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作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

近年來，建筑自動化領域取得了巨大進步，使得更有效地管理商業(yè)和住宅樓成為可能。

如今，人們普遍需要高效和可持續(xù)的系統(tǒng)，以便為居住者提供更健康的建筑環(huán)境，同時最大限度地降低功耗，提高實時高數(shù)據(jù)吞吐量和控制功能。

建筑自動化帶來的挑戰(zhàn)

設計人員和系統(tǒng)集成商面臨著建筑自動化帶來的若干挑戰(zhàn)，其中包括：

技術很快過時：現(xiàn)有系統(tǒng)可能會因技術的快速進步而過時，導致功能、支持減小以及與新技術的集成度降低。
效率和可持續(xù)性要求：能源效率提升、故障檢測/診斷改進、室內環(huán)境質量 (IEQ) 監(jiān)測和水資源管理對于建筑所有者和運營商來說都是所必需的。
數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化：數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化方面的現(xiàn)代趨勢要求在建筑自動化系統(tǒng)中加入數(shù)據(jù)收集、分析和解讀功能。這為建筑性能和低效檢測的數(shù)據(jù)驅動型優(yōu)化以及實施糾正措施鋪平了道路。
互操作性：很難確保不同供應商提供的系統(tǒng)之間的兼容性和集成性。此外，不兼容性、專有協(xié)議和缺乏標準化也會影響系統(tǒng)效率。

如圖 1 所示，要解決這些問題，智能建筑必須具備以下能力

通過云連接實現(xiàn)企業(yè)級集中配置和管理
在控制器層面消除對轉換網(wǎng)關的依賴
將智能轉移到邊緣，使傳感器和執(zhí)行器之間能夠交換大量數(shù)據(jù)

為建筑物提供可互操作的邊緣到云連接的圖 圖 1：為建筑物提供可互操作的邊緣到云連接。（圖片來源： [ADI]）

數(shù)據(jù)通信在工業(yè)和建筑自動化領域的重要性與日俱增。當前數(shù)據(jù)量的增加使人們意識到，傳統(tǒng)解決方案已接近其處理極限。因此，以太網(wǎng)正在成為主流通信標準。傳統(tǒng)的 4 線以太網(wǎng)解決方案已轉變?yōu)?2 線解決方案，即由單對雙絞線組成的 10BASE-T1L。

10BASE-T1L 標準如何推動變革

2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規(guī)范通過在單對雙絞線上實現(xiàn)了長達 1,000 米的 10 Mbps 全雙工通信，解決了多個工業(yè)和建筑管理通信問題。

10BASE-T1L 標準克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的若干限制，包括與建筑自動化領域的布線、帶寬、距離和電源有關的限制。下面詳細介紹 10BASE-T1L 標準如何消除這些限制：

布線：10BASE-T1L 標準提供了能夠使用單絞線對電纜傳輸以太網(wǎng)信號和電源的物理層解決方案，進而實現(xiàn)了諸如傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場設備的無縫以太網(wǎng)連接。這就不需要復雜而昂貴的布線基礎設施，從而簡化了以太網(wǎng)網(wǎng)絡建筑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?，而無需進行網(wǎng)關轉換。
帶寬：10BASE-T1L 標準支持高達 10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，足以滿足各種建筑自動化應用的需要。這種帶寬高于僅限數(shù)個 kbps 的傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，可傳輸來自傳感器或直接到執(zhí)行器的數(shù)據(jù)，以及如配置和參數(shù)化數(shù)據(jù)等其他設備參數(shù)。
傳輸距離：10BASE-T1L 標準的支持長距離以太網(wǎng)連接的能力是其主要優(yōu)勢之一。該標準允許的連接長度可達 1 公里，比傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準要長得多。因此，該標準適用于設備分散在大面積區(qū)域內的應用，如工業(yè)廠房和汽車裝配車間。

此外，10BASE-T1L 標準由于功耗低，因此適合電力資源有限的環(huán)境。這對于電池壽命和功耗至關重要的現(xiàn)場設備來說極為關鍵。

在某些情況下，必須按照 10BASE-T1L 規(guī)定，通過該標準提供數(shù)據(jù)和電源（在非本質安全區(qū)域最高 60 W）。10BASE-T1L 支持兩種振幅模式：2.4 V 適用于長度達 1,000 m 的電纜，1.0 V 適用于最長 200 m 的較短電纜。通過 1.0 V 峰峰值振幅模式，該技術還可用于防爆環(huán)境（危險區(qū)域），并滿足嚴格的最大電流消耗要求（最大功率限制在 500 mW）。

參考案例

10BASE-T1L 標準的典型使用案例如圖 2 所示。該智能建筑應用利用 10BASE-T1L 的特性在不同層收集和匯總數(shù)據(jù)，從終端節(jié)點（傳感器和執(zhí)行器）到云上的企業(yè)/IT 層面。

