Meghan Kaiserman, Strategic Marketing Director

摘要

為了實現二氧化碳凈零排放目標，建築行業需要對其通信基礎設施進行現代化改造。本文介紹了單對乙太網（特別是 10BASE-T1L）如何使用 RS-485 等傳統連結輕鬆改造建築物，以改善數位化、實現自動化、提高安全性並大幅降低能耗，從而實現更大的可持續性。

推行

為了應對氣候變化和可持續發展， 90多個國家正在積極制定二氧化碳淨零排放政策。簡而言之，當人類的二氧化碳排放通過其他活動減少和抵消時，就可以實現淨零排放。

實現淨零排放的一個基本因素是減少所有行業的二氧化碳排放。然而，根據國際能源協會（IEA）的數據，建築業尚未走上實現全球 2050 年二氧化碳淨零排放目標的軌道。具體而言，2030 年的目標是與 2021 年相比，每平方米的能耗降低 35%。1 由於建築占當今全球能源消耗的 30%，因此人們擔心，除非該行業採取具體行動實現系統數位化和實施自動化，否則將無法實現排放目標。更複雜的是，要實現有效的自動化，需要更即時的數據採集，其水準超出了傳統基於RS-485的基礎設施的當前吞吐能力和回應能力。此外，將設備和構建系統連接到網路會使它們面臨網路攻擊，這需要超出這些傳統網路當前能力的更高安全性。

本文探討了單對乙太網如何説明建築業實現淨零目標，同時以安全且經濟高效的方式支持基於 AI 的自動化。單對乙太網可在新建和改造安裝中實現與邊緣的長距離連接，使其成為 IT 和 OT 域之間無縫數據傳輸的關鍵工具。

透過數位化實現節能

IEA 2030 年淨零排放計劃3 要求通過行為改變和數位化等技術減少需求，從而減少約15% 的排放量。雖然教人們如何節約能源是有效的，但 IEA 案例研究4 指出，透過自動化最有可能減少能源消耗，而非行為改變。

商業建築數位化程度的提高將使運營商不僅能夠衡量運營改進，而且還為運營自動化奠定了基礎。通過訪問正確的感測器數據和控制功能，可以優化建築物的運行，以降低能源消耗，同時為內部人員提供最佳服務。

例如，改善室內空氣品質的需求對建築運營提出了額外的要求。ANSI/ASHRAE 62.1 等新法規要求攝入更多的室外空氣，並且可能需要額外的量2 以確保健康和衛生的最佳實踐。這些通風標準將導致能源消耗增加，這意味著能源需求將需要進一步減少。為了實現最佳運行，建築物內的許多 HVAC 系統需要能夠協同工作，以避免系統在交叉用途下工作。

融合不同 HVAC、照明、消防和門禁系統的運營需要訪問正確的數據和控制。這些允許 AI 和機器學習（ML）優化，以根據人們當前和計劃的活動確定理想的光源、加熱或冷卻使用。它們還可以控制氣流，以確保適當的室內空氣品質，同時平衡能源消耗。

但是，很難將來自多個系統的數據融合在一起，而不同的供應商維護單獨的資料庫，從而導致數據孤島。根據 IEA 致力於建築和 HVAC 系統數據共用指南5 的小組的說法，面臨的挑戰是將不同的數據源整合到一個單一管理平臺中，以便可以比較趨勢並應用分析，以產生新的見解，如圖 1 所示。

現代化通訊基礎設施

在建築物內合併許多不同數據源的關鍵是所使用的測量和連接基礎設施。傳統上，商業建築中的感測器和控制裝置使用 RS-485 收發器和 BACnet™、Modbus 和 LonWorks 等協定通過有線串行通信鏈路進行連接。6

