【中国安防展网络视点追踪】谈到楼宇自动化，无论是在建的新楼，还是旧楼的改造，无线传感器网络（WSN）和物联网（IoT）越来越多常见的 。 WSN 使我们能够为现有建筑基础设施添加“智能”，同时避免在一些难以到达的区域进行布线和安装。
楼宇自动化：降低能源消耗并提高能源效率
在无线系统蓬勃发展和部署的同时，这也带来了一些新的问题，例如在 HVAC 中添加更多传感器的原因和目的是什么？ 它是用于照明还是建筑安全系统？
楼宇自动化的四大当前趋势回答了这个问题：能源效率、安全和保障、住户舒适度和预防性维护。
下面，我们将重点关注能源效率这一主题，这是向楼宇自动化系统添加更多传感器的重要趋势。
无论是业主、房主还是租户，每个人都关心能源效率和省钱。 目前，建筑用电大部分由电网提供，其中30%被浪费掉了。 通过使用传感器节点并仅在必要时运行能源密集型设备楼宇自控温湿度传感器价格，可以显着减少能源使用。 以这种方式创建的智能建筑将对节能、减少废物和降低成本产生巨大影响。
在暖通空调系统中，可以通过增加独立的环境传感器实现智能监测和控制。 这些传感器可以从建筑物中的每个区域或房间获取准确的温度和湿度信息。 一般来说，如果只有一个房间在使用，我们仍然需要支付整栋楼或整栋房子的供暖或制冷费用。 因此，与其安装中央温度监控设备，不如在整个建筑物中添加多个传感器，让用户可以根据房间的使用方式或使用时间灵活地控制加热和冷却区域。
较大的商业建筑可以通过人数统计系统实施需求控制通风 (DCV)。 DCV 可以根据房间内的人数输送新鲜空气，而不是直接根据预设控制打开 HVAC 系统。
仅暖通空调和照明系统就占商业建筑用电量的 59%。 智能监测和控制解决方案会极大地影响这些应用的用电量。 借助低功耗占用检测器和能量采集日光传感器等用于照明控制的互连传感器，以及用于 HVAC 控制的互连传感器（如低功耗环境传感器和人数统计系统），我们可以真正开始降低总能耗。
CAN（Area）协议是欧洲汽车电子公司Bosch GmbH于1983年为车载网络开发的。 开发CAN协议的目的是通过单线实现车辆不同电子控制单元（ECU）和微控制器控制单元（MCU）之间的稳健数据通信，从而摆脱它们之间复杂的点对点布线. 总线传输数据，CAN不需要任何主机。
标准 CAN 协议在 OSI 模型的物理层和数据链路层运行。 CAN中没有实现其他协议栈层，事实证明这是一个很大的优势。 系统工程师可以自由地以最适合应用的方式设计其他协议栈层。 如今，CAN 作为一种健壮、简单、跨域和多功能的串行网络通信协议享有盛誉，只要属于不同域的电子设备之间需要频繁的实时数据通信，就必须实施该协议。 CAN 具有 、 和 J1939 等变体，允许针对特定用例实施所有七个协议栈层以及标准 CAN 第 1 层和第 2 层。 学习标准 CAN 协议的实现将很有启发意义。
在本文中，我们将了解 CAN 协议及其独特功能。 然后，我们将探讨 CAN 协议的一些典型应用，并研究如何在这些应用中使用 CAN。
标准
CAN 规范定义了 CAN 协议和 CAN 物理层。 该协议主要由 ISO-11898 规范定义，但其他规范（例如用于低速串行数据通信的 ISO-11519）也适用于该协议。 ISO-11898 规范分为三个部分。 第一部分定义了数据链路层和单个物理链路的规范。 规范的第二部分定义了高速 CAN 的 CAN 物理层。 规范的第三部分定义了低速 CAN 的 CAN 物理层。
低速 CAN 的数据速率为 5Kbps、10、20、50 和 . High-Speed CAN 的数据速率为 250、500 和 1Mbps。 在 CAN 网络中，数据通过特性阻抗为 120 欧姆的屏蔽或非屏蔽双绞线或带状电缆进行通信。 根据 CiA DS-102 规范使用 DB9（公）连接器。 CiA 代表“自动化中的 CAN”。 CAN总线的最大范围为1000m()。 对于高速 CAN，在 1Mbps 时最大范围为 40m。 一条 CAN 总线最多可以连接 127 个节点。
CAN 协议的工作原理
