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빌딩자동화에 이더넷 사용이 증가하면서 조명 및 난방, 환기, 에어컨과 같은 환경 시스템 관리를 위한 센서 및 제어 네트워크, 접근 제어, 보안 시스템, 안전 시스템, 심지어 예방점검 모니터링을 사용하는 스마트 빌딩이 가능해졌다.

새로운 건축물은 기본적으로 전용 Cat5e(Category 5 Enhanced) 케이블 및 이더넷 스위치, 라우터 등을 갖춘 빌딩 자동화 네트워크를 제공한다. 심지어 기존 건물을 네트워크 센서와 제어장치에 맞춰 개조하고 있다.

개조, 보수는 다음과 같은 두 가지 이유로 인해 제약이 따른다.

  • 기존에 전기가 공급되지 않는 위치에 전원을 공급해야 한다.
  • 대부분의 개조 건물이 벽과 천장, 바닥에 센서 및 제어 장치를 설치할 수 있도록 설계되어 있지 않다.

많은 상업 및 산업용 건물이 내부 공간을 손쉽게 재구성할 수 있도록 설계되어 있다. 한편, 센서 및 제어 기술은 전기공급 분배를 용이하게 하며 형태도 작기 때문에 이더넷 기반의 빌딩 자동화에 더욱 용이하다.

빌딩자동화를 위한 이더넷 구축

다양한 이유로 빌딩 자동화에 있어 이더넷 사용이 증가하고 있다.

우선 이더넷은 이미 성숙한 네트워킹 기술로써, 엔지니어가 플러그 앤 플레이 방식의 솔루션을 신속하게 개발할 수 있도록 하드웨어 및 소프트웨어가 견고하게 구축되어 있다. OSI (Open Systems Interconnection) 모델을 기반으로, 통합 및 전송, 교환, 처리, 저장을 위한 표준 기반 데이터 통신 사용을 지원한다.

둘째, 이더넷은 독점적인 인터페이스 사용 없이, 서로 다른 벤더의 제품을 통합할 수 있게 한다.

셋째, 이더넷은 기존에 있는 대부분의 포인트-투-포인트 또는 버스시스템 통신 프로토콜보다 더욱 빠른 데이터 처리 속도를 제공한다. 이는 다음과 같은 세 가지 이유와 관련이 있다.

  • 많은 센서가 낮은 데이터 처리 속도로 작동되기 때문에 단일 컨트롤러에 의해 서비스가 제공될 수 있다. 단일 컨트롤러는 느린 데이터 스트림을 네트워크에 연결된 하나의 고속 데이터 스트림으로 통합하는데, 이로 인해 데이터를 중앙 집중식 관리 및 운영 센터로 전송하는데 필요한 물리적인 연결 수가 줄어든다.
  • 데이터 처리 속도가 빨라지면 센서 끝에서 감지된 현상에 대한 응답 속도가 빨라진다. 이는 화재, 연기, 이산화탄소, 가스 감지와 같은 안전 관련 시스템 및 보안, 접근 제어에 있어 매우 중요한 요소다.
  • 데이터 처리 속도가 높아지면서 특정 유형의 센서 개발이 확대됐는데, 감시용 카메라는 그중에서도 가장 주목할 만하다. IP 네트워크 카메라(IPNCs)는 전용 동축 케이블에 의존하는 아날로그 전송 시스템 및 아날로그 이미지 센서를 사용하는 아날로그 기반의 폐쇄회로 텔레비전 카메라 기술을 대체하고 있다. IPNCs는 완전히 디지털화된 비디오 스트림을 생성하며, Cat5e 케이블을 사용해 100BASE-TX 네트워크에 연결하는 내장 네트워크 프로토콜 엔진을 보유하고 있다.

전원과 네트워크의 결합

IPNCs 가 광범위하게 확대될 수 있었던 다른 요인은 PoE (이더넷 전원 장치, Power over Ethernet)를 포함한 IEEE802.3 표준의 확장이다. IEEE802.3at-2009와 IEEE802.3bt는 Cat5e를 통한 전력 전송에 대한 항목을 표준에 도입했다. 해당 표준에 기술된 바와 같이, Alternative A는 전력 전송을 위해 능동 데이터 페어를 사용하는 반면 Alternative B는 예비 트위스트 페어를 사용해, 데이터와 전력이 분리된다.

