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              以太网IEEE 802.3.cg在楼宇自动化应用案例分析

              2020年08月20日 17:44 ? 次阅读

              以太网已成为楼宇自动化中控制金字塔顶端的主流通信协议。电气和电子工程师协会(IEEE)最近定义了一种新型以太网标准——IEEE 802.3.cg,用于10 Mb/s的操作以及通过一对平衡导体进行的功率传输。由于单对电缆现在可同时支持数据和电源,因此采用此标准可节省大量成本,并更易于在楼宇自动化应用中进行安装。

              将以太网带到边缘器件需要付出诸多努力。当前,楼宇自动化中存在多个通信网络——例如暖通空调(HVAC)应用使用Modbus、访问控制使用BACnet、照明使用LonWorks、消防安全使用以太网。此类网络碎片化需要使用网关来执行协议转换,以将合并网络联合到楼宇自动化控制金字塔的顶端。最终用户必须依次管理复杂的系统。

              各种通信网络存在的原因包括需要更长的距离、多点连接、电源方案以及对约束性协议的支持,单对以太网可以解决上述问题。将以太网连接到边缘器件可带来以下优点:可直接访问控制系统、状态更新、预测性维护、标准化硬件以及各种系统之间的互操作性。

              SPE概述

              如图1所示,标准以太网使用有着独立电缆的单电缆通信发送和接收数据。

              图1:10/100 Mbps的标准以太网接口

              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过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(使用18 AWG导线进行点对点连接时的长距离)。

              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(使用多支路连接的24-26 AWG导线的短距离)。

              本文介绍了10BASE-T1L的应用,其在楼宇自动化系统中超过1000 米的距离内可提供高达10 Mbps的数据速率。

              10BASE-T1L物理层(PHY)在单对平衡导体上使用全双工通信,在每一方向上同时具有10 Mbps的有效数据速率。10BASE-T1L PHY使用三级脉冲幅度调制(PAM3),在链路段上以7.5兆波特发送。33位扰码器可帮助提高电磁兼容性。MII发送数据(TXD <3:0>)使用四二进制三进制(4B3T)编码进行编码,可将所发送的PAM3符号的运行平均值(DC基线)保持在范围之内。使用管理数据输入/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实现更长的通信距离。

              如图2所示,SPE使用回声消除来实现全双工通信,并使用多级信令和均衡来改善信号质量,并在单对电缆上实现所需的数据速率。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收段需要进行如上所述的修改,以实现单对操作。

              图2:10/100 Mbps的SPE接口

              SPE还可通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标准支持的各类功率等级??山桓陡涸氐淖畲蠊β饰?2 W,定义在在15级下。IEEE 802.3.bu涵盖低于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标准支持的功率等级

              SPE的优点

              过渡到SPE具有多个优点,包括安装到使用单个通信网络管理整个楼宇。它的优点使总拥有成本得以降低,并提高了楼宇自动化系统的投资回报率。例如:

              将以太网连接置于边缘无需附加网关,仅需一个通信网络即可简化系统。

              PoDL无需使用单独电源线,简化了楼宇自动化系统的布线。

              仅使用一对电线,可减少电缆的成本和重量,更易于架空布线。

              更快、更简易的安装减少了人工成本。

              与现有的现场总线网络相比,带宽改善为实现诸如预测性维护之类的功能提供了灵活性。

              10BASE-T1L可提供1000米有着10Mbps数据速率的通信距离,有助于替换成本较高的光缆并实现更多数据传输。

              以下部分说明SPE如何实现以及各种楼宇自动化应用程序的相关优点。

              消防安全应用

              火灾报警控制面板(FACP)连接到各种热量、烟雾和气体探测器。发生事故时,这些在信令回路中连接的传感器会发出警报,FACP可通过电话网络与消防站通信。FACP通常支持多个信令回路,便于分成多个区域或楼层,从而便于识别。

              每个楼宇可有多个FACP,具体取决于楼层和传感器的数量。当大型住宅区、办公室、学?;蚬何镏行牡壬枋├┱故?,通常需要使用铜线或光纤线通过以太网将楼宇之间的FACP互连至3到4公里处?;?00BASE-TX/10BASE-T的以太网需要多个中继器来桥接这些距离。这种情况下,为其供电可能存在挑战。另一个选项是过渡到光缆,这需要两端都使用介质转换器(铜缆到光纤)。图4描述了一个示例系统。

