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作者：Excelpoint世健 隨著科技不斷進步和人們對更高生活質量的追求，智能樓宇成為了未來建筑發展的重要方向。智能樓宇的出現主要是為了對樓宇環境進行智能控制和優化，應用現代傳感器、網絡通信、自動控制、安全防范、音頻視頻等先進技術，將樓宇結構、設備、服務等優化組合形成有機整體，實現節能、安全、舒適以及可持續發展的建筑環境，進一步促進智慧城市的建設。 與此同時，城市化和氣候變化等全球性挑戰也加速了對智能樓宇的需求。通過在安全、可擴展、互聯的系統中使用多個數據源，可以實時執行有效的決策，從而實現更節能、更高效的環境。高精度數據使樓宇和用戶之間能夠實時驅動和交互，創造一個安全高效的空間，可應用于商業、住宅甚至工業等諸多領域。 
圖一: 樓宇控制系統 樓宇自動化系統在支持可擴展的情況下，可較大限度提高舒適性、安全性和能效。從HVAC到照明，要充分提高工作性能，就需要一個能提供精準數據和連接的復雜且可靠網絡。隨著樓宇控制系統逐漸本地化，可以節省時間和成本的平臺解決方案應運而生，其具備的低功耗和靈活性讓樓宇更易于重新配置，可滿足不斷變化的需求。 ADI的樓宇自動化系統技術能夠應對互聯設備數量激增的挑戰，為實現智能樓宇提供支持。這些更小巧、可擴展的低功耗解決方案支持使用樓宇控制平臺方法，在本地或更高層面上監測、控制和重新配置，不僅適合現有的樓宇網絡拓撲和標準，還支持更先進的新技術。 如圖二所示，樓宇自動化系統分為四層。從上往下第一層是管理層（Management Layer），服務器的設備、上層的管理技術都是在里體現，這一層可以通過電腦上的服務器查詢到每個子系統當前的工作狀態。 第二層是網絡分發層/集成層（Integration Layer），這一層就會面對每個控制設備，集成層的子系統可能都管理著一個小系統，比如照明的系統、溫度的系統、暖通的系統等等，這樣既有助于分門別類的管理，也可以拓展出更復雜的系統。 接下來就是控制器層（Controller Layer），這一層已經深入到上面所說的分散控制，分布式管理最核心的設備就在這里。可以將其理解成一個現場的大腦，通過這個現場的大腦可以迅速決策。比如發現溫度過高之后，通過內置的PID算法來驅動風扇更快的工作，從而將溫度調低，因此樓宇控制器有大量的模擬傳感器I/O。 最下面一層就是傳感器層（Field sensor Layer）。這一層會接大量傳感器來感知到現場或整個樓宇的狀態，是獲取信息的關鍵，因此是非常重要的。其實，嚴格來說還有最后一個設備層，包含了壓縮機等設備，這層有時也同樣會接在控制器層，總而言之就是現場的設備。
圖二：樓宇自動化系統 現代化的樓宇自控系統將電梯、水泵、風機、空調、暖通、照明等設備連接在一起，實現在線監控。通過設置相應傳感器，行程開關自動控制溫度、濕度、照明等參數。樓宇控制器（Direct Digital Controller）作為樓宇自動化的核心設備，承擔著接收上位機系統設置，接收現場傳感器實時數據，輸出控制動作，從而實現真正的閉環控制系統。 樓宇控制器也叫數字控制器，其核心任務就是對外部的模擬量、數字量的輸入/輸出進行感應，因為內置了很多樓宇自動化所需要的PID控制單元，以此來控制整個系統。ADI在樓宇控制系統中有很多的產品，大致可分為Software lO、10Base-T1L、RS-485以及SPoE等幾大類，下面會有相應的產品介紹。 