PoE傳輸系統(tǒng)為智能建筑實(shí)現(xiàn)智能化

智能建筑為業(yè)主和住戶提供了豐富的福利。通過使用傳感器收集環(huán)境和占用數(shù)據(jù)，可以優(yōu)化加熱和空調(diào)系統(tǒng)，以保持乘客舒適而不浪費(fèi)能源。照明系統(tǒng)可以響應(yīng)占用水平和時(shí)間條件，以使室內(nèi)照明節(jié)能。外部照明系統(tǒng)，智能控制，提高安全性。智能建筑應(yīng)急系統(tǒng)可以為緊急救援人員確定最快和最安全的出口或出入路徑。

如果電源不需要與智能建筑的傳感和控制子系統(tǒng)共存，部署靈活性可以顯著提高。使用以太網(wǎng)供電（PoE）可以增加子系統(tǒng)部署選項(xiàng)，同時(shí)保留比無線實(shí)施更強(qiáng)大，更安全的“強(qiáng)化”通信功能。本文將介紹PoE系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，并說明如何在示例設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)它們。

基礎(chǔ)知識(shí)

PoE是一種電力傳輸和數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，可以為智能連接建筑內(nèi)的遠(yuǎn)程傳感器，聚合器，無線網(wǎng)關(guān)，安全攝像頭和控制器提供方便的電源。電源安全交付，可以為新興的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)提供高達(dá)12.95 W（IEEE 802.3af）和高達(dá)25.5 W的電源。

下面的圖1顯示了帶有供電設(shè)備的典型PoE系統(tǒng)（PSE）位于左側(cè)，受電設(shè)備（PD）位于右側(cè)。在此示例中，電源是以太網(wǎng)交換機(jī)，受電設(shè)備是辦公室電話。這兩個(gè)設(shè)備通過以太網(wǎng)雙絞線電纜連接，使用兩根數(shù)據(jù)線和兩根備用電源線連接48 V電源。電源由供電側(cè)的特殊PSE控制器和供電側(cè)的供電接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器管理。

圖1：以太網(wǎng)供電系統(tǒng)架構(gòu)（由凌力爾特提供）

PoE系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)之一是便于需要以太網(wǎng)連接的嵌入式連接設(shè)備。不需要“拉動(dòng)”額外的電線來為這些系統(tǒng)供電，13 W至25 W的可用功率足以滿足大多數(shù)智能建筑遠(yuǎn)程設(shè)備的需求。 PoE系統(tǒng)的成本也較低，因?yàn)椴恍枰~外的墻上適配器。這種方法的另一個(gè)好處是基于PoE的設(shè)備可以輕松地遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉，這支持智能電源管理系統(tǒng)。請(qǐng)注意，由于PoE系統(tǒng)與主電源系統(tǒng)是分開的，因此當(dāng)提供備用電源為智能建筑的PoE部分供電時(shí)，可以更容易地在斷電情況下使用它。這在緊急情況下尤其有用。

PoE應(yīng)用程序從IP語音（VoIP）電話和無線接入點(diǎn)開始，但一直在穩(wěn)步增長，包括安全攝像頭，用于安全進(jìn)入的RFID閱讀器，照明控制，電能計(jì)量，環(huán)境傳感器和控制。在智能建筑內(nèi)，PoE可用于多個(gè)無線設(shè)備的聚合點(diǎn)，這些設(shè)備用于管理室內(nèi)照明，占用檢測(cè)，供暖和通風(fēng)控制（HVAC）以及用于優(yōu)化建筑物管理系統(tǒng)的各種外部環(huán)境傳感器。智能建筑也在使用大數(shù)據(jù)來幫助節(jié)約能源，提高入住安全性和舒適度。

實(shí)施PoE系統(tǒng)

如圖2所示，凌力爾特公司的LTC4266可以實(shí)現(xiàn)POE系統(tǒng)的PSE部分。事實(shí)上，LTC4266是一款四通道器件，可為多達(dá)四個(gè)獨(dú)立的PD子系統(tǒng)供電。這使得LTC4266非常適用于采用多個(gè)以太網(wǎng)連接的以太網(wǎng)集線器和集線器。 PSE設(shè)備的一個(gè)重要特性是能夠區(qū)分不支持POE的傳統(tǒng)以太網(wǎng)系統(tǒng)和那些支持POE的傳統(tǒng)以太網(wǎng)系統(tǒng)。如果提供PoE電壓，則可能會(huì)損壞不支持PoE的設(shè)備，因此使用簡(jiǎn)單的檢測(cè)方案來識(shí)別支持PoE的設(shè)備。有效的PD在其輸入端提供25kΩ的共模電阻，因此很容易確定是否可以安全供電。

