智能建筑為業(yè)主和住戶提供了豐富的福利。通過使用傳感器收集環(huán)境和占用數(shù)據(jù),可以優(yōu)化加熱和空調(diào)系統(tǒng),以保持乘客舒適而不浪費(fèi)能源。照明系統(tǒng)可以響應(yīng)占用水平和時間條件,以使室內(nèi)照明節(jié)能。外部照明系統(tǒng),智能控制,提高安全性。智能建筑應(yīng)急系統(tǒng)可以為緊急救援人員確定最快和最安全的出口或出入路徑。
如果電源不需要與智能建筑的傳感和控制子系統(tǒng)共存,部署靈活性可以顯著提高。使用以太網(wǎng)供電(PoE)可以增加子系統(tǒng)部署選項,同時保留比無線實施更強(qiáng)大,更安全的“強(qiáng)化”通信功能。本文將介紹PoE系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,并說明如何在示例設(shè)計中實現(xiàn)它們。
基礎(chǔ)知識
PoE是一種電力傳輸和數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn),可以為智能連接建筑內(nèi)的遠(yuǎn)程傳感器,聚合器,無線網(wǎng)關(guān),安全攝像頭和控制器提供方便的電源。電源安全交付,可以為新興的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)提供高達(dá)12.95 W(IEEE 802.3af)和高達(dá)25.5 W的電源。
下面的圖1顯示了帶有供電設(shè)備的典型PoE系統(tǒng)(PSE)位于左側(cè),受電設(shè)備(PD)位于右側(cè)。在此示例中,電源是以太網(wǎng)交換機(jī),受電設(shè)備是辦公室電話。這兩個設(shè)備通過以太網(wǎng)雙絞線電纜連接,使用兩根數(shù)據(jù)線和兩根備用電源線連接48 V電源。電源由供電側(cè)的特殊PSE控制器和供電側(cè)的供電接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器管理。
圖1:以太網(wǎng)供電系統(tǒng)架構(gòu)(由凌力爾特提供)
PoE系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一是便于需要以太網(wǎng)連接的嵌入式連接設(shè)備。不需要“拉動”額外的電線來為這些系統(tǒng)供電,13 W至25 W的可用功率足以滿足大多數(shù)智能建筑遠(yuǎn)程設(shè)備的需求。 PoE系統(tǒng)的成本也較低,因為不需要額外的墻上適配器。這種方法的另一個好處是基于PoE的設(shè)備可以輕松地遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉,這支持智能電源管理系統(tǒng)。請注意,由于PoE系統(tǒng)與主電源系統(tǒng)是分開的,因此當(dāng)提供備用電源為智能建筑的PoE部分供電時,可以更容易地在斷電情況下使用它。這在緊急情況下尤其有用。
PoE應(yīng)用程序從IP語音(VoIP)電話和無線接入點開始,但一直在穩(wěn)步增長,包括安全攝像頭,用于安全進(jìn)入的RFID閱讀器,照明控制,電能計量,環(huán)境傳感器和控制。在智能建筑內(nèi),PoE可用于多個無線設(shè)備的聚合點,這些設(shè)備用于管理室內(nèi)照明,占用檢測,供暖和通風(fēng)控制(HVAC)以及用于優(yōu)化建筑物管理系統(tǒng)的各種外部環(huán)境傳感器。智能建筑也在使用大數(shù)據(jù)來幫助節(jié)約能源,提高入住安全性和舒適度。
實施PoE系統(tǒng)
如圖2所示,凌力爾特公司的LTC4266可以實現(xiàn)POE系統(tǒng)的PSE部分。事實上,LTC4266是一款四通道器件,可為多達(dá)四個獨(dú)立的PD子系統(tǒng)供電。這使得LTC4266非常適用于采用多個以太網(wǎng)連接的以太網(wǎng)集線器和集線器。 PSE設(shè)備的一個重要特性是能夠區(qū)分不支持POE的傳統(tǒng)以太網(wǎng)系統(tǒng)和那些支持POE的傳統(tǒng)以太網(wǎng)系統(tǒng)。如果提供PoE電壓,則可能會損壞不支持PoE的設(shè)備,因此使用簡單的檢測方案來識別支持PoE的設(shè)備。有效的PD在其輸入端提供25kΩ的共模電阻,因此很容易確定是否可以安全供電。
圖2 :采用Linear Technology LTC4266作為PSE的POE系統(tǒng)。 (由Linear Technology提供)
LTC4266通過SMBus/I2C2線接口進(jìn)行配置和控制。此接口可用于根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用程序的需要配置LTC4266的許多功能。電流限制,過載限制,電流/電壓監(jiān)控和中斷信號選擇的設(shè)置均可通過串行接口進(jìn)行編程。通常,電源管理MCU與LTC4266結(jié)合使用,以創(chuàng)建智能電源管理系統(tǒng),監(jiān)控和控制本地電源傳輸,并通知更高級系統(tǒng)元件電源事件。
