構(gòu)建一個Raspberry Pi PoE帽子

基于 Raspberry Pi 的系統(tǒng)需要互聯(lián)網(wǎng)連接才能充分發(fā)揮潛力，對于物聯(lián)網(wǎng)、圖像處理、遙感和其他基于云的應用程序等應用程序尤其如此?？紤]以下情況：您需要距離控制單元 200 米的農(nóng)田中的濕度傳感器數(shù)據(jù)，但該田地沒有互聯(lián)網(wǎng)接入或電源插座。由于這些偏遠地區(qū)缺乏電源插座，現(xiàn)在遠程部署受到了阻礙。

如果我們可以使用一條 LAN 電纜為我們的樹莓派提供電源和數(shù)據(jù)會怎樣？這種情況下，互聯(lián)網(wǎng)和電力都通過同一條 LAN 線傳輸，稱為以太網(wǎng)供電，在本教程中，我們將準確了解這一點。我們將討論什么是 PoE？以及如何將PoE 與 Raspberry Pi一起使用。今天，我們將使用 Perf 板為 Raspberry Pi 和POE 注入器制作自己的 POE 硬件附件（HAT）。所以讓我們開始吧！

為 Raspberry Pi 構(gòu)建 PoE HAT 所需的組件

RJ45母插座（以太網(wǎng)母插座）x 2

母直流插孔 x 2

性能板

2596 降壓轉(zhuǎn)換器模塊 x 1

Pi x 1 直流風扇

USB母插孔 x 1

pi x 2 的對峙

用于為 pi 供電的 USB 電纜

什么是 PoE，它有什么用處？

PoE或以太網(wǎng)供電是一種允許您使用以太網(wǎng)電纜遠距離傳輸電力和數(shù)據(jù)的技術(shù)。

在互聯(lián)網(wǎng)連接方面，如今 Wifi、WLAN、WiMaX 和移動網(wǎng)絡(luò)等無線連接變得越來越普遍，但有線網(wǎng)絡(luò)仍保持其相關(guān)性，因為無線網(wǎng)絡(luò)無法匹配數(shù)據(jù)傳輸速度。因此，我們?nèi)匀幌嘈呕谟芯€ LAN 的網(wǎng)絡(luò)有其自身的價值，因此被普遍選用。

以太網(wǎng)供電（PoE）是以太網(wǎng)供電的首字母縮寫。該技術(shù)使數(shù)據(jù)和電力能夠通過單個 CAT5e 以太網(wǎng)連接發(fā)送。該技術(shù)用于 IP 電話、安全攝像頭和無線接入點等。

由于以太網(wǎng)連接被認為是最快速、最可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法，因此仍有一件事落后：電力傳輸。因為所有技術(shù)設(shè)備都需要電源才能運行。在下表中，您可以看到迄今為止所遵循的各種PoE 電源容量標準。

POE的優(yōu)勢

使用 PoE 安裝新的電源線可以節(jié)省時間和金錢。

網(wǎng)絡(luò)電纜不需要有執(zhí)照的電工服務來安裝，它們幾乎可以放置在任何地方。

PoE 安裝也比常規(guī)布線便宜得多。

PoE 允許您將設(shè)備安裝在難以安裝電力的尷尬或偏遠地區(qū)。

此外，可以輕松地傳輸和斷開 PoE。它類似于即插即用，因為您不必破壞整個網(wǎng)絡(luò)即可移動它。

如果您想部署帶攝像頭的無線接入點或 Pi，PoE 是理想的選擇。

以太網(wǎng)供電類型

一般來說，有兩種類型的 PoE，一種是主動的，另一種是被動的。

主動式 PoE：簡而言之，主動式 PoE 是在交換機和 PoE 供電設(shè)備之間協(xié)商適當電壓的任何類型的 PoE。而無源 PoE 不協(xié)商，因此它總是通過以太網(wǎng)線路發(fā)送設(shè)定的電流電壓，而不管它要連接的設(shè)備是什么。

無源 PoE：通常稱為無源以太網(wǎng)供電，是一種非標準 PoE。它還可以通過以太網(wǎng)電纜供電，無需任何協(xié)商或聯(lián)系。無源 PoE 交換機沒有 IEEE 標準。

因此，為了使事情變得更容易，我們將嘗試為我們的 Raspberry Pi 構(gòu)建一個被動 POE。但在進一步討論之前，讓我們看看樹莓派的功耗，以便我們知道應該通過以太網(wǎng)電纜傳輸多少功率。

