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德州儀器（TI）系統工程師Navaneeth Kumar 以太網(wǎng)已成為樓宇自動(dòng)化中控制金字塔頂端的主流通信協(xié)議。電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）最近定義了一種新型以太網(wǎng)標準——IEEE 802.3.cg，用于10 Mb/s的操作以及通過(guò)一對平衡導體進(jìn)行的功率傳輸。由于單對電纜現在可同時(shí)支持數據和電源，因此采用此標準可節省大量成本，并更易于在樓宇自動(dòng)化應用中進(jìn)行安裝。 將以太網(wǎng)帶到邊緣器件需要付出諸多努力。當前，樓宇自動(dòng)化中存在多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )——例如暖通空調（HVAC）應用使用Modbus、訪(fǎng)問(wèn)控制使用BACnet、照明使用LonWorks、消防安全使用以太網(wǎng)。此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )碎片化需要使用網(wǎng)關(guān)來(lái)執行協(xié)議轉換，以將合并網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合到樓宇自動(dòng)化控制金字塔的頂端。最終用戶(hù)必須依次管理復雜的系統。 各種通信網(wǎng)絡(luò )存在的原因包括需要更長(cháng)的距離、多點(diǎn)連接、電源方案以及對約束性協(xié)議的支持，單對以太網(wǎng)可以解決上述問(wèn)題。將以太網(wǎng)連接到邊緣器件可帶來(lái)以下優(yōu)點(diǎn)：可直接訪(fǎng)問(wèn)控制系統、狀態(tài)更新、預測性維護、標準化硬件以及各種系統之間的互操作性。 SPE概述 如圖1所示，標準以太網(wǎng)使用有著(zhù)獨立電纜的單電纜通信發(fā)送和接收數據。 
圖1：10/100 Mbps的標準以太網(wǎng)接口 單對以太網(wǎng)（SPE）大致分為三類(lèi)： • IEEE 802.3.cg (10 Mbps). • IEEE 802.3.bw (100 Mbps). • IEEE 802.3.bp (1,000 Mbps). IEEE 802.3cg分為兩類(lèi)： 長(cháng)電纜和短電纜的長(cháng)度均超過(guò)一對平衡的屏蔽或非屏蔽電線(xiàn)。10BASE-T1L：IEEE 802.3物理層規范，適用于單對平衡導體上的10 Mb/s以太網(wǎng)局域網(wǎng)，可達至少1000米（使用18 AWG導線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)連接時(shí)的長(cháng)距離）。 10BASE-T1S：IEEE 802.3物理層規范，適用于單對平衡導體上的10 Mb/s以太網(wǎng)局域網(wǎng)，可達至少15 米（使用多支路連接的24-26 AWG導線(xiàn)的短距離）。 本文介紹了10BASE-T1L的應用，其在樓宇自動(dòng)化系統中超過(guò)1000 米的距離內可提供高達10 Mbps的數據速率。 10BASE-T1L物理層（PHY）在單對平衡導體上使用全雙工通信，在每一方向上同時(shí)具有10 Mbps的有效數據速率。10BASE-T1L PHY使用三級脈沖幅度調制（PAM3），在鏈路段上以7.5兆波特發(fā)送。33位擾碼器可幫助提高電磁兼容性。MII發(fā)送數據（TXD <3：0>）使用四二進(jìn)制三進(jìn)制（4B3T）編碼進(jìn)行編碼，可將所發(fā)送的PAM3符號的運行平均值（DC基線(xiàn)）保持在范圍之內。使用管理數據輸入/輸出接口將10BASE-T1L PHY的變送器輸出電壓設置為1.0 Vpp或2.4 Vpp差分，有助于在不同電纜上實(shí)現更長(cháng)的通信距離。 如圖2所示，SPE使用回聲消除來(lái)實(shí)現全雙工通信，并使用多級信令和均衡來(lái)改善信號質(zhì)量，并在單對電纜上實(shí)現所需的數據速率。處理器和PHY之間的接口沒(méi)有差異；但在PHY內，介質(zhì)相關(guān)接口的發(fā)送和接收段需要進(jìn)行如上所述的修改，以實(shí)現單對操作。
圖2：10/100 Mbps的SPE接口 SPE還可通過(guò)一個(gè)低通濾波器沿同一根單對電纜經(jīng)數據線(xiàn)（PoDL）發(fā)送功率，如圖3所示。
