如何经济高效地对楼宇管理系统的传感器进行联网
作者：Bonnie Baker
投稿人：DigiKey 北美编辑
楼宇自动化可降低设施的运营和维护成本，同时也为楼宇住户提供更安全和更舒适的环境。要改进楼宇自动化系统 (BAS) 的性能，需要从越来越多的传感器收集更多数据，并传输至部署于整个建筑中的更多控制装置/致动器。这种部署需要采用经济且有效的方式，将捕获的数据从检测节点传送到中央集线器或云端，从而对其进行分析及采取行动，并传递所需的控制信号。
大规模部署传感器和致动器可能需要大量且昂贵的返工，以确保全面覆盖建筑，尤其对于传统建筑及不易通电的场所。迄今为止，[RS-485]网络一直是经济有效的改造解决方案，但更丰富的数据集和更高的数据速率需要吞吐量更大的替代方案。
为了在增加吞吐量的同时最大限度地降低成本，设计人员可以借助 10BASE-T1L 来利用目前安装的单路双绞线以太网或 RS-485 布线。10BASE-T1L 基于 IEEE 标准 802.3cg-2019 封装格式的数据通信接口，在长达 1000 m 距离下提供 10 Mbit/s 吞吐量。双线接口还可以选择通过数据线供电，因而不需要本地电源或布设电源电缆。这种方式能够连接无限个设备，因此消除了对高耗电网关的需求。
本文讨论楼宇控制要求以及迄今为止的解决方案。随后将介绍 10BASE-T1L 以太网和 [Analog Devices]的解决方案示例，以证明其易于实现。本文还会展示如何利用软件 I/O (SWIO) 技术简化适用于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。还将介绍一款合适的评估板，以帮助设计人员入门 SWIO。
BAS 或 BMS 的作用
BAS 或 BMS 指的是各种楼宇系统的自动化和管理。BMS 的目标包括住户的舒适度、楼宇系统的能效、运行和维护成本以及安全性。BMS 的四个层次分别为监控层、服务器/应用层、现场控制器层和输入/输出层。
监控层实际上就是监控设备所在的双线传输层。监控设备整合了所有现场控制器的流量。服务器/应用层接收来自不同监控设备的数据。该层支持标准的以太网协议，如楼宇管理系统常用的 Modbus、KNX、BACnet 和 LON。该层通过用户界面将整合的数据传输至客户端或最终用户。现场控制器层处理来自温度传感器和交换机的输入数据，并控制系统输出，如致动器和继电器。
BMS 的最后组成部分是输入/输出层。该层是传感器和控制设备所在的地方。一些传感器和致动器支持 TCP/IP，因而不需要控制器。
RS-485：经典的 BMS 连接解决方案
目前，TIA/EIA-485 接口（通常称为 RS-485）已经受到 BMS 应用设计人员的广泛采用，因为它是具有多路通信链接且经济实惠的本地网络。RS-485 是纯电气标准，定义了实施平衡多点传输线时接收器和驱动器的电气特性。它支持通过一条双绞线对连接进行双向、半双工的数据交换，并允许多路连接（将数个收发器连接到同一条线路），这非常适合 BMS。
RS-485 还支持合理的高数据速率：在长达 10 m 的距离支持 35 Mbit/s，在 1200 m 的距离支持 100 kbit/s。根据 RS-485 经验法则，速度 (bit/s) 乘以电缆长度 (m) 不应超过 10E8。因此，50 m 电缆的最快速度为 2 Mbit/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 是在 RS-485 物理层 (PHY) 运行的常见楼宇自动化协议，最高速度为 115,200 bit/s。
与其他串行通信链路相比，RS-485 通信链路的主要优势是在严苛的工业环境中对电噪声容限高。RS-485 具备电噪声抑制特性、长电缆传输距离、支持一条线路上连接多个收发器，以及合理的高数据传输速度，非常适合 BMS 环境。
10BASE-T1L 以太网协议
随着 BMS 要求增加和数据集更丰富，吞吐量变得越来越重要。10BASE-T1L 为通过双绞线的点对点通信提供更高速率的替代方案，因为它在 1000 m 的距离支持 10 Mbit/s 的速率。10BASE-T1L 还解决了诸如电源、电缆、距离和数据岛等现场挑战，同时无需使用复杂的网关。
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 km 范围。最后的“L”表示“长距离”，表明 1 km 的区段长度。10BASE-T1L 能够提供 500 mW 功率，将以太网带入本质安全的 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 W 的功率。
10BASE-T1L 以太网网络的拓扑结构可以是菊花链、直线形或环形。如前所述，未采用网关：以太网数据包从边缘移动到控制层，最后移动到云端，因此能更充分地实现楼宇自动化无缝通信的目标。
