşvik etmektedir. Enerjinin verimli kullanımı üç temel faktörle sağlanabilir.

a.Teknolojik gelişmeler ile daha verimli cihazların kullanılması

b.Ürünlerin kullanım biçimleri

c.Daha az tüketen ürünlere yönelim.

Son iki madde tüketicilerin alışkanlıkları ve davranış biçimleri ile ilgili olduğu için otomasyon sistemlerinin önemi burada daha da artmaktadır. Yapılan araştırmalar, kullanılan otomasyon teknolojisine ve ortama bağlı olarak %50 ye ulaşan oranlarda tasarruf sağlanabildiğini göstermektedir.

Ev ve bina otomasyon sistemlerinin temel faydalarını birkaç maddede özetlemek mümkündür;

a.Kullanıcıya sağlanan konfor ve kolaylık ve zaman kazanımı

b.Güvenlik

c.Enerji verimliliği

Kullanıcılar, ev otomasyonunun sağladığı imkanlar ile daha konforlu bir yaşamı, daha kolayca sağlayabilirler. Tek bir düğmeye dokunuşla, evin kendi isteklerine göre yapılanması mümkün olacaktır. Rüzgar çıktığında, tentelerin kapatılması, güneş ışığına göre aydınlatmanın ayarlanması, her oda için farklı konfor değerleri sağlanması, uyku, sohbet, TV izleme durumları için istenen koşulların oluşturulması gibi özellikler kullanıcılara istedikleri konforu sağlayacağı gibi, kendilerine ve ailelerine daha fazla zaman ayırmasına imkan verir. Akıllı ev’ler daha güvenlidir. Kişiler evde olmadıklarında yaşam senaryoları ve alarmlar ile Hırsızlıkların önüne geçmek çok daha kolaydır. Akıllı evler daha güvenlidir, çünkü sistemler uzaktan kontrol edilebilir, alarmlar uzaktan alınabilir. Çoğu durumda bilinçsiz kullanım ya da ilgisizlik enerji kayıplarına sebep olmaktadır. Akıllı binalar dinamik HVAC , aydınlatma, ve cihaz yönetimi ile enerji tasarrufunu optimize edecek şekilde yapılandırılabilir.

Akıllı ev sistemlerinin uygulanmasında aşağıdaki zorlukların aşılmış olması, sistemlerin kullanımını teşvik edecektir.

a. Birlikte çalışabilirlik: Akıllı bina teknolojileri farklı üreticilerin ürünlerini aynı ortamda uyumlu olarak çalıştırabilir şekilde tasarlanmış olmalı ve yeterli ürün çeşitliliğini sağlamalıdır. Bunun için açık standartlar çok önemlidir.

b. Sisteme yeni bir cihazı eklenmesi: Sisteme yeni bir cihaz ekleme kolay olmalıdır. Sistem modüler yapıda tasarlanabilmelidir.

c. Kullanıcı Ara yüzleri: Akıllı ev sisteminde kullanılacak cihazlar, kullanıcıların kolaylıkla ve rahatça kullanabileceği şekilde tasarlanabilmelidir.

d. Maliyet: Akıllı ev sistemlerinde kullanımı engelleyen önemli faktörlerden biriside maliyettir. Sistem maliyeti bir çok kullanıcının karşılayabileceği düzeyde olmalı. Enerji tasarrufu da düşünüldüğünde makul bir sürede kendini amorti edebilecek maliyetler elde edilebilmelidir.

e. Nokta Sayısı: Sisteme bağlanabilecek cihaz sayısı küçük ölçekli bir sistemden büyük ölçekli bir sisteme kadar kurulumları destekleyebilmelidir.

f. Pil Gücü: Kablosuz sistemler ile oluşturulan akıllı ev sistemlerinde, cihazların pil tüketimi uzun süre pil değişimi gerektirmeyecek kadar az olmalıdır.

2. Ev Otomasyonunun Kapsamı

Ev otomasyonu, Akıllı evler ya da domotics , bina otomasyonun bir alt kümesidir. Bina otomasyonu, asansör sistemleri, güvenlik, görüntü aktarım sistemleri, uydu sistemleri, yangın sistemleri gibi diğer sistemleri de kapsamaktadır.

Akıllı evler, Ev sakinlerinin yaşamını kolaylaştırarak maksimum konfor ve yaşam kalitesi sağlamak için, evdeki tüm cihazların elektronik ortamda ortak bir dil ile konuştuğu cihazlardan oluşan evlerdir. Akıllı ev sistemlerini oluşturan cihazlar hem birbirleriyle, hem de kullanıcı ile haberleşerek yaşayan bir platform oluştururlar. Tipik ev otomasyonu uygulamaları Şekil 2 de görüldüğü gibidir.

