以太网供电(PoE)和智能楼宇：第一部分

作者：安森美先进方案部美国营销经理Bob Card

以太网供电（PoE）正如其名所示：它通过用于数据传输的同一电缆供电--足以满足小型设备的需求。该技术被广泛用于智能楼宇中，由于涉及的电压较低，普通的电源安全规则并不适用。这突出了PoE具有吸引力的原因之一；它可以大大降低与安装和合规性有关的成本。

由于许多办公大楼已经在整个结构中铺设了以太网，并安装了带有后备电池的不间断电源（UPS），因此可以很容易地实施强固的系统。追加PoE设备可以利用已经部署的相同电缆，为照明和安防摄像机等应用供电。电源可以通过以太网电缆输送到离支持PoE的以太网设备最远100米的设备上。

用PoE为智能楼宇供电的好处

采用PoE的一个明显的好处是，它使直流电能在您现有的以太网上运行。虽然您仍需用支持PoE的端口来更新你的网络交换机，但不必为受电设备铺设额外的铜线所带来的成本效益是巨大的。铜的价格已经从2000年的每磅0.65美元上升到2021年的每磅4.05美元（来源：macrotrends）。此外，不在受电设备上实施AC-DC转换，可以进一步节省成本。

PoE对放置受电设备也更灵活。大多数交流电源插座都靠近地面，这对Wi-FI®接入点（AP）、毫微微蜂窝和微微蜂窝以及摄像头来说不是个理想的位置。为了最大限度地扩大覆盖范围，建议避免将这些设备放置在靠近障碍物的地方，最好放置在天花板高度。与市电网络不同，以太网电缆通常要穿过吊顶产生的空隙，从而消除了采用的另一个障碍。

PoE将电力和数据结合在一起，实现了对包括照明、安防摄像头和数字标牌在内的各种应用的24/7智能监控。配备有电池供电的不间断电源系统（UPS）的集中式PoE网络确保了关键设备在停电期间的持续运行。

图1：PoE智能楼宇的好处

智能楼宇应用和PoE标准

PoE标准（IEEE 802.3af）最初是在2003年获批准的，提供最高15瓦的功率。它被广泛用于IP电话、楼宇访问控制等应用，并为早期的分布式Wi-Fi接入点供电。该标准后来的修订，包括IEEE 802.3at（30瓦/2009）和IEEE 802.3bt（90瓦/2018），增加了所提供的功率，以实现更多的高要求应用，如更快的Wi-Fi网络、安防摄像头、音频扬声器、销售终端（POS）、LED照明等。

图2：PoE标准和应用

PoE拓扑

图3展示了一个典型的PoE拓扑结构。PoE网络交换机被称为电源设备（PSE），它为称为受电设备（PD）的客户端提供直流电。该规范规定，PSE应该能够通过最长100米的以太网电缆（通常是CAT5/6）向PD供电。

图3：典型的PoE拓扑(来源：以太网联盟Ethernet Alliance)

由于以太网电缆可以达到100米，在这个距离上有一些耗散，所以在最坏的情况下，到达PD的功率比PSE提供的功率要低。在规范中，802.3af的功率为13瓦，802.3at为25.5瓦，802.3bt为71.3瓦。对于 "bt "标准，PD的直流电压范围为42至57伏[RB2]。输入端不支持PoE的联网设备仍可连接，并使用PoE分配器，以分离数据和直流电。这也可以减少对AC-DC转换器的需求，并将设备放在靠近交流电插座的地方。

PoE供电的PTZ摄像机

现在的安防系统通常使用包含小型电机的摄像机，使其能够在三个轴上移动，或平移、倾斜和变焦（PTZ），并且通常采用高清数字摄像机。这些摄像机可以通过有线连接（如以太网）进行手动控制，或者当在定义的关注窗口或整个视野中检测到物体时，编程自动移动和缩放。一些摄像机还可被配置来勘察场景，即不断进行0°至360°平移和0°至180°倾斜，同时，变焦可使用光学或数字技术实现。这些安防和监控摄像机所需的电源现在可使用基于IEEE 802.3at标准的PoE来提供。 

PoE供电的无线网络

Wi-Fi接入点和路由器也是PoE的常见应用。两者的功耗通常是支持的速度和流量的函数。现代网络使用MIMO（多输入多输出）等技术扩大了范围和吞吐量。实施一个支持Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）速度的AP/路由器应用程序，将映射到PoE标准，如下：

