eng
Выпуск #8/2022
А.Семенов
ТЕХНОЛОГИЯ PoDL – СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
ТЕХНОЛОГИЯ PoDL – СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
Просмотры: 763
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.
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.
Теги: internet of things podl technology poe technology single pair ethernet интернет вещей однопарный ethernet технология podl технология poe
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:
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):
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.
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
