Для работы систем на базе Raspberry Pi требуется подключение к Интернету, чтобы работать в полную силу, это особенно актуально для таких приложений, как интернет вещей (IoT), обработка изображений, дистанционное зондирование и другие облачные приложения. Рассмотрим следующий случай: вам нужны данные датчика влажности на сельскохозяйственном поле в 200 метрах от вашего блока управления, но на поле нет доступа к Интернету или розетки. Из-за отсутствия розеток в подобных местах развертывание приложений интернета вещей, естественно, затруднено.

А что, если мы можем использовать один кабель локальной сети для подачи питания и данных на наш Raspberry Pi? Этот сценарий, в котором Интернет и питание подаются по одному и тому же проводу локальной сети, известен как Power Over Ethernet (PoE). В этой статье мы рассмотрим что такое PoE и как использовать эту технологию вместе с Raspberry Pi. Используя перфорированную плату мы сегодня сделаем собственное POE Hardware Attachment (HAT, плату расширения) для Raspberry Pi и POE инжектора. Итак, начнем!

Компоненты, необходимые для сборки PoE HAT для Raspberry Pi

1. Гнездо RJ45 (гнездо Ethernet) x 2.
2. Гнездо постоянного тока x 2.
3. Перфорированная плата.
4. Модуль понижающего преобразователя 2596 x 1.
5. Вентилятор постоянного тока для Raspberry Pi x 1.
6. Гнездо USB x 1.
7. Standoff для Raspberry Pi x 2.
8. USB-кабель для питания Raspberry Pi.

Что такое PoE и чем он полезен?

PoE или Power Over Ethernet — это технология, позволяющая передавать электроэнергию и данные на большие расстояния с помощью кабеля Ethernet.

Что касается интернет-подключения, то в наши дни все более распространенными становятся беспроводные соединения, такие как Wifi, WLAN, WiMaX и мобильные сети, однако проводные сети сохраняют свою актуальность, поскольку скорость передачи данных в них значительно выше чем в беспроводных сетях. В результате мы продолжаем считать, что проводные сети на основе LAN имеют свою собственную ценность и поэтому до сих пор широко используются.

Power over Ethernet (PoE) — в переводе питание через Ethernet. Эта технология позволяет передавать данные и питание через одно Ethernet-подключение CAT5e. Эта технология используется в IP-телефонах, камерах безопасности и беспроводных точках доступа, и во многих других случаях.

Поскольку Ethernet-подключения считаются самым быстрым и надежным методом передачи данных, все еще оставалась одна вещь, которая отставала: передача электроэнергии. Поскольку все технологические гаджеты требуют питания для работы. В таблице ниже вы можете увидеть различные стандарты мощности PoE, которые соблюдаются до настоящего времени.

Расширение IEEE	Тип	Мощность
IEEE802.3af	Тип 1	15.4 Вт
IEEE802.3at/PoE+	Тип 2	30.8 Вт
IEEE802.3bt/UPoE	Тип 3	60 Вт
IEEE802.3bt	Тип 4	90 Вт

То есть с помощью данной технологии можно запитать достаточно мощные устройства.

Преимущества PoE:

• Вы можете сэкономить время и деньги, используя PoE для установки новых линий электропередач.
• Для установки сетевых кабелей не требуются услуги лицензированного электрика, и их можно размещать практически в любом месте.
• Установка PoE также намного дешевле, чем обычная проводка.
• PoE позволяет устанавливать устройства в неудобных или отдаленных местах, где подключение электричества затруднено.
• Кроме того, PoE можно легко переносить и отключать. Это похоже на plug-and-play, в том смысле, что вам не нужно уничтожать всю сеть, чтобы переместить ее.
• Если вы хотите развернуть беспроводные точки доступа или Raspberry Pi с камерами, PoE — идеальный вариант.

Типы питания через Ethernet

Как правило, существует два типа PoE : активный и пассивный.

