作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-31

二氧化碳 (CO 2 ) 凈零排放的全球目標會影響到所有行業領域。鑒于各種建筑不僅數量龐大，而且能效低下，因此就建筑物而言，這一目標極具挑戰性。對于許多已安裝的控制和通信系統來說，其監控和數據處理能力有限，而且通常缺乏先進的數據分析和控制功能來優化能效。

要實現 CO2 凈零排放，就需要使用基于人工智能 (AI) 分析和控制的自動化系統。這一改進的關鍵在于能夠按照 10BASE-T1L 標準的規定，使用長距離、高數據速率單對以太網 (SPE)，在整個建筑物內輕松部署傳感器。更高的數據傳輸速率會最大限度地減少延遲，實現對建筑系統的實時控制。

本文簡要介紹 CO2 凈零排放建筑對連接的要求。然后，以 [Analog Devices]的 10BASE-T1L 器件為例，展示 SPE 如何支持在通信和控制方面的改進，同時加強可持續性。

傳統建筑設計的局限性

傳統的建筑設計采用建筑管理系統 (BMS) 來進行整體結構控制，而建筑子系統通常是孤立運行的。通信交互性和可用電源方面的限制使建筑無法達到最高能效，從而造成損失，最終影響環境。考慮標準建筑的分級結構（圖 1）。

圖 1：傳統的建筑系統是分級的，但也可以按功能來劃分。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

圖 1 中 BMS 金字塔底部的現場/設備級包含了各種不同系統的本地傳感器、致動器。建筑和房間的控制器級會整合來自現場和設備的數據，并控制設備。企業級監控整棟建筑，并通過 BMS 協調控制器的運行。

傳統的建筑系統，如供暖、通風和空調系統 (HVAC) 等具有垂直控制級，但與占用探測等系統隔離運行。這就意味著，無論占用率如何，各個樓層的 HVAC 系統運行仍需消耗能源。

之所以采用這種垂直隔離結構，是因為現有數據接口的性能有限。較低級的模擬接口、4 mA 至 20 mA 電流回路接口和 RS485 串行接口，以及如總線可尋址遠程傳感器 (HART) 和 Fieldbus 等較高級別的接口，速度相對較慢，具體為 1200 b/s 至 31.25 Kb/s。這就限制了一定時間內數據傳輸量。

10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) 以太網接口標準于 2019 年推出，大大提高了數據傳輸速率，相比 SPE 提高到 10 Mb/s。該標準還能通過相同的數據傳輸線路提供更高的功率，從使用 HART 的 4-20 mA 電流回路的 36 mW 到 500 mW（非隔離）或最大 60 W（表 1）。

| | 協議 | 最大電纜長度 | 比特率 | 電源傳輸能力 | 導線數量 | 更高級別的以太網連接 |
| ------------------------ | ------------------------ | ------------------ | -------------------------------- | -------------------- | -------------------------------- |
| 4 mA 至 20 mA，帶 HART | <1,500 m | 1,200 b/s | 有 (36 mW) | 2 | 通過網關 |
| Fieldbus | 1,900 m | 31.25 Kb/s | 有（受限） | 2 | 通過網關 |
| 10BASE-T1L | 1,000 m | 10 Mb/s | 有（500 mW 非隔離，最大 60 W） | 2 | 直接 |

表 1：一些常見的建筑數據接口網絡的主要特點。（表格來源：Art Pini，使用 Analog Devices, Inc. 的數據）

較慢的數據接口也限制了對現場級傳感器和致動器的訪問，這意味著這些設備只能在現場重新配置。10BASE-T1L 兼容所有現有的以太網實施方案，可與所有 BASE-T 以太網網絡裝置（包括 10/100/1000/2.5G/5G/10G BASE-T 變體）實現無縫通信，而無需網關。

10BASE-T1L 的作用

10BASE-T1L 是更大的以太網 802.3 標準的一部分。這個名稱概括了其特點。“10”表示傳輸速率為 10 Mb/s，“BASE”表示基帶信號，即通過介質只能發送以太網信號。“T”表示介質為雙絞線，“1”表示傳輸距離為 1 km，“L”表示長度。

10BASE-T1L 的介質規格并未指明特定的雙絞線電纜。相反，該標準規定了布線的回波損耗和插入損耗。這樣就可以重復使用現有的已安裝線路，如 Fieldbus A 型電纜。

10BASE-T1L 支持使用兩種振幅模式進行全雙工通信：2.4 V P-P （峰峰值 ），傳輸距離 1000 m；1.0 V P-P ，傳輸距離縮短至 200m，適用于危險環境。

以太網標準規定，通過用于數據通信的雙絞線電纜供電。在 10BASE-T1L 標準中，根據環境特點來控制功率。500 mW 適用于那些必須限制火花放電功率的本安型（即危險）區域。安全區域的功率上限為 60 W。

10BASE-T1L 的優勢

除 1 km 的傳輸距離外，10BASE-T1L 最大優勢是能夠兼容各種以太網 BASE-T 網絡。這樣就無需在不同的數據網絡標準之間建立轉換網關。該標準打通了從現場到企業和云級的通道，降低了成本、復雜性和功耗要求。

由于 10BASE-T1L 的傳輸速度高達 10 Mb/s，因此可以向傳感器和執行器傳輸基本的測量過程值以及其他配置參數、狀態數據，甚至進行軟件或固件更新。可通過 IP 地址遠程訪傳感器和致動器。由于兼容 10BASE-T1L 的設備無需網關和協議轉換器，因此設備配置更加簡單。額外的數據處理能力有助于進行更全面的日常系統診斷和故障排除。