无论传感器位于制造工厂还是在办公桌上，采用这种简化的以太网到云连接后，可以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
要开发 10BASE-T1L 以太网连接传感节点，设计人员可以选择三种 Analog Devices 的即用型设备。[ADIN1100] 是一款坚固耐用的工业级低功耗 10BASE-T1L 收发器，具有以太网物理层 (PHY)；ADIN1110 同时具有媒体访问控制 (MAC) 和 PHY 接口（图 1）。
图 1：ADIN1110 是一款集成有以太网 PHY 和 MAC 的低功耗单端口 10BASE-T1L 收发器。（图片来源：Analog Devices）
第三个选择是 [ADIN2111]，这是一款低功耗、低复杂性的双端口交换机，集成了两个 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，使用户有更多的选择来优化设备的功率、成本和性能。
图 2：ADIN2111 是一款集成 PHY 的低功耗、低复杂性双端口交换机。（图片来源：Analog Devices）
ADIN1100 和 ADIN2111 10BASE-T1L 设备可以部署在菊花链（图 3）、直线形或环形网络拓扑结构中。与星形网络相比，这些网络拓扑结构极大减少了所需的布线量。
图 3：图中显示了使用 ADIN1100 控制器和 ADIN2111 双端口交换机的 10BASE-T1L 网络的菊花链拓扑结构。也可以采用直线形或环形拓扑结构。（图片来源：Analog Devices）
要开始使用 10BASE-T1L，设计人员可以使用适用于 ADIN1100 的 [EVAL-ADIN1100]评估板。该评估板可轻松访问 ADIN1100 的所有功能，并可通过 PC 上的图形用户界面 (GUI) 或独立的硬件配置操作进行配置。其包括两个用于 10BASE-T1L 电缆和外部电源的插入式螺纹端子连接器、带有 RJ45 连接器的 Cat 5e 以太网电缆，以及一条 USB-A 转 micro-USB-B 电缆。还提供了小型原型开发区域。
灵活的传感器接口支持 10BASE-T1L
BMS 网络的边缘混杂着温度、压力、负载、湿度和应变仪传感器，这些传感器需要各种vwin 电路来捕获和启动 BMS 事件。
为了适应各种各样的接口，设计人员可以使用 Analog Devices 的 [AD74412R]四通道软件可编程 I/O (SWIO) 接口 IC，这款产品适用于过程控制和 BMS 应用。SWIO 具有独特的灵活性，能够访问任何引脚上的任何 I/O 功能，使设计人员能够随时配置通道。设计人员可以通过跨越整个建筑的两线以太网通道实时编程。这可降低设计资源需求，并在整个自动化建筑中快速广泛地部署通用产品。
AD74412R 包含模拟输入、模拟输出和数字输入，并能通过兼容的 SPI 进行电阻温度检测器 (RTD) 测量。如图 4 所示，它具备 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 4 个可配置的 I/O 通道。
图 4：AD74412R 四通道 SWIO 具有四个可配置的 13 位 DAC，提供 4 个可配置的 I/O 通道。此外，还包括一个 16 位 Σ-Δ ADC 和一组诊断功能。（图片来源：Analog Devices）
与 AD74412R 相关的模式分别为电流输出、电压输出、电压输入、外部供电的电流输入、环路供电的电流输入、外部 RTD 测量、数字输入逻辑和环路供电的数字输入。AD74412R 还为 DAC 和 ADC 提供高精度的 2.5 V 内部基准。
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，Analog Devices 提供 [EV-AD74412RSDZ]评估板（图 5）。使用该评估板，可借助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 是一款适用于 AD74412R 的全功能评估板。（图片来源：Analog Devices）
AD74412R [评估软件]通过 [EVAL-SDP-CS1Z]系统演示平台 (SDP) 与 EV-AD74412RSDZ 进行通信，该平台可获取评估板的输入和输出信号。该软件带有下拉菜单界面，简化了 AD74412R 的配置，并且提供诊断工具。
总结
10BASE-T1L 为新一代 BAS 提供在长达 1000 m 距离下 10 Mbit/s 的吞吐量，同时支持传统的两线制双绞线安装。如图所示，凭借 ADIN1100 10BASE-T1L 收发器、ADIN2111 双端口以太网交换机和适用于过程控制和 BMS 应用的 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前、向后兼容的 10BASE-T1L 传感器网络。
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