作者：Rolf Horn

　　近年来，楼宇自动化领域取得了巨大进步，使得商业和住宅建筑的更有效管理成为可能。

　　如今，人们普遍需要高效且可持续的系统，以使建筑物为居住者提供更健康的环境，同时最大限度地减少功耗并提高实时高数据吞吐量和控制能力。

　　楼宇自动化的挑战

　　设计师和系统集成商面临着楼宇自动化带来的多项挑战，包括：

　　技术快速过时：由于技术的快速改进，现有系统可能会过时，导致功能、支持以及与新技术的集成减少。

　　效率和可持续性要求：能源效率、故障检测/诊断改进、室内环境质量 (IEQ) 监测和水资源管理都是建筑业主和运营商的必需品。

　　数据分析和优化：数据分析和优化的现代趋势需要将数据收集、分析和解释功能纳入构建自动化系统。这为数据驱动的建筑性能优化、低效检测和纠正措施实施铺平了道路。

　　互操作性：很难确保不同供应商提供的系统之间的兼容性和集成。此外，系统的效率可能会因不兼容性、专有协议和缺乏标准化而受到阻碍。

　　如图 1 所示，解决这些问题需要智能建筑具备以下能力：

　　通过云连接实现企业级集中配置和管理

　　消除控制器级别对转换网关的依赖

　　将智能移至边缘，使传感器和执行器能够交换大量数据

　　图 1：为建筑物提供可互操作的边缘到云连接。 (来源：ADI)

　　数据通信在工业和楼宇自动化领域的重要性日益增强。当前数据量的增长使人们认识到传统解决方案正在接近其生理阈值。因此，以太网正在成为流行的通信标准。传统的 4 线以太网解决方案已转变为称为 10BASE-T1L 的 2 线解决方案，该解决方案由单对双绞线组成。

　　10BASE-T1L 标准如何推动变革

　　2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 规范通过单对双绞线实现长达 1,000 米的 10 Mbps 全双工通信，解决了多个工业和楼宇管理通信问题。

　　10BASE-T1L 标准克服了传统通信系统的多项限制，包括楼宇自动化领域中与布线、带宽、距离和功率相关的限制。以下是 10BASE-T1L 标准如何解决这些限制的详细说明：

　　布线：10BASE-T1L 标准通过提供能够通过单对双绞线传输以太网信号和电源的物理层解决方案，为传感器和执行器等现场级设备实现无缝以太网连接。这消除了对复杂且昂贵的布线基础设施的需求，从而促进了以太网网络建设自动化的部署和安装。除此之外，以太网数据包可以直接从边缘传输到云端，无需网关转换。

　　带宽：10BASE-T1L 标准支持高达 10 Mbps 的数据传输速率，足以满足各种楼宇自动化应用的需求。该带宽高于传统现场总线(限制为几 kbps)，并且能够从传感器传输值或直接传输到执行器，以及附加设备参数，例如配置和参数化数据。

　　距离：10BASE-T1L 标准支持长距离以太网连接的能力是其主要优势之一。它允许的连接长度可达 1 公里，这比传统的以太网标准要长得多。这使得它适合设备分散在大面积区域的应用，例如工业工厂和汽车装配厂。

　　此外，10BASE-T1L 标准由于其低功耗要求而适用于电源资源有限的环境。这对于电池寿命和功耗至关重要的现场级设备至关重要。

　　在某些情况下，有必要通过 10BASE-T1L 提供标准中定义的数据和电源(在非本质安全区域中高达 60 W)。 10BASE-T1L 支持两种幅度模式：2.4 V 适用于最长 1,000 m 的电缆长度，1.0 V 适用于最长 200 m 的较短长度。通过1.0 V峰峰值幅度模式，该技术还可用于防爆环境(危险区域)，并满足严格的最大电流消耗要求(最大功率限制为500 mW)。

　　参考用例

　　10BASE-T1L 标准的典型用例如图 2 所示。该智能建筑应用程序利用 10BASE-T1L 的属性来收集和聚合不同级别的数据，从终端节点(传感器和执行器)到企业/云上的IT水平。

　　房间控制器可以与现场设备直接(点对点)连接，或连接到以菊花链链接的一系列设备。此外，每个房间控制器都可以配置为接受来自传统设备的连接。

　　每座建筑物都有自己的工厂控制器，它通过 10BASE-T1L 链路连接到大量房间控制器，并通过 100 Mb/Gb 工业以太网连接到其他建筑物的工厂控制器。

　　对于传感器和执行器的短距离连接(最长 25 米)，如图 2 右侧电梯轿厢控制器的情况，10BASE-T1S 标准更合适。

　　图 2：智能建筑用例。 (来源：ADI)

