以太网已成为楼宇自动化中操控金字塔顶端的干流通讯协议。电气和电子工程师协会（IEEE）最近界说了一种新式以太网规范——IEEE 802.3.cg，用于10 Mb/s的操作以及经过一对平衡导体进行的功率传输。由于单对电缆现在可一同支撑数据和电源，因而选用此规范可节约很多本钱，并更易于在楼宇自动化运用中进行装置。
将以太网带到边际器材需求支付许多尽力。当时，楼宇自动化中存在多个通讯网络——例如暖通空调（HVAC）运用运用Modbus、拜访操控运用BACnet、照明运用LonWorks、消防安全运用以太网。此类网络碎片化需求运用网关来履行协议转化，以将兼并网络联合到楼宇自动化操控金字塔的顶端。最终用户有必要顺次办理杂乱的体系。
各种通讯网络存在的原因包含需求更长的间隔、多点衔接、电源计划以及对束缚性协议的支撑，单对以太网能够处理上述问题。将以太网衔接到边际器材可带来以下长处：可直接拜访操控体系、状况更新、猜测性保护、规范化硬件以及各种体系之间的互操作性。
图1：10/100 Mbps的规范以太网接口
SPE概述
如图1所示，规范以太网运用有着独立电缆的单电缆通讯发送和接纳数据。
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：
● 长电缆和短电缆的长度均超越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（运用18 AWG导线进行点对点衔接时的长间隔）。
● 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（运用多支路衔接的24-26 AWG导线的短间隔）。
本文介绍了10base-T1L的运用，其在楼宇自动化体系中超越1000 米的间隔内可供给高达10 Mbps的数据速率。
10base-T1L物理层（PHY）在单对平衡导体上运用全双工通讯，在每一方向上一同具有10 Mbps的有用数据速率。10base-T1L PHY运用三级脉冲幅度调制（PAM3），在链路段上以7.5兆波特发送。33位扰码器可协助进步电磁兼容性。MII发送数据（TXD <3：0>）运用四二进制三进制（4B3T）编码进行编码，可将所发送的PAM3符号的运转平均值（DC基线）坚持在规模之内。运用办理数据输入/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完成更长的通讯间隔。
如图2所示，SPE运用回声消除来完成全双工通讯，并运用多级信令和均衡来改进信号质量，并在单对电缆上完成所需的数据速率。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纳段需求进行如上所述的修正，以完成单对操作。
图2：10/100 Mbps的SPE接口
SPE还可经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。
图3：PoDL示例
表1列出了IEEE 802.3.cg规范支撑的各类功率等级。可交付给负载的最大功率为52 W，界说在在15级下。IEEE 802.3.bu包含低于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规范支撑的功率等级
SPE的长处
过渡到SPE具有多个长处，包含装置到运用单个通讯网络办理整个楼宇。它的长处使总具有本钱得以下降，并进步了楼宇自动化体系的出资回报率。例如：
● 将以太网衔接置于边际无需附加网关，仅需一个通讯网络即可简化体系。
● PoDL无需运用独自电源线，简化了楼宇自动化体系的布线。
● 仅运用一对电线，可削减电缆的本钱和分量，更易于架空布线。
● 更快、更简易的装置削减了人工本钱。
● 与现有的现场总线网络比较，带宽改进为完成比如猜测性保护之类的功用供给了灵活性。
● 10base-T1L可供给1000米有着10Mbps数据速率的通讯间隔，有助于替换本钱较高的光缆并完成更多数据传输。
以下部分阐明SPE怎么完成以及各种楼宇自动化运用程序的相关长处。
图4：传统体系结构– FACP之间的光纤衔接
消防安全运用
火灾报警操控面板（FACP）衔接到各种热量、烟雾和气体探测器。产生事端时，这些在信令回路中衔接的传感器会宣布警报，FACP可经过电话网络与消防站通讯。FACP一般支撑多个信令回路，便于分红多个区域或楼层，然后便于辨认。
每个楼宇可有多个FACP，详细取决于楼层和传感器的数量。当大型住宅区、办公室、校园或购物中心等设备扩展时，一般需求运用铜线或光纤线经过以太网将楼宇之间的FACP互连至3到4公里处。根据100base-TX/10base-T的以太网需求多个中继器来桥接这些间隔。这种情况下，为其供电或许存在应战。另一个选项是过渡到光缆，这需求两头都运用介质转化器（铜缆到光纤）。图4描绘了一个示例体系。
