如何經(jīng)濟(jì)高效地對樓宇管理系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)

作者：Bonnie Baker

投稿人：DigiKey 北美編輯

樓宇自動化可降低設(shè)施的運營和維護(hù)成本，同時也為樓宇住戶提供更安全和更舒適的環(huán)境。要改進(jìn)樓宇自動化系統(tǒng) (BAS) 的性能，需要從越來越多的傳感器收集更多數(shù)據(jù)，并傳輸至部署于整個建筑中的更多控制裝置/致動器。這種部署需要采用經(jīng)濟(jì)且有效的方式，將捕獲的數(shù)據(jù)從檢測節(jié)點傳送到中央集線器或云端，從而對其進(jìn)行分析及采取行動，并傳遞所需的控制信號。

大規(guī)模部署傳感器和致動器可能需要大量且昂貴的返工，以確保全面覆蓋建筑，尤其對于傳統(tǒng)建筑及不易通電的場所。迄今為止，[RS-485]網(wǎng)絡(luò)一直是經(jīng)濟(jì)有效的改造解決方案，但更豐富的數(shù)據(jù)集和更高的數(shù)據(jù)速率需要吞吐量更大的替代方案。

為了在增加吞吐量的同時最大限度地降低成本，設(shè)計人員可以借助 10BASE-T1L 來利用目前安裝的單路雙絞線以太網(wǎng)或 RS-485 布線。10BASE-T1L 基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3cg-2019 封裝格式的數(shù)據(jù)通信接口，在長達(dá) 1000 m 距離下提供 10 Mbit/s 吞吐量。雙線接口還可以選擇通過數(shù)據(jù)線供電，因而不需要本地電源或布設(shè)電源電纜。這種方式能夠連接無限個設(shè)備，因此消除了對高耗電網(wǎng)關(guān)的需求。

本文討論樓宇控制要求以及迄今為止的解決方案。隨后將介紹 10BASE-T1L 以太網(wǎng)和 [Analog Devices]的解決方案示例，以證明其易于實現(xiàn)。本文還會展示如何利用軟件 I/O (SWIO) 技術(shù)簡化適用于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)樓宇控制器的傳感器接口，同時保持樓宇管理系統(tǒng) (BMS) 的向后和向前兼容性。還將介紹一款合適的評估板，以幫助設(shè)計人員入門 SWIO。

BAS 或 BMS 的作用

BAS 或 BMS 指的是各種樓宇系統(tǒng)的自動化和管理。BMS 的目標(biāo)包括住戶的舒適度、樓宇系統(tǒng)的能效、運行和維護(hù)成本以及安全性。BMS 的四個層次分別為監(jiān)控層、服務(wù)器/應(yīng)用層、現(xiàn)場控制器層和輸入/輸出層。

監(jiān)控層實際上就是監(jiān)控設(shè)備所在的雙線傳輸層。監(jiān)控設(shè)備整合了所有現(xiàn)場控制器的流量。服務(wù)器/應(yīng)用層接收來自不同監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)。該層支持標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，如樓宇管理系統(tǒng)常用的 Modbus、KNX、BACnet 和 LON。該層通過用戶界面將整合的數(shù)據(jù)傳輸至客戶端或最終用戶?，F(xiàn)場控制器層處理來自溫度傳感器和交換機(jī)的輸入數(shù)據(jù)，并控制系統(tǒng)輸出，如致動器和繼電器。

BMS 的最后組成部分是輸入/輸出層。該層是傳感器和控制設(shè)備所在的地方。一些傳感器和致動器支持 TCP/IP，因而不需要控制器。

RS-485：經(jīng)典的 BMS 連接解決方案

目前，TIA/EIA-485 接口（通常稱為 RS-485）已經(jīng)受到 BMS 應(yīng)用設(shè)計人員的廣泛采用，因為它是具有多路通信鏈接且經(jīng)濟(jì)實惠的本地網(wǎng)絡(luò)。RS-485 是純電氣標(biāo)準(zhǔn)，定義了實施平衡多點傳輸線時接收器和驅(qū)動器的電氣特性。它支持通過一條雙絞線對連接進(jìn)行雙向、半雙工的數(shù)據(jù)交換，并允許多路連接（將數(shù)個收發(fā)器連接到同一條線路），這非常適合 BMS。

