下一代樓宇控制器 開啟智能新體驗

隨著科技不斷進(jìn)步和人們對更高生活質(zhì)量的追求，智能樓宇成為了未來建筑發(fā)展的重要方向。智能樓宇的出現(xiàn)主要是為了對樓宇環(huán)境進(jìn)行智能控制和優(yōu)化，應(yīng)用現(xiàn)代傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、安全防范、音頻視頻等先進(jìn)技術(shù)，將樓宇結(jié)構(gòu)、設(shè)備、服務(wù)等優(yōu)化組合形成有機(jī)整體，實現(xiàn)節(jié)能、安全、舒適以及可持續(xù)發(fā)展的建筑環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)智慧城市的建設(shè)。

與此同時，城市化和氣候變化等全球性挑戰(zhàn)也加速了對智能樓宇的需求。通過在安全、可擴(kuò)展、互聯(lián)的系統(tǒng)中使用多個數(shù)據(jù)源，可以實時執(zhí)行有效的決策，從而實現(xiàn)更節(jié)能、更高效的環(huán)境。高精度數(shù)據(jù)使樓宇和用戶之間能夠?qū)崟r驅(qū)動和交互，創(chuàng)造一個安全高效的空間，可應(yīng)用于商業(yè)、住宅甚至工業(yè)等諸多領(lǐng)域。

圖一 樓宇控制系統(tǒng)

樓宇自動化系統(tǒng)在支持可擴(kuò)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(zhǔn)數(shù)據(jù)和連接的復(fù)雜且可靠網(wǎng)絡(luò)。隨著樓宇控制系統(tǒng)逐漸本地化，可以節(jié)省時間和成本的平臺解決方案應(yīng)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(tǒng)技術(shù)能夠應(yīng)對互聯(lián)設(shè)備數(shù)量激增的挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)智能樓宇提供支持。這些更小巧、可擴(kuò)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(jiān)測、控制和重新配置，不僅適合現(xiàn)有的樓宇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆?biāo)準(zhǔn)，還支持更先進(jìn)的新技術(shù)。

如圖二所示，樓宇自動化系統(tǒng)分為四層。從上往下第一層是管理層（Management Layer），服務(wù)器的設(shè)備、上層的管理技術(shù)都是在里體現(xiàn)，這一層可以通過電腦上的服務(wù)器查詢到每個子系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)。

第二層是網(wǎng)絡(luò)分發(fā)層/集成層（Integration Layer），這一層就會面對每個控制設(shè)備，集成層的子系統(tǒng)可能都管理著一個小系統(tǒng)，比如照明的系統(tǒng)、溫度的系統(tǒng)、暖通的系統(tǒng)等等，這樣既有助于分門別類的管理，也可以拓展出更復(fù)雜的系統(tǒng)。

接下來就是控制器層（Controller Layer），這一層已經(jīng)深入到上面所說的分散控制，分布式管理最核心的設(shè)備就在這里。可以將其理解成一個現(xiàn)場的大腦，通過這個現(xiàn)場的大腦可以迅速決策。比如發(fā)現(xiàn)溫度過高之后，通過內(nèi)置的PID算法來驅(qū)動風(fēng)扇更快的工作，從而將溫度調(diào)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(xiàn)場或整個樓宇的狀態(tài)，是獲取信息的關(guān)鍵，因此是非常重要的。其實，嚴(yán)格來說還有最后一個設(shè)備層，包含了壓縮機(jī)等設(shè)備，這層有時也同樣會接在控制器層，總而言之就是現(xiàn)場的設(shè)備。

圖二 樓宇自動化系統(tǒng)

現(xiàn)代化的樓宇自控系統(tǒng)將電梯、水泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、暖通、照明等設(shè)備連接在一起，實現(xiàn)在線監(jiān)控。通過設(shè)置相應(yīng)傳感器，行程開關(guān)自動控制溫度、濕度、照明等參數(shù)。樓宇控制器（Direct Digital Controller）作為樓宇自動化的核心設(shè)備，承擔(dān)著接收上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)置，接收現(xiàn)場傳感器實時數(shù)據(jù)，輸出控制動作，從而實現(xiàn)真正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

樓宇控制器也叫數(shù)字控制器，其核心任務(wù)就是對外部的模擬量、數(shù)字量的輸入/輸出進(jìn)行感應(yīng)，因為內(nèi)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(tǒng)。ADI在樓宇控制系統(tǒng)中有很多的產(chǎn)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(yīng)的產(chǎn)品介紹。

ADI產(chǎn)品介紹

開入/開出，模擬輸入/輸出是樓宇控制器設(shè)備的關(guān)鍵信號輸入輸出及動作接口，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的通道模塊、模擬和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器以及與操作面的機(jī)器、儀器和傳感器進(jìn)行通信的單獨有線輸入/輸出，需要進(jìn)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(shè)計難度，采用通用接口應(yīng)對不同的需求，大大簡化硬件設(shè)計復(fù)雜度同時，為制造商和工業(yè)運營商的現(xiàn)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(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健，多年來基于ADI的產(chǎn)品和解決方案組合，打造了多個貼近客戶應(yīng)用需求的解決方案并獲得了市場的認(rèn)可。針對發(fā)射鏈路的兩種方式，世健結(jié)合當(dāng)前市場重點推薦AD74412R/AD74413R。

圖三 AD74412R/AD74413R框圖

這兩款產(chǎn)品都具有可重構(gòu)的模塊通道，可快速、輕松地實現(xiàn)遠(yuǎn)程可靈活控制系統(tǒng)的設(shè)計，同時無需進(jìn)行大規(guī)模的重新布線。這就極大地提高了制造商和工業(yè)運營商實現(xiàn)速度和靈活性，并使其能夠在不大量增加成本和停機(jī)時間的情況下進(jìn)行更改。

