更高功率的以太網(wǎng)供電開(kāi)辟新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

電源和聯(lián)接是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的主要挑戰(zhàn)，會(huì)影響各種電氣和電子設(shè)備。以太網(wǎng)供電 (PoE) 的新標(biāo)準(zhǔn)可以同時(shí)解決這兩大挑戰(zhàn)，從而可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行更多處理，并提高最新聯(lián)接系統(tǒng)的性能。

物聯(lián)網(wǎng)全都關(guān)乎聯(lián)接。將傳感器、執(zhí)行器和監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)接到“云”，可以匯總從世界任何地方訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。分析這些數(shù)據(jù)可以早期識(shí)別潛在的問(wèn)題，提供優(yōu)化系統(tǒng)并降低能源成本的新方法。在一條電纜中結(jié)合數(shù)據(jù)和聯(lián)接性可以使整個(gè)過(guò)程更高效。

雖然較小的設(shè)備可以由電池供電并使用無(wú)線聯(lián)接，但在有電噪聲的工廠環(huán)境中，可靠性可能是個(gè)問(wèn)題。隨著IoT端點(diǎn)變得越來(lái)越耗電和越來(lái)越大數(shù)據(jù)量，它們將需要可靠的電源和數(shù)據(jù)聯(lián)接。但是，將所有這些數(shù)據(jù)反饋回云，在所需的數(shù)據(jù)帶寬以及對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用而言涉及的延遲方面都有其自身的挑戰(zhàn)。如果每個(gè)IoT設(shè)備都需要同時(shí)高速訪問(wèn)另一端的云服務(wù)器，則會(huì)造成巨大的瓶頸。

解決此問(wèn)題的一種方法是在靠近終端設(shè)備的地方處理更多數(shù)據(jù)，即所謂的“邊緣計(jì)算”。這涉及本地分析數(shù)據(jù)，并將匯總結(jié)果發(fā)送回中央服務(wù)器。但這種級(jí)別的處理還要求在網(wǎng)絡(luò)邊緣增加功率。以太網(wǎng)供電是能夠解決此問(wèn)題的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它由承載數(shù)據(jù)的同一條以太網(wǎng)電纜供電，無(wú)需單獨(dú)聯(lián)接。對(duì)于某些功率要求不高的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如用于視覺(jué)檢查和監(jiān)視生產(chǎn)線的攝像機(jī)，這效果很好。PoE越趨用于為更多類(lèi)型的邊緣計(jì)算系統(tǒng)提供電源和數(shù)據(jù)。

這由新標(biāo)準(zhǔn)支持，該標(biāo)準(zhǔn)將輸出功率提高到90 W。IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的這功率水平將賦能新型的IoT端點(diǎn)。這些將包括更精密的互聯(lián)照明、更高分辨率的數(shù)字標(biāo)牌、具有平移、縮放和傾斜 (PZT) 及散熱良好的全功能安防攝像機(jī)，甚至包括運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法以進(jìn)行圖像分析和對(duì)象識(shí)別的邊緣服務(wù)器。接收功率的設(shè)備按其所需的功率分級(jí)，如表1所示。

表1：PoE受電設(shè)備 (PoE-PD) 按所需功率分級(jí)

新版標(biāo)準(zhǔn)將為某些現(xiàn)有應(yīng)用帶來(lái)好處，例如向IP電話中添加高清視頻會(huì)議，同時(shí)也將為邊緣計(jì)算開(kāi)辟全新的機(jī)會(huì)。這是整個(gè)IoT演進(jìn)中越來(lái)越重要的部分，尤其是工業(yè)4.0；為靠近設(shè)備的傳感器和執(zhí)行器增加更多的處理功率。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)是邊緣計(jì)算的重要組成部分。這些設(shè)備聚集了整X個(gè)工廠中來(lái)自傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)，但是并沒(méi)有將所有原始數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，而是在本地進(jìn)行處理。在本地處理的需求不斷增長(zhǎng)，尤其是在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)提高生產(chǎn)率的地方。除了監(jiān)視警報(bào)和閾值違例的數(shù)據(jù)外，這些網(wǎng)關(guān)現(xiàn)在還存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并識(shí)別信息流中的“隱藏”模式。這種分析可以確定長(zhǎng)期趨勢(shì)，甚至可以預(yù)測(cè)哪些設(shè)備可能需要預(yù)測(cè)性維護(hù)。結(jié)果被發(fā)送到集中式服務(wù)器，成為用戶(hù)數(shù)據(jù)儀表板的一部分。

這邊緣處理級(jí)需要更高性能的處理器和加速器；比僅處理簡(jiǎn)單控制算法的微控制器消耗更多的功率。最新的802.3bt系統(tǒng)的90 W能力比以前的PoE標(biāo)準(zhǔn)顯著擴(kuò)展功率范圍，可以解決這問(wèn)題，從而為在網(wǎng)絡(luò)邊緣運(yùn)行精密算法開(kāi)辟可能性。更高的功率還對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備產(chǎn)生有利影響，從而能由單個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)為許多低功率設(shè)備供電。隨著越來(lái)越多的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，許多應(yīng)用在電源方面將有更多選擇，例如互聯(lián)照明系統(tǒng)中的LED燈。

PoE將設(shè)備分類(lèi)為供電設(shè)備 (PSE) 或受電設(shè)備 (PD)。而且有兩種PSE，一種是由電纜供電和通信，另一種是簡(jiǎn)單地提高功率。端點(diǎn)PSE是內(nèi)置PoE功能的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換機(jī)，而中跨PSE可以放置在交換機(jī)和PD之間以向鏈路輸入額外的功率。插入一個(gè)Midspan PSE，這還支持添加電源到任何以太網(wǎng)鏈路，甚至沒(méi)有PSE交換機(jī)的以太網(wǎng)鏈路。