RS-485 還支持合理的高數(shù)據(jù)速率：在長達(dá) 10 m 的距離支持 35 Mbit/s，在 1200 m 的距離支持 100 kbit/s。根據(jù) RS-485 經(jīng)驗法則，速度 (bit/s) 乘以電纜長度 (m) 不應(yīng)超過 10E8。因此，50 m 電纜的最快速度為 2 Mbit/s。然而，在 RS-485 樓宇控制應(yīng)用中使用如此高的速率并不常見。BACnet MS/TP 是在 RS-485 物理層 (PHY) 運行的常見樓宇自動化協(xié)議，最高速度為 115,200 bit/s。

與其他串行通信鏈路相比，RS-485 通信鏈路的主要優(yōu)勢是在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中對電噪聲容限高。RS-485 具備電噪聲抑制特性、長電纜傳輸距離、支持一條線路上連接多個收發(fā)器，以及合理的高數(shù)據(jù)傳輸速度，非常適合 BMS 環(huán)境。

10BASE-T1L 以太網(wǎng)協(xié)議

隨著 BMS 要求增加和數(shù)據(jù)集更豐富，吞吐量變得越來越重要。10BASE-T1L 為通過雙絞線的點對點通信提供更高速率的替代方案，因為它在 1000 m 的距離支持 10 Mbit/s 的速率。10BASE-T1L 還解決了諸如電源、電纜、距離和數(shù)據(jù)島等現(xiàn)場挑戰(zhàn)，同時無需使用復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。

10BASE-T1L 中的“10”表示 10 Mbit/s 的傳輸速率，“BASE”表示基帶信號，“T”表示“雙絞線”，數(shù)字“1”表示 1 km 范圍。最后的“L”表示“長距離”，表明 1 km 的區(qū)段長度。10BASE-T1L 能夠提供 500 mW 功率，將以太網(wǎng)帶入本質(zhì)安全的 0 區(qū)或危險區(qū)域應(yīng)用。在非本質(zhì)安全應(yīng)用中，它可以提供高達(dá) 60 W 的功率。

10BASE-T1L 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是菊花鏈、直線形或環(huán)形。如前所述，未采用網(wǎng)關(guān)：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從邊緣移動到控制層，最后移動到云端，因此能更充分地實現(xiàn)樓宇自動化無縫通信的目標(biāo)。

無論傳感器位于制造工廠還是在辦公桌上，采用這種簡化的以太網(wǎng)到云連接后，可以用手機(jī)或筆記本電腦配置傳感器。

樓宇自動化 10BASE-T1L 硬件配置

要開發(fā) 10BASE-T1L 以太網(wǎng)連接傳感節(jié)點，設(shè)計人員可以選擇三種 Analog Devices 的即用型設(shè)備。[ADIN1100] 是一款堅固耐用的工業(yè)級低功耗 10BASE-T1L 收發(fā)器，具有以太網(wǎng)物理層 (PHY)；ADIN1110 同時具有媒體訪問控制 (MAC) 和 PHY 接口（圖 1）。

圖 1：ADIN1110 是一款集成有以太網(wǎng) PHY 和 MAC 的低功耗單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器。（圖片來源：Analog Devices）

第三個選擇是 [ADIN2111]，這是一款低功耗、低復(fù)雜性的雙端口交換機(jī)，集成了兩個 10BASE-T1L PHY 和一個串行外設(shè)接口 (SPI) 端口（圖 2）。使用 SPI 可降低對主機(jī)處理器的要求，使用戶有更多的選擇來優(yōu)化設(shè)備的功率、成本和性能。

圖 2：ADIN2111 是一款集成 PHY 的低功耗、低復(fù)雜性雙端口交換機(jī)。（圖片來源：Analog Devices）

ADIN1100 和 ADIN2111 10BASE-T1L 設(shè)備可以部署在菊花鏈（圖 3）、直線形或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大減少了所需的布線量。

圖 3：圖中顯示了使用 ADIN1100 控制器和 ADIN2111 雙端口交換機(jī)的 10BASE-T1L 網(wǎng)絡(luò)的菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。也可以采用直線形或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（圖片來源：Analog Devices）

