原標(biāo)題：如何經(jīng)濟(jì)高效地為樓宇管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)傳感器

　　樓宇自動(dòng)化降低了設(shè)施的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，同時(shí)也為建筑物的居住者提供了更安全、更舒適的環(huán)境。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng) (BAS) 性能的提高依賴(lài)于來(lái)自越來(lái)越多的傳感器以及越來(lái)越多的控制/執(zhí)行器(部署在整個(gè)建筑物中的更多數(shù)據(jù))。這種部署需要一種經(jīng)濟(jì)高效的方式，將捕獲的數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街醒爰€(xiàn)器或云，在那里可以對(duì)其進(jìn)行分析和操作，并提供所需的控制信號(hào)。

　　大規(guī)模部署傳感器和執(zhí)行器，特別是對(duì)于傳統(tǒng)建筑以及電力不容易獲得的地方，可能需要大量且昂貴的返工，以確保建筑物的全面覆蓋。迄今為止， RS-485 網(wǎng)絡(luò)一直是一種經(jīng)濟(jì)高效的改造解決方案，但更豐富的數(shù)據(jù)集和更高的數(shù)據(jù)速率需要具有更高吞吐量的替代方案。

　　為了在提高吞吐量的同時(shí)最大限度地降低成本，設(shè)計(jì)人員可以使用 10BASE-T1L 利用當(dāng)前安裝的單雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)或 RS-485 布線(xiàn)?；贗EEE標(biāo)準(zhǔn)802.3cg-2019分組格式數(shù)據(jù)通信接口，10BASE-T1L在長(zhǎng)達(dá)1000米(m)的距離內(nèi)具有每秒10兆比特(Mbits/s)的吞吐量。雙線(xiàn)接口還可以通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，無(wú)需本地電源或布線(xiàn)。這也消除了對(duì)耗電網(wǎng)關(guān)的需求，因?yàn)樗軌蜻B接到無(wú)限的設(shè)備。

　　本文討論建筑控制要求以及迄今為止如何解決這些要求。然后介紹 10BASE-T1L 以太網(wǎng)和示例解決方案 ADI公司 以證明其易于實(shí)施。它還展示了如何使用軟件 I/O (SWIO) 技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)樓宇控制器的傳感器接口，同時(shí)保持樓宇管理系統(tǒng) (BMS) 的向后和向前兼容性。還介紹了一種合適的評(píng)估板，以幫助設(shè)計(jì)人員開(kāi)始使用SWIO。

　　BAS或BMS的角色

　　BAS或BMS是指建筑物各種系統(tǒng)的自動(dòng)化和管理。BMS的目標(biāo)范圍從居住者的舒適度到建筑系統(tǒng)的效率，運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本以及安全性。BMS 中的四個(gè)層是監(jiān)督層、服務(wù)器/應(yīng)用程序?qū)?、現(xiàn)場(chǎng)控制器層和輸入/輸出層。

　　監(jiān)控層在物理上是監(jiān)控設(shè)備所在的兩線(xiàn)傳輸層。監(jiān)控設(shè)備整合所有現(xiàn)場(chǎng)控制器流量。服務(wù)器/應(yīng)用程序從不同的監(jiān)控設(shè)備接收數(shù)據(jù)。該層支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，如Modbus，KNX，BACnet和LON，通常用于樓宇管理系統(tǒng)。此層通過(guò)用戶(hù)界面將合并的數(shù)據(jù)傳送給客戶(hù)端或最終用戶(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)控制器層查看來(lái)自溫度傳感器和開(kāi)關(guān)的輸入數(shù)據(jù)，并控制系統(tǒng)輸出，例如執(zhí)行器和繼電器。

　　BMS難題的最后一塊是輸入/輸出層。這一層是傳感器和控制設(shè)備所在的位置。一些傳感器和執(zhí)行器支持 TCP/IP，無(wú)需控制器。

　　RS-485：經(jīng)典的BMS連接解決方案

　　迄今為止，TIA/EIA-485接口(通常稱(chēng)為RS-485)已被BMS應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員廣泛使用，因?yàn)樗且环N具有多點(diǎn)通信鏈路的廉價(jià)本地網(wǎng)絡(luò)。RS-485是一種純電氣標(biāo)準(zhǔn)，用于定義在實(shí)現(xiàn)平衡多點(diǎn)傳輸線(xiàn)時(shí)接收器和驅(qū)動(dòng)器的電氣特性。它支持通過(guò)一個(gè)雙絞線(xiàn)對(duì)連接進(jìn)行雙向、半雙工數(shù)據(jù)交換，并允許多點(diǎn)連接(將多個(gè)收發(fā)器連接到同一線(xiàn)路)，這是BMS的理想選擇。

