视频会议系统H.323与SIP互通网关的设计-与实现硕士学位论文.doc

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1、硕士学位论文视频会议系统H.323与SIP互通网关的设计与实现专 业 名 称： 软件工程 研究生姓名： 温泉 导 师 姓 名： 翟 玉 庆 倪 庆 剑 THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF INTERWORKING GATEWAY BETWEEN H.323 AND SIP ON VIDEO CONFERENCE A Thesis Submitted toSoutheast UniversityFor the Academic Degree of Master of EngineeringBYWEN QuanSupervised byProf. ZHAI Yu-qi

2、ngandDr. NI Qing-jianCollege of Software EngineeringSoutheast UniversityJune 2014东 南 大 学 学 位 论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日 期： 东 南 大 学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明

3、东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名： 导师签名： 日 期：摘要摘要视频会议系统又称会议电视系统，是指两个或两个以上不同地方的个人或群体，通过传输线路及多媒体设备，将声音，影像及文件资料互相传输，实现即时互动的沟通。随着视频会议技术的日益成熟，视频会议系统在世界范围内各大中小型企业中的使用越来越普及，而主流视频会

4、议系统是基于国际电信联盟制定的H.323协议与互联网工程组提出的SIP协议，H.323协议技术成熟、应用广泛，但较为复杂、繁琐，而SIP协议相对于H.323协议出现较晚，具有容易理解，易于实现的特点，因此发展迅速。因此基于两种不同协议的视频会议终端之间的互通成为了当下趋势，本课题正是在此背景下进行的研究和开发。本文设计并实现了视频会议系统H.323与SIP互通网关，网关基于H.323与SIP协议栈，对分别基于H.323与SIP协议的终端提供了良好的互通功能。具体的，本文针对互通网关的开发做了如下工作：一通过研究对比H.323协议和SIP协议的特点和优劣势，具体探讨了两种不同协议的呼叫流程，消息

5、解析，消息响应方式，提出了协议转换的解决方案，设计了互通网关的架构。二在互通网关软件架构的具体设计中，通过对协议间通信机制的分析，提出了模块化的设计方案，提高了互通网关的开发效率，减少了维护成本。三通过延伸的需求分析，为即时发现互通网关的bug，保证其在提供服务时的稳定性，特别增加了日志系统，以便在问题发生时准确的跟踪定位出根因。论文的研究工作基本解决了互通网关设计过程中的一些关键技术问题，满足了视频会议系统中分别基于H.323协议与SIP协议终端的互通、支持多种视音频协议以及通过日志系统迅速定位问题根因等需求，系统安全性和可靠性高，报警实时，具有很好的工程应用价值。关键词：H.323协议，S

6、IP协议，互通网关，消息解析AbstractVideo conference system is also called the conference television system, refers to two or more than two different parts of the individual or groups, Via the transmission lines and multimedia equipment, sound, image and file data can be transmitted with each other, realizing rea

7、l-time interactive communication. With video conference technology becoming more and more mature, video conference system within the scope of small and medium-sized enterprises are widely used around the world. And mainstream video conferencing system is based on the H.323 protocol developed by the

8、international telecommunication union and the SIP protocol proposed by the Internet engineering group. The technology of H.323 protocol is mature and widely used, but it is more complex and tedious. However, compared with the H.323 protocol, SIP protocol appeared later but it has the characteristics

9、 of easy-understanding, easy-implement and developing rapidly. So the interworking gateway between terminals of video conference based on two different protocols has become the trend. And the topic is the under the background of the research and development of that. This paper designed and implement

10、ed of video conference system H.323 and SIP interworking gateway. The gateway is based on H.323 and SIP protocol stack and provides a great interworking function for the terminal based on H.323 and SIP protocol. Specifically, this papermade the following work for the development of the gateway as fo

11、llows:Firstly, by comparing with the characteristics, advantages and disadvantages of H.323 and SIP protocol, specifically discussed the analysis of two different protocols in the calling process, message parsing and message response mode field. I put forward the solution of transformation between d

