CN203219325U - 智能PoE交换机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能PoE交换机，交换机系统包括智能PoE交换机系统包括：数据交换、PoE管理、系统管理、电源四个模块。数据交换模块和PoE管理模块分别采用数据交换ASIC及其端口扩展ASIC和PoE管理ASIC；系统管理模块采用智能交换机Web管理MCU，利用SSI、CGI技术和uIP协议实现交换机的Web管理，MCU通过I2C、MII接口实现对数据交换模块和PoE管理模块的智能管理；电源模块采用UPS电源分别为PoE电源和系统电源供电。本实用新型不仅具有Web智能管理功能，还具有不间断PoE供电功能，并且完全支持各类型AF/AT设备，具有很强的适应性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种智能PoE交换机。
背景技术
随着网络和数码产品的普及，出现了大量诸如IP电话、无线局域网接入点AP、网络摄像机等终端设备，当被部署在特定应用场景的情况下，它们的取电问题一直困扰着人们。传统的办法是为其配置单独电源，不仅增加了系统成本，还会延长建设周期。新的解决办法是运用PoE技术结合网络交换机通过以太网进行远程供电，而网络拓扑不做任何改变，节约系统成本。
早期的PoE管理方案由于尚未考虑新标准加入的AT设备，对于不同PD设备的兼容性不好。目前一般的PoE解决方案都采用嵌入式处理器+PoE管理ASIC解决方案，能够较好地兼容各种AF/AT设备，但是一般缺少用户管理模式或者要借用专用网管管理软件操作，当遇到故障或者需要特殊设置的应用场合时，这些解决方案中用户的可操作性不强，灵活性不够，难以满足个性化的用户需求。
由于通讯设备一般要求具有UPS电源以保障短期停电状态下还能正常工作，而PD设备(用电设备)不自备电源，这就要求PSE设备(供电设备)具有不间断POE供电功能，而目前的PoE交换机基本不具有PoE不间断供电功能。
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。
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。
ASIC(Application Specific Intergrated Circuits)即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程逻辑阵列)来进行ASIC设计是最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程特性，都支持边界扫描技术，但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。ASIC的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
现有的交换机是采用的集中式架构，交换芯片不仅负责链路层的数据交换，还负责网络管理设置。如果需要进行PoE供电，则又要与poe的模块通信采用串口的方式，既耗时，又不便于管理。
因此，有必要设计一种新型的智能PoE交换机。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种智能PoE交换机，该方案符合lEEE802.3af标准和lEEE802.3at标准，支持多种AF/AT设备【AF设备，就是支持IEEE802.3af标准的设备，AT设法就是支持802.3at标准的设备】，具备不间断PoE供电功能，同时又具有Web管理功能，具有很高的可靠性和很好的灵活性。
实用新型的技术解决方案如下：
一种智能PoE交换机，包括数据交换模块、PoE管理模块、系统管理模块和电源模块；
数据交换模块采用数据交换ASIC及端口扩展ASIC，数据交换ASIC与端口扩展ASIC通过SS-SMII接口连接；
PoE管理模块采用专用的PoE管理ASIC，采用模式A电源接口；
系统管理模块采用智能交换机Web管理微控制器，即MCU，MCU通过I2C接口连接PoE管理模块，MCU通过MII接口连接数据交换模块，I2C接口包括一根时钟信号线SCL和两根数据线SDA_IN和SDA_OUT，MCU控制接口包括三根控制信号线：LED流锁存、PoE使能和PoE重置；