ADI產品介紹 開入/開出，模擬輸入/輸出是樓宇控制器設備的關鍵信號輸入輸出及動作接口，傳統的控制系統采用一組復雜的通道模塊、模擬和數字信號轉換器以及與操作面的機器、儀器和傳感器進行通信的單獨有線輸入/輸出，需要進行成本高昂且工作強度大的手動配置。 ADI推出用于樓宇控制和過程自動化的I/O芯片極大地降低了設計難度，采用通用接口應對不同的需求，大大簡化硬件設計復雜度同時，為制造商和工業運營商的現場靈活配置通道功能提供了可能。 與ADI合作了三十多年的技術型授權代理商Excelpoint世健，多年來基于ADI的產品和解決方案組合，打造了多個貼近客戶應用需求的解決方案并獲得了市場的認可。針對發射鏈路的兩種方式，世健結合當前市場重點推薦AD74412R/AD74413R。
圖三：AD74412R/AD74413R框圖 這兩款產品都具有可重構的模塊通道，可快速、輕松地實現遠程可靈活控制系統的設計，同時無需進行大規模的重新布線。這就極大地提高了制造商和工業運營商實現速度和靈活性，并使其能夠在不大量增加成本和停機時間的情況下進行更改。 AD74412R和AD74413R是適用于樓宇和過程控制應用的四通道軟件可配置輸入/輸出解決方案，包含用于模擬輸出、模擬輸入、數字輸入和電阻溫度檢測器（RTD）測量的功能，這些功能通過串行外設接口（SPI）集成在一個單芯片解決方案中。該套件采用一個16位Σ-∆模數轉換器（ADC）和四個可配置的13位數模轉換器（DAC），可提供四個可配置輸入/輸出通道和一套診斷功能。AD74412R/AD74413R均包含一個高精度2.5 V的內部基準電壓源用于驅動DAC和ADC，可提供多種輸入/輸出模式。 ADI創新連接技術：10Base-T1L 新樓宇中配備了一些先進技術，可遠程控制HVAC系統、檢測空間占用情況、自動控制照明并監控環境條件，從而使這些樓宇更具可持續性，同時也可提升樓宇用戶的安全性與舒適度。ADI開發的先進測量、連接和處理技術，旨在提高新樓宇和現有樓宇的可持續性，助力樓宇健康發展，支持樓宇改造以重復使用雙絞線基礎設施，并通過10BASE-T1L以太網連接現代系統。 10Base-T1L和傳統以太網最核心的區別就是雙線制。常規的以太網都是三線制甚至更多，線減少就能大幅降低整個安裝要求，因為傳統的以太網必須要專用的網線，而10Base-T1L只要普通的雙絞線就能工作，這就解決了現場布置和安裝的挑戰，相當于用普通雙腳線也可以獲得10兆以太網的速度。 圖四是樓宇自動化整個通信鏈路過程大概的一個拓撲的結構，數據流量從上到下越來越小，但內容卻越來越多。上面非常集中、流量較大，下面比較零散、流量相對偏少，中間的樓宇控制器是呈上啟下的重要作用，將現場采集到的這些數字量信號轉換成數字信號，最后送到服務器，這里面就會存在大量通信需求。
圖四：樓宇自動化通信鏈路過程拓撲結構簡圖 RS-485依舊是目前樓宇自動化里面比較主流的一個方式，在過去的幾十年廣泛應用于工業或民用的幾乎每一個領域。它最大的特點就是雙線制，使用非常方便，而且這種菊花鏈（Daisy chain）的形式非常容易安裝和配置，通信的速率、距離分別可達38.4kbps、1.2Km。 盡管RS-485在樓宇自動化里面應用比較廣泛，但是技術也是需要革新的。在過去長期的市場應用過程中也出現了一些問題，比如這種架構的調試難度比較大，單個設備節點故障就會影響整個總線，只能逐個退下來排查后再裝上去，而實際中智能樓宇的施工面積是非常大的，無論是一個機場、體育館還是商業建筑，這都意味著巨大的工作量。 典型的智能樓宇有控制器和各節點組成樓宇自動化系統，要想輕松連接到所有這些設備并不容易。