Ev ve Bina otomasyonu, tipik olarak algılayıcılar ve uyarıcılar, işlevleri yerine getiren uygulayıcı (aktüatörler) ve pek çok uygulamada merkezi kontrol ünitesi ve benzeri cihazlardan oluşur. Buradaki temel faktör cihazların haberleşebilme özelliğine sahip olmasıdır. Cihazlar kendi aralarında ya da bir merkez ile haberleşebilirler. Bu sayede algılanan komutlar veya uyarılar uygulanmaları için aktüatör cihazlara aktarılır.

Akıllı ev sisteminde kullanılan cihazları aşağıdaki gibi sınıflandırmak mümkündür.

i. Algılayıcılar, Uyarıcılar

a.Anahtar algılayıcılar: Push buton, dokunmatik

b.Varlık, Hareket, Gaz, Duman, Işık, Kuru Kontak, Rüzgar, Nem, Yağmur algılayıcılar

c.Termostatlı anahtar algılayıcılar

d. Zamanlayıcılar

ii. Aktüatörler

a.HVAC kontrol sistemleri

b.Anahtar , Perde-Jaluzi Aktüatörleri

c.Dimmer Sürücüleri

d.Multimedya kontrol sistemleri

iii.Sistem Cihazları

a.Programlayıcılar

b.IP çeviriciler

c.Kontrol Panelleri

d.Mobil Kontrol uygulama yazılımları

e.Sesli – Görüntülü Kapı Kontrol sistemleri

f. Protokol Dönüştürücüler

Ev ve Bina otomasyon sistemlerinde kullanılan ürün ve uygulama çeşitliğinin çok fazla olması nedeniyle tüm bu cihazların tek bir protokol ile haberleşmeleri , çok farklı üreticilerden ve standartların kapsamının dar olmasından dolayı pratikte pek de mümkün gözükmemektedir. Dolayısıyla, Otomasyon sistemleri genellikle bir temel protokol üzerinde çalışmalarına rağmen, gateway cihazları kullanılarak çok protokollü yapılar ile gerçekleştirilmektedir. Burada önemli faktör, sistemin bütününü kontrol eden yapının standartlaşmış bir mimariye sahip olmasıdır.

3. Ev ve Bina Otomasyon Teknolojileri

İlk otomasyon sistemleri basit açma kapama işlemlerini gerçekleştirmek amacıyla tasarlanmışlardı. Bunlardan ilki ECHO IV dür. Ancak uygulama alanı bulabilen ilk otomasyon protokolü 1975 de kullanılmaya başlanan X10 dur. Zaman içinde teknolojik ilerlemeler ile birlikte yeni daha kapsamlı ve güvenli teknolojiler ortaya çıkmıştır. Temel olarak haberleşme işlemi için 3 farklı yöntem mevcuttur.

i. Bükülü tel üzerinde çalışan sistemler: Bu sistemlerde cihazlar için bir haberleşme bağlantısı gerekmektedir. Uygulama güvenliği açısında, en yüksek dereceyi almasına rağmen, altyapı için kablolama gereksinimi en büyük dezavantajlarıdır.

ii. Elektrik hattı üzerinden haberleşen sistemler: Elektrik şebekesindeki gürültüler nedeniyle dezavantaja sahip bu sistemler, OFDM bazlı, geniş bandlı haberleşme teknolojileri ile birlikte bu konuda önemli bir aşama kaydetmiştir.

iii. Kablosuz Haberleşme kullanan cihazlar: Bu sistemler, bağlantı özgürlüğü sağlarken en büyük dezavantajları; girişim, sinyal zayıflaması, güvenlik ve pil ihtiyacıdır.