　　10BASE-T1L 收发器

　　Analog Devices 开发了ADIN1110，这是一款超低功耗、单端口、10BASE-T1L 收发器，适用于工业和楼宇自动化中基于以太网的应用。它符合长距离 10 Mbps 单对以太网 (SPE) 的 IEEE 802.3cg-2019 以太网标准，专为这些应用而设计。

　　如图 3 所示，该组件包含一个媒体访问控制 (MAC) 接口。这样就可以使用四根线的串行外设接口 (SPI) 与多个主机控制器建立直接联系。该 SPI 允许使用功耗较低的处理器，因为不需要集成 MAC，从而使系统的总体功耗最低。配置 SPI 时，开放联盟 SPI 协议和通用 SPI 协议均可作为与 SPI 一起使用的选项。

　　ADIN1110 集成了电压电源监控和加电复位 (POR) 电路，以增强系统级稳健性。它还具有低功耗(通常为 42 mW)，支持 1 VPP 和 2.4 VPP 传输级别，以及自动协商和用于帧过滤的 16 个 MAC 地址。

　　图 3：ADIN1110 MAC PHY 收发器的框图。 (来源：ADI)

　　10BASE-T1L 的更大范围使得可以在较大的建筑物中安装自动化设备，同时保持无缝连接。得益于这种灵活性和可扩展性，设施经理可以轻松监控和修改照明、气候/HVAC 控制、安全和能源管理等应用的设置。

　　此外，10BASE-T1L 更高的数据传输速率可实现楼宇系统的实时监控和控制，从而提高运营效率。该技术提高了自动化设备通信的响应时间、延迟和可靠性。

　　10BASE-T1L 以太网交换机

　　与以太网标准一样，10BASE-T1L 提供用于连接各种网段和设备的交换机。可以构建并利用不同的网络拓扑来为连接的设备供电。在楼宇自动化中，开关通常连接到控制器、传感器和执行器。为了获得更高的可用性，交换机以环形拓扑的形式启用介质冗余。

　　为此，Analog Devices 开发了ADIN2111，这是一款专为楼宇自动化网络设计的完整 10BASE-T1L 以太网二端口交换机(图 4)。该设备为控制器、传感器和执行器添加了远程以太网连接，适合在小型、功率受限的边缘设备中使用。与分立实施相比，ADIN2111 可节省高达 50% 的功耗，并节省高达 75% 的 PCB 空间。

　　图 4：ADIN2111 的框图。 (来源：ADI)

　　ADIN2111 专为串联和环形菊花链网络而设计，利用建筑物内现有的单双绞线布线基础设施，从而降低改造成本。图 5 显示了如何连接多个设备以实现环形(上侧)和串联(下侧)拓扑。请注意，最后一个边缘传感器连接到具有 PHY 和 MAC 的收发器，而另外两个则连接到交换机。

　　图 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多种拓扑，以实现最大的设计灵活性和可扩展性。 (来源：ADI)

　　10BASE-T1L交换机配备16地址MAC查找表，支持直通以及存储和转发操作，允许用户在处理和转发数据包时优先考虑延迟或错误处理。高级数据包过滤减轻了处理器处理优先级流量的负担。

　　该交换机具有先进的诊断功能，可减少安装、调试和系统中断。其中包括具有均方误差 (MSE) 的链路质量指示器、链路诊断和 IEEE 测试模式，以及使用时域反射计 (TDR) 的电缆缺陷检测。该诊断解决方案由高精度片上 TDR 引擎和一组在主机微控制器上运行的算法组成，可为各种电缆提供最大的灵活性和更先进的电缆诊断功能。

　　该解决方案符合 IEEE 802.3cg 标准，支持超过 1.7 公里布线的以太网连接、环网冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和实时 KNX 在内的软协议。还应该指出的是，ADIN2111 可以在非托管配置中用作中继器，以将覆盖范围扩展到 2,000 米以上。

　　结论

　　10BASE-T1L 的推出为楼宇自动化创造了新的机遇，彻底改变了商业和住宅空间的管理和控制方式。由于它能够利用现有基础设施、提供灵活性并改进数据传输，因此它是实施自动化解决方案的理想解决方案。