作者：Rolf Horn

　　近年來，樓宇自動化領域取得了巨大進步，使得商業和住宅建筑的更有效管理成為可能。

　　如今，人們普遍需要高效且可持續的系統，以使建筑物為居住者提供更健康的環境，同時最大限度地減少功耗并提高實時高數據吞吐量和控制能力。

　　樓宇自動化的挑戰

　　設計師和系統集成商面臨著樓宇自動化帶來的多項挑戰，包括：

　　技術快速過時：由于技術的快速改進，現有系統可能會過時，導致功能、支持以及與新技術的集成減少。

　　效率和可持續性要求：能源效率、故障檢測/診斷改進、室內環境質量 (IEQ) 監測和水資源管理都是建筑業主和運營商的必需品。

　　數據分析和優化：數據分析和優化的現代趨勢需要將數據收集、分析和解釋功能納入構建自動化系統。這為數據驅動的建筑性能優化、低效檢測和糾正措施實施鋪平了道路。

　　互操作性：很難確保不同供應商提供的系統之間的兼容性和集成。此外，系統的效率可能會因不兼容性、專有協議和缺乏標準化而受到阻礙。

　　如圖 1 所示，解決這些問題需要智能建筑具備以下能力：

　　通過云連接實現企業級集中配置和管理

　　消除控制器級別對轉換網關的依賴

　　將智能移至邊緣，使傳感器和執行器能夠交換大量數據

　　圖 1：為建筑物提供可互操作的邊緣到云連接。 (來源：ADI)

　　數據通信在工業和樓宇自動化領域的重要性日益增強。當前數據量的增長使人們認識到傳統解決方案正在接近其生理閾值。因此，以太網正在成為流行的通信標準。傳統的 4 線以太網解決方案已轉變為稱為 10BASE-T1L 的 2 線解決方案，該解決方案由單對雙絞線組成。

　　10BASE-T1L 標準如何推動變革

　　2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規范通過單對雙絞線實現長達 1,000 米的 10 Mbps 全雙工通信，解決了多個工業和樓宇管理通信問題。

　　10BASE-T1L 標準克服了傳統通信系統的多項限制，包括樓宇自動化領域中與布線、帶寬、距離和功率相關的限制。以下是 10BASE-T1L 標準如何解決這些限制的詳細說明：

　　布線：10BASE-T1L 標準通過提供能夠通過單對雙絞線傳輸以太網信號和電源的物理層解決方案，為傳感器和執行器等現場級設備實現無縫以太網連接。這消除了對復雜且昂貴的布線基礎設施的需求，從而促進了以太網網絡建設自動化的部署和安裝。除此之外，以太網數據包可以直接從邊緣傳輸到云端，無需網關轉換。

　　帶寬：10BASE-T1L 標準支持高達 10 Mbps 的數據傳輸速率，足以滿足各種樓宇自動化應用的需求。該帶寬高于傳統現場總線(限制為幾 kbps)，并且能夠從傳感器傳輸值或直接傳輸到執行器，以及附加設備參數，例如配置和參數化數據。

　　距離：10BASE-T1L 標準支持長距離以太網連接的能力是其主要優勢之一。它允許的連接長度可達 1 公里，這比傳統的以太網標準要長得多。這使得它適合設備分散在大面積區域的應用，例如工業工廠和汽車裝配廠。

　　此外，10BASE-T1L 標準由于其低功耗要求而適用于電源資源有限的環境。這對于電池壽命和功耗至關重要的現場級設備至關重要。

　　在某些情況下，有必要通過 10BASE-T1L 提供標準中定義的數據和電源(在非本質安全區域中高達 60 W)。 10BASE-T1L 支持兩種幅度模式：2.4 V 適用于最長 1,000 m 的電纜長度，1.0 V 適用于最長 200 m 的較短長度。通過1.0 V峰峰值幅度模式，該技術還可用于防爆環境(危險區域)，并滿足嚴格的最大電流消耗要求(最大功率限制為500 mW)。

　　參考用例

　　10BASE-T1L 標準的典型用例如圖 2 所示。該智能建筑應用程序利用 10BASE-T1L 的屬性來收集和聚合不同級別的數據，從終端節點(傳感器和執行器)到企業/云上的IT水平。

　　房間控制器可以與現場設備直接(點對點)連接，或連接到以菊花鏈鏈接的一系列設備。此外，每個房間控制器都可以配置為接受來自傳統設備的連接。

　　每座建筑物都有自己的工廠控制器，它通過 10BASE-T1L 鏈路連接到大量房間控制器，并通過 100 Mb/Gb 工業以太網連接到其他建筑物的工廠控制器。

　　對于傳感器和執行器的短距離連接(最長 25 米)，如圖 2 右側電梯轎廂控制器的情況，10BASE-T1S 標準更合適。

　　圖 2：智能建筑用例。 (來源：ADI)