电源模块采用48V直流的UPS电源，UPS电源的一路输出直接作为PoE管理模块的供电电源，另一路输出经UPS电源的DC/DC转换模块转换为系统电源，为智能PoE交换机整体供电，包括给智能poe交换机的数据交换模块、系统管理模块供电。
所述的模式A电源接口，是指通过网线RJ45的空闲线对4、5、7、8线供电(4、5、7、8为空闲线，成对出现的，故称为空闲线对，这里的线指网线RJ45的信号线，共8个(4对)，其中有4个做数据线，剩余的4个(2对)做PoE的供电线)，4、5线为正极，7、8线为负极。
系统管理模块和PoE管理模块之间采用可光耦隔离，SCL和SDA_OUT连接MCU的I2C接口，SDA_OUT则由另一个串行IO口模拟代替；
PoE管理模块采用支持IEEE802.3af标准和IEEE802.3at标准的PoE管理ASIC。
所述智能PoE交换机的实现方法：智能PoE交换机的Web管理功能包括：账户管理、端口管理、PoE管理、VLAN设置、网络服务质量设置
(QualityofService，QoS，服务质量，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。)、安全过滤以及配置备份/恢复功能；
所述PoE管理功能包括：PoE状态显示、PoE设置、PoE延迟供电设置和PoE计划设置；PoE状态显示用于查看PoE电源最大功率即总功率、主电源消耗功率、系统状态、设备温度；在PoE设置中设置PoE端口号、状态或使能、模式AF/AT、优先级、功率；PoE延迟供电设置用于设置PoE端口号、延迟模式或延迟使能、延迟时间，同时列表显示各个端口的延迟供电信息；PoE计划设置用于设置或查看PoE计划，计划以周为计划周期，精确到小时。
智能PoE交换机的系统架构采用四层结构：
最底层为硬件驱动层，包括设备驱动、接口驱动、定时器设置；
第二层为协议层，包括uIP协议栈、UDP协议、NTP协议；
第三层为应用层，包括交换机管理、PoE管理的SSI、CGI应用程序；
第四层为服务层，包括交换机管理页面和用户认证页面；
数据交换ASIC工作在PHY模式，MAC层管理由系统管理模块控制。
有益效果：
本实用新型的智能PoE交换机系统包括：数据交换、PoE管理、系统管理、电源四个模块。数据交换模块和PoE管理模块分别采用数据交换ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)及其端口扩展ASIC和PoE管理ASIC，完成基本的数据交换和PoE管理功能；系统管理模块采用智能交换机Web管理MCU(Micro Control Unit，微控制器)，利用SSI、CGI技术和uIP协议实现交换机的Web管理，MCU通过I2C、MII接口实现对数据交换模块和PoE管理模块的智能管理；电源模块采用UPS电源分别为PoE电源和系统电源供电。本实用新型不仅具有Web智能管理功能，还具有不间断PoE供电功能，并且完全支持各类型AF/AT设备，具有很强的适应性。
采用管理芯片、交换芯片和PoE芯片进行集成的方案，实现交换机的智能化管理和PoE供电功能。
数据交换模块采用数据交换ASIC及其端口扩展ASIC架构，能够使得交换模块进行“堆积木式”扩展。
系统管理模块采用I2C、MII接口，通过这种简洁的方式，大降低了系统管理的代码量和运行速度，方便进行系统的快速设置；
电源模块，既能够保证PoE供电，又能在电源断电时进行短时间供电。
具有以下特点：
本实用新型的Web管理简单直观、功能完备，具备了账户管理、端口管理、PoE管理、VLAN设置、服务质量设置、安全过滤、配置备份/恢复等功能，同时，Web管理也能满足用户的个性化需求，端口管理、PoE管理都具备每个端口的个性化设置需求。
本实用新型的PoE管理对各种PD设备具有很好的兼容性，完成支持符合IEEE802.3af标准的AF设备和符合IEEE802.3at标准的AT设备，还能支持一些扩展PD设备；此外，由于PoE电源接有UPS电源，本实用新型支持不间断PoE供电功能，具有很强的适应性。
本实用新型的配置管理支持交换机程序的网络升级功能，可实现交换机程序的远程升级，不仅简单方便，还可为用户提供最新版本的升级程序，及时修补系统漏洞，确保系统安全。