              图4:传统体系结构– FACP之间的光纤连接

              上述两种选项都导致系统变得昂贵。SPE可解决距离长达1 公里的挑战;对于距离更远的系统,则可使用通过PoDL供电的中继器。PoDL无需使用外部电源,进一步简化了系统。图5描述了使用SPE的消防系统。

              图5:在FACP之间使用SPE的体系结构

              垂直运输应用

              电梯是一个复杂的系统。移动轿厢和机房控制器之间的主要通信链路是通过移动电缆实现?;诼ビ罡叨?,该电缆长度可到达10到500 米或更长范围。鉴于其低速要求和所需的电缆距离,控制器局域网(CAN)和LonWorks是电梯系统常用的协议。

              考虑到电缆在运行期间所承受的压力,电缆在数年内保持可靠性是非常重要的。电梯上下移动时,电缆需弯曲,这对于光纤布线而言并不合适,因此大多数电梯电缆均由铜制成??悸堑降缋鲁ざ?,标准以太网不适用,因为它不能超过100米。

              现在,凭借SPE可提供1公里的距离和高达10 Mbps的速度,可作为下一代电梯设计的理想选择。轿厢和电梯控制器之间需要更高的数据速率的主要原因有以下几种:

              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。

              通过各类传感器向电梯控制器发送更多数据以及轿厢内设备的数据,以进行预测性维护。?

              预测性维护的一个示例是通过测量电梯门在加速、稳态和减速期间的电机电流监控电梯门的开关运动,并分析任何异常情况。预测潜在故障的能力将避免电梯?;约拔颂萑舜吹牟槐?。

              升级现有电梯与设计具有更高级功能的新电梯同等重要。解决改装难题的一种方法是在轿厢内部安装像CAN到SPE这样的介质转换器,在电梯控制器中设置SPE到标准以太网或CAN。对于下一代系统,电梯控制器可包含内置的SPE PHY 10BASE-T1L,轿厢内的设备将通过SPE PHY 10BASE-T1S连接。轿厢还将具有内置的10BASE-T1S-10BASE-T1L以太网交换机,以将轿厢与电梯控制器连接。轿厢内的应急灯和通信系统可通过PoDL供电,以确保不中断电源。

              图6:轿厢-机房通信

              暖通空调运用

              统一设计HVAC控制器可用以控制屋顶单元、冷却器控制单元、空气处理单元等。HVAC控制器使用标准以太网与诸如楼宇管理系统等高层楼宇自动化系统连接,并以菊花链方式连接多个HVAC控制器。为在任何HVAC控制器断电时保持网络连通性,机电式继电器将输入和输出端口上的以太网信号短路。

              HVAC控制器具有多个模拟、数字或现场总线接口,用于通信或控制测量温度、湿度和压力等参数的多个传感器(图7)。传感器可以是具有环路电源的模拟输出,也可以是具有独立电源的支持0至10W / 4至20mA输出。HVAC控制器还可通过通信接口或模拟连接联至诸如阻尼器、风扇和步进电机驱动等执行器。从控制器、传感器到执行器实现SPE互连,仅需两条线即可简化安装,同时可以访问边缘器件。

              图7:暖通空调控制器接口

              图8说明了使用湿度传感器的一个示例,其中I2C接口连接到具有内置介质访问控制(MAC)的微控制器(MCU)。SPE PHY(10BASE-T1L或10BASE-T1S)与MCU的内置MAC连接,而带DC/DC转换器的PoDL为整个电路供电。该体系结构具有多种优势,包括传感器连接器的标准化、可重复使用的硬件、传感器及硬件诊断与校准。

              图8:基于SPE的感测

              HVAC控制器中具有多个SPE端口以连接各类传感器和执行器,将需要专用集成电路来实现已有的以太网交换机功能。

              视频监控应用

              室外互联网协议(IP)网络摄像头通常安装在楼宇外围以确保连续捕获视频,并在安保受到严重破坏时发出警报,使安保人员有足够的时间做出反应。这些摄像头到网络录像机的距离可能为1 公里或更远,而通过标准以太网桥接该距离需要使用中继器或光纤电缆。使用H.264和H.265之类的高效编码系统,即便使用30 fps速率的4-MP传感器,数据速率要求也降至10 Mbps以下。

              预计未来的IP摄像头产品将支持SPE,这将简化安装,网络录像机也将提供电源设备端口。8级和9级(48V稳压电源设备)或14级和15级(最大50V至58V)可支持IP摄像头所需的功率电平,这可能需要多达52 W的功率操作。对于大多数摄像头系统来说,即使是内置加热器型,此功率也已足够。对于需要升级的楼宇,一个中间解决方案是使用标准的以太网到SPE转换器。

