10BASE-T1L 掀起建筑自动化革命

来源：DigiKey
作者：Rolf Horn

近年来，建筑自动化领域取得了巨大进步，使得更有效地管理商业和住宅楼成为可能。

如今，人们普遍需要高效和可持续的系统，以便为居住者提供更健康的建筑环境，同时最大限度地降低功耗，提高实时高数据吞吐量和控制功能。

建筑自动化带来的挑战

设计人员和系统集成商面临着建筑自动化带来的若干挑战，其中包括：

· 技术很快过时：现有系统可能会因技术的快速进步而过时，导致功能、支持减小以及与新技术的集成度降低。
· 效率和可持续性要求：能源效率提升、故障检测/诊断改进、室内环境质量 (IEQ) 监测和水资源管理对于建筑所有者和运营商来说都是所必需的。
· 数据分析和优化：数据分析和优化方面的现代趋势要求在建筑自动化系统中加入数据收集、分析和解读功能。这为建筑性能和低效检测的数据驱动型优化以及实施纠正措施铺平了道路。
· 互操作性：很难确保不同供应商提供的系统之间的兼容性和集成性。此外，不兼容性、专有协议和缺乏标准化也会影响系统效率。

如图 1 所示，要解决这些问题，智能建筑必须具备以下能力

· 通过云连接实现企业级集中配置和管理
· 在控制器层面消除对转换网关的依赖
· 将智能转移到边缘，使传感器和执行器之间能够交换大量数据


图 1：为建筑物提供可互操作的边缘到云连接。（图片来源： ADI）

数据通信在工业和建筑自动化领域的重要性与日俱增。当前数据量的增加使人们意识到，传统解决方案已接近其处理极限。因此，以太网正在成为主流通信标准。传统的 4 线以太网解决方案已转变为 2 线解决方案，即由单对双绞线组成的 10BASE-T1L。

10BASE-T1L 标准如何推动变革

2019 年推出的 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L 规范通过在单对双绞线上实现了长达 1,000 米的 10 Mbps 全双工通信，解决了多个工业和建筑管理通信问题。

10BASE-T1L 标准克服了传统通信系统的若干限制，包括与建筑自动化领域的布线、带宽、距离和电源有关的限制。下面详细介绍 10BASE-T1L 标准如何消除这些限制：

· 布线：10BASE-T1L 标准提供了能够使用单绞线对电缆传输以太网信号和电源的物理层解决方案，进而实现了诸如传感器和执行器等现场设备的无缝以太网连接。这就不需要复杂而昂贵的布线基础设施，从而简化了以太网网络建筑自动化的部署和安装。除此之外，以太网数据包可以直接从边缘传输到云，而无需进行网关转换。
· 带宽：10BASE-T1L 标准支持高达 10 Mbps 的数据传输速率，足以满足各种建筑自动化应用的需要。这种带宽高于仅限数个 kbps 的传统现场总线，可传输来自传感器或直接到执行器的数据，以及如配置和参数化数据等其他设备参数。
· 传输距离：10BASE-T1L 标准的支持长距离以太网连接的能力是其主要优势之一。该标准允许的连接长度可达 1 公里，比传统以太网标准要长得多。因此，该标准适用于设备分散在大面积区域内的应用，如工业厂房和汽车装配车间。

此外，10BASE-T1L 标准由于功耗低，因此适合电力资源有限的环境。这对于电池寿命和功耗至关重要的现场设备来说极为关键。

在某些情况下，必须按照 10BASE-T1L 规定，通过该标准提供数据和电源（在非本质安全区域最高 60 W）。10BASE-T1L 支持两种振幅模式：2.4 V 适用于长度达 1,000 m 的电缆，1.0 V 适用于最长 200 m 的较短电缆。通过 1.0 V 峰峰值振幅模式，该技术还可用于防爆环境（危险区域），并满足严格的最大电流消耗要求（最大功率限制在 500 mW）。

参考案例

10BASE-T1L 标准的典型使用案例如图 2 所示。该智能建筑应用利用 10BASE-T1L 的特性在不同层收集和汇总数据，从终端节点（传感器和执行器）到云上的企业/IT 层面。

房间控制器可直接连接现场设备（点对点），也可连接以菊花链形式连接的一系列设备。此外，还可对每个房间的控制器进行配置，以连接传统设备。

每栋建筑都有自己的设备控制器，这种控制器通过 10BASE-T1L 链路与大量的房间控制器相连，并通过 100 Mb/Gb 工业以太网与其他建筑的设备控制器相连。

