【導讀】為了實現CO2淨零排放目標
，建築行業需要對其通信基礎設施進行現代化改造。本文將介紹如何利用單對以太網（特別是10BASE-T1L）對使用RS-485等傳統鏈路的樓宇輕鬆實現改造
，以提升數字化程度
、實現自動化
、提高安全性並大幅降低能耗，從而實現更高的可持續性。

摘要

為了實現CO2淨零排放目標，建築行業需要對其通信基礎設施進行現代化改造。本文將介紹如何利用單對以太網（特別是10BASE-T1L）對使用RS-485等傳統鏈路的樓宇輕鬆實現改造
，以提升數字化程度、實現自動化、提高安全性並大幅降低能耗
，從而實現更高的可持續性。

簡介

為了應對氣候變化和實現可持續發展
，90多個國家/地區正在積極製定CO2淨零排放政策。簡言之，當人類的CO2排放量可以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要素是減少所有行業的CO2排放量。然而，根據國際能源協會(IEA)的數據，建築行業實現2050年全球CO2淨零排放目標的進展依然不盡人意。具體而言，2030年的目標是與2021年相比每平方米的能耗減少35%。1目前
，建築能耗占全球能耗的30%，為(wei)此(ci)人(ren)們(men)擔(dan)心(xin)

，除(chu)非(fei)建(jian)築(zhu)行(xing)業(ye)采(cai)取(qu)具(ju)體(ti)行(xing)動(dong)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)數(shu)字(zi)化(hua)轉(zhuan)型(xing)和(he)自(zi)動(dong)化(hua)
，否(fou)則(ze)排(pai)放(fang)目(mu)標(biao)將(jiang)無(wu)法(fa)實(shi)現(xian)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)有(you)效(xiao)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)
，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)更(geng)多(duo)的(de)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)，這(zhe)超(chao)出(chu)了(le)基(ji)於(yu)RS-485的(de)傳(chuan)統(tong)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)的(de)當(dang)前(qian)吞(tun)吐(tu)量(liang)和(he)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)，麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)難(nan)度(du)進(jin)一(yi)步(bu)升(sheng)級(ji)。此(ci)外(wai)，將(jiang)設(she)備(bei)和(he)樓(lou)宇(yu)係(xi)統(tong)與(yu)網(wang)絡(luo)相(xiang)連(lian)會(hui)帶(dai)來(lai)遭(zao)受(shou)網(wang)絡(luo)攻(gong)擊(ji)的(de)風(feng)險(xian)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)具(ju)備(bei)超(chao)越(yue)這(zhe)些(xie)傳(chuan)統(tong)網(wang)絡(luo)當(dang)前(qian)水(shui)平(ping)的(de)高(gao)級(ji)安(an)全(quan)功(gong)能(neng)。

本文將探討單對以太網如何幫助建築行業實現淨零目標
，同時以安全且經濟高效的方式支持基於AI的自動化。單對以太網可為新設施和改造設施提供到邊緣的長距離連接
，使其成為在IT和OT領域之間無縫傳輸數據的重要工具。

通過數字化轉型實現節能

IEA 2030淨零計劃3要求通過行為改變和數字化等技術減少需求
，從而減少約15%的排放量。盡管教導人們如何節約能源可能有效，但IEA案例研究4指出，自動化（而非行為改變）更有可能減少能耗。

隨(sui)著(zhe)商(shang)業(ye)樓(lou)宇(yu)數(shu)字(zi)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，運(yun)營(ying)商(shang)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)衡(heng)量(liang)運(yun)營(ying)績(ji)效(xiao)提(ti)升(sheng)情(qing)況(kuang)，還(hai)為(wei)運(yun)營(ying)自(zi)動(dong)化(hua)奠(dian)定(ding)了(le)基(ji)礎(chu)。借(jie)助(zhu)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)和(he)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)，可(ke)以(yi)優(you)化(hua)樓(lou)宇(yu)運(yun)行(xing)，降(jiang)低(di)能(neng)耗(hao)，同(tong)時(shi)讓(rang)樓(lou)宇(yu)內(nei)的(de)人(ren)員(yuan)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)服(fu)務(wu)。

例如，改善室內空氣質量為樓宇運營提出了額外的要求。ANSI/ASHRAE 62.1等新法規要求吸入更多的室外空氣，並且可能需要增加通風量2以確保符合健康和衛生標準要求。這些通風標準將導致能耗增加，這意味著必須進一步降低能源需求。為了優化運行，樓宇內的許多HVAC係統必須能夠協同工作，避免係統之間相互衝突。

為了讓不同的HVAC、照明
、消防和門禁係統融合操作，需要獲取正確的數據並訪問控製功能。通過融合操作可優化AI和機器學習(ML)
，以根據人們當前和計劃的活動確定理想的照明、供暖或製冷設置。通過融合操作還可以控製氣流，幫助確保適當的室內空氣質量，同時平衡能耗。