圖2 ：采用Linear Technology LTC4266作為PSE的POE系統(tǒng)。 （由Linear Technology提供）

LTC4266通過SMBus/I2C2線接口進(jìn)行配置和控制。此接口可用于根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用程序的需要配置LTC4266的許多功能。電流限制，過載限制，電流/電壓監(jiān)控和中斷信號(hào)選擇的設(shè)置均可通過串行接口進(jìn)行編程。通常，電源管理MCU與LTC4266結(jié)合使用，以創(chuàng)建智能電源管理系統(tǒng)，監(jiān)控和控制本地電源傳輸，并通知更高級(jí)系統(tǒng)元件電源事件。

實(shí)現(xiàn)PD接口

系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵要素是PD接口。 PoE系統(tǒng)的這一部分通過以太網(wǎng)電纜管理PSE源提供的電源。提供這一重要功能的示例器件是STMicroelectronics PM8800A PoE-PD接口。該器件集成了幾個(gè)與PoE相關(guān)的功能，以簡(jiǎn)化PD子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖3顯示了使用PM8800A和完成設(shè)計(jì)所需的外部組件的典型PD實(shí)現(xiàn)。

圖3：使用ST PM8800A的PD子系統(tǒng)（由STMicroelectronics提供）

PM8800A是一款單片器件，嵌入符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD接口和電流模式脈沖寬度調(diào)制器，可用于所有PoE供電設(shè)備。除了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3af功能外，PM8800A還為新興的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)提供了功能，專門針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PSE設(shè)備允許的12.95 W需要更高功率的設(shè)備或系統(tǒng)。增加欠壓鎖定，浪涌和連續(xù)電流限制，以及啟動(dòng)期間的高壓調(diào)節(jié)和電源良好指示，使設(shè)計(jì)非常穩(wěn)健。

完整的另一個(gè)例子-featured PoE PD接口設(shè)備是Texas Instruments TPS23752PWP以太網(wǎng)供電控制器。它實(shí)現(xiàn)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)功能，但還包括特殊的睡眠模式功能。睡眠模式允許在夜間（或其他系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)）通過關(guān)閉有源負(fù)載電路來節(jié)省功率，同時(shí)保持PD的足夠功能以響應(yīng)本地上電請(qǐng)求。睡眠輸入驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)啟動(dòng)睡眠模式。此事件鎖存睡眠模式，并禁用轉(zhuǎn)換器。 TPS23752通過吸收足夠的電流來滿足IEEE 802.3at MPS要求，向PSE發(fā)出希望在睡眠期間保持供電的信號(hào)。

用于智能建筑環(huán)境監(jiān)控的完整PoE系統(tǒng)

適用于智能建筑監(jiān)控子系統(tǒng)的完整PoE系統(tǒng)需要大量的管理和控制，因此通常使用MCU來協(xié)助管理PoE交付。一些建筑物，特別是制造業(yè)建筑物，當(dāng)需要高可靠性和可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)，也可能希望使用工業(yè)以太網(wǎng)作為通信系統(tǒng)的一部分。支持工業(yè)以太網(wǎng)的MCU，例如Texas Instruments AM3352，通?？梢猿洚?dāng)這一重要角色。圖4顯示了在工業(yè)環(huán)境中使用智能監(jiān)控和PoE的智能建筑的框圖。

圖4：智能建筑的框圖監(jiān)控子系統(tǒng)

AM3352 MCU功能強(qiáng)大，足以實(shí)現(xiàn)各種智能算法，用于感應(yīng)和控制照明，HVAC，標(biāo)牌，占用，材料傳輸和過程控制的能源使用。圖形用戶界面使本地系統(tǒng)管理員可以輕松查看操作，工業(yè)以太網(wǎng)端口可提供快速數(shù)據(jù)移動(dòng)以及遠(yuǎn)程管理端口，以監(jiān)控子系統(tǒng)活動(dòng)。本地?cái)?shù)據(jù)記錄器可以記錄關(guān)鍵事件以進(jìn)行進(jìn)一步分析。 LTC4266 PSE器件在MCU的控制下向選定的PD目標(biāo)提供電源。 ST PM8800A在所有遠(yuǎn)程傳感器和監(jiān)視器子系統(tǒng)上提供PD功能。這些子系統(tǒng)分布在整個(gè)建筑和材料處理系統(tǒng)中，可以獨(dú)立于主電源系統(tǒng)供電，從而創(chuàng)建更加強(qiáng)大和容錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)。

總之，PoE為智能建筑提供了一種有效的方法無需傳統(tǒng)電源即可擴(kuò)展傳感器，攝像機(jī)和應(yīng)急系統(tǒng)的范圍。當(dāng)與功能強(qiáng)大的MCU和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合使用時(shí)，PoE傳輸系統(tǒng)將成為整個(gè)能源管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，使智能建筑更加智能化。