对于与传感器和执行器的短距离连接（最长 25 米），如图 2 右侧的电梯轿厢控制器，10BASE-T1S 标准更为合适。


图 2：智能建筑使用案例。（图片来源： ADI）

10BASE-T1L 收发器

Analog Devices 开发的 ADIN1110 是一款超低功耗、单端口 10BASE-T1L 收发器，适用于工业和建筑自动化领域基于以太网的应用。该收发器符合 IEEE 802.3cg-2019 以太网标准，适用于长距离、10 Mbps 单对以太网 (SPE) 传输应用，且专为这些应用而设计。

如图 3 所示，该器件包含一个介质访问控制 (MAC) 接口。这样，就可以通过四线式串行外设接口 (SPI) 与多个主机控制器建立直接联系。这种 SPI 允许使用功耗更低的处理器，因为无需集成 MAC，从而使系统的总体功耗达到最低。在配置 SPI 时，可选择 Open Alliance SPI 协议和通用 SPI 协议。

ADIN1110 集成了电压供应监控和上电复位 (POR) 电路，以增强系统级稳健性。该器件的功耗也很低（通常为 42 mW），支持 1 VPP 和 2.4 VPP 发送电平，以及自动协商和用于帧过滤的 16 个 MAC 地址。


图 3：ADIN1110 MAC PHY 收发器框图。（图片来源： ADI）

10BASE-T1L 的覆盖范围更大，可以在更大的建筑中安装自动化设备，同时保持无缝连接。得益于这种灵活性和可扩展性，设施管理人员可以毫不费力地监控、修改如照明、气候/HVAC 控制、安防和能源管理等应用的设置。

此外，10BASE-T1L 提高了数据传输速率，可对建筑系统进行实时监控，从而提高运行效率。通过这项技术，可以改善自动化设备通信的响应时间、延迟和可靠性。

10BASE-T1L 以太网开关

与以太网标准一样，10BASE-T1L 提供用于连接各种网段和设备的交换机。可以构建和利用不同的网络拓扑结构为连接设备供电。在建筑自动化中，交换机通常与控制器、传感器和执行器相连。为了提高利用率，交换机可通过环形拓扑结构实现介质冗余。

为此，Analog Devices 开发出 ADIN2111 器件，这是一款专为建筑自动化网络而设计的全面的 10BASE-T1L 以太网双端口交换机（图 4）。该设备为控制器、传感器和执行器增加了长距离以太网连接，适合用于功率受限的小型边缘设备。与分立器件相比，ADIN2111 可节省高达 50% 的功耗和 75% 的 PCB 空间。


图 4：ADIN2111 的框图。（图片来源： ADI）

ADIN2111 专为直列式和环形菊花链网络而设计，可利用建筑内现有的单双绞线布线基础设施，从而降低了改造成本。图 5 显示了如何连接多个设备，以实现环形（上方）和直列（下方）拓扑结构。请注意，最后一个边缘传感器连接的收发器带有 PHY 和 MAC，而其他两个传感器连接的是交换机。


图 5：ADIN2111 10BASE-T1L 支持多种拓扑结构，可实现最高的设计灵活性和可扩展性。（图片来源： ADI）

10BASE-T1L 交换机配备 16 个地址 MAC 查找表，支持直通、存储转发操作，从而允许用户在处理和转发数据包时优先考虑延迟或错误处理。高级数据包过滤功能减轻了处理器处理优先流量的负担。

该交换机集成了先进的诊断功能，可减少安装、调试和系统停机时间。其中包括带有均方误差 (MSE) 的链路质量指标、链路诊断和 IEEE 测试模式，以及使用时域反射仪 (TDR) 进行电缆缺陷检测。该诊断解决方案由一个高精度片上 TDR 引擎和一套在微控制器主机上运行的算法组成，不仅在面对各种不同的电缆时具有极高的灵活性，而且实现了更先进的电缆诊断功能。

该解决方案符合 IEEE 802.3cg 标准，支持通过 1.7 km 布线进行以太网连接、环形冗余以及包括 Modbus/TCP、BACnet/IP 和实时 KNX 在内的软协议。还应注意的是，ADIN2111 在非托管配置中可用作中继器，将覆盖范围扩展至 2000 米或更远。

结语

10BASE-T1L 的推出为建筑自动化创造了新的机遇，彻底改变了商业和住宅空间的管理和控制方式。该标准能够充分利用现有基础设施，提高了灵活性并改善了数据传输性能，是实施自动化解决方案的理想选择。