無線和電力線通信的可靠性遠(yuǎn)不及五個(gè)9。因此，我們需要專用的有線通信。現(xiàn)在，我們假設(shè)它是類似于RS485的±數(shù)據(jù)，并由12 VDC供電，如下圖5中的綠色所示。下面以藍(lán)色顯示的是兩條大功率電線（例如48 VDC，110 VAC或靈活的48 VDC / 110 VAC），每個(gè)插座支持12W。

圖5自動(dòng)化盒控制LED的電源。

不要讓12 VDC和高功率使您感到困惑。在12 VDC電源（$ 110）是一直在和可能得出1毫安睡覺時(shí)和10毫安同時(shí)經(jīng)營支持處理器。這樣的電源可能支持分布在100 m上的32個(gè)節(jié)點(diǎn)。另一方面，“高功率”可能僅在需要時(shí)才打開，以減少未加載時(shí)電源模塊消耗的靜態(tài)功率（例如，處理器在不使用時(shí)將48 V電源模塊完全關(guān)閉）。在典型情況下，每只燈泡48 VDC可以為200 mA電流供電，其中一個(gè)燈泡有四個(gè)燈泡分布在10 m的18號(hào)電纜（1000英尺為160美元）上，能量損耗為1.5％（1.5％= 0.75V / 48V， 0.75V = 2×0.002×10×2,0.002Ω/米導(dǎo)線）。

在圖5中，主控制被合并在“自動(dòng)化框”中，可能在房屋的地下室中。請(qǐng)注意，此框發(fā)出了三個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)。這類似于電源保險(xiǎn)絲，其中一個(gè)盒子每個(gè)房子有10到20個(gè)保險(xiǎn)絲，每個(gè)保險(xiǎn)絲支持不同的布線網(wǎng)絡(luò)（有時(shí)稱為電路）。一個(gè)房子可能有10個(gè)低壓電路，每個(gè)電路有5到15個(gè)通過四根電線連接的設(shè)備（12 VDC±電源，±數(shù)據(jù)）。圖5還顯示了綠色控制線（12 VDC±電源，±數(shù)據(jù)）和藍(lán)色大功率線（例如48 VDC，110 VAC）驅(qū)動(dòng)燈具。

例如，如果燈泡的額定額定電流為200 mA，則將持續(xù)不斷地向其泵送200 mA的電流，以獲得100％的功率。若要使用脈寬調(diào)制（PWM）將燈泡調(diào)至30％功率，請(qǐng)?jiān)?0 KHz（100μSec）的周期內(nèi)施加200 mA的電流30μSec，施加70μSec的電流。

圖5中的每個(gè)燈具都包含一個(gè)約1美元的微處理器，例如XMC1302和MOSFET LED驅(qū)動(dòng)器（圖6）。MOSFET可以以> 3 kHz的速率打開和關(guān)閉以產(chǎn)生調(diào)光效果，并且可以調(diào)節(jié)流過LED串的電流。

圖6建議的新通信總線：12 VDC電源和數(shù)據(jù)，其中EEPROM存儲(chǔ)有關(guān)燈泡的數(shù)據(jù)。

基本標(biāo)準(zhǔn)支持所有電源

我們建議的IoT基本標(biāo)準(zhǔn)未定義電源線。電源可以是固定的24 VDC，固定的48 VDC，固定的110 VAC或固定的220 VAC。此外，它還可以具有靈活的交流或直流電源，這些電源在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生變化，并提供20 VDC至56 VDC，100 VAC至240 VAC或0 V（關(guān)閉）的電壓。后一種選擇（柔性電源）提供了一種無需電源逆變器即可直接從110/220 VAC電網(wǎng)，48 VDC太陽能或48 VDC電池為設(shè)備供電的方法。柔性電源的缺點(diǎn)是成本增加，每個(gè)設(shè)備的功率損耗小。優(yōu)點(diǎn)是我們?cè)谄渌胤焦?jié)省了功率和成本。

