如何針對大樓管理系統，以合乎成本效益的方式進行感測器聯網

大樓自動化可降低設施的營運與維護成本，並為大樓內人員提供更安全、舒適的環境。改進大樓自動化系統 (BAS) 效能要仰賴從不斷增加的感測器收集更多資料，並傳輸至在整棟大樓部署的更多控制器／致動器。此部署作業需要採用符合成本效益且有效率的方式，將擷取的資料從感測節點傳輸至中樞或雲端，以供系統進行分析和採取行動，並傳遞所需的控制訊號。

大規模部署感測器與致動器可能需要經過大量且昂貴的重工作業，以確保可完整涵蓋大樓，尤其是在老舊大樓及不便取得電力的場所。RS-485 網路已是現今具成本效益的改裝解決方案，但更豐富的資料集以及更高的數據傳輸率，需要傳輸量更高的替代方案。

為將成本降至最低同時提高傳輸量，設計人員可採用 10BASE-T1L，善加利用現行安裝的單一雙絞乙太網路或 RS-485 佈線。10BASE-T1L 採用 IEEE 標準 802.3cg-2019 封包格式資料通訊介面，針對最遠 1000 m 的距離傳輸量為 10 Mbit/s。您還可選擇透過數據線提供電力的雙線介面，而無須使用當地電源或佈設電源纜線。這種方式可連線至無限數量的裝置，而無須使用高耗電的閘道器。

本文將探討大樓控制需求及其現今的解決方式。接著將會介紹 10BASE-T1L 乙太網路以及 Analog Devices 的範例解決方案，展示其輕鬆簡易的實作方式。此外還會說明如何運用軟體 I/O (SWIO) 技術簡化適用於乙太網路大樓控制器的感測器介面功能，同時維護大樓管理系統 (BMS) 的前後相容性。同時亦會說明如何透過適合的評估板協助設計人員開始使用 SWIO。

BAS (BMS) 扮演的角色

BAS (BMS) 意指各種大樓系統的自動化與管理。BMS 的目標包括大樓內人員的舒適度、大樓系統運作效率、營運與維護成本以及安全性。BMS 具有四層，包含監測、伺服器／應用程式、現場控制器以及輸入／輸出。

監測層實體上是監測元件安裝所在的雙線傳輸層。監測元件整合了所有現場控制器流量。伺服器／應用程式會接收來自不同監測元件的資料。本層支援標準乙太網路通訊協定，例如大樓管理系統常用的 Modbus、KNX、BACnet、LON。本層會將整合資料透過使用者介面傳輸至用戶端或最終用戶。現場控制器層負責處理來自溫度感測器與開關的輸入資料，以及控制諸如致動器和繼電器等系統輸出。

輸入／輸出層是構成 BMS 的最終要素。本層是感測器與控制元件的安裝所在位置。某些感測器與致動器支援 TCP/IP 而無需控制器。

RS-485：傳統 BMS 連線解決方案

時至今日，TIA/EIA-485 介面 (一般稱為 RS-485) 已普遍受到 BMS 應用領域設計人員的採用，原因在於其是具備多點通訊連結且經濟實惠的本機網路。RS-485 是一項僅限電氣的標準，其定義了實作平衡多點傳輸線路時的接收器與驅動器電氣特性。此標準支援透過單條雙絞線對連線的雙向半雙工資料交換，並支援適合 BMS 的多點連線 (數個收發器連線至同個線路)。

RS-485 亦支援合理的高數據傳輸率：針對最遠 10 m 的距離為 35 Mbit/s，針對最遠 1,200 m 的距離為 100 kbit/s。根據 RS-485 經驗法則，單位為 bit/s 的速度乘上單位為公尺的纜線長度不應超過 10E8。因此，50 m 纜線的最快速度為 2 Mbit/s。不過，針對 RS-485 大樓控制應用領域使用此類高速率的情況並不常見。BACnet MS/TP 是運作於 RS-485 實體層 (PHY) 的常見大樓自動化通訊協定，其速度上限為 115,200 bit/s。

與其他序列通訊連結相較之下，RS-485 通訊連結的主要優勢在於針對嚴苛工業環境具有高電氣雜訊耐受度。RS-485 具備電氣雜訊拒斥特性、較長電纜傳輸距離、支援單一線路上的多個收發器，以及合理快速的資料傳輸速度等優勢，非常適合 BMS 環境。

10BASE-T1L 乙太網路通訊協定

隨著 BMS 需求增加和資料集越發豐富，使得傳輸量的重要性日益提高。10BASE-T1L 針對透過雙絞纜線的點對點通訊，提供更高速率的替代方案，其針對最遠 1000 m 的距離支援 10 Mbit/s，此外還可因應諸如電力、佈線、距離以及資料孤島等現場挑戰，同時亦無須使用複雜的閘道器。

10BASE-T1L 中的「10」意指 10 Mbit/s 傳輸速率，「BASE」意指基頻訊號，「T」代表「雙絞線」，而數字「1」代表 1 km 範圍。末尾的「L」意指「長距離」，表示 1 km 的區段長度。10BASE-T1L 可提供 500 mW 功率，將乙太網路引入本質安全的 0 區或危險區域應用。在非本質安全的應用領域可提供最高 60 W 功率。

10BASE-T1L 乙太網路的拓撲可為菊鏈、線路或環路。如前所述，未採用閘道器：乙太網路封包會從邊緣移至控制層級，而最終會移至雲端，因此更能完全實現大樓自動化順暢通訊的目標。

