利用單對乙太網路將 CO2 排放降至最低

二氧化碳 (CO₂) 淨零排放的全球目標影響各行各業。就建築物而言，此目標窒礙難行的原因在於具有大量環境效率低落的結構。許多已安裝的控制和通訊系統在監測和資料處理能力上皆有所限制，並且通常也缺乏進階的資料分析和控制功能，因此無法達到效率最佳化。

要達到 CO₂ 凈零排放就需要自動化系統，並運用人工智慧 (AI) 的分析和控制功能。要達到這個改進的關鍵在於利用符合 10BASE-T1L 標準的遠距離、高數據傳輸率單對乙太網 (SPE) 輕鬆部署感測器。更高的數據傳輸率可將延遲降至最低，並促成對建築物系統的即時控制。

本文將概略說明凈零 CO₂ 建築的連接要求。接著會使用 Analog Devices 的 10BASE-T1L 裝置來展示 SPE 如何支援通訊與控制層面的改進，同時提升永續性。

傳統建築設計的侷限

傳統的建築設計採用建築管理系統 (BMS) 來處理整體結構控制作業，而建築子系統通常則會獨立運作。通訊互動性和可用電力的限制會導致建築物無法以最高效率運作，進而導致會衝擊環境的損失。標準建築物的層級結構考量 (圖 1)。

圖 1：傳統的建築系統皆有層級，但也可依照功能來查看。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

圖 1 中 BMS 金字塔底部的現場／裝置級別，含有用於各種系統的本地感測器和致動器。建築物和空間控制器級別可匯集現場和裝置的資料，且可控制裝置。企業級別會監測整個建築物，並透過 BMS 協調控制器的活動。

傳統的建築系統，如暖通空調 (HVAC) 等，採用垂直控制的層級結構，但與在席偵測等系統的運作則隔離開來。這表示，無論是否有人在席，個別樓層仍會使用能源來運作 HVAC 系統。

造成這種垂直隔離是因為既有的數據介面效能有限。較低級別的類比和 4 mA 至 20 mA 電流迴路、RS485 序列介面，以及高速可定址遠端傳感器 (HART) 和現場匯流排等較高等級的介面都相對較慢，速率介於 1200 bit/s 至 31.25 Kbit/s。這會對指定時段內可傳輸的數據量有所限制。

10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) 乙太網介面於 2019 年推出，大幅提高了數據傳輸速率，透過 SPE 將速率提升至 10 Mbit/s。此外更可在相同的數據傳輸線路上供應更高的功率位準，針對採用 HART 的 4-20 mA 電流迴路，可從 36 mW 提升至 500 mW (非隔離) 或最大 60 W (表 1)。

表 1：一些常見的建築物數據介面網路的主要特點。(表格來源：Art Pini，使用的資料來自 Analog Devices, Inc.)

較慢的數據介面也會限制對現場級別感測器和致動器的存取性，這代表只能在現場重新配置。10BASE-T1L 相容於既有的所有乙太網路實作，並且可以與所有 BASE-T 乙太網路設備順利通訊，包括 10/100/100/1000/2.5G/10G BASE-T 款式，因此無需閘道器。

10BASE-T1L 的作用

10BASE-T1L 隸屬於更大規模的乙太網路 802.3 標準的一部分。這個名字濃縮了其所有特點。「10」代表 10 Mbit/s 的傳輸速率，「BASE」代表基頻訊號，也就是說只有乙太網路訊號可以透過媒介傳送。「T」代表媒介是雙絞線，「1」代表 1 公里 (km) 的距離，「L」代表遠距離。

10BASE-T1L 的媒介規範並未指明特定的雙絞線纜線。相反地，則對接線的回傳和插入損耗有所規定。如此一來就可重複使用已安裝的既有接線，例如現場匯流排 Type-A 纜線。

10BASE-T1L 支援兩種幅度模式的全雙工通訊：2.4 伏特峰對值 (V_P-P) 可用於超過 1000 m 的纜線，1.0 V_P-P 可用於最多 200 m 的短距離和有害環境。

乙太網路標準有一項規定，要透過數據通訊用的相同雙絞線纜線進行供電。在 10BASE-T1L 中，功率是依據環境的本質來控制的。500 mW 適用於必須限制火花放電功率的本質安全 (即危險) 區域。針對安全區域，有提供 60 W 的上限。

10BASE-T1L 的優點

10BASE-T1L 最顯著的優勢在於，超過其 1 公里的範圍之後，可相容於乙太網路 BASE-T 網路的完整範圍。如此就不需要使用轉換閘道器，以切換不同的數據網路標準。如此就可開通路徑，從現場級別通往企業和雲端級別，因此可降低成本、複雜性和電力需求。

10BASE-T1L 的速度高達 10 Mbit/s，可以將基本測量過程值以及其他配置參數、狀態資料甚至是軟體／韌體更新內容傳輸到感測器和致動器。感測器和致動器可以透過其 IP 位址進行遠端存取。由於相容於 10BASE-T1L 的裝置不需要閘道器和協議轉換器，因此設備配置更加簡單。額外的資料處理能力還可用於更完整的系統診斷和故障排除例行作業。