Активный (Active) PoE: Проще говоря, Active PoE — это любой вид PoE, который согласовывает правильное напряжение между коммутатором и устройством, работающим по PoE. В то время как Passive PoE не согласовывает напряжение, поэтому он всегда посылает заданное напряжение электрического тока по линии Ethernet, независимо от того, к какому устройству он идет.

Пассивный PoE:  часто известный как пассивное питание через Ethernet, является нестандартным PoE. Он также может подавать электроэнергию через кабели Ethernet без необходимости каких-либо согласований или контактов. Стандарта IEEE для пассивного коммутатора PoE не существует.

Итак, чтобы упростить задачу, мы попробуем построить пассивный POE для нашего Raspberry Pi. Но прежде чем идти дальше, давайте посмотрим на энергопотребление Raspberry Pi , чтобы знать, сколько энергии должно передаваться через наш Ethernet-кабель.

Потребление энергии Raspberry Pi

Поскольку расчет и оценка энергопотребления для проекта является необходимой задачей для инженера, мы должны знать энергопотребление в режиме ожидания отдельного Raspberry Pi. Я перечислил некоторые из наиболее часто используемых случаев здесь:

Компонент	Потребляемая мощность (при 5 В)
Raspberry Pi zero 2W HDMI выключен, светодиод выключен	100 мА (0,6 Вт)
HDMI выключен, светодиод выключен, встроенный Wi-Fi включен	120 мА (0,7 Вт)
Raspberry Pi zero HDMI выключен, светодиод выключен, Wi-Fi включен	120 мА (0,7 Вт)
Raspberry Pi 2 B в режиме ожидания	220 мА (1,1 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	450 мА (приблизительно 2,3 Вт)
Загрузка ЦП 400%	400 мА (приблизительно 2,1 Вт)
Raspberry Pi 3 B в режиме ожидания	260 мА (1,4 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	480 мА (2,4 Вт)
Загрузка ЦП 400%	730 мА (3,7 Вт)
Raspberry Pi 3 B+ в режиме ожидания	350 мА (1,9 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	950 мА (5,0 Вт)
Загрузка ЦП 400%	980 мА (5,0 Вт)
Raspberry Pi 4 B в режиме ожидания	540 мА (2,7 Вт)
Ab -n 100 -c 10 (некэшированный)	1010 мА (5,1 Вт)
Загрузка ЦП 400%	1280 мА (6,4 Вт)

Примечание: Мы не учитываем мощность, потребляемую мышью и клавиатурой или другими периферийными устройствами, поскольку они потребляют соответствующую мощность и могут быть добавлены к указанной выше мощности.

Распиновка кабеля Ethernet

Поскольку мы работаем с кабелями LAN для PoE, важно знать о функциональности различных пар проводов, которые мы найдем внутри кабеля Ethernet. На рисунке ниже показана распиновка кабеля Ethernet, который в настоящее время доступен на рынке.

Коммутаторы PoE могут подавать питание тремя способами: PoE Mode A , PoE Mode B и 4-парный PoE. Питание и данные передаются одновременно через контакты 1, 2, 3 и 6 в PoE Mode A. Питание подается на контакты 4, 5, 7 и 8 в PoE Mode B. Кроме того, 4-парный PoE распределяет питание по всем 8 контактам одновременно. Режимы PoE Mode A, PoE Mode B и 4-парный PoE поддерживаются активными коммутаторами PoE, но пассивные коммутаторы PoE поддерживают только режим PoE Mode B.

Мы создаем PoE ModeB для нашего Raspberry Pi 3B+, на изображении ниже показаны контакты PoE на Raspberry Pi.

Создание инжектора POE для Raspberry Pi

В частности, инжектор PoE может использоваться для подключения сетевого коммутатора к беспроводной точке доступа, IP-телефону, сетевой камере или любому другому устройству (PD) с питанием по стандарту IEEE 802.3af/at. Сетевое устройство с поддержкой PoE подключается к порту коммутатора локальной сети без поддержки PoE с помощью инжектора PoE.