無論感測器位於製造工廠或辦公桌上，此精簡的乙太網路至雲端連線皆可讓您透過手機或筆記型電腦來設定感測器。

大樓自動化 10BASE-T1L 硬體配置

為了開發 10BASE-T1L 乙太網路連線感測節點，設計人員可選擇 Analog Devices 提供的三種立即可用產品。ADIN1100 是一款穩固、低功率的工業用途 10BASE-T1L 收發器，具備乙太網路實體層 (PHY)；ADIN1110 則同時具備媒體存取控制 (MAC) 與 PHY 介面 (圖 1)。

圖 1：ADIN1110 是一款具備整合乙太網路 PHY 和 MAC 的低功率單埠 10BASE-T1L 收發器。(圖片來源：Analog Devices)

第三個選擇為 ADIN2111，其是一款低功率、低複雜度的雙埠交換器，具備兩個整合 10BASE-T1L PHY 與一個序列周邊介面 (SPI) 連接埠 (圖 2)。使用 SPI 可減輕對於主機處理器的需求，為使用者提供更多最佳化裝置功率、成本和效能方面的選擇。

圖 2：ADIN2111 是一款具備整合 PHY 的低功率、低複雜度雙埠交換器。(圖片來源：Analog Devices)

ADIN1100 與 ADIN2111 10BASE-T1L 裝置可部署於菊鏈 (圖 3)、線路或環路網路拓撲。與星狀網路相較之下，這些網路拓撲可大幅減少所需的佈線量。

圖 3：本圖為採用 ADIN1100 控制器與 ADIN2111 雙埠交換器的 10BASE-T1L 網路菊鏈拓撲。亦可使用線路或環路拓撲。(圖片來源：Analog Devices)

如要開始使用 10BASE-T1L，設計人員可使用適用於 ADIN1100 的 EVAL-ADIN1100 評估板。此評估板可讓您輕鬆存取所有 ADIN1100 功能，並可透過電腦上的圖形使用者介面 (GUI) 或獨立硬體配置作業來設定。其包含適用於 10BASE-T1L 纜線和外部電源供應器的兩個插入式螺絲端子連接器、具備 RJ45 連接器的 Cat 5e 乙太網路纜線，以及一條 USB-A 轉 micro-USB-B 纜線。此外還提供小型原型區域。

靈活的感測器介面支援 10BASE-T1L

BMS 網路邊緣環境混雜著溫度、壓力、負載、濕度及應變計感測器，這些感測器需要使用各種類比電路來擷取和致動 BMS 事件。

如要因應這種複雜多樣的介面，設計人員可選用 Analog Devices 提供的 AD74412R 四通道軟體可編程 I/O (SWIO) 介面 IC，其適用於流程控制與 BMS 應用領域。SWIO 提供獨特程度的靈活性，可存取任何引腳上的所有 I/O 功能，讓設計人員能夠隨時設定通道。您可透過跨越整個大樓的雙線乙太網路通道即時編寫程式。這可降低設計資源需求，並可在整個自動化大樓快速廣泛地部署通用產品。

AD74412R 包含類比輸入、類比輸出、數位輸入，並可透過相容 SPI 執行電阻溫度偵測器 (RTD) 量測。如圖 4 所示，其具備一個 16 位元 Σ-Δ 類比數位轉換器 (ADC)、一組診斷功能，以及四個可設定的 13 位元數位類比轉換器 (DAC) (提供四個可設定的 I/O 通道)。

圖 4：AD74412R 四通道 SWIO 配備四個可設定的 13 位元 DAC，其提供四個可設定的 I/O 通道。此外還包含一個 16 位元 Σ-Δ ADC 以及一組診斷功能。(圖片來源：Analog Devices)

AD74412R 相關模式包括電流輸出、電壓輸出、電壓輸入、外部供電的電流輸入、迴路供電的電流輸入、外部 RTD 量測、數位輸入邏輯，以及迴路供電的數位輸入。AD74412R 還具備高準確度 2.5 V 內部參考電壓，用於 DAC 和 ADC。

使用 AD7441R 評估板執行設計工作

針對 AD74412R SWIO 的類比應用幾乎多不勝數。為了協助設計人員開始使用，Analog Devices 提供 EV-AD74412RSDZ 評估板 (圖 5)。此評估板可讓您透過板載重新配置選項與電腦可編程性進行工程探索。

圖 5：EV-AD74412RSDZ 是一款適用於 AD74412R 的全功能評估板。(圖片來源：Analog Devices)

AD74412R 評估軟體可透過 EVAL-SDP-CS1Z 系統展示平台 (SDP) 與 EV-AD74412RSDZ 進行通訊，此平台會將輸入與輸出訊號帶離評估板。其可透過下拉式選單介面來簡化 AD74412R 設定，並提供診斷工具。

結論

10BASE-T1L 提供新一代的 BAS，在最遠 1000 m 距離下可提供 10 Mbit/s 傳輸速率，同時支援傳統的雙線雙絞線安裝。如圖所示，設計人員可採用適用於流程控制和 BMS 應用領域的 ADIN1100 10BASE-T1L 收發器、ADIN2111 雙埠乙太網路交換器和 AD74412R 四通道軟體可編程 I/O (SWIO) 解決方案，快速實作可前後相容的 10BASE-T1L 感測器網路。