本实用新型的智能PoE交换机通过高速的MII接口将数据交换与系统管理分离；通过I2C与PoE模块进行管理和交互；并且采用轻量级的web协议uIP协议(仅需要几十k的内存)，能够实现管理与实现的分离，既满足高速的数据交换和PoE供电，又能够满足只有少量用户才使用的管理设置功能。
附图说明
图1为16口10/100M智能PoE交换机系统框图；
图2为PoE电源接口(模式A)。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：
实施例1：
如图1-5，16口10/100M智能PoE交换机系统框图如附图1所示，该交换机系统包括：数据交换、PoE管理、系统管理、电源四个模块。数据交换模块和PoE管理模块分别采用数据交换ASIC及其端口扩展ASIC和PoE管理ASIC，完成基本的数据交换和PoE管理功能；系统管理模块采用交换机Web管理MCU，利用SSI、CGI技术和uIP协议实现交换机的Web管理，MCU通过I2C、MII接口实现对数据交换模块和PoE管理模块的智能管理；电源模块采用UPS电源分别为PoE电源和系统电源供电。
1、数据交换模块
数据交换模块采用交换机数据交换ASIC及其端口扩展ASIC架构。数据交换ASIC能接8路RJ45接口，端口扩展ASIC能够再扩展出8路RJ45接口，因此系统拥有16路RJ45接口。数据交换ASIC和端口扩展ASIC之间接口为SS-SMII接口，数据交换模块与系统管理模块接口为MII接口。
数据交换模块的交换管理ASIC工作科在PHY模式和MAC模式，在PHY模式下只完成物理层交换任务，在MAC层模式下能完成MAC地址表管理、数据交换等基本交换机功能。本实用新型中数据交换ASIC工作在PHY模式，MAC层管理由系统管理模块控制。
2、PoE管理模块
PoE管理模块采用支持IEEE802.3af标准和IEEE802.3at标准的PoE管理ASIC。该PoE管理ASIC能独立完成基本的PoE管理任务，同时通过I2C总线通信接受系统管理模块的控制，实现更高级的PoE管理功能；为了实现PoE电源的隔离，PoE管理模块和系统管理模块之间采用了光耦隔离措施。PoE模块的PoE电源接的是电源模块的UPS电源，保障不间断PoE供电功能。为了避免使用了空闲线对的有源设备对PoE管理模块造成损害或干扰的风险，PoE电源接口采取了模式A接法，即通过信号线对(1、2、3、6空闲线)供电，把1、2线定义成正极，3、6线定义成负极，如附图2所示。
在自动模式下该PoE管理ASIC能完成识别、评级、供电、端口监控、功率控制、断电等基本PoE管理功能；在Web管理模式下还能实现端口使能、功率控制、供电延迟、PoE计划等功能。
3、电源模块
电源模块包括UPS电源、DC/DC转换电路、系统电源接口三个部分。其中UPS电源是电源模块的核心，当没有断电时，它将220V交流市电转换为48V直流输出，同时根据需要为电池充电，当断电时，UPS电源的电池放电，同样48V直流输出。UPS的48V输出电压一路直接作为PoE电源，另一路经DC/DC转换为系统电源。
4.管理系统的硬件
系统管理采用交换机Web管理MCU，它包含一个MII接口和一个I2C接口，MII接口用于数据交换模块的管理，I2C接口用于PoE管理模块的管理。由于系统管理模块和PoE管理模块之间采用可光耦隔离，光耦隔离电路具有单方向性，因此I2C总线拆分成三根线，即SCL(时钟)、SDA_IN(数据输入)、SDA_OUT(数据输出)，SCL和SDA_OUT连接MCU的I2C接口，SDA_OUT则由另一个串行IO口模拟代替。
参照附图1，本系统集成实用新型包括交换机系统包括：数据交换、PoE管理、系统管理、电源四个模块。数据交换模块和PoE管理模块分别采用数据交换ASIC及其端口扩展ASIC和PoE管理ASIC，完成基本的数据交换和PoE管理功能；系统管理模块采用交换机Web管理MCU，利用SSI、CGI技术和uIP协议实现交换机的Web管理，MCU通过I2C、MII接口实现对数据交换模块和PoE管理模块的智能管理；电源模块采用UPS电源分别为PoE电源和系统电源供电。
