利用单对以太网最大限度地减少 CO2 排放

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-07-31

二氧化碳 (CO 2 ) 净零排放的全球目标会影响到所有行业领域。鉴于各种建筑不仅数量庞大，而且能效低下，因此就建筑物而言，这一目标极具挑战性。对于许多已安装的控制和通信系统来说，其监控和数据处理能力有限，而且通常缺乏先进的数据分析和控制功能来优化能效。

要实现 CO2 净零排放，就需要使用基于人工智能 (AI) 分析和控制的自动化系统。这一改进的关键在于能够按照 10BASE-T1L 标准的规定，使用长距离、高数据速率单对以太网 (SPE)，在整个建筑物内轻松部署传感器。更高的数据传输速率会最大限度地减少延迟，实现对建筑系统的实时控制。

本文简要介绍 CO2 净零排放建筑对连接的要求。然后，以 [Analog Devices]的 10BASE-T1L 器件为例，展示 SPE 如何支持在通信和控制方面的改进，同时加强可持续性。

传统建筑设计的局限性

传统的建筑设计采用建筑管理系统 (BMS) 来进行整体结构控制，而建筑子系统通常是孤立运行的。通信交互性和可用电源方面的限制使建筑无法达到最高能效，从而造成损失，最终影响环境。考虑标准建筑的分级结构（图 1）。

图 1：传统的建筑系统是分级的，但也可以按功能来划分。（图片来源：Analog Devices Inc.）

图 1 中 BMS 金字塔底部的现场/设备级包含了各种不同系统的本地传感器、致动器。建筑和房间的控制器级会整合来自现场和设备的数据，并控制设备。企业级监控整栋建筑，并通过 BMS 协调控制器的运行。

传统的建筑系统，如供暖、通风和空调系统 (HVAC) 等具有垂直控制级，但与占用探测等系统隔离运行。这就意味着，无论占用率如何，各个楼层的 HVAC 系统运行仍需消耗能源。

之所以采用这种垂直隔离结构，是因为现有数据接口的性能有限。较低级的模拟接口、4 mA 至 20 mA 电流回路接口和 RS485 串行接口，以及如总线可寻址远程传感器 (HART) 和 Fieldbus 等较高级别的接口，速度相对较慢，具体为 1200 b/s 至 31.25 Kb/s。这就限制了一定时间内数据传输量。

10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) 以太网接口标准于 2019 年推出，大大提高了数据传输速率，相比 SPE 提高到 10 Mb/s。该标准还能通过相同的数据传输线路提供更高的功率，从使用 HART 的 4-20 mA 电流回路的 36 mW 到 500 mW（非隔离）或最大 60 W（表 1）。

| | 协议 | 最大电缆长度 | 比特率 | 电源传输能力 | 导线数量 | 更高级别的以太网连接 |
| ------------------------ | ------------------------ | ------------------ | -------------------------------- | -------------------- | -------------------------------- |
| 4 mA 至 20 mA，带 HART | <1,500 m | 1,200 b/s | 有 (36 mW) | 2 | 通过网关 |
| Fieldbus | 1,900 m | 31.25 Kb/s | 有（受限） | 2 | 通过网关 |
| 10BASE-T1L | 1,000 m | 10 Mb/s | 有（500 mW 非隔离，最大 60 W） | 2 | 直接 |

表 1：一些常见的建筑数据接口网络的主要特点。（表格来源：Art Pini，使用 Analog Devices, Inc. 的数据）

较慢的数据接口也限制了对现场级传感器和致动器的访问，这意味着这些设备只能在现场重新配置。10BASE-T1L 兼容所有现有的以太网实施方案，可与所有 BASE-T 以太网网络装置（包括 10/100/1000/2.5G/5G/10G BASE-T 变体）实现无缝通信，而无需网关。

10BASE-T1L 的作用

10BASE-T1L 是更大的以太网 802.3 标准的一部分。这个名称概括了其特点。“10”表示传输速率为 10 Mb/s，“BASE”表示基带信号，即通过介质只能发送以太网信号。“T”表示介质为双绞线，“1”表示传输距离为 1 km，“L”表示长度。

10BASE-T1L 的介质规格并未指明特定的双绞线电缆。相反，该标准规定了布线的回波损耗和插入损耗。这样就可以重复使用现有的已安装线路，如 Fieldbus A 型电缆。

10BASE-T1L 支持使用两种振幅模式进行全双工通信：2.4 V P-P （峰峰值 ），传输距离 1000 m；1.0 V P-P ，传输距离缩短至 200m，适用于危险环境。

以太网标准规定，通过用于数据通信的双绞线电缆供电。在 10BASE-T1L 标准中，根据环境特点来控制功率。500 mW 适用于那些必须限制火花放电功率的本安型（即危险）区域。安全区域的功率上限为 60 W。

10BASE-T1L 的优势

除 1 km 的传输距离外，10BASE-T1L 最大优势是能够兼容各种以太网 BASE-T 网络。这样就无需在不同的数据网络标准之间建立转换网关。该标准打通了从现场到企业和云级的通道，降低了成本、复杂性和功耗要求。

由于 10BASE-T1L 的传输速度高达 10 Mb/s，因此可以向传感器和执行器传输基本的测量过程值以及其他配置参数、状态数据，甚至进行软件或固件更新。可通过 IP 地址远程访传感器和致动器。由于兼容 10BASE-T1L 的设备无需网关和协议转换器，因此设备配置更加简单。额外的数据处理能力有助于进行更全面的日常系统诊断和故障排除。