圖3：PoDL示例 表1列出了IEEE 802.3.cg標準支持的各類(lèi)功率等級�？山桓督o負載的最大功率為52 W，定義在在15級下。IEEE 802.3.bu涵蓋低于10級的功率等級。 表104-1a——10至15類(lèi)的PSE、PI和PD的電源分類(lèi)需求矩陣 表1：EEE 802.3.cg標準支持的功率等級
SPE的優(yōu)點(diǎn) 過(guò)渡到SPE具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括安裝到使用單個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )管理整個(gè)樓宇。它的優(yōu)點(diǎn)使總擁有成本得以降低，并提高了樓宇自動(dòng)化系統的投資回報率。例如： 將以太網(wǎng)連接置于邊緣無(wú)需附加網(wǎng)關(guān)，僅需一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )即可簡(jiǎn)化系統。 PoDL無(wú)需使用單獨電源線(xiàn)，簡(jiǎn)化了樓宇自動(dòng)化系統的布線(xiàn)。 僅使用一對電線(xiàn)，可減少電纜的成本和重量，更易于架空布線(xiàn)。 更快、更簡(jiǎn)易的安裝減少了人工成本。 與現有的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比，帶寬改善為實(shí)現諸如預測性維護之類(lèi)的功能提供了靈活性。 10BASE-T1L可提供1000米有著(zhù)10Mbps數據速率的通信距離，有助于替換成本較高的光纜并實(shí)現更多數據傳輸。 以下部分說(shuō)明SPE如何實(shí)現以及各種樓宇自動(dòng)化應用程序的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。 消防安全應用 火災報警控制面板（FACP）連接到各種熱量、煙霧和氣體探測器。發(fā)生事故時(shí)，這些在信令回路中連接的傳感器會(huì )發(fā)出警報，FACP可通過(guò)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )與消防站通信。FACP通常支持多個(gè)信令回路，便于分成多個(gè)區域或樓層，從而便于識別。 每個(gè)樓宇可有多個(gè)FACP，具體取決于樓層和傳感器的數量。當大型住宅區、辦公室、學(xué)�；蛸徫镏行牡仍O施擴展時(shí)，通常需要使用銅線(xiàn)或光纖線(xiàn)通過(guò)以太網(wǎng)將樓宇之間的FACP互連至3到4公里處�；�100BASE-TX/10BASE-T的以太網(wǎng)需要多個(gè)中繼器來(lái)橋接這些距離。這種情況下，為其供電可能存在挑戰。另一個(gè)選項是過(guò)渡到光纜，這需要兩端都使用介質(zhì)轉換器（銅纜到光纖）。圖4描述了一個(gè)示例系統。
圖4：傳統體系結構– FACP之間的光纖連接 上述兩種選項都導致系統變得昂貴。SPE可解決距離長(cháng)達1 公里的挑戰；對于距離更遠的系統，則可使用通過(guò)PoDL供電的中繼器。PoDL無(wú)需使用外部電源，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統。圖5描述了使用SPE的消防系統。
圖5：在FACP之間使用SPE的體系結構 垂直運輸應用 電梯是一個(gè)復雜的系統。移動(dòng)轎廂和機房控制器之間的主要通信鏈路是通過(guò)移動(dòng)電纜實(shí)現�；跇怯罡叨�，該電纜長(cháng)度可到達10到500 米或更長(cháng)范圍。鑒于其低速要求和所需的電纜距離，控制器局域網(wǎng)（CAN）和LonWorks是電梯系統常用的協(xié)議。 考慮到電纜在運行期間所承受的壓力，電纜在數年內保持可靠性是非常重要的。電梯上下移動(dòng)時(shí)，電纜需彎曲，這對于光纖布線(xiàn)而言并不合適，因此大多數電梯電纜均由銅制成�？紤]到電纜長(cháng)度，標準以太網(wǎng)不適用，因為它不能超過(guò)100米。 現在，憑借SPE可提供1公里的距離和高達10 Mbps的速度，可作為下一代電梯設計的理想選擇。轎廂和電梯控制器之間需要更高的數據速率的主要原因有以下幾種： 將視頻內容從轎廂內部流回到機房。 將廣告從機房中繼到轎廂。 通過(guò)各類(lèi)傳感器向電梯控制器發(fā)送更多數據以及轎廂內設備的數據，以進(jìn)行預測性維護。 