運用現有布線進行升級　單對乙太網路助攻建築節能(1)

為因應氣候變化和永續發展需求，目前全球有90多個國家/地區正在積極制定淨零排放(Net Zero)政策。簡言之，當人類的二氧化碳排放量可以透過其他活動減少和抵消時，就能實現淨零排放。

實現淨零排放的一項基本要素是減少所有產業的二氧化碳排放量。然而，根據國際能源協會(IEA)的資料，建築業在2050年全球二氧化碳淨零排放目標的進展依然不盡理想。具體而言，2030年的目標是與2021年相比，每平方公尺的能耗減少35%。^[1]目前，建築能耗占全球能耗的30%，為此，人們擔心除非建築業採取具體行動實現系統數位轉型和自動化，否則排放目標將無法實現。

為了實現有效的自動化，需要進行更多的即時資料採集，而這超出了基於RS-485的傳統基礎設施目前的傳輸量和回應能力，面臨的挑戰難度進一步升級。此外，將裝置和建築系統與網路相連將帶來遭受網路攻擊的風險，因此需要具備超越這些傳統網路目前水準的先進安全功能。

本文將探討單對乙太網路(Single-pair Ethernet)如何協助建築業實現淨零目標，同時以安全且經濟高效的方式支援基於AI的自動化。單對乙太網路可為新設施和改裝設施提供到邊緣的長距離連接，使其成為在IT和OT領域之間無縫傳輸資料的重要工具。

透過數位轉型實現節能

IEA 2030淨零計畫^[3]要求透過行為改變和數位化等技術減少能源需求，進而減少約15%的排放量。儘管指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。

隨著商業建築的數位化程度不斷提升，營運業者不僅能夠衡量營運績效改善情況，也為營運自動化奠定了基礎。借助感測器資料和控制功能，可以優化建築運行，降低能耗，同時為建築內人員提供更好的服務。

例如，改善室內空氣品質的需求，為建築營運提出了額外的要求。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，表示必須進一步降低能源需求。為了優化運行，建築內的許多暖通空調(HVAC)系統必須能夠協同工作，以避免系統之間相互衝突。

為了讓不同的HVAC、照明、消防和門禁系統融合操作，需要獲取正確的資料並存取控制功能。透過融合操作，AI和機器學習(ML)將可根據人們目前和計畫的活動確定理想的照明、暖氣或冷卻系統使用方式，同時也能夠控制氣流，協助確保適當的室內空氣品質，並且平衡能耗。

然而，由於不同的資料庫由不同的供應商進行維護，因此很難融合來自多個系統的資料，進而形成資料孤島(Data Silos)。根據負責建築和HVAC系統資料共用指南^[5]的IEA小組指出，接下來的挑戰是如何將不同的資料來源整合到一個控制台中，以便比較趨勢並應用分析，進而產生新見解，如圖1所示。

實現通訊基礎設施現代化

要整合建築內許多不同的資料來源，關鍵在於所使用的測量和連接基礎設施。以往商業建築中的感測器和控制功能透過有線串列通訊鏈路，借助RS-485收發器和協定(如BACnet、Modbus和LonWorks)進行連接。^[6]

然而，RS-485是一種傳統介面，在資料傳輸量和安全性方面都受到限制。舉例來說，運行於RS-485實體層之上的BACnet MS/TP(一種常見的建築自動化協定)的最大鮑率(Baud Rate)為115.2kbps。^[10]此外，傳統的通訊協定(如BACnet和Modbus)是為封閉網路所設計，缺乏內建的加密和身分驗證功能。由於這些裝置會透過IT基礎設施閘道器連接到網際網路，因此面臨網路安全威脅。

單對乙太網路(特別是10BASE-T1L)為新興的通訊方法，已於2019年11月獲得IEEE 802.3cg批准，現正逐漸部署至建築中。^[9]支援RS-485的有線串列鏈路電纜可以重複使用，透過這些電纜傳輸10BASE-T1L乙太網路資料。因此，現有的基礎設施可以轉向採用單對乙太網路。如此將可具備以下優勢：

• 節點現在可以支援更高的頻寬(高達10Mbps)。
• 節點可透過IP定址，進而簡化裝置管理。
• 將距離延伸至1公里，足以支援現有RS-485布線的最大長度。相較於標準10Mbps/100Mbps乙太網路傳輸距離僅100公尺的限制，有了明顯的改善。^[11]
• IEEE 802.3cg規定了15類(Class 15)相關要求，允許透過單對雙絞線電纜傳輸高達52W的功率以及10BASE-T1L資料。利用乙太網路供電(PoE)控制器，例如LTC4296-1，系統可以為各類終端裝置供電。請注意，由於電纜品質存在差異，建議僅對新安裝的設備進行供電。

數位轉型之旅的第一步，應部署採用標準10Mbps/100Mbps乙太網路的建築控制器，並透過傳統協定基於乙太網路的版本進行通訊，這些版本被稱為BACnet/IP和Modbus TCP/IP。^[6]

BACnet/IP裝置使用與BACnet MS/TP傳統裝置相同的資料物件，因此容易實現具有這兩種裝置的系統。BACnet/IP和Modbus TCP/IP等支援現代網路安全措施的基於IP協定的乙太網路連接設施，其採用率正日漸上升。^[12]BACnet在全球擁有約60%的市占率^[7]，約80%的新安裝設備使用基於RS-485的有線串列通訊。據建築服務研究和資訊協會(BSRIA)估計，2019年5%的HVAC感測器是無線感測器，其連接可靠性較低，而且需要配備電池，這些因素限制了其應用範圍。^[8]

參考資料

[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.

運用現有布線進行升級　單對乙太網路助攻建築節能(1)

運用現有布線進行升級　單對乙太網路助攻建築節能(2)