原標題：如何經濟高效地為樓宇管理系統聯網傳感器

　　樓宇自動化降低了設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、更舒適的環境。樓宇自動化系統 (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/執行器(部署在整個建筑物中的更多數據)。這種部署需要一種經濟高效的方式，將捕獲的數據從傳感節點傳輸到中央集線器或云，在那里可以對其進行分析和操作，并提供所需的控制信號。

　　大規模部署傳感器和執行器，特別是對于傳統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 網絡一直是一種經濟高效的改造解決方案，但更豐富的數據集和更高的數據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，設計人員可以使用 10BASE-T1L 利用當前安裝的單雙絞線以太網或 RS-485 布線。基于IEEE標準802.3cg-2019分組格式數據通信接口，10BASE-T1L在長達1000米(m)的距離內具有每秒10兆比特(Mbits/s)的吞吐量。雙線接口還可以通過數據線供電，無需本地電源或布線。這也消除了對耗電網關的需求，因為它能夠連接到無限的設備。

　　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) 技術來簡化以太網網絡樓宇控制器的傳感器接口，同時保持樓宇管理系統 (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的效率，運營和維護成本以及安全性。BMS 中的四個層是監督層、服務器/應用程序層、現場控制器層和輸入/輸出層。

　　監控層在物理上是監控設備所在的兩線傳輸層。監控設備整合所有現場控制器流量。服務器/應用程序從不同的監控設備接收數據。該層支持標準以太網協議，如Modbus，KNX，BACnet和LON，通常用于樓宇管理系統。此層通過用戶界面將合并的數據傳送給客戶端或最終用戶。現場控制器層查看來自溫度傳感器和開關的輸入數據，并控制系統輸出，例如執行器和繼電器。

　　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備所在的位置。一些傳感器和執行器支持 TCP/IP，無需控制器。

　　RS-485：經典的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應用的設計人員廣泛使用，因為它是一種具有多點通信鏈路的廉價本地網絡。RS-485是一種純電氣標準，用于定義在實現平衡多點傳輸線時接收器和驅動器的電氣特性。它支持通過一個雙絞線對連接進行雙向、半雙工數據交換，并允許多點連接(將多個收發器連接到同一線路)，這是BMS的理想選擇。

　　RS-485還支持相當高的數據速率：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通信鏈路的主要優點是其在惡劣工業環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、在一條線路上支持多個收發器以及相當快的數據傳輸速度，很好地映射到BMS環境。

　　10BASE-T1L 以太網協議

　　隨著BMS需求的增加和數據集的豐富，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米范圍內支持10 Mbits/s。 10BASE-T1L還解決了現場挑戰，如電源、布線、距離和數據孤島，同時還消除了對復雜網關的需求。

　　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，可將以太網引入本質安全的 0 區或危險區域應用。在非本質安全應用中，它可以提供高達 60 瓦的功率。

　　10BASE-T1L 以太網網絡的拓撲可以是菊花鏈、線或環。如前所述，沒有網關：以太網數據包從邊緣移動到控制層，最終移動到云，以更充分地實現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10BASE-T1L以太網連接檢測節點，設計人員可以從ADI公司獲得三種現成的選項。這 ADIN1100 是一款堅固耐用的工業低功耗 10BASE-T1L 收發器，具有以太網物理層 (PHY);ADIN1110具有介質訪問控制(MAC)和PHY接口(圖1)。

　　圖 1：ADIN1110 是一款低功耗單端口 10BASE-T1L 收發器，集成了以太網 PHY 和 MAC。(圖片來源：ADI公司)

　　第三個選項是 ADIN2111，這是一款低功耗、低復雜性的雙端換機，具有兩個集成的 10BASE-T1L PHY 和一個串行外設接口 (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、低復雜度雙端口開關。 (圖片來源：ADI公司)

　　ADIN1100和ADIN2111 10BASE-T1L器件可以采用菊花鏈(圖3)、線或環形網絡拓撲結構部署。與星形網絡相比，這些網絡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 網絡的菊花鏈拓撲。也可以使用線形或環形拓撲。(圖片來源：ADI公司)

　　要開始使用 10BASE-T1L，設計人員可以使用 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 以太網電纜和一根 USB-A 轉微型 USB-B 電纜。還提供了一個小的原型制作區域。

　　靈活的傳感器接口支持 10BASE-T1L

　　BMS 網絡的邊緣是溫度、壓力、負載、濕度和應變片傳感器的復雜組合，需要各種模擬電路來捕獲和驅動 BMS 事件。

　　為了適應這種接口，設計人員可以使用ADI公司的 AD74412R，用于過程控制和 BMS 應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 線以太網通道即時進行。這樣可以減少設計資源需求，并在整個自動化建筑中快速廣泛部署通用產品。

　　AD74412R內置模擬輸入、模擬輸出、數字輸入，能夠使用兼容的SPI執行電阻溫度檢測器(RTD)測量。圖4顯示了其16位Σ-Δ模數轉換器(ADC)、一組診斷功能以及四個可配置的13位數模轉換器(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、環路供電電流輸入、外部RTD測量、數字輸入邏輯和環路供電數字輸入。AD74412R還為DAC和ADC提供高精度2.5 V內部基準電壓源。

　　使用AD7441R評估板進行設計

　　AD74412R SWIO的模擬應用幾乎數不勝數。為了幫助設計人員入門，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。

　　結論

　　10BASE-T1L 提供下一代 BAS，在最遠 1000 m 的距離內具有 10 Mbit/s 的吞吐量，同時支持傳統的雙線雙絞線安裝。如圖所示，使用ADIN1100 10BASE-T1L收發器、ADIN2111雙端口以太網交換機以及AD74412R四通道軟件可編程I/O (SWIO)解決方案，設計人員可以快速實現向后和向前兼容的10BASE-T1L傳感器網絡。