Tìm hiểu về POE (cấp nguồn qua cáp Ethernet)

Cấp nguồn qua cáp Ethernet là gì?

Cấp nguồn qua cáp Ethernet (Power over Ethernet - POE) là công nghệ cho phép cáp mạng mang năng lượng điện.

Ví dụ, một camera an ninh kỹ thuật số thường yêu cầu thực hiện 2 kết nối khi cài đặt:

• Kết nối mạng để có thể giao tiếp với thiết bị ghi và hiển thị video
• Kết nối nguồn để cung cấp năng lượng điện mà camera cần để hoạt động

Tuy nhiên, nếu camera được kích hoạt POE, chỉ cần thực hiện kết nối mạng, vì nó cũng sẽ nhận được điện năng từ cáp này.

Tại sao nên sử dụng POE?

Sử dụng POE mang lại nhiều lợi thế cho việc cài đặt:

• Tiết kiệm thời gian và chi phí - Bằng cách giảm thời gian và chi phí lắp đặt hệ thống cáp điện. Cáp mạng không yêu cầu một thợ điện có trình độ và có thể được đặt ở bất cứ đâu.
• Tính linh hoạt - Không bị ràng buộc với ổ cắm điện, các thiết bị như camera IP và điểm truy cập không dây có thể được đặt ở bất cứ nơi nào cần thiết nhất và dễ dàng thay đổi vị trí nếu cần.
• An toàn - Phân phối POE rất thông minh và được thiết kế để bảo vệ thiết bị mạng khỏi quá tải, thiếu điện hoặc cài đặt không chính xác.
• Độ tin cậy - Năng lượng cho POE đến từ một nguồn tương thích giữ vị trí trung tâm và phổ quát, chứ không phải là một tập hợp các adapter treo tường phân tán. Nó có thể được cấp nguồn điện liên tục hoặc được điều khiển để dễ dàng vô hiệu hóa hay reset lại thiết bị.
• Khả năng mở rộng - Nguồn điện có sẵn trên mạng có nghĩa là việc cài đặt và phân phối các kết nối mạng sẽ đơn giản và hiệu quả.

Các thiết bị sử dụng POE

POE có nhiều ứng dụng, nhưng ba lĩnh vực chính là:

• Điện thoại VoIP - Ứng dụng POE gốc. Sử dụng POE có nghĩa là điện thoại có một kết nối duy nhất với ổ cắm trên tường và có thể được tắt nguồn từ xa, giống như với các hệ thống analog cũ.
• Camera IP - POE hiện có mặt khắp nơi trên các camera giám sát được nối mạng, cho phép triển khai nhanh chóng và tái định vị dễ dàng.
• Không dây - WiFi, Bluetooth AP và đầu đọc RFID thường tương thích với POE, để cho phép hoạt động ở các vị trí từ xa so với các ổ cắm AC và dễ xác định lại vị trí sau khi khảo sát địa điểm.

Cách nâng cấp lên POE

Thêm POE vào mạng rất đơn giản và có hai cách bạn có thể chọn:

• Switch POE là switch mạng có tích hợp tính năng Power over Ethernet. Chỉ cần kết nối các thiết bị mạng khác với switch như bình thường và switch sẽ phát hiện xem chúng có tương thích với POE hay không, sau đó tự động bật nguồn.

Switch POE có sẵn để phù hợp với tất cả các ứng dụng, từ các edge switch (thiết bị không cho phép thay đổi cấu hình) không cần quản lý, chi phí thấp với một vài cổng, cho đến những thiết bị gắn trên nhiều cổng phức tạp cần sự quản lý chặt chẽ.

• Một midspan (hay POE injector - bộ tăng áp POE) được sử dụng để thêm khả năng POE vào các liên kết mạng không có POE thông thường. Midspan có thể được sử dụng để nâng cấp các cài đặt LAN hiện có lên POE và cung cấp một giải pháp linh hoạt khi cần ít cổng POE hơn. Nâng cấp mỗi kết nối mạng lên POE cũng đơn giản như việc thêm nó thông qua midspan, và như với các switch POE, việc truyền năng lượng diễn ra tự động và được kiểm soát.

