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作者：Excelpoint世健 隨著(zhù)科技不斷進(jìn)步和人們對更高生活質(zhì)量的追求，智能樓宇成為了未來(lái)建筑發(fā)展的重要方向。智能樓宇的出現主要是為了對樓宇環(huán)境進(jìn)行智能控制和優(yōu)化，應用現代傳感器、網(wǎng)絡(luò )通信、自動(dòng)控制、安全防范、音頻視頻等先進(jìn)技術(shù)，將樓宇結構、設備、服務(wù)等優(yōu)化組合形成有機整體，實(shí)現節能、安全、舒適以及可持續發(fā)展的建筑環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)智慧城市的建設。 與此同時(shí)，城市化和氣候變化等全球性挑戰也加速了對智能樓宇的需求。通過(guò)在安全、可擴展、互聯(lián)的系統中使用多個(gè)數據源，可以實(shí)時(shí)執行有效的決策，從而實(shí)現更節能、更高效的環(huán)境。高精度數據使樓宇和用戶(hù)之間能夠實(shí)時(shí)驅動(dòng)和交互，創(chuàng )造一個(gè)安全高效的空間，可應用于商業(yè)、住宅甚至工業(yè)等諸多領(lǐng)域。 
圖一: 樓宇控制系統 樓宇自動(dòng)化系統在支持可擴展的情況下，可較大限度提高舒適性、安全性和能效。從HVAC到照明，要充分提高工作性能，就需要一個(gè)能提供精準數據和連接的復雜且可靠網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)樓宇控制系統逐漸本地化，可以節省時(shí)間和成本的平臺解決方案應運而生，其具備的低功耗和靈活性讓樓宇更易于重新配置，可滿(mǎn)足不斷變化的需求。 ADI的樓宇自動(dòng)化系統技術(shù)能夠應對互聯(lián)設備數量激增的挑戰，為實(shí)現智能樓宇提供支持。這些更小巧、可擴展的低功耗解決方案支持使用樓宇控制平臺方法，在本地或更高層面上監測、控制和重新配置，不僅適合現有的樓宇網(wǎng)絡(luò )拓撲和標準，還支持更先進(jìn)的新技術(shù)。 如圖二所示，樓宇自動(dòng)化系統分為四層。從上往下第一層是管理層（Management Layer），服務(wù)器的設備、上層的管理技術(shù)都是在里體現，這一層可以通過(guò)電腦上的服務(wù)器查詢(xún)到每個(gè)子系統當前的工作狀態(tài)。 第二層是網(wǎng)絡(luò )分發(fā)層/集成層（Integration Layer），這一層就會(huì )面對每個(gè)控制設備，集成層的子系統可能都管理著(zhù)一個(gè)小系統，比如照明的系統、溫度的系統、暖通的系統等等，這樣既有助于分門(mén)別類(lèi)的管理，也可以拓展出更復雜的系統。 接下來(lái)就是控制器層（Controller Layer），這一層已經(jīng)深入到上面所說(shuō)的分散控制，分布式管理最核心的設備就在這里�？梢詫⑵淅斫獬梢粋�(gè)現場(chǎng)的大腦，通過(guò)這個(gè)現場(chǎng)的大腦可以迅速決策。比如發(fā)現溫度過(guò)高之后，通過(guò)內置的PID算法來(lái)驅動(dòng)風(fēng)扇更快的工作，從而將溫度調低，因此樓宇控制器有大量的模擬傳感器I/O。 最下面一層就是傳感器層（Field sensor Layer）。這一層會(huì )接大量傳感器來(lái)感知到現場(chǎng)或整個(gè)樓宇的狀態(tài)，是獲取信息的關(guān)鍵，因此是非常重要的。其實(shí)，嚴格來(lái)說(shuō)還有最后一個(gè)設備層，包含了壓縮機等設備，這層有時(shí)也同樣會(huì )接在控制器層，總而言之就是現場(chǎng)的設備。
圖二：樓宇自動(dòng)化系統 現代化的樓宇自控系統將電梯、水泵、風(fēng)機、空調、暖通、照明等設備連接在一起，實(shí)現在線(xiàn)監控。通過(guò)設置相應傳感器，行程開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制溫度、濕度、照明等參數。樓宇控制器（Direct Digital Controller）作為樓宇自動(dòng)化的核心設備，承擔著(zhù)接收上位機系統設置，接收現場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)數據，輸出控制動(dòng)作，從而實(shí)現真正的閉環(huán)控制系統。 樓宇控制器也叫數字控制器，其核心任務(wù)就是對外部的模擬量、數字量的輸入/輸出進(jìn)行感應，因為內置了很多樓宇自動(dòng)化所需要的PID控制單元，以此來(lái)控制整個(gè)系統。ADI在樓宇控制系統中有很多的產(chǎn)品，大致可分為Software lO、10Base-T1L、RS-485以及SPoE等幾大類(lèi)，下面會(huì )有相應的產(chǎn)品介紹。 