作者：Rolf Horn

　　近年來，樓宇自動化領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步，使得商業(yè)和住宅建筑的更有效管理成為可能。

　　如今，人們普遍需要高效且可持續(xù)的系統(tǒng)，以使建筑物為居住者提供更健康的環(huán)境，同時最大限度地減少功耗并提高實(shí)時高數(shù)據(jù)吞吐量和控制能力。

　　樓宇自動化的挑戰(zhàn)

　　設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)集成商面臨著樓宇自動化帶來的多項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括：

　　技術(shù)快速過時：由于技術(shù)的快速改進(jìn)，現(xiàn)有系統(tǒng)可能會過時，導(dǎo)致功能、支持以及與新技術(shù)的集成減少。

　　效率和可持續(xù)性要求：能源效率、故障檢測/診斷改進(jìn)、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量 (IEQ) 監(jiān)測和水資源管理都是建筑業(yè)主和運(yùn)營商的必需品。

　　數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化：數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化的現(xiàn)代趨勢需要將數(shù)據(jù)收集、分析和解釋功能納入構(gòu)建自動化系統(tǒng)。這為數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑性能優(yōu)化、低效檢測和糾正措施實(shí)施鋪平了道路。

　　互操作性：很難確保不同供應(yīng)商提供的系統(tǒng)之間的兼容性和集成。此外，系統(tǒng)的效率可能會因不兼容性、專有協(xié)議和缺乏標(biāo)準(zhǔn)化而受到阻礙。

　　如圖 1 所示，解決這些問題需要智能建筑具備以下能力：

　　通過云連接實(shí)現(xiàn)企業(yè)級集中配置和管理

　　消除控制器級別對轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的依賴

　　將智能移至邊緣，使傳感器和執(zhí)行器能夠交換大量數(shù)據(jù)

　　圖 1：為建筑物提供可互操作的邊緣到云連接。 (來源：ADI)

　　數(shù)據(jù)通信在工業(yè)和樓宇自動化領(lǐng)域的重要性日益增強(qiáng)。當(dāng)前數(shù)據(jù)量的增長使人們認(rèn)識到傳統(tǒng)解決方案正在接近其生理閾值。因此，以太網(wǎng)正在成為流行的通信標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的 4 線以太網(wǎng)解決方案已轉(zhuǎn)變?yōu)榉Q為 10BASE-T1L 的 2 線解決方案，該解決方案由單對雙絞線組成。

　　10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)如何推動變革

　　2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規(guī)范通過單對雙絞線實(shí)現(xiàn)長達(dá) 1,000 米的 10 Mbps 全雙工通信，解決了多個工業(yè)和樓宇管理通信問題。

　　10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的多項(xiàng)限制，包括樓宇自動化領(lǐng)域中與布線、帶寬、距離和功率相關(guān)的限制。以下是 10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)如何解決這些限制的詳細(xì)說明：

　　布線：10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)通過提供能夠通過單對雙絞線傳輸以太網(wǎng)信號和電源的物理層解決方案，為傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場級設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫以太網(wǎng)連接。這消除了對復(fù)雜且昂貴的布線基礎(chǔ)設(shè)施的需求，從而促進(jìn)了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)自動化的部署和安裝。除此之外，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包可以直接從邊緣傳輸?shù)皆贫耍瑹o需網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換。

　　帶寬：10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，足以滿足各種樓宇自動化應(yīng)用的需求。該帶寬高于傳統(tǒng)現(xiàn)場總線(限制為幾 kbps)，并且能夠從傳感器傳輸值或直接傳輸?shù)綀?zhí)行器，以及附加設(shè)備參數(shù)，例如配置和參數(shù)化數(shù)據(jù)。

　　距離：10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)支持長距離以太網(wǎng)連接的能力是其主要優(yōu)勢之一。它允許的連接長度可達(dá) 1 公里，這比傳統(tǒng)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要長得多。這使得它適合設(shè)備分散在大面積區(qū)域的應(yīng)用，例如工業(yè)工廠和汽車裝配廠。

　　此外，10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)由于其低功耗要求而適用于電源資源有限的環(huán)境。這對于電池壽命和功耗至關(guān)重要的現(xiàn)場級設(shè)備至關(guān)重要。

　　在某些情況下，有必要通過 10BASE-T1L 提供標(biāo)準(zhǔn)中定義的數(shù)據(jù)和電源(在非本質(zhì)安全區(qū)域中高達(dá) 60 W)。 10BASE-T1L 支持兩種幅度模式：2.4 V 適用于最長 1,000 m 的電纜長度，1.0 V 適用于最長 200 m 的較短長度。通過1.0 V峰峰值幅度模式，該技術(shù)還可用于防爆環(huán)境(危險區(qū)域)，并滿足嚴(yán)格的最大電流消耗要求(最大功率限制為500 mW)。

　　參考用例

　　10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)的典型用例如圖 2 所示。該智能建筑應(yīng)用程序利用 10BASE-T1L 的屬性來收集和聚合不同級別的數(shù)據(jù)，從終端節(jié)點(diǎn)(傳感器和執(zhí)行器)到企業(yè)/云上的IT水平。

　　房間控制器可以與現(xiàn)場設(shè)備直接(點(diǎn)對點(diǎn))連接，或連接到以菊花鏈鏈接的一系列設(shè)備。此外，每個房間控制器都可以配置為接受來自傳統(tǒng)設(shè)備的連接。

　　每座建筑物都有自己的工廠控制器，它通過 10BASE-T1L 鏈路連接到大量房間控制器，并通過 100 Mb/Gb 工業(yè)以太網(wǎng)連接到其他建筑物的工廠控制器。