在 CAN 网络中，每个连接到总线上的电子设备或系统都是一个节点。 每个节点由三个元素组成——主机控制器、CAN 控制器和 CAN 收发器。 主机控制器是设备/系统中的微控制器或处理器，它为特定工作运行特定应用程序。 CAN 控制器处理主机控制器和 CAN 总线之间 CAN 消息的传输和接收。 它充当协议处理程序。 CAN 收发器负责通过 CAN 总线发送和接收 CAN 消息。 它充当线路驱动器。 主机控制器是物理控制器/处理器，而 CAN 控制器和 CAN 收发器以软件或固件实现。
CAN 节点的组件
每个节点都是一个 CAN 收发器。 数据以半双工、异步方式传输。 这些位使用差分电压通过 CAN 总线传输。 CAN 总线中的两条线称为 CAN low 和 CAN high。 CAN 总线有两种不寻常的逻辑状态，称为隐性和显性。 逻辑 1 是隐性状态，逻辑 0 是显性状态。 通常，总线处于隐性状态，即逻辑 1。对于隐性状态或通信逻辑 1，CAN 低线和 CAN 高线都施加了电源电压 VDD 或 VCC 的一半。 电源电压通常为 5V，因此 2.5V 应用于两条线。 结果，导线之间的差分电压为 0V。 这被读为逻辑 1。在显性状态下，CAN 高电平被上拉至 3.5V，CAN 低电平被上拉至 1.5V。 因此，两条线之间的电压差为2V。 这是总线的显性状态，被 CAN 收发器读取为逻辑 0。
CAN 信号电平示例
显性状态总是覆盖隐性状态。 只有当所有节点都发送隐性位时，总线才处于隐性电平。 由于 AND 逻辑，即使单个节点发送显性位，总线状态也是显性的。
CAN 是一种基于消息的协议。 数据以消息帧的形式进行通信。 帧是有意义的位序列。 消息帧有四种类型——数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。 数据帧携带来自某个CAN收发器的报文，发送远程帧向其他CAN收发器请求数据，发送错误帧表示数据帧有错误，发送过载帧表示数据帧过载，表示数据帧的传输延迟是必需的。 标识符字段标识每个帧。 标识符字段在标准 CAN 中为 11 位长，在扩展 CAN 协议中为 29 位长。 要了解有关数据帧和其他 CAN 帧的结构/格式的更多信息，请查看有关标准 CAN 协议的这篇文章。
同一时间，只有一个节点可以访问总线。 CAN 协议中使用的访问方法是一种称为按位仲裁 (BA) 的带冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD) 方法。 数据帧的标识符字段设置消息的优先级。 标识符值越低，优先级越高。 因此，标识符字段为0x6C3的数据帧比标识符字段为0x7B4的数据帧具有更高的优先级。 类似地，标识符字段为0x7B3的数据帧比标识符字段为0x7B4的数据帧具有更高的优先级。
如果任何节点空闲，即隐性，它可以访问 CAN 总线。 如果两个或多个节点同时尝试访问总线，则发送具有较低标识符字段的数据帧的节点，即具有较高优先级的数据帧，获得总线访问权。 标识符字段从 MSB（位 10）到 LSB（位 0）逐位比较，直到节点赢得仲裁。 如果一个节点正在传输相应的隐性位，而任何其他节点正在传输显性位，则该节点将失去仲裁。 这样，发送数据帧的标识符值最小，即优先级最高的节点，就可以访问CAN总线。 其他节点必须根据其数据帧的优先级等待轮到他们。
一个 CAN 节点传输的数据帧被传输到总线上的所有其他节点。 在其他节点上，标识符字段只有在适用于它们时才会被它们过滤和接受。
为什么？
选择 CAN 协议的原因有很多。 CAN 是一种串行网络通信协议，只需要两根线即可在多个设备之间进行数据通信。 连接在 CAN 网络中的所有设备都通过公共双线总线进行通信。 无需一对一连接两个节点/设备。
由于CAN控制器和CAN收发器是在软件/固件层面实现的，协议只在物理层和数据链路层实现，来自不同领域的设备可以在同一总线上进行通信。 每个设备或节点上的 OSI 模型的其他层可以由系统工程师根据特定节点/设备的需要或角色单独设计。
CAN 是一种基于消息的协议。 与基于地址的协议不同，这种类型的协议不受总线上节点添加或删除的影响。 通过总线传输的消息被广播到所有其他节点，并根据节点级标识符字段进行过滤。 优先级通过其标识符字段附加到消息帧楼宇系统自控协议，而不是附加到 CAN 节点。 这消除了识别共享 CAN 总线的节点的需要。 可以在不影响 CAN 网络的情况下插入或移除节点。