ADI產(chǎn)品介紹 開(kāi)入/開(kāi)出，模擬輸入/輸出是樓宇控制器設備的關(guān)鍵信號輸入輸出及動(dòng)作接口，傳統的控制系統采用一組復雜的通道模塊、模擬和數字信號轉換器以及與操作面的機器、儀器和傳感器進(jìn)行通信的單獨有線(xiàn)輸入/輸出，需要進(jìn)行成本高昂且工作強度大的手動(dòng)配置。 ADI推出用于樓宇控制和過(guò)程自動(dòng)化的I/O芯片極大地降低了設計難度，采用通用接口應對不同的需求，大大簡(jiǎn)化硬件設計復雜度同時(shí)，為制造商和工業(yè)運營(yíng)商的現場(chǎng)靈活配置通道功能提供了可能。 與ADI合作了三十多年的技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健，多年來(lái)基于A(yíng)DI的產(chǎn)品和解決方案組合，打造了多個(gè)貼近客戶(hù)應用需求的解決方案并獲得了市場(chǎng)的認可。針對發(fā)射鏈路的兩種方式，世健結合當前市場(chǎng)重點(diǎn)推薦AD74412R/AD74413R。
圖三：AD74412R/AD74413R框圖 這兩款產(chǎn)品都具有可重構的模塊通道，可快速、輕松地實(shí)現遠程可靈活控制系統的設計，同時(shí)無(wú)需進(jìn)行大規模的重新布線(xiàn)。這就極大地提高了制造商和工業(yè)運營(yíng)商實(shí)現速度和靈活性，并使其能夠在不大量增加成本和停機時(shí)間的情況下進(jìn)行更改。 AD74412R和AD74413R是適用于樓宇和過(guò)程控制應用的四通道軟件可配置輸入/輸出解決方案，包含用于模擬輸出、模擬輸入、數字輸入和電阻溫度檢測器（RTD）測量的功能，這些功能通過(guò)串行外設接口（SPI）集成在一個(gè)單芯片解決方案中。該套件采用一個(gè)16位Σ-∆模數轉換器（ADC）和四個(gè)可配置的13位數模轉換器（DAC），可提供四個(gè)可配置輸入/輸出通道和一套診斷功能。AD74412R/AD74413R均包含一個(gè)高精度2.5 V的內部基準電壓源用于驅動(dòng)DAC和ADC，可提供多種輸入/輸出模式。 ADI創(chuàng )新連接技術(shù)：10Base-T1L 新樓宇中配備了一些先進(jìn)技術(shù)，可遠程控制HVAC系統、檢測空間占用情況、自動(dòng)控制照明并監控環(huán)境條件，從而使這些樓宇更具可持續性，同時(shí)也可提升樓宇用戶(hù)的安全性與舒適度。ADI開(kāi)發(fā)的先進(jìn)測量、連接和處理技術(shù)，旨在提高新樓宇和現有樓宇的可持續性，助力樓宇健康發(fā)展，支持樓宇改造以重復使用雙絞線(xiàn)基礎設施，并通過(guò)10BASE-T1L以太網(wǎng)連接現代系統。 10Base-T1L和傳統以太網(wǎng)最核心的區別就是雙線(xiàn)制。常規的以太網(wǎng)都是三線(xiàn)制甚至更多，線(xiàn)減少就能大幅降低整個(gè)安裝要求，因為傳統的以太網(wǎng)必須要專(zhuān)用的網(wǎng)線(xiàn)，而10Base-T1L只要普通的雙絞線(xiàn)就能工作，這就解決了現場(chǎng)布置和安裝的挑戰，相當于用普通雙腳線(xiàn)也可以獲得10兆以太網(wǎng)的速度。 圖四是樓宇自動(dòng)化整個(gè)通信鏈路過(guò)程大概的一個(gè)拓撲的結構，數據流量從上到下越來(lái)越小，但內容卻越來(lái)越多。上面非常集中、流量較大，下面比較零散、流量相對偏少，中間的樓宇控制器是呈上啟下的重要作用，將現場(chǎng)采集到的這些數字量信號轉換成數字信號，最后送到服務(wù)器，這里面就會(huì )存在大量通信需求。
圖四：樓宇自動(dòng)化通信鏈路過(guò)程拓撲結構簡(jiǎn)圖 RS-485依舊是目前樓宇自動(dòng)化里面比較主流的一個(gè)方式，在過(guò)去的幾十年廣泛應用于工業(yè)或民用的幾乎每一個(gè)領(lǐng)域。它最大的特點(diǎn)就是雙線(xiàn)制，使用非常方便，而且這種菊花鏈（Daisy chain）的形式非常容易安裝和配置，通信的速率、距離分別可達38.4kbps、1.2Km。 盡管RS-485在樓宇自動(dòng)化里面應用比較廣泛，但是技術(shù)也是需要革新的。在過(guò)去長(cháng)期的市場(chǎng)應用過(guò)程中也出現了一些問(wèn)題，比如這種架構的調試難度比較大，單個(gè)設備節點(diǎn)故障就會(huì )影響整個(gè)總線(xiàn)，只能逐個(gè)退下來(lái)排查后再裝上去，而實(shí)際中智能樓宇的施工面積是非常大的，無(wú)論是一個(gè)機場(chǎng)、體育館還是商業(yè)建筑，這都意味著(zhù)巨大的工作量。 