上述两种选项都导致体系变得贵重。SPE可处理间隔长达1 公里的应战；关于间隔更远的体系，则可运用经过PoDL供电的中继器。PoDL无需运用外部电源，进一步简化了体系。图5描绘了运用SPE的消防体系。
图5：在FACP之间运用SPE的体系结构
笔直运送运用
电梯是一个杂乱的体系。移动轿厢和机房操控器之间的首要通讯链路是经过移动电缆完成。根据楼宇高度，该电缆长度可抵达10到500 米或更长规模。鉴于其低速要求和所需的电缆间隔，操控器局域网（CAN）和LonWorks是电梯体系常用的协议。
考虑到电缆在运转期间所接受的压力，电缆在数年内坚持可靠性是非常重要的。电梯上下移动时，电缆需曲折，这关于光纤布线而言并不适宜，因而大多数电梯电缆均由铜制成。考虑到电缆长度，规范以太网不适用，由于它不能超越100米。
现在，凭仗SPE可供给1公里的间隔和高达10 Mbps的速度，可作为下一代电梯规划的抱负挑选。轿厢和电梯操控器之间需求更高的数据速率的首要原因有以下几种：
● 将视频内容从轿厢内部流回到机房。
● 将广告从机房中继到轿厢。
● 经过各类传感器向电梯操控器发送更多数据以及轿厢内设备的数据，以进行猜测性保护。
猜测性保护的一个示例是经过丈量电梯门在加快、稳态和减速期间的电机电流来监控电梯门的开关运动，并剖析任何异常情况。猜测潜在毛病的才能将防止电梯停机以及为乘梯人带来的不方便。
晋级现有电梯与规划具有更高档功用的新电梯平等重要。处理改装难题的一种办法是在轿厢内部装置像CAN到SPE这样的介质转化器，在电梯操控器中设置SPE到规范以太网或CAN。关于下一代体系，电梯操控器可包含内置的SPE PHY 10base-T1L，轿厢内的设备将经过SPE PHY 10base-T1S衔接。轿厢还将具有内置的10base-T1S-10base-T1L以太网交换机，以将轿厢与电梯操控器衔接。轿厢内的应急灯和通讯体系可经过PoDL供电，以保证不中断电源。
图6：轿厢-机房通讯
暖通空调运用
一致规划HVAC操控器可用以操控房顶单元、冷却器操控单元、空气处理单元等。HVAC操控器运用规范以太网与比如楼宇办理体系等高层楼宇自动化体系衔接，并以菊花链方法衔接多个HVAC操控器。为在任何HVAC操控器断电时坚持网络连通性，机电式继电器将输入和输出端口上的以太网信号短路。
HVAC操控器具有多个模仿、数字或现场总线接口，用于通讯或操控丈量温度、湿度和压力等参数的多个传感器（图7）。传感器能够是具有环路电源的模仿输出，也能够是具有独立电源的支撑0至10W / 4至20mA输出。HVAC操控器还可经过通讯接口或模仿衔接联至比如阻尼器、电扇和步进电机驱动等履行器。从操控器、传感器到履行器完成SPE互连，仅需两条线即可简化装置，一同能够拜访边际器材。
图8阐明晰运用湿度传感器的一个示例，其间I2C接口衔接到具有内置介质拜访操控（MAC）的微操控器（MCU）。SPE PHY（10base-T1L或10base-T1S）与MCU的内置MAC衔接，而带DC/DC转化器的PoDL为整个电路供电。该体系结构具有多种优势，包含传感器衔接器的规范化、可重复运用的硬件、传感器及硬件确诊与校准。
HVAC操控器中具有多个SPE端口以衔接各类传感器和履行器，将需求专用集成电路来完成已有的以太网交换机功用。
图7：暖通空调操控器接口
视频监控运用
室外互联网协议（IP）网络摄像头一般装置在楼宇外围以保证接连捕获视频，并在安保遭到严重破坏时宣布警报，使安保人员有满足的时刻做出反响。这些摄像头到网络录像机的间隔或许为1 公里或更远，而经过规范以太网桥接该间隔需求运用中继器或光纤电缆。运用H.264和H.265之类的高效编码体系，即使运用30 fps速率的4-MP传感器，数据速率要求也降至10 Mbps以下。
估计未来的IP摄像头产品将支撑SPE，这将简化装置，网络录像机也将供给电源设备端口。8级和9级（48V稳压电源设备）或14级和15级（最大50V至58V）可支撑IP摄像头所需的功率电平，这或许需求多达52 W的功率操作。关于大多数摄像头体系来说，即使是内置加热器型，此功率也已满足。关于需求晋级的楼宇，一个中心处理计划是运用规范的以太网到SPE转化器。
图8：根据SPE的感测
总结
独立型（仅数据）或与电源一同运用的SPE为楼宇自动化供给了许多时机。但在生态体系取得全面发展之前，依然需求介质或协议转化器来晋级现有体系，且存在与现有电缆（非屏蔽、无绞线、线规）和衔接器的重复运用相关的应战，这些电缆或许无法供给802.3cg中界说的悉数间隔或速度。但这并非首要妨碍，由于未来的收益大于约束。SPE的电源设备和供电设备估计将在未来几年内发布。在此之前工程链路将为边际设备供电。您还或许看到经过无缝集成支撑SPE的楼宇自动化产品。
图9：IP网络摄像头连通性
参考资料
● IEEE以太网规范
