利用 10BASE-T1L 革新大樓自動化

大樓自動化領域在近幾年已有長足進步，也因此能更有效地管理商業和住宅大樓。

如今，對高效率且永續系統的需求逐漸升高，以便為居民提供更健康的大樓環境，同時將耗電量降至最低，並提高即時的高數據輸送量和控制能力。

大樓自動化的挑戰

大樓自動化為設計人員和系統整合商帶來不少挑戰，包括：

• 技術快速淘汰：由於技術快速改進，現有系統可能會過時，導致功能、支援和與新技術的整合有所減少。
• 效率和永續性要求：能源效率、故障偵測／診斷的改進、室內環境品質 (IEQ) 的監測以及水資源管理都是大樓業主和營運廠商必定會提出的要求。
• 資料分析和最佳化：在資料分析和最佳化的現代趨勢下，必須將資料收集、分析和解讀能力整合到大樓自動化系統中。這能為資料導向的最佳化鋪路，以便發揮大樓效能、偵測低落效率並實施修正措施。
• 互通性：不同廠商提供的系統，很難確保彼此之間的相容性和整合性。此外，系統的效率可能礙於不相容性、專有協定和缺乏標準化而受到阻礙。

如圖 1 所示，要因應這些問題，智慧大樓需具備以下能力：

• 透過雲端連線達到企業級的集中化配置和管理
• 在控制器層級消除對轉換閘道器的依賴
• 將智慧能力移到邊緣，以便感測器和致動器交換大量資料

圖 1：為建築物提供可互通的邊緣對雲端連線。(資料來源： ADI)

數據通訊在工業和大樓自動化領域的重要性與日俱增。當前資料量的增加讓人們意識到，傳統解決方案正逐漸接近其物理臨界點。因此，乙太網路正崛起，成為流行的通訊標準。傳統的 4 線乙太網解決方案已轉變成名為 10BASE-T1L 的雙線解決方案，其由一對雙絞線組成。

10BASE-T1L 標準如何推動變革

2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 規範已經克服多項工業與大樓管理的通訊問題，可透過單對雙絞線，在長達 1,000 公尺下達到 10 Mbps 全雙工通訊。

10BASE-T1L 標準克服了傳統通訊系統的幾項限制，包括與大樓自動化領域的佈線、頻寬、距離和電力相關的限制。以下是 10BASE-T1L 標準如何克服這些限制的詳細說明：

• 佈線：10BASE-T1L 標準可提供實體層解決方案，能透過單對雙絞線傳輸乙太網路訊號和電力，能讓感測器與致動器等現場層級的裝置享有順暢的乙太網路連線。如此就不需要複雜且昂貴的佈線基礎設施，進而有利於乙太網路式大樓自動化的部署和安裝。除此之外，乙太網路封包可直接從邊緣傳輸到雲端，無需透過閘道器轉換。
• 頻寬：10BASE-T1L 標準支援高達 10 Mbps 的數據傳輸率，可滿足多種大樓自動化應用的需求。此頻寬高於傳統的現場匯流排 (限制在幾 kbps)，並且可以將值從感測器或直接傳輸到致動器，並可傳輸額外的裝置參數，例如配置和參數化資料。
• 距離：10BASE-T1L 標準可支援遠距乙太網路連線，這是其主要優勢之一。可允許長達 1 公里的連線，這比傳統的乙太網路標準要長得多。因此非常適合用於裝置分散在大面積的應用，例如工業廠房和汽車組裝廠。

此外，由於 10BASE-T1L 標準的電力要求低，可用於電力資源有限的環境。這對講究電池續航力和功耗的現場層級裝置來說至關重要。

在某些情況下，必須透過 10BASE-T1L 提供如同標準定義的數據和電力 (在非本質安全區域最高 60 W)。10BASE-T1L 支援兩種振幅模式：2.4 V (纜線長度可達 1,000 m) 和 1.0 V (電纜長度不超過 200 m)。透過 1.0 V 峰對峰振幅模式，此技術還可用於防爆環境 (危險區域)，並可符合適用且嚴格的最大電流消耗量要求 (最大功率限制為 500 mW)。

參考使用案例

圖 2 顯示 10BASE-T1L 標準的典型應用案例。此智慧大樓應用利用 10BASE-T1L 的特性來收集和聚合不同層級的資料，從終端節點 (感測器和致動器) 到雲端上的企業／IT 層級。