              图9:IP网络摄像头连通性

              总结

              独立型(仅数据)或与电源一起使用的SPE为楼宇自动化提供了诸多机会。但在生态系统获得全面发展之前,仍然需要介质或协议转换器来升级现有系统,且存在与现有电缆(非屏蔽、无绞线、线规)和连接器的重复使用相关的挑战,这些电缆可能无法提供802.3cg中定义的全部距离或速度。但这并非主要障碍,因为未来的收益大于限制。SPE的电源设备和供电设备预计将在未来几年内发布。在此之前工程链路将为边缘设备供电。您还可能看到通过无缝集成支持SPE的楼宇自动化产品。

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              深圳移动在5G网络中部署华为专属辅载波方案

              中国移动与广电共讨建设共享5G网络事宜

              据第一财经报道,关于中国移动和广电共建共享 5G 网络事宜,中国移动董事长杨杰在 8 月 13 日财....
              发表于 2020-08-14 11:24? 39次阅读
              中国移动与广电共讨建设共享5G网络事宜

              SD-WAN领域的四大新兴趋势

              全球新冠疫情给社会带来了重大影响,远程工作的价值已得到了充分展现。受新冠疫情封锁隔离影响最小的许多组....
              发表于 2020-08-14 11:20? 29次阅读
              SD-WAN领域的四大新兴趋势

              目前Wi-Fi和5G一起使用的唯一方法是共存

              WBA:Wi-Fi和5G在网络的物理层共存,以提供“优秀连接”体验的方式。无线宽带联盟(WBA)主管....
              发表于 2020-08-14 11:12? 45次阅读
              目前Wi-Fi和5G一起使用的唯一方法是共存

              用于Si3452MS8以太网供电控制器的8端口评估板

              SI3452MS8-EVB,用于Si3452MS8以太网供电控制器的8端口评估板。 Si3452MS8 8端...
              发表于 2020-08-14 09:34? 0次阅读
              用于Si3452MS8以太网供电控制器的8端口评估板

              基于德州仪器Arm?Cortex?-R4F 微控...

              在采用驻留传感实现节能的同时,行业正在朝着通过边缘处理使空调变得更加智能化的方向发展。除了通过存在检....
              发表于 2020-08-13 17:20? 282次阅读
              基于德州仪器Arm?Cortex?-R4F 微控...

              PCI Express通过结合Nexus FPG...

              Nexus 平台的独特之处在于采用了 FD-SOI 工艺。这与之前的 CMOS 工艺相比有很大区别,....
              发表于 2020-08-13 16:35? 113次阅读
              PCI Express通过结合Nexus FPG...

              如何在列车上构建一套车载通信网络?

              ORing Transporter?系列非网管型以太网交换机专为轨道交通应用而设计。TES-150-....
              发表于 2020-08-13 15:08? 131次阅读
              如何在列车上构建一套车载通信网络?

              半导体技术实现整个企业网络中安全高效的数据移动

              为了给远程员工提供无缝体验,实现视频和内容共享,零?;?、更高的带宽性能、可扩展性,以及数据的高速传输....
              发表于 2020-08-13 11:59? 238次阅读
              半导体技术实现整个企业网络中安全高效的数据移动

              什么是LWDM细波分复用技术,它的技术特点是什么

              WDM承载方案有粗波分复用(CWDM)、密集波分复用(DWDM)以及中等波分复用(MWDM)、细波分....
              发表于 2020-08-13 11:23? 51次阅读
              什么是LWDM细波分复用技术,它的技术特点是什么

              美国承认5G战略出现重大失误,从毫米波转用中波段

              美国近日公开承认5G战略出现重大失误,从毫米波的拥护者变成中波段的追随者,扩大美国5G网络覆盖范围。....
              发表于 2020-08-13 10:19? 127次阅读
              美国承认5G战略出现重大失误,从毫米波转用中波段

              详解IP编址知识点及类型

              IP地址是分配给IP网络中每台机器的数字标识符,它指出了设备在网络中的具体位置。
              发表于 2020-08-13 10:07? 49次阅读
              详解IP编址知识点及类型

              三分钟盘点所有IPv4地址类型

              大多数人都将广播作为通用术语使用,且大多数时候我们都能明白其含义,但并非总是如此。例如,你可能这样说....
              发表于 2020-08-13 10:02? 58次阅读
              三分钟盘点所有IPv4地址类型

