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低功耗以太網(wǎng)PHY對(duì)于樓宇自動(dòng)化的深遠(yuǎn)影響

2019-04-03 16:12:44 德州儀器作者：James Catt

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以太網(wǎng)（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)[IEEE] 802.3）在樓宇自動(dòng)化中的使用量正在增長，使得使用增強(qiáng)型傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇能夠管理環(huán)境系統(tǒng)（如照明和暖通）、訪問控制、安保系統(tǒng)、安全系統(tǒng)，甚至預(yù)防性維護(hù)監(jiān)控。新型樓宇通常使用帶專用5類增強(qiáng)型（Cat5e）布線、以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器的樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。即使是現(xiàn)有的樓宇空間也在進(jìn)行改裝，以適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)的傳感器和控制裝置。
改裝具有挑戰(zhàn)性基于兩個(gè)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?yàn)槎鄶?shù)改裝的樓宇起初并未設(shè)計(jì)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(yè)和工業(yè)樓宇最初設(shè)計(jì)用于適應(yīng)輕松重新配置內(nèi)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(shù)使得使用以太網(wǎng)基自動(dòng)化改裝這些樓宇更為可行。

滿足業(yè)界最小，功耗最低的以太網(wǎng)PHY

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在樓宇自動(dòng)化中部署以太網(wǎng)
以太網(wǎng)在樓宇自動(dòng)化中的使用量正在增長歸于以下幾個(gè)原因。
首先，作為一種成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它提供了一個(gè)完善的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)，使工程師能夠快速開發(fā)即插即用的解決方案。它位于開放系統(tǒng)互連模型的基礎(chǔ)，因此支持使用基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行聚合、傳輸、交換、處理和存儲(chǔ)。
其次，以太網(wǎng)可集成不同供應(yīng)商的產(chǎn)品，避免使用專有接口。
第三，以太網(wǎng)提供比多數(shù)現(xiàn)有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或面向總線的通信協(xié)議更快的數(shù)據(jù)速度。這歸于三個(gè)原因：
·        許多傳感器以低數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，因此可由單個(gè)控制器實(shí)體提供服務(wù)。而該實(shí)體將其較慢的數(shù)據(jù)流聚合到轉(zhuǎn)儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)上的單個(gè)高速數(shù)據(jù)流中，從而減少了將數(shù)據(jù)帶到集中管理和運(yùn)營中心所需的物理連接數(shù)量。
·        更快的數(shù)據(jù)速度意味著可更快地響應(yīng)在傳感器端檢測到的事件。這對(duì)于安全相關(guān)系統(tǒng)（火災(zāi)、煙霧、二氧化碳、氣體檢測等）、安保和訪問控制至關(guān)重要。
·        更高的數(shù)據(jù)速率擴(kuò)展了某些類型傳感器的部署 - 最顯著的是用于監(jiān)視的攝像頭。IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭IPNCs）取代了基于模擬的閉路電視攝像頭技術(shù)。該技術(shù)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(tǒng)。IPNC生成完全數(shù)字化的視頻流，并具有內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議引擎，允許使用Cat5e電纜連接到100BASE-TX網(wǎng)絡(luò)。
綜合電源和網(wǎng)絡(luò)
能夠更廣泛部署IPNC的另一個(gè)因素是IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，以包括以太網(wǎng)供電（PoE）。IEEE 802.3at-2009和IEEE 802.3bt引入了支持通過Cat5e進(jìn)行電力傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。如標(biāo)準(zhǔn)中所述，備選方案A使用有效數(shù)據(jù)對(duì)來傳輸功率，而備選方案B使用備用雙絞線，從而分離數(shù)據(jù)和功率。
大多數(shù)IPNC目前使用100BASE-TX。它使用兩對(duì)Cat5e雙絞線，留下備用雙絞線供電。標(biāo)準(zhǔn)定義了位于電纜兩端的兩個(gè)實(shí)體。供電設(shè)備（PSE）負(fù)責(zé)向電纜另一端的受電設(shè)備（PD）進(jìn)行電力輸送。標(biāo)準(zhǔn)定義了四種不同類型的使用場景，它們對(duì)應(yīng)于最大功率傳輸能力的四個(gè)級(jí)別。表1總結(jié)了這些類型。

參數(shù)	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(duì)600	每對(duì)960
每對(duì)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(guī)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(yù)算。因此，在PSE和PD中使用節(jié)能設(shè)備至關(guān)重要。
系統(tǒng)示例
圖1所示為使用PoE的示例樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。此示例所示為傳感器控制器和連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的IPNC的組合。而網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)也是電源注入器。以標(biāo)準(zhǔn)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(gè)PD中合并物理層（PHY）處理以太網(wǎng)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(yù)算。從表1中可看出，1類 PoE鏈路在PD端的功率預(yù)算為12.95 W。功率轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)模塊會(huì)有一些損耗，使得應(yīng)用電路可用的功率小于12.95 W。PHY應(yīng)僅消耗幾百毫瓦或更少功率，為傳感器節(jié)點(diǎn)或IPNC留下絕大部分功率。