實現(xiàn)PD接口
系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵要素是PD接口。 PoE系統(tǒng)的這一部分通過以太網(wǎng)電纜管理PSE源提供的電源。提供這一重要功能的示例器件是STMicroelectronics PM8800A PoE-PD接口。該器件集成了幾個與PoE相關(guān)的功能,以簡化PD子系統(tǒng)的設(shè)計。圖3顯示了使用PM8800A和完成設(shè)計所需的外部組件的典型PD實現(xiàn)。
圖3:使用ST PM8800A的PD子系統(tǒng)(由STMicroelectronics提供)
PM8800A是一款單片器件,嵌入符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD接口和電流模式脈沖寬度調(diào)制器,可用于所有PoE供電設(shè)備。除了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3af功能外,PM8800A還為新興的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)提供了功能,專門針對標(biāo)準(zhǔn)PSE設(shè)備允許的12.95 W需要更高功率的設(shè)備或系統(tǒng)。增加欠壓鎖定,浪涌和連續(xù)電流限制,以及啟動期間的高壓調(diào)節(jié)和電源良好指示,使設(shè)計非常穩(wěn)健。
完整的另一個例子-featured PoE PD接口設(shè)備是Texas Instruments TPS23752PWP以太網(wǎng)供電控制器。它實現(xiàn)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)功能,但還包括特殊的睡眠模式功能。睡眠模式允許在夜間(或其他系統(tǒng)驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn))通過關(guān)閉有源負(fù)載電路來節(jié)省功率,同時保持PD的足夠功能以響應(yīng)本地上電請求。睡眠輸入驅(qū)動為低電平時啟動睡眠模式。此事件鎖存睡眠模式,并禁用轉(zhuǎn)換器。 TPS23752通過吸收足夠的電流來滿足IEEE 802.3at MPS要求,向PSE發(fā)出希望在睡眠期間保持供電的信號。
用于智能建筑環(huán)境監(jiān)控的完整PoE系統(tǒng)
適用于智能建筑監(jiān)控子系統(tǒng)的完整PoE系統(tǒng)需要大量的管理和控制,因此通常使用MCU來協(xié)助管理PoE交付。一些建筑物,特別是制造業(yè)建筑物,當(dāng)需要高可靠性和可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)流量時,也可能希望使用工業(yè)以太網(wǎng)作為通信系統(tǒng)的一部分。支持工業(yè)以太網(wǎng)的MCU,例如Texas Instruments AM3352,通常可以充當(dāng)這一重要角色。圖4顯示了在工業(yè)環(huán)境中使用智能監(jiān)控和PoE的智能建筑的框圖。
圖4:智能建筑的框圖監(jiān)控子系統(tǒng)
AM3352 MCU功能強(qiáng)大,足以實現(xiàn)各種智能算法,用于感應(yīng)和控制照明,HVAC,標(biāo)牌,占用,材料傳輸和過程控制的能源使用。圖形用戶界面使本地系統(tǒng)管理員可以輕松查看操作,工業(yè)以太網(wǎng)端口可提供快速數(shù)據(jù)移動以及遠(yuǎn)程管理端口,以監(jiān)控子系統(tǒng)活動。本地數(shù)據(jù)記錄器可以記錄關(guān)鍵事件以進(jìn)行進(jìn)一步分析。 LTC4266 PSE器件在MCU的控制下向選定的PD目標(biāo)提供電源。 ST PM8800A在所有遠(yuǎn)程傳感器和監(jiān)視器子系統(tǒng)上提供PD功能。這些子系統(tǒng)分布在整個建筑和材料處理系統(tǒng)中,可以獨(dú)立于主電源系統(tǒng)供電,從而創(chuàng)建更加強(qiáng)大和容錯的實現(xiàn)。
總之,PoE為智能建筑提供了一種有效的方法無需傳統(tǒng)電源即可擴(kuò)展傳感器,攝像機(jī)和應(yīng)急系統(tǒng)的范圍。當(dāng)與功能強(qiáng)大的MCU和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合使用時,PoE傳輸系統(tǒng)將成為整個能源管理系統(tǒng)的一個組成部分,使智能建筑更加智能化。
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