要開始使用 10BASE-T1L，設(shè)計人員可以使用適用于 ADIN1100 的 [EVAL-ADIN1100]評估板。該評估板可輕松訪問 ADIN1100 的所有功能，并可通過 PC 上的圖形用戶界面 (GUI) 或獨立的硬件配置操作進(jìn)行配置。其包括兩個用于 10BASE-T1L 電纜和外部電源的插入式螺紋端子連接器、帶有 RJ45 連接器的 Cat 5e 以太網(wǎng)電纜，以及一條 USB-A 轉(zhuǎn) micro-USB-B 電纜。還提供了小型原型開發(fā)區(qū)域。

靈活的傳感器接口支持 10BASE-T1L

BMS 網(wǎng)絡(luò)的邊緣混雜著溫度、壓力、負(fù)載、濕度和應(yīng)變儀傳感器，這些傳感器需要各種模擬電路來捕獲和啟動 BMS 事件。

為了適應(yīng)各種各樣的接口，設(shè)計人員可以使用 Analog Devices 的 [AD74412R]四通道軟件可編程 I/O (SWIO) 接口 IC，這款產(chǎn)品適用于過程控制和 BMS 應(yīng)用。SWIO 具有獨特的靈活性，能夠訪問任何引腳上的任何 I/O 功能，使設(shè)計人員能夠隨時配置通道。設(shè)計人員可以通過跨越整個建筑的兩線以太網(wǎng)通道實時編程。這可降低設(shè)計資源需求，并在整個自動化建筑中快速廣泛地部署通用產(chǎn)品。

AD74412R 包含模擬輸入、模擬輸出和數(shù)字輸入，并能通過兼容的 SPI 進(jìn)行電阻溫度檢測器 (RTD) 測量。如圖 4 所示，它具備 16 位 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、一組診斷功能，以及四個可配置的 13 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，提供 4 個可配置的 I/O 通道。

圖 4：AD74412R 四通道 SWIO 具有四個可配置的 13 位 DAC，提供 4 個可配置的 I/O 通道。此外，還包括一個 16 位 Σ-Δ ADC 和一組診斷功能。（圖片來源：Analog Devices）

與 AD74412R 相關(guān)的模式分別為電流輸出、電壓輸出、電壓輸入、外部供電的電流輸入、環(huán)路供電的電流輸入、外部 RTD 測量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電的數(shù)字輸入。AD74412R 還為 DAC 和 ADC 提供高精度的 2.5 V 內(nèi)部基準(zhǔn)。

使用 AD7441R 評估板進(jìn)行設(shè)計

AD74412R SWIO 的模擬應(yīng)用幾乎數(shù)不勝數(shù)。為了幫助設(shè)計人員入門，Analog Devices 提供 [EV-AD74412RSDZ]評估板（圖 5）。使用該評估板，可借助板載重新配置選項和基于 PC 的可編程性進(jìn)行工程探索。

圖 5：EV-AD74412RSDZ 是一款適用于 AD74412R 的全功能評估板。（圖片來源：Analog Devices）

AD74412R [評估軟件]通過 [EVAL-SDP-CS1Z]系統(tǒng)演示平臺 (SDP) 與 EV-AD74412RSDZ 進(jìn)行通信，該平臺可獲取評估板的輸入和輸出信號。該軟件帶有下拉菜單界面，簡化了 AD74412R 的配置，并且提供診斷工具。

總結(jié)

10BASE-T1L 為新一代 BAS 提供在長達(dá) 1000 m 距離下 10 Mbit/s 的吞吐量，同時支持傳統(tǒng)的兩線制雙絞線安裝。如圖所示，憑借 ADIN1100 10BASE-T1L 收發(fā)器、ADIN2111 雙端口以太網(wǎng)交換機(jī)和適用于過程控制和 BMS 應(yīng)用的 AD74412R 四通道軟件可編程 I/O (SWIO) 解決方案，設(shè)計人員可以快速實現(xiàn)向前、向后兼容的 10BASE-T1L 傳感器網(wǎng)絡(luò)。