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POE供电在物联网中的应用与发展趋势
Published:2014-12-18 13:35:14    Text Size:【BIG】【MEDIUM】【SMALL
Summary:随着物联网时代的来临,物联网的各种应用正在不断的增加和完善,对基础电源的需求更加迫切。本文主要探讨POE技术在物联网中的应用场景及其发展趋势。 关键词 POE 物联网 802.3af 802.3at

一、前言:

物联网把传感器装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道以及家用电器等各种真实物体上,通过互联网联接起来,进而运行特定的程序,达到远程控制或者实现物与物的直接通信。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制,也可以对家庭设备、汽车进行遥控,以及查找位置、防止物品被盗等各种应用。在以上诸多应用中都缺少不了一种电源供电技术,而POE(Power Over Ethernet)这种技术是可以在以太网中透过双绞线来传输电力与资料到装置上的技术。透过这项技术包括网络电话、无线基地台、网络摄影机、集线器、智能终端、现代智能办公设备、电脑……等装置都能采用POE技术供电来完成各种设备的运行,由于能借由以太网获得供电的电子设备无需额外的电源插座就可使用,所以同时能省去配置电源线的时间与金钱,使整个装置系统的成本相对降低。

随着以太网的广泛应用,目前全球均普遍采用RJ-45网络插座,因此各种POE设备都具备相容性。POE不需要更改以太网路的缆线架构即可运作,所以采用POE系统不但节省成本易于布线安装还具备了远程通电、断电的能力,从而很好的解决了物联网终端所需的电源难题,将在未来物联网的发展中起到非常重要的作用。

二、POE在物联网中的主要应用

随着技术和应用的发展,物联网内涵不断扩展,产生了新的认识——物联网是通信网和互联网的拓展应用与网络延伸,它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别,通过网络传输互联,进行计算、处理和知识挖掘,实现人与物、物与物信息交互和无缝连接,达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。因此网络将不再是被动地满足用户的需求,而是要主动感知用户场景的变化,并进行信息交互,为用户提供个性化的服务。下面分别介绍目前POE技术在物联网中的主要应用场景:

1、 POE无线AP在物联网中的应用

    无线网络技术给人们带来的影响已是无可争议,无线局域网的应用范围越来越广范,在大型办公室、智能仓库、大学校园、商场、机场、会展中心、酒店、飞机场、医院、酒吧、咖啡屋等实现人们随时随地上网的需要。部署无线网络的过程中,最重要的工作是无线AP(Access Point)的合理有效的安装。在较大型的无线网络覆盖的项目中,无线AP的数量多且分布在建筑屋的各个部位,AP一般都需要网线连接交换机,并要外接DC电源。就地解决电源和管理都会很大的增加施工和维护的成本。通过网线供电(POE)来解决无线AP的集中供电问题,可以极大的解决项目施工中遇到的就地取电和以后AP的管理问题。避免了局部停电的时候,个别AP无法正常。在此解决方案中,需要采用AP设备具有支持802.3af协议功能的设备才可达到网线供电的功能。如果AP不支持802.3af协议功能可以采取直接加装数据与POE合成器来完成此供电功能。如图1所示:

 

1 POE物联网无线AP应用

 

 

2、 POE远程监控在物联网中的应用

近年来,由于社会经济和信息化技术的飞速发展,国家各行业对视频监控产生了前所未有的需求。 应用领域越来越广,除了金融、政府、交通等特殊行业外,社区、酒店公共场所、工厂和商场都已应用或正在实施数字监控。规模和辐射区域越来越大。典型的例子是 “平安中国”项目,其项目范围涉及到了整个城市,摄像头达到上万个。而视频监控产品也从本地的DVR方式向IP Camera网络发展。 

     但是,网络视频监控设备的安装却受到环境的制约,严重影响了网络视频监控的发展。网络视频监控所用网络摄像头除了需要通过网线来传输视频信号外,还必须全天候为其提供足够的电力。在实施过程中,经常会出现因为无法提供稳定的电源,而不得不重新设计摄像头的安装地点的情况,而重新设计安装地点可能会导致出现监控死角,使安防监控失去意义。

    通常情况下,正常工作的网络摄像机需要外接两根线,一根网线,一根电线。而以下情况会导致网络监控镜头无法安装:

