原標題：如何經(jīng)濟高效地為樓宇管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)傳感器

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

　　大規(guī)模部署傳感器和執(zhí)行器，特別是對于傳統(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最大限度地降低成本，設(shè)計人員可以使用 10BASE-T1L 利用當(dāng)前安裝的單雙絞線以太網(wǎng)或 RS-485 布線?；贗EEE標準802.3cg-2019分組格式數(shù)據(jù)通信接口，10BASE-T1L在長達1000米(m)的距離內(nèi)具有每秒10兆比特(Mbits/s)的吞吐量。雙線接口還可以通過數(shù)據(jù)線供電，無需本地電源或布線。這也消除了對耗電網(wǎng)關(guān)的需求，因為它能夠連接到無限的設(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 以證明其易于實施。它還展示了如何使用軟件 I/O (SWIO) 技術(shù)來簡化以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)樓宇控制器的傳感器接口，同時保持樓宇管理系統(tǒng) (BMS) 的向后和向前兼容性。還介紹了一種合適的評估板，以幫助設(shè)計人員開始使用SWIO。

　　BAS或BMS的角色

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

　　監(jiān)控層在物理上是監(jiān)控設(shè)備所在的兩線傳輸層。監(jiān)控設(shè)備整合所有現(xiàn)場控制器流量。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)。該層支持標準以太網(wǎng)協(xié)議，如Modbus，KNX，BACnet和LON，通常用于樓宇管理系統(tǒng)。此層通過用戶界面將合并的數(shù)據(jù)傳送給客戶端或最終用戶。現(xiàn)場控制器層查看來自溫度傳感器和開關(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(通常稱為RS-485)已被BMS應(yīng)用的設(shè)計人員廣泛使用，因為它是一種具有多點通信鏈路的廉價本地網(wǎng)絡(luò)。RS-485是一種純電氣標準，用于定義在實現(xiàn)平衡多點傳輸線時接收器和驅(qū)動器的電氣特性。它支持通過一個雙絞線對連接進行雙向、半雙工數(shù)據(jù)交換，并允許多點連接(將多個收發(fā)器連接到同一線路)，這是BMS的理想選擇。

　　RS-485還支持相當(dāng)高的數(shù)據(jù)速率：在長達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)驗法則是以比特/秒為單位的速度乘以電纜長度(以米為單位)不應(yīng)超過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。BACnet MS/TP(一種在RS-485物理層(PHY)上運行的通用樓宇自動化協(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、長電纜敷設(shè)、在一條線路上支持多個收發(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BMS需求的增加和數(shù)據(jù)集的豐富，吞吐量變得越來越重要。10BASE-T1L為通過雙絞線布線進行的點對點通信提供了更高速率的替代方案，因為它在1000米范圍內(nèi)支持10 Mbits/s。 10BASE-T1L還解決了現(xiàn)場挑戰(zhàn)，如電源、布線、距離和數(shù)據(jù)孤島，同時還消除了對復(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，“T”表示“雙絞線”，數(shù)字“1”表示1公里(km)的范圍。最后一個“L”代表“遠距離”，表示1公里的路段長度。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)或危險區(qū)域應(yīng)用。在非本質(zhì)安全應(yīng)用中，它可以提供高達 60 瓦的功率。

　　10BASE-T1L 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲可以是菊花鏈、線或環(huán)。如前所述，沒有網(wǎng)關(guān)：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從邊緣移動到控制層，最終移動到云，以更充分地實現(xiàn)樓宇自動化無縫通信的目標。

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

　　樓宇自動化 10BASE-T1L 硬件配置

　　為了開發(fā)10BASE-T1L以太網(wǎng)連接檢測節(jié)點，設(shè)計人員可以從ADI公司獲得三種現(xiàn)成的選項。這 ADIN1100 是一款堅固耐用的工業(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)訪問控制(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。(圖片來源：ADI公司)

　　第三個選項是 ADIN2111，這是一款低功耗、低復(fù)雜性的雙端換機，具有兩個集成的 10BASE-T1L PHY 和一個串行外設(shè)接口 (SPI) 端口(圖 2)。使用 SPI 可降低對主機處理器的要求，為用戶提供更多選擇來優(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)雜度雙端口開關(guān)。 (圖片來源：ADI公司)

　　ADIN1100和ADIN2111 10BASE-T1L器件可以采用菊花鏈(圖3)、線或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)部署。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓撲顯著減少了所需的布線量。

　　圖 3：所示為使用 ADIN1100 控制器和 ADIN2111 雙端換機的 10BASE-T1L 網(wǎng)絡(luò)的菊花鏈拓撲。也可以使用線形或環(huán)形拓撲。(圖片來源：ADI公司)

　　要開始使用 10BASE-T1L，設(shè)計人員可以使用 EVAL-ADIN1100 ADIN1100評估板該板可輕松訪問ADIN1100的所有功能，可通過PC上的圖形用戶界面(GUI)或通過獨立硬件配置操作進行配置。它包括兩個用于 10BASE-T1L 電纜的插入式螺絲端子連接器和一個外部電源、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捕獲和驅(qū)動 BMS 事件。

　　為了適應(yīng)這種接口，設(shè)計人員可以使用ADI公司的 AD74412R，用于過程控制和 BMS 應(yīng)用的四通道軟件可編程 I/O (SWIO) 接口 IC。SWIO為訪問任何引腳上的任何I/O功能提供了獨特的靈活性，允許設(shè)計人員隨時配置通道。編程可以通過跨越整個建筑物的 2 線以太網(wǎng)通道即時進行。這樣可以減少設(shè)計資源需求，并在整個自動化建筑中快速廣泛部署通用產(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)行電阻溫度檢測器(RTD)測量。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可配置的13位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，提供四個可配置的I/O通道。

　　圖 4：AD74412R 四通道 SWIO 具有 4 個可配置的 13 位 DAC，提供 4 個可配置的 I/O 通道。還包括一個16位Σ-Δ型ADC和一組診斷功能。(圖片來源：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)部基準電壓源。

　　使用AD7441R評估板進行設(shè)計

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

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

　　The AD74412R 評估軟件 與 EV-AD74412RSDZ 通信，通過 EVAL-SDP-CS1Z 系統(tǒng)演示平臺(SDP)，將輸入和輸出信號從電路板上移開。通過其下拉菜單界面，它簡化了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 1000 m 的距離內(nèi)具有 10 Mbit/s 的吞吐量，同時支持傳統(tǒng)的雙線雙絞線安裝。如圖所示，使用ADIN1100 10BASE-T1L收發(fā)器、ADIN2111雙端口以太網(wǎng)交換機以及AD74412R四通道軟件可編程I/O (SWIO)解決方案，設(shè)計人員可以快速實現(xiàn)向后和向前兼容的10BASE-T1L傳感器網(wǎng)絡(luò)。