一、项目说明

 

在智能家居中常见的有线通信协议有RS485、RS232、CAN、Ethernet、PLC、KNX等，Ethernet以太网是一种常用的有线通信协议，适用于智能家居中的数据传输和互联网连接。通过以太网，智能家居设备可以与路由器或网关相连，实现远程控制和互联网访问。

本项目主要展示以太网在智能家居系统中POE供电、设备联网、控制的应用场景。

 

二、开源协议

 

本项目采用CC-BY-NC-SA 3.0协议，请遵循协议规范！

协议名	CC-BY-NC-SA 3.0	知识共享许可协议-署名-非商业使用-相同方式共享
简介	以上协议均为知识共享许可协议，各部分字母指代的意义：  CC：知识共享许可协议（英语：Creative Commons license）的缩写  BY：署名，您必须给出适当的署名，提供指向本许可协议的链接，同时标明是否（对原始作品）作了修改。  SA：相同方式共享，如果您 再混合、转换或者基于本作品进行创作，您必须基于与原先许可协议相同的许可协议分享发布您贡献的作品。  NC：非商业使用，您不得将本作品用于商业目的。  ND：禁止演绎，如果您 再混合、转换、或者基于该作品创作，您不可以分享发布修改作品。

 

三、项目进度及模块功能

 

序号	名称	进度	功能	备注
1	W5500+TPS2378 POE模块	已完成全部验证	以太网、POE供电	淘汰*¹
2	DC-DC单路电源模块	已完成全部验证	7V 至 60V 输入，5V 5A 输出
3	千兆网线对接模块	已完成全部验证	网线延长、普通网口转POE网口
4	TPS23861  PSE控制模块	已完成全部验证	POE供电控制
5	DC-DC双路电源模块	已完成全部验证	60V 输入，5V+12V输出
6	ESP32控制模块	已完成全部验证	以太网、POE供电、设备控制	替代①模块
7	MCP23017 IO控制模块	已完成全部验证	8路输入+8路输出控制
8

注：*¹ W5500更换为LAN8720，后续模块统一升级采用UM90导轨外壳设计

 

四、实物展示

 

模块①：W5500+TPS2378 POE模块

 

模块②：DC-DC单路电源模块

 

模块③：千兆网线对接模块

 

模块④：TPS23861  PSE控制模块

 

模块⑤：DC-DC双路电源模块

 

模快⑥：ESP32控制模块

 

模快⑦：MCP23017 IO控制模块

 

组合一

 

组合二

 

全貌

 

五、实物功能演示

 

W5500-POE模块LED供电测试 ：https://www.bilibili.com/video/BV1PL411r7Pa/

 

W5500-POE模块风扇供电测试：https://www.bilibili.com/video/BV1rb411Z76Y/

 

W5500-POE模块获取IP地址：https://www.bilibili.com/video/BV1uT411D7ks/

 

千兆网线对接模块网速测试：https://www.bilibili.com/video/BV1MC4y1o7pr/

 

ESP32+MCP23017 IO扩展测试：https://www.bilibili.com/video/BV1Rb4y1g71c/

 

系统介绍及测试：https://www.bilibili.com/video/BV1nc411r7LJ/

 

 

六、子模块工作原理

 

（一）PSE供电模块

 

①POE供电检测电路

 

TPS23861通过检测供电端口电流情况，确定是否对设备进行供电。其中GATE、DRAIN、SEN三个引脚用来控制电路的通断情况，SEN引脚用来检测电流情况，GATE用来控制外部大功率MOS管的通断特性，DRAIN用来提供基础的漏极电压。在未接入PD设备时，GATE通过通断MOS管来实现外部设备的通断供电，在负载未满足要求时，则SEN探测到的基础电流很小，此时GATE将不会处于常开状态，而当有负载存在是，回流到SEN中的电流就会很大，此时芯片检测到满足要求的电流将GATE门处于长开的状态，这样就实现了POE设备供电的检测电路。

 

