【導讀】電源和聯(lián)接是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的主要挑戰，會(huì )影響各種電氣和電子設備。以太網(wǎng)供電(PoE)的新標準可以同時(shí)解決這兩大挑戰，從而可以在網(wǎng)絡(luò )邊緣進(jìn)行更多處理，并提高最新聯(lián)接系統的性能。
物聯(lián)網(wǎng)全都關(guān)乎聯(lián)接。將傳感器、執行器和監控系統聯(lián)接到“云”，可以匯總從世界任何地方訪(fǎng)問(wèn)的數據。分析這些數據可以早期識別潛在的問(wèn)題，提供優(yōu)化系統并降低能源成本的新方法。在一條電纜中結合數據和聯(lián)接性可以使整個(gè)過(guò)程更高效。
雖然較小的設備可以由電池供電并使用無(wú)線(xiàn)聯(lián)接，但在有電噪聲的工廠(chǎng)環(huán)境中，可靠性可能是個(gè)問(wèn)題。隨著(zhù)IoT端點(diǎn)變得越來(lái)越耗電和越來(lái)越大數據量，它們將需要可靠的電源和數據聯(lián)接。
但是，將所有這些數據反饋回云，在所需的數據帶寬以及對于實(shí)時(shí)應用而言涉及的延遲方面都有其自身的挑戰。如果每個(gè)IoT設備都需要同時(shí)高速訪(fǎng)問(wèn)另一端的云服務(wù)器，則會(huì )造成巨大的瓶頸。
解決此問(wèn)題的一種方法是在靠近終端設備的地方處理更多數據，即所謂的“邊緣計算”。這涉及本地分析數據，并將匯總結果發(fā)送回中央服務(wù)器。但這種級別的處理還要求在網(wǎng)絡(luò )邊緣增加功率。
以太網(wǎng)供電是能夠解決此問(wèn)題的一項關(guān)鍵技術(shù)，它由承載數據的同一條以太網(wǎng)電纜供電，無(wú)需單獨聯(lián)接。對于某些功率要求不高的聯(lián)網(wǎng)設備，例如用于視覺(jué)檢查和監視生產(chǎn)線(xiàn)的攝像機，這效果很好。PoE愈趨用于為更多類(lèi)型的邊緣計算系統提供電源和數據。
這由新標準支持，該標準將輸出功率提高到90 W。IEEE 802.3bt標準的這功率水平將賦能新型的IoT端點(diǎn)。
這些將包括更精密的互聯(lián)照明、更高分辨率的數字標牌、具有平移、縮放和傾斜(PZT)及散熱良好的全功能安防攝像機，甚至包括運行機器學(xué)習算法以進(jìn)行圖像分析和對象識別的邊緣服務(wù)器。
接收功率的設備按其所需的功率分級，如表1所示。
表1：PoE受電設備(PoE-PD)按所需功率分級
新版標準將為某些現有應用帶來(lái)好處，
例如向IP電話(huà)中添加高清視頻會(huì )議，同時(shí)也將為邊緣計算開(kāi)辟全新的機會(huì )。這是整個(gè)IoT演進(jìn)中越來(lái)越重要的部分，尤其是工業(yè)4.0，為靠近設備的傳感器和執行器增加更多的處理功率。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)是邊緣計算的重要組成部分。這些設備聚集了整個(gè)工廠(chǎng)中來(lái)自傳感器和執行器的信號，但是并沒(méi)有將所有原始數據發(fā)送到云端，而是在本地進(jìn)行處理。在本地處理的需求不斷增長(cháng)，尤其是在使用機器學(xué)習來(lái)提高生產(chǎn)率的地方。
除了監視警報和閾值違例的數據外，這些網(wǎng)關(guān)現在還存儲數據并識別信息流中的“隱藏”模式。這種分析可以確定長(cháng)期趨勢，甚至可以預測哪些設備可能需要預測性維護。結果被發(fā)送到集中式服務(wù)器，成為用戶(hù)數據儀表板的一部分。
這邊緣處理級需要更高性能的處理器和加速器，比僅處理簡(jiǎn)單控制算法的微控制器消耗更多的功率。
最新的802.3bt系統的90 W能力比以前的PoE標準顯著(zhù)擴展功率范圍，可以解決這問(wèn)題，從而為在網(wǎng)絡(luò )邊緣運行精密算法開(kāi)辟可能性。
更高的功率還對網(wǎng)絡(luò )上的其他設備產(chǎn)生有利影響，從而能由單個(gè)以太網(wǎng)交換機為許多低功率設備供電。隨著(zhù)越來(lái)越多的設備聯(lián)網(wǎng)，許多應用在電源方面將有更多選擇，例如互聯(lián)照明系統中的LED燈。
PoE將設備分類(lèi)為供電設備(PSE)或受電設備(PD)。而且有兩種PSE，一種是由電纜供電和通信，另一種是簡(jiǎn)單地提高功率。
端點(diǎn)PSE是內置PoE功能的以太網(wǎng)數據交換機，而中跨PSE可以放置在交換機和PD之間以向鏈路輸入額外的功率。插入一個(gè)Midspan PSE，這還支持添加電源到任何以太網(wǎng)鏈路，甚至沒(méi)有PSE交換機的以太網(wǎng)鏈路。