4. KNX Protokolü

KNX protokolü, özellikle Avrupa da ev ve bina otomasyon sistemleri alanında en yaygın kullanılan otomasyon protokolüdür. Her 3 haberleşme kanalını desteklemesine rağmen uygulamaların %90 dan fazlası bükülü kablo üzerinden çalışmaktadır. Konnex derneği 1999 yılında merkezi Brüksel'de üç Avrupa derneğinin (BCI Batibus Sistemleri, EIB (European Installation Bus) Derneği , EHS Derneği) akıllı ev ve bina sistemlerinin yayılması amacı ile bir araya gelmesi ile kurulmuş ve zaman için KNX derneği olarak isimlendirilmiştir. KNX derneğinin logosu Şekil 3. de görülmektedir. KNX Derneği, Ev ve bina otomasyonunda kullanılmak üzere açık bir standart geliştirmiştir. Bu standart KNX dir. KNX protokolü büyük ölçekte EIB yi kapsamaktadır ve EIB cihazları KNX üzerinde çalışabilir. 2003 yılı sonunda KNX standartları CENELEC (European Committee of Electrotechnical Standardisation) tarafından onaylanarak yürürlüğe girmiştir. 2006 yılı sonunda, KNX Standardı akıllı evler konusunda ilk dünya standardı olmuştur (ISO/IEC 14543-3, EN 50090). Bugün bakıldığında, KNX derneğinin kayıtlı olarak 40 dan fazla ülkeden 370 den fazla üretici üyesi, 128 ülkede 44000 den fazla uygulayıcısı, 100 den fazla üniversitede 300 eğitim merkezi bulunmaktadır.

KNX protokolünün bir çok avantajı arasında öne çıkanları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.

• Standartlaşma: Uluslar arası standartlara uyumluluk açık standart olması sayesinde bir çok üreticinin ürün geliştirmesinin önünün açık olması sağlanmıştır.

• Birlikte çalışabilirlik: Ürün sertifikasyonları sayesinde, üreticiden bağımsız olarak tüm ürün gruplarının birbiri ile çalışabilmesi ve birlikte işletilebilme garantisi vardır. Sertifikalı ürünler KNX damgası taşır.

• Kalite Sertifikaları: KNX ürünleri, yüksek kalite standartları ile üretilir. Bütün üreticilerin sertifika alabilmeleri için ISO 9001 sertifikasına sahip olmaları gerekmektedir.

• Üreticiden bağımsız çalışan konfigürasyon yazılımı: KNX sertifikalı tüm sistem modu ürünleri KNX derneği tarafından sağlanan ETS yazılımı ile yapılandırılabilir, yönetilebilir. Uygulamacılar, tek bir yazılım ile farklı tüm ürünleri yönetebilir, programlayabilir.

• Çok sayıda bağlantı: Tek bir KNX sistemi 60000 den farklı cihazı tek bir sistem altında barındırabildiğinden küçük uygulamalardan büyük uygulamalara kadar farklı büyüklükteki projelerde kullanılabilir (Şekil 4.)

o Yeni ve Mevcut binalar

o Küçük evler, büyük binalar

o Yeni ihtiyaçlara kolay adaptasyon

• Çok protokollü çalışma desteği: KNX diğer sistemler ile ilişkilendirilebilir. Bunun için geçit cihazları bulunmaktadır. IP erişimi için KNX IP router cihazları mevcuttur. Standart ta IP erişimi ayrıca tanımlanmıştır.

4.1 KNX bağlantı yapısı ve topoloji

KNX sistemleri Bükülü Kablo ve Enerji Hatları üzerinde ve Kablosuz olarak çalışan cihazlara sahip olmakla birlikte uygulamaların %90 ından fazlası bükülü kablo üzerinde çalışmaktadır. Bu Cihazlara KNX TP cihazları adı verilir.

Bükülü kablo üzerinde çalışan her cihaza bir KNX güç kaynağından enerji gereksinimini de karşılayacak bir çift bükülü haberleşme kablosu çekilir. Bu kabloya linye ( Bus hattı) adı verilir. Bir hat üzerine 64 cihaz bağlanabilir. KNX Standardı, Bus hattındaki her bir cihazın enerji ihtiyacını en fazla 10mA olacak şekilde belirlemiştir. Bus hattı şebekeden izole bir hattır. Bu hatta şebeke ile ilişkili herhangi bağlantı yada toprak hattı bağlantısı yapılmamalıdır. Daha fazla enerji gerektiren cihazlar harici bir besleme kaynağı ile beslenmelidir.

• TP (Twisted Pair- Bükülü kablo)

– Cihazlar iki telli bükülü kablonun oluşturduğu

bus hattına Şekil 5 deki gibi bağlanırlar.

– Bu kablo genellikle 220V kablosu ile birlikte çekilir.

– Kablo üzerinde, bağlanan cihazların haberleşmesi için 29V luk bir besleme gerilimi mevcuttur.

– Haberleşme hızı saniyede 9600 bit dir. Buda yaklaşık olarak 1000 karakter demektir.