②PoE供电协商流程

 

PSE设备上电，PD设备通过网络连接到PSE设备后，PSE与PD就开始进行供电协商：

检测PD：PSE在端口周期性输出电流受限的小电压，用以检测PD设备的存在。如果检测到特定阻值的电阻，说明线缆终端连接着支持IEEE 802.3af标准或IEEE 802.3at标准的受电端设备（电阻值在19kΩ～26.5kΩ的特定电阻，通常的小电压为2.7V～10.1V，检测周期为2秒）。
供电能力协商（PD设备分类过程）：PSE对PD进行分类，并协商供电功率。供电能力协商不仅可以通过解析PSE与PD发送的电阻实现的，还可以通过链路层发现协议LLDP（Link Layer Discovery Protocol）协议发现和通告供电能力进行协商。
开始供电：在启动期内(一般小于15μs)，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48V的直流电压。
正常供电：电压达到48V之后，PSE为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，PD设备功率消耗不超过PSE最大输出功率。
断电：供电过程中，PSE会不断监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，或电流激增，例如拔下设备或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源，并重复检测过程。

 

（二）PD受电模块

TPS2378可实现 IEEE802.3at 2 类受电设备 (PD) 所需的全部功能。该控制器的内部开关电阻低至 0.5Ω，采用耐热增强型 PowerPAD 封装，能够长时间在高达 0.85A 的电流下运行。TPS2378具有 一个辅助电源检测 (APD) 输入，可优先连接外部电源适配器。同时还具有 100V 导通晶体管、140mA 浪涌电流限制、2 类指示、自动重试故障保护以及开漏电源正常状态输出。

 

①部分引脚说明（红色标注器件对应下方原理图器件）

 

 

Pin2：DEN

DEN（Detection and Enable）引脚实现了两个独立的功能。在DEN引脚和VDD之间连接一个电阻（RDEN），当VDD和VSS之间的电压差在约1.4到10.9V之间时，会生成一个检测签名。超出这个范围，控制器会断开这个电阻以节省功耗。IEEE 802.3at标准规定了检测签名电阻RDEN的范围为23.75 kΩ到26.25 kΩ，或者25 kΩ±5%。TI推荐使用24.9 kΩ±1%的电阻作为RDEN。如果将连接在VDD和DEN之间的电阻分成两个大致相等的部分，应用电路可以通过接地两个电阻之间的接点来禁用PD（Powered Device）。这个操作同时破坏了检测签名，从而向供电设备（PSE）发出信号，表明PD不再需要供电。

 

Pin3：CLS

连接在CLS引脚和VSS之间的外部电阻（RCLS）向PSE提供了一个分类签名。当VDD和VSS之间的电压差在约10.9V到22V之间时，控制器会在外部电阻上施加约2.5V的电压。由该电阻所吸收的电流，加上控制器的内部电流和通过内部通道MOSFET的任何泄漏电流，共同形成分类电流。下表列出了IEEE802.3at定义的每个PD功率范围所需的外部电阻值。PD所接收的最大平均功率，加上供给下游负载的功率，不应超过表中指示的最大功率。将APD保持高电平会禁用分类签名。高功率的PSE可能会在第一次循环中出现Class 4时执行两个分类周期。

Pin5:RTN

内部通道MOSFET的RTN引脚为负电源回路提供路径。一旦VDD超过欠压锁定阈值，内部通道MOSFET将RTN拉到VSS。入涌限制防止RTN电流超过约140 mA，直到批量电容（CBULK）完全充电。当RTN电流降至约125 mA以下时，入涌结束。随后，RTN电流被限制在约1 A。CDB拉低以向下游负载信号批量电容已充电完毕。如果RTN超过约12 V并持续时间超过800 μs，则TPS2378将返回入涌限制状态。

 

