วิธีการใช้เซ็นเซอร์เครือข่ายอย่างคุ้มค่าสำหรับระบบการจัดการอาคาร

By Bonnie Baker

Contributed By DigiKey's North American Editors

ระบบอัตโนมัติในอาคารช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาสิ่งอำนวยความสะดวก ขณะเดียวกันก็สร้างสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยและสะดวกสบายยิ่งขึ้นสำหรับผู้อยู่อาศัยในอาคาร การปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของระบบอัตโนมัติในอาคาร (ฺBuilding Automation System, BAS) ต้องอาศัยข้อมูลที่มากขึ้นจากเซ็นเซอร์รวมทั้งการควบคุม/ตัวกระตุ้นให้ทำงาน (Actuator) จำนวนมากที่ใช้ทั่วทั้งอาคาร การพัฒนานี้ต้องการวิธีการถ่ายโอนข้อมูลที่บันทึกจากอุปกรณ์ตรวจวัดไปยังศูนย์กลางหรือคลาวด์ที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพ และยังสามารถวิเคราะห์และดำเนินการ รวมถึงส่งสัญญาณควบคุมที่จำเป็น

การติดตั้งเซ็นเซอร์และตัวกระตุ้นให้ทำงานแบบใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอาคารเดิมและในที่ที่ไม่มีความพร้อมด้านไฟฟ้าอาจต้องมีการปรับปรุงใหม่ทั้งหมดและมีค่าใช้จ่ายสูงเพื่อให้มั่นใจว่าครอบคลุมการควบคุมทั้งอาคาร เครือข่าย RS-485 เป็นโซลูชันการติดตั้งเพิ่มเติมที่คุ้มค่าจนถึงปัจจุบัน แต่ชุดข้อมูลที่มากขึ้นและอัตราข้อมูลที่สูงกว่าเดิมนั้นต้องการทางเลือกอื่นที่มีความสามารถในการรับส่งข้อมูลที่สูงกว่า

เพื่อลดต้นทุนและเพิ่มความสามารถในการรับส่งข้อมูล นักออกแบบสามารถใช้ประโยชน์จากการเดินสายอีเทอร์เน็ตสายเกลียวคู่เดียวหรือ RS-485 ที่ติดตั้งอยู่ในปัจจุบันโดยใช้ 10BASE-T1L 10BASE-T1L มีความสามารถในการรับส่งข้อมูล 10 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s) ในระยะทางสูงสุด 1,000 เมตร (ม.) ขึ้นอยู่กับอินเทอร์เฟซการสื่อสารข้อมูลรูปแบบแพ็คเก็ต IEEE Standard 802.3cg-2019 โดยมีตัวเลือกอินเทอร์เฟซแบบสองสายเพื่อจ่ายไฟผ่านสายข้อมูล ทำให้ไม่ต้องใช้แหล่งพลังงาน ณ ตำแหน่งนั้นหรือต้องเดินสายไฟ นอกจากนี้ยังช่วยลดความจำเป็นในการใช้เกตเวย์ที่ใช้ไฟมากโดยสามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ได้ไม่จำกัด

บทความนี้กล่าวถึงข้อกำหนดในการควบคุมอาคารและวิธีแก้ไขจนถึงปัจจุบัน จากนั้นจะแนะนำ 10BASE-T1L Ethernet และโซลูชันตัวอย่างจาก Analog Devices เพื่อแสดงให้เห็นถึงความง่ายในการใช้งาน นอกจากนี้ยังแสดงวิธีใช้เทคโนโลยีซอฟต์แวร์ I/O (SWIO) เพื่อลดความซับซ้อนของการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์สำหรับตัวควบคุมอาคารเครือข่ายอีเทอร์เน็ต ขณะที่ยังคงรักษาระบบการจัดการอาคาร (BMS) ที่เข้ากันได้ทั้งแบบย้อนกลับและแบบล่วงหน้า นอกจากนี้ยังมีการอธิบายถึงบอร์ดประเมินผลที่เหมาะสมเพื่อช่วยให้นักออกแบบเริ่มต้นใช้งาน SWIO

บทบาทของ BAS หรือ BMS

BAS หรือ BMS หมายถึงระบบอัตโนมัติและการจัดการระบบต่าง ๆ ของอาคาร วัตถุประสงค์ของ BMS มีตั้งแต่ความสะดวกสบายของผู้อยู่อาศัยไปจนถึงประสิทธิภาพของระบบอาคาร ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและการบำรุงรักษา และความปลอดภัย เลเยอร์ทั้งสี่ใน BMS ได้แก่ตัวควบคุม เซิร์ฟเวอร์/แอปพลิเคชัน ฟิลด์คอนโทรลเลอร์ และอินพุต/เอาต์พุต