12、ifferent protocols and design the architecture of the interworking gateway.Secondly, I put forward the modular design to improve the efficiency of the development and to reduce maintenance costs of the system in the architecture of the interworking gateway after analyzing the communication mechanism

13、 between the proposed protocols.Thirdly, in order to detect the real time errors in the interworking gateway, the logging system is needed to track and position the problems occurred in the system which is running, so that the security and stability is always being guarantee.The research work of thi

14、s thesis has basically solved some key technical problems in the interworking gateway in the design process and satisfies many needs, For example, the interchanges terminal based on H.323 protocol and SIP protocol can support for multiple video and audio protocols. And it could quickly position the

15、problems by logging system in the video conference system. It has friendly man-machine interface, high system reliability and security, alarm in real-time, and has great value in engineering application.Keywords: H.323 protocols, SIP protocol, communication gateway, message parsingI目录目录摘要IAbstractII

16、目录I第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究动机与目的11.3 国内外研究现状21.3.1 发展历史21.3.2 国内外主要厂商及产品21.3.3 DCS和FCS31.4 章节安排4第二章 通信方式及相关技术原理分析52.1 现场总线技术52.1.1 现场总线发展历史及标准化52.1.2 现场总线技术特点62.1.3 监控报警系统组网方案选择62.2 CAN总线72.2.1 CAN的一些基本概念和特点82.2.2 四种数据帧及帧结构92.3 信息传递机制122.4 双CAN冗余热备份技术122.5 本章小结13第三章 监控报警系统的分析与实现143.1 系统主要技术指标要求143.1.1

17、 主要功能技术指标143.1.2 产品行业规范要求153.2 系统硬件架构153.3 系统软件架构183.3.1 软件需求193.3.2 软件设计的规范及要求193.3.3 软件体系结构193.3.4 人机界面功能模块具体划分203.3.5 通信模块213.3.6 系统数据库管理223.3.7 报警管理233.3.8 用户操作243.4 工作流程逻辑分析243.4.1 报警处理流程243.4.2 系统工作流程263.5 系统的具体实现273.5.1 监测点研究273.5.2 帧的传输、接收和解析293.5.3 报警信息的发送313.6 本章小结31第四章 系统界面设计和控件库的开发324.1

18、UI设计思路324.2 UI展示与描述334.3 控件库374.3.1 报警灯374.3.2 仪表盘384.3.3 柱状图394.3.4 趋势图404.3.5 报警列表控件414.3.6 其它控件414.4 本章小结43第五章 延伸报警板系统445.1 系统指标445.1.1 硬件基础445.1.2 性能指标445.1.3 必备功能445.2 软件模块和功能455.3 数据帧接收，解析和显示465.4 本章小结47第六章 总结与展望486.1 论文工作总结486.2 研究工作展望50致谢51附录一52参考文献53I第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景本课题来源于华为企业业务智真部门视频会议

19、系统中“Switch Center”数据交换中心项目的协议互通网关模块，主要实现的功能是将两个互不相通的多媒体通信协议H.323与SIP实现地址解析、消息解析和码流转换，并映射两个不同协议的网络间编解码算法，最终达到协议互通的目的。H.323协议是由国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU Telecommunication Standardization Sector，简称ITU-T)制定的在无QoS保证的分组网络上传输实时多媒体信息的网络系统标准，而SIP是互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force,简称 IETF)提出的一个应用层的控制信令，而

20、目前运用于视讯产业视频会议系统中的通信协议大多采用的是H.323协议。但随着视频会议系统技术迅速发展，SIP协议以其简单、容易理解以及易实现的特点，引起了业界的广泛关注，不少视频会议厂商已经开始使用SIP协议，但是由于H.323.协议比较成熟，在一段时间内，SIP还不能完全取代H.323,在视频会议领域将出现两者共存的局面，实现二者之间的互通已经成为当前亟待解决的一个关键问题，目前，SIP和H.323两种协议之间的互通已经成为一种趋势。本课题正是在此背景下对H323-SIP互通网关展开深入研究。1.2 研究动机与目的课题研究的总目标是：基于对H.323协议和SIP协议及其在视讯系统中终端的观察

