作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

近年來，建筑自動化領域取得了巨大進步，使得更有效地管理商業和住宅樓成為可能。

如今，人們普遍需要高效和可持續的系統，以便為居住者提供更健康的建筑環境，同時最大限度地降低功耗，提高實時高數據吞吐量和控制功能。

建筑自動化帶來的挑戰

設計人員和系統集成商面臨著建筑自動化帶來的若干挑戰，其中包括：

• 技術很快過時：現有系統可能會因技術的快速進步而過時，導致功能、支持減小以及與新技術的集成度降低。
• 效率和可持續性要求：能源效率提升、故障檢測/診斷改進、室內環境質量 (IEQ) 監測和水資源管理對于建筑所有者和運營商來說都是所必需的。
• 數據分析和優化：數據分析和優化方面的現代趨勢要求在建筑自動化系統中加入數據收集、分析和解讀功能。這為建筑性能和低效檢測的數據驅動型優化以及實施糾正措施鋪平了道路。
• 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性。此外，不兼容性、專有協議和缺乏標準化也會影響系統效率。

如圖 1 所示，要解決這些問題，智能建筑必須具備以下能力

• 通過云連接實現企業級集中配置和管理
• 在控制器層面消除對轉換網關的依賴
• 將智能轉移到邊緣，使傳感器和執行器之間能夠交換大量數據

圖 1：為建筑物提供可互操作的邊緣到云連接。（圖片來源： [ADI]）

數據通信在工業和建筑自動化領域的重要性與日俱增。當前數據量的增加使人們意識到，傳統解決方案已接近其處理極限。因此，以太網正在成為主流通信標準。傳統的 4 線以太網解決方案已轉變為 2 線解決方案，即由單對雙絞線組成的 10BASE-T1L。

10BASE-T1L 標準如何推動變革

2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規范通過在單對雙絞線上實現了長達 1,000 米的 10 Mbps 全雙工通信，解決了多個工業和建筑管理通信問題。

10BASE-T1L 標準克服了傳統通信系統的若干限制，包括與建筑自動化領域的布線、帶寬、距離和電源有關的限制。下面詳細介紹 10BASE-T1L 標準如何消除這些限制：

• 布線：10BASE-T1L 標準提供了能夠使用單絞線對電纜傳輸以太網信號和電源的物理層解決方案，進而實現了諸如傳感器和執行器等現場設備的無縫以太網連接。這就不需要復雜而昂貴的布線基礎設施，從而簡化了以太網網絡建筑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，而無需進行網關轉換。
• 帶寬：10BASE-T1L 標準支持高達 10 Mbps 的數據傳輸速率，足以滿足各種建筑自動化應用的需要。這種帶寬高于僅限數個 kbps 的傳統現場總線，可傳輸來自傳感器或直接到執行器的數據，以及如配置和參數化數據等其他設備參數。
• 傳輸距離：10BASE-T1L 標準的支持長距離以太網連接的能力是其主要優勢之一。該標準允許的連接長度可達 1 公里，比傳統以太網標準要長得多。因此，該標準適用于設備分散在大面積區域內的應用，如工業廠房和汽車裝配車間。

此外，10BASE-T1L 標準由于功耗低，因此適合電力資源有限的環境。這對于電池壽命和功耗至關重要的現場設備來說極為關鍵。

在某些情況下，必須按照 10BASE-T1L 規定，通過該標準提供數據和電源（在非本質安全區域最高 60 W）。10BASE-T1L 支持兩種振幅模式：2.4 V 適用于長度達 1,000 m 的電纜，1.0 V 適用于最長 200 m 的較短電纜。通過 1.0 V 峰峰值振幅模式，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（最大功率限制在 500 mW）。

參考案例

10BASE-T1L 標準的典型使用案例如圖 2 所示。該智能建筑應用利用 10BASE-T1L 的特性在不同層收集和匯總數據，從終端節點（傳感器和執行器）到云上的企業/IT 層面。

房間控制器可直接連接現場設備（點對點），也可連接以菊花鏈形式連接的一系列設備。此外，還可對每個房間的控制器進行配置，以連接傳統設備。

每棟建筑都有自己的設備控制器，這種控制器通過 10BASE-T1L 鏈路與大量的房間控制器相連，并通過 100 Mb/Gb 工業以太網與其他建筑的設備控制器相連。