　　RS-485還支持相當(dāng)高的數(shù)據(jù)速率：在長(zhǎng)達(dá)10米的距離上為35 Mbits/s，在1，200 m的距離上為100 kbits/s。RS-485經(jīng)驗(yàn)法則是以比特/秒為單位的速度乘以電纜長(zhǎng)度(以米為單位)不應(yīng)超過(guò)10E8。因此，50 m 電纜的最快速度為 2 Mbits/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(jiàn)。BACnet MS/TP(一種在RS-485物理層(PHY)上運(yùn)行的通用樓宇自動(dòng)化協(xié)議)的最大速度為115，200位/秒)。

　　與其他串行通信鏈路相比，RS-485通信鏈路的主要優(yōu)點(diǎn)是其在惡劣工業(yè)環(huán)境中的高電氣噪聲耐受性。RS-485電氣噪聲抑制特性、長(zhǎng)電纜敷設(shè)、在一條線(xiàn)路上支持多個(gè)收發(fā)器以及相當(dāng)快的數(shù)據(jù)傳輸速度，很好地映射到BMS環(huán)境。

　　10BASE-T1L 以太網(wǎng)協(xié)議

　　隨著B(niǎo)MS需求的增加和數(shù)據(jù)集的豐富，吞吐量變得越來(lái)越重要。10BASE-T1L為通過(guò)雙絞線(xiàn)布線(xiàn)進(jìn)行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信提供了更高速率的替代方案，因?yàn)樗?000米范圍內(nèi)支持10 Mbits/s。 10BASE-T1L還解決了現(xiàn)場(chǎng)挑戰(zhàn)，如電源、布線(xiàn)、距離和數(shù)據(jù)孤島，同時(shí)還消除了對(duì)復(fù)雜網(wǎng)關(guān)的需求。

　　10BASE-T1L中的“10”表示10 Mbit/s的傳輸速率，“BASE”表示基帶信號(hào)，“T”表示“雙絞線(xiàn)”，數(shù)字“1”表示1公里(km)的范圍。最后一個(gè)“L”代表“遠(yuǎn)距離”，表示1公里的路段長(zhǎng)度。10BASE-T1L 能夠提供 500 毫瓦 (mW) 的功率，可將以太網(wǎng)引入本質(zhì)安全的 0 區(qū)或危險(xiǎn)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 瓦的功率。

　　10BASE-T1L 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇梢允蔷栈ㄦ?、線(xiàn)或環(huán)。如前所述，沒(méi)有網(wǎng)關(guān)：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從邊緣移動(dòng)到控制層，最終移動(dòng)到云，以更充分地實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化無(wú)縫通信的目標(biāo)。

　　無(wú)論傳感器是在制造工廠(chǎng)還是在辦公桌上，這種簡(jiǎn)化的以太網(wǎng)到云連接都可以使用手機(jī)或筆記本電腦配置傳感器。

　　樓宇自動(dòng)化 10BASE-T1L 硬件配置

　　為了開(kāi)發(fā)10BASE-T1L以太網(wǎng)連接檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可以從ADI公司獲得三種現(xiàn)成的選項(xiàng)。這 ADIN1100 是一款堅(jiān)固耐用的工業(yè)低功耗 10BASE-T1L 收發(fā)器，具有以太網(wǎng)物理層 (PHY);ADIN1110具有介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)和PHY接口(圖1)。

　　圖 1：ADIN1110 是一款低功耗單端口 10BASE-T1L 收發(fā)器，集成了以太網(wǎng) PHY 和 MAC。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　第三個(gè)選項(xiàng)是 ADIN2111，這是一款低功耗、低復(fù)雜性的雙端換機(jī)，具有兩個(gè)集成的 10BASE-T1L PHY 和一個(gè)串行外設(shè)接口 (SPI) 端口(圖 2)。使用 SPI 可降低對(duì)主機(jī)處理器的要求，為用戶(hù)提供更多選擇來(lái)優(yōu)化器件的功耗、成本和性能。

　　圖 2：ADIN2111 是一款集成 PHY 的低功耗、低復(fù)雜度雙端口開(kāi)關(guān)。 (圖片來(lái)源：ADI公司)

　　ADIN1100和ADIN2111 10BASE-T1L器件可以采用菊花鏈(圖3)、線(xiàn)或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@著減少了所需的布線(xiàn)量。

