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來(lái)源：DigiKey 作者：Rolf Horn 近年來(lái)，建筑自動(dòng)化領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步，使得更有效地管理商業(yè)和住宅樓成為可能。 如今，人們普遍需要高效和可持續的系統，以便為居住者提供更健康的建筑環(huán)境，同時(shí)最大限度地降低功耗，提高實(shí)時(shí)高數據吞吐量和控制功能。 建筑自動(dòng)化帶來(lái)的挑戰 設計人員和系統集成商面臨著(zhù)建筑自動(dòng)化帶來(lái)的若干挑戰，其中包括： · 技術(shù)很快過(guò)時(shí)：現有系統可能會(huì )因技術(shù)的快速進(jìn)步而過(guò)時(shí)，導致功能、支持減小以及與新技術(shù)的集成度降低。 · 效率和可持續性要求：能源效率提升、故障檢測/診斷改進(jìn)、室內環(huán)境質(zhì)量 (IEQ) 監測和水資源管理對于建筑所有者和運營(yíng)商來(lái)說(shuō)都是所必需的。 · 數據分析和優(yōu)化：數據分析和優(yōu)化方面的現代趨勢要求在建筑自動(dòng)化系統中加入數據收集、分析和解讀功能。這為建筑性能和低效檢測的數據驅動(dòng)型優(yōu)化以及實(shí)施糾正措施鋪平了道路。 · 互操作性：很難確保不同供應商提供的系統之間的兼容性和集成性。此外，不兼容性、專(zhuān)有協(xié)議和缺乏標準化也會(huì )影響系統效率。 如圖 1 所示，要解決這些問(wèn)題，智能建筑必須具備以下能力 · 通過(guò)云連接實(shí)現企業(yè)級集中配置和管理 · 在控制器層面消除對轉換網(wǎng)關(guān)的依賴(lài) · 將智能轉移到邊緣，使傳感器和執行器之間能夠交換大量數據 
圖 1：為建筑物提供可互操作的邊緣到云連接。（圖片來(lái)源： ADI） 數據通信在工業(yè)和建筑自動(dòng)化領(lǐng)域的重要性與日俱增。當前數據量的增加使人們意識到，傳統解決方案已接近其處理極限。因此，以太網(wǎng)正在成為主流通信標準。傳統的 4 線(xiàn)以太網(wǎng)解決方案已轉變?yōu)?2 線(xiàn)解決方案，即由單對雙絞線(xiàn)組成的 10BASE-T1L。 10BASE-T1L 標準如何推動(dòng)變革 2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規范通過(guò)在單對雙絞線(xiàn)上實(shí)現了長(cháng)達 1,000 米的 10 Mbps 全雙工通信，解決了多個(gè)工業(yè)和建筑管理通信問(wèn)題。 10BASE-T1L 標準克服了傳統通信系統的若干限制，包括與建筑自動(dòng)化領(lǐng)域的布線(xiàn)、帶寬、距離和電源有關(guān)的限制。下面詳細介紹 10BASE-T1L 標準如何消除這些限制： · 布線(xiàn)：10BASE-T1L 標準提供了能夠使用單絞線(xiàn)對電纜傳輸以太網(wǎng)信號和電源的物理層解決方案，進(jìn)而實(shí)現了諸如傳感器和執行器等現場(chǎng)設備的無(wú)縫以太網(wǎng)連接。這就不需要復雜而昂貴的布線(xiàn)基礎設施，從而簡(jiǎn)化了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )建筑自動(dòng)化的部署和安裝。除此之外，以太網(wǎng)數據包可以直接從邊緣傳輸到云，而無(wú)需進(jìn)行網(wǎng)關(guān)轉換。 · 帶寬：10BASE-T1L 標準支持高達 10 Mbps 的數據傳輸速率，足以滿(mǎn)足各種建筑自動(dòng)化應用的需要。