По сути, инжектор PoE имеет 2 входа, один для питания постоянного тока, а другой — порт Ethernet. Мы сделаем свой собственный пассивный инжектор PoE, который будет вводить или добавлять разность потенциалов постоянного тока 12 В в кабель LAN с помощью адаптера питания 12 В. Теперь давайте поговорим о соединениях.

Поскольку соединения просты, нам необходимо определить, какая пара проводов доступна для передачи электроэнергии , а какая пара отвечает за данные.

Здесь, на изображении выше, вы можете видеть, что пара 4-5 и пара 7-8 отвечают за передачу питания, а оставшиеся 1-2 и 3-6 — за передачу данных. Итак, теперь давайте рассмотрим схему, которую мы использовали для построения нашего инжектора PoE.

Мы использовали контакты 4 и 5 для передачи питания, а контакты 7 и 8 — как заземление. Остальные контакты используются для передачи данных. Я просто использовал два разъема Ethernet и один разъем постоянного тока, чтобы построить свой минимальный инжектор PoE на нулевой печатной плате. Вы можете увидеть готовую плату ниже.

Почему PoE работает при напряжении 12 В и выше?

Теперь мы все знаем, что вашему Raspberry Pi нужно всего 5 В для питания, но почему мы подаем 12 В по кабелю Ethernet? Ответ заключается в потере мощности и низких требованиях к току. Когда мы передаем питание по проводам на большое расстояние, будет потеря мощности и, как следствие, падение напряжения в кабеле. Таким образом, несмотря на подачу 12 В на входе, мы получим только около 10-11 В на принимающей стороне в зависимости от длины кабеля.

Другая причина в том, что мы должны поддерживать ток через эти кабели LAN как можно ниже. Согласно закону Ома, чем выше напряжение, тем ниже будет ток для того же уровня мощности. Поэтому PoE всегда работает на более высоком напряжении, есть определенные стандарты PoE, которые работают даже до 57 В.

Создание POE-сплиттера для Raspberry Pi

На этом гаджете есть два входных порта и один выходной порт. Вход принимает соединение PoE Ethernet, а выходные порты обеспечивают стандартное питание Ethernet и постоянного тока. На входной стороне есть PoE Ethernet.

На выходе у нас есть стандартный разъем Ethernet, а также источник питания постоянного тока. Роль PoE-сплиттера заключается в разделении PoE Ethernet-соединения на стандартный Ethernet и пригодный для использования источник питания постоянного тока, что является полной противоположностью инжектора PoE. Теперь рассмотрим принципиальную схему POE-сплиттера.

Схема очень проста, нам просто нужно использовать контакт PoE на Raspberry Pi, чтобы получить 12 В из кабеля Ethernet. Затем эти 12 В подаются на понижающий преобразователь LM2596, чтобы понизить их до 5 В, которые затем подаются на сам Raspberry Pi. Мы также использовали эти 12 В для питания вентилятора, который будет охлаждать Raspberry Pi во время работы. Теперь, по какой-то причине, Raspberry Pi становится сравнительно горячим при питании от PoE, и для его безопасной работы требуется охлаждающий вентилятор. Мы не знаем причин этого небольшого повышения температуры, если вы знаете, почему Raspberry Pi нагревается при питании от PoE, оставьте их в разделе комментариев ниже.

Как и в случае с PoE-инжектором, мы также построили PoE Hat на нулевой печатной плате, как вы можете видеть ниже.

Внешний вид этих плат, установленных на Raspberry Pi, показан на следующем рисунке.

Как только вы изготовите эти платы, вы можете напрямую включить их, загрузить Raspberry Pi и проверить подключение к Интернету. Вы можете проверить работу обеих плат в видео, приведенном ниже в статье.

Видео, демонстрирующее работу проекта

13 просмотров