Excelpoint世健推薦ADI公司的一款兼容IEEE 802.3cg和10BASE-T1L標準的經典交換機產品——ADIN2111，可以將以太網引入點對點、環形等線路網絡配置中的控制器和邊緣節點，減輕了控制器的負擔，讓升級更容易。 ADIN2111是一款低功耗、低復雜度、雙以太網端口交換機。它集成了10BASE-T1L PHY和一個串行外設接口（SPI）端口，使用低功率受限節點，面向工業以太網應用且符合IEEE® 802.3cg-2019™以太網標準，適用于長距離10 Mbps單對以太網（SPE）。
圖五：ADIN2111 該交換機（直通或存儲并轉發）支持兩個以太網端口和SPI主機端口之間的多種布線配置，為線形、菊花鏈或環形網絡拓撲提供靈活的解決方案。此外，它還可用于非托管配置，在此配置下，該器件可自動轉發兩個以太網端口之間的流量。 ADIN2111支持高達1700米的電纜延伸范圍，具有77 mW的超低功耗。兩個PHY內核支持IEEE 802.3cg標準中定義的1.0 V p-p工作模式和2.4 V p-p工作模式，可采用1.8 V或3.3 V單電源軌供電。 該器件集成了交換機、兩個具有介質訪問控制（MAC）接口的以太網物理層（PHY）內核以及所有相關的模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖器件。該器件還包括內部緩沖隊列、SPI和子系統寄存器，以及用來管理復位和時鐘控制及硬件引腳配置的控制邏輯。 ADIN2111集成電壓電源監控電路和上電復位（POR）電路，可提高系統級魯棒性。用于與主機通信的4線式SPI可配置為OPEN Alliance SPI或通用SPI。兩種模式均支持可選數據保護或循環冗余校驗（CRC）。 以太網受電方案 SPoE（Single Pair Power over Ethernet）以前也被稱為“數據線供電（PoDL）”，對應的設備是配合前面提到的10base-T1L做的。比如，客戶在用了兩線制的10base-T1L以太網技術后需要自供電，增加這個功能后，端節點可以在一根雙絞線上既傳輸信號也供電源，因此面板可以做得非常纖薄。自供電的端節點可以定期、定時地主動上報一些狀態信息或報警信息，而不是只能被動接受主站訪問。 對此，世健推薦一款符合IEEE 802.3cg標準的單對以太網供電受電設備（PD）控制器——ADI的LTC9111。2.3V-60V的寬工作范圍與極性校正相結合，使該控制器特別適合樓宇及工廠自動化應用中基于分類的系統。
圖六：LTC9111框圖 基于SCCP的分類可確保供電設備（PSE）僅在連接有效的PD時提供全工作電壓。LTC9111在分類時利用微功耗操作，最大限度降低存儲電容器的要求，可驅動兩個外部N通道MOSFET開關，外部N通道MOSFET開關在分類和出現浪涌時從連接器隔離輸出電容。 當PD輸入電壓超過所配置類的ON電壓閾值時或經過強制延遲后，電壓監控器可啟用外部MOSFET。在控制的GATE引腳斜升后，EN輸出會發生斷言，輸入電壓降至所配置類的關閉電壓閾值以下時也會禁用MOSFET。LTC9111利用1.6V的低啟動電壓為極性校正驅動一對外部低端N通道MOSFET，可減少功率損耗。 【總結】 綜上所述，Excelpoint世健認為，ADI公司的創新技術和系統專業知識正在幫助塑造智能樓宇行業的未來，其產品和解決方案能為智能樓宇控制系統提供可配置、簡易化以及高性能發展趨勢的同時，也為市場未來的技術創新提供了基礎，能幫助市場更好地迎接各類挑戰。 |