為了鼓勵(lì)采用我們的基本標(biāo)準(zhǔn)，我們不會(huì)做出功耗決定。例如，制造商X銷售一個(gè)LED插座，該插座連接到±數(shù)據(jù)線和固定的220 VAC。制造商Y做類似的事情，使用兩條低功率12 VDC電線和兩條柔性電源線，它們支持48 VDC（太陽能，電池）或110 VAC（電網(wǎng)），并在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行更改。兩種產(chǎn)品均受我們的系統(tǒng)支持。

為什么不為設(shè)備處理器提供48 VDC的電源，而不是12 VDC？48 V至3 V的開關(guān)電源會(huì)占用PCB空間，并且在驅(qū)動(dòng)很少的電源時(shí)效率低下-在處理器休眠時(shí)會(huì)消耗靜態(tài)電源。另外，一個(gè)12 V至3.3 V的線性電源穩(wěn)壓器體積小巧，價(jià)格便宜，并且在處理器休眠時(shí)消耗的能量很少。

像IEEE這樣的行業(yè)組織可以根據(jù)需要輕松添加其他標(biāo)準(zhǔn)，以提供對(duì)我們基本標(biāo)準(zhǔn)的更多控制。例如，IEEE可能會(huì)使用支持±data的六線電纜建立附加標(biāo)準(zhǔn)，在低功率時(shí)始終為12 VDC，并且運(yùn)行時(shí)靈活為48 VDC或110/220 VAC或關(guān)閉。根據(jù)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的市場需求，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者之間的對(duì)話將產(chǎn)生更多的標(biāo)準(zhǔn)。我們從一個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)開始，然后讓行業(yè)從那里建立起來。

在運(yùn)行時(shí)更改靈活的電源似乎很難處理，但是接受110/220 VAC的開關(guān)電源只要稍加修改，也可以接受48 VDC。靈活的電源使人們可以直接從電網(wǎng)連接到設(shè)備，直接從48 VDC電池到設(shè)備，以及直接從太陽能光伏（PV）48 VDC到設(shè)備。減少電源和逆變器硬件可降低成本和能耗。另外，這要求在設(shè)備，電池和太陽能電池陣列之間進(jìn)行仔細(xì)協(xié)調(diào)，這超出了本文的范圍。靈活電源與低功耗12 VDC可以很好地配對(duì)，因?yàn)樗梢源_保在靈活電源更改時(shí)處理器不間斷運(yùn)行。缺點(diǎn)是六線而不是四線。

回顧圖5，除了LED燈泡外，網(wǎng)絡(luò)還連接到墻壁開關(guān)和電動(dòng)隔熱窗罩。如果您算一下我們網(wǎng)絡(luò)中哪個(gè)部分可以節(jié)省最多的錢，那它就是2英寸。（5厘米）厚的固體泡沫塊，當(dāng)不使用房間時(shí)會(huì)覆蓋窗戶。我們會(huì)通過窗戶損失大量能量，并且添加此功能很容易，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的電子設(shè)備類似于驅(qū)動(dòng)LED的電子設(shè)備。電工可以使用從天花板上的LED插座到窗戶的電纜輕松地將我們的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到電動(dòng)窗戶。

圖6中燈泡內(nèi)部所示的EEPROM包含表征燈泡的數(shù)據(jù)-制造商，型號(hào)，序列號(hào)，所需電流，最大電流（無損壞），物理光束寬度等。此與插座之間的接口值得進(jìn)一步考慮。一個(gè)示例電路是，插座在燈泡兩端施加3.3 V電壓，燈泡檢測2.0 V至4.0 V之間的電壓，然后通過對(duì)邏輯0施加≤0.1mA負(fù)載和向邏輯1施加1 mA負(fù)載來傳輸EEPROM位。