– Bus hattından saniyede en fazla 50 mesaj gönderilebilir. Bu mesajlara Telegram adı verilir.

– Cihazlar 21 ile 29 V arasında çalışabilir. 21V un altında cihazlar alarm durumuna geçer.

Topoloji

• KNX sistemindeki her cihazın Ethernet deki MAC adresine benzer birr tekil kimliği (BA:Bireysel adres) vardır. Bu kimlik cihazları sorgulamak ya da programlamak için kullanılır. Kimlik formatı A.B.C biçimindedir. Topoloji A:Alanlar, B: Hatlar ve C:Hat içindeki cihaz noyu gösterecek şekilde tasarlanmıştır. Örneğin 1.4.22 gibi. Burada Cihaz 1. alanın, 4. hattı üzerindeki 22. cihazdır. Ancak 22. cihaz olması hat üzerinde 22 cihaz olduğu anlamına gelmez. Sadece 2 cihazda olabilir. Topoloji şekil 6 da görülmektedir. Her bir hat birbirlerine Line coupler cihazları ile bağlanır. Line coupler cihazları o hattın 0 nolu cihazlarıdır.

• KNX sisteminin çalışması grup adresleri ile sağlanır. KNX sistemindeki her cihaz yapısına göre bir yada birden fazla grup adresine sahiptir. Grup adresleri A/B/C yada B/C gibi iki yada üç seviyeli olabilir. Örneğin 2/6 yada 0/1/34 gibi

• Aynı grup adresine sahip cihazlar, aynı gruptadır ve o grup adresine gönderilen mesajlara (telegram) cevap verir ve istenilenleri yerine getirirler. İşlevler grup adresleri kullanılarak yapılır.

o Örneğin bir anahtar ve bir lamba sürücüsü aynı grup adresinde ise anahtarın göndereceği açma , kapama mesajları lambayı açıp kapatabilir.

• KNX sisteminde, bir Omurga hattı, 15 Ana Hat (Alanlar), Her bir alan altında tane Hatlar olmak üzere 3 değişik bus hattı bulunur.

• Hat içinde gönderilen mesajlar o hatta bağlı tüm cihazlara gönderilir. Line coupler cihazları sadece dışarı gönderilen mesajları diğer hatlara iletirler. Böyle tüm şebeke üzerinde yoğun mesajlaşma olmayacaktır.

• Ana hatlar, omurga hattına Backbone coupler cihazıyla, Hat’lar , ana hatta line coupler cihazları ile bağlanır.

• Her hatta line repeaterlar kullanılarak 255 cihaz bağlanabilir. Line repeater’lar (Tekrarlayıcılar) kullanılmaz ise 63 cihaz bağlanabilir. 0. cihaz line coupler dır.

• Toplam bağlanabilecek cihaz sayısı 255*16*15+255=61455 cihazdır. Tekrarlayıcı olmaz ise 15183 cihaz bağlanabilir.

4.2 KNX Çalışma Modları

• KNX cihazları 2 değişik mod da çalışır.

– S mode yada sistem modu

– Bu mod en yaygın kullanılan ve ilk olarak tasarlanan moddur. Bu modda çalışan cihazlar ETS yazılımı ile yapılandırılarak devreye sokulur. bunun niçin herbir cihazın

üretici tarafından sağlana ve KNX derneği tarafından onaylanmış bir veri tabanı dosyası bulunmaktadır.

• E mode ya da easy (kolay mod)

– Bu modda çalışan cihazlar programlanmak için bilgisayara ihtiyaç duymazlar. Sınırlı konfigürasyon yapılabilir .

4.3 KNX Sistem Tasarım

• Öncelikle kullanılacak cihazlar ve fonksiyonlar belirlenir. Örneğin bir odada 2 anahtar 2 lamba olsun. Birinci anahtar birinci lambayı kontrol etsin, 2. anahtar 2. lambayı dim etsin gibi.

• ETS yazılımı çalıştırılarak proje tanımlanır.

• Cihazlara ilişkin veri dosyaları üreticinin web sayfasından yüklenir.

• ETS yazılımında, üreticiden alınan veri dosyaları içinden ilgili cihaz seçilerek projeye eklenir.

• Seçilen cihazların bireysel adresleri istenilen topolojiye göre otomatik olarak yada el ile belirlenir.

• Daha sonra fonksiyonları yapabilmek için cihazlar birbiri ile ilişkilendirilir. Örneğin 1.Anahtarın 1. tuşu, 1. lamba sürücüsü ile ilişkilendirilir ve grup adresleri otomatik olarak yada manuel olarak oluşturulur.

