NDM KNX 8DI/8DO — module KNX OEM Việt Nam: hoàn thiện thiết kế phần cứng, vỏ DIN và phần mềm

Sau nhiều tháng phát triển, NDMSmartTech đã hoàn thiện thiết kế rev 1.0 của module KNX OEM đầu tiên do chúng tôi tự làm từ đầu, gồm cả ba phần:

• Phần cứng: mạch in 6 lớp với vi điều khiển ESP32-S3 và chip giao tiếp KNX NCN5121.
• Vỏ: vỏ nhựa gắn ray DIN thiết kế riêng cho mạch này.
• Phần mềm: firmware KNX nạp cấu hình bằng ETS, chạy được 3 chức năng trên cùng một phần cứng.

Bài viết này giới thiệu module bằng hình ảnh 3D thật từ file thiết kế và số liệu kiểm chứng. Chúng tôi cũng nói rõ những gì đã làm xong và những gì còn phải làm trước khi sản phẩm được bán ra.

Hình 1. Mạch PCB rev 1.0 (154 × 86 mm, 6 lớp), ảnh dựng 3D trực tiếp từ file thiết kế KiCad. Hàng dưới là 8 relay 16 A và cầu đấu tải 230 V; hàng trên là cổng KNX, 8 ngõ vào, RJ45.

Tóm tắt nhanh

Hạng mục	Thông số
Ngõ ra	8 relay Hongfa HF115F 16 A / 250 VAC (tiếp điểm AgSnO2), định mức 10 A AC1 liên tục mỗi kênh
Ngõ vào	8 tiếp điểm khô (NO), cách ly quang, dòng làm sạch tiếp điểm 4,9 mA
KNX	TP1-256 qua NCN5121, cách ly 3 kVrms với mạch logic, tiêu thụ bus ~2,6 mA (1 fan-in)
Mạng	Ethernet 10/100 (W5500), Wi-Fi 2,4 GHz, USB-C để nạp và chẩn đoán
Nguồn	85–264 VAC trực tiếp (Mean Well IRM-20-12), ~2,5 W khi chờ, tối đa ≤ 7,5 W
Vỏ	DIN 43880, rộng 9 mô-đun (157,4 mm), gắn ray TH35, cấp bảo vệ IP20 khi lắp trong tủ, cách điện cấp II
Chức năng	KNX IP switch · KNX TP switch · bộ ghép IP↔TP (router), đổi bằng web, không cần nạp lại firmware
Mặt trước	8 nút điều khiển tay, 16 LED trạng thái, nút PROG, LED RGB

1. Phần cứng: một mạch, đủ mọi giao tiếp của tủ điện

Hình 2. Các khối chính trên mặt trên PCB. Các khối được xếp theo dải: hàng cầu đấu dưới là vùng 230 VAC; dải giữa là nút bấm và LED (nằm ngay sau mặt trước của vỏ); hàng trên là vùng điện áp an toàn (KNX, ngõ vào, Ethernet, USB).

Mạch được thiết kế bằng KiCad 10. Toàn bộ sơ đồ nguyên lý (7 trang) được sinh bằng script từ một bản mô tả mạch duy nhất. Nhờ vậy, mỗi lần sửa thiết kế đều tự động chạy lại các bước kiểm tra: lỗi nguyên lý (ERC), luật đi dây (DRC), khoảng cách cách điện, đối chiếu chân với firmware, mô phỏng.

Khối giao tiếp KNX đi theo đúng mạch tham chiếu (Figure 12) trong datasheet NCN5121 của onsemi. Giá trị linh kiện nằm trong dải bắt buộc của Table 6. Thạch anh 16 MHz có sai số tổng ≤ 50 ppm, đúng yêu cầu của chuẩn KNX. Đường UART giữa ESP32-S3 và NCN5121 đi qua bộ cách ly số ISO7721 (Texas Instruments). Thiết kế đặt mặc định mức cao khi mất nguồn, để thiết bị không phát tín hiệu rác lên bus lúc khởi động lại.

Hình 3. Cận cảnh khối KNX. NCN5121 (QFN-40) được xếp tay quanh thạch anh và các tụ chức năng, mỗi tụ cách chân IC ≤ 3 mm. ISO7721 tách miền bus KNX khỏi mạch logic; bên phải là 8 opto EL357N của ngõ vào.

Mạch in 6 lớp (FR4 TG150, đồng 2 oz ở lớp ngoài, phủ ENIG):

• Lý do không dùng 4 lớp: ba lượt đi dây tự động với 4 lớp vẫn còn 95–138 kết nối chưa nối được.
• Lợi ích của 6 lớp: có hai lớp tín hiệu bên trong cùng mặt phẳng đất và nguồn liền mạch, nên khả năng chống nhiễu (EMC) tốt hơn.
• Đường 230 V: chạy trên cả hai lớp ngoài, mỗi lớp rộng 2,3–2,6 mm (tương đương ~17 A theo IPC-2221).