預測性維護的一個(gè)示例是通過(guò)測量電梯門(mén)在加速、穩態(tài)和減速期間的電機電流來(lái)監控電梯門(mén)的開(kāi)關(guān)運動(dòng)，并分析任何異常情況。預測潛在故障的能力將避免電梯停機以及為乘梯人帶來(lái)的不便。 升級現有電梯與設計具有更高級功能的新電梯同等重要。解決改裝難題的一種方法是在轎廂內部安裝像CAN到SPE這樣的介質(zhì)轉換器，在電梯控制器中設置SPE到標準以太網(wǎng)或CAN。對于下一代系統，電梯控制器可包含內置的SPE PHY 10BASE-T1L，轎廂內的設備將通過(guò)SPE PHY 10BASE-T1S連接。轎廂還將具有內置的10BASE-T1S-10BASE-T1L以太網(wǎng)交換機，以將轎廂與電梯控制器連接。轎廂內的應急燈和通信系統可通過(guò)PoDL供電，以確保不中斷電源。
圖6：轎廂-機房通信 暖通空調應用 統一設計HVAC控制器可用以控制屋頂單元、冷卻器控制單元、空氣處理單元等。HVAC控制器使用標準以太網(wǎng)與諸如樓宇管理系統等高層樓宇自動(dòng)化系統連接，并以菊花鏈方式連接多個(gè)HVAC控制器。為在任何HVAC控制器斷電時(shí)保持網(wǎng)絡(luò )連通性，機電式繼電器將輸入和輸出端口上的以太網(wǎng)信號短路。 HVAC控制器具有多個(gè)模擬、數字或現場(chǎng)總線(xiàn)接口，用于通信或控制測量溫度、濕度和壓力等參數的多個(gè)傳感器（圖7）。傳感器可以是具有環(huán)路電源的模擬輸出，也可以是具有獨立電源的支持0至10W / 4至20mA輸出。HVAC控制器還可通過(guò)通信接口或模擬連接聯(lián)至諸如阻尼器、風(fēng)扇和步進(jìn)電機驅動(dòng)等執行器。從控制器、傳感器到執行器實(shí)現SPE互連，僅需兩條線(xiàn)即可簡(jiǎn)化安裝，同時(shí)可以訪(fǎng)問(wèn)邊緣器件。
圖7：暖通空調控制器接口 圖8說(shuō)明了使用濕度傳感器的一個(gè)示例，其中I2C接口連接到具有內置介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）的微控制器（MCU）。SPE PHY（10BASE-T1L或10BASE-T1S）與MCU的內置MAC連接，而帶DC/DC轉換器的PoDL為整個(gè)電路供電。該體系結構具有多種優(yōu)勢，包括傳感器連接器的標準化、可重復使用的硬件、傳感器及硬件診斷與校準。
圖8：基于SPE的感測 HVAC控制器中具有多個(gè)SPE端口以連接各類(lèi)傳感器和執行器，將需要專(zhuān)用集成電路來(lái)實(shí)現已有的以太網(wǎng)交換機功能。 視頻監控應用 室外互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）網(wǎng)絡(luò )攝像頭通常安裝在樓宇外圍以確保連續捕獲視頻，并在安保受到嚴重破壞時(shí)發(fā)出警報，使安保人員有足夠的時(shí)間做出反應。這些攝像頭到網(wǎng)絡(luò )錄像機的距離可能為1 公里或更遠，而通過(guò)標準以太網(wǎng)橋接該距離需要使用中繼器或光纖電纜。使用H.264和H.265之類(lèi)的高效編碼系統，即便使用30 fps速率的4-MP傳感器，數據速率要求也降至10 Mbps以下。 預計未來(lái)的IP攝像頭產(chǎn)品將支持SPE，這將簡(jiǎn)化安裝，網(wǎng)絡(luò )錄像機也將提供電源設備端口。8級和9級（48V穩壓電源設備）或14級和15級（最大50V至58V）可支持IP攝像頭所需的功率電平，這可能需要多達52 W的功率操作。對于大多數攝像頭系統來(lái)說(shuō)，即使是內置加熱器型，此功率也已足夠。對于需要升級的樓宇，一個(gè)中間解決方案是使用標準的以太網(wǎng)到SPE轉換器。
圖9：IP網(wǎng)絡(luò )攝像頭連通性 總結 獨立型（僅數據）或與電源一起使用的SPE為樓宇自動(dòng)化提供了諸多機會(huì )。但在生態(tài)系統獲得全面發(fā)展之前，仍然需要介質(zhì)或協(xié)議轉換器來(lái)升級現有系統，且存在與現有電纜（非屏蔽、無(wú)絞線(xiàn)、線(xiàn)規）和連接器的重復使用相關(guān)的挑戰，這些電纜可能無(wú)法提供802.3cg中定義的全部距離或速度。但這并非主要障礙，因為未來(lái)的收益大于限制。SPE的電源設備和供電設備預計將在未來(lái)幾年內發(fā)布。在此之前工程鏈路將為邊緣設備供電。您還可能看到通過(guò)無(wú)縫集成支持SPE的樓宇自動(dòng)化產(chǎn)品。 |