Midspan có sẵn dưới dạng các thiết bị gắn trên nhiều cổng hoặc injector một cổng chi phí thấp.

Cũng có thể nâng cấp các thiết bị được hỗ trợ, chẳng hạn như camera IP, lên POE bằng cách sử dụng bộ chia POE. Bộ chia POE được thêm vào kết nối mạng của camera và tắt nguồn POE, chuyển đổi thành điện áp thấp hơn phù hợp với camera.

Những quan niệm sai lầm về Power over Ethernet, các tùy chọn cho POE công suất cao và thêm một chút về cách thức hoạt động của công nghệ này sẽ có trong phần tiếp theo của bài viết.

Những quan niệm sai lầm về POE

POE là một công nghệ được phát triển gần đây và nhiều người đã không chấp nhận sử dụng nó bởi một loạt các thông tin mâu thuẫn hoặc lỗi thời có sẵn về chủ đề này. Dưới đây là những quan niệm sai lầm phổ biến nhất:

• POE có vấn đề tương thích. Không phải vậy. Đúng là trong những ngày đầu, nhiều hệ thống độc quyền sử dụng POE. Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEEE 802.3af đã được áp dụng rộng rãi vì sự phổ biến của POE đã lan rộng hơn, nghĩa là khả năng tương thích giữa tất cả các thiết bị POE hiện đại được đảm bảo.
• POE đòi hỏi kiến ​​thức về điện. Một lần nữa, sự triển khai đặc biệt có thể yêu cầu việc thiết kế cẩn thận, nhưng IEEE 802.3af POE được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong mọi cấu hình có thể có với cáp Ethernet thông thường. Tất cả những gì người dùng phải làm là kết nối mạng như bình thường và thiết bị sẽ đảm nhiệm việc cung cấp điện.
• POE yêu cầu hệ thống dây điện đặc biệt. Hoàn toàn không, các kiểu cáp - Cat 5e, Cat 6, v.v... - và đầu nối kiểu "RJ45" giống nhau được sử dụng cho cả mạng cục bộ thông thường và mạng hỗ trợ PoE.
• Lượng điện tiêu thụ là mức được ghi trên thiết bị. Quan niệm sai lầm này cực kỳ phổ biến, tuy nhiên điều quan trọng cần nhớ là xếp hạng năng lượng do các nhà sản xuất đưa ra và không cố định. Cắm camera 5W vào injector 15W không làm mất thêm 10W điện. Camera sẽ chỉ tiêu thụ lượng điện cần thiết.

POE công suất cao

Tiêu chuẩn POE 802.3af phù hợp với các thiết bị mạng yêu cầu công suất điện lên tới khoảng 13W, nhưng nhiều thiết bị trong thị trường đã áp dụng POE cần mức công suất lớn hơn một chút nữa. Chắc chắn các cáp và đầu nối mạng có thể xử lý mức công suất lớn hơn, nhưng những hệ thống POE công suất cao là độc quyền và không phải lúc nào cũng tương thích ngược với POE 802.3af thông thường.

Vì lý do này, một tiêu chuẩn mới đã được giới thiệu bởi IEEE nhằm tăng cường sức mạnh sẵn có: 802.3at hoặc POE Plus. POE Plus có các tính năng sau:

• Công suất điện tăng - POE Plus tăng gần gấp đôi lượng điện năng có sẵn cho các thiết bị được cấp nguồn, lên tới 25,5W.
• Tương thích với 802.3af POE - Các switch và injector POE Plus sẽ nhận ra những thiết bị hỗ trợ 802.3af và kích hoạt POE cho chúng như bình thường. Các thiết bị được hỗ trợ POE Plus cũng có thể được kết nối với switch và injector POE 802.3af, được cho là để hạn chế lượng điện năng sử dụng tương ứng.
• Hạn mức năng lượng thông minh - 802.3at bao gồm phạm vi cho các nguồn năng lượng và những thiết bị được cấp nguồn để liên lạc với nhau và điều chỉnh mức hạn định năng lượng điện.

POE Plus đồng nghĩa với một loạt các thiết bị mạng hoàn chỉnh hơn hiện có thể được cung cấp năng lượng POE, bao gồm cả camera IP và các điểm truy cập không dây đa kênh.