21、及研究，分析两种协议通信行为的特征，设计可行的多媒体通信协议H.323和SIP协议的互通网关，并在华为的视频会议系统中验证该互通网关在各种复杂组网，呼叫流程中是否可行，同时在日志系统的配合下，即时定位出出错信息，提高其稳定性。为达到该目标，需要完成以下几个子目标：1）分析研究H323协议与SIP协议，并对基于两种不同协议的视讯终端进行比对，并了解两种协议在呼叫流程、地址解析、消息解析以及媒体编解码算法的异同。2）编码实现H.323协议与SIP协议的呼叫流程、地址解析、消息解析和媒体编解码算法的转换功能，使给予两种不同协议的视讯终端能够进行视音频码流传输。3）完善日志跟踪系统，使得互通网关运行时

22、遇到问题，可以迅速定位出根因，提高稳定性。4）互通网关在各种复杂组网，呼叫流程中都能够顺利进行，并将网络环境的影响降到最小。1.3 国内外研究现状1.3.1 发展历史视频会议的发展已经有将近40年了，在90年代前没有一个全球的统一标准，所以世界上的各大视频会议的厂商使用各自开发的编解码器，导致了各种会议的终端只有使用同一厂商生产的才能够正常工作，这极大的阻碍了视频会议系统的发展，并且极大的受限于当时网络状况，同时不理想的带宽，也限制的视频会议音视频码流，辅流的传输速度。视频会议真正的有了好的发展是在1997年3月ITU-T发布H.323.协议，这一互通标准使得各厂商相继推出各自符合标准的产品，

23、而随着近年来网络运营商对网络环境的长久建设和改造以及ISDN（综合服务数字网），DDN（数字数据服务），VPN（虚拟专用网络），xDSL（通用数字用户线），ATM（异步传送模式）等技术的发展应用，使得视频会议系统所处的网络环境也越来越稳定。现在国内几个较大的视频会议网有国家电网“网娱”视频会议系统，中国人民银行视频会议网，中国联通视频会议业务网等。1.3.2 国内外主要厂商及产品挪威康斯伯格(kongsberg) 吕健，刘贇等. 信息化船舶主机监控报警系统的最新发展J. 柴油机，2006,28(6)：11-14：康斯伯格成立于1814年，总部位于挪威康斯伯格市，在25个国家设有分支机构，员工6

24、472人，销售服务网络遍及北美洲、南美洲、亚洲、欧目前世界各大视频会议系统由于种种条件及环境的限制，这些品牌的视频终端都有着各自的优缺点，Radvision、Polycom、Tandberg等都推出了基于H.323和SIP10的产品，从最初的只支持H.323协议的VOIP2网络电话发展到现在的SIP协议能够与Windows的模式相配合，得到Microsoft的认可和支持，Microsoft己经选择SIP作为其实时通信策略并在Microsoft XP、Pocket PC和MSN Messenger中进行了部署。Polycom公司成立于1990年，是全球一体化协作通讯的领导者。是专业开发、制造和销

25、售高质量音视频会议系统及解决方案的领先提供商。通过广泛的整合视频、语音、数据和网络解决方案提供最佳通讯体验。Polycom公司的的Polycom HDX 4000系列产品为专业工作场所提供高清可视协作，在拥挤的IP网络上通过优化实现高性能、最高质量的的语音、视频和共享内容服务，即使在未达到最佳标准的网络或者互联网上也能提供高大1080p的质量。Polycom HDX 4000的亮点还在于它是一款支持IPV4和IPV6双栈628的产品，而市场上大部分的产品只能支持IPV4或者IPV6。Polycom 最新的VSX 7000e产品内置Polycom StereoSurround技术，其系统具备市场