作为为车载网络构建的协议，该协议使用差分电压。 因此，数据不能被其他节点破坏或更改。 由于电压等级不同，CAN 是最强大的串行通信协议之一。
CAN 总线是最不可能在设备之间发生任何冲突的。 通过按位仲裁将优先级附加到消息，因此最重要的消息首先通过总线进行通信，而不管传输它们的节点如何。 数据在总线上异步传输，并通过按位仲裁确定优先级。
该协议支持错误检查以确保可靠性并提供出色的抗噪性。 CAN 是一种广泛使用的串行通信协议，用于嵌入式电子设备之间低速但频繁的数据交换。 许多芯片都有一个内置的 CAN 接口。 用于建立 CAN 网络的半导体芯片可从 Maxim、Texas、NXP、ST 等供应商处获得。
CAN的应用
CAN 协议广泛用于所有类型的汽车行业应用，包括乘用车、重型货车和多用途车辆以及农用车辆。 作为一种健壮、可靠和通用的串行通信协议，CAN 不仅限于汽车。 该协议被高速列车和飞机的控制模块使用。 它被汽车中的娱乐和信息娱乐系统使用。 该协议用于控制和监控起重机和钻探探头。 它被电梯和电梯控制系统使用。 该协议用于楼宇自动化，例如供暖和空调系统。 它还用于自动门和窗帘开启器。 它用于温室和农场的自动浇水。 由于其稳健性和多功能性，该协议已在医疗仪器中广泛采用。 许多机床控制系统使用 CAN 网络作为工厂自动化的设备内总线系统。 传感器网络也使用此协议，因为环境因素需要信号稳健性。
车
CAN 中的 CAN 协议是为车载网络而构建的，用于大多数乘用车。 它可以实现多个 ECU 之间的数据通信，而无需任何一对一的布线。 大多数汽车都有基于 CAN 的发动机管理系统。 不仅如此，大多数汽车都通过基于 CAN 的多路复用系统连接到车身电子 ECU。 车载娱乐系统通过CAN总线连接。 此外，车载诊断系统也采用了CAN总线。 ISO-15765 是基于 CAN 的诊断接口的规范。 CAN还用于车载娱乐设备之间面向连接的数据通信。
CAN 网络可以在电动和混合动力汽车中发挥意想不到的广泛作用。 它对于逆变器、电池管理系统和伺服电机控制器之间的通信很有用。 它还将伺服控制器与驱动器的 HMI 连接起来。 尽管 CAN 变体主要用于非汽车应用，但它在混合动力和电动汽车中也有实用性。
许多农业机械，例如挖掘机和叉车，都依赖于基于 CAN 的网络。 在卡车起重机中，CAN 用于监视和控制起重机系统。
在公共交通系统中
CAN CAN 协议广泛用于高速列车和飞机。 列车采用CAN连接制动控制系统。 在高速列车中，CAN 用于自动制动。 火车还使用 CAN 与制动控制、车门控制、诊断、货车监控等子系统以及与火车总线系统的网关进行通信。 CAN 在自动化客户服务和乘客信息系统方面也很有用。
在公路运输中，基于 CAN 的传感器网络用于速度检测、交通监控和交通灯管理。 CAN 也是海事电子设备使用的协议。 它还用于连接飞机发动机控制系统与飞行状态传感器和导航系统。
用于工业自动化的 CAN
作为一种具有错误检测方法、鲁棒信号逻辑和故障限制能力的可靠串行通信协议，基于 CAN 的协议（例如，和智能分布式系统）广泛应用于工业机器控制。 半导体制造设备、纸箱包装机、纺织品加工机、印刷机和质量控制设备都依赖于嵌入式 CAN 网络。 基于CAN的分布式控制系统广泛应用于机器人控制和流水线自动化。
楼宇自动化中的 CAN
在楼宇自动化中，CAN 协议被子网广泛使用。 电梯和电梯控制系统、空调系统、自动门、自动窗帘开启器、窗帘控制系统、加热和冷却系统以及照明控制系统使用基于 CAN 的协议在来自不同域的电子设备之间进行通信。
医疗电子中的 CAN
由于其强大的信号传输、错误检测能力和跨域通信，CAN 是一种广泛用于 X 光机和 CT 扫描仪等医疗电子设备内通信的协议。 基于 CAN 的协议也适用于重症监护室和手术室设备之间的联网。
嵌入式电子产品
CAN CAN 支持灵活的嵌入式网络，并在许多消费电器和设备中用作系统总线，例如洗衣机、自动售货机、视听系统、咖啡机和许多其他家用电器。