然而，由於不同的供應商維護不同的數據庫

，很難融合來自多個係統的數據，從而導致數據孤島。根據負責樓宇和HVAC係統數據共享指南5的IEA小組的說法
，接下來的挑戰是如何將不同的數據源整合到一個控製台中，以便比較趨勢並應用分析
，從而產生新見解，如圖1所示。1

實現通信基礎設施現代化

yaojianglouyuneidexuduobutongshujuyuanzhenghe

，guanjianzaiyusuoyongdecelianghelianjiejichusheshi。yiqian
，shangyelouyuzhongdechuanganqihekongzhigongnengtongguoyouxianchuanxingtongxinlianlu，jiezhuRS-485收發器和協議（如BACnet™、Modbus和LonWorks）進行連接。6

然而
，RS-485是一種傳統接口，在吞吐量和安全性方麵都受到限製。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議）的最大波特率為115.2 kbps。10 此外，傳統的通信協議（如BACnet和Modbus）是為封閉網絡設計的
，缺乏內置的 加密和身份驗證功能。由於這些設備通過IT基礎設施網關連接到互聯網，因此麵臨極的網絡安全威脅。

單對以太網（特別是10BASE-T1L）是一種令人欣喜的新通信方法，已於2019年11月獲得IEEE 802.3cg批準
，現已部署到樓宇中。9 支持RS-485的有線串行鏈路電纜可以重複使用，並通過這些電纜傳輸10BASE-T1L以太網數據。因此，現有的基礎設施可適用於單對以太網。這具有很多優勢：

• 節點現在可以支持更高的帶寬（高達10 Mbps）。

• 節點可通過IP尋址，從而簡化設備管理。

• 可延伸至1公裏，足以支持現有RS-485布線的最大長度。與標準10 Mbps/100 Mbps以太網的限製（僅100米）相比，這有了顯著的改進。11

• IEEE 802.3cg規定了15類相關要求，允許通過單根雙絞線電纜 傳輸高達52 W的功率以及10BASE-T1L數據。利用最近推出的LTC4296-1 以太網供電(PoE)控製器
  ，係統可以為各類終端設備供電。請注意，由於電纜質量存在差異，建議僅對新設施進行供電。

數字化轉型之旅的第一步
，應在部署了采用標準10 Mbps/100 Mbps以太網的樓宇控製器的情況下，通過這些傳統協議基於以太網的版本（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對象，因此很容易實現 具有這兩種設備的係統。采用BACnet/IP和Modbus TCP/IP等支持現代網絡安全措施的基於IP協議的以太網連接設施日益增加。12 BACnet在全球擁有約60%的市場份額7 ，約80%的新設施使用基於RS-485的有線串行通信。據建築服務研究和信息協會(BSRIA)估計
，2019年5%的HVAC傳感器是無線傳感器，其連接可靠性較低，而且需要配備電池
，這些因素限製了其應用範圍。8

改善通信

供暖和製冷係統有多個組件（包括恒溫器、控製器、空氣處理裝置和可變風量裝置）需要交換信息以達到溫度設定點。將通信頻率從常見的串行波特率9.6 kbps至115.2 kbps提升到以太網帶寬10 Mbps，意味著係統的數據吞吐量會大幅增加。這種基於IP的高速通信有幾大優勢。

圖1.多個係統融合可通過單個控製台實現數據可視化
，與自動化和AI/ML配合使用時可節約能源。

分析
，而不是采樣：chuantongtongxindeshujuchuanshusulvjiaoman，yincilouyuguanlizhebixuduishoujideshujujinxingyouxianpaixu，ranhouduishoujideshujujinxingcaiyang。jiezhudanduiyitaiwang，guanlizhebubidanxinchuanxingtongxincaiyanglv， 現在可專注於開發各種高級分析功能，利用從係統收集的更多數據來執行這些分析。14

節約能源：利用這些額外數據
，可以通過更快的控製環路或借助模型和實時傳感器輸入信息實現計算密集型能源優化，從而提高節能效率。

融合數據/消除數據孤島：傳chuan統tong的de有you線xian串chuan行xing通tong信xin需xu要yao網wang關guan將jiang來lai自zi邊bian緣yuan設she備bei的de數shu據ju轉zhuan換huan為wei基ji於yu以yi太tai網wang的de數shu據ju包bao
，然ran後hou將jiang這zhe些xie數shu據ju包bao傳chuan輸shu到dao雲yun端duan。如ru果guo將jiang有you線xian串chuan行xing通tong信xin鏈lian路lu升sheng級ji為wei單dan對dui以yi太tai網wang 10BASE-T1L，則可以重用現有布線
，同時消除這些網關。這可避免出現數據孤島、減少故障點、消除網關成本並縮短總體延遲時間。

實時響應能力：在網關上運行的通信協議和軟件會將響應時間減慢到幾秒級，而樓宇自動化應用（如IO監控）可能需要100毫秒或更短的延遲時間。13 單對以太網具有更高吞吐量
，同時無需網關
，吞吐速度會更快，因此係統可以實時做出響應。