1. Wi-Fi 6，4x4双频并发：802.3at
2. Wi-Fi 6，8x8双频并发：802.3at/bt
3. Wi-Fi 6, 4x4三频并发：802.3at/bt

尽管Wi-Fi路由器/AP的包装盒上有一个AC-DC电源，但它们也可以使用PoE分配器供电。相比之下，像Cisco MerakiTM MR56 Wi-Fi 6（802.11ax，8空间流）接入点这样的产品现在支持802.3at，这意味着RJ45端口可直接连接到支持PoE的PSE交换机，为设备供电。

PoE供电的微微蜂窝和毫微微蜂窝

微微蜂窝和毫微蜂窝被用来扩展或增加蜂窝的覆盖范围，特别是在繁忙的区域，如楼宇内、办公室、购物中心和体育场。与普通蜂窝不同，微微蜂窝的范围通常较小，约为200米或更小，而毫微微蜂窝的范围可能低至10米。这些微小的设备是PoE的理想候选者，正如下面一个例子所示：

1. ApexTM 4G/LTE 3.5GHz室外微微蜂窝（35 W）：802.3bt

PoE供电的数字标牌

LED电视是一种非常有效的沟通形式。它们可在各种区域显示定制的、动态的数字标牌，包括企业办公空间、智能零售、酒店和政府市政部门。像Wi-Fi一样，数字标牌只有放置得当才能发挥好处。例如，较大的屏幕通常悬挂在天花板上，所以人群可以很容易地查看内容。相比之下，智能售货亭或销售终端（PoS）的应用则利用较小的屏幕--有些带有触摸屏，以获得更个性化的互动用户体验。

不同LED电视的功率消耗差别很大。下面列出的三星®55 "LED电视指定69 W的典型功耗，而另一个有相同尺寸和制造商的LED电视需要120 W。重要的是要确保LED电视的功率不超过PD的功率。使用802.bt标准，这可以从90 W到71.3 W不等，取决于PSE和LED电视（PD）之间的以太网电缆长度。

市场上也有一些带PoE的标牌电视。令人关注的是，LED电视制造商是否开始将802.bt集成到他们的大型LED电视中，以满足日益增长的数字标牌市场的需求。

1. 55英寸，三星4K LED电视（#Q70T）69 W（典型值）： 802.3bt（需要PoE分配器
2. 46", 高清带触摸屏的Thinlabs, Inc:         802.3bt (不需要PoE 分配器)
3. 10", 三星数字标牌 (DB10E-TPOE)        802.3at (不需要PoE分配器)
4. 48", 三星数字标牌 (DH48E) 44 W (典型值)       802.3bt (需要PoE分配器)
5. 40", 三星数字标牌 (H40B) 44 W (典型值)        802.3bt (需要PoE分配器)
6. 16 "medTV® PDI-P16TV-GB2-P电视（25 W） 802.3at（不需要PoE分配器

PoE智联照明

PoE和LED照明是天然的搭档，因为LED消耗直流电，而PoE提供直流电。这使您在用PoE为LED供电时，可以省去AC-DC电源转换成本。

安森美互联照明平台(图4)是PoE如何增强智能楼宇的一个很好的例子。该平台基于模块化设计，能够为两串16颗LED提供7,000流明，由双FL7760 LED驱动器驱动。一个基于NCP1096 802.3bt控制器的PoE模块为LED驱动模块提供高达90瓦的直流电。同时，在LED驱动模块上有第二个连接器，可接收RSL10 蓝牙 5无线电，用于无线联接到智能手机网关，实现云联接。这就是智能照明。

图4：含PoE模块的互联照明平台

PoE供电的商用电话(VoIP)

网络电话（VoIP）可能是PoE最常见的应用。VoIP通过广域网使用以太网协议将低频模拟语音信号数字化为数据包。从那里，它将通过交换机和路由器，进入云端，前往目的地。VoIP只消耗4到7瓦，所以它与802.3af PoE标准非常兼容。装有RJ45连接器的现代VoIP电话被设计为通过以太网电缆同时接收数据和功率，因此不需要外部PoE分配器。

总结

通过同一根电缆提供电源和数据连接的便利性是极具吸引力的；我们只需看看USB是如何成为许多消费设备无处不在的电源的。商业和工业应用中的PoE也是如此。它推进了单电缆方案的概念，其目标应用是能够直接从其带来的简单性中受益的应用。

安森美在数字通信和电源管理方面拥有成熟的专业技术，有实力提供好的PoE方案。随着更多制造商发现PoE的好处，最终用户将开始需要PoE。现在是时候开始向更智能、集成的电源/数据组合过渡了。