Các tiêu chuẩn PoE: Công nghệ truyền thống, xu hướng cho các hệ thống công nghệ tương lai

Các tiêu chuẩn PoE: Công nghệ truyền thống, xu hướng cho các hệ thống công nghệ tương lai

Với giao thức Internet và phương thức tiêu chuẩn Ethernet là nền tảng, chúng ta đang thấy sự hội tụ của đa dạng nhiều thiết bị, từ các thiết bị IT đến OT, cũng như các thiết bị gia dụng, các hệ thống quản trị. Đi cùng xu hướng công nghệ mới này, IoT (Internet of Things – Internet kết nối vạn vật), do đó, cũng được thiết kế và quản lý cùng với các tiêu chuẩn công nghiệp hiện có và đang phát triể bởi TIA¹ và IEEE², để đảm bảo các thiết bị hoạt động an toàn và nhất quán trên cơ sở hạ tầng chung.

Cùng với tiêu chuẩn Ethernet 802.3, họ tiêu chuẩn PoE (802.3 af/at/bt) cung cấp nguồn trên nền hệ thống mạng truyền dữ liệu Ethernet. Với ưu thế chung một cơ sở hạ tầng, liên tục ra các phiên bản mới với công suất cao, PoE dần trở thành xu hướng nền tảng của các hệ thống hiện đại.

Tiêu chuẩn và ưu điểm của PoE (Power over Ethernet)

Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử (IEEE) giới thiệu tiêu chuẩn Ethernet 802.3 về các thông số kỹ thuật cho 2 tầng dưới cùng (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu) thuộc mô hình OSI cho mạng kết nối có dây (wired Ethernet).

PoE (Power over Ethernet – cung cấp nguồn điện qua mạng Ethernet), với các phiên bản được giới thiệu, lần lượt là 802.3 af, at, bt cũng nằm trong họ các tiêu chuẩn Ethernet, thiết lập các thông số kỹ thuật về công nghệ cung cấp đồng thời cả nguồn điện và dữ liệu hai chiều qua cáp truyền của mạng Ethernet.

Đi cùng với sự phát triển như vũ bão của công nghệ, tiêu chuẩn PoE dù là một công nghệ truyền thống vẫn chứng tỏ được sự hiệu quả, đáp ứng được các nhu cầu mới, liên tục đưa ra các phiên bản, phù hợp xu hướng hiện đại, kết nối Internet vạn vật, xây dựng mô hình hệ thống thông minh từ tòa nhà thông minh, tòa nhà thành phố thông minh đến xã hội thông minh.

Ba tiêu chuẩn kỹ thuật phổ biến và có mức ứng dụng cao của PoE gồm:

• PoE IEEE 802.3af-2003

Là tiêu chuẩn PoE Type 1 sử dụng hai cặp dây cáp đồng để truyền đồng thời dữ liệu (cả hai chiều ) và cấp nguồn cho nhiều loại thiết bị có công suất thấp hơn. PoE type 1 có công suất nguồn một chiều DC khoảng 15,4W tại PSE (Power Sourcing Equipment) cho mỗi cổng PoE cung cấp đến PD (Powered Device) là khoảng 12,95W. Với công suất này, phiên bản PoE Type 1 có thể hỗ trợ các thiết bị như điện thoại VoIP, các cảm biến, đồng hồ đo, thiết bị truy cập không dây với 2 ăng-ten, và camera giám sát tĩnh mức đơn giản.

• PoE +, IEEE 802.3at-2009

Là tiêu chuẩn PoE Type 2, thường ký hiệu là PoE+ hay PoE cộng, là bản nâng cấp của Type 1, có thể cung cấp công suất nguồn 1 chiều DC lên tới 30W tại PSE cho mỗi cổng PoE (công suất lên tới 25,5W tại PD). Với công suất nâng cao lên gần 2 lần, PoE Type 2 có thể hỗ trợ đa dạng nhiều loại thiết bị, với các tính năng nâng cao, như camera giám sát với nhiều tính năng phức tạp hơn có thể xoay, nghiêng hoặc thu phóng, quay ban đêm hỗ trợ hồng ngoại, cũng như các thiết bị truy cập không dây với sáu ăng-ten, thiết bị đầu cuối có màn hình cảm ứng.

• PoE ++ IEEE 802.3bt, được phê duyệt chính thức vào tháng 4/2018, gồm 2 loại:
  • PoE ++ (Type 3, sử dụng tất cả bốn cặp trong một cáp đồng, có thể cung cấp công suất nguồn 1 chiều DC lên tới 60W tại PSE cho mỗi cổng PoE (công suất lên tới 51W tại PD). PoE Type 3 có thể hỗ trợ các thiết bị như camera giám sát phức tạp hơn, có thể xoay, nghiêng hoặc thu phóng, hệ thống hội nghị video và thiết bị quản lý tòa nhà.
  • PoE High-Power (Type 4) hay 4PPoE, cũng sử dụng 4 đôi dây để cung cấp công suất và truyền dữ liệu, với công suất DC lên tới 90W (PSE)/71W (PD). Với công suất này, PoE Type 4 có thể hỗ trợ các thiết bị đầu cuối yêu cầu công suất lớn như máy tính xách tay, TV, hệ thống đèn LED thông minh và hệ thống quản trị thông minh (cho nhà riêng, văn phòng, thậm chí tòa nhà) hay hệ thống vận hành đặc thù.