• Sonrasında parametre listesinden yapılacak işlem seçilir.

• İşlemler tamamlandıktan sonra cihazlar aşağıdaki biçimde KNX USB programlayıcı yada KNX IP router’lar kullanılarak programlanır (Şekil 7).

4.4 KNX Cihazları

KNX üzerinde kullanılan cihazlar üçe ayrılır

I. Sensor’ler (Algılayıcılar)

a. Anahtarlar (push buton, dokunmatik)

b. PIR dedektörleri, rüzgar dedektörleri, hava istasyonları

c. Termostatlar ve sıcaklık algılayıcılar

d. Diğer dedektörler

II. Actuator’ler (Harekete geçiriciler) (Genellikle ana panoda bulunurlar)

a. Röle çıkışlı giriş /çıkış birimleri

b. Dimmer sürücüleri

c. Jaluzi sürücüleri

d. Valf sürücüleri

e. Fan coil

III. Kontrol cihazları (Genellikle ana panodadırlar)

a. Programlayıcılar

b. Line coupler’lar

c. IP router’lar

d. Monitör ve kontrol konsolları

e. Zamanlayıcılar

f. Güç kaynakları (320, 640, 1280 mA)

g. Protokol dönüştürücüler

KNX IP arayüzü aracılığıyla IP üzerindeki tüm uygulamalar KNX sistemine erişebilir yada KNX sistemindeki cihazlar IP üzerinden bağlana sistemlere bilgi gönderebilir. Mobil cihazlar, Tablet PC ler, Kontrol panelleri KNX sistemine IP üzerinden erişerek kontrol ederler. IP dışındaki protokoller ile çalışan cihazlar için çeşitli KNX gateway cihazları kullanılır. Örneğin, Multimedya, TV v.s. sistemleri bu tür cihazlar ile KNX sistemine adapte edilir. Ayrıca farklı otomasyon protokolleri içinde Gateway cihazları mevcuttur. KNX Dali gateway örnek olarak sunulabilir.

Sonuç

Bu yazıda akıllı bina ve ev otomasyon teknolojileri ile ilgili temel bilgiler verilmeye çalışılmıştır. Bununla birlikte Özellikle Avrupa da ve Ülkemizde yoğun biçimde kullanılan açık standardlı KNX protokolüne yer verilmiştir. Yeni teknolojik gelişmeler ve fiyatların düşmesi ile birlikte Ev ve Bina otomasyon sistemlerinin cazibesi ve önemi gitgide artmaktadır. Yapılan araştırmalara göre ev ve bina otomasyon sistemlerinin 2018 yılında kimi kaynaklara göre 12, kimi kaynaklara göre 14 Milyar$ , 2020 yılında ise 30 -35 Milyar$ olacağı söylenmektedir. Daha optimistik araştırmalar 70 Milyar$ lardan bahsetmektedir. Rakamların doğruluğu tartışma konusu olsa da, Akıllı ev ve bina sistemlerinin pazarının hızla büyüdüğü bir gerçektir.

Kaynakça

[1]. www.makelsmarthome.com.tr / [2]. “A Reality Check on Home Automation Technologies”, Poul Ejnar Rovsing, Et.al. , Journal of Green Engineering, Sayfa 303–327. 2011 / [3]. “Wireless Home Automation Networks:A Survey of Architectures and Technologies”, Carles Gomez and Josep Paradells, Technical University of Catalonia, IEEE Communications Magazine, Sayfa 92 -101, June 2010. / [4]. “ENERGY EFFICIENCY and home automation”, Jenny Green & Simon Marvin, Centre for Urban Technology Department of Town and Country Planning University of Newcastle Upon Tyne, Electronic Working Paper No 3.

[5]. “Energy Efficiency With KNX”, http://www.knx.org/fileadmin/downloads/08%20-%20KNX%20Flyers/Energy%20Efficiency%20With%20KNX/Energy_Efficiency_With_KNX_English.pdf / [6]. “ce pro 2012-2013 market insight report automation & control”, www.cepro.com

[7]. “The Smart Home Intelligent Home Automation”, http://www.entrepreneurial-insights.com/smart-home-intelligent-home-automation

[8]. www.knx.org / [9]. “The Internet of Things: Key Applications and Protocols”, Olivier Hersent, David Boswarthick, Omar Elloumi, 2nd Edition, Wiley, January 2012