Hình 4. Mặt dưới PCB. Đường nét đứt và dòng chữ "!! 230VAC – MAINS !!" in lụa đánh dấu ranh giới vùng điện lưới, giúp thợ lắp đặt và người sửa chữa nhận biết ngay vùng nguy hiểm.

2. An toàn điện: 4 miền điện áp, cách ly bằng linh kiện có chứng nhận

Module có đồng thời điện lưới 230 V, bus KNX, mạng Ethernet và cổng USB, nên thiết kế cách ly là phần quan trọng nhất.

Hình 5. Bốn miền điện áp và linh kiện cách ly giữa chúng. Phối hợp cách điện theo IEC 60664-1 (mức nhiễm bẩn 2, quá áp cấp III, 250 V).

• Vùng 230 V ↔ vùng điện áp an toàn: dùng cách điện tăng cường.
  • Khoảng cách đồng trên PCB tối thiểu 8,56 mm, đo bằng script trên mọi lớp; yêu cầu tiêu chuẩn là 5,5 mm.
  • Nguồn IRM-20 cách điện 4 kVAC; relay cách điện 5 kV giữa cuộn dây và tiếp điểm.
• Giữa hai kênh relay: cách nhau ≥ 4 mm và có khe phay 1 mm, nên có thể đấu hai kênh vào hai pha khác nhau.
• Bus KNX được cách ly khỏi mạch logic. Nếu không cách ly, khi cắm USB vào máy tính (đã nối đất) hoặc khi vỏ RJ45 chạm đất, bus KNX sẽ bị nối đất. Khi đó thiết bị vi phạm chuẩn KNX và dễ gây nhiễu.
• Relay luôn tắt khi khởi động hoặc reset. Mô phỏng xác nhận cuộn relay ở 0 V trong lúc vi điều khiển khởi động, nên tải không bị bật nhầm.

Hình 6. Lớp đồng bên trong thứ nhất (In1). Đất của bus KNX, đất của ngõ vào và đất logic là ba mặt phẳng tách riêng. Trong vùng 230 VAC, cả bốn lớp bên trong đều không có đồng, nên độ an toàn cách điện không phụ thuộc vào độ dày lớp cách điện bên trong PCB.

3. Vỏ DIN 9 mô-đun thiết kế riêng

Vỏ được dựng bằng FreeCAD, với kích thước lấy trực tiếp từ model 3D của mạch: vị trí cầu đấu, nút bấm, LED, lỗ bắt vít, chiều cao linh kiện cả hai mặt. Khi sửa mạch, chỉ cần chạy lại script là có vỏ mới, kèm kiểm tra va chạm.

Hình 7. Vỏ lắp hoàn chỉnh theo kích thước DIN 43880 (cao 90 mm, phần nhô ra khỏi mặt tủ 45 mm). Mặt trước có 8 nút điều khiển tay, 16 que dẫn sáng cho LED kênh, LED RUN, nút PROG thụt vào để tránh bấm nhầm. Ký hiệu cầu đấu được khắc nổi trên vai vỏ.

Hình 8. Hình tách rời: đế, mạch PCB đặt trong đế, nắp cùng nút bấm và que dẫn sáng. Relay và RJ45 được thể hiện bằng khối theo kích thước datasheet.

Hạng mục	Thiết kế
Kích thước	157,4 × 90 mm, sâu 58 mm tính từ mặt ray
Gắn ray	TH35 (EN 60715): một bên móc cố định, bên kia chốt lò xo liền khối
Vật liệu sản xuất	PC hoặc PC/ABS UL94 V-0; nút bấm POM; que dẫn sáng PMMA trong
Đỡ mạch	3 vít, gờ đỡ mép liền vách, 6 trụ đỡ, 4 cột chặn từ nắp
Lắp ráp	Nắp gắn vào đế bằng 6 ngàm bấm, không cần vít; tháo bằng tua vít dẹt
Đấu dây	Tua vít Ø3,5 vào thẳng được cả 30 đầu vít; dây luồn thẳng vào cả 30 miệng kẹp

Hình 9. Mạch đặt trong đế, cách sàn 12 mm để chừa chỗ cho tụ cao 10,6 mm ở mặt dưới. Board lọt lòng đế với khe hở 0,2 mm mỗi phía.