　　圖 3：所示為使用 ADIN1100 控制器和 ADIN2111 雙端換機(jī)的 10BASE-T1L 網(wǎng)絡(luò)的菊花鏈拓?fù)?。也可以使用線(xiàn)形或環(huán)形拓?fù)洹?圖片來(lái)源：ADI公司)

　　要開(kāi)始使用 10BASE-T1L，設(shè)計(jì)人員可以使用 EVAL-ADIN1100 ADIN1100評(píng)估板該板可輕松訪(fǎng)問(wèn)ADIN1100的所有功能，可通過(guò)PC上的圖形用戶(hù)界面(GUI)或通過(guò)獨(dú)立硬件配置操作進(jìn)行配置。它包括兩個(gè)用于 10BASE-T1L 電纜的插入式螺絲端子連接器和一個(gè)外部電源、帶 RJ45 連接器的 Cat 5e 以太網(wǎng)電纜和一根 USB-A 轉(zhuǎn)微型 USB-B 電纜。還提供了一個(gè)小的原型制作區(qū)域。

　　靈活的傳感器接口支持 10BASE-T1L

　　BMS 網(wǎng)絡(luò)的邊緣是溫度、壓力、負(fù)載、濕度和應(yīng)變片傳感器的復(fù)雜組合，需要各種模擬電路來(lái)捕獲和驅(qū)動(dòng) BMS 事件。

　　為了適應(yīng)這種接口，設(shè)計(jì)人員可以使用ADI公司的 AD74412R，用于過(guò)程控制和 BMS 應(yīng)用的四通道軟件可編程 I/O (SWIO) 接口 IC。SWIO為訪(fǎng)問(wèn)任何引腳上的任何I/O功能提供了獨(dú)特的靈活性，允許設(shè)計(jì)人員隨時(shí)配置通道。編程可以通過(guò)跨越整個(gè)建筑物的 2 線(xiàn)以太網(wǎng)通道即時(shí)進(jìn)行。這樣可以減少設(shè)計(jì)資源需求，并在整個(gè)自動(dòng)化建筑中快速?gòu)V泛部署通用產(chǎn)品。

　　AD74412R內(nèi)置模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入，能夠使用兼容的SPI執(zhí)行電阻溫度檢測(cè)器(RTD)測(cè)量。圖4顯示了其16位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一組診斷功能以及四個(gè)可配置的13位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，提供四個(gè)可配置的I/O通道。

　　圖 4：AD74412R 四通道 SWIO 具有 4 個(gè)可配置的 13 位 DAC，提供 4 個(gè)可配置的 I/O 通道。還包括一個(gè)16位Σ-Δ型ADC和一組診斷功能。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　與AD74412R相關(guān)的模式包括電流輸出、電壓輸出、電壓輸入、外部供電電流輸入、環(huán)路供電電流輸入、外部RTD測(cè)量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電數(shù)字輸入。AD74412R還為DAC和ADC提供高精度2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。

　　使用AD7441R評(píng)估板進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　AD74412R SWIO的模擬應(yīng)用幾乎數(shù)不勝數(shù)。為了幫助設(shè)計(jì)人員入門(mén)，ADI公司提供了一個(gè)評(píng)估板， EV-AD74412RSDZ (圖5)。該評(píng)估板允許通過(guò)板載重新配置選項(xiàng)和基于 PC 的可編程性進(jìn)行工程探索。

　　圖 5：EV-AD74412RSDZ 是適用于 AD74412R 的全功能評(píng)估板。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　The AD74412R 評(píng)估軟件 與 EV-AD74412RSDZ 通信，通過(guò) EVAL-SDP-CS1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)，將輸入和輸出信號(hào)從電路板上移開(kāi)。通過(guò)其下拉菜單界面，它簡(jiǎn)化了AD74412R的配置，并提供診斷工具。

　　結(jié)論

　　10BASE-T1L 提供下一代 BAS，在最遠(yuǎn) 1000 m 的距離內(nèi)具有 10 Mbit/s 的吞吐量，同時(shí)支持傳統(tǒng)的雙線(xiàn)雙絞線(xiàn)安裝。如圖所示，使用ADIN1100 10BASE-T1L收發(fā)器、ADIN2111雙端口以太網(wǎng)交換機(jī)以及AD74412R四通道軟件可編程I/O (SWIO)解決方案，設(shè)計(jì)人員可以快速實(shí)現(xiàn)向后和向前兼容的10BASE-T1L傳感器網(wǎng)絡(luò)。