　　對于傳感器和執(zhí)行器的短距離連接(最長 25 米)，如圖 2 右側(cè)電梯轎廂控制器的情況，10BASE-T1S 標(biāo)準(zhǔn)更合適。

　　圖 2：智能建筑用例。 (來源：ADI)

　　10BASE-T1L 收發(fā)器

　　Analog Devices 開發(fā)了ADIN1110，這是一款超低功耗、單端口、10BASE-T1L 收發(fā)器，適用于工業(yè)和樓宇自動化中基于以太網(wǎng)的應(yīng)用。它符合長距離 10 Mbps 單對以太網(wǎng) (SPE) 的 IEEE 802.3cg-2019 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，專為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

　　如圖 3 所示，該組件包含一個媒體訪問控制 (MAC) 接口。這樣就可以使用四根線的串行外設(shè)接口 (SPI) 與多個主機(jī)控制器建立直接聯(lián)系。該 SPI 允許使用功耗較低的處理器，因?yàn)椴恍枰?MAC，從而使系統(tǒng)的總體功耗最低。配置 SPI 時，開放聯(lián)盟 SPI 協(xié)議和通用 SPI 協(xié)議均可作為與 SPI 一起使用的選項(xiàng)。

　　ADIN1110 集成了電壓電源監(jiān)控和加電復(fù)位 (POR) 電路，以增強(qiáng)系統(tǒng)級穩(wěn)健性。它還具有低功耗(通常為 42 mW)，支持 1 VPP 和 2.4 VPP 傳輸級別，以及自動協(xié)商和用于幀過濾的 16 個 MAC 地址。

　　圖 3：ADIN1110 MAC PHY 收發(fā)器的框圖。 (來源：ADI)

　　10BASE-T1L 的更大范圍使得可以在較大的建筑物中安裝自動化設(shè)備，同時保持無縫連接。得益于這種靈活性和可擴(kuò)展性，設(shè)施經(jīng)理可以輕松監(jiān)控和修改照明、氣候/HVAC 控制、安全和能源管理等應(yīng)用的設(shè)置。

　　此外，10BASE-T1L 更高的數(shù)據(jù)傳輸速率可實(shí)現(xiàn)樓宇系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控和控制，從而提高運(yùn)營效率。該技術(shù)提高了自動化設(shè)備通信的響應(yīng)時間、延遲和可靠性。

　　10BASE-T1L 以太網(wǎng)交換機(jī)

　　與以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一樣，10BASE-T1L 提供用于連接各種網(wǎng)段和設(shè)備的交換機(jī)?？梢詷?gòu)建并利用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪頌檫B接的設(shè)備供電。在樓宇自動化中，開關(guān)通常連接到控制器、傳感器和執(zhí)行器。為了獲得更高的可用性，交換機(jī)以環(huán)形拓?fù)涞男问絾⒂媒橘|(zhì)冗余。

　　為此，Analog Devices 開發(fā)了ADIN2111，這是一款專為樓宇自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的完整 10BASE-T1L 以太網(wǎng)二端口交換機(jī)(圖 4)。該設(shè)備為控制器、傳感器和執(zhí)行器添加了遠(yuǎn)程以太網(wǎng)連接，適合在小型、功率受限的邊緣設(shè)備中使用。與分立實(shí)施相比，ADIN2111 可節(jié)省高達(dá) 50% 的功耗，并節(jié)省高達(dá) 75% 的 PCB 空間。

　　圖 4：ADIN2111 的框圖。 (來源：ADI)

　　ADIN2111 專為串聯(lián)和環(huán)形菊花鏈網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，利用建筑物內(nèi)現(xiàn)有的單雙絞線布線基礎(chǔ)設(shè)施，從而降低改造成本。圖 5 顯示了如何連接多個設(shè)備以實(shí)現(xiàn)環(huán)形(上側(cè))和串聯(lián)(下側(cè))拓?fù)?。請注意，最后一個邊緣傳感器連接到具有 PHY 和 MAC 的收發(fā)器，而另外兩個則連接到交換機(jī)。

　　圖 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多種拓?fù)洌詫?shí)現(xiàn)最大的設(shè)計(jì)靈活性和可擴(kuò)展性。 (來源：ADI)

　　10BASE-T1L交換機(jī)配備16地址MAC查找表，支持直通以及存儲和轉(zhuǎn)發(fā)操作，允許用戶在處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時優(yōu)先考慮延遲或錯誤處理。高級數(shù)據(jù)包過濾減輕了處理器處理優(yōu)先級流量的負(fù)擔(dān)。

　　該交換機(jī)具有先進(jìn)的診斷功能，可減少安裝、調(diào)試和系統(tǒng)中斷。其中包括具有均方誤差 (MSE) 的鏈路質(zhì)量指示器、鏈路診斷和 IEEE 測試模式，以及使用時域反射計(jì) (TDR) 的電纜缺陷檢測。該診斷解決方案由高精度片上 TDR 引擎和一組在主機(jī)微控制器上運(yùn)行的算法組成，可為各種電纜提供最大的靈活性和更先進(jìn)的電纜診斷功能。

　　該解決方案符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)，支持超過 1.7 公里布線的以太網(wǎng)連接、環(huán)網(wǎng)冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和實(shí)時 KNX 在內(nèi)的軟協(xié)議。還應(yīng)該指出的是，ADIN2111 可以在非托管配置中用作中繼器，以將覆蓋范圍擴(kuò)展到 2,000 米以上。

　　結(jié)論

　　10BASE-T1L 的推出為樓宇自動化創(chuàng)造了新的機(jī)遇，徹底改變了商業(yè)和住宅空間的管理和控制方式。由于它能夠利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、提供靈活性并改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸，因此它是實(shí)施自動化解決方案的理想解決方案。