CN115361245B - 一种一出多的poe双向中继控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种一出多的POE双向中继控制系统，包括：输入管理模块、电气管理模块、数据管理模块、信号耦合模块和输出管理模块；所述输入管理模块用于接收POE信号并将其分离出电气信号和数据信号；所述电气管理模块用于接收电气信号，并根据功率反馈对PD设备进行功率分配；所述数据管理模块用于接收数据信号，并根据数据反馈对PD设备进行带宽分配；所述信号耦合模块用于将调整后的电气信号和数据信号进行耦合；所述输出管理模块用于将POE信号传输至PD设备。本发明通过动态的功率检测和数据检测，中继控制系统能够根据PD设备的实时状态分配合适的功率和带宽，使得中继控制系统的电源利用和数据传输更加高效。

Description

一种一出多的POE双向中继控制系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种一出多的POE双向中继控制系统。

背景技术

POE(Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE也被称为基于局域网的供电系统(POL,Power over LAN)或有源以太网(Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

POE的系统构成：一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE,Power SourcingEquipment)和受电端设备(PD,Powered Device)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备,同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载,即POE系统的客户端设备,如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑(PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备(实际上,任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力)。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系,并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。

现有的POE中继系统在对PD设备进行功率输出时，通常按照固定协议：IEEE802.3af(12W)、IEEE802.3at(30W)、IEEE802.3bt(90W)这三种POE供电协议来进行固定功率输出，通过检测PD设备的特征电阻来判定输出协议；在数据交换模式上，通过设备使用时的带宽占用率自动进行带宽分配或者平分带宽，没有独立的带宽检测和管理。上述供电方式在一出一中继上没有问题，但是当有多个PD设备，即现有的POE中继技术在一出多情况下，供电只按照协议进行固定输出，当PD设备使用时功率不固定时(例如:非长供电的POE监控)，在PD设备待机低功率状态下，依然使用固定功率进行输出的话，电源利用效率低下而且还占用一部分电源；数据传输模式上，在针对一些间歇性传输或者数据量少的PD设备时，平分带宽或者自动分配带宽，带宽利用效率低，还会影响数据传输量大的PD设备。现有的POE中继系统难以高效的利用电源功率和数据带宽。

发明内容

本发明意在提供一种一出多的POE双向中继控制系统，通过动态的功率检测和数据检测，中继控制系统能够根据PD设备的实时状态分配合适的功率和带宽，使得中继控制系统的电源利用和数据传输更加高效。

本发明提供的技术方案为：一种一出多的POE双向中继控制系统，包括：输入管理模块、电气管理模块、数据管理模块、信号耦合模块和输出管理模块；所述输入管理模块用于通过输入端口接收POE信号并将其分离出电气信号和数据信号；所述电气管理模块用于接收电气信号，并检测输出端口的功率，根据功率反馈对PD设备进行功率分配；所述数据管理模块用于接收数据信号，并检测输出端口的数据，根据数据反馈对PD设备进行带宽分配；所述信号耦合模块用于将调整后的电气信号和数据信号进行耦合，并将耦合后的POE信号传输至输出管理模块；所述输出管理模块用于将POE信号通过输出端口传输至PD设备。

本发明的工作原理及优点在于：输入管理模块通过输入端口接收POE信号并将其分离出电气信号和数据信号。电气管理模块接收并调整电气信号，根据输出端口的功率反馈对PD设备进行功率分配。数据管理模块接收并调整数据信号，根据输出端口的数据反馈对PD设备进行带宽分配。然后信号耦合模块将调整后的电气信号和数据信号进行耦合，并将耦合后的POE信号传输至输出管理模块。输出管理模块将POE信号通过输出端口传输至PD设备。本发明系统基于现有的供电协议，通过对PD设备传输功率的实时检测，反馈至电气管理模块进行合理的功率分配，使得电源利用率变得高效；在数据传输模式上，通过对PD设备传输数据的实时检测，反馈至数据管理模块，进行合理的带宽分配，使得数据的传输更加快速高效。本发明通过动态的功率检测和数据检测，中继控制系统能够根据PD设备的实时状态分配合适的功率和带宽，使得中继控制系统的电源利用和数据传输更加高效。

进一步，所述输入管理模块包括信号接收单元和信号分离单元，所述信号接收单元用于通过输入端口接收POE信号，所述信号分离单元用于将POE信号通过变压器和整流二极管分离出电气信号和数据信号。

