原标题：如何经济高效地为楼宇管理系统联网传感器

　　楼宇自动化降低了设施的运营和维护成本，同时也为建筑物的居住者提供了更安全、更舒适的环境。楼宇自动化系统 (BAS) 性能的提高依赖于来自越来越多的传感器以及越来越多的控制/执行器(部署在整个建筑物中的更多数据)。这种部署需要一种经济高效的方式，将捕获的数据从传感节点传输到中央集线器或云，在那里可以对其进行分析和操作，并提供所需的控制信号。

　　大规模部署传感器和执行器，特别是对于传统建筑以及电力不容易获得的地方，可能需要大量且昂贵的返工，以确保建筑物的全面覆盖。迄今为止， RS-485 网络一直是一种经济高效的改造解决方案，但更丰富的数据集和更高的数据速率需要具有更高吞吐量的替代方案。

　　为了在提高吞吐量的同时最大限度地降低成本，设计人员可以使用 10BASE-T1L 利用当前安装的单双绞线以太网或 RS-485 布线。基于IEEE标准802.3cg-2019分组格式数据通信接口，10BASE-T1L在长达1000米(m)的距离内具有每秒10兆比特(Mbits/s)的吞吐量。双线接口还可以通过数据线供电，无需本地电源或布线。这也消除了对耗电网关的需求，因为它能够连接到无限的设备。

　　本文讨论建筑控制要求以及迄今为止如何解决这些要求。然后介绍 10BASE-T1L 以太网和示例解决方案 ADI公司 以证明其易于实施。它还展示了如何使用软件 I/O (SWIO) 技术来简化以太网网络楼宇控制器的传感器接口，同时保持楼宇管理系统 (BMS) 的向后和向前兼容性。还介绍了一种合适的评估板，以帮助设计人员开始使用SWIO。

　　BAS或BMS的角色

　　BAS或BMS是指建筑物各种系统的自动化和管理。BMS的目标范围从居住者的舒适度到建筑系统的效率，运营和维护成本以及安全性。BMS 中的四个层是监督层、服务器/应用程序层、现场控制器层和输入/输出层。

　　监控层在物理上是监控设备所在的两线传输层。监控设备整合所有现场控制器流量。服务器/应用程序从不同的监控设备接收数据。该层支持标准以太网协议，如Modbus，KNX，BACnet和LON，通常用于楼宇管理系统。此层通过用户界面将合并的数据传送给客户端或最终用户。现场控制器层查看来自温度传感器和开关的输入数据，并控制系统输出，例如执行器和继电器。

　　BMS难题的最后一块是输入/输出层。这一层是传感器和控制设备所在的位置。一些传感器和执行器支持 TCP/IP，无需控制器。

　　RS-485：经典的BMS连接解决方案

　　迄今为止，TIA/EIA-485接口(通常称为RS-485)已被BMS应用的设计人员广泛使用，因为它是一种具有多点通信链路的廉价本地网络。RS-485是一种纯电气标准，用于定义在实现平衡多点传输线时接收器和驱动器的电气特性。它支持通过一个双绞线对连接进行双向、半双工数据交换，并允许多点连接(将多个收发器连接到同一线路)，这是BMS的理想选择。

　　RS-485还支持相当高的数据速率：在长达10米的距离上为35 Mbits/s，在1，200 m的距离上为100 kbits/s。RS-485经验法则是以比特/秒为单位的速度乘以电缆长度(以米为单位)不应超过10E8。因此，50 m 电缆的最快速度为 2 Mbits/s。然而，在RS-485楼宇控制应用中使用如此高的速率并不常见。BACnet MS/TP(一种在RS-485物理层(PHY)上运行的通用楼宇自动化协议)的最大速度为115，200位/秒)。

　　与其他串行通信链路相比，RS-485通信链路的主要优点是其在恶劣工业环境中的高电气噪声耐受性。RS-485电气噪声抑制特性、长电缆敷设、在一条线路上支持多个收发器以及相当快的数据传输速度，很好地映射到BMS环境。

　　10BASE-T1L 以太网协议

　　随着BMS需求的增加和数据集的丰富，吞吐量变得越来越重要。10BASE-T1L为通过双绞线布线进行的点对点通信提供了更高速率的替代方案，因为它在1000米范围内支持10 Mbits/s。 10BASE-T1L还解决了现场挑战，如电源、布线、距离和数据孤岛，同时还消除了对复杂网关的需求。

　　10BASE-T1L中的“10”表示10 Mbit/s的传输速率，“BASE”表示基带信号，“T”表示“双绞线”，数字“1”表示1公里(km)的范围。最后一个“L”代表“远距离”，表示1公里的路段长度。10BASE-T1L 能够提供 500 毫瓦 (mW) 的功率，可将以太网引入本质安全的 0 区或危险区域应用。在非本质安全应用中，它可以提供高达 60 瓦的功率。