   1、摄像头安装位置无电源。

  2、摄像头安装的位置有电源,但却是照明电源,无法提供全天候供电。

  以上导致网络摄像机无法安装的情况,均发生在网络摄像机的供电问题上。要想使网络摄像机在预计地点正确安装,就必须解决网络摄像机的供电问题。既然不能正常提供电力,就应该考虑使用网线来给摄像机供电,毕竟部署一条网线比部署一条强电线要容易的多,而且如果使用网线供电,只要数据交换机端的电力不中断,网络摄像机就可以正常工作。使用网线给网络摄像机供电,可以归纳为以下两种情况:

1、网络摄像机支持802.3af协议,可以直接使用POE供电设备通过网线给网络摄像机供电。

2、网络摄像机不支持802.3af协议,不能直接使用POE设备供电。这时需要用到另外一种配套设备——分离器。分离器的作用可以将集成有电力的网线分离成纯数据网线和电源线。这样就可完成数据与电源分离,达到一根网线即传输了数据又提供电源。

如图2所示:

 

2 POE物联网远程监控应用

3、 POE智能终端在物联网中的应用

家中打电话时,如果突然断电的话,通话不会中断,这是由于电话终端的电源供应是电话公司(局端)交换机通过电话线直接供给的。设想一下,如果物联网中的工业现场的传感器、控制器还有智能终端执行机构现代办公设备也能由以太网直接供电的话,那么整个布线、电源、人工等成本有可能会下降很多,并可以将监控扩展到许多远程应用,这就是POE技术给物联网工控界所描绘的一幅远景。

20036月,IEEE批准了802. 3af标准,它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项,并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。IEEE 802.3af的发布,极大推进了POE技术的发展与应用。目前已推出基于POE技术的工业以太网产品,为物联网工业控制中的各种网络终端提供可靠稳定的电力供应,如温度检测终端,湿度检测终端,信号控制终端等。

如图3所示:

 

3 POE物联网智能终端应用

三、POE在物联网中的发展趋势

1、 IEEE 802.3af标准是目前的主要应用

该标准规定可以通过RJ45接口向受电设备提供功率高达13W48V的电源,这就允许设备使用与传输数据一致的电缆提供或吸收功率。标准中规定了两个可选电源实体的功能及电气特性:即受电设备(Power Deviceor PD)和供电设备(Power Sourcing Equipmentor PSE),该标准可向下兼容。较早的POE设备不会与802.3af 标准相冲突,有效功率级还将有望面向未来的应用。

IEEE 802.3af POE标准允许设计师通过以太网电缆为用电设备(PD)提供高达12.95W的电力,同时符合安全特低电压(SELV)要求。根据 IEEE 802.3af标准,PD可按所需功率分为四个不同的级别。Class 1设备需要的工作功率为0.443.84WClass 2设备需要的工作功率介于3.85W6.49W之间,Class 3设备的功率范围则介于 6.512.95W之间。设计师可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。低成本解决方案可以使用一般的默认级别指定(Class 0),表示PD需要的工作功率介于0.4412.95W的工作功率。 
    作为通过以太网电缆输电的IEEE工业标准,以太网供电(POE)技术的发展势头十分强劲。这一新兴技术通过传输以太网数据的CAT-5电缆进行供电,可以简化用电设备(PD)的安装和部署。这些设备包括无线接入点、监控摄像机、智能终端、智能传感器VoIP电话等。 

由于802.3af标准的功率都在13W以下,但是实际应用过程中需要用到更大功率的终端,例如含有全方位云台、变焦镜头的摄像机、大功率的高速球型摄像机、办公自动化设备如打印机、传真机、网络智能终端、小型计算机、笔记本等它们的功率大都30W以上,所以为将进一步提高信道的供电能力,将功率由现在的12.95W提高到30W以上,这也将扩大POE在安防领域、办公自动化方面以及智能终端和工业化智能监控等方面的应用范围有了更高扩展。

2、 IEEE 802.3at标准成为未来的趋势

目前POE业界所采用的标准为IEEE 802.3 af只能向功率在13W以下的受电设备供电。虽然能够满足传统的IP电话以及网络摄像头需求,但随着无线局域网双波段接入、视频电话、PTZ视频监控系统(可变焦带云台的摄像机)、智能终端、远处办公设备等高功率应用的出现,原有的802.3af标准13W的供电功率显然不能满足需求,为此,IEEE2005年开始开发新的POE标准02.3at(POE Plus)以提升POE可传送的电力。
   新标准2009年正式发布,称为 Power-over-Ethernet Plus (POEP) IEEE 802.3at,它将功率要求高于12.95W的设备定义为Class 4(该级别在IEEE 802.3af中有描述,但留作将来使用),可将功率水平扩展到25W或更高。由于能够支持更高的功率水平,这一新标准会将POE应用很容易扩展到新的领域,例如WLAN(无线局域网)、销售点终端设备、交换机以及倾斜式/变焦式/云台式监控摄像机。