安全通信

智能樓宇研究領域的領導者 Memoori12指出，缺乏有效的網絡覆蓋正在迅速成為智能樓宇應用向前發展的主要障礙。

實現數字化轉型麵臨的最大挑戰之一是IT和OT領域的融合。通過升級到BACnet/SC等協議，可以對基於RS-485的傳統現場總線OT網絡進行安全改造，但這樣做成本高昂
、耗時很長，並且很容易遺漏現有係統中的漏洞。Kaspersky 2020年的一項研究顯示，在所有工業控製係統中
，樓宇自動化係統受到的網絡攻擊最多


，超過石油和天然氣
、能源和汽車製造行業，因此有效的安全防護至關重要。15

為了確保通信安全，傳統的有線串行通信協議BACnet已改為BACnet/SC12
，後者通過有線串行鏈路實現安全通信並允許加密。然而，網絡上的所有BACnet設備必須同時升級才能充分利用這些新功能。為了添加BACnet/SC所需的額外加密功能
，需要重新設 計和維護那些使用傳統BACnet的現有設備。通過單對以太網（特別是10BASE-T1L），可以使用BACnet/IP協議（可實現基於以太網的安全性）升級和連接借助於不安全的有線串行通信（如BACnet）進行連接的邊緣節點。重要的是，無需在現有信號路徑上布設昂貴的新電纜即可實現這種經過改進的新型安全狀態。

通過升級OT網絡上的設備以運行基於以太網的安全協議
，可以減輕許多與網絡攻擊相關聯的風險。單對以太網10BASE-T1L有望通過一代硬件升級，從不安全的傳統通信過渡到基於以太網的安全通信，同時重用現有的布線基礎設施。

單對以太網10BASE-T1L是一項重要技術，可將IP連接擴展到邊緣、提高安全性
、重用布線
、融合IT和OT網絡，甚至可以供電。單對以太網具有明顯更高的吞吐量、無需網關而且具有高級安全功能，將有助於建築行業實現IEA的2030年淨零排放量目標，即減少15%的(de)排(pai)放(fang)量(liang)。通(tong)過(guo)實(shi)現(xian)樓(lou)宇(yu)通(tong)信(xin)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)現(xian)代(dai)化(hua)，可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)對(dui)樓(lou)宇(yu)內(nei)大(da)量(liang)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)的(de)訪(fang)問(wen)，同(tong)時(shi)消(xiao)除(chu)數(shu)據(ju)孤(gu)島(dao)並(bing)支(zhi)持(chi)單(dan)一(yi)控(kong)製(zhi)台(tai)管(guan)理(li)模(mo)式(shi)。除(chu)了(le)為(wei)傳(chuan)統(tong)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)提(ti)供(gong)更(geng)快(kuai)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan) 路閉合並支持人工智能和ML優化外
，管理人員還將能夠產生可行性見解
，從而節約大量能源。

ADI公司擁有一支可持續樓宇專業團隊，作為市場先行者，在該技術領域持續創新
，專注於支持數字化轉型的技術（如單對以太網(10BASE-T1L)、安全和智能IO，以及用於傳統係統的隔離和有 線RS-485收發器）。ADI公司已發布多款支持點對點的單對以太網產品 (ADIN1100、ADIN1110)，以及支持線環架構的單對以太網產品 (ADIN2111).16關於單對以太網供電產品，請參見LTC4296-1（電源端），以及LTC9111（設備端）。

參考資料

1 “樓宇建築”。國際能源協會。

2 “後COVID-19時代能源可持續性和室內空氣質量的新通風設計標準.”《可再生和可持續能源審查》
，2023年第182卷。

3 到2050年實現淨零排放—全球能源行業發展規劃。國際能源協會
，2021年。

4 2021年能源效率。國際能源協會，2021年。

5 IEA附件81活動A1—樓宇和HVAC係統數據共享指南。國際能源協會，2023年。

6 樓宇自動化協議終極指南。Smart Buildings Academy，2020年。

7 “研究表明BACnet的全球市場份額超過60%。”BACnet International，2018年。

8 “發布了一項新的美國現場設備詳細研究。”BSRIA，2020年。

9 “單對以太網即將進入智能樓宇。”Smart Buildings Technology，2020年。

10 改進BACnet®。BACnet，2020年。

11 “如何經濟高效地為樓宇管理係統部署網絡傳感器。”DigiKey，2023年。

12 “2022年至2027年智能商業樓宇的網絡安全。”Memoori，2022年。

13 “工業4.0提高能源生產率。”暢想2030
，2021年。

14 “IP控製功能如何改變樓宇自動化控製。”ControlTrends
，2022年2月。

15 “工業自動化係統麵臨的威脅。”Kaspersky，2021年3月。

16 “樓宇自動化控製器和網絡。”ADI公司

（來源：ADI公司，作者：Meghan Kaiserman，戰略市場營銷總監）

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