Bei Dr. Thomas Weinzierl, Weinzierl Engineering GmbH. Während sich KNX zum wichtigsten Standard in der Gebäudeautomation entwickelt hat, hat sich Ethernet zu einer universellen Kommunikationslösung entwickelt, die auch in Automatisierungssystemen eingesetzt werden kann. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Systemeigenschaften ergänzen sich KNX und Ethernet gut. Der Vorteil des KNX Busses ist, dass er für die speziellen Anforderungen der Gebäudesteuerung optimiert ist. Er nutzt ein einziges Twisted-Pair-Kabel (TP), um alle zu steuernden Geräte zu vernetzen und mit Strom zu versorgen. Die relativ geringe Bandbreite von 9600b/s reicht für die Kommunikation innerhalb einer Busleitung aus und hat den Vorteil, dass sie große Leitungslängen und eine freie Topologie ermöglicht. Außerdem reduziert es den Energieverbrauch der Geräte, da der Stromverbrauch eines Mikrocontrollers stark von der Taktrate abhängt. 
KNX TP Kabel. KNX TP ist einfach und kostengünstig zu installieren, da der Bus ohne Hub oder Switch von einem Gerät zum nächsten durchgeschleift werden kann. Vor allem aber sind KNX Geräte funktionell und mechanisch speziell für die Gebäudeinstallation ausgelegt. Ethernet hingegen unterstützt die Kommunikation mit hoher Bandbreite zwischen relativ preisgünstigen Komponenten. Seine Verwendung ist weit verbreitet, nicht nur für die Vernetzung von Computern in Büros, sondern auch für Multimedia-Anwendungen im Haushalt und für die industrielle Automatisierung. Während LAN-Netzwerke die für bestimmte Anwendungen erforderlichen hohen Übertragungsgeschwindigkeiten unterstützen, können sie den KNX-Bus aufgrund seiner geringen Bandbreite nicht ersetzen, so dass die Kombination von KNX TP und LAN eine optimale Lösung für die zukünftige Gebäudeautomation wäre. KNX TP eignet sich vor allem für die lokale Steuerung, während das LAN für die systemübergreifende Kommunikation genutzt wird. Die Übertragung von Steuerbefehlen kann in einem LAN-Netzwerk zusammen mit Internetnutzung, PC-Vernetzung und Multimedia erfolgen. Insgesamt ergibt sich daraus eine hierarchische Architektur für die Gebäudevernetzung. 
Der Weinzierl KNX LineMaster vereint die wesentlichen Funktionen einer KNX-Buslinie: KNX Spannungsversorgung mit Drossel, KNX IP Router und KNX IP Schnittstelle. Tunneln: PC-Zugriff über eine LAN-Verbindung Eine wichtige Anwendung von IP innerhalb des KNX Systems ist die Funktionalität einer Schnittstelle zum Bus. KNXnet/IP Tunnelling beschreibt den Zugriff z.B. von einem PC auf ein KNX Netzwerk während der Konfiguration und Inbetriebnahme. Im Mittelpunkt steht dabei immer die Verbindung eines Clients (PC) mit einer Buslinie. Das Tunneling-Protokoll verwendet nur UDP, beinhaltet aber eine verbindungsorientierte Schicht, so dass im Fehlerfall Telegramme wiederholt werden. 
Das Weinzierl KNX IP Interface 730 (links) und wie es für KNXnet/IP Tunnelling eingesetzt werden kann (rechts). Das Tunneling-Protokoll kann im Verbindungsmanager des ETS-Programms ausgewählt werden und ist auch für den Fernzugriff über das Internet geeignet. Es kann auch verwendet werden, um ein Visualisierungsgerät an eine Buslinie anzuschließen. Das Tunnelling-Protokoll unterstützt die Funktion des Busmonitors. Routing in hierarchischen Architekturen Eine wesentliche Motivation für die Erweiterung des KNX Systems mit Ethernet/IP war die Erhöhung der Übertragungskapazität des Gesamtsystems. Während die Übertragungsgeschwindigkeit von KNX TP für den Aufbau einer Buslinie mit bis zu 256 Teilnehmern völlig ausreichend ist, kann im Backbone eine wesentlich höhere Bandbreite erforderlich sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zentrale Geräte wie z.B. Visualisierungstools angeschlossen sind, an die alle Telegramme übertragen werden müssen. In diesem Fall kann es kein selektives Routing geben. 
