【導讀】以太網已成為樓宇自動化中控制金字塔頂端的主流通信協議。電氣和電子工程師協會（IEEE）最近定義了一種新型以太網標準——IEEE 802.3.cg，用于10 Mb/s的操作以及通過一對平衡導體進行的功率傳輸。由于單對電纜現在可同時支持數據和電源，因此采用此標準可節省大量成本，并更易于在樓宇自動化應用中進行安裝。
將以太網帶到邊緣器件需要付出諸多努力。當前，樓宇自動化中存在多個通信網絡——例如暖通空調（HVAC）應用使用Modbus、訪問控制使用BACnet、照明使用LonWorks、消防安全使用以太網。此類網絡碎片化需要使用網關來執行協議轉換，以將合并網絡聯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雜的系統。
各種通信網絡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議的支持，單對以太網可以解決上述問題。將以太網連接到邊緣器件可帶來以下優點：可直接訪問控制系統、狀態更新、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，標準以太網使用有著獨立電纜的單電纜通信發送和接收數據。
圖1：10/100 Mbps的標準以太網接口
單對以太網（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物理層規范，適用于單對平衡導體上的10 Mb/s以太網局域網，可達至少1000米（使用18 AWG導線進行點對點連接時的長距離）。
● 10BASE-T1S：IEEE 802.3物理層規范，適用于單對平衡導體上的10 Mb/s以太網局域網，可達至少15 米（使用多支路連接的24-26 AWG導線的短距離）。
本文介紹了10BASE-T1L的應用，其在樓宇自動化系統中超過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7.5兆波特發送。33位擾碼器可幫助提高電磁兼容性。MII發送數據（TXD <3：0>）使用四二進制三進制（4B3T）編碼進行編碼，可將所發送的PAM3符號的運行平均值（DC基線）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現更長的通信距離。
如圖2所示，SPE使用回聲消除來實現全雙工通信，并使用多級信令和均衡來改善信號質量，并在單對電纜上實現所需的數據速率。處理器和PHY之間的接口沒有差異；但在PHY內，介質相關接口的發送和接收段需要進行如上所述的修改，以實現單對操作。
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數據線（PoDL）發送功率，如圖3所示。
圖3：PoDL示例
表1列出了IEEE 802.3.cg標準支持的各類功率等級。可交付給負載的最大功率為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類的PSE、PI和PD的電源分類需求矩陣
表1：EEE 802.3.cg標準支持的功率等級
SPE的優點
過渡到SPE具有多個優點，包括安裝到使用單個通信網絡管理整個樓宇。它的優點使總擁有成本得以降低，并提高了樓宇自動化系統的投資回報率。例如：
● 將以太網連接置于邊緣無需附加網關，僅需一個通信網絡即可簡化系統。
● PoDL無需使用單獨電源線，簡化了樓宇自動化系統的布線。
● 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。
● 與現有的現場總線網絡相比，帶寬改善為實現諸如預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數據速率的通信距離，有助于替換成本較高的光纜并實現更多數據傳輸。
以下部分說明SPE如何實現以及各種樓宇自動化應用程序的相關優點。
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。發生事故時，這些在信令回路中連接的傳感器會發出警報，FACP可通過電話網絡與消防站通信。FACP通常支持多個信令回路，便于分成多個區域或樓層，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量。當大型住宅區、辦公室、學校或購物中心等設施擴展時，通常需要使用銅線或光纖線通過以太網將樓宇之間的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。另一個選項是過渡到光纜，這需要兩端都使用介質轉換器（銅纜到光纖）。圖4描述了一個示例系統。
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可解決距離長達1 公里的挑戰；對于距離更遠的系統，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。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
電梯是一個復雜的系統。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。基于樓宇高度，該電纜長度可到達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（CAN）和LonWorks是電梯系統常用的協議。
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。電梯上下移動時，電纜需彎曲，這對于光纖布線而言并??不合適，因此大多數電梯電纜均由銅制成。考慮到電纜長度，標準以太網不適用，因為它不能超過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。
● 通過各類傳感器向電梯控制器發送更多數據以及轎廂內設備的數據，以進行預測性維護。
預測性維護的一個示例是通過測量電梯門在加速、穩態和減速期間的電機電流來監控電梯門的開關運動，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這樣的介質轉換器，在電梯控制器中設置SPE到標準以太網或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SPE PHY 10BASE-T1S連接。轎廂還將具有內置的10BASE-T1S-10BASE-T1L以太網交換機，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與諸如樓宇管理系統等高層樓宇自動化系統連接，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絡連通性，機電式繼電器將輸入和輸出端口上的以太網信號短路。
HVAC控制器具有多個模擬、數字或現場總線接口，用于通信或控制測量溫度、濕度和壓力等參數的多個傳感器（圖7）。傳感器可以是具有環路電源的模擬輸出，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至諸如阻尼器、風扇和步進電機驅動等執行器。從控制器、傳感器到執行器實現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7：暖通空調控制器接口
圖8說明了使用濕度傳感器的一個示例，其中I2C接口連接到具有內置介質訪問控制（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為整個電路供電。該體系結構具有多種優勢，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SPE端口以連接各類傳感器和執行器，將需要專用集成電路來實現已有的以太網交換機功能。
視頻監控應用
室外互聯網協議（IP）網絡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發出警報，使安保人員有足夠的時間做出反應。這些攝像頭到網絡錄像機的距離可能為1 公里或更遠，而通過標準以太網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，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。
預計未來的IP攝像頭產品將支持SPE，這將簡化安裝，網絡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說，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，一個中間解決方案是使用標準的以太網到SPE轉換器。
圖9：IP網絡攝像頭連通性
總結
獨立型（僅數據）或與電源一起使用的SPE為樓宇自動化提供了諸多機會。但在生態系統獲得全面發展之前，仍然需要介質或協議轉換器來升級現有系統，且存在與現有電纜（非屏蔽、無絞線、線規）和連接器的重復使用相關的挑戰，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的電源設備和供電設備預計將在未來幾年內發布。在此之前工程鏈路將為邊緣設備供電。您還可能看到通過無縫集成支持SPE的樓宇自動化產品。
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