在規范的早期版本中，提供給PD的功率是恒定的，而不管它實(shí)際需要多少。802.3bt規范的一個(gè)關(guān)鍵開(kāi)發(fā)是自動(dòng)分類(lèi)(Autoclass)功能，使PD能夠告知PSE實(shí)際需要多少功率。
采用這種方式，Autoclass更高效地管理可用功率，PSE可支持更多PD。我們可按類(lèi)型定義將其與早前規范經(jīng)由可用連接管理功率的方式進(jìn)行比較。
Type 1：PoE使用IEEE 802.3af標準，經(jīng)由兩對電纜提供最大15.4W功率到端口。這提供12 W功率給網(wǎng)絡(luò )電話(huà)(VoIP)、傳感器，帶有兩個(gè)天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)或不帶平移、傾斜或縮放功能的靜態(tài)攝像機等設備。
Type 2：也稱(chēng)為PoE +，基于IEEE 802.3at，也經(jīng)由兩對電纜提供30 W到以太網(wǎng)端口。這適用于平移、傾斜或縮放的更復雜的監控攝像機，以及具有六個(gè)天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，LCD顯示器，生物識別傳感器和功耗高達25 W的平板電腦。
Type 3：或PoE ++，使用四對電纜在IEEE 802.3bt下為視頻會(huì )議系統組件和建筑物管理設備提供高達60 W的功率。
Type 4：將PoE ++擴展至90 W，可為設備提供高達71.3 W的功率。
當支持自動(dòng)分類(lèi)時(shí)，Type 3和Type 4 PSE可檢查鏈路是否可使用所有四對雙絞線(xiàn)電纜，這是在連接時(shí)發(fā)生的。
作為響應，PD生成兩個(gè)電源特征之一。
單特征顯示兩對和四對模式都通過(guò)整流器連接到同一電源軌，并且所有電氣負載共享同一電源軌。
在雙特征PD中，兩種模式都采用不同的檢測和分類(lèi)機制連接到個(gè)別的PD控制器。
這說(shuō)明即使為兩對模式供電，仍然可以對四對模式進(jìn)行檢測和分類(lèi)。這采用單特征PD是不可能實(shí)現的。
新標準還支持較低的待機功耗閾值。先前的IEEE 802.3at標準的最低功耗閾值為130 mW，低于PD關(guān)斷閾值。使用短MPS（維持電源特性）的802.3bt標準的閾值僅為20 mW，從而大大降低待機功耗。
由于A(yíng)utoclass管理提供給端口的功率，它需要確保每個(gè)PD接收到它所需的功率，這還包括考慮不同電纜長(cháng)度上發(fā)生的任何損耗。為此，PD必須在首次通電約1.5秒內消耗所需的最大功率，PSE會(huì )以此確定PD的功率預算（圖1）。
圖1：含自動(dòng)分類(lèi)功能的8級PD的啟動(dòng)過(guò)程
PoE控制器現在正在興起，采用外部或集成MOSFET支持大功率PoE。沒(méi)有集成晶體管的控制器可根據特定應用調整對MOSFET的選擇。
例如，安森美半導體的NCP1095 PoE-PD接口控制器支持IEEE 802.3af、802.3at和802.3bt，并集成了實(shí)現PoE PD所需的所有功能，如浪涌階段的檢測、分類(lèi)和電流限制。
電源由外部導通晶體管提供，控制器具有“電源良好”(power good)引腳，可確保正確禁用/啟用相鄰的主DC-DC轉換器。分類(lèi)結果引腳使控制器支持特定的功率等級，最高可達8級。
NCP1095還支持自動(dòng)分類(lèi)，并指示何時(shí)可實(shí)施簡(jiǎn)短的維持電源特性。另外，一個(gè)輔助電源檢測引腳使NCP1095可用于由PoE或壁式適配器供電的應用。圖2顯示了NCP1095的功能框圖。
圖2：NCP1095的功能框圖
從兩對以太網(wǎng)電纜轉向四對以太網(wǎng)電纜供電，需要對PoE標準大幅更改，將可用功率提高到100W。以Autoclass添加單特征和雙特征使此更高效和可控。
IEEE802.3bt標準正開(kāi)辟新的應用用于圍繞邊緣計算和人工智能的工業(yè)控制。更高的功率可賦能更高性能設備，不需要集成或外部AC-DC功率級。圖3說(shuō)明了使用NCP1095如何實(shí)現典型的PoE PD應用。
圖3：使用NCP1095的典型PoE PD應用
有了更多功率，PD可集成更多特性和功能，如運行越來(lái)越復雜的機器學(xué)習算法，以監控工廠(chǎng)車(chē)間的活動(dòng)并在潛在問(wèn)題變得嚴重之前識別出來(lái)。這也減少了發(fā)送回云的數據，降低了能源成本和復雜性。
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