エネルギー不足への懸念が高まる中、よりスマートな方法でエネルギーを効率的に利用して省エネを図ることが、スマートビルディングアプリケーションにおける重要な要素となっています。KNXは、商業および住宅のビル自動化のためのオープン スタンダードです。この記事では、KNX標準の開発とそのアプリケーション、およびKNXテクノロジーをサポートする関連ソリューションについて紹介します。
商業ビルや住宅ビルの自動化のための成熟したオープンスタンダードはKNXです。
KNXは、商業および住宅のビル自動化に使用されるオープン スタンダードです。KNXデバイスは、照明、ブラインドやカーテン、HVACシステム、セキュリティ システム、エネルギー管理、オーディオ/ビデオ、白物家電、ディスプレイ、リモート コントロールなどの制御に使用できます。KNXを利用することで、スマート ビルディング アプリケーションの全体的な利便性と効率性が向上し、エネルギー利用率が向上します。
KNX規格は数十年前から存在しており、成熟した技術です。これは、European Home Systems Protocol (EHS)、BatiBUS、European Installation Bus (EIBまたはInstabus) を含む3つの初期の標準から進化したものです。ツイストペア配線 (ツリー、ライン、またはスター トポロジ)、電力線、無線周波数 (RF)、またはIPリンクを使用して実装できます。このネットワークでは、デバイスは分散アプリケーションを形成し、標準化されたデータ ポイント タイプとオブジェクトを使用した共通モデルによって緊密に相互作用し、論理デバイス チャネルをモデル化します。このプロトコルは、住宅や建物のエネルギー効率を高めるために広く使用されています。
KNXの幅広い用途の1つは、室内の自動化です。室内の自動化では、中央制御コンポーネントが照明や遮光などの操作を容易にするだけでなく、暖房または冷房要素の利用可能なバルブと統合して、個々の部屋を制御することもできます。たとえば、KNXシステムは、窓が開いたときにHVACを閉じるように通知を送信して、エネルギーの無駄を防ぐことができます。
KNXはさまざまなエネルギー メーターの接続も可能にし、データを詳細に監視して過剰なエネルギー消費の原因を特定し、エネルギー制御対策を実施して無駄を防ぐことを可能にします。実際、一部のKNX製品では、回路レベルでのサブメータリングが可能で、エネルギー消費をより正確に把握できます。
一方、KNX規格をサポートするメーカーの中には、KNXを通じて使用状況を監視できる蓄電池装置を提供しているところもあります。メーカーは、住宅と充電ステーション間の接続を制御するためにもKNXを活用しています。したがって、KNXソリューションは、太陽光発電インバーター、エネルギー貯蔵、およびバッテリー管理システム (BMS) メーカーにとって重要な要素になります。
KNX市場は急速な成長を遂げており、主要なアプリケーション カテゴリには、制御と接続、照明、エネルギー管理、ホーム エンターテイメント、スマート アプライアンス、セキュリティなどがあります。統計によると、中国のスマートホーム市場は2025年末までに約370億ドルに達すると予想されており、世界のKNX製品市場は2030年までに約500億ドルに達し、年間複合成長率（CAGR）は約15.9％になると予測されています。
多様なKNX製品がエネルギー効率を向上
現在、市場には多種多様なKNX関連製品が存在します。たとえば、KNX互換のエネルギー メーター (電気、ガス、水道、熱量メーター) は、エネルギー消費に関する分析情報を提供し、エネルギー コストを削減し、機械や電気資産のエネルギー効率を向上させる方法をより深く理解できるようにします。これらのKNXデバイスは長期的なデータ ロギングを提供し、KNX-IPルーターと標準のWebブラウザーを使用してデータに簡単にアクセスし、さらに分析したりリモート診断したりできます。
さらに、ソーラーパネルインバータ用のKNXゲートウェイは、インバータからKNXシステムにすべての関連データを送信するためのシンプルなソリューションを提供します。これにより、インテグレーターはエネルギー管理に完全に統合されたソーラーパネルインバーターを活用でき、そのデータを使用してエネルギー消費を最適化し、傾向を監視し、KNXシステム内で特定の操作をトリガーすることができます。
