Василий ВОЛКОВИЦКИЙ, зам. директора представительства ADI International
Владимир ВОЛХОНСКИЙ, директор представительства ADI International
При работе любой современной системы безопасности, например, телевизионного наблюдения, возникают задачи передачи информации и обеспечения питания различных элементов системы. Кроме того, необходимо обеспечить и резервное электропитание всех элементов системы при отключении сети. С этой точки зрения одним из полезных решений, позволяющим уменьшить количество источников питания (в том числе и с резервированием) для отдельных устройств системы или избежать прокладки кабелей питания, является передача по одним каналам одновременно и питания, и информационных сигналов. Подобное решение, достаточно широко используемое в компьютерных сетях, может применяться и для систем безопасности. Естественно, с учетом специфики этих систем.
Использование компьютерных сетей для передачи информации в системах безопасности находит все более широкое применение. Обычными стали сетевые телекамеры, контрольные панели с интерфейсом Ethernet и тому подобные устройства. Можно ожидать, что в ближайшее время появятся сетевые извещатели охранной и пожарной сигнализации, клавиатуры контрольных панелей и другие сетевые устройства систем безопасности. Пока стоимость сетевых интерфейсов для них слишком высока по сравнению со стоимостью самих устройств. Но развитие технологии идет столь быстрыми темпами, что эта проблема, скорее всего, будет решена в ближайшее время. Тем более что есть задачи, в которых удобство обеспечения питания и возможность связи по сети можно предпочесть низкой стоимости непосредственно самого устройства.
Power over Ethernet (сокращенно PoE) — это технология, позволяющая передавать сетевому устройству электрическую энергию через стандартную витую пару в компьютерных сетях Ethernet. Передача энергии и данных осуществляется одновременно, практически без взаимного влияния. Данная технология предназначена для питания IP-телефонов, точек доступа беспроводных сетей, сетевых камер, видеосерверов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно провести отдельный электрический кабель.
Многие современные сетевые телевизионные камеры и видеосерверы поддерживают возможность такого варианта питания через Ethernet. Поэтому использование технологии PoE в телевизионных системах наблюдения может позволить снизить затраты на установку отдельного источника питания или прокладку кабеля питания для сетевой камеры. Этот весьма привлекательный способ электропитания сетевых камер можно применять как при организации новых сетей, так и при модернизации существующих. Некоторые модели видеосерверов с поддержкой PoE могут не только получать питание по Ethernet, но и запитывать подключенную к ним аналоговую телекамеру.
Стандарты в области PoE
Требования к PoE-системам определяются разделом 33 стандарта IEEE 802.3af — 2003 [1]. Стандарт описывает два типа устройств PoE-системы. Первое — это питающее устройство, или инжектор (Power Sourcing Equipment — PSE), предназначенное для подачи электропитания в сеть Ethernet. Второе — устройство, запитываемое через Ethernet (Powered Device — PD). Запитываемым устройством может быть либо само сетевое устройство с поддержкой технологии PoE, либо разделитель, который выполняет функции разделения каналов передачи информационных данных Ethernet и питания. Разделитель имеет отдельные выходы Ethernet и питания и используется для сетевых устройств, не поддерживающих технологию PoE.
В технических решениях питания через сеть Ethernet могут использоваться два типа питающего оборудования: оконечное (endspan) и промежуточное (midspan). В обоих случаях постоянное напряжение с питающих устройств подается на запитываемые устройства (рис. 2). Оконечные питающие устройства (PoE-коммутаторы) представляют собой сетевые коммутаторы с интегрированной схемой подачи питания через Ethernet. Промежуточные питающие устройства располагаются между стандартным сетевым коммутатором и запитываемым прибором. Они подают в кабель связи электропитание, не влияя на передачу данных. Промежуточное питающее оборудование обычно используется в техслучаях, когда нужно лишь добавить в существующую сеть функции PoE.
Стандарт [1] предусматривает подачу по витой паре постоянного номинального напряжения 48 В и максимальную передаваемую мощность 15,4 Вт. С учетом возможных потерь в линии допустимая мощность для запитываемого устройства составляет около13 Вт. Эта технология работает с существующей кабельной системой на базе кабелей категорий 3 и 5 без необходимости внесения каких-либо модификаций.
Для питания устройств в сети используются свойства физического уровня сети Ethernet. При этом для питания устройств применяется один из двух следующих вариантов.
1. Использование свободных пар кабеля для подачи питания. Кабель категории 5, используемый в сетях 100Base-TX, состоит из четырех пар проводников, две из которых не задействованы. Эти пары могут использоваться для подачи напряжения (рис. 3а).
2. Развязка напряжения питания и информационных сигналов, осуществляемая с помощью высокочастотных трансформаторов на обоих концах линии с центральным отводом от обмоток. Постоянное напряжение питания подается на центральные выводы вторичных обмоток этих трансформаторов и снимается также с центральных отводов на приемной стороне. Такое решение позволяет без взаимного влияния передавать по одной паре проводов высокочастотные данные и постоянное напряжение питания (рис. 3б).
При использовании промежуточного питающего элемента системы схема включения выглядит аналогично (рис. 4). Однако для питания в этом случае может использоваться только свободная пара (рис. 4).