เลเยอร์ตัวควบคุมเป็นชั้นการส่งผ่านแบบสองสายซึ่งเป็นที่ตั้งของอุปกรณ์ควบคุม อุปกรณ์ควบคุมจะรวมทราฟฟิกตัวควบคุมฟิลด์ทั้งหมด เลเยอร์เซิร์ฟเวอร์/แอปพลิเคชันรับข้อมูลจากอุปกรณ์ควบคุมที่แตกต่างกัน เลเยอร์นี้รองรับโปรโตคอลอีเธอร์เน็ตมาตรฐาน เช่น Modbus, KNX, BACnet และ LON ซึ่งใช้กันทั่วไปในระบบการจัดการอาคาร เลเยอร์นี้ส่งข้อมูลที่รวมไปยังไคลเอนต์หรือผู้ใช้ปลายทางผ่านอินเทอร์เฟซผู้ใช้ เลเยอร์ฟิลด์คอนโทรลเลอร์จะดูข้อมูลอินพุตจากสวิตช์และเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ และควบคุมเอาต์พุตของระบบ เช่น ตัวกระตุ้นให้ทำงานและรีเลย์

ชิ้นส่วนสุดท้ายของ BMS คือเลเยอร์อินพุต/เอาต์พุต ชั้นนี้เป็นที่อยู่ของเซ็นเซอร์และอุปกรณ์ควบคุม โดยเซ็นเซอร์และตัวกระตุ้นให้ทำงานบางตัวรองรับ TCP/IP ซึ่งทำให้ไม่ต้องใช้คอนโทรลเลอร์

RS-485: โซลูชันการเชื่อมต่อ BMS แบบคลาสสิก

ในปัจจุบัน มีการใช้งานอินเทอร์เฟซ TIA/EIA-485 หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า RS-485 อย่างแพร่หลายโดยนักออกแบบ BMS เนื่องจากเป็นเครือข่ายเชื่อมต่อระยะใกล้ที่มีราคาไม่แพงพร้อมการเชื่อมต่อการสื่อสารแบบหลายจุด RS-485 เป็นมาตรฐานทางไฟฟ้าเท่านั้นที่กำหนดคุณลักษณะทางไฟฟ้าของเครื่องรับและไดรฟเวอร์เมื่อใช้สายส่งหลายจุดแบบสมดุล รองรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบฮาล์ฟดูเพล็กซ์แบบสองทางผ่านการเชื่อมต่อสายเกลียวคู่เดียว และอนุญาตให้มีการเชื่อมต่อแบบหลายจุด (การเชื่อมต่อตัวรับส่งสัญญาณหลายตัวเข้ากับสายเดียวกัน) ซึ่งเหมาะสำหรับ BMS

RS-485 ยังรองรับอัตราข้อมูลสูงพอสมควร: 35 Mbits/s ในระยะทางสูงสุด 10 ม. และ 100 กิโลบิต (kbits/s) ในระยะทาง 1,200 ม. กฎทั่วไปของ RS-485 คือความเร็วเป็นบิต/วินาทีคูณด้วยความยาวสายเคเบิลเป็นเมตรไม่ควรเกินมีค่าเกิน 10E8 ดังนั้น ความเร็วสูงสุดของสายเคเบิล 50 ม. คือ 2 Mbits/s อย่างไรก็ตาม เป็นปกติที่จะใช้อัตราที่สูงเช่นนี้ในการใช้งานควบคุมอาคาร RS-485 ความเร็วสูงสุดสำหรับ BACnet MS/TP ซึ่งเป็นโปรโตคอลระบบอัตโนมัติในอาคารทั่วไปที่ทำงานบนชั้นกายภาพ (PHY) ของ RS-485 คือ 115,200 บิต/วินาที

เมื่อเปรียบเทียบกับการสื่อสารแบบอนุกรมอื่น ๆ ข้อได้เปรียบหลักของการสื่อสาร RS-485 คือความทนทานต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูงในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรง คุณลักษณะการตัดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า RS-485, การเดินสายเคเบิลที่ยาว, การรองรับตัวรับส่งสัญญาณหลายตัวในสายเดียว และความเร็วในการรับส่งข้อมูลที่ค่อนข้างรวดเร็วนั้นเหมาะกับสภาพแวดล้อม BMS