              我国云计算整体产业呈现稳健发展的良好态势

              一是产业政策不断完善,推动上云不断深入。自2015年国务院发布《关于促进云计算创新发展 培育信息产业....
              发表于 2020-08-13 09:43? 147次阅读
              我国云计算整体产业呈现稳健发展的良好态势

              这些趋势将对网络的建设和业务的开发产生影响

              趋势一:注重网络弹性。相对于全球75%的平均比例,88%的中国消费者看重可靠出色的网络体验,高度认可....
              发表于 2020-08-12 14:44? 170次阅读
              这些趋势将对网络的建设和业务的开发产生影响

              中国三大通信运营商的手机频段制式

              目前国内网络制式2G网络移动和联通使用GSM、电信使用CDMA;3G网络联通为WCDMA、电信为CD....
              发表于 2020-08-12 11:35? 248次阅读
              中国三大通信运营商的手机频段制式

              通信网络领域常见的名词缩写及释义

              通信领域常见的名词缩写及释义
              发表于 2020-08-12 11:27? 368次阅读
              通信网络领域常见的名词缩写及释义

              电竞产业在5G时代会发生什么变化?

              5g技术已经成为当今的热门词汇。今年6月,工业和信息化部正式向几大通信运营商颁发5g营业执照,这意味....
              发表于 2020-08-12 11:23? 106次阅读
              电竞产业在5G时代会发生什么变化?

              刷脸时代的到来,意味着人脸识别和现代社会的进步

              人脸识别在安防、新零售等方面的应用已落实在实际生活当中,场景应用也越来越普及。虽然人脸识别技术的风险....
              发表于 2020-08-12 11:19? 349次阅读
              刷脸时代的到来,意味着人脸识别和现代社会的进步

              高速8位A/D转换器TLC5540的原理、性能特...

              它的最高转换速率可达每秒40兆字节。TLC5540采用了一种改进的半闪结构及CMOS工艺,因而大大减....
              发表于 2020-08-12 11:09? 220次阅读
              高速8位A/D转换器TLC5540的原理、性能特...

              5G 三大应用场景深入推进移动物联网全面发展

              众所周知,我们国家从 80 年代开始建设移动通信网络,经过 30 多年的高速发展,不断耕耘积累,目前....
              发表于 2020-08-12 11:07? 459次阅读
              5G 三大应用场景深入推进移动物联网全面发展

              OPA1612音频运算放大器的主要特性与优势

              德州仪器 (TI)推出的业界最高性能的双通道、双极输入音频运算放大器。与同类竞争器件相比,隶属 TI....
              发表于 2020-08-11 15:25? 106次阅读
              OPA1612音频运算放大器的主要特性与优势

              美国宣布拍卖军用5G频段频谱,从而扩大美国5G网...

              据路透社报道,本周一,特朗普政府宣布了一项计划,将拍卖原本用于军事用途的100MHz中频段频谱用作商....
              发表于 2020-08-11 11:28? 233次阅读
              美国宣布拍卖军用5G频段频谱,从而扩大美国5G网...

              走进了解新基建的重要战略支点F5G技术

              最近,中国科技产品被封锁的消息越来越多。有读者问我,中国科技的出路究竟在什么地方?我想这个问题的答案....
              发表于 2020-08-11 11:17? 182次阅读
              走进了解新基建的重要战略支点F5G技术

              从技术和应用需求两层面分析5G是否先进技术

              5G到底算不算先进技术?这个问题早在2019年初已经惹起过很大的争议,当时有通信专家断言,5G将是一....
              发表于 2020-08-11 11:17? 115次阅读
              从技术和应用需求两层面分析5G是否先进技术

              解读国内外5G毫米波技术的现状及发展趋势

              近期,著名苹果分析师郭明錤发布报告称,2020年苹果将发布5款新iPhone,支持毫米波/sub-6....
              发表于 2020-08-11 11:07? 368次阅读
              解读国内外5G毫米波技术的现状及发展趋势

              李允博:未来2-3年,超100G网络占据整体市场...

              从骨干网层面来看,李允博表示单波400G即将开启,并进入长周期。不过400G长距离传送面临香农极限,....
              发表于 2020-08-11 09:46? 106次阅读
              李允博:未来2-3年,超100G网络占据整体市场...