AD74412R和AD74413R是適用于樓宇和過程控制應(yīng)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(shù)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(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和四個可配置的13位數(shù)模轉(zhuǎn)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(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用于驅(qū)動DAC和ADC，可提供多種輸入/輸出模式。

ADI創(chuàng)新連接技術(shù):10Base-T1L

新樓宇中配備了一些先進(jìn)技術(shù)，可遠(yuǎn)程控制HVAC系統(tǒng)、檢測空間占用情況、自動控制照明并監(jiān)控環(huán)境條件，從而使這些樓宇更具可持續(xù)性，同時也可提升樓宇用戶的安全性與舒適度。ADI開發(fā)的先進(jìn)測量、連接和處理技術(shù)，旨在提高新樓宇和現(xiàn)有樓宇的可持續(xù)性，助力樓宇健康發(fā)展，支持樓宇改造以重復(fù)使用雙絞線基礎(chǔ)設(shè)施，并通過10BASE-T1L以太網(wǎng)連接現(xiàn)代系統(tǒng)。

10Base-T1L和傳統(tǒng)以太網(wǎng)最核心的區(qū)別就是雙線制。常規(guī)的以太網(wǎng)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(tǒng)的以太網(wǎng)必須要專用的網(wǎng)線，而10Base-T1L只要普通的雙絞線就能工作，這就解決了現(xiàn)場布置和安裝的挑戰(zhàn)，相當(dāng)于用普通雙腳線也可以獲得10兆以太網(wǎng)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?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)流量從上到下越來越小，但內(nèi)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(xiàn)場采集到的這些數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到服務(wù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用于工業(yè)或民用的幾乎每一個領(lǐng)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(dá)38.4kbps、1.2Km。

盡管RS-485在樓宇自動化里面應(yīng)用比較廣泛，但是技術(shù)也是需要革新的。在過去長期的市場應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了一些問題，比如這種架構(gòu)的調(diào)試難度比較大，單個設(shè)備節(jié)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(jī)場、體育館還是商業(yè)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(jié)點組成樓宇自動化系統(tǒng)，要想輕松連接到所有這些設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典交換機(jī)產(chǎn)品——ADIN2111，可以將以太網(wǎng)引入點對點、環(huán)形等線路網(wǎng)絡(luò)配置中的控制器和邊緣節(jié)點，減輕了控制器的負(fù)擔(dān)，讓升級更容易。

ADIN2111是一款低功耗、低復(fù)雜度、雙以太網(wǎng)端口交換機(jī)。它集成了10BASE-T1L PHY和一個串行外設(shè)接口（SPI）端口，使用低功率受限節(jié)點，面向工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用且符合IEEE? 802.3cg-2019?以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，適用于長距離10 Mbps單對以太網(wǎng)（SPE）。

圖五 ADIN2111

該交換機(jī)（直通或存儲并轉(zhuǎn)發(fā)）支持兩個以太網(wǎng)端口和SPI主機(jī)端口之間的多種布線配置，為線形、菊花鏈或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮峁╈`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(zhuǎn)發(fā)兩個以太網(wǎng)端口之間的流量。

ADIN2111支持高達(dá)1700米的電纜延伸范圍，具有77 mW的超低功耗。兩個PHY內(nèi)核支持IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)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(jī)、兩個具有介質(zhì)訪問控制（MAC）接口的以太網(wǎng)物理層（PHY）內(nèi)核以及所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖器件。該器件還包括內(nèi)部緩沖隊列、SPI和子系統(tǒng)寄存器，以及用來管理復(fù)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(jiān)控電路和上電復(fù)位（POR）電路，可提高系統(tǒng)級魯棒性。用于與主機(jī)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(shù)據(jù)保護(hù)或循環(huán)冗余校驗（CRC）。

以太網(wǎng)受電方案

SPoE（Single Pair Power over Ethernet）以前也被稱為“數(shù)據(jù)線供電（PoDL）”，對應(yīng)的設(shè)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(wǎng)技術(shù)后需要自供電，增加這個功能后，端節(jié)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(jié)點可以定期、定時地主動上報一些狀態(tài)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(biāo)準(zhǔn)的單對以太網(wǎng)供電受電設(shè)備（PD）控制器——ADI的LTC9111。2.3V-60V的寬工作范圍與極性校正相結(jié)合，使該控制器特別適合樓宇及工廠自動化應(yīng)用中基于分類的系統(tǒng)。

圖六 LTC9111框圖

基于SCCP的分類可確保供電設(shè)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(qū)動兩個外部N通道MOSFET開關(guān)，外部N通道MOSFET開關(guān)在分類和出現(xiàn)浪涌時從連接器隔離輸出電容。

當(dāng)PD輸入電壓超過所配置類的ON電壓閾值時或經(jīng)過強制延遲后，電壓監(jiān)控器可啟用外部MOSFET。在控制的GATE引腳斜升后，EN輸出會發(fā)生斷言，輸入電壓降至所配置類的關(guān)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(qū)動一對外部低端N通道MOSFET，可減少功率損耗。

【總結(jié)】

綜上所述，Excelpoint世健認(rèn)為，ADI公司的創(chuàng)新技術(shù)和系統(tǒng)專業(yè)知識正在幫助塑造智能樓宇行業(yè)的未來，其產(chǎn)品和解決方案能為智能樓宇控制系統(tǒng)提供可配置、簡易化以及高性能發(fā)展趨勢的同時，也為市場未來的技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)，能幫助市場更好地迎接各類挑戰(zhàn)。