對于與傳感器和執行器的短距離連接（最長 25 米），如圖 2 右側的電梯轎廂控制器，10BASE-T1S 標準更為合適。

圖 2：智能建筑使用案例。（圖片來源： ADI）

10BASE-T1L 收發器

Analog Devices 開發的 [ADIN1110]是一款超低功耗、單端口 10BASE-T1L 收發器，適用于工業和建筑自動化領域基于以太網的應用。該收發器符合 IEEE 802.3cg-2019 以太網標準，適用于長距離、10 Mbps 單對以太網 (SPE) 傳輸應用，且專為這些應用而設計。

如圖 3 所示，該器件包含一個介質訪問控制 (MAC) 接口。這樣，就可以通過四線式串行外設接口 (SPI) 與多個主機控制器建立直接聯系。這種 SPI 允許使用功耗更低的處理器，因為無需集成 MAC，從而使系統的總體功耗達到最低。在配置 SPI 時，可選擇 Open Alliance SPI 協議和通用 SPI 協議。

ADIN1110 集成了電壓供應監控和上電復位 (POR) 電路，以增強系統級穩健性。該器件的功耗也很低（通常為 42 mW），支持 1 VPP 和 2.4 VPP 發送電平，以及自動協商和用于幀過濾的 16 個 MAC 地址。

圖 3：ADIN1110 MAC PHY 收發器框圖。（圖片來源： ADI）

10BASE-T1L 的覆蓋范圍更大，可以在更大的建筑中安裝自動化設備，同時保持無縫連接。得益于這種靈活性和可擴展性，設施管理人員可以毫不費力地監控、修改如照明、氣候/HVAC 控制、安防和能源管理等應用的設置。

此外，10BASE-T1L 提高了數據傳輸速率，可對建筑系統進行實時監控，從而提高運行效率。通過這項技術，可以改善自動化設備通信的響應時間、延遲和可靠性。

10BASE-T1L 以太網開關

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。可以構建和利用不同的網絡拓撲結構為連接設備供電。在建筑自動化中，交換機通常與控制器、傳感器和執行器相連。為了提高利用率，交換機可通過環形拓撲結構實現介質冗余。

為此，Analog Devices 開發出 [ADIN2111] 器件，這是一款專為建筑自動化網絡而設計的全面的 10BASE-T1L 以太網雙端口交換機（圖 4）。該設備為控制器、傳感器和執行器增加了長距離以太網連接，適合用于功率受限的小型邊緣設備。與分立器件相比，ADIN2111 可節省高達 50% 的功耗和 75% 的 PCB 空間。

圖 4：ADIN2111 的框圖。（圖片來源： ADI）

ADIN2111 專為直列式和環形菊花鏈網絡而設計，可利用建筑內現有的單雙絞線布線基礎設施，從而降低了改造成本。圖 5 顯示了如何連接多個設備，以實現環形（上方）和直列（下方）拓撲結構。請注意，最后一個邊緣傳感器連接的收發器帶有 PHY 和 MAC，而其他兩個傳感器連接的是交換機。

圖 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多種拓撲結構，可實現最高的設計靈活性和可擴展性。（圖片來源： ADI）

10BASE-T1L 交換機配備 16 個地址 MAC 查找表，支持直通、存儲轉發操作，從而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。高級數據包過濾功能減輕了處理器處理優先流量的負擔。

該交換機集成了先進的診斷功能，可減少安裝、調試和系統停機時間。其中包括帶有均方誤差 (MSE) 的鏈路質量指標、鏈路診斷和 IEEE 測試模式，以及使用時域反射儀 (TDR) 進行電纜缺陷檢測。該診斷解決方案由一個高精度片上 TDR 引擎和一套在微控制器主機上運行的算法組成，不僅在面對各種不同的電纜時具有極高的靈活性，而且實現了更先進的電纜診斷功能。

該解決方案符合 IEEE 802.3cg 標準，支持通過 1.7 km 布線進行以太網連接、環形冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和實時 KNX 在內的軟協議。還應注意的是，ADIN2111 在非托管配置中可用作中繼器，將覆蓋范圍擴展至 2000 米或更遠。

結語

10BASE-T1L 的推出為建筑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。該標準能夠充分利用現有基礎設施，提高了靈活性并改善了數據傳輸性能，是實施自動化解決方案的理想選擇。