然而，RS-485 是一種傳統介面，在輸送量和安全性方面都受到限制。例如，在 RS-485 物理層上運行的 BACnet MS/TP（一種常見的樓宇自動化協定）的最特率為 115.2 kbps。10 此外，BACnet 和 Modbus 等傳統通訊協定是為封閉網路設計的，缺乏內置的加密和身份驗證功能。這造成了巨大的網路安全威脅，因為這些設備通過IT基礎設施的閘道連接到互聯網。

單對乙太網，特別是 10BASE-T1L，是一種令人興奮的新通信方法，於 2019 年 11 月獲得批准，即 IEEE 802.3cg，現已部署在建築物中。9 用於 RS-485 運行的有線串行連結電纜可以重複使用，在其上運行 10BASE-T1L 乙太網數據。因此，現有的基礎設施可以適應單對乙太網。這有很多好處：

節點現在可以支持高達 10 Mbps 的更高頻寬。
節點是IP可尋址的，從而簡化了設備的管理。
覆蓋範圍增加到 1 公里，足以支援現有 RS-485 佈線的最大長度。這比標準 10 Mbps/100 Mbps 乙太網的 100 m 限制有了顯著改進。11
IEEE 802.3cg 指定了 Class 15，允許通過單根雙絞線電纜發送高達 52 W 的功率以及 10BASE-T1L 數據。借助最近發佈的 LTC4296-1 乙太網供電（PoE）控制器，系統可以為各種終端設備供電。請注意，由於電纜質量的差異，建議僅對新安裝進行供電。

作為數位化之旅的第一步，已經部署了使用標準 10 Mbps/100 Mbps 乙太網的構建控制器，與這些傳統協定的基於乙太網的版本（稱為 BACnet/IP 和 Modbus TCP/IP）進行通信。6 BACnet/IP設備使用與BACnet MS/TP傳統設備相同的數據物件，因此很容易實現具有這兩種設備的系統。使用基於IP的協定（如BACnet/IP和Modbus TCP/IP）支援現代網路安全措施的乙太網連接安裝正在增加。12 BACnet 在全球擁有約 60% 的市場份額7，約 80% 的新安裝使用基於 RS-485 的有線串行通信。建築服務研究與資訊協會（BSRIA）估計，2019 年，5% 的 HVAC 感測器是無線的，連接可靠性較低，對電池的需求限制了可以採用的地方。8

改善的通訊

加熱和冷卻系統有多個元件，需要交換資訊以達到溫度設定點，包括恆溫器、控制器、空氣處理機組和可變數單元。將通訊頻率從常見的串行鮑率 9.6 kbps 加速到 115.2 kbps，再到乙太網頻寬 10 Mbps，這意味著系統的數據輸送量大幅增加。這種基於IP的高速通信有幾個重要好處。

加熱和冷卻系統有多個元件，需要交換資訊以達到溫度設定點，包括恒溫器、控制器、空氣處理機組和可變數單元。將通信頻率從常見的串行波特率 9.6 kbps 加速到 115.2 kbps，再到乙太網頻寬 10 Mbps，這意味著系統的數據輸送量大幅增加。這種基於IP的高速通信有幾個重要好處。

安全通訊

智慧建築研究的領導者 Memoori 12 指出，缺乏有效的網路覆蓋正迅速成為智慧建築採用的主要障礙。

構建數位化面臨的最大挑戰之一是融合IT和OT領域。通過升級到BACnet/SC等協定，可以將安全性改造到傳統的基於RS-485的現場總線 OT 網路中，但這成本高昂、耗時，並且很容易遺漏現有系統中的漏洞。在卡巴斯基 2020 年的一項研究中，大樓自動化系統在所有工業控制系統中受到的網路攻擊最多，高於石油和天然氣、能源和汽車製造，因此有效的安全性至關重要。15