通过变压器和整流二极管，利用整流二极管的单方向导电性，能够有效分离出电气信号和数据信号。

进一步，所述电气管理模块包括升降压模块、电源管理模块和功率检测模块；所述升降压模块包括升压单元和降压单元，所述升压单元用于对电气信号进行升压后传输至电源管理模块，所述降压单元用于对电气信号进行降压后传输至其他模块供电；所述电源管理模块用于根据功率反馈对PD设备进行功率分配；所述功率检测模块用于检测输出端口的功率并向电源管理模块进行功率反馈。

网线越长则衰减越大，因此需要将有损耗的电气信号一部分进行升压恢复后传输至电源管理模块，另一部分进行降压处理后传输至其他模块进行供电。电源管理模块根据功率反馈对PD设备进行功率分配，将调整后的电气信号传输至信号耦合模块。通过上述过程实现对电气信号的精准调整和充分利用。

进一步，所述功率检测模块包括电压电流检测单元和功率计算单元，所述电压电流检测单元用于检测各输出端口的实时电压和电流，所述功率计算单元用于根据电压和电流计算各端口的实时功率并向电源管理模块进行功率反馈。

通过获取各输出端口的实时电压和电流，根据实时电压和电流计算出PD设备的实施功率，为功率分配提供依据，便于后续的功率分配计算。

进一步，所述电源管理模块对PD设备进行功率分配不超过PD设备特性电阻反馈的最高功率。

对PD设备进行功率分配不超过PD设备特性电阻反馈的最高功率，对剩余供电能力留有余量，保证端口不会因为电源的波动，影响系统运行工作。

进一步，所述数据管理模块包括网络交换模块和数据检测模块；所述网络交换模块包括信号处理单元和带宽分配单元，所述信号处理单元用于优化数据信号，所述带宽分配单元用于根据数据反馈对PD设备进行带宽分配，所述数据检测模块用于检测输出端口的数据并向网络交换模块进行数据反馈。

由于数据信号传输存在损耗，而当其衰减到一定程度就会造成信号失真，需要对其进行优化处理，便于终端设备能够识别相应数据信号。同时带宽分配单元根据数据反馈对PD设备进行带宽分配，使得数据的传输更加快速高效。

进一步，所述带宽分配单元包括带宽预留单元、保证带宽单元和余量分配单元，所述带宽预留单元用于根据PD设备与交换机的基本通信和授权预留固定带宽，所述保证带宽单元用于根据PD设备设置相应保证带宽，所述余量分配单元用于在PD设备业务流量不够保证带宽时将多出的带宽分配至其他PD设备。

对PD设备的传输带宽分配使用改良的DBA动态带宽分配算法，先留出一定带宽作为固定带宽用来保证PD设备和交换机的基本通信和授权；然后根据每个PD设备的不同，设置保证带宽，当设备实际业务流量不够保证带宽时，多出的带宽可以灵活分配给其他有需要的设备，当所有设备业务流量都满载时也至少获得“保证带宽”的带宽可用。

进一步，所述信号处理单元包括信号还原单元，所述信号还原单元用于对数据信号进行再生、还原和放大处理后传输至信号耦合模块。

对衰减的数字信号进行再生、还原和放大处理，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

进一步，所述信号处理单元还包括信号检验单元，所述信号检验单元用于对数据信号进行CRC检验，所述数据检测模块用于检测各输出端口的实时业务流量并向网络交换模块进行数据反馈。

本发明中数据检测分为两部分，第一，由网络交换模块的信号检测单元负责数据正确性检测，采用CRC检验，在传输的p位二进制数据序列之后附加一个r位二进制检验码(序列)，从而构成总长为n＝p+r位的二进制序列；附加在数据序列之后的检验码与数据序列的内容之间存在着某种特定的关系。因干扰等原因使数据序列中的某一位或某些位发生错误，这种特定关系就会被破坏。因此，通过检查这一关系，就可以实现对数据正确性的检验。第二，由数据检测模块负责数据流量检测，检测各输出端口的实时业务流量，为带宽分配提供依据。

进一步，所述输入管理模块的输入端口和输出管理模块的输出端口均为RJ45接口。

RJ45接口使用标准的RJ45线和水晶头，具有低成本、低信号衰减、连接方便可靠的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种一出多的POE双向中继控制系统的模块框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例：

如图1所示，本实施例公开了一种一出多的POE双向中继控制系统，包括输入管理模块、电气管理模块、数据管理模块、信号耦合模块和输出管理模块。

输入管理模块用于通过输入端口接收POE信号并将其分离出电气信号和数据信号，上述输入管理模块包括信号接收单元和信号分离单元。信号接收单元用于通过输入端口接收PSE设备传输过来的POE信号。信号分离单元用于将POE信号通过变压器和整流二极管分离出电气信号和数据信号，进行数据信号隔离。其中输入管理模块的输入端口为RJ45接口。