房間控制器可以與現場裝置進行直接 (點對點) 連接，也可以接到菊鏈中的一系列裝置。此外，每個房間控制器都可透過配置，接受來自傳統裝置的連線。

每棟大樓都有自己的廠房控制器，其透過 10BASE-T1L 鏈路連接到大量房間控制器，並通過 100 Mb/Gb 工業乙太網路連接到其他大樓的廠房控制器。

若是與感測器和致動器的短距連接 (最遠 25 m)，如圖 2 右側的電梯車廂控制器為例，10BASE-T1S 標準更合適。

圖 2：智慧大樓使用案例。(資料來源： ADI)

10BASE-T1L 收發器

Analog Devices 推出 ADIN1110 超低功耗、單埠、10BASE-T1L 收發器，適用於工業和大樓自動化的乙太網路式應用。符合 IEEE 802.3cg-2019 乙太網路標準，適用於遠距 10 Mbps 單對乙太網路 (SPE)，且專為這些應用而設計。

如圖 3 所示，此元件包含一個媒體存取控制 (MAC) 介面。這樣就可以使用四線的序列周邊介面 (SPI) 與多個主機控制器直接接觸。透過此 SPI，就可使用功耗更低的處理器，因為不需要整合式 MAC，因此可讓系統的總功耗達到最低。開放聯盟 SPI 協定和通用 SPI 協定皆可在配置時與 SPI 搭配使用。

ADIN1110 內含電源電壓監測和通電重置 (POR) 電路，以增強系統級耐用性。還具有低功耗特性 (通常為 42 mW)，並支援 1 VPP 和 2.4 VPP 傳輸位準，以及用於訊框過濾的自動交涉和 16 個 MAC 位址。

圖 3：ADIN1110 MAC PHY 收發器方塊圖。(資料來源：ADI)

10BASE-T1L 的範圍更廣，可以在大型建築物中安裝自動化裝置，同時維持順暢的連線。在靈活性和可擴充性下，設施管理人員就可毫不費力地監測和修改應用設定值，如照明、氣候／HVAC 控制、保全和能源管理等應用。

此外，10BASE-T1L 提高了數據傳輸率，可以即時監測並控制大樓系統，進而提高運作效率。此技術可改善自動化裝置通訊的反應時間、延遲和可靠性。

10BASE-T1L 乙太網路交換器

10BASE-T1L 與乙太網路標準一樣，皆有提供交換器可連接多個網段和裝置。可以構建和利用不同的網路拓撲來供電給連接的裝置。在大樓自動化中，交換器通常會連接控制器、感測器和致動器。為了提高可用性，交換器會以環狀拓撲的形式啟用媒體備援。

為此，Analog Devices 開發了 ADIN2111，這是一款完整的 10BASE-T1L 乙太網路雙埠交換器，專為大樓自動化網路而設計 (圖 4)。此裝置可針對控制器、感測器和致動器添加遠距乙太網路連線，適用於電力受限的小型邊緣裝置。與離散式實作方案相比，ADIN2111 可減少高達 50% 的功耗，並節省多達 75% 的 PCB 空間。

圖 4：ADIN2111 方塊圖。(資料來源：ADI)

ADIN2111 專為直列式和環狀菊鏈網路而設計，可利用建築物內現有的單一雙絞線佈線基礎設施，因此可降低改裝成本。圖 5 顯示如何連接多個裝置以實作環狀 (頂端) 和直列式 (底部) 拓撲。請注意，最後一個邊緣感測器連接到一個具有 PHY 和 MAC 的收發器，另外兩個感測器則連接到交換器。

圖 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支援多種拓撲，可達到最大的設計靈活性和可擴充性。(資料來源：ADI)

10BASE-T1L 交換機配備 16 位址 MAC 查找表，可支援直通、儲存與轉送操作，能讓使用者在處理和轉送數據封包時優先考量延遲或錯誤處理。進階封包過濾可針對來自處理器的優先流量減輕其處理負擔。

此交換器內含複雜的診斷功能，可減少安裝、調試和系統中斷的情況。其中包括具有均方誤差 (MSE) 的鏈路品質指示器、鏈路診斷和 IEEE 測試模式，以及運用時域反射法 (TDR) 的纜線瑕疵偵測。此診斷解決方案由一個高準確度的晶片上 TDR 引擎和一組在主機微控制器上執行的演算法組成，可針對多種纜線提供最大的靈活性，以及更進階的纜線診斷功能。

此解決方案符合 IEEE 802.3cg 標準，可支援超過 1.7 公里的乙太網路連線、環狀備援和軟協定，包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和即時 KNX。還有一點要注意，就是 ADIN2111可在非網管配置下當作中繼器使用，可將範圍延伸至 2,000 公尺以上。

結論

10BASE-T1L 的推出為大樓自動化創造了新契機，徹底改變了商業和住宅空間的管理和控制方式。這也是實施自動化解決方案的理想解決方案，因為能運用現有的基礎設施，提供靈活性並改進數據傳輸。