　　10BASE-T1L 以太网网络的拓扑可以是菊花链、线或环。如前所述，没有网关：以太网数据包从边缘移动到控制层，最终移动到云，以更充分地实现楼宇自动化无缝通信的目标。

　　无论传感器是在制造工厂还是在办公桌上，这种简化的以太网到云连接都可以使用手机或笔记本电脑配置传感器。

　　楼宇自动化 10BASE-T1L 硬件配置

　　为了开发10BASE-T1L以太网连接检测节点，设计人员可以从ADI公司获得三种现成的选项。这 ADIN1100 是一款坚固耐用的工业低功耗 10BASE-T1L 收发器，具有以太网物理层 (PHY);ADIN1110具有介质访问控制(MAC)和PHY接口(图1)。

　　图 1：ADIN1110 是一款低功耗单端口 10BASE-T1L 收发器，集成了以太网 PHY 和 MAC。(图片来源：ADI公司)

　　第三个选项是 ADIN2111，这是一款低功耗、低复杂性的双端换机，具有两个集成的 10BASE-T1L PHY 和一个串行外设接口 (SPI) 端口(图 2)。使用 SPI 可降低对主机处理器的要求，为用户提供更多选择来优化器件的功耗、成本和性能。

　　图 2：ADIN2111 是一款集成 PHY 的低功耗、低复杂度双端口开关。 (图片来源：ADI公司)

　　ADIN1100和ADIN2111 10BASE-T1L器件可以采用菊花链(图3)、线或环形网络拓扑结构部署。与星形网络相比，这些网络拓扑显著减少了所需的布线量。

　　图 3：所示为使用 ADIN1100 控制器和 ADIN2111 双端换机的 10BASE-T1L 网络的菊花链拓扑。也可以使用线形或环形拓扑。(图片来源：ADI公司)

　　要开始使用 10BASE-T1L，设计人员可以使用 EVAL-ADIN1100 ADIN1100评估板该板可轻松访问ADIN1100的所有功能，可通过PC上的图形用户界面(GUI)或通过独立硬件配置操作进行配置。它包括两个用于 10BASE-T1L 电缆的插入式螺丝端子连接器和一个外部电源、带 RJ45 连接器的 Cat 5e 以太网电缆和一根 USB-A 转微型 USB-B 电缆。还提供了一个小的原型制作区域。

　　灵活的传感器接口支持 10BASE-T1L

　　BMS 网络的边缘是温度、压力、负载、湿度和应变片传感器的复杂组合，需要各种模拟电路来捕获和驱动 BMS 事件。

　　为了适应这种接口，设计人员可以使用ADI公司的 AD74412R，用于过程控制和 BMS 应用的四通道软件可编程 I/O (SWIO) 接口 IC。SWIO为访问任何引脚上的任何I/O功能提供了独特的灵活性，允许设计人员随时配置通道。编程可以通过跨越整个建筑物的 2 线以太网通道即时进行。这样可以减少设计资源需求，并在整个自动化建筑中快速广泛部署通用产品。

　　AD74412R内置模拟输入、模拟输出、数字输入，能够使用兼容的SPI执行电阻温度检测器(RTD)测量。图4显示了其16位Σ-Δ模数转换器(ADC)、一组诊断功能以及四个可配置的13位数模转换器(DAC)，提供四个可配置的I/O通道。

　　图 4：AD74412R 四通道 SWIO 具有 4 个可配置的 13 位 DAC，提供 4 个可配置的 I/O 通道。还包括一个16位Σ-Δ型ADC和一组诊断功能。(图片来源：ADI公司)

　　与AD74412R相关的模式包括电流输出、电压输出、电压输入、外部供电电流输入、环路供电电流输入、外部RTD测量、数字输入逻辑和环路供电数字输入。AD74412R还为DAC和ADC提供高精度2.5 V内部基准电压源。

　　使用AD7441R评估板进行设计

　　AD74412R SWIO的模拟应用几乎数不胜数。为了帮助设计人员入门，ADI公司提供了一个评估板， EV-AD74412RSDZ (图5)。该评估板允许通过板载重新配置选项和基于 PC 的可编程性进行工程探索。

　　图 5：EV-AD74412RSDZ 是适用于 AD74412R 的全功能评估板。(图片来源：ADI公司)

　　The AD74412R 评估软件 与 EV-AD74412RSDZ 通信，通过 EVAL-SDP-CS1Z 系统演示平台(SDP)，将输入和输出信号从电路板上移开。通过其下拉菜单界面，它简化了AD74412R的配置，并提供诊断工具。

　　结论

　　10BASE-T1L 提供下一代 BAS，在最远 1000 m 的距离内具有 10 Mbit/s 的吞吐量，同时支持传统的双线双绞线安装。如图所示，使用ADIN1100 10BASE-T1L收发器、ADIN2111双端口以太网交换机以及AD74412R四通道软件可编程I/O (SWIO)解决方案，设计人员可以快速实现向后和向前兼容的10BASE-T1L传感器网络。