Implementation of a novel 8-channel bistable switch actuator compliant with KNX standard for home and building automation applications

Centralized control systems were developed with the birth of digital technology and microprocessors. Limitations of the centralized control scheme like lack of flexible network extension, wiring and installation costs, and need for a powerful central control unit along with technology push resulting from the convergence of information technology, integrated circuits, and telecommunications, led to the emergence of fieldbus technology and decentralized control systems. Fieldbus is a network for connecting fieldbus devices such as sensors, actuators, field controllers and man-machine interfaces. Fieldbus technology enriched the control systems with distributed intelligence, flexible network topology and more reliable control schemes. Home and building automation was one of the control domains which benefited from fieldbus technology. In Europe, three main associations active in the field of Home and Building Automation, BCI, EHSA and EIBA, after a series of collaborations merged together at the end of 80s and established the KNX standard, a common communication protocol based on ISO/OSI model for home and building automation applications and with the main goal of interworking. This work concerns the development of a novel 8-channel bistable switch actuator mainly for lighting applications and compliant with KNX standard. The main features of the device are the energy consumption report functionality and the mixed and enriched functionalities. The functionalities include normal switching, switching with on/off delay, staircase function, logic function, scene function, forced function, and lock function. This work covers the whole design flow of the device starting with device specification and requirements statement. Afterwards, the requirements are translated to the device design regarding overall device architecture and logical components. In the next step, device has been implemented and tested at three levels of functionality, KNX-compliance and non-functional characteristics. As for future work, elaborating on energy consumption report functionality at two levels has been considered. Device-level energy-aware functionality in order to make device functionalities energy efficient. And network-level energy-aware control to optimize energy consumption at management level in the control network.

I sistemi di controllo centralizzati hanno avuto il loro più significativo sviluppo con la nascita della tecnologia digitale e microprocessori. Le limitazioni dello schema di controllo centralizzato come quelle dovute alla difficoltà di estendere le reti, i costi di cablaggio e installazione, e la necessità di avere una centrale di controllo di alte prestazioni unite alla spinta tecnologica legata alla convergenza della tecnologia dell'informazione, alla sempre piu' significativa integrazione di funzionalita' in un solo circuito integrato e lo sviluppo del settore delle telecomunicazioni hanno dato una spinta importante nello sviluppo del settore dei bus di campo (fieldbus) e dei sistemi di controllo decentralizzati. Il bus di campo contente di implementare una rete su filo unico che permette ai dispositivi come sensori, attuatori, controllori del campo e interfacce uomo-macchina di essere connessi tra loro con una complessita' topologica minima. Un aspetto di rilievo della tecnologia dei bus di campo è quella di aver arricchito i sistemi di controllo mediante politiche di distribuzione della intelligenza di controllo, una maggior flessibilità di rete e schemi di controllo piu' affidabili. Il naturale ambito applicativo delle tecnologie dei bus di campo è quello della domotica. Negli anni ottanta, tre associazioni Europee attive nel campo della domotica -BCI, EHSA e EIBA - si hanno unito i loro sforzi creando lo standard KNX, un protocollo di communicazione comune basato sul modello OSI per applicazioni di domotica il cui scopo principale è quello della interoperabilita'. L'interoperabilita' di KNX e' a due livelli: a livello di prodotto e a livello di "disciplina". Questo lavoro di testi riguarda lo sviluppo hardware e software di un nuovo attuatore bistabile a 8 canali principalmente dedicato ad applicazioni di illuminazione e compatibile con lo standard KNX. Le caratteristiche principali del dispositivo sono relative alla gestione e monitoraggio del consumo energetico e ad alcune ulteriori funzionalita' rispetto ai dispositivi esistenti. Le funzionalita' implementate comprendono la commutazione normale, la commutazione con ritardo, la funzionalita' di scala, la funzionalita di logica, la gesitione di scenari di scenari, la funzionalita' forzata, e la funzionalita di serratura. Questo lavoro copre tutto il flusso di progetto cominciando dalle specifica per terminare nella sua implementazione sia hardware che software. Sviluppi futuri riguardano lo sviluppo delle funzionalita' per la gestione del consumo energetico. In particolare, la funzionalita' di "energy-aware" a livello dispositivo allo scopo di rendere le il dispositivo piu' efficiente dal punto di vista energetico e la possibilità di realizzare interventi a livello di rete con lo scopo di gestire la potenza utilizzata nella rete.