СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ПИТАНИЯ, ДАННЫХ И УСТАНОВЛЕНИЯ СВЯЗИ ПО СЕТИ ETHERNET
SYSTEM FOR TRANSMITTING POWER, DATA AND ESTABLISHING COMMUNICATION OVER ETHERNET NETWORK

Область техники
Изобретение относится к области сетевых технологий для передачи данных и питания к электронным устройствам и может быть использовано, в частности, для организации дополнительного(ых) канала(ов) связи с использованием нового или уже проложенного Ethernet кабеля между IoT концентратором и IoT устройством(ами).
Уровень техники
В настоящее время существует множество систем, предназначенных для передачи данных и питания электронным устройствам. Одним из примеров таких систем является телефонная система связи, описанная в источнике US 2013/0315048 A1. Данное решение позволяет одновременно передавать цифровые данные и аналоговые телефонные сигналы в одной и той же среде передачи. Это применимо к сети, в которой удаленные устройства (например, персональные компьютеры) подключены к концентратору кабелем, содержащим по меньшей мере две пары проводов, обеспечивающим передачу данных в каждом направлении. Модули на каждом конце кабеля позволяют организовать дополнительный канал связи между телефоном и автоматической телефонной станцией (АТС) через две пары проводников по фантомной схеме. Описанные каналы связи функционируют одновременно и без значительных взаимных помех.
В числе недостатков известного решения имеется ограничение по передаче только сигналов телефонии. Также известное решение предусматривает подключение устройств только на концах кабеля без возможности подключения промежуточных устройств.
Терминология, используемая в настоящем решении
IoT устройство – электронное устройство, предназначенное для взаимодействия с другими IoT устройствами или с внешней средой в соответствии с концепцией «Интернета вещей» (Internet of Things). В частности, в качестве IoT устройств могут выступать:
• охранно-пожарная система, датчик, датчик температуры, влажности, освещенности, давления, концентрации газов, датчик одной или нескольких физических характеристик объекта, кнопка, переключатель, реостат, другой датчик с импульсным, потенциальным или токовым выходом;
• модуль мониторинга и управления климатом, освещением, шторами, вентиляцией, видеокамерами, телевидением, медиа-центрами, очисткой воздуха, теле-аудио техникой, водоснабжения, пожаротушения, электроснабжением, другой техникой;
• прибор учета тепловой электрической энергии, воды, газа, жидкости и т.п.
• аудио/видеопереговорное устройство, микрофон, видеокамера;
• устройство записи и/или воспроизведения аудио и/или видео.
IoT концентратор – электронное устройство, выполненное с возможностью подключения к одному или нескольким IoT устройствам.
IoT канал - канал передачи данных для IoT устройства, предусматривающий передачу данных и, при необходимости, питания.
PoE (Power over Ethernet) – технология, позволяющая передавать удалённому устройству электрическую энергию вместе с данными по кабельной сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный кабель питания. Технология PoE описана стандартами IEEE 802.3af-2003 и IEEE 802.3at-2009 (https://ru.wikipedia.org/wiki/Power_over_Ethernet метод А).
1
Ethernet кабель - металлический кабель, предназначенный для организации связи по стандарту Ethernet 10-Base-T, либо Ethernet 100-Base-T, либо Ethernet 1000-Base-T либо по другому стандарту включая, но не ограничиваясь серией стандартов IEEE 802.3, содержащий две или более пары проводов.
Соединитель - электрический разъем или клеммник для подключения внешнего кабеля. При интеграции нескольких блоков в одном устройстве – граница соединения блоков (система проводников, дорожек, разъемов и клеммников).
Двухпроводный интерфейс с передачей питания - последовательный интерфейс передачи данных и питания по двухпроводной линии, например, M-Bus или KNX/EIB, или LonWorks, или IEEE P802.3cg, или 1-wire (с передачей питания).
Двухпроводный интерфейс без передачи питания - последовательный интерфейс передачи данных, не поддерживающий передачу питания, например, RS485 или CAN, или LIN, 1-wire (без передачи питания).
RS-интерфейс - последовательный интерфейс, не предусматривающий передачу питания, например, TTL UART, или RS232, или двухпроводный интерфейс без передачи питания.
Перечень интерфейсов не ограничивается перечисленными выше, приведенными лишь в качестве примера.
Модули системы - модули смесителя, разветвителя и промежуточный модуль.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является устранение недостатков, перечисленных в разделе «Уровень техники».
Техническим результатом является обеспечение возможности передачи данных и, если это необходимо, питания для IoT устройств по кабельной Ethernet сети с сохранением Ethernet канала.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение работы через организованный канал связи нескольких IoT устройств. При этом доступ к конкретному IoT устройству осуществляется, например, с использованием протокола, предусматривающего наличие у каждого IoT устройства уникального адреса.