更高的數據傳輸速率所帶來的更多數據容量還可用于連接建筑系統，以進行數據交換。基于人工智能的分析和控制可實現互補調節，從而實現最高效的聯合運行。想象一下這在配備 10BASE-T1L 的建筑中是什么情況（圖 2）。

圖 2：所示為從邊緣傳感器到云端增加的 10BASE-T1L 互操作性。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

10BASE-T1L 的 SPE 允許將邊緣層的多個傳感器和致動器與房間控制器連接。通過傳統接口連接的現有設備仍可使用，或者轉換為能夠兼容以太網的設備。系統通過相應版本的以太網在多個層級上連接在一起，從而實現實時控制。

通過 10BASE-T1L 構建網絡拓撲結構

多個設備能夠以環形或直列式網絡拓撲結構與 SPE 網絡連接（圖 3）。

圖 3：10BASE-T1L 與其他以太網變體一樣，支持環形和直列拓撲結構，可連接多臺設備。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

與其他星形網絡拓撲結構相比，每種拓撲結構都能減小電纜長度。環形拓撲結構還能在設備發生故障時提供冗余路徑。每臺設備都需要兩個以太網端口，以便在任一拓撲結構中通過網絡傳輸數據。

為了實現這一目標，設計人員可以使用 Analog Devices 的 [ADIN2111CCPZ-R7]低功耗、雙端口 10BASE-T1L 收發器。該設備集成了一個交換機、兩個以太網物理層 (PHY) 內核和一個媒體訪問控制 (MAC) 接口，以及包括內部緩沖隊列在內的所有相關電路。該設備可通過串行外設接口 (SPI) 直接控制。SPI 可兼容許多控制器，因此可輕松選擇性能、功耗和價格最優的控制器。該交換機通過雙以太網和 SPI 端口支持多種路由配置，可實現直列式或環形網絡拓撲。10BASE-T1L 交換機包含一個 MAC 接口，這意味著控制器無需具有 MAC 接口，從而增加了潛在控制器選擇數量。圖 3 顯示了使用 ADIN2111CCPZ-R7 作為雙端口交換機的環形和直列式拓撲結構。

環形配置使用雙交換機連接所有設備。直列式配置不需要雙交換機，因為最后一個設備只需要單個 MAC-PHY 收發器（如 [ADIN1110CCPZ]）。與交換機一樣，這款以太網收發器也包含一個 MAC，因此支持更廣泛的匹配控制器。這樣，就能為許多低功耗、低成本控制器實現遠距離以太網連接。如果要將 10BASE-T1L 改裝到現有的 BMS 中，則內置 MAC 還允許使用現有的控制器。每個傳感器或致動器都有各自的控制器，并可通過收發器接入以太網，從而獲得一個 IP 地址。

從圖 3 中環形和直列式網絡臂的控制器端來看，[ADIN1100CCPZ-R7] 以太網收發器是一個不錯的選擇。該收發器不包括 MAC，只有以太網 PHY。ADIN1100CCPZ-R7 可與包含 MAC 功能的控制器配合使用，如圖所示控制面板中使用的控制器。該收發器通過數據輸入/輸出 (MDIO) 管理接口與遠程控制處理器連接。MDIO 接口是一種雙線串行接口，用于主機處理器中 MAC 與 ADIN1100CCPZ-R7 之間的通信。

所有 ADIN1100 系列設備的額定工作電纜長度可達 1700 m，超過了 10BASE-T1L 規格。該系列的額定工作溫度為 -40°C 至 +85°C。所列型號 (CCPZ) 的擴展溫度范圍為 -40°C 至 +105°C。

通過 SPE 供電

為遠程現場級設備供電可能存在問題，在改造現有系統時尤其如此。10BASE-T1L 規范支持單對以太網供電 (SPoE)，通過單根雙絞線提供標準化電源和以太網數據。為此，設計人員可以使用 [LTC4296AUK-1-PBF]五端口電源設備 (PSE) 控制器 （圖 4）。該設備專為與使用 24 V 或 54 V 系統的 802.3cg 供電設備 (PD) 實現互操作而設計，可輕松集成到 ADIN 系列 10BASE-T1L 產品中。

圖 4：所示為用作五端口 PSE 控制器的 LTC4296AUK-1。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

如在本應用中所示，LTC4296AUK-1 通過變壓器/電容器電源耦合網絡為 ADIN1100 以太網收發器的五個實例供電。ADIN1100 設備各由一個 MAC 媒體無關接口 (MII) 驅動。每個 PSE 均由高壓側自動限流器 (ACL) 提供保護，以控制浪涌和短路保護。LTC4296AUK-1 的工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

結語

建筑的進一步數字化將使得管理系統能夠訪問所有傳感器數據和控制功能，建筑系統的交叉鏈接將為運行自動化奠定基礎。為此，通過 SPE 供電的 10BASE-T1L 可將 10 Mb/s 的數據傳輸速率、長達 1 km 的傳輸距離以及標準以太網 IP 連接遍及建筑物的每個角落。建筑控制器現在可以實現從云端到幾乎無限數量的邊緣設備的更遠距離傳輸。這樣就能優化建筑的整體運行，在減少 CO2 排放的同時為住戶提供最佳服務。

審核編輯 黃宇