低功耗以太网PHY对于楼宇自动化的深远影响

2019-04-03 16:12:44 来源:德州仪器 作者:James Catt
以太网(电气和电子工程师协会[IEEE] 802.3)在楼宇自动化中的使用量正在增长,使得使用增强型传感器和控制网络的智能楼宇能够管理环境系统(如照明和暖通)、访问控制、安保系统、安全系统,甚至预防性维护监控。新型楼宇通常使用带专用5类增强型(Cat5e)布线、以太网交换机和路由器的楼宇自动化网络。即使是现有的楼宇空间也在进行改装,以适应联网的传感器和控制装置。
改装具有挑战性基于两个原因:
·   需为最初未配置电源的部位提供电源
·  安装空间有限,因为多数改装的楼宇起初并未设计用于容纳墙壁、天花板和地板中的传感器和控制器。
尽管许多商业和工业楼宇最初设计用于适应轻松重新配置内部空间,但支持易于配电并提供小尺寸的传感器和控制器技术使得使用以太网基自动化改装这些楼宇更为可行。
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在楼宇自动化中部署以太网
以太网在楼宇自动化中的使用量正在增长归于以下几个原因。
首先,作为一种成熟的网络技术,它提供了一个完善的硬件和软件生态系统,使工程师能够快速开发即插即用的解决方案。它位于开放系统互连模型的基础,因此支持使用基于标准的数据通信进行聚合、传输、交换、处理和存储。
其次,以太网可集成不同供应商的产品,避免使用专有接口。
第三,以太网提供比多数现有的点对点或面向总线的通信协议更快的数据速度。这归于三个原因:
·        许多传感器以低数据速率运行,因此可由单个控制器实体提供服务。而该实体将其较慢的数据流聚合到转储到网络上的单个高速数据流中,从而减少了将数据带到集中管理和运营中心所需的物理连接数量。
·        更快的数据速度意味着可更快地响应在传感器端检测到的事件。这对于安全相关系统(火灾、烟雾、二氧化碳、气体检测等)、安保和访问控制至关重要。
·        更高的数据速率扩展了某些类型传感器的部署 - 最显著的是用于监视的摄像头。IP网络摄像头IPNCs)取代了基于模拟的闭路电视摄像头技术。该技术使用模拟图像传感器,以及依赖于专用同轴电缆的模拟传输系统。IPNC生成完全数字化的视频流,并具有内置网络协议引擎,允许使用Cat5e电缆连接到100BASE-TX网络。
综合电源和网络
能够更广泛部署IPNC的另一个因素是IEEE 802.3标准的扩展,以包括以太网供电(PoE)。IEEE 802.3at-2009和IEEE 802.3bt引入了支持通过Cat5e进行电力传输的标准。如标准中所述,备选方案A使用有效数据对来传输功率,而备选方案B使用备用双绞线,从而分离数据和功率。
大多数IPNC目前使用100BASE-TX。它使用两对Cat5e双绞线,留下备用双绞线供电。标准定义了位于电缆两端的两个实体。供电设备(PSE)负责向电缆另一端的受电设备(PD)进行电力输送。标准定义了四种不同类型的使用场景,它们对应于最大功率传输能力的四个级别。表1总结了这些类型。

参数 802.3at
类型1
802.3at
类型2
802.3bt
类型3
802.3bt
类型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电压范围(V) 44-57 50-57 50-57 52-57
PD电压范围(V) 37-57 42.5-57 42.5-57 41.1-57
最大电流(mA) 350 600 每对600 每对960
每对最大电缆电阻(Ω) 20 12.5 12.5 12.5
1PoE类型和电力传输规范
从表中可以看出,每种类型都支持在PD可用的有限功率预算。因此,在PSE和PD中使用节能设备至关重要。
系统示例
图1所示为使用PoE的示例楼宇自动化网络。此示例所示为传感器控制器和连接到网络交换机的IPNC的组合。而网络交换机也是电源注入器。以标准化语言讲,它是PSE。链路另一端的传感器控制器和IPNC是PD。在每个PD中合并物理层(PHY)处理以太网通信。
鉴于PoE旨在使传感器(如IPNC)能够部署到可能无可用功率或难以配置功率的位置,因此PHY消耗尽可能少的功率预算。从表1中可看出,1类 PoE链路在PD端的功率预算为12.95 W。功率转换和调节模块会有一些损耗,使得应用电路可用的功率小于12.95 W。PHY应仅消耗几百毫瓦或更少功率,为传感器节点或IPNC留下绝大部分功率。

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