典型的智能樓宇有控制器和各節點(diǎn)組成樓宇自動(dòng)化系統，要想輕松連接到所有這些設備并不容易。Excelpoint世健推薦ADI公司的一款兼容IEEE 802.3cg和10BASE-T1L標準的經(jīng)典交換機產(chǎn)品——ADIN2111，可以將以太網(wǎng)引入點(diǎn)對點(diǎn)、環(huán)形等線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò )配置中的控制器和邊緣節點(diǎn)，減輕了控制器的負擔，讓升級更容易。 ADIN2111是一款低功耗、低復雜度、雙以太網(wǎng)端口交換機。它集成了10BASE-T1L PHY和一個(gè)串行外設接口（SPI）端口，使用低功率受限節點(diǎn)，面向工業(yè)以太網(wǎng)應用且符合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）。
圖五：ADIN2111 該交換機（直通或存儲并轉發(fā)）支持兩個(gè)以太網(wǎng)端口和SPI主機端口之間的多種布線(xiàn)配置，為線(xiàn)形、菊花鏈或環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲提供靈活的解決方案。此外，它還可用于非托管配置，在此配置下，該器件可自動(dòng)轉發(fā)兩個(gè)以太網(wǎng)端口之間的流量。 ADIN2111支持高達1700米的電纜延伸范圍，具有77 mW的超低功耗。兩個(gè)PHY內核支持IEEE 802.3cg標準中定義的1.0 V p-p工作模式和2.4 V p-p工作模式，可采用1.8 V或3.3 V單電源軌供電。 該器件集成了交換機、兩個(gè)具有介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）接口的以太網(wǎng)物理層（PHY）內核以及所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時(shí)鐘緩沖器件。該器件還包括內部緩沖隊列、SPI和子系統寄存器，以及用來(lái)管理復位和時(shí)鐘控制及硬件引腳配置的控制邏輯。 ADIN2111集成電壓電源監控電路和上電復位（POR）電路，可提高系統級?mèng)敯粜�。用于與主機通信的4線(xiàn)式SPI可配置為OPEN Alliance SPI或通用SPI。兩種模式均支持可選數據保護或循環(huán)冗余校驗（CRC）。 以太網(wǎng)受電方案 SPoE（Single Pair Power over Ethernet）以前也被稱(chēng)為“數據線(xiàn)供電（PoDL）”，對應的設備是配合前面提到的10base-T1L做的。比如，客戶(hù)在用了兩線(xiàn)制的10base-T1L以太網(wǎng)技術(shù)后需要自供電，增加這個(gè)功能后，端節點(diǎn)可以在一根雙絞線(xiàn)上既傳輸信號也供電源，因此面板可以做得非常纖薄。自供電的端節點(diǎn)可以定期、定時(shí)地主動(dòng)上報一些狀態(tài)信息或報警信息，而不是只能被動(dòng)接受主站訪(fǎng)問(wèn)。 對此，世健推薦一款符合IEEE 802.3cg標準的單對以太網(wǎng)供電受電設備（PD）控制器——ADI的LTC9111。2.3V-60V的寬工作范圍與極性校正相結合，使該控制器特別適合樓宇及工廠(chǎng)自動(dòng)化應用中基于分類(lèi)的系統。
圖六：LTC9111框圖 基于SCCP的分類(lèi)可確保供電設備（PSE）僅在連接有效的PD時(shí)提供全工作電壓。LTC9111在分類(lèi)時(shí)利用微功耗操作，最大限度降低存儲電容器的要求，可驅動(dòng)兩個(gè)外部N通道MOSFET開(kāi)關(guān)，外部N通道MOSFET開(kāi)關(guān)在分類(lèi)和出現浪涌時(shí)從連接器隔離輸出電容。 當PD輸入電壓超過(guò)所配置類(lèi)的ON電壓閾值時(shí)或經(jīng)過(guò)強制延遲后，電壓監控器可啟用外部MOSFET。在控制的GATE引腳斜升后，EN輸出會(huì )發(fā)生斷言，輸入電壓降至所配置類(lèi)的關(guān)閉電壓閾值以下時(shí)也會(huì )禁用MOSFET。LTC9111利用1.6V的低啟動(dòng)電壓為極性校正驅動(dòng)一對外部低端N通道MOSFET，可減少功率損耗。 【總結】 綜上所述，Excelpoint世健認為，ADI公司的創(chuàng )新技術(shù)和系統專(zhuān)業(yè)知識正在幫助塑造智能樓宇行業(yè)的未來(lái)，其產(chǎn)品和解決方案能為智能樓宇控制系統提供可配置、簡(jiǎn)易化以及高性能發(fā)展趨勢的同時(shí)，也為市場(chǎng)未來(lái)的技術(shù)創(chuàng )新提供了基礎，能幫助市場(chǎng)更好地迎接各類(lèi)挑戰。 |