โปรโตคอลอีเธอร์เน็ต 10BASE-T1L

เมื่อความต้องการ BMS เพิ่มขึ้นและชุดข้อมูลมีมากยิ่งขึ้น ความสามารถในการรับส่งข้อมูลจึงมีความสำคัญมากขึ้น 10BASE-T1L ให้ทางเลือกอัตราที่สูงกว่าสำหรับการสื่อสารแบบจุดต่อจุดผ่านสายเกลียวคู่ เนื่องจาก 10BASE-T1L รองรับอัตราข้อมูลที่ 10 Mbits/s ในระยะทางมากกว่า 1,000 ม. นอกจากนั้นยังจัดการกับความท้าทายของสภาพแวดล้อมการทำงาน เช่น พลังงานไฟฟ้า การเดินสาย ระยะทาง และที่เก็บข้อมูล ในขณะเดียวกันก็ขจัดความจำเป็นในการใช้เกตเวย์ที่ซับซ้อน

"10" ใน 10BASE-T1L หมายถึงอัตราการส่งข้อมูล 10 Mbit/s "BASE" หมายถึงสัญญาณเบสแบนด์ "T" หมายถึง "สายเกลียวคู่ (Twisted pair)" และตัวเลข "1" หมายถึงช่วง 1 กิโลเมตร (กม.) "L" สุดท้ายคือ "ระยะไกล" ซึ่งระบุความยาวของส่วน 1 กม. เนื่องจากความสามารถให้กำลังไฟฟ้า 500 มิลลิวัตต์ (mW) 10BASE-T1L จึงนำอีเธอร์เน็ตเข้าสู่การใช้งานในพื้นที่ปลอดภัยจากสาเหตุการระเบิดโซน 0 หรือพื้นที่อันตราย ในการใช้งานที่ไม่เป็นอันตราย สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้ถึง 60 วัตต์

โทโพโลยีของเครือข่ายอีเทอร์เน็ต 10BASE-T1L สามารถเป็นแบบสายโซ่เดซี่ ไลน์ หรือวงแหวน ดังที่กล่าวไว้ว่าไม่มีเกตเวย์: แพ็กเก็ตอีเทอร์เน็ตจะย้ายจากเอดจ์ไปยังระดับการควบคุม และสุดท้ายไปยังคลาวด์เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของการสื่อสารที่ไร้รอยต่อสำหรับระบบอัตโนมัติในอาคาร

ไม่ว่าเซ็นเซอร์จะอยู่ในโรงงานผลิตหรือบนโต๊ะทำงาน การเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตกับคลาวด์ที่เรียบง่ายนี้ทำให้สามารถกำหนดค่าเซ็นเซอร์ด้วยโทรศัพท์มือถือหรือแล็ปท็อปได้

การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ 10BASE-T1L ของระบบอัตโนมัติในอาคาร

ในการพัฒนาอุปกรณ์ตรวจจับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ต 10BASE-T1L ผู้ออกแบบมีตัวเลือกพร้อมใช้งานสามตัวเลือกจาก Analog Devices ADIN1100 เป็นเครื่องรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L ที่ทนทาน ใช้ในอุตสาหกรรม และใช้พลังงานต่ำ พร้อมด้วยชั้นทางกายภาพของอีเทอร์เน็ต (PHY) โดย ADIN1110 มีทั้งการควบคุมการเข้าถึงสื่อ (MAC) และอินเทอร์เฟซ PHY (รูปที่ 1)

แผนภาพของ Analog Devices ADIN1110 ตัวรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L พอร์ตเดียวที่ใช้พลังงานต่ำรูปที่ 1: ADIN1110 เป็นเครื่องรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L พอร์ตเดียวที่ใช้พลังงานต่ำ พร้อมด้วย Ethernet PHY และ MAC ในตัว (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ตัวเลือกที่สามคือ ADIN2111 สวิตช์สองพอร์ตที่ใช้พลังงานต่ำและมีความซับซ้อนต่ำ ที่มี 10BASE-T1L PHY ในตัว 2 พอร์ต และพอร์ต Serial Peripheral Interface (SPI) หนึ่งพอร์ต (รูปที่ 2) การใช้ SPI ช่วยลดข้อกำหนดสำหรับโฮสต์โปรเซสเซอร์ ทำให้ผู้ใช้มีทางเลือกมากขึ้นในการปรับอุปกรณ์ให้เหมาะสมสำหรับพลังงาน ต้นทุน และประสิทธิภาพ

แผนภาพของ Analog Devices ADIN2111 สวิตช์สองพอร์ตพลังงานต่ำ ความซับซ้อนต่ำ รูปที่ 2: ADIN2111 เป็นสวิตช์สองพอร์ตที่ใช้พลังงานต่ำและมีความซับซ้อนต่ำพร้อม PHY ในตัว (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