圖7顯示了12 VDC低±電源和±數(shù)據(jù)被路由到樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與許多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)沿一條電纜在兩端具有終結(jié)器的電纜使用受控阻抗，例如以太網(wǎng)和CANbus。連接建筑物中的設(shè)備的電工最終會(huì)遇到一棵樹。例如，如果圖7涉及房屋110 VAC接線，則紅點(diǎn)將是地下室的保險(xiǎn)絲盒，綠點(diǎn)將是整個(gè)房屋的電氣盒。

圖7電源和數(shù)據(jù)以樹形拓?fù)溥B接，類似于房屋布線。

如圖8所示的節(jié)點(diǎn)包括電燈插座（在天花板上），用戶界面打開/關(guān)閉/調(diào)光器開關(guān)（在墻上），溫度傳感器以及在不使用時(shí)在窗戶上鋪熱毯的電動(dòng)機(jī)。

圖8家庭布線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在由12 V總線供電的同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

如果要獲得99.999％的可靠性，請(qǐng)?jiān)诓皇褂迷O(shè)備時(shí)為設(shè)備供電，并讓處理器處于休眠狀態(tài)；那么你需要電線。在我們提出的系統(tǒng)中，處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到±數(shù)據(jù)線擺動(dòng)。我們選擇12 VDC是因?yàn)槲覀兛梢允褂?.10美元的SOT23線性穩(wěn)壓器為微處理器構(gòu)建電源。通過設(shè)計(jì)，我們可以在電源上提供12 V±0.5 V的電壓，并向每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加9.0 V至12.5 V的電壓。該系統(tǒng)類似于R＆D Initiative中描述的旨在解決能源和氣候問題的擬議四線標(biāo)準(zhǔn)。

例如，價(jià)格為$ 0.70的XMC1302處理器（圖9）包括數(shù)字I / O，溫度傳感器，PWM控制，LED調(diào)光器控制以及幾個(gè)A / D模擬輸入通道，所有這些都集成在一個(gè)TSSOP16封裝中。隨后，我們可以輕松地在燈座上添加溫度測量，燈泡亮度測量，室內(nèi)亮度測量，開/關(guān)控制和調(diào)光器控制，而不會(huì)產(chǎn)生大量成本。

圖9廉價(jià)的微處理器通過使用PWM對(duì)LED進(jìn)行脈沖控制來控制LED的亮度。

擬議的新電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：RS486

在我們提出的系統(tǒng)中，±數(shù)據(jù)線并行連接多個(gè)設(shè)備，設(shè)備進(jìn)行雙向通信，并且設(shè)備彼此通信或向所有其他設(shè)備廣播。這類似于完善的RS485標(biāo)準(zhǔn)，但是我們提出的系統(tǒng)有所不同?，F(xiàn)在我們將其稱為“ RS486”（新名稱）。RS485通常以數(shù)十毫安的上升/下降時(shí)間驅(qū)動(dòng)15納秒的受控阻抗（即，兩端均端接的單根電纜）。另一方面，我們建議的RS486受帶寬限制，上升時(shí)間為15μSec，與電纜電容無關(guān)（慢1000倍）。這意味著它很慢（10 kbits / sec），在阻抗未知的電纜（例如0至1000英尺無接線的樹狀布線）下不會(huì)響鈴，它消耗的功率少，成本低（由于低毫安），而且很容易防止高壓短路。世界需要新的電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。世界需要RS486。另外，處理器需要相互之間進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一塊小的PCB（例如1×2英寸，25×50厘米），帶有2至3美元的電子設(shè)備，可將擬議的總線連接到電燈插座，開關(guān)，電動(dòng)機(jī)和傳感器。由于這是與較高的電壓并置的，所以我們可能要防止110 / 220VAC電源意外短路（圖10）。

圖10提議的網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用便宜的微處理器。

Glenn Weinreb是GW Instruments的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，已經(jīng)設(shè)計(jì)了大約30個(gè)商業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將處理器連接到建筑物內(nèi)的小工具。

編輯：hfy