Для достижения указанных технических результатов предложена система связи для IoT устройств по кабельной Ethernet сети, содержащая:
- модуль смесителя Ethernet данных, передаваемых в соответствии со стандартом IEEE 802.3, а также данных для IoT устройств и дистанционного питания для IoT устройств, установленный на одном конце Ethernet кабеля, содержащий не менее двух трансформаторов, каждый из которых имеет первичную обмотку с выводом средней точки и вторичную обмотку, далее - PoE трансформатор, для организации, по меньшей мере, одного дополнительного фантомного канала передачи данных, выполненного с возможностью подключения к портам IoT концентратора следующих типов:
– вход для подключения аналоговых или дискретных датчиков, или
– двухпроводный интерфейс с передачей питания, или
– двухпроводный интерфейс без передачи питания и/или
– источник дистанционного питания для IoT устройств;
- модуль разветвителя Ethernet данных, а также данных для IoT устройств и дистанционного питания для IoT устройств, установленный на другом конце Ethernet кабеля, содержащий не менее двух PoE трансформаторов для организации, по меньшей мере, одного дополнительного фантомного канала передачи данных, выполненного с возможностью подключения:
– аналоговых или дискретных датчиков, или
– IoT устройств с двухпроводным интерфейсом с передачей питания, или
– IoT устройств с двухпроводным интерфейсом без передачи питания и/или
– IoT устройств с отдельным входом питания.
Система может дополнительно содержать, по меньшей мере, один промежуточный модуль, установленный вразрез Ethernet кабеля между модулями смесителя и разветвителя, не нарушающий работоспособность передачи Ethernet данных, и выполненный с возможностью выделения данных для IoT устройств и дистанционного питания для IoT устройств следующих типов:
– аналоговых или дискретных датчиков, или
– IoT устройств с двухпроводным интерфейсом с передачей питания, или
– IoT устройств с двухпроводным интерфейсом без передачи питания и/или
IoT устройств с отдельным входом питания. Промежуточный модуль содержит не менее двух пар PoE трансформаторов, выводы первичных обмоток которых попарно замкнуты друг с другом.
Для организации обмена данными с IoT устройствами по RS интерфейсу и их дистанционного питания могут дополнительно устанавливаться:
– преобразователь последовательного интерфейса в двухпроводную линию с подмешиванием питания, предназначенный для обмена данными с IoT коммутатором и подмешивания дистанционного питания в двухпроводную линию - в модуль смесителя;
– преобразователь двухпроводной линии в последовательный интерфейс с выделением питания, предназначенный для обмена данными и выделения дистанционного питания для IoT устройств - в модуль разветвителя и промежуточный модуль.
При этом двухпроводный интерфейс с передачей питания, представляет собой M-Bus или KNX/EIB, или LonWorks, или IEEE P802.3cg, или 1-wire, а двухпроводный интерфейс без передачи питания, представляет собой RS485 или CAN, или LIN. Перечень интерфейсов не ограничивается перечисленными, которые приведены в качестве примера.
Модули системы могут быть оснащены дополнительными элементами электростатической защиты, гальванической изоляции и согласования.
Также при использовании Ethernet кабеля с количеством пар, равным трем или более, при этом третья и последующие пары являются дополнительными парами, модули системы дополнительно могут содержать, по меньшей мере, одну схему прямого соединения входов и выходов, к которым подключаются дополнительные пары.
При использовании Ethernet кабеля с количеством пар, равным четырем или более, при этом третья и последующие пары являются дополнительными парами, модули системы дополнительно могут содержать, по меньшей мере, одну схему соединения входов и выходов, к которым подключаются дополнительные пары, через PоЕ трансформаторы, с возможностью организации, по меньшей мере, одного дополнительного канала передачи данных и питания для IoT устройств.
Провода Ethernet кабеля, не используемые для передачи Ethernet данных, могут использоваться для передачи питания для IoT устройств.
Краткое описание фигуры
Фигура 1 – блок-схема организации дополнительного канала передачи данных и питания для IoT устройств по Ethernet кабелю, содержащая промежуточный модуль, установленный вразрез Ethernet кабеля между модулями смесителя и модулем разветвителя.
Для непоказанных пар Ethernet кабеля, при их наличии, подразумевается либо прямое соединение между соединителями E(S) и S, либо соединение описанных пар через развязывающие трансформаторы, либо дублирование компонентов, позволяющее или организовать дополнительный(ые) канал(ы) передачи данных и питания для IoT устройств. Допускается использование свободных пар кабеля, не используемых для передачи Ethernet, для передачи питания для IoT устройств.