樹莓派的功耗

由于項目功耗的計算和估算是工程師的必備任務，因此我們必須了解單個樹莓派的空閑功耗。我在這里列出了一些最常用的案例：

注意：我們沒有包括鼠標和鍵盤或任何其他外圍設(shè)備所消耗的功率，因為它們會相應地消耗功率并且可以添加到上述功率中。

以太網(wǎng)電纜引腳

由于我們正在使用用于 PoE 的 LAN 電纜，因此了解我們將在以太網(wǎng)電纜中找到的不同線對的功能非常重要。下圖顯示了目前市場上可用的以太網(wǎng)電纜引腳排列。

PoE 交換機可以通過三種方式供電：PoE 模式 A、PoE模式B和4 對 PoE。在 PoE 模式 A 中，電源和數(shù)據(jù)同時通過引腳 1、2、3 和 6 傳輸。在 PoE 模式 B 中，電源被泵送到引腳 4、5、7 和 8。此外，4 對 PoE 將電源分配給所有8針同時。有源PoE交換機支持PoE Mode A、PoE Mode B和4對PoE，而無源PoE交換機只支持PoE Mode B。

我們正在為我們的 Raspberry Pi 3B+ 制作 PoE ModeB，下圖顯示了Raspberry Pi 上的 PoE 引腳。

為 Raspberry Pi 構(gòu)建 POE 注入器

特別是，PoE 注入器可用于將網(wǎng)絡(luò)交換機連接到無線接入點、IP 電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機或任何其他 IEEE 802.3af/at 供電設(shè)備（PD）。啟用 PoE 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過 PoE 注入器連接到非 PoE LAN 交換機端口。

基本上，PoE 供電器有 2 個輸入，一個用于 DC 電源，另一個用于以太網(wǎng)端口。我們將制作自己的無源 PoE 注入器，該注入器將使用 12V 電源適配器在 LAN 電纜中注入或添加 DC 12V 的電位差?，F(xiàn)在讓我們談談連接。

因為連接很簡單，我們必須確定哪對電線可用于電力傳輸，哪對電線負責數(shù)據(jù)。

在上圖中，您可以看到線對 4-5 和線對 7-8 負責電力傳輸，其余的 1-2 和 3-6 負責數(shù)據(jù)傳輸。所以現(xiàn)在讓我們看一下電路，我們用來構(gòu)建我們的 PoE 注入器。

我們使用引腳 4 和 5 來承載電源，引腳 7 和 8 作為接地。其余引腳用于傳輸數(shù)據(jù)。我剛剛使用了兩個以太網(wǎng)連接器和一個 DC 插孔在零 PCB 上構(gòu)建了我的最小 PoE 注入器。您可以在下面看到完成的電路板。

為什么 PoE 的工作電壓為 12V 或更高？

現(xiàn)在我們都知道你的樹莓派只需要 5V 就可以啟動，但為什么我們要通過以太網(wǎng)電纜提供 12V 呢？答案是功率損耗和低電流要求。當我們通過電線長距離供電時，會出現(xiàn)功率損耗，因此電纜內(nèi)會出現(xiàn)電壓降。因此，盡管在注入時提供了 12V，但根據(jù)電纜的長度，我們在接收端只能得到大約 10-11V。

另一個原因是我們應該盡可能減少通過這些 LAN 電纜的電流。根據(jù)歐姆定律，電壓越高，相同功率級別的電流越低。所以 PoE 總是在更高的電壓下工作，有些 PoE 標準甚至可以在高達 57V 的電壓下工作。

為 Raspberry Pi 構(gòu)建 POE 分配器

這個小工具上有兩個輸入端口和一個輸出端口。輸入接受 PoE 以太網(wǎng)連接，而輸出端口提供標準以太網(wǎng)和直流電源。在輸入端，有 PoE 以太網(wǎng)。

在輸出端，我們有一個標準的以太網(wǎng)連接器以及一個直流電源。PoE 分離器的作用是將 PoE 以太網(wǎng)連接分離為標準以太網(wǎng)和可用的直流電源，這與 PoE 注入器截然相反。現(xiàn)在我們將看到 POE 分離器的電路圖。

電路很簡單，我們只需要使用樹莓派上的 PoE 引腳從網(wǎng)線獲取 12V 電壓即可。然后將此 12V 提供給 LM2596 降壓轉(zhuǎn)換器以將其降壓至 5V，然后將其提供給 Raspberry Pi 本身。我們還使用這個 12V 為風扇供電，以便在樹莓派工作時對其進行冷卻?，F(xiàn)在，由于某種原因，Pi 的 PoE 電源變得比較熱，它需要一個冷卻風扇才能安全運行。我們不知道溫度略有升高的原因，如果您知道 Raspberry Pi 為何在 PoE 上變熱，請將它們留在下面的評論部分。

就像 PoE 注入一樣，我們還在零 PCB 上構(gòu)建了 PoE Hat，如下所示。