构建一个Raspberry Pi PoE帽子

基于 Raspberry Pi 的系统需要互联网连接才能充分发挥潜力，对于物联网、图像处理、遥感和其他基于云的应用程序等应用程序尤其如此。考虑以下情况：您需要距离控制单元 200 米的农田中的湿度传感器数据，但该田地没有互联网接入或电源插座。由于这些偏远地区缺乏电源插座，现在远程部署受到了阻碍。

如果我们可以使用一条 LAN 电缆为我们的树莓派提供电源和数据会怎样？这种情况下，互联网和电力都通过同一条 LAN 线传输，称为以太网供电，在本教程中，我们将准确了解这一点。我们将讨论什么是 PoE？以及如何将PoE 与 Raspberry Pi一起使用。今天，我们将使用 Perf 板为 Raspberry Pi 和POE 注入器制作自己的 POE 硬件附件（HAT）。所以让我们开始吧！

为 Raspberry Pi 构建 PoE HAT 所需的组件

RJ45母插座（以太网母插座）x 2

母直流插孔 x 2

性能板

2596 降压转换器模块 x 1

Pi x 1 直流风扇

USB母插孔 x 1

pi x 2 的对峙

用于为 pi 供电的 USB 电缆

什么是 PoE，它有什么用处？

PoE或以太网供电是一种允许您使用以太网电缆远距离传输电力和数据的技术。

在互联网连接方面，如今 Wifi、WLAN、WiMaX 和移动网络等无线连接变得越来越普遍，但有线网络仍保持其相关性，因为无线网络无法匹配数据传输速度。因此，我们仍然相信基于有线 LAN 的网络有其自身的价值，因此被普遍选用。

以太网供电（PoE）是以太网供电的首字母缩写。该技术使数据和电力能够通过单个 CAT5e 以太网连接发送。该技术用于 IP 电话、安全摄像头和无线接入点等。

由于以太网连接被认为是最快速、最可靠的数据传输方法，因此仍有一件事落后：电力传输。因为所有技术设备都需要电源才能运行。在下表中，您可以看到迄今为止所遵循的各种PoE 电源容量标准。

POE的优势

使用 PoE 安装新的电源线可以节省时间和金钱。

网络电缆不需要有执照的电工服务来安装，它们几乎可以放置在任何地方。

PoE 安装也比常规布线便宜得多。

PoE 允许您将设备安装在难以安装电力的尴尬或偏远地区。

此外，可以轻松地传输和断开 PoE。它类似于即插即用，因为您不必破坏整个网络即可移动它。

如果您想部署带摄像头的无线接入点或 Pi，PoE 是理想的选择。

以太网供电类型

一般来说，有两种类型的 PoE，一种是主动的，另一种是被动的。

主动式 PoE：简而言之，主动式 PoE 是在交换机和 PoE 供电设备之间协商适当电压的任何类型的 PoE。而无源 PoE 不协商，因此它总是通过以太网线路发送设定的电流电压，而不管它要连接的设备是什么。

无源 PoE：通常称为无源以太网供电，是一种非标准 PoE。它还可以通过以太网电缆供电，无需任何协商或联系。无源 PoE 交换机没有 IEEE 标准。

因此，为了使事情变得更容易，我们将尝试为我们的 Raspberry Pi 构建一个被动 POE。但在进一步讨论之前，让我们看看树莓派的功耗，以便我们知道应该通过以太网电缆传输多少功率。

树莓派的功耗

由于项目功耗的计算和估算是工程师的必备任务，因此我们必须了解单个树莓派的空闲功耗。我在这里列出了一些最常用的案例：

注意：我们没有包括鼠标和键盘或任何其他外围设备所消耗的功率，因为它们会相应地消耗功率并且可以添加到上述功率中。

以太网电缆引脚

由于我们正在使用用于 PoE 的 LAN 电缆，因此了解我们将在以太网电缆中找到的不同线对的功能非常重要。下图显示了目前市场上可用的以太网电缆引脚排列。

PoE 交换机可以通过三种方式供电：PoE 模式 A、PoE模式B和4 对 PoE。在 PoE 模式 A 中，电源和数据同时通过引脚 1、2、3 和 6 传输。在 PoE 模式 B 中，电源被泵送到引脚 4、5、7 和 8。此外，4 对 PoE 将电源分配给所有8针同时。有源PoE交换机支持PoE Mode A、PoE Mode B和4对PoE，而无源PoE交换机只支持PoE Mode B。

我们正在为我们的 Raspberry Pi 3B+ 制作 PoE ModeB，下图显示了Raspberry Pi 上的 PoE 引脚。

为 Raspberry Pi 构建 POE 注入器

特别是，PoE 注入器可用于将网络交换机连接到无线接入点、IP 电话、网络摄像机或任何其他 IEEE 802.3af/at 供电设备（PD）。启用 PoE 的网络设备通过 PoE 注入器连接到非 PoE LAN 交换机端口。

基本上，PoE 供电器有 2 个输入，一个用于 DC 电源，另一个用于以太网端口。我们将制作自己的无源 PoE 注入器，该注入器将使用 12V 电源适配器在 LAN 电缆中注入或添加 DC 12V 的电位差。现在让我们谈谈连接。

因为连接很简单，我们必须确定哪对电线可用于电力传输，哪对电线负责数据。

在上图中，您可以看到线对 4-5 和线对 7-8 负责电力传输，其余的 1-2 和 3-6 负责数据传输。所以现在让我们看一下电路，我们用来构建我们的 PoE 注入器。

我们使用引脚 4 和 5 来承载电源，引脚 7 和 8 作为接地。其余引脚用于传输数据。我刚刚使用了两个以太网连接器和一个 DC 插孔在零 PCB 上构建了我的最小 PoE 注入器。您可以在下面看到完成的电路板。

为什么 PoE 的工作电压为 12V 或更高？

现在我们都知道你的树莓派只需要 5V 就可以启动，但为什么我们要通过以太网电缆提供 12V 呢？答案是功率损耗和低电流要求。当我们通过电线长距离供电时，会出现功率损耗，因此电缆内会出现电压降。因此，尽管在注入时提供了 12V，但根据电缆的长度，我们在接收端只能得到大约 10-11V。

另一个原因是我们应该尽可能减少通过这些 LAN 电缆的电流。根据欧姆定律，电压越高，相同功率级别的电流越低。所以 PoE 总是在更高的电压下工作，有些 PoE 标准甚至可以在高达 57V 的电压下工作。

为 Raspberry Pi 构建 POE 分配器

这个小工具上有两个输入端口和一个输出端口。输入接受 PoE 以太网连接，而输出端口提供标准以太网和直流电源。在输入端，有 PoE 以太网。

在输出端，我们有一个标准的以太网连接器以及一个直流电源。PoE 分离器的作用是将 PoE 以太网连接分离为标准以太网和可用的直流电源，这与 PoE 注入器截然相反。现在我们将看到 POE 分离器的电路图。

电路很简单，我们只需要使用树莓派上的 PoE 引脚从网线获取 12V 电压即可。然后将此 12V 提供给 LM2596 降压转换器以将其降压至 5V，然后将其提供给 Raspberry Pi 本身。我们还使用这个 12V 为风扇供电，以便在树莓派工作时对其进行冷却。现在，由于某种原因，Pi 的 PoE 电源变得比较热，它需要一个冷却风扇才能安全运行。我们不知道温度略有升高的原因，如果您知道 Raspberry Pi 为何在 PoE 上变热，请将它们留在下面的评论部分。

就像 PoE 注入一样，我们还在零 PCB 上构建了 PoE Hat，如下所示。