【導(dǎo)讀】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(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.3.cg，用于10 Mb/s的操作以及通過(guò)一對(duì)平衡導(dǎo)體進(jìn)行的功率傳輸。由于單對(duì)電纜現(xiàn)在可同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)和電源，因此采用此標(biāo)準(zhǔn)可節(jié)省大量成本，并更易于在樓宇自動(dòng)化應(yīng)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(dāng)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(diào)（HVAC）應(yīng)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(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)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(fù)雜的系統(tǒng)。
各種通信網(wǎng)絡(luò)存在的原因包括需要更長(zhǎng)的距離、多點(diǎn)連接、電源方案以及對(duì)約束性協(xié)議的支持，單對(duì)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(tǒng)、狀態(tài)更新、預(yù)測(cè)性維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)化硬件以及各種系統(tǒng)之間的互操作性。
SPE概述
如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)使用有著獨(dú)立電纜的單電纜通信發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
圖1：10/100 Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口
單對(duì)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(zhǎng)電纜和短電纜的長(zhǎng)度均超過(guò)一對(duì)平衡的屏蔽或非屏蔽電線(xiàn)。10BASE-T1L：IEEE 802.3物理層規(guī)范，適用于單對(duì)平衡導(dǎo)體上的10 Mb/s以太網(wǎng)局域網(wǎng)，可達(dá)至少1000米（使用18 AWG導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)的長(zhǎng)距離）。
● 10BASE-T1S：IEEE 802.3物理層規(guī)范，適用于單對(duì)平衡導(dǎo)體上的10 Mb/s以太網(wǎng)局域網(wǎng)，可達(dá)至少15 米（使用多支路連接的24-26 AWG導(dǎo)線(xiàn)的短距離）。
本文介紹了10BASE-T1L的應(yīng)用，其在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中超過(guò)1000 米的距離內(nèi)可提供高達(dá)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。
10BASE-T1L物理層（PHY）在單對(duì)平衡導(dǎo)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(shù)據(jù)速率。10BASE-T1L PHY使用三級(jí)脈沖幅度調(diào)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(shù)據(jù)（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(hào)的運(yùn)行平均值（DC基線(xiàn)）保持在范圍之內(nèi)。使用管理數(shù)據(jù)輸入/輸出接口將10BASE-T1L PHY的變送器輸出電壓設(shè)置為1.0 Vpp或2.4 Vpp差分，有助于在不同電纜上實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的通信距離。
如圖2所示，SPE使用回聲消除來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工通信，并使用多級(jí)信令和均衡來(lái)改善信號(hào)質(zhì)量，并在單對(duì)電纜上實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)速率。處理器和PHY之間的接口沒(méi)有差異；但在PHY內(nèi)，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(xiàn)單對(duì)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(duì)電纜經(jīng)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)支持的各類(lèi)功率等級(jí)。可交付給負(fù)載的最大功率為52 W，定義在在15級(jí)下。IEEE 802.3.bu涵蓋低于10級(jí)的功率等級(jí)。
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(biāo)準(zhǔn)支持的功率等級(jí)
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(tǒng)的投資回報(bào)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(tǒng)。
● PoDL無(wú)需使用單獨(dú)電源線(xiàn)，簡(jiǎn)化了樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的布線(xiàn)。
● 僅使用一對(duì)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(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比，帶寬改善為實(shí)現(xiàn)諸如預(yù)測(cè)性維護(hù)之類(lèi)的功能提供了靈活性。
● 10BASE-T1L可提供1000米有著10Mbps數(shù)據(jù)速率的通信距離，有助于替換成本較高的光纜并實(shí)現(xiàn)更多數(shù)據(jù)傳輸。
以下部分說(shuō)明SPE如何實(shí)現(xiàn)以及各種樓宇自動(dòng)化應(yīng)用程序的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。
消防安全應(yīng)用
火災(zāi)報(bào)警控制面板（FACP）連接到各種熱量、煙霧和氣體探測(cè)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(bào)，F(xiàn)ACP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(qū)域或樓層，從而便于識(shí)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(shù)量。當(dāng)大型住宅區(qū)、辦公室、學(xué)校或購(gòu)物中心等設(shè)施擴(kuò)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。基于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(zhàn)。另一個(gè)選項(xiàng)是過(guò)渡到光纜，這需要兩端都使用介質(zhì)轉(zhuǎn)換器（銅纜到光纖）。圖4描述了一個(gè)示例系統(tǒng)。
圖4：傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)– FACP之間的光纖連接
上述兩種選項(xiàng)都導(dǎo)致系統(tǒng)變得昂貴。SPE可解決距離長(zhǎng)達(dá)1 公里的挑戰(zhàn)；對(duì)于距離更遠(yuǎn)的系統(tǒng)，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(tǒng)。圖5描述了使用SPE的消防系統(tǒng)。