房間控制器可直接連接現(xiàn)場設備（點對點），也可連接以菊花鏈形式連接的一系列設備。此外，還可對每個房間的控制器進行配置，以連接傳統(tǒng)設備。

每棟建筑都有自己的設備控制器，這種控制器通過 10BASE-T1L 鏈路與大量的房間控制器相連，并通過 100 Mb/Gb 工業(yè)以太網(wǎng)與其他建筑的設備控制器相連。

對于與傳感器和執(zhí)行器的短距離連接（最長 25 米），如圖 2 右側的電梯轎廂控制器，10BASE-T1S 標準更為合適。

圖 2：智能建筑使用案例。（圖片來源： ADI）

10BASE-T1L 收發(fā)器

Analog Devices 開發(fā)的 [ADIN1110]是一款超低功耗、單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器，適用于工業(yè)和建筑自動化領域基于以太網(wǎng)的應用。該收發(fā)器符合 IEEE 802.3cg-2019 以太網(wǎng)標準，適用于長距離、10 Mbps 單對以太網(wǎng) (SPE) 傳輸應用，且專為這些應用而設計。

如圖 3 所示，該器件包含一個介質訪問控制 (MAC) 接口。這樣，就可以通過四線式串行外設接口 (SPI) 與多個主機控制器建立直接聯(lián)系。這種 SPI 允許使用功耗更低的處理器，因為無需集成 MAC，從而使系統(tǒng)的總體功耗達到最低。在配置 SPI 時，可選擇 Open Alliance SPI 協(xié)議和通用 SPI 協(xié)議。

ADIN1110 集成了電壓供應監(jiān)控和上電復位 (POR) 電路，以增強系統(tǒng)級穩(wěn)健性。該器件的功耗也很低（通常為 42 mW），支持 1 VPP 和 2.4 VPP 發(fā)送電平，以及自動協(xié)商和用于幀過濾的 16 個 MAC 地址。

Analog Devices ADIN1110 MAC PHY 收發(fā)器框圖 圖 3：ADIN1110 MAC PHY 收發(fā)器框圖。（圖片來源： ADI）

10BASE-T1L 的覆蓋范圍更大，可以在更大的建筑中安裝自動化設備，同時保持無縫連接。得益于這種靈活性和可擴展性，設施管理人員可以毫不費力地監(jiān)控、修改如照明、氣候/HVAC 控制、安防和能源管理等應用的設置。

此外，10BASE-T1L 提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，可對建筑系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，從而提高運行效率。通過這項技術，可以改善自動化設備通信的響應時間、延遲和可靠性。

10BASE-T1L 以太網(wǎng)開關

與以太網(wǎng)標準一樣，10BASE-T1L 提供用于連接各種網(wǎng)段和設備的交換機。可以構建和利用不同的網(wǎng)絡拓撲結構為連接設備供電。在建筑自動化中，交換機通常與控制器、傳感器和執(zhí)行器相連。為了提高利用率，交換機可通過環(huán)形拓撲結構實現(xiàn)介質冗余。

為此，Analog Devices 開發(fā)出 [ADIN2111] 器件，這是一款專為建筑自動化網(wǎng)絡而設計的全面的 10BASE-T1L 以太網(wǎng)雙端口交換機（圖 4）。該設備為控制器、傳感器和執(zhí)行器增加了長距離以太網(wǎng)連接，適合用于功率受限的小型邊緣設備。與分立器件相比，ADIN2111 可節(jié)省高達 50% 的功耗和 75% 的 PCB 空間。

Analog Devices ADIN2111 的框圖 圖 4：ADIN2111 的框圖。（圖片來源： ADI）

ADIN2111 專為直列式和環(huán)形菊花鏈網(wǎng)絡而設計，可利用建筑內現(xiàn)有的單雙絞線布線基礎設施，從而降低了改造成本。圖 5 顯示了如何連接多個設備，以實現(xiàn)環(huán)形（上方）和直列（下方）拓撲結構。請注意，最后一個邊緣傳感器連接的收發(fā)器帶有 PHY 和 MAC，而其他兩個傳感器連接的是交換機。

圖 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多種拓撲結構，可實現(xiàn)最高的設計靈活性和可擴展性。（圖片來源： ADI）

10BASE-T1L 交換機配備 16 個地址 MAC 查找表，支持直通、存儲轉發(fā)操作，從而允許用戶在處理和轉發(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)包過濾功能減輕了處理器處理優(yōu)先流量的負擔。

該交換機集成了先進的診斷功能，可減少安裝、調試和系統(tǒng)停機時間。其中包括帶有均方誤差 (MSE) 的鏈路質量指標、鏈路診斷和 IEEE 測試模式，以及使用時域反射儀 (TDR) 進行電纜缺陷檢測。該診斷解決方案由一個高精度片上 TDR 引擎和一套在微控制器主機上運行的算法組成，不僅在面對各種不同的電纜時具有極高的靈活性，而且實現(xiàn)了更先進的電纜診斷功能。

該解決方案符合 IEEE 802.3cg 標準，支持通過 1.7 km 布線進行以太網(wǎng)連接、環(huán)形冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和實時 KNX 在內的軟協(xié)議。還應注意的是，ADIN2111 在非托管配置中可用作中繼器，將覆蓋范圍擴展至 2000 米或更遠。