Der Weinzierl KNX IP Router 750 (links) und wie er für KNXnet/IP Routing eingesetzt werden kann. Hier bietet die hohe Bandbreite eines LAN-Netzwerkes eine optimale Lösung. Während mit KNX TP maximal nur 50 Telegramme pro Sekunde übertragen werden können, übersteigt die Übertragung über LAN 10.000 Telegramme bei 10Mb/s. Um diesen Verkehr verlustfrei zu verarbeiten, ist neben einer hohen Rechenleistung auch ein ausreichender Telegrammpuffer von IP zu KNX TP erforderlich. Da Ethernet den Backbone des Systems bildet, wurde ein entsprechendes Protokoll in KNX standardisiert. Das Teilthema Routing der KNXnet/IP Spezifikation beschreibt, wie KNX/IP Router Telegramme über IP weiterleiten. Für die Weiterleitung über Ethernet werden die KNX Telegramme einzeln in UDP/IP Telegramme gepackt und als Multicast Telegramme versendet. Alle KNX/IP-Router im Netzwerk empfangen diese Telegramme gleichzeitig und entscheiden anhand ihrer Routing-Tabellen, ob sie das Telegramm an die angeschlossene KNX-Linie weiterleiten. Mit dem Routing-Protokoll kann eine unbegrenzte Anzahl von Visualisierungsgeräten an eine KNX-Installation mit IP-Backbone angeschlossen werden, die Funktion des Busmonitors wird jedoch nicht unterstützt. Objektserver: vom Telegramm zum Datenpunkt Für eine zunehmende Anzahl von Geräten, etwa in den Bereichen Multimedia und Sicherheitstechnik, ist es wichtig, Steuerinformationen mit der Gebäudeautomation austauschen zu können. Für bestimmte Geräte bietet es sich jedoch an, indirekt auf den Bus zuzugreifen, indem eine Verbindung zum KNX System über Ethernet hergestellt wird. Die Kommunikation über Ethernet ist vor allem für Geräte interessant, die bereits mit einer Netzwerkschnittstelle ausgestattet sind. Wenn der Protokollstack für TCP/UDP/IP bereits im Betriebssystem vorhanden ist, können Anwendungen mit geringem Zusatzaufwand über Ethernet mit anderen Geräten und damit auch mit KNX kommunizieren. Dies gilt für viele Geräte, die auf Linux oder Windows CE basieren. Würde man Tunnelling oder Routing als Lösung verwenden, könnten die Geräte zwar auf das KNX Netzwerk zugreifen, müssten aber weiterhin KNX Telegramme generieren und interpretieren. Viel einfacher ist es, wenn die KNX/IP-Schnittstelle diese Aufgabe übernimmt. Neben der Standard-Schnittstellenfunktionalität, die den Zugriff auf den KNX Bus auf Telegrammebene ermöglicht, bietet der KNX IP BAOS (Bus Access and Object Server) den direkten Zugriff auf die Datenpunkte (Kommunikationsobjekte) des Gebäudes. Mit anderen Worten: Der KNX Stack im Gerät ordnet die empfangenen Datenpakete den zugehörigen Kommunikationsobjekten zu und hält deren Werte im Speicher vor. Registrierte Clients werden automatisch über Änderungen an den Datenpunkten informiert. 
Typische Anwendung des KNX IP BAOS (Bus Access and Object Server). Die Werte der Kommunikationsobjekte werden beim Empfang automatisch aktualisiert, auch wenn die Clients nicht verbunden sind. So kann z.B. ein Smartphone sofort den Zustand des KNX Busses vom BAOS Gerät abrufen, ohne das Netzwerk mit einer Flut von Leseanfragen zu belasten. Um Daten an den Bus zu senden, hat ein Client Schreibzugriff auf die Kommunikationsobjekte. Das Gerät kann selbstständig Sammelmeldungen erzeugen und versenden. Die Konfiguration der Datenpunkte innerhalb des BAOS-Gerätes erfolgt mit der ETS, in der das Gerät als herkömmlicher Busteilnehmer erscheint. Im Parameterdialog können die Datentypen der Kommunikationsobjekte eingestellt werden und die Gruppenadressen werden wie gewohnt vergeben. 
