單對以太網(wǎng)在樓宇自動化中的應(yīng)用

以太網(wǎng)已成為樓宇自動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（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的操作以及通過一對平衡導(dǎo)體進行的功率傳輸。由于單對電纜現(xiàn)在可同時支持?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化應(yīng)用中進行安裝。

將以太網(wǎng)帶到邊緣器件需要付出諸多努力。當(dāng)前，樓宇自動化中存在多個通信網(wǎng)絡(luò)——例如暖通空調(diào)（HVAC）應(yīng)用使用Modbus、訪問控制使用BACnet、照明使用LonWorks、消防安全使用以太網(wǎng)。此類網(wǎng)絡(luò)碎片化需要使用網(wǎng)關(guān)來執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，以將合并網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合到樓宇自動化控制金字塔的頂端。最終用戶必須依次管理復(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的距離、多點連接、電源方案以及對約束性協(xié)議的支持，單對以太網(wǎng)可以解決上述問題。將以太網(wǎng)連接到邊緣器件可帶來以下優(yōu)點：可直接訪問控制系統(tǒng)、狀態(tài)更新、預(yù)測性維護、標(biāo)準(zhǔn)化硬件以及各種系統(tǒng)之間的互操作性。

圖1：10/100 Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口

SPE概述

如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)使用有著獨立電纜的單電纜通信發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

單對以太網(wǎng)（SPE）大致分為三類：

●   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：

●   長電纜和短電纜的長度均超過一對平衡的屏蔽或非屏蔽電線。10BASE-T1L：IEEE 802.3物理層規(guī)范，適用于單對平衡導(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)線進行點對點連接時的長距離）。

●   10BASE-T1S：IEEE 802.3物理層規(guī)范，適用于單對平衡導(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)線的短距離）。

本文介紹了10BASE-T1L的應(yīng)用，其在樓宇自動化系統(tǒng)中超過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）在單對平衡導(dǎo)體上使用全雙工通信，在每一方向上同時具有10 Mbps的有效數(shù)據(jù)速率。10BASE-T1L PHY使用三級脈沖幅度調(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>）使用四二進制三進制（4B3T）編碼進行編碼，可將所發(fā)送的PAM3符號的運行平均值（DC基線）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現(xiàn)更長的通信距離。

如圖2所示，SPE使用回聲消除來實現(xiàn)全雙工通信，并使用多級信令和均衡來改善信號質(zhì)量，并在單對電纜上實現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)速率。處理器和PHY之間的接口沒有差異；但在PHY內(nèi)，介質(zhì)相關(guān)接口的發(fā)送和接收段需要進行如上所述的修改，以實現(xiàn)單對操作。 

圖2：10/100 Mbps的SPE接口

SPE還可通過一個低通濾波器沿同一根單對電纜經(jīng)數(shù)據(jù)線（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)支持的各類功率等級?？山桓督o負(fù)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類的PSE、PI和PD的電源分類需求矩陣

表1：EEE 802.3.cg標(biāo)準(zhǔn)支持的功率等級

SPE的優(yōu)點

過渡到SPE具有多個優(yōu)點，包括安裝到使用單個通信網(wǎng)絡(luò)管理整個樓宇。它的優(yōu)點使總擁有成本得以降低，并提高了樓宇自動化系統(tǒng)的投資回報率。例如：

●   將以太網(wǎng)連接置于邊緣無需附加網(wǎng)關(guān)，僅需一個通信網(wǎng)絡(luò)即可簡化系統(tǒng)。

●   PoDL無需使用單獨電源線，簡化了樓宇自動化系統(tǒng)的布線。

●   僅使用一對電線，可減少電纜的成本和重量，更易于架空布線。

●   更快、更簡易的安裝減少了人工成本。

●   與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相比，帶寬改善為實現(xiàn)諸如預(yù)測性維護之類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現(xiàn)更多數(shù)據(jù)傳輸。 

以下部分說明SPE如何實現(xiàn)以及各種樓宇自動化應(yīng)用程序的相關(guān)優(yōu)點。

圖4：傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)– FACP之間的光纖連接

消防安全應(yīng)用

火災(zāi)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，這些在信令回路中連接的傳感器會發(fā)出警報，FACP可通過電話網(wǎng)絡(luò)與消防站通信。FACP通常支持多個信令回路，便于分成多個區(qū)域或樓層，從而便于識別。

