Bassa potenza, grande impatto: PHY Ethernet a basso consumo per l’automazione degli edifici

L’espandersi dell’utilizzo della tecnologia Ethernet nell’automazione degli edifici consente, grazie anche all’impiego di reti di controllo e avanzati sensori, di gestire in maniera ottimale sistemi ambientali (come illuminazione e riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria), controllo accessi, dispositivi di sicurezza e protezione così come sistemi per la manutenzione predittiva. Nelle nuove costruzioni vengono già implementati reti con cavi dedicati di Categoria 5e, switch e router Ethernet. Anche nel patrimonio edilizio esistente vengono sempre più spesso installati reti dati e sensori/attuatori di vario tipo.

Questa ristrutturazione è impegnativa per due motivi principali:

  • La necessità di portare alimentazione in punti che non erano stati originariamente predisposti per l’alimentazione.
  • Limiti di spazio per l’installazione, poiché la maggior parte degli edifici ristrutturati non erano stati progettati per ospitare sensori e controller in pareti, soffitti o pavimenti.

Mentre alcuni edifici commerciali e industriali sono stati originariamente progettati per ospitare la facile riconfigurazione degli spazi interni, una tecnologia di rete che supporta la facile distribuzione dell’alimentazione e offre fattori di forma ridotti rende più semplice la ristrutturazione di questi edifici con reti per l’automazione basata su Ethernet.

Il dispiegamento di reti Ethernet nell’automazione degli edifici

L’uso di Ethernet nell’automazione degli edifici si sta espandendo per diversi motivi.

In primo luogo, essendo una tecnologia di rete matura, offre un ecosistema ben sviluppato di hardware e software che consente agli ingegneri di sviluppare rapidamente soluzioni plug-and-play. Questo approccio si trova alla base del modello Open Systems Interconnection e pertanto supporta l’uso di comunicazioni di dati basate su standard per l’aggregazione, la trasmissione, lo scambio, l’elaborazione e l’archiviazione.

In secondo luogo, Ethernet consente l’integrazione di prodotti di diversi fornitori, evitando interfacce proprietarie.

Terzo, Ethernet offre velocità dei dati più elevate rispetto alla maggior parte dei protocolli di comunicazione punto-punto o orientati al bus esistenti. Ciò è importante per tre motivi:

  • Molti sensori funzionano a bassa velocità e possono quindi essere serviti da un singolo concentratore che aggrega i loro flussi più lenti in un unico flusso di dati ad alta velocità che viene inviato in rete, riducendo il numero di connessioni fisiche necessarie per portare i dati ad un centro operativo e di gestione centralizzato.
  • Velocità più elevate garantiscono tempi di risposta più rapidi agli eventi rilevati dal sensore, modalità che è fondamentale per i sistemi di sicurezza (incendio, fumo, anidride carbonica, rilevamento di gas, ecc.), per quelli di protezione e per i controlli degli accessi.
  • Velocità di trasmissione dati più elevate hanno ampliato la diffusione di alcuni tipi di sensori, in particolare le videocamere per la sorveglianza. Le telecamere di rete IP (IPNC, IP Network Camera) hanno sostituito la tecnologia delle telecamere a circuito chiuso su base analogica, che utilizzava sensori di immagine analogici, insieme a sistemi di trasmissione analogici con cavi coassiali dedicati. Le telecamere IP generano flussi video completamente digitalizzati e dispongono di sistemi di protocollo di rete integrati che consentono la loro connessione a una rete 100BASE-TX utilizzando cavi Cat5e.

Dati e Alimentazione insieme

Un ulteriore fattore che ha consentito l’implementazione più ampia di telecamere IP è l’espansione dello standard IEEE 802.3 con la tecnologia Power over Ethernet (PoE). IEEE 802.3at-2009 e IEEE 802.3bt hanno introdotto evoluzioni allo standard che supportano la trasmissione di potenza su Cat5e. Come descritto negli standard, l’Alternativa A utilizza gli stessi doppini sia per i dati che per l’alimentazione, mentre l’Alternativa B utilizza i doppini intrecciati di riserva, separando così i dati e l’alimentazione.

La maggior parte dei sistemi utilizza attualmente 100BASE-TX, che utilizza due coppie di cavi a doppino intrecciato Cat5e, lasciando le coppie di riserva disponibile per l’alimentazione. Gli standard definiscono le due entità che si trovano alle estremità opposte del cavo. L’apparecchiatura di alimentazione (PSE) è responsabile dell’erogazione di energia al dispositivo alimentato (PD) che si trova all’altra estremità del cavo. Gli standard definiscono quattro diversi tipi di scenari di utilizzo, che corrispondono a quattro livelli di capacità di erogazione di potenza massima. La tabella 1 riassume i quattro standard.

Parameter 802.3a
Type 1
802.3at
Type 2
802.3bt
Type 3
802.3bt
Type 4
Power available at the PD (W) 12.95 25.5 51 71
Maximum PSE power (W) 15.4 30 60 100
PSE voltage range (V) 44-57 50-57 50-57 52-57
PD voltage range (V) 37-57 42.5-57 42.5-57 41.1-57
Maximum current (mA) 350 600 600 per pair 960 per pair
Maximum cable resistance per pair (Ω) 20 12.5 12.5 12.5

Tabella 1: tipi di PoE e specifiche di erogazione di potenza.


Come puoi vedere nella tabella, ogni tipologia supporta un budget di potenza per il PD. In ogni caso, l’utilizzo di dispositivi ad alta efficienza energetica sia per i PSE che per i PD è fondamentale.

Esempio di sistema

La Figura 1 illustra un esempio di rete di automazione degli edifici con PoE. Questo esempio mostra una combinazione di un controller/aggregatore per sensori e telecamera IP collegato ad uno switch di rete, che genera anche la tensione di alimentazione. Lo switch funge dunque anche da PSE. In questo caso i PD sono l controller del sensore e la telecamera IP. L’incorporazione di livelli fisici (PHY) in ciascuno dei PD gestisce le comunicazioni Ethernet.

Dato che lo scopo del PoE è quello di consentire l’implementazione di sensori e attivatori in luoghi che potrebbero non avere alimentazione disponibile o in cui sarebbe difficile fornire energia, è importante che la connessione PHY abbia il più basso assorbimento possibile. In tabella 1 possiamo vedere che un collegamento PoE di tipo 1 presenta un budget di alimentazione teorico di 12,95 W all’estremità del PD. In realtà ci sarà ci sarà sempre una certa perdita nella conversione di potenza e nel blocco di condizionamento, lasciando meno di 12,95 W per l’applicazione. Un PHY dovrebbe consumare solo poche centinaia di milliwatt o meno, lasciando la stragrande maggioranza della potenza per i sensori o i dispositivi IP.

Figura 1: esempio di topologia di rete di automazione degli edifici

Il dispositivo DP83825I 10-/100-Ethernet PHY offre una soluzione di connettività compatta e a basso consumo per componenti di automazione degli edifici come controller di sensori, controller di illuminazione e IPNC. Consuma solo 135 mW a 100 Mbps ed è disponibile in un package a 24 pin, 3 x 3 mm, quad flat senza piombo, che lo rende uno dei dispositivi 10/100 PHY più piccoli del settore. Con resistenze di terminazione e interfaccia MAC (Medium Access Control) integrate, oltre ad un ridotto numero di pin, il DP83825I consente ai progettisti di sistema di ridurre lo spazio necessario sulla scheda riservando maggiori risorse per l’alimentazione delle applicazioni.

Risorse addizionali

 

 

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