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低功耗以太網PHY對于樓宇自動化的深遠影響

2019-04-03 16:12:44 德州儀器作者：James Catt

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以太網（電氣和電子工程師協會[IEEE] 802.3）在樓宇自動化中的使用量正在增長，使得使用增強型傳感器和控制網絡的智能樓宇能夠管理環境系統（如照明和暖通）、訪問控制、安保系統、安全系統，甚至預防性維護監控。新型樓宇通常使用帶專用5類增強型（Cat5e）布線、以太網交換機和路由器的樓宇自動化網絡。即使是現有的樓宇空間也在進行改裝，以適應聯網的傳感器和控制裝置。
改裝具有挑戰性基于兩個原因：
· 需為最初未配置電源的部位提供電源。
· 安裝空間有限，因為多數改裝的樓宇起初并未設計用于容納墻壁、天花板和地板中的傳感器和控制器。
盡管許多商業和工業樓宇最初設計用于適應輕松重新配置內部空間，但支持易于配電并提供小尺寸的傳感器和控制器技術使得使用以太網基自動化改裝這些樓宇更為可行。

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在樓宇自動化中部署以太網
以太網在樓宇自動化中的使用量正在增長歸于以下幾個原因。
首先，作為一種成熟的網絡技術，它提供了一個完善的硬件和軟件生態系統，使工程師能夠快速開發即插即用的解決方案。它位于開放系統互連模型的基礎，因此支持使用基于標準的數據通信進行聚合、傳輸、交換、處理和存儲。
其次，以太網可集成不同供應商的產品，避免使用專有接口。
第三，以太網提供比多數現有的點對點或面向總線的通信協議更快的數據速度。這歸于三個原因：
·        許多傳感器以低數據速率運行，因此可由單個控制器實體提供服務。而該實體將其較慢的數據流聚合到轉儲到網絡上的單個高速數據流中，從而減少了將數據帶到集中管理和運營中心所需的物理連接數量。
·        更快的數據速度意味著可更快地響應在傳感器端檢測到的事件。這對于安全相關系統（火災、煙霧、二氧化碳、氣體檢測等）、安保和訪問控制至關重要。
·        更高的數據速率擴展了某些類型傳感器的部署 - 最顯著的是用于監視的攝像頭。IP網絡攝像頭IPNCs）取代了基于模擬的閉路電視攝像頭技術。該技術使用模擬圖像傳感器，以及依賴于專用同軸電纜的模擬傳輸系統。IPNC生成完全數字化的視頻流，并具有內置網絡協議引擎，允許使用Cat5e電纜連接到100BASE-TX網絡。
綜合電源和網絡
能夠更廣泛部署IPNC的另一個因素是IEEE 802.3標準的擴展，以包括以太網供電（PoE）。IEEE 802.3at-2009和IEEE 802.3bt引入了支持通過Cat5e進行電力傳輸的標準。如標準中所述，備選方案A使用有效數據對來傳輸功率，而備選方案B使用備用雙絞線，從而分離數據和功率。
大多數IPNC目前使用100BASE-TX。它使用兩對Cat5e雙絞線，留下備用雙絞線供電。標準定義了位于電纜兩端的兩個實體。供電設備（PSE）負責向電纜另一端的受電設備（PD）進行電力輸送。標準定義了四種不同類型的使用場景，它們對應于最大功率傳輸能力的四個級別。表1總結了這些類型。

參數	802.3at 類型1	802.3at 類型2	802.3bt 類型3	802.3bt 類型4
PD（W）的可用功率	12.95	25.5	51	71
最大PSE功率（W）	15.4	30	60	100
PSE電壓范圍（V）	44-57	50-57	50-57	52-57
PD電壓范圍（V）	37-57	42.5-57	42.5-57	41.1-57
最大電流（mA）	350	600	每對600	每對960
每對最大電纜電阻（Ω）	20	12.5	12.5	12.5

表 1：PoE類型和電力傳輸規范
從表中可以看出，每種類型都支持在PD可用的有限功率預算。因此，在PSE和PD中使用節能設備至關重要。
系統示例
圖1所示為使用PoE的示例樓宇自動化網絡。此示例所示為傳感器控制器和連接到網絡交換機的IPNC的組合。而網絡交換機也是電源注入器。以標準化語言講，它是PSE。鏈路另一端的傳感器控制器和IPNC是PD。在每個PD中合并物理層（PHY）處理以太網通信。
鑒于PoE旨在使傳感器（如IPNC）能夠部署到可能無可用功率或難以配置功率的位置，因此PHY消耗盡可能少的功率預算。從表1中可看出，1類 PoE鏈路在PD端的功率預算為12.95 W。功率轉換和調節模塊會有一些損耗，使得應用電路可用的功率小于12.95 W。PHY應僅消耗幾百毫瓦或更少功率，為傳感器節點或IPNC留下絕大部分功率。