每個樓宇可有多個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)校或購物中心等設(shè)施擴展時，通常需要使用銅線或光纖線通過以太網(wǎng)將樓宇之間的FACP互連至3到4公里處?；?00BASE-TX/10BASE-T的以太網(wǎng)需要多個中繼器來橋接這些距離。這種情況下，為其供電可能存在挑戰(zhàn)。另一個選項是過渡到光纜，這需要兩端都使用介質(zhì)轉(zhuǎn)換器（銅纜到光纖）。圖4描述了一個示例系統(tǒng)。

上述兩種選項都導(dǎo)致系統(tǒng)變得昂貴。SPE可解決距離長達(dá)1 公里的挑戰(zhàn)；對于距離更遠(yuǎn)的系統(tǒng)，則可使用通過PoDL供電的中繼器。PoDL無需使用外部電源，進一步簡化了系統(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)

垂直運輸應(yīng)用

電梯是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。移動轎廂和機房控制器之間的主要通信鏈路是通過移動電纜實現(xiàn)。基于樓宇高度，該電纜長度可到達(dá)10到500 米或更長范圍。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。電梯上下移動時，電纜需彎曲，這對于光纖布線而言并不合適，因此大多數(shù)電梯電纜均由銅制成?？紤]到電纜長度，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不適用，因為它不能超過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)部流回到機房。

●   將廣告從機房中繼到轎廂。

●   通過各類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)，以進行預(yù)測性維護。

預(yù)測性維護的一個示例是通過測量電梯門在加速、穩(wěn)態(tài)和減速期間的電機電流來監(jiān)控電梯門的開關(guān)運動，并分析任何異常情況。預(yù)測潛在故障的能力將避免電梯停機以及為乘梯人帶來的不便。

升級現(xiàn)有電梯與設(shè)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(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，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PoDL供電，以確保不中斷電源。

圖6：轎廂-機房通信

暖通空調(diào)應(yīng)用

統(tǒng)一設(shè)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與諸如樓宇管理系統(tǒng)等高層樓宇自動化系統(tǒng)連接，并以菊花鏈方式連接多個HVAC控制器。為在任何HVAC控制器斷電時保持網(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控制器具有多個模擬、數(shù)字或現(xiàn)場總線接口，用于通信或控制測量溫度、濕度和壓力等參數(shù)的多個傳感器（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控制器還可通過通信接口或模擬連接聯(lián)至諸如阻尼器、風(fēng)扇和步進電機驅(qū)動等執(zhí)行器。從控制器、傳感器到執(zhí)行器實現(xiàn)SPE互連，僅需兩條線即可簡化安裝，同時可以訪問邊緣器件。

圖8說明了使用濕度傳感器的一個示例，其中I2C接口連接到具有內(nèi)置介質(zhì)訪問控制（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為整個電路供電。該體系結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)勢，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)。

HVAC控制器中具有多個SPE端口以連接各類傳感器和執(zhí)行器，將需要專用集成電路來實現(xiàn)已有的以太網(wǎng)交換機功能。

圖7：暖通空調(diào)控制器接口

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)重破壞時發(fā)出警報，使安保人員有足夠的時間做出反應(yīng)。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(yuǎn)，而通過標(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)計未來的IP攝像頭產(chǎn)品將支持SPE，這將簡化安裝，網(wǎng)絡(luò)錄像機也將提供電源設(shè)備端口。8級和9級（48V穩(wěn)壓電源設(shè)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(dá)52 W的功率操作。對于大多數(shù)攝像頭系統(tǒng)來說，即使是內(nèi)置加熱器型，此功率也已足夠。對于需要升級的樓宇，一個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8：基于SPE的感測

總結(jié)

獨立型（僅數(shù)據(jù)）或與電源一起使用的SPE為樓宇自動化提供了諸多機會。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)換器來升級現(xiàn)有系統(tǒng)，且存在與現(xiàn)有電纜（非屏蔽、無絞線、線規(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，因為未來的收益大于限制。SPE的電源設(shè)備和供電設(shè)備預(yù)計將在未來幾年內(nèi)發(fā)布。在此之前工程鏈路將為邊緣設(shè)備供電。您還可能看到通過無縫集成支持SPE的樓宇自動化產(chǎn)品。

圖9：IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭連通性

參考資料

●    IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)