현재 대부분의 IPNCs가 100BASE-TX를 사용하는데, Cat5e 트위스트 페어 케이블 두 쌍을 이용해 예비 페어로 전원이 공급되도록 한다. 이 표준은 케이블의 양 끝에 있는 두 개의 장치를 정의한다. 전원소싱장비(power sourcing equipment, PSE)는 케이블의 반대쪽 끝에 있는 전력장치(powered device; PD)에 전원을 공급한다. 이 표준은 최대 전력 공급 용량의 등급에 따라 네 가지 유형의 시나리오를 정의한다.

 

변수

802.3at

유형 1

802.3at

유형 2

802.3bt

유형 3

802.3bt

유형 4

PD에서 사용 가능한 전력 (W)

12.95

25.5

51

71

최대 PSE 전력 (W)

15.4

30

60

100

PSE 전압 범위 (V)

44-57

50-57

50-57

52-57

PD 전압 범위 (V)

37-57

42.5-57

42.5-57

41.1-57

최대 전류 (mA)

350

600

600/페어

960/페어

페어당 최대 케이블 저항(Ω)

20

12.5

12.5

12.5

1. PoE 유형 전원 공급 사양

표에서 볼 수 있듯이, 각 유형은 전원 장치에서 이용할 수 있는 유한한 전력 예산을 지원한다. 따라서 PSE와 PD에서 전력 효율이 높은 기기를 사용하는 것은 매우 중요하다.

시스템 예시

아래 그림 1은 PoE를 이용한 빌딩 자동화 네크워트의 예를 보여준다. 센서 컨트롤러와 네트워크 스위치에 부착된 IPNC의 조합으로 전원 인젝터라고도 한다. 표준어로는 PSE다. 링크의 다른 끝에 있는 센서 컨트롤러와 IPNC는 PD다. 각 전력장치에 PHY (물리층)을 통합해 이더넷 통신을 처리한다.

PoE의 목적은 사용 가능한 전력이 없거나 전력을 공급하기 어려운 위치에 IPNC와 같은 센서를 배치하는 것이므로, PHY가 전력 예산을 가능한 적게 소비하는 것이 중요하다. 표 1을 보면, 유형 1의 PoE 링크는 전력장치 끝에서 12.95W의 전력 예산을 갖는다는 것을 알 수 있다. 전력 변화 및 컨디셔닝 블록에서 약간의 손실이 발생하며, 애플리케이션 회로에 12.95W 미만의 전력을 사용할 수 있다. 센서 노드 또는 IPNC에 대부분의 전력이 사용되도록 PHY는 수백 밀리와트 이하의 전력만 소비해야 한다.

 

그림 1. 빌딩 자동화 네트워크 체계 분류 예시

DP838251 10-/100- 이더넷 PHY는 센서 컨트롤러 및 조명 컨트롤러, IPNC와 같은 빌딩 자동화 구성에 필요한 소형 저전력 연결 솔루션을 제공한다. 100Mbps로 135mW만 소비하며, 24핀 3mm X 3mm QFN 패키지로 업계에서 가장 작은 10/100 PHY 중 하나다. MDI (매체 의존 인터페이스)와 MAC (매체 접근 제어) 인터페이스에 통합된 종단 저항기, MAC에 대한 미디어 독립 인터페이스가 감소된 로우핀 카운트로 구성된 DP838251을 사용해 시스템 사용자는 크기 문제를 해결하고, 더 많은 보드 공간과 전력을 애플리케이션 회로에 할당할 수 있다.

DP83825I는 시스템 설계자가 작은 솔루션 크기를 달성하고 더 많은 보드 공간과 전력을 애플리케이션 회로에 할당할 수 있도록 한다.

추가 정보는 아래 자료를 참고하세요.

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