Осуществление изобретения
1
2
Схематическое изображение заявленной системы связи для IoT устройств по кабельной сети Ethernet показано на фигуре 1. Система содержит модуль смесителя , соединенный посредством Ethernet кабеля с модулем разветвителя .
1
2,
3
Вразрез Ethernet кабеля, между модулем смесителя  и модулем разветвителя  может устанавливаться промежуточный модуль или несколько таких промежуточных модулей последовательно.
1
4
Модуль смесителя  содержит не менее двух PoE трансформаторов , каждый из которых имеет первичную обмотку с выводом средней точки и вторичную обмотку, что позволяет организовать, по меньшей мере, один дополнительный фантомный канал передачи данных с возможностью подключения к портам IoT концентратора следующих типов:
5
– вход  для подключения аналоговых, или дискретных датчиков или
6
– двухпроводный интерфейс , с передачей питания, или
7
– двухпроводный интерфейс , без передачи питания и/или
– источник дистанционного питания для IoT устройств.
2
8
Модуль разветвителя  содержит не менее двух PoE трансформаторов для организации, по меньшей мере, одного дополнительного фантомного канала передачи данных, выполненного с возможностью подключения:
9
– аналоговых или дискретных датчиков , или
10
– IoT устройств  с двухпроводным интерфейсом с передачей питания, или
11
– IoT устройств  с двухпроводным интерфейсом без передачи питания и/или
– IoT устройств с отдельным входом питания.
3
Промежуточный модуль позволяет выделить данные для IoT устройств и дистанционного питания для IoT устройств следующих типов:
– аналоговых или дискретных датчиков (не показано), или
– IoT устройств с двухпроводным интерфейсом с передачей питания (не показано), или
– IoT устройств с двухпроводным интерфейсом без передачи питания (не показано) и/или
– IoT устройств отдельным входом питания.
Промежуточный модуль 3 содержит не менее двух пар PoE трансформаторов 16, выводы первичных обмоток которых попарно замкнуты друг с другом, преобразователь 17 двухпроводной линии в последовательный интерфейс с выделением питания, предназначенный для обмена данными с IoT устройствами по двухпроводному интерфейсу без передачи питания, а также для обмена данными и получения питания из двухпроводной линии.
1
12
13
Модуль смесителя  содержит преобразователь  последовательного интерфейса в двухпроводную линию с подмешиванием питания, предназначенный для обмена данными с IoT коммутатором  по RS интерфейсу, а также для обмена данными и передачи питания по двухпроводной линии.
2
14
15
Модуль разветвителя  содержит преобразователь  двухпроводной линии в последовательный интерфейс с выделением питания, предназначенный для обмена данными с IoT устройствами  по RS интерфейсу, а также для обмена данными и получения питания для IoT устройств из двухпроводной линии.
Модули смесителя, разветвителя и промежуточный модуль могут дополнительно оснащаться элементами электростатической защиты, гальванической изоляции и согласования, которые не показаны на блок-схеме.
Для организации IoT канала по свободным парам Ethernet кабеля (не задействованным для передачи Ethernet данных), далее - IoT пара, могут использоваться решения, аналогичные описанным выше, со следующими особенностями: PoE трансформаторы не устанавливаются; в модулях смесителя 1 и разветвителя 2 контакты соединителя E, на которые приходят сигнальные пары Ethernet, замыкаются на соответствующие им контакты соединителя S. Контакты соединителя S, на которые приходит IoT пара, соединяются с цепями p и n; в промежуточном модуле 3 все контакты соединителей S замыкаются попарно (1 с 1, 2 с 2 и т.п.). Контакты соединителей S, на которые приходит IoT пара, также соединяются с цепями p и n.
Заявленная система связи позволяет организовать дополнительный канал передачи данных между IoT концентратором и IoT устройствами по: a) аналоговой двухпроводной линии; b) двухпроводному интерфейсу без передачи питания; c) двухпроводному интерфейсу, с передачей питания; d) RS интерфейсу и цепи передачи дистанционного питания.
Модули системы могут представлять собой как устройства в отдельном корпусе, так и быть интегрированными в IoT концентратор, в Ethernet устройства, в IoT устройства, либо в розетки, при этом в одном корпусе может быть интегрировано несколько модулей смесителя, разветвителя и промежуточных модулей в любых сочетаниях с необходимыми внутренними или внешними соединениями между ними.
Хотя данное изобретение было показано и описано со ссылкой на определенные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны в нем, не покидая фактический объем изобретения.