Với các tiêu chuẩn mới được giới thiệu, đặc biệt là PoE Type 3 và 4, tích hợp với các tính năng hữu dụng đi kèm như phần mềm quản trị tập trung, tương thích các công nghệ Ethernet tốc độ cao 1 GbE, 2.5 GbE hay thậm chí 10GbE, các thiết bị chuyển mạch có tính năng PoE tiêu chuẩn mới, có thể hỗ trợ rất nhiều các thiết bị đầu cuối, từ các thiết bị kết nối thông minh (Smart Device) đến smart home/smart building, với công nghệ truyền dữ liệu đa dạng (không dây, có dây, ánh sáng, bluetooth…), hay kể cả các sensor cảm ứng/hệ thống đèn LED, đưa khái niệm IoT đến gần với thực tế hơn rất nhiều.

Đồng thời, với các thiết bị được thiết kế với các tiêu chuẩn đặc thù, tương thích với môi trường ngoài trời, môi trường công nghiệp yêu cầu cao (ngành điện, dầu khí, sản xuất…) nhiễu điện từ, nhiều rung động, hỗ trợ kết nối không dây (RF, BLE), tiêu chuẩn PoE sẽ dần phổ dụng trong các thiết bị chuyển mạch kết nối.

Có nhiều ưu thế từ tiết kiệm chi phí, nhân lực cho triển khai, đầu tư và vận hành (từ yêu cầu 2 hệ thống cung cấp nguồn và dữ liệu độc lập, nay có thể tích hợp vào một), có thể tận dụng các hệ thống phụ trợ khác của hệ thống truyền dữ liệu như cấp nguồn dự phòng (qua UPS, máy phát), và đặc biệt phát huy ưu thế trong một số môi trường đặc thù của ngành năng lượng như điện, gas, dầu khí… khi tối giản việc triển khai, dễ dàng đảm bảo an toàn hệ thống cũng như chi phí.

Kiến trúc hệ thống Ethernet tích hợp PoE

Hệ thống PoE thực chất vẫn là một hệ thống mạng kết nối sử dụng công nghệ Ethernet cáp đồng, mà trong đó các thiết bị đầu cuối (thiết bị phát không dây, camera, đèn chiếu sáng, thiết bị cảm biến…) có thể truyền/nhận dữ liệu hai chiều và cả nguồn cấp đầu vào thông thường qua cáp Ethernet từ thiết bị chuyển mạch có tính năng cung cấp nguồn PoE, có thể sử dụng tải PoE trực tiếp hoặc tải PoE gián tiếp. Với các tính năng đặc biệt của thiết bị (như lưu trữ/cảnh bảo…) thì có nguồn dự trữ năng lượng khẩn cấp qua các thẻ nhớ/chíp nhớ lưu trữ dung lượng riêng hay pin gắn trong của thiết bị.

• Thiết bị chuyển mạch PoE có khả năng cung cấp cả việc truyền dữ liệu và nguồn (từ bản thân hay gắn thêm bộ cung cấp nguồn ngoài, Power Injector) cho các thiết bị kết nối tới.
• Bộ điều khiển PoE, là cổng kết nối chung cho các thiết bị chuyển mạch PoE. Đây là thiết bị được kết nối trực tiếp với thiết bị chuyển mạch cung cấp PoE, giúp vận hành/quản lý tập trung các thiết bị cung cấp PoE về nguồn cấp.
• Thiết bị đầu cuối, gồm loại nhận nguồn PoE trực tiếp là một thiết bị đầu cuối (cổng kết nối, bộ điều khiển, hệ thống đèn và cảm ứng (Sensor), nhận nguồn điện và truyền dữ liệu hai chiều từ thiết bị chuyển mạch có tích hợp PoE trực tiếp qua cáp Ethernet, hay các patch – panel có gắn bộ cấp nguồn; Thiết bị đầu cuối ở đây như hệ thống chiếu sáng có thể bao gồm cảm biến, đèn chiếu sáng và bộ điều khiển đèn LED; loại thiết bị đầu cuối này có thể đóng vai trò trung gian, cung cấp nguồn điện và dữ liệu hai chiều cho các thiết bị đầu cuối khác (nhận nguồn PoE gián tiếp) thông qua cáp Ethernet hoặc các patch – panel có gắn bộ cấp nguồn.
• Tải PoE gián tiếp, là thiết bị đầu cuối nhận nguồn cấp năng lượng gián tiếp từ thiết bị chuyển mạch PoE thông qua thiết bị đầu cuối nhận nguồn PoE trực tiếp; Ở đây có thể ví dụ như hệ thống chiếu sáng có thể bao gồm các cảm biến và đèn chiếu sáng, nhận dữ liệu truyền hai chiều (điều khiển tắt/bật/vận hành) và nguồn cấp từ thiết bị chuyển mạch PoE thông qua bộ điều khiển LED để hoạt động.
• Bộ cảm biến, trong xu hướng kết nối vạn vật vào Internet, bộ cảm biến (sensor) là thiết bị phổ dụng, đa năng, và hiển hiện trong mọi thiết bị, bộ cảm biến sẽ sưu tầm một hay nhiều loại dữ liệu dựa trên một số phép đo hoặc phát hiện từ môi trường xung quanh; ví dụ bao gồm cảm biến quang (đo hoặc phát hiện sự thay đổi về mức độ ánh sáng), cảm biến chuyển động (phát hiện chuyển động mới trong trường quan sát nhất định), bộ điều chỉnh gắn trong hộp treo tường (đo hoặc phát hiện con người vào/ra một khu vực cụ thể, nhằm điều chính mức độ ánh sáng), các cảm biến nhiệt/độ ẩm/cảm biến khói… và thiết bị phổ biến, gần gũi nhất là điện thoại thông minh (chứa vô số cảm biến môi trường và vị trí).

¹TIA – Telecommunications Industry Association và ²IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers: Các tổ chức nghiên cứu, định chuẩn các tiêu chuẩn/công nghệ mới.

Song Phương – FPT IS