Lưu ý rằng 802.3at tồn tại song song cùng với tiêu chuẩn 802.3af và chúng không thay thế cho nhau. 802.3af vẫn sẽ được sử dụng bởi phần lớn các thiết bị Power over Ethernet trong tương lai gần.

POE hoạt động như thế nào?

Các dây cáp mạng, như Cat 5e và Cat 6, bao gồm 8 dây được sắp xếp thành 4 cặp xoắn. Trong Ethernet 10 và 100BASE-T, hai trong số các cặp này được sử dụng để gửi thông tin và chúng được gọi là cặp dữ liệu. Hai cặp còn lại không được sử dụng và được gọi là các cặp dự phòng (Gigabit Ethernet sử dụng tất cả 4 cặp).

Bởi vì dòng điện chạy trong một vòng lặp, 2 dây dẫn được yêu cầu để cung cấp năng lượng qua cáp. POE coi mỗi cặp là một dây dẫn duy nhất và có thể sử dụng 2 cặp dữ liệu hoặc 2 cặp dự phòng để mang dòng điện.

POE được đưa vào cáp ở điện áp trong khoảng từ 44 đến 57V DC và thường sử dụng 48V. Điện áp tương đối cao này cho phép truyền tải điện hiệu quả dọc theo cáp, trong khi vẫn đủ thấp để được coi là an toàn.

Điện áp này an toàn cho người dùng, nhưng nó vẫn có thể làm hỏng thiết bị chưa được thiết kế để nhận POE. Do đó, trước khi POE switch hoặc midspan (được gọi là PSE, hay Power Sourcing Equipment) có thể cấp nguồn cho camera IP được kết nối hoặc thiết bị khác (được gọi là PD, hay Powered Device - thiết bị được cấp nguồn), nó phải thực hiện quy trình phát hiện chữ ký.

Phát hiện chữ ký sử dụng điện áp thấp hơn để phát hiện chữ ký đặc trưng của các PD tương thích với IEEE (điện trở 25kOhm). Khi chữ ký này đã được phát hiện, PSE biết rằng điện áp cao hơn có thể được áp dụng một cách an toàn.

Việc phân loại tuân theo giai đoạn phát hiện chữ ký và là một quá trình tùy chọn. Nếu một PD hiển thị chữ ký phân loại, nó sẽ cho PSE biết nó cần bao nhiêu năng lượng để hoạt động, là một trong ba lớp năng lượng. Điều này có nghĩa là các PSE với tổng năng lượng hạn chế có thể phân bổ nó một cách hiệu quả. Các lớp năng lượng POE như sau:

Sự chênh lệch giữa công suất được cung cấp bởi PSE và công suất mà PD nhận được bị tiêu hao dưới dạng nhiệt trong cáp. Nếu một PD không hiển thị chữ ký, thì nó là lớp 0 và phải được phân bổ tối đa 12,95W.

Thiết bị POE Plus có lớp năng lượng là 4. Nếu nguồn POE 802.3af thông thường phát hiện lớp này, nguồn sẽ được kích hoạt như thể nó là thiết bị loại 0. Tuy nhiên, PSE 802.3at sẽ không chỉ nhận ra PD là thiết bị POE Plus. Nó cũng sẽ lặp lại giai đoạn phân loại, như một tín hiệu cho PD được kết nối với nguồn điện có đầy đủ năng lượng POE Plus. (Về lý thuyết, PD cũng có thể yêu cầu thêm năng lượng bằng cách liên lạc qua liên kết mạng). Các PSE Plus có thể cung cấp tới 30W và công suất thiết bị khả dụng là 25,5W.

Giai đoạn cuối cùng sau khi phát hiện và phân loại thiết bị mới được kết nối là bật nguồn: Nguồn 48V được PSE kết nối với cáp để PD có thể hoạt động. Sau khi được bật, PSE tiếp tục theo dõi lượng điện được cung cấp cho PD và sẽ cắt nguồn điện cho cáp nếu điện năng quá nhiều hoặc cấp thêm nguồn điện nếu không đủ. Điều này bảo vệ PSE, để nó có thể chống lại hiện tượng quá tải và đảm bảo rằng POE bị ngắt kết nối với cáp nếu rút phích cắm PD.