单对以太网在楼宇自动化中的应用

德州仪器（TI）系统工程师Navaneeth Kumar

以太网已成为楼宇自动化中控制金字塔顶端的主流通信协议。电气和电子工程师协会（IEEE）最近定义了一种新型以太网标准——IEEE 802.3.cg，用于10 Mb/s的操作以及通过一对平衡导体进行的功率传输。由于单对电缆现在可同时支持数据和电源，因此采用此标准可节省大量成本，并更易于在楼宇自动化应用中进行安装。

将以太网带到边缘器件需要付出诸多努力。当前，楼宇自动化中存在多个通信网络——例如暖通空调（HVAC）应用使用Modbus、访问控制使用BACnet、照明使用LonWorks、消防安全使用以太网。此类网络碎片化需要使用网关来执行协议转换，以将合并网络联合到楼宇自动化控制金字塔的顶端。最终用户必须依次管理复杂的系统。

各种通信网络存在的原因包括需要更长的距离、多点连接、电源方案以及对约束性协议的支持，单对以太网可以解决上述问题。将以太网连接到边缘器件可带来以下优点：可直接访问控制系统、状态更新、预测性维护、标准化硬件以及各种系统之间的互操作性。

SPE概述

如图1所示，标准以太网使用有着独立电缆的单电缆通信发送和接收数据。

单对以太网（SPE）大致分为三类：

· IEEE 802.3.cg (10 Mbps).

· IEEE 802.3.bw (100 Mbps).

· IEEE 802.3.bp (1,000 Mbps).

IEEE 802.3cg分为两类：

l 长电缆和短电缆的长度均超过一对平衡的屏蔽或非屏蔽电线。10BASE-T1L：IEEE 802.3物理层规范，适用于单对平衡导体上的10 Mb/s以太网局域网，可达至少1000米（使用18 AWG导线进行点对点连接时的长距离）。

l 10BASE-T1S：IEEE 802.3物理层规范，适用于单对平衡导体上的10 Mb/s以太网局域网，可达至少15 米（使用多支路连接的24-26 AWG导线的短距离）。

本文介绍了10BASE-T1L的应用，其在楼宇自动化系统中超过1000 米的距离内可提供高达10 Mbps的数据速率。

10BASE-T1L物理层（PHY）在单对平衡导体上使用全双工通信，在每一方向上同时具有10 Mbps的有效数据速率。10BASE-T1L PHY使用三级脉冲幅度调制（PAM3），在链路段上以7.5兆波特发送。33位扰码器可帮助提高电磁兼容性。MII发送数据（TXD <3：0>）使用四二进制三进制（4B3T）编码进行编码，可将所发送的PAM3符号的运行平均值（DC基线）保持在范围之内。使用管理数据输入/输出接口将10BASE-T1L PHY的变送器输出电压设置为1.0 Vpp或2.4 Vpp差分，有助于在不同电缆上实现更长的通信距离。

如图2所示，SPE使用回声消除来实现全双工通信，并使用多级信令和均衡来改善信号质量，并在单对电缆上实现所需的数据速率。处理器和PHY之间的接口没有差异；但在PHY内，介质相关接口的发送和接收段需要进行如上所述的修改，以实现单对操作。 

SPE还可通过一个低通滤波器沿同一根单对电缆经数据线（PoDL）发送功率，如图3所示。

表1列出了IEEE 802.3.cg标准支持的各类功率等级。可交付给负载的最大功率为52 W，定义在在15级下。IEEE 802.3.bu涵盖低于10级的功率等级。

表104-1a——10至15类的PSE、PI和PD的电源分类需求矩阵

表1：EEE 802.3.cg标准支持的功率等级

过渡到SPE具有多个优点，包括安装到使用单个通信网络管理整个楼宇。它的优点使总拥有成本得以降低，并提高了楼宇自动化系统的投资回报率。例如：

l 将以太网连接置于边缘无需附加网关，仅需一个通信网络即可简化系统。

l PoDL无需使用单独电源线，简化了楼宇自动化系统的布线。

l 仅使用一对电线，可减少电缆的成本和重量，更易于架空布线。

l 更快、更简易的安装减少了人工成本。

l 与现有的现场总线网络相比，带宽改善为实现诸如预测性维护之类的功能提供了灵活性。

l 10BASE-T1L可提供1000米有着10Mbps数据速率的通信距离，有助于替换成本较高的光缆并实现更多数据传输。 

以下部分说明SPE如何实现以及各种楼宇自动化应用程序的相关优点。

消防安全应用

火灾报警控制面板（FACP）连接到各种热量、烟雾和气体探测器。发生事故时，这些在信令回路中连接的传感器会发出警报，FACP可通过电话网络与消防站通信。FACP通常支持多个信令回路，便于分成多个区域或楼层，从而便于识别。

每个楼宇可有多个FACP，具体取决于楼层和传感器的数量。当大型住宅区、办公室、学校或购物中心等设施扩展时，通常需要使用铜线或光纤线通过以太网将楼宇之间的FACP互连至3到4公里处。基于100BASE-TX/10BASE-T的以太网需要多个中继器来桥接这些距离。这种情况下，为其供电可能存在挑战。另一个选项是过渡到光缆，这需要两端都使用介质转换器（铜缆到光纤）。图4描述了一个示例系统。