さらに、KNXはバッテリー ストレージ ユニットに適用でき、太陽光発電システムによって生成されたエネルギーを貯蔵できます。これにより、自家生産したクリーンエネルギーを利用して、年間エネルギー需要の約75% を満たすことができます。このエネルギーは外部のエネルギー供給業者から供給されるのではなく、敷地内の屋上で生成されるため、エネルギー消費をより独立して管理し、エネルギー利用を包括的に把握することができます。
電気自動車の人気が高まるにつれ、KNXデバイスは家庭用充電ステーションの管理が可能になり、外部の充電ステーションで充電する際の電気自動車のエネルギー消費量を正確に監視できるようになります。
KNXは、EN50491-12-2標準に基づいてさまざまな機能ブロックを設計し、顧客のエネルギー管理者と建物内のエネルギー消費者/生産者間のデータ交換を容易にします。これにより、エネルギー消費データの監視と処理が改善され、エネルギーの無駄を回避できるようになります。KNXは、特に規模の大きい商業ビルや公共ビルのエネルギー消費に大きな影響を与え、住宅ビルに比べて投資回収が早くなります。ただし、住宅用途の場合でも、エネルギーコストが上昇するにつれて、投資収益率はより重要になります。
従来のスマート ビルディング システムのインストールでは、各機能に1本以上のケーブルが必要で、各デバイスは1つの機能専用であり、機能を変更する必要がある場合は物理的なインストールを変更する必要があります。KNXのインストールでは、すべての情報を送信するために1本のケーブル (バス) のみが必要です。機能はプログラミングに依存し、物理的なインストールを変更することなく変更を加えることができます。つまり、1つのデバイスを複数の用途に使用でき、1つのネットワークで、割り当てられたアドレスを持つ65,000台を超えるデバイスを収容できるため、アプリケーションの利点がさらに高まります。
電圧レギュレータ付きマイクロKNXツイストペアトランシーバ
STKNXは、STが発表したKNX TP (ツイスト ペア) 通信用に設計されたトランシーバーです。このデバイスは小型パッケージを特徴とし、必要な外部コンポーネントが最小限であるため、コンパクトなKNXノード設計に最適です。シンプルなマイクロコントローラ インターフェイスを提供し、物理層の個別コンポーネント実装を簡単に置き換えることができます。
STKNXデバイスには、外部アプリケーション用の2つの電圧レギュレータが統合されています。オプションの3.3V/5V - 20mAリニア レギュレータと、調整可能な1V ～ 12V - 150mA高効率DC/DCステップダウン スイッチング コンバータが含まれています。このデバイスにはKNXバス電源抽出装置も統合されており、STKNXトランシーバーの電力要件を満たしながら、最大30mAのバス電流をサポートして外部コンポーネントに電力を供給します。さらに、このデバイスは、バス電流スルーレートの制限に関するKNX仕様に準拠しています。STKNXはバスとの安全な結合を保証し、バスの電力消費の問題が発生した場合にバス監視アラートを提供します。
STKNXデバイスは、超薄型で小型の4 x 4 mm VQFNPN24パッケージで提供されます。KNX認定を受けており、KNX TP1-256標準をサポートしています。STM32などのマイクロコントローラに簡単に接続でき、2つの統合電圧レギュレータを備えたコンパクトなシステム ソリューションを提供します。このデバイスは外部水晶を必要とせず、-40°C ～ +85°Cの温度範囲内で動作します。
STKNXデバイスは、STM32マイクロコントローラと組み合わせることで、TAPKOまたはShufan KAIStack KNXプロトコル スタック ソフトウェア サポートと組み合わせることができます。STとTAPKOの緊密な連携により、STKNXデバイスはKNXによって共同開発および認定され、KNXツイストペア アプリケーション向けの完全なソリューションを提供します。
低消費電力、コスト最適化されたデュアル無線KNXソリューション
STは、S2-LPチップとBlueNRG-2チップを含むKNX-RFデュアル無線ソリューションも導入し、KNX-RFとBLEの両方をサポートするデュアル無線ソリューションを実現しました。このソリューションは、TAPKOのKNX-RFプロトコル スタック ソフトウェアと組み合わせることで、KNXアプリケーションに便利なワイヤレス ソリューションを提供します。