802.3at POEP标准中最引人注目的一个新变化将是,它能够以比现有标准更详尽的细节来控制功率分布。兼容802.3af标准的PSE识别PD的级别后,只需提供级别定义所允许的最大功率即可。802.3at系统通电后,符合标准的PSE将能够使用Level-2软件与每个PD进行通信,以确定峰值和平均功率要求。这一新功能将允许设计师根据功率预算来设计POE兼容系统,并使系统总功率能力更接近于系统负载要求。峰值负载功率和高电流持续时间之间还可以建立通信(例如,摄像机推拉电机具有较高的短时电流要求)。不过,新标准尚未对这种Level-2通信进行完整定义。

由于新标准是向下兼容802.3af标准的,因此面临的一个主要问题是,PSE如何判断与之相连的是802.3af兼容PD还是新的802.3at兼容PD(以及PD如何对PSE做出类似的判断)。为了解决此问题,802.3at标准将使用与802.3af中相同的特征来指示POE兼容PD,但这样会在分级阶段增加第二次电压脉冲,以便指示PSE802.3at兼容状态。802.3at兼容PD将检测到第二次电压脉冲,并判断它们已连接至802.3at兼容PSE。由于分级周期持续时间符合 802.3af时间限制,因此与当前802.3af标准兼容的PD会将第二次脉冲仅视为初始查询和响应的一部分。

3、 802.3af802.3at的对比

  与802.3af相比,802.3at可输出2倍以上的电力,每个端口的输出功率可在30W以上,因此可大幅拓宽POE的应用领域。表1为802.3af与802.3at的对比。 

 

802.3af(POE)

802.3at(POE Plus)

分级

0~3

4 only and Layer 2

伏特数

44~57V DC

50~57V DC

缆线

Unstructured

CAT-5 or better

对线数

2

2

受电设备功率

13瓦

30瓦

电流

350mA

720mA

主要应用

网络电话(3-7W)、WLAN接入点(8-12W)等

视频网络电话(10-20W)、PTZ视频监控系统(20W)、WiMAX和802.11n接取器(8~45W)、个人电脑(30W+)、智能终端、打印机(20W)、传真机(30W)等。

 

4、  POE技术的机遇与挑战:

    POE目前尚面临一些挑战,如POE技术可让受电设备从每个端口获得30W以上的功率,但不是每个端口的受电设备都需要30W的功率,因此,如何准确的感测每个受电设备的需要是一个很重要的问题,否则可能对受电设备造成损坏或对网络基础设施形成不安全因素。此外,由于电缆通常被匝成电缆束,并置于配线柜中,因此线缆束的散热问题需要考虑。而成本问题则是POE面临的又一挑战,特别是对PD制造商而言,在产品中加入POE技术就意味着增加成本。

另外标准的五类网线有四对双绞线,但是在l0MBASE-T和100MBASE-T中只用到其中的两对。IEEE802.3af允许两种用法,应用空闲脚供电时,4、5脚连接为正极,7、8脚连接为负极。应用数据脚供电时,将DC电源加在传输变压器的中点,不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。目前的标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法,电源应用设备PD必须能够同时适应种情况。随着物联网设备向大功率供电发展的趋势,在不久的将来需要四对双绞线全部支持供电,通过提高电源的载流量来增加供电功率,以解决设备对大功率供电的需求。

总的来说,POE的应用虽有阻力,但机遇大于挑战。在技术方面日渐完善与深入,应用范围也越来越宽广。每一次技术的变革都会给行业带来巨大的变化,变化就意味着商机。虽然面临着诸多挑战,但由于市场潜力巨大,存在的种种问题正不断被厂商改善。相信随着物联网时代的来临,POE技术将向支持更大功率的设备发展。

四、结束语

物联网是一个包罗万象的综合网络,以太网是物联网中非常重要的传输方式,而在线供电(POE)是一种革命性技术,通过目前承载以太网数据的同一条五类/超五类双绞线电缆提供可靠的直流电源,扩展了以太网本已非常强大的功能。POE将改变网络设备供电的方式,网络管理员可以最大限度地利用现有的网络设施,并部署全新的一系列应用。

POE技术的出现使网络设计师可以轻易突破原有的限制随着功率半导体厂商提供更多样的开关和器件,再加上新的工业标准将支持更高功率水平的使用,这一新兴技术势必将促进新一代物联网应用的出现。

 

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