在規(guī)范的早期版本中，提供給PD的功率是恒定的，而不管它實(shí)際需要多少。802.3bt規(guī)范的一個(gè)關(guān)鍵開(kāi)發(fā)是自動(dòng)分類(lèi) (Autoclass) 功能，使PD能夠告知PSE實(shí)際需要多少功率。采用這種方式，Autoclass更高效地管理可用功率，PSE可支持更多PD。我們可按類(lèi)型定義將其與早前規(guī)范經(jīng)由可用連接管理功率的方式進(jìn)行比較。

Type 1 PoE使用IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)由兩對(duì)電纜提供最大15.4 W功率到端口。這提供12 W功率給網(wǎng)絡(luò)電話 (VoIP) 、傳感器，帶有兩個(gè)天線的無(wú)線接入點(diǎn)或不帶平移、傾斜或縮放功能的靜態(tài)攝像機(jī)等設(shè)備。

Type 2也稱(chēng)為PoE +，基于IEEE 802.3at，也經(jīng)由兩對(duì)電纜提供30 W到以太網(wǎng)端口。這適用于平移、傾斜或縮放的更復(fù)雜的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，以及具有六個(gè)天線的無(wú)線接入點(diǎn)，LCD顯示器，生物識(shí)別傳感器和功耗高達(dá)25 W的平板電腦。

Type 3或PoE ++，使用四對(duì)電纜在IEEE 802.3bt下為視頻會(huì)議系統(tǒng)組件和建筑物管理設(shè)備提供高達(dá)60 W的功率。

Type 4將PoE ++擴(kuò)展至90 W，可為設(shè)備提供高達(dá)71.3 W的功率。

當(dāng)支持自動(dòng)分類(lèi)時(shí)，Type 3和Type 4 PSE可檢查鏈路是否可使用所有四對(duì)雙絞線電纜，這是在連接時(shí)發(fā)生的。作為響應(yīng)，PD生成兩個(gè)電源特征之一。單特征顯示兩對(duì)和四對(duì)模式都通過(guò)整流器連接到同一電源軌，并且所有電氣負(fù)載共享同一電源軌。在雙特征PD中，兩種模式都采用不同的檢測(cè)和分類(lèi)機(jī)制連接到個(gè)別的PD控制器。這說(shuō)明即使為兩對(duì)模式供電，仍然可以對(duì)四對(duì)模式進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。這采用單特征PD是不可能實(shí)現(xiàn)的。新標(biāo)準(zhǔn)還支持較低的待機(jī)功耗閾值。先前的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)的最低功耗閾值為130 mW，低于PD關(guān)斷閾值。使用短MPS（維持電源特性）的802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的閾值僅為20 mW，從而大大降低待機(jī)功耗。

由于Autoclass管理提供給端口的功率，它需要確保每個(gè)PD接收到它所需的功率，這還包括考慮不同電纜長(zhǎng)度上發(fā)生的任何損耗。為此，PD必須在首次通電約1.5秒內(nèi)消耗所需的最大功率，PSE會(huì)以此確定PD的功率預(yù)算（圖1）。

圖1 含自動(dòng)分類(lèi)功能的8級(jí)PD的啟動(dòng)過(guò)程

PoE控制器現(xiàn)在正在興起，采用外部或集成MOSFET支持大功率PoE。沒(méi)有集成晶體管的控制器可根據(jù)特定應(yīng)用調(diào)整對(duì)MOSFET的選擇。

例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1095 PoE-PD接口控制器支持IEEE 802.3af、802.3at和802.3bt，并集成了實(shí)現(xiàn)PoE PD所需的所有功能，如浪涌階段的檢測(cè)、分類(lèi)和電流限制。電源由外部導(dǎo)通晶體管提供，控制器具有“電源良好” (power good) 引腳，可確保正確禁用/啟用相鄰的主DC-DC轉(zhuǎn)換器。分類(lèi)結(jié)果引腳使控制器支持特定的功率等級(jí)，最高可達(dá)8級(jí)。NCP1095還支持自動(dòng)分類(lèi)，并指示何時(shí)可實(shí)施簡(jiǎn)短的維持電源特性。另外，一個(gè)輔助電源檢測(cè)引腳使NCP1095可用于由PoE或壁式適配器供電的應(yīng)用。圖2顯示了NCP1095的功能框圖。

圖2 NCP1095的功能框圖

從兩對(duì)以太網(wǎng)電纜轉(zhuǎn)向四對(duì)以太網(wǎng)電纜供電，需要對(duì)PoE標(biāo)準(zhǔn)大幅更改，將可用功率提高到100W。以Autoclass添加單特征和雙特征使此更高效和可控。IEEE 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)正開(kāi)辟新的應(yīng)用用于圍繞邊緣計(jì)算和人工智能的工業(yè)控制。更高的功率可賦能更高性能設(shè)備，不需要集成或外部AC - DC功率級(jí)。圖3說(shuō)明了使用NCP1095如何實(shí)現(xiàn)典型的PoE PD應(yīng)用。

圖3 使用NCP1095的典型PoE PD應(yīng)用

有了更多功率，PD可集成更多特性和功能，如運(yùn)行越來(lái)越復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以監(jiān)控工廠車(chē)間的活動(dòng)并在潛在問(wèn)題變得嚴(yán)重之前識(shí)別出來(lái)。這也減少了發(fā)送回云的數(shù)據(jù)，降低了能源成本和復(fù)雜性。