由於數據傳輸率較高，額外的資料容量也可用於連結建築系統，以進行資料交換。AI 分析和控制可達到輔助調節，以達到最有效的聯合運作。試想在搭載 10BASE-T1L 的建築中會是如何 (圖 2)。

圖 2：10BASE-T1L 添加互通性，可從邊緣傳感器通往雲端。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

10BASE-T1L 用的 SPE 可將邊緣級別的多個感測器和致動器連接到空間控制器。由傳統介面連結的既有裝置仍可使用，或轉換成乙太網路相容性裝置。可使用適當版本的乙太網路將不同級別的系統連結在一起，如此就有機會達到即時控制。

10BASE-T1L 建構網路拓撲

多個裝置能以環形或直列式網路拓撲的形式連接到 SPE 網路 (圖 3)。

圖 3：10BASE-T1L 如同其他乙太網路款式，都支援環形和直列式拓撲結構以連接多個裝置。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

與其他星形網路拓撲相比，上述兩種拓撲都在纜線長度上有所縮減。環形拓撲還提供一個備援路徑，以防裝置故障。每個裝置都需要兩個乙太網路埠，以便在任一拓撲中將資料傳輸到網路中。

為了實作，設計人員可以使用 Analog Devices 的 ADIN2111CCPZ-R7，這是一款低功耗、雙埠 10BASE-T1L 收發器，其中整合了一個交換機、兩個乙太網路實體層 (PHY) 核心搭配媒體存取控制 (MAC) 介面，以及所有相關電路，包括內部緩衝佇列。此產品可透過序列周邊介面 (SPI) 直接控制。SPI 與許多控制器相容，因此可輕鬆挑選可發揮最佳效能、功耗和價格的產品。交換機支援使用雙乙太網路和 SPI 埠的多種路由配置，因此可達到直列或環形網路拓撲。10BASE-T1L 交換機內有一個MAC 介面，就表示控制器就不需要內建，如此一來可選擇的潛在控制器數量就會增加。圖 3 顯示出使用 ADIN2111CCPZ-R7 作為雙埠交換機的環形和直列式拓撲。

環形配置針對所有裝置使用雙埠交換器。直列式配置不需要雙埠交換器，因為最後一個裝置只需要單一個 MAC-PHY 收發器，如 ADIN1110CCPZ。如同交換機，此乙太網路收發器含有一個 MAC，因此可支援更多種配對控制器。這可讓許多低功耗和較便宜的控制器享有遠距乙太網路連線的選項。如果將 10BASE-T1L 改裝到既有的 BMS 中，內建 MAC 也就可使用既有控制器。每個傳感器或致動器都具有控制器，並可透過收發器存取乙太網路，並賦予其 IP 位址。

從圖 3 的環形和直列式網路分支的控制器側來看，ADIN1100CCPZ-R7 乙太網路收發器是不錯的選擇。此收發器未包含 MAC，僅有乙太網路 PHY。ADIN1100CCPZ-R7 的用意是搭配具有 MAC 功能的控制器一起操作，例如圖中控制面板所用的功能。會透過管理資料輸入／輸出 (MDIO) 介面與遠端控制處理器介接。MDIO 介面屬於雙線序列介面，可讓主機處理器中的 MAC 與 ADIN1100CCPZ-R7 之間進行通訊。

ADIN1100 系列的所有裝置的額定纜線工作長度可達 1700 m，超出 10BASE-T1L 規範。此外，標稱工作溫度範圍介於 -40°C 至 +85°C。列名的型號 (CCPZ) 則具有 -40°C 至 +105°C 的延伸溫度範圍。

透過 SPE 供電

為遠端現場級裝置供電可能會遇到問題，尤其是在改裝既有系統時。10BASE-T1L 規範支援單對乙太網路供電 (SPoE)，其透過單一條雙絞線纜線提供標準化電源和乙太網路數據。為達到此功能，設計人員可以使用 LTC4296AUK-1-PBF，這是一款五埠供電設備 (PSE) 控制器(圖 4)。此設計能與採用 24 V 或 54 V 系統的 802.3cg 受電裝置 (PD) 達到互通性，這些裝置可輕鬆整合到 ADIN 系列 10BASE-T1L 產品中。

圖 4：LTC4296AUK-1 當作五埠 PSE 控制器使用。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTC4296AUK-1 的這個應用範例可透過變壓器／電容電源耦合網路，供電給 ADIN1100 乙太網路收發器的五個作業階段。各個 ADIN1100 均由 MAC 媒體獨立介面 (MII) 驅動。每個 PSE 都由一個高側自動限流器 (ACL) 提供保護，以達到受控的湧入和短路保護。LTC4296AUK-1 的工作溫度範圍介於 -40°C至 +125°C。

結論

建築數位化程度的提高將可讓管理系統存取所有感測器資料和控制能力，而建築系統的交叉連結將可打造營運自動化的基礎。為了達成此目標，10BASE-T1L 可透過 SPE 帶來 10 Mbit/s 的數據傳輸率、長達 1 公里的傳輸距離，以及串聯建築物每個角落的標準乙太網路 IP 連線。建築物控制器現在可達到更遠的傳輸距離，從雲端到幾乎無限數量的邊緣裝置。如此就可達到建築物的整體運作最佳化，以減少 CO₂ 排放，同時為住戶提供最佳服務。