DOI: 10.22184/2070-8963.2022.108.8.58.62

Рассмотрены функциональные возможности, базовые принципы построения и технические особенности аппаратной и программной частей оборудования дистанционного питания терминального оборудования по однопарным витопарным кабельным трактам PoDL. Показана перспективность применения техники PoDL в проектах автоматизации объектов недвижимости различного назначения.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Вишневский В., Ляхов А., Портной С., Шахнович И.
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #8/2022
А.Семенов
ТЕХНОЛОГИЯ PoDL – СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
Просмотры: 1185
DOI: 10.22184/2070-8963.2022.108.8.58.62

Рассмотрены функциональные возможности, базовые принципы построения и технические особенности аппаратной и программной частей оборудования дистанционного питания терминального оборудования по однопарным витопарным кабельным трактам PoDL. Показана перспективность применения техники PoDL в проектах автоматизации объектов недвижимости различного назначения.
ТЕХНОЛОГИЯ PoDL − система дистанционного питания для Интернета вещей

А.Семенов, д.т.н., профессор НИУ МГСУ / andre52.55@mail.ru

УДК 654.152, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.108.8.58.62

Рассмотрены функциональные возможности, базовые принципы построения и технические особенности аппаратной и программной частей оборудования дистанционного питания терминального оборудования по однопарным витопарным кабельным трактам PoDL. Показана перспективность применения техники PoDL в проектах автоматизации объектов недвижимости различного назначения.

Введение
Информационно-телекоммуникационная система (ИТС) становится таким же обязательным атрибутом современного здания, как отопление, освещение, водоснабжение и аналогичное им инженерное оборудование. ИТС реализуются на базе проверенной временем семиуровневой модели OSI, а за основу первого, физического уровня в абсолютном большинстве случаев берется структурированная кабельная система (СКС).

При этом радиосети, построен­ные по технологии Wi-Fi, обычно решают отдельные нишевые задачи в тех ситуациях, когда применение кабельных решений невозможно или нецелесообразно по тем или иным причинам.

Предложение о реализации физического уровня ИТС в форме СКС было сформулировано еще в конце 80-х годов прошлого столетия, а в полноценное самостоятельное техническое направление структурированная проводка выделилась в 1991 году с момента принятия профильных стандартов первого поколения в США. Идеи, заложенные в СКС как средство организации физического уровня ИТС, оказались хорошо востребованными на практике, что было наглядно доказано длительным коммерческим успехом разнообразных кабельных систем.

Прошедшие три десятка лет с момента стандартизации − огромный срок даже для технически консервативной кабельной техники и потенциал, изначально заложенный в идею СКС, был во многом израсходован уже к середине второго десятилетия текущего века. Новую жизнь в идею структурированного каблирования вдохнула технология так называемого однопарного Ethernet (Single Pair Ethernet, SPE) [1]. Практическая реализация заложенной в нее концепции:
  • обеспечила возможность подключения к ИТС основной массы устройств цифрового потолка современных умных домов, в том числе в рамках реализации концепции Интернета вещей (IoT) [2];
  • позволила перейти на единую технологическую платформу в ряде областей, хорошо востребованных и емких по количеству точек подключения (рис.1);
  • заметно улучшила экономические характеристики информационной проводки за счет устранения функциональной избыточности, что достигалось как сокращением количества витых пар (т.е. расхода кабеля), так и заметным ослаблением требований к емкости кабельных каналов всех разновидностей.

Концептуально однопарная проводка должна рассматриваться не как конкурент классическим четырехпарным линиям, а как их дополнение. Она изначально ориентирована в первую очередь на поддержку сетевого режима функционирования многочисленных контроллеров системы управления инженерным обеспечением в зданиях и технологическим оборудованием на производстве. Обеспечена также обратная совместимость по активному оборудованию: в случае применения соответствующего адаптера применения соответствующего адаптера SPE-интерфейс без ограничений работает по четырехпарным трактам построенной ранее "классической" СКС. В области же транспортной техники (автомобили, самолеты, трамваи и т.д.) проблема выбора "парности" кабельных трактов не возникает изначально.

Организация питания терминальных устройств
В двух из трех основных областей применения техники однопарного Ethernet (управление инженерным обеспечением и промышленная автоматизация) просто в силу их топологической масштабности неизбежно приходится решать задачу обеспечения питания терминальных устройств. Прокладка выделенной 220-вольтовой линии при этом явно нерацио­нальна. Не слишком сильно исправляет ситуацию переход на организацию шлейфовых силовых структур и построение зоновых архитектур с установкой группового источника в каждой зоне.