อุปกรณ์ 10BASE-T1L ADIN1100 และ ADIN2111 สามารถปรับใช้ในโทโพโลยีเครือข่ายแบบสายโซ่เดซี่ (รูปที่ 3) ไลน์ หรือแบบวงแหวน เมื่อเทียบกับเครือข่ายแบบดาว โทโพโลยีเครือข่ายเหล่านี้ลดจำนวนสายเคเบิลที่ต้องใช้ลงเป็นอย่างมาก

แผนภาพของโทโพโลยีแบบเดซี่เชนสำหรับเครือข่าย 10BASE-T1Lรูปที่ 3: แสดงเป็นโทโพโลยีแบบเดซี่เชนสำหรับเครือข่าย 10BASE-T1L โดยใช้ตัวควบคุม ADIN1100 และสวิตช์สองพอร์ต ADIN2111 นอกจากนี้ยังสามารถใช้โทโพโลยีแบบไลน์หรือแบบวงแหวนได้อีกด้วย (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ในการเริ่มต้นใช้งาน 10BASE-T1L นักออกแบบสามารถใช้ EVAL-ADIN1100 ซึ่งเป็นบอร์ดประเมินผลสำหรับ ADIN1100 โดยที่บอร์ดจะช่วยให้เข้าถึงคุณสมบัติ ADIN1100 ทั้งหมดได้ง่าย และสามารถกำหนดค่าผ่านอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) บนพีซีหรือผ่านการดำเนินการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์แบบสแตนด์อโลน ซึ่งประกอบด้วยคอนเนคเตอร์เทอร์มินัลแบบสกรู 2 ตัวสำหรับสาย 10BASE-T1L และแหล่งจ่ายไฟภายนอก สายอีเธอร์เน็ต Cat 5e พร้อมคอนเนคเตอร์ RJ45 และสาย USB-A to micro-USB-B นอกจากนี้ยังมีพื้นที่สร้างต้นแบบขนาดเล็ก

อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ยืดหยุ่นที่รองรับ 10BASE-T1L

ณ ตำแหน่งเอดจ์ของเครือข่าย BMS เป็นการผสมผสานที่ซับซ้อนของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ ความดัน โหลด ความชื้น และสเตรนเกจ ซึ่งต้องใช้วงจรอนาล็อกที่หลากหลายเพื่อจับภาพและกระตุ้นเหตุการณ์ BMS

เพื่อรองรับอินเทอร์เฟซที่หลากหลายนี้ นักออกแบบสามารถใช้ AD74412R จาก Analog Devices ที่เป็นไอซีอินเทอร์เฟซ I/O ที่ตั้งโปรแกรมได้โดยซอฟต์แวร์ (SWIO) สี่ช่องสัญญาณสำหรับการควบคุมกระบวนการและ BMS โดย SWIO ให้ความยืดหยุ่นในระดับที่ไม่เหมือนใครสำหรับการเข้าถึงฟังก์ชัน I/O ใด ๆ บนพินต่าง ๆ ทำให้นักออกแบบสามารถกำหนดค่าช่องสัญญาณได้ตลอดเวลา สามารถตั้งโปรแกรมได้ทันทีผ่านช่องอีเธอร์เน็ต 2 สายที่ครอบคลุมทั้งอาคาร ซึ่งส่งผลให้ความต้องการทรัพยากรการออกแบบน้อยลง และผลิตภัณฑ์สากลที่ปรับใช้ได้อย่างรวดเร็วและทั่วถึงในอาคารอัตโนมัติ

AD74412R ประกอบด้วยอินพุตแบบอนาล็อก เอาต์พุตแบบอนาล็อก อินพุตแบบดิจิทัล และความสามารถในการทำการตรวจวัดตัวตรวจจับอุณหภูมิจากค่าความต้านทาน (RTD) ด้วย SPI ที่เข้ากันได้ ซึ่งแสดงในรูปที่ 4 ด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) 16 บิต Σ-Δ ซึ่งเป็นกลุ่มของฟังก์ชันการวินิจฉัย และตัวแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) 13 บิตที่กำหนดค่าได้สี่ตัวที่ให้ช่อง I/O ที่กำหนดค่าได้สี่ช่องสัญญาณ