為了確保通訊安全，傳統的有線串行通信協定BACnet已適應BACnet/SC12，該協定支援在允許加密的有線串行鏈路上進行安全通信。但是，網路上的所有BACnet設備都需要同時升級，以充分利用這些新功能。使用傳統BACnet的現有設備將需要重新設計和維修，以添加BACnet/SC所需的額外加密功能。單對乙太網，特別是10BASE-T1L，允許使用有線、不安全的串行通信（如BACnet）連接的邊緣節點使用運行基於乙太網的安全性的BACnet/IP協定進行升級和連接。重要的是，這種新的和改進的安全態勢是在沒有沿著現有訊號路徑鋪設新的、昂貴的乙太網電纜的情況下實現的。

通過升級 OT 網路上的設備以運行基於乙太網的安全協定，可以降低與網路攻擊相關的大部分風險。單對乙太網 10BASE-T1L 有望通過一代硬體升級實現從不安全的傳統通信過渡到基於乙太網的安全通信，同時重複使用現有的佈線基礎設施。

單對乙太網 10BASE-T1L 是一項重要的技術，可將IP連接引入邊緣、提高安全性、重複使用佈線、融合IT和OT網路，甚至提供電力。單對乙太網具有顯著提高的輸送量、消除閘道和先進的安全性，將幫助建築行業實現 IEA 2030 年淨零排放目標，即減少 15% 的排放量。對建築物的通訊基礎設施進行現代化改造，將提供對建築物內大量實時數據的訪問，同時消除數據孤島並實現單一管理平臺方法。除了為傳統控制方案提供更快的控制回路閉合併支援人工智慧和機器學習優化外，管理人員還將能夠生成可操作的見解，從而節省大量能源。

ADI公司擁有一支專注於可持續建築市場的團隊，是實現數位化轉型的技術的領導者，例如單對乙太網（10BASE-T1L）、安全和智慧IO，以及用於傳統系統的隔離和有線RS-485收發器。ADI公司已發佈多款單對乙太網產品，支援點對點（ADIN1100、ADIN1110）以及線環架構（ADIN2111）。16 對於單對乙太網供電，請參閱供電側的 LTC4296-1 和設備側的 LTC9111。

References

1 “Buildings.” International Energy Association.

2 “New Ventilation Design Criteria for Energy Sustainability and Indoor Air Quality in a Post COVID-19 Scenario.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 182, 2023.

3 Net Zero by 2050—A Roadmap for the Global Energy Sector. International Energy Association, 2021.

4 Energy Efficiency 2021. International Energy Association, 2021.

5 IEA Annex 81 Activity A1—A Data Sharing Guideline for Buildings and HVAC Systems. International Energy Association, 2023.

6 The Ultimate Guide to Building Automation Protocols. Smart Buildings Academy, 2020.

7 “Research Study Indicates BACnet Global Market Share over 60%.” BACnet International, 2018.

8 “A New Detailed US Field Device Study Is Released.” BSRIA, 2020.

9 “Single Pair Ethernet on Its Way into the Smart Building.” Smart Buildings Technology, 2020.

10 Improving BACnet®. BACnet, 2020.

11 “How to Cost-Effectively Network Sensors for Building Management Systems.” DigiKey, 2023.

12 “Cyber Security in Smart Commercial Buildings 2022 to 2027.” Memoori, 2022.

13 “Industry 4.0 for Energy Productivity.” RACE for 2030, 2021.

14 “How IP Controls Are Changing Building Automation Controls.” ControlTrends, February 2022.

15 “Threat Landscape for Industrial Automation Systems.” Kaspersky, March 2021.

16 “Building Automation Controllers and Networks.” Analog Devices, Inc.

About the Author

Meghan Kaiserman is the strategic marketing director for sustainable buildings at Analog Devices and is focused on digitalization technologies including intelligent IO, single-pair Ethernet, and security. Meghan has over 18 years of service at Analog Devices and previously held roles in applications and systems engineering. She has developed products for the industrial market ranging from precision analog to energy measurement and Industrial Ethernet. Meghan received a B.S.E.E. from the Cooper Union for the Advancement of Science and Art in New York City.