电气管理模块用于接收电气信号，并检测输出端口的功率，根据功率反馈对PD设备进行功率分配，包括升降压模块、电源管理模块和功率检测模块。

升降压模块包括升压单元和降压单元，升压单元用于对PSE设备传输过来的有损耗的电气信号进行升压恢复后传输至电源管理模块。降压单元用于对电气信号进行降压后传输至其他模块供电。

电源管理模块用于根据功率反馈对PD设备进行功率分配。根据功率检测模块提供的检测数据，输出匹配的电压和电流，设置电源管理模块对PD设备进行功率分配不超过PD设备特性电阻反馈的最高功率。

功率检测模块用于检测输出端口的功率并向电源管理模块进行功率反馈，包括电压电流检测单元和功率计算单元。电压电流检测单元用于检测各输出端口的实时电压和电流。功率计算单元用于根据电压和电流计算各端口的实时功率并向电源管理模块进行功率反馈，为功率分配提供依据。

数据管理模块用于接收数据信号，并检测输出端口的数据，根据数据反馈对PD设备进行带宽分配，包括网络交换模块和数据检测模块。

网络交换模块包括信号处理单元和带宽分配单元。

信号处理单元用于优化数据信号，包括信号还原单元和信号检测单元，信号还原单元用于对来自输入管理模块的数据信号进行再生、还原和放大处理后传输至信号耦合模块，以提高数据信号质量。信号检验单元用于对数据信号进行CRC检验，本实施例中数据检测分为两部分，第一，由网络交换模块的信号检测单元负责数据正确性检测，采用CRC检验，在传输的p位二进制数据序列之后附加一个r位二进制检验码(序列)，从而构成总长为n＝p+r位的二进制序列；附加在数据序列之后的检验码与数据序列的内容之间存在着某种特定的关系。因干扰等原因使数据序列中的某一位或某些位发生错误，这种特定关系就会被破坏。因此，通过检查这一关系，就可以实现对数据正确性的检验。第二，由数据检测模块负责数据流量检测，检测各输出端口的实时业务流量，为带宽分配提供依据。

带宽分配单元用于根据数据反馈对PD设备进行带宽分配，包括带宽预留单元、保证带宽单元和余量分配单元。本实施例中对PD设备的传输带宽分配使用改良的DBA动态带宽分配算法，先留出一定带宽作为固定带宽用来保证PD设备和交换机的基本通信和授权；然后根据每个PD设备的不同，设置保证带宽，当设备实际业务流量不够保证带宽时，多出的带宽可以灵活分配给其他有需要的设备，当所有设备业务流量都满载时也至少获得“保证带宽”的带宽可用。因此，带宽预留单元用于根据PD设备与交换机的基本通信和授权预留固定带宽。保证带宽单元用于根据PD设备设置相应保证带宽。余量分配单元用于在PD设备业务流量不够保证带宽时将多出的带宽分配至其他PD设备。

数据检测模块用于检测各输出端口的实时业务流量并向网络交换模块进行数据反馈。

信号耦合模块用于将调整后的电气信号和数据信号进行耦合，并将耦合后的POE信号传输至输出管理模块。在信号耦合模块中，来自网络交换模块的数据信号和电源管理模块的电气信号进行光电耦合后变成POE信号传输至输出管理模块。

输出管理模块用于将POE信号通过输出端口传输至PD设备。光电耦合后的POE信号传输至输出管理模块，通过输出端口经双绞线传输至PD设备，PD设备的信号通过输出管理模块反馈至功率检测模块和数据检测模块，为功率分配和带宽分配提供依据。其中输入管理模块的输入端口也为RJ45接口。

本实施例的实施过程如下：

本发明系统主要应用于需要延长数据接收，但不方便安装电源的情况。当PSE供电的端口发送至中继控制系统的PD设备上，POE信号分离出电气信号和数据信号，POE系统中如果使用5类或5类以下的网线，网线越长则衰减越大，因此需要将有损耗的电气信号一部分进行升压恢复后传输至电源管理模块，另一部分进行降压处理后传输至其他模块进行供电。

本实施例中的PD设备主要为IPC设备(高清网络摄像机)，每个PD设备需求的功率一般在5-15W，功率检测模块根据PD设备供电需求进行计算，并反馈至电源管理模块，电源管理模块根据功率反馈对PD设备进行功率分配，将调整后的电气信号传输至信号耦合模块。