Pin6：CDB

CDB是一个低电平输出，在设备处于浪涌电流限制状态时被拉到RTN。在其他时间，它保持高阻抗状态。该引脚是一个开漏输出，可能需要一个上拉电阻或其他接口连接到下游负载。如果不使用CDB，可以不连接。CDB引脚可以通过保持软启动引脚低电平来禁止下游转换器的启动。当CDB连接到下级DC-DC控制器的SS引脚，由于CDB是一个开漏输出，当它断开时，它不会影响软启动电容的充电时间。CDB引脚的另一个常见用途是启用一个具有主动高电平使能输入的转换器。在这种情况下，根据控制器使能引脚的要求，CDB可能需要一个上拉电阻连接到VDD或偏置电源。

 

Pin7:T2P

TPS2378在观察到Type-2硬件分类或APD引脚拉高时，将T2P拉到RTN。如果芯片进入热关断状态、通道MOSFET进入入涌限制状态，或者未检测到Type-2 PSE并且APD上的电压低于其阈值，T2P输出将返回到高阻态。当VDD与VSS之间的电压差超过上限分类阈值时，用于观察Type-2硬件分类的电路将锁定其结果。当VDD与VSS之间的电压差降至标记阈值以下时，该电路将复位。如果未使用T2P引脚，可以将其保持未连接。T2P引脚是一个主动低电平、开漏输出，表示有高功率源可用。可以使用光耦合器将T2P引脚与转换器的二次侧电路进行接口连接。建议使用高增益光耦合器和高阻抗（例如CMOS）接收器。

 

Pin8：APD

APD（Auxiliary Power Detect）是一个用于检测辅助电源的引脚。在某些应用中，设备可以从以太网电缆或辅助电源中获取电力。当APD引脚相对于RTN引脚的电压超过约1.5V时，内部的通路MOSFET将关闭，CLS输出将被禁用，T2P输出将被启用，从而使适配器优先使用辅助电源而不是PoE（Power over Ethernet）。电阻分压器（RAPD1、RAPD2）为APD引脚提供系统级的ESD保护，排放阻塞二极管（DA）的泄漏电流，并提供输入电压监控，以确保在过低电压下不会切换到辅助电压源。如果APD引脚未使用，可以将其保持未连接状态。

 

 

（三）DC-DC模块

 

TPS54560 是具有 Eco-Mode™ 的 4.5V 至 60V 输入，5A 降压直流/直流转换器。下图为7~60V输入，5V 5A输出的典型应用原理图。

3.3V、12V、24V等电压输出可使用附件中的TPS54360计算工具计算出电容电阻值。12V输出计算参考如下：

 

（四）ESP32-Ethernet模块

①ESP32-WROOM-32E/UE 模块

ESP32-WROOM-32E/UE 模块采用ESP32-D0WD-V3具有可扩展、自适应的特点。两个 CPU 核可以被单独控制。CPU 时钟频率的调节范围为 80 MHz 到 240MHz。用户可以关闭 CPU 的电源，利用低功耗协处理器监测外设的状态变化或某些模拟量是否超出阈值。ESP32还集成了丰富的外设，包括电容式触摸传感器、霍尔传感器、SD 卡接口、以太网接口、高速 SPI、UART、I2S和 I2C 等。以太网接口集成了10/100 Mbps以太网MAC控制器，可直接连接到以太网网络，支持高达150 Mbps的传输速率，可实现快速稳定的有线网络连接。

ESP32-WROOM-32E/UE  EMAC定义如下：
IO17——EMAC_CLK：以太网时钟信号。
IO25—— EMAC_RXD0：以太网接收数据0。
IO26——EMAC_RXD1：以太网接收数据1。

IO27—— EMAC_RX_DV：以太网接收有效信号。
IO19——EMAC_TXD0：以太网发送数据0。
IO22——EMAC_TXD1：以太网发送数据1。

IO21——EMAC_TX_EN：以太网发送有效信号。

IO23——EMAC_MDC：以太网管理数据时钟。
IO18——EMAC_MDIO：以太网管理数据输入/输出。

 