Script tự động kiểm tra 19 hạng mục của vỏ, tất cả đều đạt:

• không va chạm giữa vỏ và từng linh kiện (dùng model 3D thật của linh kiện);
• khe hở ≥ 0,5 mm;
• kẹp ray đúng 35 mm;
• độ biến dạng của càng ngàm (2,6 %) và dầm chốt ray (0,8 %) nằm dưới giới hạn của nhựa PC/ABS.

4. Phần mềm: một phần cứng, ba chức năng

Firmware chạy trên ESP-IDF 5.5, dùng stack KNX mã nguồn mở thelsing/knx (chuẩn KNX System B, nạp cấu hình bằng ETS). Chúng tôi đã sửa 4 lỗi trong thư viện và viết lại lớp nền tảng mạng cho ESP32. Cả ba bản firmware nằm sẵn trong bộ nhớ 8 MB; người dùng chọn chức năng ngay trên web.

Hình 10. Ba chức năng trên cùng một phần cứng. Mỗi chức năng có file sản phẩm .knxprod riêng để nhập vào ETS; dữ liệu ETS của từng chức năng được lưu riêng.

• KNX IP switch:
  • 8 ngõ ra và 8 ngõ vào trên mạng IP;
  • giao diện KNXnet/IP 4 kênh tunneling: ETS và ứng dụng điều khiển kết nối qua chính module, không cần mua thêm IP interface.
• KNX TP switch: nối vào đường bus KNX xoắn đôi như một thiết bị KNX TP1 thông thường. Tham số cho phép chọn hành vi khi mất hoặc có lại điện áp bus.
• Router IP↔TP: ghép đường IP với đường TP và lọc telegram theo bảng ETS.
  • Lọc có 4 chế độ: tự động / theo bảng / chuyển tất cả / chặn.
  • Theo chuẩn KNX, router không mang ứng dụng. Nếu cần cả router và công tắc, dùng 2 module.

Hình 11. Ở chế độ IP, một module đảm nhận việc của ba thiết bị KNX thường phải lắp riêng, tiết kiệm chỗ trên ray và số thiết bị phải cấu hình.

Tham số trong ETS:

• Ngõ vào: 6 chế độ (switch, switch đảo, toggle, nhấn = bật, nhấn = tắt, scene), thời gian chống dội, gửi lặp.
• Ngõ ra: đảo trạng thái, trạng thái khi cấp nguồn (tắt / bật / như trước), timer cầu thang.
• Đối tượng nhóm (37 object):
  • trạng thái từng kênh;
  • nhiệt độ relay (cảm biến NTC đặt dưới relay);
  • cảnh báo quá nhiệt, có thể chọn tự tắt tất cả tải;
  • cảnh báo nguồn 12 V bất thường;
  • khoá nút tay;
  • lệnh trung tâm bật/tắt tất cả.

Ngoài ETS:

• trang web cấu hình (cổng 80) và REST API (/api/status, /api/do, /api/mode…), tiện tích hợp với NDM SmartOS hoặc hệ thống khác;
• console qua USB-C;
• chế độ phát Wi-Fi để cấu hình lần đầu;
• giữ nút PROG 10 giây để khôi phục mặc định.

LED RGB báo trạng thái:

Màu	Ý nghĩa
Xanh lá	Có mạng
Xanh dương nháy	Đang chờ mạng
Vàng nháy	Đang phát Wi-Fi để cấu hình lần đầu
Tím nháy	Mất bus KNX
Đỏ	Đang ở chế độ lập trình (prog mode)

5. Ưu điểm — và dẫn chứng cho từng ưu điểm

1. An toàn điện được thiết kế và kiểm chứng bằng số đo.
   • Khoảng cách cách điện đo được 8,56 mm (yêu cầu 5,5 mm); lớp trong không có đồng 230 V.
   • Bus KNX, ngõ vào và mạch logic cách ly bằng linh kiện có chứng nhận (Hình 5, 6).
2. Một module, ba vai trò. Cùng một mã hàng dùng được cho thiết bị IP, thiết bị TP hoặc bộ ghép đường, nên kho dự phòng gọn hơn và dễ thay thế khi bảo trì (Hình 10).
3. Thay ba thiết bị bằng một ở chế độ IP: relay 8 kênh + ngõ vào 8 kênh + giao diện IP (Hình 11).
4. Relay 16 A tiếp điểm AgSnO2, chịu tốt dòng khởi động của đèn LED và bộ nguồn điện tử. Định mức thận trọng 10 A liên tục mỗi kênh để có dự phòng nhiệt trong tủ.
5. Tự giám sát. Nhiệt độ relay và điện áp nguồn 12 V được gửi lên KNX; thiết bị cảnh báo hoặc tự tắt tải khi quá nhiệt.
6. Vẫn điều khiển được tại chỗ khi mất mạng hoặc mất bus. 8 nút tay trên mặt trước điều khiển trực tiếp relay; LED cho biết trạng thái thật của cuộn relay.
7. Mở để tích hợp. Có REST API và Ethernet/Wi-Fi bên cạnh KNX chuẩn. Firmware dựa trên stack mã nguồn mở (GPL-3.0) nên mã nguồn được cung cấp cùng sản phẩm.
8. Thiết kế trong nước, hỗ trợ tận nơi. Kỹ sư thiết kế trực tiếp hỗ trợ tích hợp; firmware cập nhật theo yêu cầu dự án.