同时，数据信号经CRC检验以检查数据的正确性，再由数据检测模块负责数据流量检测，检测各输出端口的实时业务流量，为带宽分配提供依据；根据数据检测的反馈结果，PD设备的传输带宽分配使用改良的DBA动态带宽分配算法，先留出一定带宽作为固定带宽用来保证PD设备和交换机的基本通信和授权；然后根据每个PD设备的不同，设置保证带宽，当设备实际业务流量不够保证带宽时，多出的带宽可以灵活分配给其他有需要的设备，当所有设备业务流量都满载时也至少获得“保证带宽”的带宽可用；最后数据信号通过再生、还原和放大处理后传输至信号耦合模块。

信号耦合模块将调整后的电气信号和数据信号进行耦合，并将耦合后的POE信号传输至输出管理模块。光电耦合后的POE信号传输至输出管理模块，通过输出端口经双绞线传输至PD设备，PD设备的信号通过输出管理模块反馈至功率检测模块和数据检测模块，为功率分配和带宽分配提供依据。每当终端PD设备有调整时，根据相应反馈其供电功率会重新分配，使负载均衡，保证每个端口输出稳定和信号和电能，同时起到数据延长分配的作用。

本发明基于现有的供电协议，通过对PD设备传输功率的实时检测，反馈至电气管理模块进行合理的功率分配，使得电源利用率变得高效；在数据传输模式上，通过对PD设备传输数据的实时检测，反馈至数据管理模块，进行合理的带宽分配，使得数据的传输更加快速高效。本发明通过动态的功率检测和数据检测，中继控制系统能够根据PD设备的实时状态分配合适的功率和带宽，使得中继控制系统的电源利用和数据传输更加高效。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请得出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于，包括：输入管理模块、电气管理模块、数据管理模块、信号耦合模块和输出管理模块；所述输入管理模块用于通过输入端口接收POE信号并将其分离出电气信号和数据信号；所述电气管理模块用于接收电气信号，并检测输出端口的功率，根据功率反馈对PD设备进行功率分配；所述数据管理模块用于接收数据信号，并检测输出端口的数据，根据数据反馈对PD设备进行带宽分配；所述信号耦合模块用于将调整后的电气信号和数据信号进行耦合，并将耦合后的POE信号传输至输出管理模块；所述输出管理模块用于将POE信号通过输出端口传输至PD设备。

2.根据权利要求1所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述输入管理模块包括信号接收单元和信号分离单元，所述信号接收单元用于通过输入端口接收POE信号，所述信号分离单元用于将POE信号通过变压器和整流二极管分离出电气信号和数据信号。

3.根据权利要求1所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述电气管理模块包括升降压模块、电源管理模块和功率检测模块；所述升降压模块包括升压单元和降压单元，所述升压单元用于对电气信号进行升压后传输至电源管理模块，所述降压单元用于对电气信号进行降压后传输至其他模块供电；所述电源管理模块用于根据功率反馈对PD设备进行功率分配；所述功率检测模块用于检测输出端口的功率并向电源管理模块进行功率反馈。

4.根据权利要求3所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述功率检测模块包括电压电流检测单元和功率计算单元，所述电压电流检测单元用于检测各输出端口的实时电压和电流，所述功率计算单元用于根据电压和电流计算各端口的实时功率并向电源管理模块进行功率反馈。

5.根据权利要求3所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述电源管理模块对PD设备进行功率分配不超过PD设备特性电阻反馈的最高功率。

6.根据权利要求1所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述数据管理模块包括网络交换模块和数据检测模块；所述网络交换模块包括信号处理单元和带宽分配单元，所述信号处理单元用于优化数据信号，所述带宽分配单元用于根据数据反馈对PD设备进行带宽分配，所述数据检测模块用于检测输出端口的数据并向网络交换模块进行数据反馈。

7.根据权利要求6所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述带宽分配单元包括带宽预留单元、保证带宽单元和余量分配单元，所述带宽预留单元用于根据PD设备与交换机的基本通信和授权预留固定带宽，所述保证带宽单元用于根据PD设备设置相应保证带宽，所述余量分配单元用于在PD设备业务流量不够保证带宽时将多出的带宽分配至其他PD设备。

8.根据权利要求7所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述信号处理单元包括信号还原单元，所述信号还原单元用于对数据信号进行再生、还原和放大处理后传输至信号耦合模块。

9.根据权利要求8所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述信号处理单元还包括信号检验单元，所述信号检验单元用于对数据信号进行CRC检验，所述数据检测模块用于检测各输出端口的实时业务流量并向网络交换模块进行数据反馈。

10.根据权利要求1所述的一出多的POE双向中继控制系统，其特征在于：所述输入管理模块的输入端口和输出管理模块的输出端口均为RJ45接口。

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