Таким образом, питающие устройства могут иметь различные варианты технической реализации рассматриваемой технологии. При этом все запитываемые устройства являются универсальными, т. е. могут работать с любым типом питающих устройств. Для защиты элементов системы от ошибок используется ряд специальных технических решений. Так, запитываемое устройство должно принимать питание в любом варианте, в том числе и при изменении полярности (например, при случайной переполюсовке проводов). Кроме того, питающее устройство подает напряжение на кабель только в том случае, если подключенное устройство поддерживает эту технологию. Таким образом, оборудование, не имеющее функции питания через Ethernet и случайно подключенное к питающему устройству, не будет выведено из строя.
При обнаружении сетевого устройства, запитываемого через Ethernet, питающее устройство может дополнительно выполнить его классификацию. Последняя предназначена для определения диапазона мощности, которую может потреблять запитываемое устройство. Каждому устройству в зависимости от заявленной потребляемой мощности присвоен класс от 0 до 4 (см. таблицу ниже). Максимальный диапазон мощностей имеют устройства класса 0. Класс 4 зарезервирован стандартом [1] для дальнейшего развития. Питающее устройство может снять напряжение с кабеля, если запитываемое устройство стало потреблять мощность большую, чем зафиксированная во время этапа классификации. Классификация выполняется путем подачи на кабель питающим устройством постоянного напряжения 14,5-20,5 В и измерения тока в линии.
После подачи рабочего напряжения питающее устройство осуществляет контроль потребляемого тока. Если устройство стало потреблять слишком большой ток или произошло короткое замыкание линии связи, питающее устройство снимает напряжение с кабеля.
Популярность технологии PoE потребовала от разработчиков поиска возможностей ее совершенствования с тем, чтобы обеспечить подачу электропитания через Ethernet для более мощных устройств [2]. Исходя из этих потребностей, институт IEEE санкционировал работу по созданию нового стандарта 802.3at, часто называемого PoE+ или High PoE. Новый стандарт предусматривает подачу максимальной мощности электропитания до 30 Вт по стандартному кабелю категории 5е или более высокой. Решение отказаться от поддержки кабелей категории 3 было продиктовано тем, что кабели категории 5е имеют восемь проводников (у кабелей категории 3 — четыре проводника). Таким образом, появляется возможность использовать для подачи питания четыре пары проводников, а не две, как в стандарте 802.3af. Это значит, что без каких-либо изменений значений тока или напряжения новый стандарт позволит увеличить мощность электропитания, по крайней мере, в два раза. Кроме того, поскольку кабель категории 5 имеет меньшее сопротивление, то и потери при передаче энергии будут меньше. Величина тока в кабеле категории 5е ограничена значением 360 мА, что связано с проблемой нагрева проводников. Таким образом, максимальная мощность при передаче электропитания по всем восьми проводам кабеля составит около 59 Вт, по четырем проводам — 28,5 Вт, что может быть достаточным даже для сравнительно мощных устройств. В настоящее время уже существуют сетевые устройства, выпущенные по предварительным спецификациям стандарта 802.3at.
Особенности применения
Производители сетевых систем телевизионного наблюдения широко рекламируют технологию PoE питания через Ethernet как одно из важных преимуществ сетевых камер, позволяющих существенно снизить затраты на установку и эксплуатацию системы по сравнению с аналоговыми камерами. В некоторых случаях это действительно так. Однако при выборе питания сетевых камер через Ethernet следует учитывать следующие важные особенности.
Во-первых, сетевые камеры и сетевые коммутаторы с поддержкой питания через Ethernet обычно стоят дороже аналогичных устройств, не имеющих этой функции. Сетевые коммутаторы с поддержкой PoE в настоящее время не имеют широкого распространения.
Во-вторых, для обеспечения ре зервного питания коммутаторов (и подключенных к ним сетевых камер) необходимо использовать компьютерные источники бесперебойного питания (ИБП). Стоимость таких источников может быть сопоставима со стоимостью отдельных источников питания, используемых для питания телекамер.
В-третьих, мощность, передаваемая по кабелю, ограничена значением 12,95 Вт. Следовательно, питание по сети Ethernet невозможно использовать для более мощных устройств, например, поворотных камер. Кроме того, ограничение мощности делает зачастую невозможным питание таких устройств, как мощные источники ИК-подсветки, обогреватели кожуха и т. п. Это также ограничивает область применения сетевых камер с поддержкой технологии питания через Ethernet. Рассмотрим различные аспекты влияния возможного использования питания сетевых камер через Ethernet на сетевую и инженерную инфраструктуры предприятия [3].
Другая проблема, создаваемая дополнительным выделением тепла, состоит в необходимости увеличения мощности системы кондиционирования. Обычно рекомендуется избегать повышения температуры выше +25°C. Поскольку при более высоких температурах существенно снижается ресурс оборудования и повышается риск возникновения областей локального перегрева, что чревато отключением оборудования и снижением ресурса аккумуляторов. Следует помнить, что расчет теплового режима (охлаждения) необходимо выполнить для ситуации с наибольшей тепловой нагрузкой, когда ИБП заряжает батареи или работает от батарей.
В целом технология с питанием по сети Ethernet дает некоторый выигрыш при работе с сетевыми камерами за счет возможности их установки в местах, где нет обычных электрических кабелей и розеток или где их трудно установить. Однако при этом повышаются требования к сетевой инфраструктуре здания. В любом случае необходим тщательный анализ всех требований и возможных вариантов решения задачи.
Источник: "БДИ № 1, 2009 год"