②LAN8720A

LAN8720A 是SMSC公司(已被 Microchip公司收购)设计的一个体积小、功耗低、全能型 10/100Mbps 的以太网物理层收发器。它是针对消费类电子和企业应用而设计的。LAN8720A总共只有 24Pin，仅支持 RMII接口。由它组成的网络结构如下图所示：

ESP32-WROOM-32E/UE 模块可以通过其时钟输出引脚为LAN8720提供时钟信号，以确保通信的稳定性和准确性。LAN8720A 通过 RMII与 ESP32-WROOM-32E/UE 的EMAC连接。在ESP32-WROOM-32E/UE 与 LAN8720A 连接之间还需要一个变压器，本项目中采用HY931147C  100M RJ45网口以太网连接器，内置PoE整流线路功能，可有效减少POE外围电路。

LAN8720 PHYADD0是其寄存器中的一个位，用于设置PHY地址。PHYADD0位的值可以设置为0或1，可以通过设置PHYADD0来配置不同的PHY地址，以便与其他设备进行通信，该功能通常在需要使用2个LAN8720 时使用。

 

（五）MCP23017 IO扩展模块

MCP23017是一款常用的I/O扩展芯片，由Microchip公司生产。它可以通过I2C总线与微控制器通信，提供额外的输入输出引脚。MCP23017具有16个可配置的GPIO引脚，可以用作输入或输出。它还具有一些特殊功能，如中断功能和外部中断引脚。使用MCP23017可以扩展微控制器的输入输出能力，特别适用于那些GPIO引脚不足的应用场景。通过I2C总线，可以同时连接8个MCP23017芯片，可扩展128个GPIO引脚。将MCP23017的A0、A1和A2引脚接地或接VCC可确定MCP23017的IIC地址。下表列出了这些可能性及其对应的十进制地址：

| A2      | A1       | A0      | I2C地址 |
| 0         | 0        | 0         | 0x20      |
| 0         | 0        | 1         | 0x21      |
| 0         | 1        | 0         | 0x22      |
| 0         | 1        | 1         | 0x23      |
| 1         | 0        | 0         | 0x24      |
| 1         | 0        | 1         | 0x25      |
| 1         | 1        | 0         | 0x26      |
| 1         | 1        | 1         | 0x27      |

 

七、项目结构框图

 

八、部分程序

本程序使用ESPHome编写，简单方便，适合小白，若想深入学习，个人不建议长期依赖类似平台。

esphome:
  name: 请输入
  friendly_name: 请输入

esp32:
  board: esp32dev

# Enable logging
logger:

ethernet:
  type: LAN8720
  mdc_pin: GPIO23
  mdio_pin: GPIO18
  clk_mode: GPIO17_OUT
  phy_addr: 1

# Enable Home Assistant API
api:
  encryption:
    key: "请输入"

ota:
  password: "请输入"

i2c:
  sda: 13
  scl: 16
  scan: True
  frequency: 800kHz

mcp23017:
  - id: 'mcp23017_hub1'
    address: 0x20
  - id: 'mcp23017_hub2'
    address: 0x21

 

binary_sensor:
  - platform: gpio
    name: "MCP23017 Pin A0"
    pin:
      mcp23xxx: mcp23017_hub1
      number: 0
      mode:
        input: true
        pullup: false
      inverted: true

switch:
  - platform: gpio
    name: "MCP23017 Pin B0"
    pin:
      mcp23xxx: mcp23017_hub1
      number: 8
      mode:
        output: true
      inverted: false

 

九、配件链接

UM90S模组架【下单链接】https://m.tb.cn/h.5PdywAD

电气安装导轨【下单链接】https://m.tb.cn/h.5Od7FAZ

明某的48V导轨式开关电源水太深，这里就不推荐了，建议直接上立创商城购买。

十、多样化连接方式

十一、尺寸定义

为方便安装、替换，PCB的长度统一为90mm，宽度为24、36、48等（12的倍数，使用12mm宽度时移动时易卡顿）