更高的数据传输速率所带来的更多数据容量还可用于连接建筑系统，以进行数据交换。基于人工智能的分析和控制可实现互补调节，从而实现最高效的联合运行。想象一下这在配备 10BASE-T1L 的建筑中是什么情况（图 2）。

图 2：所示为从边缘传感器到云端增加的 10BASE-T1L 互操作性。（图片来源：Analog Devices Inc.）

10BASE-T1L 的 SPE 允许将边缘层的多个传感器和致动器与房间控制器连接。通过传统接口连接的现有设备仍可使用，或者转换为能够兼容以太网的设备。系统通过相应版本的以太网在多个层级上连接在一起，从而实现实时控制。

通过 10BASE-T1L 构建网络拓扑结构

多个设备能够以环形或直列式网络拓扑结构与 SPE 网络连接（图 3）。

图 3：10BASE-T1L 与其他以太网变体一样，支持环形和直列拓扑结构，可连接多台设备。（图片来源：Analog Devices Inc.）

与其他星形网络拓扑结构相比，每种拓扑结构都能减小电缆长度。环形拓扑结构还能在设备发生故障时提供冗余路径。每台设备都需要两个以太网端口，以便在任一拓扑结构中通过网络传输数据。

为了实现这一目标，设计人员可以使用 Analog Devices 的 [ADIN2111CCPZ-R7]低功耗、双端口 10BASE-T1L 收发器。该设备集成了一个交换机、两个以太网物理层 (PHY) 内核和一个媒体访问控制 (MAC) 接口，以及包括内部缓冲队列在内的所有相关电路。该设备可通过串行外设接口 (SPI) 直接控制。SPI 可兼容许多控制器，因此可轻松选择性能、功耗和价格最优的控制器。该交换机通过双以太网和 SPI 端口支持多种路由配置，可实现直列式或环形网络拓扑。10BASE-T1L 交换机包含一个 MAC 接口，这意味着控制器无需具有 MAC 接口，从而增加了潜在控制器选择数量。图 3 显示了使用 ADIN2111CCPZ-R7 作为双端口交换机的环形和直列式拓扑结构。

环形配置使用双交换机连接所有设备。直列式配置不需要双交换机，因为最后一个设备只需要单个 MAC-PHY 收发器（如 [ADIN1110CCPZ]）。与交换机一样，这款以太网收发器也包含一个 MAC，因此支持更广泛的匹配控制器。这样，就能为许多低功耗、低成本控制器实现远距离以太网连接。如果要将 10BASE-T1L 改装到现有的 BMS 中，则内置 MAC 还允许使用现有的控制器。每个传感器或致动器都有各自的控制器，并可通过收发器接入以太网，从而获得一个 IP 地址。

从图 3 中环形和直列式网络臂的控制器端来看，[ADIN1100CCPZ-R7] 以太网收发器是一个不错的选择。该收发器不包括 MAC，只有以太网 PHY。ADIN1100CCPZ-R7 可与包含 MAC 功能的控制器配合使用，如图所示控制面板中使用的控制器。该收发器通过数据输入/输出 (MDIO) 管理接口与远程控制处理器连接。MDIO 接口是一种双线串行接口，用于主机处理器中 MAC 与 ADIN1100CCPZ-R7 之间的通信。

所有 ADIN1100 系列设备的额定工作电缆长度可达 1700 m，超过了 10BASE-T1L 规格。该系列的额定工作温度为 -40°C 至 +85°C。所列型号 (CCPZ) 的扩展温度范围为 -40°C 至 +105°C。

通过 SPE 供电

为远程现场级设备供电可能存在问题，在改造现有系统时尤其如此。10BASE-T1L 规范支持单对以太网供电 (SPoE)，通过单根双绞线提供标准化电源和以太网数据。为此，设计人员可以使用 [LTC4296AUK-1-PBF]五端口电源设备 (PSE) 控制器 （图 4）。该设备专为与使用 24 V 或 54 V 系统的 802.3cg 供电设备 (PD) 实现互操作而设计，可轻松集成到 ADIN 系列 10BASE-T1L 产品中。

图 4：所示为用作五端口 PSE 控制器的 LTC4296AUK-1。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

如在本应用中所示，LTC4296AUK-1 通过变压器/电容器电源耦合网络为 ADIN1100 以太网收发器的五个实例供电。ADIN1100 设备各由一个 MAC 媒体无关接口 (MII) 驱动。每个 PSE 均由高压侧自动限流器 (ACL) 提供保护，以控制浪涌和短路保护。LTC4296AUK-1 的工作温度范围为 -40°C至 +125°C。

结语

建筑的进一步数字化将使得管理系统能够访问所有传感器数据和控制功能，建筑系统的交叉链接将为运行自动化奠定基础。为此，通过 SPE 供电的 10BASE-T1L 可将 10 Mb/s 的数据传输速率、长达 1 km 的传输距离以及标准以太网 IP 连接遍及建筑物的每个角落。建筑控制器现在可以实现从云端到几乎无限数量的边缘设备的更远距离传输。这样就能优化建筑的整体运行，在减少 CO2 排放的同时为住户提供最佳服务。

审核编辑 黄宇