　　10BASE-T1L 收發器

　　Analog Devices 開發了ADIN1110，這是一款超低功耗、單端口、10BASE-T1L 收發器，適用于工業和樓宇自動化中基于以太網的應用。它符合長距離 10 Mbps 單對以太網 (SPE) 的 IEEE 802.3cg-2019 以太網標準，專為這些應用而設計。

　　如圖 3 所示，該組件包含一個媒體訪問控制 (MAC) 接口。這樣就可以使用四根線的串行外設接口 (SPI) 與多個主機控制器建立直接聯系。該 SPI 允許使用功耗較低的處理器，因為不需要集成 MAC，從而使系統的總體功耗最低。配置 SPI 時，開放聯盟 SPI 協議和通用 SPI 協議均可作為與 SPI 一起使用的選項。

　　ADIN1110 集成了電壓電源監控和加電復位 (POR) 電路，以增強系統級穩健性。它還具有低功耗(通常為 42 mW)，支持 1 VPP 和 2.4 VPP 傳輸級別，以及自動協商和用于幀過濾的 16 個 MAC 地址。

　　圖 3：ADIN1110 MAC PHY 收發器的框圖。 (來源：ADI)

　　10BASE-T1L 的更大范圍使得可以在較大的建筑物中安裝自動化設備，同時保持無縫連接。得益于這種靈活性和可擴展性，設施經理可以輕松監控和修改照明、氣候/HVAC 控制、安全和能源管理等應用的設置。

　　此外，10BASE-T1L 更高的數據傳輸速率可實現樓宇系統的實時監控和控制，從而提高運營效率。該技術提高了自動化設備通信的響應時間、延遲和可靠性。

　　10BASE-T1L 以太網交換機

　　與以太網標準一樣，10BASE-T1L 提供用于連接各種網段和設備的交換機。可以構建并利用不同的網絡拓撲來為連接的設備供電。在樓宇自動化中，開關通常連接到控制器、傳感器和執行器。為了獲得更高的可用性，交換機以環形拓撲的形式啟用介質冗余。

　　為此，Analog Devices 開發了ADIN2111，這是一款專為樓宇自動化網絡設計的完整 10BASE-T1L 以太網二端口交換機(圖 4)。該設備為控制器、傳感器和執行器添加了遠程以太網連接，適合在小型、功率受限的邊緣設備中使用。與分立實施相比，ADIN2111 可節省高達 50% 的功耗，并節省高達 75% 的 PCB 空間。

　　圖 4：ADIN2111 的框圖。 (來源：ADI)

　　ADIN2111 專為串聯和環形菊花鏈網絡而設計，利用建筑物內現有的單雙絞線布線基礎設施，從而降低改造成本。圖 5 顯示了如何連接多個設備以實現環形(上側)和串聯(下側)拓撲。請注意，最后一個邊緣傳感器連接到具有 PHY 和 MAC 的收發器，而另外兩個則連接到交換機。

　　圖 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多種拓撲，以實現最大的設計靈活性和可擴展性。 (來源：ADI)

　　10BASE-T1L交換機配備16地址MAC查找表，支持直通以及存儲和轉發操作，允許用戶在處理和轉發數據包時優先考慮延遲或錯誤處理。高級數據包過濾減輕了處理器處理優先級流量的負擔。

　　該交換機具有先進的診斷功能，可減少安裝、調試和系統中斷。其中包括具有均方誤差 (MSE) 的鏈路質量指示器、鏈路診斷和 IEEE 測試模式，以及使用時域反射計 (TDR) 的電纜缺陷檢測。該診斷解決方案由高精度片上 TDR 引擎和一組在主機微控制器上運行的算法組成，可為各種電纜提供最大的靈活性和更先進的電纜診斷功能。

　　該解決方案符合 IEEE 802.3cg 標準，支持超過 1.7 公里布線的以太網連接、環網冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和實時 KNX 在內的軟協議。還應該指出的是，ADIN2111 可以在非托管配置中用作中繼器，以將覆蓋范圍擴展到 2,000 米以上。

　　結論

　　10BASE-T1L 的推出為樓宇自動化創造了新的機遇，徹底改變了商業和住宅空間的管理和控制方式。由于它能夠利用現有基礎設施、提供靈活性并改進數據傳輸，因此它是實施自動化解決方案的理想解決方案。