При таких начальных условиях целесообразно воспользоваться опытом классической СКС, в которой эта задача была решена внедрением технологии РоЕ (Power over Ethernet). Суть решения заключается в том, что на электропроводные 4-парные кабельные тракты в дополнении к поддержке информацион­ного обмена возлагается также функция передачи тока дистанционного питания на обслуживаемые терминальные устройства. Необходимая эксплуатационная гибкость и коммерческая привлекательность решения в целом обеспечивается использованием принципа наложения на кабельную систему, введением системы классов по потребляемой мощности, внедрением развитой автоматики управления функционированием источника и приемника электроэнергии [3].

Само собой разумеется, что от кабельных трактов однопарного Ethernet ожидается аналогичный функционал. Потенциальную востребованность такого подхода можно обосновать следующей оценкой. Максимальная мощность питаемого устройства РоЕ в варианте IEEE 802.3bt составляет 71,3 Вт. В случае применения однопарных трактов можно уверенно рассчитывать на четверть этого значения, то есть как минимум на 15 Вт. Этого вполне достаточно для практики: основная масса современных РоЕ-устройств относится к классу 1 и потребляет не более 4 Вт.

При создании интерфейсов однопарного Ethernet применено простое "демасштабирование", то есть схемные решения SPE-интерфейса в части цепей передачи данных представляют слегка модернизированную "четвертинку" гигабитного или 10-гигабитного (в зависимости от варианта) прототипа.

Целесообразность и применимость такого подхода определяются тем, что в указанных типах оборудования используется параллельная двунаправленная передача сигналов, причем каждый из субканалов "привязан" к индивидуальной витой паре. Режим дуплексной передачи по одной паре достигается за счет развязки приемника и передатчика интерфейса классической дифференциальной системой.

Что же касается дистанционного питания, то работы над технологией ее реализации под эгидой IEEE были начаты еще в 2013 году, так как применение исходных конструктивных решений РоЕ в данном случае невозможно в принципе. Сказывается, что согласно этой технологии функции прямого и обратного проводов для передачи тока дистанцион­ного питания выполняет витая пара целиком. Соответственно, потребовалась разработка новой технологии, которая получила название PoDL (Power over Data Line − питание поверх информационной линии) и нормируется спецификацией IEEE 802.3bu.

Конструктивное оформление и решение задачи развязки оборудования
Техника PoDL демонстрирует очень высокую степень преемственности со своим прототипом − PoE. Отличия определяются особенностями формирования линии. При ее разработке были в максимально полной степени использованы положительно зарекомендовавшие себя системные подходы и схемные решения.

Система PoDL внедряется в ИТС методом наложения на однопарные кабельные тракты. Задача развязки информационных цепей и цепей дистанционного питания решается установкой вилки индуктивно-емкостных фильтров. При этом для усиления эффекта развязки обмотки дросселей включают встречно. Схема такого подключения представлена на рис.2.

Отметим, что применение дроссельной развязки потребовало некоторой коррекции в части обратных отражений для низкочастотной части: 1−2 МГц рабочего спектрального диапазона.

Еще одно отличие рассматриваемой технологии от РоЕ состоит в том, что элементом, указывающим на наличие PoDL-приемника, является не 30-килоом­ный резистор, а стабилитрон на 3,5–4,0 В.

Сохранена система обозначений: источник питания называется PSE, приемник дистанционного питания − PD. Оба этих блока подключаются параллельно приемопередатчику сетевого интерфейса. В известных образцах техники PSE и PD конструктивно оформлены исключительно в виде встроенных модулей приемопередатчиков, что заметно бо­лее удобно с эксплуатационной точки зрения.

PSE и PD схемно независимы от приемопередатчика, то есть при возникновении соответствующей необходимости они могут быть без проблем выполнены в виде отдельных конструктивно независимых и функционально законченных блоков.
С учетом области применения в электронных схемах может применяться элементная база с максимальной рабочей температурой 125 °C.

Классы PoDL
Несмотря на свою относительную молодость (стандарт IEEE 802.3bu увидел свет в 2016 году, затем последовал расширяющий его в части диапазона поддерживаемых мощностей стандарт IEEE 802.3cg, который был опубликован 7 ноября 2019 года), технология PoDL предполагает наличие большого количества классов.

В настоящее время их число составляет 16. Последнее становится прямым следствием широты потенциальных областей применения и, соответственно, большой номенклатуры применяемых напряжений типовых источников: 12, 24, 48 и 60 В. Дополнительно отдельные классы группируются между собой по номинальному выходному напряжению источника PSE, образуя отдельные группы.