圖5：在FACP之間使用SPE的體系結(jié)構(gòu)
垂直運(yùn)輸應(yīng)用
電梯是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。移動(dòng)轎廂和機(jī)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(xiàn)。基于樓宇高度，該電纜長(zhǎng)度可到達(dá)10到500 米或更長(zhǎng)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(tǒng)常用的協(xié)議。
考慮到電纜在運(yùn)行期間所承受的壓力，電纜在數(shù)年內(nèi)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(duì)于光纖布線(xiàn)而言并??不合適，因此大多數(shù)電梯電纜均由銅制成。考慮到電纜長(zhǎng)度，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不適用，因?yàn)樗荒艹^(guò)100米。
現(xiàn)在，憑借SPE可提供1公里的距離和高達(dá)10 Mbps的速度，可作為下一代電梯設(shè)計(jì)的理想選擇。轎廂和電梯控制器之間需要更高的數(shù)據(jù)速率的主要原因有以下幾種：
● 將視頻內(nèi)容從轎廂內(nèi)部流回到機(jī)房。
● 將廣告從機(jī)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(shù)據(jù)以及轎廂內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)，以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。
預(yù)測(cè)性維護(hù)的一個(gè)示例是通過(guò)測(cè)量電梯門(mén)在加速、穩(wěn)態(tài)和減速期間的電機(jī)電流來(lái)監(jiān)控電梯門(mén)的開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)，并分析任何異常情況。預(yù)測(cè)潛在故障的能力將避免電梯停機(jī)以及為乘梯人帶來(lái)的不便。
升級(jí)現(xiàn)有電梯與設(shè)計(jì)具有更高級(jí)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(nèi)部安裝像CAN到SPE這樣的介質(zhì)轉(zhuǎn)換器，在電梯控制器中設(shè)置SPE到標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或CAN。對(duì)于下一代系統(tǒng)，電梯控制器可包含內(nèi)置的SPE PHY 10BASE-T1L，轎廂內(nèi)的設(shè)備將通過(guò)SPE PHY 10BASE-T1S連接。轎廂還將具有內(nèi)置的10BASE-T1S-10BASE-T1L以太網(wǎng)交換機(jī)，以將轎廂與電梯控制器連接。轎廂內(nèi)的應(yīng)急燈和通信系統(tǒng)可通過(guò)PoDL供電，以確保不中斷電源。
圖6：轎廂-機(jī)房通信
暖通空調(diào)應(yīng)用
統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與諸如樓宇管理系統(tǒng)等高層樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)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(jī)電式繼電器將輸入和輸出端口上的以太網(wǎng)信號(hào)短路。
HVAC控制器具有多個(gè)模擬、數(shù)字或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，用于通信或控制測(cè)量溫度、濕度和壓力等參數(shù)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(dú)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(jī)驅(qū)動(dòng)等執(zhí)行器。從控制器、傳感器到執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)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(diào)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(nèi)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(nèi)置MAC連接，而帶DC/DC轉(zhuǎn)換器的PoDL為整個(gè)電路供電。該體系結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)勢(shì)，包括傳感器連接器的標(biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)使用的硬件、傳感器及硬件診斷與校準(zhǔn)。
圖8：基于SPE的感測(cè)
HVAC控制器中具有多個(gè)SPE端口以連接各類(lèi)傳感器和執(zhí)行器，將需要專(zhuān)用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)已有的以太網(wǎng)交換機(jī)功能。
視頻監(jiān)控應(yīng)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(xù)捕獲視頻，并在安保受到嚴(yán)重破壞時(shí)發(fā)出警報(bào)，使安保人員有足夠的時(shí)間做出反應(yīng)。這些攝像頭到網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)的距離可能為1 公里或更遠(yuǎn)，而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，即便使用30 fps速率的4-MP傳感器，數(shù)據(jù)速率要求也降至10 Mbps以下。
預(yù)計(jì)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(jī)也將提供電源設(shè)備端口。8級(jí)和9級(jí)（48V穩(wěn)壓電源設(shè)備）或14級(jí)和15級(jí)（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(dá)52 W的功率操作。對(duì)于大多數(shù)攝像頭系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，即使是內(nèi)置加熱器型，此功率也已足夠。對(duì)于需要升級(jí)的樓宇，一個(gè)中間解決方案是使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)到SPE轉(zhuǎn)換器。
圖9：IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭連通性
總結(jié)
獨(dú)立型（僅數(shù)據(jù)）或與電源一起使用的SPE為樓宇自動(dòng)化提供了諸多機(jī)會(huì)。但在生態(tài)系統(tǒng)獲得全面發(fā)展之前，仍然需要介質(zhì)或協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)，且存在與現(xiàn)有電纜（非屏蔽、無(wú)絞線(xiàn)、線(xiàn)規(guī)）和連接器的重復(fù)使用相關(guān)的挑戰(zhàn)，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?yàn)槲磥?lái)的收益大于限制。SPE的電源設(shè)備和供電設(shè)備預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)發(fā)布。在此之前工程鏈路將為邊緣設(shè)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。
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