แผนภาพของ Analog Devices AD74412R SWIO แบบสี่ช่องสัญญาณมี DAC 13 บิตแบบกำหนดค่าได้สี่ตัว รูปที่ 4: AD74412R Quad-channel SWIO มี DAC แบบ 13 บิตที่สามารถกำหนดค่าได้สี่ช่องที่ให้ช่อง I/O ที่กำหนดค่าได้สี่ช่องสัญญาณ รวมทั้งยังมี ADC 16 บิต Σ-Δ และกลุ่มของฟังก์ชันการวินิจฉัย (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

โหมดที่เกี่ยวข้องกับ AD74412R ได้แก่ เอาต์พุตกระแส เอาต์พุตแรงดัน อินพุตแรงดัน อินพุตกระแสไฟภายนอก อินพุตกระแสไฟแบบลูป การวัด RTD ภายนอก ลอจิกอินพุตดิจิทัล และอินพุตดิจิทัลแบบลูป AD74412R ยังมีค่าอ้างอิงภายใน 2.5 โวลต์ที่มีความแม่นยำสูงสำหรับ DAC และ ADC

ออกแบบโดยใช้บอร์ดประเมินผล AD7441R

การใช้งานแบบอนาล็อกสำหรับ AD74412R SWIO แทบจะนับไม่ถ้วน เพื่อช่วยให้นักออกแบบเริ่มต้นใช้งาน Analog Devices มีบอร์ดประเมินผล EV-AD74412RSDZ (รูปที่ 5) บอร์ดประเมินผลนี้ช่วยให้สามารถสำรวจทางวิศวกรรมด้วยตัวเลือกการกำหนดค่าใหม่บนบอร์ดและความสามารถในการตั้งโปรแกรมบนพีซี

รูปภาพของบอร์ดประเมินผล Analog Devices EV-AD74412RSDZ ที่มีคุณสมบัติครบถ้วนสำหรับ AD74412R รูปที่ 5: EV-AD74412RSDZ เป็นบอร์ดประเมินที่มีคุณสมบัติครบถ้วนสำหรับ AD74412R (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ซอฟต์แวร์การประเมินผล AD74412R สื่อสารกับ EV-AD74412RSDZ ผ่าน EVAL-SDP-CS1Z ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มสาธิตระบบ (SDP) ที่รับสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตออกจากบอร์ด ด้วยอินเทอร์เฟซเมนูแบบดึงลง ทำให้การกำหนดค่า AD74412R ง่ายขึ้นรวมทั้งให้เครื่องมือการวินิจฉัย

สรุป

10BASE-T1L ทำให้ BAS รุ่นต่อไปที่มีความสามารถในการรับส่งข้อมูล 10 Mbit/s ที่ระยะสูงสุด 1,000 ม. ในขณะที่รองรับการติดตั้งสายคู่บิดเกลียวคู่แบบดั้งเดิม ดังที่แสดงไว้ข้างต้น การใช้ตัวรับส่งสัญญาณ ADIN1100 10BASE-T1L สวิตช์อีเทอร์เน็ตแบบสองพอร์ต ADIN2111 และโซลูชัน I/O ที่ตั้งโปรแกรมได้โดยซอฟต์แวร์ (SWIO) แบบสี่ช่องสัญญาณซอฟต์แวร์ AD74412R สำหรับการควบคุมกระบวนการและ BMS นักออกแบบสามารถใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์ 10BASE-T1L ที่รองรับทั้งแบบย้อนกลับและแบบล่วงหน้าได้อย่างรวดเร็ว

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Bonnie Baker

Bonnie Baker

Bonnie Baker เป็นวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ ด้านสัญญาณอะนาล็อก สัญญาณผสมและโซ่สัญญาณมืออาชีพ Baker ได้ตีพิมพ์และเขียนบทความทางเทคนิคคอลัมน์ EDN และคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์หลายร้อยรายการในสิ่งพิมพ์อุตสาหกรรม ในขณะที่เขียนเรื่อง“ A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers” และร่วมเขียนหนังสืออื่น ๆ อีกหลายเล่มเธอทำงานเป็นนักออกแบบการสร้างแบบจำลองและวิศวกรการตลาดเชิงกลยุทธ์กับ Burr-Brown, Microchip Technology, Texas Instruments และ Maxim Integrated Baker สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทวิศวกรรมไฟฟ้าจาก University of Arizona, Tucson และปริญญาตรีด้านดนตรีศึกษาจาก Northern Arizona University (Flagstaff, AZ) เธอได้วางแผนเขียนและนำเสนอหลักสูตรออนไลน์ในหัวข้อวิศวกรรมที่หลากหลายรวมถึง ADCs, DACs, Operational Amplifiers, Instrumentation Amplifiers, SPICE และ IBIS

About this publisher

DigiKey's North American Editors