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(duì)于物聯(lián)網(wǎng)、圖像處理、遙感和其他基于云的應(yīng)用程序等應(yīng)用程序尤其如此。考慮以下情況：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(yuǎn)地區(qū)缺乏電源插座，現(xiàn)在遠(yuǎn)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(huì)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(zhǔn)確了解這一點(diǎn)。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(fēng)扇

USB母插孔 x 1

pi x 2 的對(duì)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(yuǎn)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(dòng)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?yàn)闊o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(jià)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(gè) 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(diǎn)等。

由于以太網(wǎng)連接被認(rèn)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?yàn)樗屑夹g(shù)設(shè)備都需要電源才能運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)。

POE的優(yōu)勢(shì)

使用 PoE 安裝新的電源線可以節(jié)省時(shí)間和金錢。

網(wǎng)絡(luò)電纜不需要有執(zhí)照的電工服務(wù)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(yuǎn)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?yàn)槟槐仄茐恼麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)即可移動(dòng)它。

如果您想部署帶攝像頭的無線接入點(diǎn)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(dòng)的，另一種是被動(dòng)的。

主動(dòng)式 PoE：簡而言之，主動(dòng)式 PoE 是在交換機(jī)和 PoE 供電設(shè)備之間協(xié)商適當(dāng)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(biāo)準(zhǔn) 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(jī)沒有 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。

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(gè)被動(dòng) POE。但在進(jìn)一步討論之前，讓我們看看樹莓派的功耗，以便我們知道應(yīng)該通過以太網(wǎng)電纜傳輸多少功率。

樹莓派的功耗

由于項(xiàng)目功耗的計(jì)算和估算是工程師的必備任務(wù)，因此我們必須了解單個(gè)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(biāo)和鍵盤或任何其他外圍設(shè)備所消耗的功率，因?yàn)樗鼈儠?huì)相應(yīng)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(duì)的功能非常重要。下圖顯示了目前市場(chǎng)上可用的以太網(wǎng)電纜引腳排列。

PoE 交換機(jī)可以通過三種方式供電：PoE 模式 A、PoE模式B和4 對(duì) PoE。在 PoE 模式 A 中，電源和數(shù)據(jù)同時(shí)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(duì) PoE 將電源分配給所有8針同時(shí)。有源PoE交換機(jī)支持PoE Mode A、PoE Mode B和4對(duì)PoE，而無源PoE交換機(jī)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(jī)連接到無線接入點(diǎn)、IP 電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(jī)端口。

基本上，PoE 供電器有 2 個(gè)輸入，一個(gè)用于 DC 電源，另一個(gè)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。現(xiàn)在讓我們談?wù)勥B接。

因?yàn)檫B接很簡單，我們必須確定哪對(duì)電線可用于電力傳輸，哪對(duì)電線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)。

在上圖中，您可以看到線對(duì) 4-5 和線對(duì) 7-8 負(fù)責(zé)電力傳輸，其余的 1-2 和 3-6 負(fù)責(zé)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(gè)以太網(wǎng)連接器和一個(gè) 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(dòng)，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(dāng)我們通過電線長距離供電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)功率損耗，因此電纜內(nèi)會(huì)出現(xiàn)電壓降。因此，盡管在注入時(shí)提供了 12V，但根據(jù)電纜的長度，我們?cè)诮邮斩酥荒艿玫酱蠹s 10-11V。

另一個(gè)原因是我們應(yīng)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(jí)別的電流越低。所以 PoE 總是在更高的電壓下工作，有些 PoE 標(biāo)準(zhǔn)甚至可以在高達(dá) 57V 的電壓下工作。

為 Raspberry Pi 構(gòu)建 POE 分配器

這個(gè)小工具上有兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。輸入接受 PoE 以太網(wǎng)連接，而輸出端口提供標(biāo)準(zhǔn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接器以及一個(gè)直流電源。PoE 分離器的作用是將 PoE 以太網(wǎng)連接分離為標(biāo)準(zhǔn)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(gè) 12V 為風(fēng)扇供電，以便在樹莓派工作時(shí)對(duì)其進(jìn)行冷卻。現(xiàn)在，由于某種原因，Pi 的 PoE 電源變得比較熱，它需要一個(gè)冷卻風(fēng)扇才能安全運(yùn)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(qǐng)將它們留在下面的評(píng)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。

當(dāng)安裝在 Raspberry pi 頂部時(shí)，這些板是這樣的。

準(zhǔn)備好 PoE 注入器和 PoE HAT 后，您可以直接為它們通電、啟動(dòng) Raspberry Pi 并檢查您的互聯(lián)網(wǎng)連接。您可以在本頁底部鏈接的視頻中查看這兩個(gè)板的工作情況。