STのS2-LPは、1GHz未満の周波数帯域のRFワイヤレス アプリケーション向けに設計された、高性能で超低電力のRFトランシーバーです。433、512、868、920 MHzのライセンスフリーのISMおよびSRD帯域で動作しますが、413 ～ 479 MHz、452 ～ 527 MHz、826 ～ 958 MHz、904-1055 MHzなどの追加の周波数範囲で動作するようにプログラムすることもできます。
S2-LPは、2(G)FSK、4(G)FSK、OOK、ASKなどのさまざまな変調方式をサポートし、0.1 ～ 500 kbpsのプログラム可能なエア データ レートを備えています。1 kHzまでのチャネル間隔のシステムで使用でき、狭帯域動作をサポートします。S2-LPは、長距離通信に対応する140 dBを超えるRFリンク バジェットを備えており、ヨーロッパ、日本、中国、米国を含む世界中の地域の規制要件を満たしています。
STは、S2-LPと組み合わせることができるBluetooth Low Energy (BLE) シングルチップ ソリューションであるBlueNRG-2も提供しています。BlueNRG-2は、Bluetooth標準仕様に準拠した超低電力BLEを搭載したSoC (System-on-Chip) です。これは、STの既存のBlueNRGシリーズのBluetoothネットワーク プロセッサの機能を拡張し、ユーザー アプリケーション コードを実行するためのCortex M0コアを内蔵しています。
BlueNRG-2には、256KBのプログラミング フラッシュ メモリ、保持機能を備えた24KスタティックRAM (各12KBの2つのバンクに分割)、およびSPI、UART、I2Cなどの標準周辺通信インターフェイスが含まれています。さらに、多機能タイマー、ウォッチドッグ、リアルタイムクロック、DMAコントローラーなどのさまざまなモジュールが搭載されています。
BlueNRG-2の内部ADCモジュールは外部アナログ センサーに接続でき、内部バッテリー電圧センサーからの測定値を読み取ることもできます。内蔵デジタル フィルターを使用して、外部PDM (パルス密度変調) データ ストリームを処理できます。BlueNRG-2は優れたRFパフォーマンスを提供し、超低電力特性を備えた高効率DC-DCコンバータを搭載しているため、スリープ モードでの電力消費も改善され、実際のアプリケーションでのバッテリー寿命がさらに延長されます。
STは、TAPKOとの緊密な連携を通じて、S2-LP、BlueNRG-2、KAIStack KNXプロトコル スタック ソフトウェアを組み合わせ、KNX認証を取得しました。このデュアル無線ソリューションは、低電力およびコスト最適化されたアプリケーションの要件を満たします。
STは、前述のSTKNXおよびSTM32デュアルツイストペア チップセット、およびBLEと組み合わせたKNX RF用のS2-LPおよびBlueNRG-2チップセットなど、KNXアプリケーション向けのさまざまな認定チップセットを提供しています。S2-LPはSTM32と組み合わせてKNX RFチップセットを作成することもできます。このチップセットをTAPKO、Nanjing Shufan、MKFCのプロトコル スタック ソフトウェアと組み合わせて、有線および無線KNXアプリケーションのニーズを満たすことができます。
結論
KNXはエネルギー効率において優れた実績を誇り、最近の技術の進歩により、エネルギー管理の強化にKNX技術を活用する範囲が拡大しました。KNXエネルギー管理は、特定の期間におけるユーザーの需要に基づいて最適化されたエネルギー使用を提供することを目的としたアクティブなアプローチであり、より環境に優しい環境の作成を可能にします。KNXはスマート ビルディング エネルギー アプリケーションにおいて重要な役割を果たします。この記事で説明したように、STが提供する有線および無線KNXソリューションは、KNXアプリケーションの多様なニーズを満たし、顧客のKNX製品の開発速度を加速し、スマート ビルディング エネルギー アプリケーションにおける豊富なビジネス チャンスを獲得することができます。