上述两种选项都导致系统变得昂贵。SPE可解决距离长达1 公里的挑战；对于距离更远的系统，则可使用通过PoDL供电的中继器。PoDL无需使用外部电源，进一步简化了系统。图5描述了使用SPE的消防系统。

垂直运输应用

电梯是一个复杂的系统。移动轿厢和机房控制器之间的主要通信链路是通过移动电缆实现。基于楼宇高度，该电缆长度可到达10到500 米或更长范围。鉴于其低速要求和所需的电缆距离，控制器局域网（CAN）和LonWorks是电梯系统常用的协议。

考虑到电缆在运行期间所承受的压力，电缆在数年内保持可靠性是非常重要的。电梯上下移动时，电缆需弯曲，这对于光纤布线而言并​​不合适，因此大多数电梯电缆均由铜制成。考虑到电缆长度，标准以太网不适用，因为它不能超过100米。

现在，凭借SPE可提供1公里的距离和高达10 Mbps的速度，可作为下一代电梯设计的理想选择。轿厢和电梯控制器之间需要更高的数据速率的主要原因有以下几种：

l 将视频内容从轿厢内部流回到机房。

l 将广告从机房中继到轿厢。

l 通过各类传感器向电梯控制器发送更多数据以及轿厢内设备的数据，以进行预测性维护。

预测性维护的一个示例是通过测量电梯门在加速、稳态和减速期间的电机电流来监控电梯门的开关运动，并分析任何异常情况。预测潜在故障的能力将避免电梯停机以及为乘梯人带来的不便。

升级现有电梯与设计具有更高级功能的新电梯同等重要。解决改装难题的一种方法是在轿厢内部安装像CAN到SPE这样的介质转换器，在电梯控制器中设置SPE到标准以太网或CAN。对于下一代系统，电梯控制器可包含内置的SPE PHY 10BASE-T1L，轿厢内的设备将通过SPE PHY 10BASE-T1S连接。轿厢还将具有内置的10BASE-T1S-10BASE-T1L以太网交换机，以将轿厢与电梯控制器连接。轿厢内的应急灯和通信系统可通过PoDL供电，以确保不中断电源。

暖通空调应用

统一设计HVAC控制器可用以控制屋顶单元、冷却器控制单元、空气处理单元等。HVAC控制器使用标准以太网与诸如楼宇管理系统等高层楼宇自动化系统连接，并以菊花链方式连接多个HVAC控制器。为在任何HVAC控制器断电时保持网络连通性，机电式继电器将输入和输出端口上的以太网信号短路。

HVAC控制器具有多个模拟、数字或现场总线接口，用于通信或控制测量温度、湿度和压力等参数的多个传感器（图7）。传感器可以是具有环路电源的模拟输出，也可以是具有独立电源的支持0至10W / 4至20mA输出。HVAC控制器还可通过通信接口或模拟连接联至诸如阻尼器、风扇和步进电机驱动等执行器。从控制器、传感器到执行器实现SPE互连，仅需两条线即可简化安装，同时可以访问边缘器件。

图8说明了使用湿度传感器的一个示例，其中I²C接口连接到具有内置介质访问控制（MAC）的微控制器（MCU）。SPE PHY（10BASE-T1L或10BASE-T1S）与MCU的内置MAC连接，而带DC/DC转换器的PoDL为整个电路供电。该体系结构具有多种优势，包括传感器连接器的标准化、可重复使用的硬件、传感器及硬件诊断与校准。

HVAC控制器中具有多个SPE端口以连接各类传感器和执行器，将需要专用集成电路来实现已有的以太网交换机功能。

视频监控应用

室外互联网协议（IP）网络摄像头通常安装在楼宇外围以确保连续捕获视频，并在安保受到严重破坏时发出警报，使安保人员有足够的时间做出反应。这些摄像头到网络录像机的距离可能为1 公里或更远，而通过标准以太网桥接该距离需要使用中继器或光纤电缆。使用H.264和H.265之类的高效编码系统，即便使用30 fps速率的4-MP传感器，数据速率要求也降至10 Mbps以下。

预计未来的IP摄像头产品将支持SPE，这将简化安装，网络录像机也将提供电源设备端口。8级和9级（48V稳压电源设备）或14级和15级（最大50V至58V）可支持IP摄像头所需的功率电平，这可能需要多达52 W的功率操作。对于大多数摄像头系统来说，即使是内置加热器型，此功率也已足够。对于需要升级的楼宇，一个中间解决方案是使用标准的以太网到SPE转换器。

总结

独立型（仅数据）或与电源一起使用的SPE为楼宇自动化提供了诸多机会。但在生态系统获得全面发展之前，仍然需要介质或协议转换器来升级现有系统，且存在与现有电缆（非屏蔽、无绞线、线规）和连接器的重复使用相关的挑战，这些电缆可能无法提供802.3cg中定义的全部距离或速度。但这并非主要障碍，因为未来的收益大于限制。SPE的电源设备和供电设备预计将在未来几年内发布。在此之前工程链路将为边缘设备供电。您还可能看到通过无缝集成支持SPE的楼宇自动化产品。