這種帶寬高于僅限數個(gè) kbps 的傳統現場(chǎng)總線(xiàn)，可傳輸來(lái)自傳感器或直接到執行器的數據，以及如配置和參數化數據等其他設備參數。 · 傳輸距離：10BASE-T1L 標準的支持長(cháng)距離以太網(wǎng)連接的能力是其主要優(yōu)勢之一。該標準允許的連接長(cháng)度可達 1 公里，比傳統以太網(wǎng)標準要長(cháng)得多。因此，該標準適用于設備分散在大面積區域內的應用，如工業(yè)廠(chǎng)房和汽車(chē)裝配車(chē)間。 此外，10BASE-T1L 標準由于功耗低，因此適合電力資源有限的環(huán)境。這對于電池壽命和功耗至關(guān)重要的現場(chǎng)設備來(lái)說(shuō)極為關(guān)鍵。 在某些情況下，必須按照 10BASE-T1L 規定，通過(guò)該標準提供數據和電源（在非本質(zhì)安全區域最高 60 W）。10BASE-T1L 支持兩種振幅模式：2.4 V 適用于長(cháng)度達 1,000 m 的電纜，1.0 V 適用于最長(cháng) 200 m 的較短電纜。通過(guò) 1.0 V 峰峰值振幅模式，該技術(shù)還可用于防爆環(huán)境（危險區域），并滿(mǎn)足嚴格的最大電流消耗要求（最大功率限制在 500 mW）。 參考案例 10BASE-T1L 標準的典型使用案例如圖 2 所示。該智能建筑應用利用 10BASE-T1L 的特性在不同層收集和匯總數據，從終端節點(diǎn)（傳感器和執行器）到云上的企業(yè)/IT 層面。 房間控制器可直接連接現場(chǎng)設備（點(diǎn)對點(diǎn)），也可連接以菊花鏈形式連接的一系列設備。此外，還可對每個(gè)房間的控制器進(jìn)行配置，以連接傳統設備。 每棟建筑都有自己的設備控制器，這種控制器通過(guò) 10BASE-T1L 鏈路與大量的房間控制器相連，并通過(guò) 100 Mb/Gb 工業(yè)以太網(wǎng)與其他建筑的設備控制器相連。 對于與傳感器和執行器的短距離連接（最長(cháng) 25 米），如圖 2 右側的電梯轎廂控制器，10BASE-T1S 標準更為合適。
圖 2：智能建筑使用案例。（圖片來(lái)源： ADI） 10BASE-T1L 收發(fā)器 Analog Devices 開(kāi)發(fā)的 ADIN1110 是一款超低功耗、單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器，適用于工業(yè)和建筑自動(dòng)化領(lǐng)域基于以太網(wǎng)的應用。該收發(fā)器符合 IEEE 802.3cg-2019 以太網(wǎng)標準，適用于長(cháng)距離、10 Mbps 單對以太網(wǎng) (SPE) 傳輸應用，且專(zhuān)為這些應用而設計。 如圖 3 所示，該器件包含一個(gè)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 (MAC) 接口。這樣，就可以通過(guò)四線(xiàn)式串行外設接口 (SPI) 與多個(gè)主機控制器建立直接聯(lián)系。這種 SPI 允許使用功耗更低的處理器，因為無(wú)需集成 MAC，從而使系統的總體功耗達到最低。在配置 SPI 時(shí)，可選擇 Open Alliance SPI 協(xié)議和通用 SPI 協(xié)議。 ADIN1110 集成了電壓供應監控和上電復位 (POR) 電路，以增強系統級穩健性。該器件的功耗也很低（通常為 42 mW），支持 1 VPP 和 2.4 VPP 發(fā)送電平，以及自動(dòng)協(xié)商和用于幀過(guò)濾的 16 個(gè) MAC 地址。