При выборе параметров аппаратуры отдельно выполнено дополнительное согласование прие­мопередатчиков и пары источник-приемник системы по дальности действия: в случаях 100BASE-T1/1000BASE-T1 с заданным качеством обеспечи­вается возможность построения трактов протяженностью 15 м.

Сводка классов и основные пользовательские параметры представлены в табл.1. Система классов носит открытый характер и при необходимости может быть расширена.

Дополнительно к классам вводится также система типов источников. В качестве основного классифицирующего признака использованы разновидности сетевых интерфейсов. Система типов построена по матричной схеме, а ее сводка приведена в табл.2.

Логика функционирования системы PoDL и взаимодействия "приемник − передатчик".
После физического замыкания цепи протекания питающего тока источник и приемник осуществляют настройку в соответствии с заранее заданным алгоритмом для определения возможности подачи питания и его класса.

Для экономии электроэнергии изначально предусмотрен штатный спящий режим, причем его активацию на равных правах инициирует как приемник PD, так и источник PSE-системы. При нахождении в спящем режиме физическое подключение потребителя контролируется подачей на вход линии 3,3-В дежурного напряжения. Наличие спящего режима важно с точки зрения техники с автономным питанием, применяемой, например, в автомобилях.

Перед подачей питающего напряжения осуществляется проверка самой возможности дистан­ционного питания с последующим заданием класса. Для этого достаточно зафиксировать номинальное пи­тающее напряжение и установить максимальную мощность, которую потребляет терминальное устройство. Для задания мощности привлекается низкоскоростной однопарный двунаправленный протокол SCCP. Совмещение штатной передачи данных между SPE и PD и выполнение процедур настройки не допускается логикой работы управляющего контроллера источника. Таким образом, выполнение процедур протокола SCCP возможно только в спящем режиме и сразу после начала процедуры инициализации настройки пары "источник − приемник".

Особенность алгоритма начальной настройки системы PoDL − его линейный характер без многочисленных ветвлений, что положительно сказы­вается на быстродействии.

Немаловажное значение имеет также отсутствие необходимости обязательной реализация процедур, требующих обращения к SCCP. Включение без предварительной настройки выделено в отдельный режим Fast Startup Mode, который применяется в бортовых автомобильных системах с фиксированной конфигурацией и заранее известной мощностью потребления нагрузки. Таким образом, протокол SCCP изначально рассматривается как опция.

В упрощенном виде настройка выполняется по следующему алгоритму (представлен на рис.3):
  • в момент подключения нагрузки или выхода из спящего режима на приемник подается ток 10 мА и проверяется наличие стабилитрона в приемнике;
  • выполняется согласование класса питания с привлечением протокола SCCP, после чего включается питание;
  • непрерывно контролируется ток, потребляемый питаемым терминальным устройством, и при падении его ниже 10 мА (9–10% от максимума для наиболее маломощных классов 0 и 10) производится принудительный перевод системы в спящий режим с подачей контрольного напряжения 3,3 В;
  • при превышении током, потребляемым в спящем режиме, порога в 1 мА процесс инициализации источника PSE запускает­ся заново.

Отдельно укажем на то, что, несмотря на схожесть исходной идеи и высокой степени пересечения в части мощностей нагрузок, совместимость между PoDL и PoE отсутствует из-за различных принципов их функционирования. Ровно аналогичным образом отсутствует возможность настройки выходного напряжения источника PSE для его согласования с запрашиваемым напряжением приемника из “чужой” группы классов.

Заключение
Технология PoDL представляет собой сегодня функционально законченный продукт, отве­чающий основным требованиям практики и готовый к использованию в массовых проектах.

Внедрение технологии PoDL существенно расширяет как области применения, так и технико-экономическую привлекательность однопарного Ethernet для широкого круга потребителей.

Обращение к технологии PoDL не потребует изменения правил проектирования сетей, что обеспечено хорошей гармонизацией слаботочной и силовой частей создаваемой однопарной на физическом уровне информационной системы.

По своим функциональным возможностям PoDL примерно соответствует известной технологии PoE, что позволяет существенно расширить область полноценного внедрения современных средств автоматизации с распространением их установки на объектах недвижимости на цифровой потолок и промышленные системы.

ЛИТЕРАТУРА
Семенов А. Кабельная система для интернета вещей − первые шаги // Первая миля. 2019. С. 32−39.
Челышков П.Д., Семенов А.Б. Влияние “умного” города на телекоммуникации // Вестник связи. 2019. № 2. С. 4−7.
Семенов А. Эволюция дистанционного питания // Журнал сетевых решений LAN. 2015. № 10. С. 51−55.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art