              5G基站为5G终端设备联网提供高速率无线接入

              第三代产品为模组工艺产品,TPS封装,尺寸典型值为10*8.8*8.8 mm3。本代产品在行业内率先....
              发表于 2020-08-10 16:51? 229次阅读
              5G基站为5G终端设备联网提供高速率无线接入

              FPGA广泛的应用领域带来了哪些工艺上的优势?

              ertus?-NX 是莱迪思 Nexus 技术平台上的第二款产品,它将为更广泛的应用带来 FD-SO....
              发表于 2020-08-10 15:55? 188次阅读
              FPGA广泛的应用领域带来了哪些工艺上的优势?

              保障通信“第二生命线”究竟多么重要?

              通信行业积极应对江西、安徽、云南、重庆、湖北、贵州等10余?。ㄊ校┍┯旰槔?、泥石流灾害,共出动应急人....
              发表于 2020-08-10 15:32? 243次阅读
              保障通信“第二生命线”究竟多么重要?

              河北省正在大力推进5G等信息通信基础设施建设

              其次是持续打造省、市、县、乡、村五级全域光纤网络覆盖工程,大力推动城乡“同网同速”发展。截至2020....
              发表于 2020-08-10 15:25? 156次阅读
              河北省正在大力推进5G等信息通信基础设施建设

              天津滨海核心区今年已实现5G网络全覆盖

              记者昨日从滨海新区获悉,今年上半年,新区新建改造5G基站(宏站)1477个,完成全年任务的123%,....
              发表于 2020-08-10 11:15? 99次阅读
              天津滨海核心区今年已实现5G网络全覆盖

              湖北省截至6月底已建设开通1.1万个5G基站

              据湖北省通信管理局方面的信息显示,湖北省至今年6月底已经累计建成并开通5G宏基站达11638个。
              发表于 2020-08-10 11:13? 110次阅读
              湖北省截至6月底已建设开通1.1万个5G基站

              深度解读移动通信技术发展的文化传媒及未来趋势

              本文通过历史比较方法,分析了移动通信技术发展所造成的媒介使用的社会变迁;总结了移动通信与互联网技术的....
              发表于 2020-08-10 11:10? 242次阅读
              深度解读移动通信技术发展的文化传媒及未来趋势

              分析解读影响NB-IOT市场发展的趋势和参与者

              据Valuates报告,到2026年,全球窄带物联网(NB-IoT)市场规模预计将从2019年的9.....
              发表于 2020-08-10 11:01? 147次阅读
              分析解读影响NB-IOT市场发展的趋势和参与者

              5G基站为何要休眠?用户会不会受影响?降耗增效是...

              近日,一则“洛阳联通通过AAU深度休眠降低5G基站能耗”的消息引发了热议,很多用户担心5G基站休眠,....
              发表于 2020-08-10 10:58? 62次阅读
              5G基站为何要休眠?用户会不会受影响?降耗增效是...

              物联网要点介绍

              物联网是与云计算相伴而生的,事实上,正是物联网的概念帮我弄清了对云计算的工作定义。物联网是一个由三个不同的子系...
              发表于 2020-08-07 07:17? 101次阅读
              物联网要点介绍

              以太网连续收数据是跳到dabort异常的解决办法?

              最近做以太网这块的东西,按照wiki上面的例子,自己把locatorReceive这个函数里的接收buffer换了一个全局的比较大的变...
              发表于 2020-07-25 10:27? 101次阅读
              以太网连续收数据是跳到dabort异常的解决办法?

              使用k7系列实现10千兆以太网mac并获得一些错误的解决办法?

              当我使用k7系列实现10G EMAC时,会出现以下错误。 我只是生成IP代码并尝试使用设计示例来验证IP代码,我没有...
              发表于 2020-07-21 06:26? 0次阅读
              使用k7系列实现10千兆以太网mac并获得一些错误的解决办法?

              我想用以太网连接电脑和设备,为什么NI MAX没显示我设置好的以太网IP 呢?

              为什么NI max这里添加了我设置的以太网IP,但是一直说错误呢,感觉是NI max没识别到我的IP。 但是我用别...
              发表于 2020-07-01 21:21? 138次阅读
              我想用以太网连接电脑和设备,为什么NI MAX没显示我设置好的以太网IP 呢?

              PoE技术在工业领域有哪些应用

                PoE技术简介   以太网供电(PoE)是一种标准以太网布线的双重功能技术,既作为数据传输设施,又作为向远程...
              发表于 2020-06-30 11:25? 310次阅读
              PoE技术在工业领域有哪些应用

              如何让以太网连接运行?

              HY, 我正在使用带有Virtex5 FPGA的ML507板 我试图让以太网连接运行,但我不知道如何开始。 像女巫这样的...
              发表于 2020-06-12 08:50? 67次阅读
              如何让以太网连接运行?
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