圖 3：ADIN1110 MAC PHY 收發(fā)器框圖。（圖片來(lái)源： ADI） 10BASE-T1L 的覆蓋范圍更大，可以在更大的建筑中安裝自動(dòng)化設備，同時(shí)保持無(wú)縫連接。得益于這種靈活性和可擴展性，設施管理人員可以毫不費力地監控、修改如照明、氣候/HVAC 控制、安防和能源管理等應用的設置。 此外，10BASE-T1L 提高了數據傳輸速率，可對建筑系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，從而提高運行效率。通過(guò)這項技術(shù)，可以改善自動(dòng)化設備通信的響應時(shí)間、延遲和可靠性。 10BASE-T1L 以太網(wǎng)開(kāi)關(guān) 與以太網(wǎng)標準一樣，10BASE-T1L 提供用于連接各種網(wǎng)段和設備的交換機�？梢詷嫿ê屠貌煌木W(wǎng)絡(luò )拓撲結構為連接設備供電。在建筑自動(dòng)化中，交換機通常與控制器、傳感器和執行器相連。為了提高利用率，交換機可通過(guò)環(huán)形拓撲結構實(shí)現介質(zhì)冗余。 為此，Analog Devices 開(kāi)發(fā)出 ADIN2111 器件，這是一款專(zhuān)為建筑自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )而設計的全面的 10BASE-T1L 以太網(wǎng)雙端口交換機（圖 4）。該設備為控制器、傳感器和執行器增加了長(cháng)距離以太網(wǎng)連接，適合用于功率受限的小型邊緣設備。與分立器件相比，ADIN2111 可節省高達 50% 的功耗和 75% 的 PCB 空間。
圖 4：ADIN2111 的框圖。（圖片來(lái)源： ADI） ADIN2111 專(zhuān)為直列式和環(huán)形菊花鏈網(wǎng)絡(luò )而設計，可利用建筑內現有的單雙絞線(xiàn)布線(xiàn)基礎設施，從而降低了改造成本。圖 5 顯示了如何連接多個(gè)設備，以實(shí)現環(huán)形（上方）和直列（下方）拓撲結構。請注意，最后一個(gè)邊緣傳感器連接的收發(fā)器帶有 PHY 和 MAC，而其他兩個(gè)傳感器連接的是交換機。
圖 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多種拓撲結構，可實(shí)現最高的設計靈活性和可擴展性。（圖片來(lái)源： ADI） 10BASE-T1L 交換機配備 16 個(gè)地址 MAC 查找表，支持直通、存儲轉發(fā)操作，從而允許用戶(hù)在處理和轉發(fā)數據包時(shí)優(yōu)先考慮延遲或錯誤處理。高級數據包過(guò)濾功能減輕了處理器處理優(yōu)先流量的負擔。 該交換機集成了先進(jìn)的診斷功能，可減少安裝、調試和系統停機時(shí)間。其中包括帶有均方誤差 (MSE) 的鏈路質(zhì)量指標、鏈路診斷和 IEEE 測試模式，以及使用時(shí)域反射儀 (TDR) 進(jìn)行電纜缺陷檢測。該診斷解決方案由一個(gè)高精度片上 TDR 引擎和一套在微控制器主機上運行的算法組成，不僅在面對各種不同的電纜時(shí)具有極高的靈活性，而且實(shí)現了更先進(jìn)的電纜診斷功能。 該解決方案符合 IEEE 802.3cg 標準，支持通過(guò) 1.7 km 布線(xiàn)進(jìn)行以太網(wǎng)連接、環(huán)形冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和實(shí)時(shí) KNX 在內的軟協(xié)議。還應注意的是，ADIN2111 在非托管配置中可用作中繼器，將覆蓋范圍擴展至 2000 米或更遠。 結語(yǔ) 10BASE-T1L 的推出為建筑自動(dòng)化創(chuàng )造了新的機遇，徹底改變了商業(yè)和住宅空間的管理和控制方式。該標準能夠充分利用現有基礎設施，提高了靈活性并改善了數據傳輸性能，是實(shí)施自動(dòng)化解決方案的理想選擇。 |