Das Weinzierl KNX IP BAOS 771 (links) und wie es mit dem BAOS-Protokoll genutzt werden kann (rechts). Mit dem BAOS-Protokoll kann ein Client auf Datenpunkte anderer Busteilnehmer zugreifen und diese steuern, ohne die Kodierung der KNX-Telegramme kennen zu müssen. Der Client adressiert die Datenpunkte auf dieselbe Nummer, die sie in der ETS haben. Ändern sich die Gruppenadressen im KNX-Netzwerk, kann die Schnittstelle durch einen ETS-Download automatisch aktualisiert werden und die Client-Applikation kann unverändert bleiben. Das Weinzierl KNX IP BAOS 771/772 zum Beispiel bietet zwei verschiedene Client-Zugriffsprotokolle: - Binäres Protokoll Das Gerät unterstützt eine Erweiterung des KNX BAOS Binärprotokolls, das durch das BAOS 770 (Protokoll Version 1) implementiert wird. Das KNX IP BAOS 771/772 Gerät implementiert die Protokollversion 2.0, eine verbesserte Version. Es ist über TCP/IP und UDP/IP verfügbar. Das binäre Protokoll ist besonders für Geräte geeignet, die traditionelle Programmiersprachen wie C, C++ oder C# und IP-Sockets unterstützen. - Webdienste Das KNX BAOS Binärprotokoll schließt normalerweise die Entwicklung von Client-Anwendungen aus, die in einem Webbrowser laufen. Aus diesem Grund ist der Zugriff auf den Objektserver jetzt über die neuen KNX BAOS Web Services möglich, die auf HTTP und Java Script Object Notation (JSON) basieren. Damit ist es nun möglich, KNX IP BAOS 771/772 direkt in eigene Webanwendungen einzubinden. Die Web Services bieten den gleichen Funktionsumfang wie das KNX BAOS Binärprotokoll, verwenden aber eine vertraute textbasierte Syntax, die über HTTP (Port 80) gesendet wird. Die Web Services implementieren keine grafische Schnittstelle. Diese muss separat erstellt werden, typischerweise in HTML und Java Script, und kann z.B. im Speicher des Clients gespeichert oder direkt in eine eigenständige Anwendung mit Webkit verpackt werden. Beispielanwendung für Web Services des KNX IP BAOS 772 (KNX BAOS Gadget) Das Weinzierl KNX BAOS Gadget ist eine Mini-Visualisierung für den Windows-Desktop, die über KNX IP BAOS 772 mit dem BUS kommuniziert. Der PC oder Laptop wird über Netzwerk oder WLAN mit der BAOS Schnittstelle verbunden und erhält alle notwendigen Informationen über Web Services. 
Das Weinzierl KNX BAOS Gadget (links) und wie es prinzipiell funktionieren kann (rechts). Power over Ethernet ersetzt die Hilfsspannung KNX IP Geräte können ihren gesamten Strombedarf nicht allein aus dem KNX Bus beziehen. Sie müssen daher über eine separate Stromversorgung oder über Ethernetkabel mit PoE (Power over Ethernet) versorgt werden, was die Verdrahtung im Schaltschrank vereinfacht. Natürlich ist für PoE ein Netzwerk-Switch erforderlich, der diese Funktion unterstützt. 
Ein Beispiel für einen PoE-Switch (Quelle: Netgear). WLAN - die drahtlose Alternative Mit der Einführung von KNXnet/IP erhalten sowohl die ETS als auch andere Softwareprogramme die Möglichkeit, sich über IP mit dem Bus zu verbinden. Ein wesentlicher Vorteil des Internetprotokolls ist seine Unabhängigkeit vom Übertragungsmedium. Neben dem Netzwerkkabel ist auch eine drahtlose Übertragung auf Basis von WLAN (Wireless LAN) möglich. 
Das Weinzierl KNX IP Interface 740 wireless (links) und wie es in der Praxis eingesetzt werden kann (rechts). Ein WLAN-Adapter ist in fast allen neuen Laptops bereits integriert, so dass sich ein Installateur zusammen mit einer drahtlosen IP-Schnittstelle wie dem Weinzierl KNX IP Interface 740 wireless nahezu frei im Gebäude bewegen kann. Fazit Für Multimedia-Anwendungen im Haus und für die Industrieautomation ist es sinnvoll, die hohe Bandbreite eines Ethernet-basierten LANs oder WLANs für die systemübergreifende Kommunikation zu nutzen, kombiniert mit den lokalen Steuerungsvorteilen von KNX TP. Egal, ob Sie KNXnet/IP Tunneling, Routing, BAOS IP Objektserver Web Services, drahtgebunden oder drahtlos und PoE benötigen, es gibt eine leistungsstarke Palette von KNX IP Geräten, die Ihnen bei verschiedenen Anwendungen helfen. Dr. Thomas Weinzierl ist der Geschäftsführer der Weinzierl Engineering GmbH. Weinzierl Engineering konzentriert sich auf die Gebäudeautomation auf der Basis offener Standards. Seit mehr als zwölf Jahren entwickelt und produziert Weinzierl innovative Systemtechnik für KNX, darunter Stacks, Module, Software und Systemgeräte. www.weinzierl.de