所述数据交换模块采用交换机数据交换ASIC及其端口扩展ASIC架构。数据交换ASIC能接8路RJ45接口，端口扩展ASIC能够再扩展出8路RJ45接口，因此系统拥有16路RJ45接口。数据交换ASIC和端口扩展ASIC之间接口为SS-SMII接口，数据交换模块与系统管理模块接口为MII接口。
数据交换模块的交换管理ASIC工作在PHY模式和MAC模式，在PHY模式下只完成物理层交换任务，在MAC层模式下能完成MAC地址表管理、数据交换等基本交换机功能。本实用新型中数据交换ASIC工作在PHY模式，MAC层管理由系统管理模块控制。
所述PoE管理模块采用支持IEEE802.3af标准和IEEE802.3at标准的PoE管理ASIC。该PoE管理ASIC能独立完成基本的PoE管理任务，同时通过I2C总线通信接受系统管理模块的控制，实现更高级的PoE管理功能；为了实现PoE电源的隔离，PoE管理模块和系统管理模块之间采用了光耦隔离措施。PoE模块的PoE电源接的是电源模块的UPS电源，保障不间断PoE供电功能。为了避免使用了空闲线对的有源设备对PoE管理模块造成损害或干扰的风险，PoE电源接口采取了模式B接法，即通过信号线对(1、2、3、6空闲线)供电，把1、2线定义成正极，3、6线定义成负极，如附图2所示。
在自动模式下该PoE管理ASIC能完成识别、评级、供电、端口监控、功率控制、断电等基本PoE管理功能；在Web管理模式下还能实现端口使能、功率控制、供电延迟、PoE计划等功能。
所述电源模块包括UPS电源、DC/DC转换电路、系统电源接口三个部分。其中UPS电源是电源模块的核心，当没有断电时，它将220V交流市电转换为48V直流输出给交换机系统，同时根据需要为电池充电，当断电时，UPS电源的电池放电，同样48V直流输出。UPS的48V输出电压一路直接作为PoE电源，另一路经UPS的DC/DC模块转换为系统电源，为智能PoE交换机的整体供电(包括数据交互模块和系统管理模块)。
一般，UPS模块先将交流的220V转换为直流的48V，然后48V经过DC/DC转换为各个模块所需的电压，如48V转换为24V、12V、5V等。这些DC/DC模块成熟产品。
所述系统管理模块硬件部分采用交换机Web管理MCU，它包含一个MII接口和一个I2C接口，MII接口用于数据交换模块的管理，I2C接口用于PoE管理模块的管理。由于系统管理模块和PoE管理模块之间采用可光耦隔离，光耦隔离电路具有单方向性，因此I2C总线拆分成三根线，即SCL(时钟)、SDA_IN(数据输入)、SDA_OUT(数据输出)，SCL和SDA_OUT连接MCU的I2C接口，SDA_OUT则由另一个串行IO口模拟代替。
Claims (3)
1.一种智能PoE交换机，其特征在于，包括数据交换模块、PoE管理模块、系统管理模块和电源模块；
数据交换模块采用数据交换ASIC及端口扩展ASIC，数据交换ASIC与端口扩展ASIC通过SS-SMII接口连接；
PoE管理模块采用专用的PoE管理ASIC，采用模式A电源接口；
系统管理模块采用智能交换机Web管理微控制器，即MCU，MCU通过I2C接口连接PoE管理模块，MCU通过MII接口连接数据交换模块，I2C接口包括一根时钟信号线SCL和两根数据线SDA_IN和SDA_OUT，MCU控制接口包括三根控制信号线：LED流锁存、PoE使能和PoE重置；
电源模块采用48V直流的UPS电源，UPS电源的一路输出直接作为PoE管理模块的供电电源，另一路输出经UPS电源的DC/DC转换模块转换为系统电源，为智能PoE交换机整体供电，包括给智能poe交换机的数据交换模块、系统管理模块供电。
2.根据权利要求1所述的智能PoE交换机，其特征在于，所述的模式A电源接口，是指通过网线RJ45的空闲线对4、5、7、8线供电，4、5线为正极，7、8线为负极。
3.根据权利要求2所述的智能PoE交换机，其特征在于，系统管理模块和PoE管理模块之间采用可光耦隔离，SCL和SDA_OUT连接MCU的I2C接口，SDA_OUT则由另一个串行IO口模拟代替；
PoE管理模块采用支持IEEE802.3af标准和IEEE802.3at标准的PoE管理ASIC。
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