6. Đã kiểm chứng những gì

Hình 12. Mô phỏng các khối mạch chính bằng CircuitJS1. Trường hợp xấu nhất được kiểm lại bằng ngspice: nguồn sai lệch ±10 %, điện trở cuộn relay +10 %, opto suy giảm còn 30 % hệ số truyền.

Hình 13. Kết quả kiểm chứng tính đến tháng 10/2026, cùng những việc phải làm trước khi bán.

Kiểm chứng	Kết quả
Kiểm tra thiết kế điện tự động (ERC, DRC, cách ly, đối chiếu chân firmware, datasheet)	28/28 đạt
Mô phỏng: ngspice (xấu nhất) và CircuitJS1	13/13 và 13/13 đạt
Kiểm tra vỏ 3D (va chạm, kích thước DIN, ray, ngàm)	19/19 đạt
Kiểm thử firmware trên máy tính (ETS giả lập bằng xknx, router IP↔TP, bus TP giả lập theo giao thức NCN5121)	53/53 đạt
Firmware khởi động trong trình giả lập QEMU (ESP32-S3)	Đạt

Nói rõ để khách hàng yên tâm: đây là kết quả ở giai đoạn thiết kế và mô phỏng. Module chưa được sản xuất mẫu thật và chưa có chứng nhận KNX. Trước khi bán, chúng tôi sẽ:

• làm PCB mẫu, chạy firmware tự kiểm tra trên board thật;
• in vỏ mẫu, thử ngàm và chốt ray;
• thử cao áp 3 kVAC trong 1 phút;
• thử phát nóng với 8 kênh đầy tải;
• đo EMC theo EN 50491-5-2;
• đăng ký Manufacturer ID và chứng nhận KNX.

Kết quả từng bước sẽ được cập nhật trên trang này.

7. Phù hợp cho ai

• Căn hộ, biệt thự dùng KNX: điều khiển chiếu sáng, ổ cắm, bơm, quạt hút, bình nóng lạnh; ngõ vào nhận tín hiệu từ công tắc cơ, cảm biến cửa, phao nước.
• Tủ điện tòa nhà, nhà xưởng nhỏ: cần cả KNX lẫn Ethernet/REST để nối với SCADA hoặc phần mềm điều khiển.
• Đơn vị tích hợp hệ thống: muốn một thiết bị đa năng, có hỗ trợ kỹ thuật bằng tiếng Việt và firmware tuỳ biến theo dự án.

Module được thiết kế để làm việc cùng phần mềm điều khiển NDM SmartOS: điều khiển cục bộ và từ xa qua Internet, kết hợp được với thiết bị Aqara và điều hoà VRV trong cùng một ứng dụng.

Quan tâm bản mẫu thử hoặc cần dự toán cho công trình? Hãy liên hệ hoặc dùng Thiết kế & Báo giá. Chúng tôi ưu tiên các công trình thí điểm muốn dùng thử bản mẫu đầu tiên.

Nguồn tham khảo

• onsemi — NCN5121: Transceiver for KNX Twisted Pair Networks, datasheet rev. 5 (mạch tham chiếu Figure 12, Table 6, Table 9).
• Texas Instruments — ISO772x High-Speed, Robust EMC Reinforced and Basic Dual-Channel Digital Isolators, datasheet.
• Mean Well — IRM-20 series, datasheet. Hongfa — HF115F relay, datasheet. Everlight — EL357N photocoupler, datasheet.
• IEC 60664-1 (phối hợp cách điện), DIN 43880 (kích thước thiết bị lắp tủ), EN 60715 (ray TH35), EN 50491-5-2 (EMC cho thiết bị nhà và toà nhà).
• Thư viện mã nguồn mở thelsing/knx: https://github.com/thelsing/knx (GPL-3.0).
• Ảnh 3D, sơ đồ và đồ thị trong bài do NDMSmartTech dựng từ file thiết kế KiCad / FreeCAD và kết quả mô phỏng của dự án.