26、上最好的音频，其中所使用的ProMotion技术让图像更加流畅，用户还可以在Polycom VSX 7000e上集成Polycom SoundStation VTXl000电话会议系统，并且可以在会议电话上可以直接发起视频呼叫，利用所配置的麦克风实现立体声，避免了多条连接电缆和过多的配件造成的会议桌面混乱现象。该视频终端同时支持H.323及SIP呼叫，并同时支持多种视频格式，如CIF、4CIF、720p、1080p等，用户也可以选择在IP、SIP、ISDN2722上进行呼叫，会议可以在最新的加密标准下有保障地召开，Polycom也有类似于互通网关的产品Polycom CMA。该产品基于Wind

27、ows操作系统，采用标准的H.323协议，提供LPR-DBA超强网络丢包恢复机制，支持HD720p视频接收，VGA视频发送，支持H.263和H.26437双流，支持地址簿，该产品可作为视频会议终端的一个管理工具，也可作为H.323GK11使用，该产品同时可以支持SIP终端的管理，缺点是图形化界面较为复杂，对于普通用户来说配置组网环境较为复杂。Tandberg泰德通信公司是一个视频会议系统制造商，总部位于挪威奥斯陆和美国纽约市。Tandberg是一个专门从事研发H.323标准的产品的公司。在2005年2月宣布了其核心产品Tandberg MXP提供对微软公司的高级支持。现在，无论是Tandber

28、g个人级产品还是会议室型设备，Tandberg MXP视频终端都能完全支持H.323协议和SIP协议，并配合Microsoft Office Live Communications Server 2005，该服务器套件目前包含企业级即时通信(IM，Instant Messaging)，未来还将兼容Microsoft的整合式通信用户端。目前Tandberg MXP产品对用户提供H.323和SIP的软件升级。通过对H.323协议和SIP议的支持，Tandberg公司进一步加强了音频和视频电话的整合力度。Tandberg MXP终端设备已经能够连接到Windows Messenger，实现便捷的视频

29、通话。同时，用户也可将音频通话、IM以及现场提示有效整合到视频通话中。此外，Tandberg的MXP还可支持内置多点会议功能，即支持在同一会议中可以实时调度会议，查看各终端的会议状态，如宽带信息、视频格式、音频格式、辅流状态等。Tandberg的MXPISDN还可以实现H.323和SIP等多种协议间的连通。Tandberg公司的产品VCS同时提供了H.323终端的注册功能以及SIP产品的注册功能，以及不同信令之间的转码通信功能，配置简单，全部图形化界面，对用户来讲非常方便，VCS设计的区域划分以及成员规则的方法为业界树立了标杆。NMS Communications专为通信界顶尖的应用设计产品及

30、服务，全球财富50强的电信运营商及通讯设备提供商均采用他们的产品，提供包括系统构建模块、系统架构、系统设计、顾问及支持服务。NMS Cornrnunications研发的Video Access 2.0系统是一种新型SIP视频电话系统，通过Video Access2.0系统，开发商目前可以在3G或IP网络上部署高性能的视频应用。Video Aeeess2.0系统支持各种CIF视频流，视频通话重接以及用于SIP IP视频终端的流媒体网关支持，NMS公司的产品价格较为昂贵，在中小型公司用户中不能普及。华为的ViewPoint9039高清视讯终端，是华为的新一代分离式视讯终端，同时提供了H.323协

31、议和SIP协议的服务，支持H.263/H.264(MPEG-4 Part 10)编码技术和4CIF高清晰图像分辨率，最高可以提供8M会议带宽，为用户提供DVD画质的高清晰图像：支持H.263视频压缩标准，G.711、G723.1音频压缩标准，能够为用户提供高质量的音频、视频和数据通讯功能，在视频项目中搭配其他视频终端产品一起使用可以达到很好的视频通信效果，可通过H323/SIP会议电视终端，也可以通过华为公司研发的多点控制单元（MCU9660,8660系列）加入多点视频会议，非常适合分支公司较多的企业召开会议，华为公司的SMC1.0以及SMC2.0系统提供了对会议终端强大的管理能力，召开会议可

32、以直接在其图形化界面进行，并且提供了内置的H.323GK功能，但目前SMC还不支持SIP终端和H.323终端的互相通信功能，H.323-SIP互通网关也正在研发中。我目前实习所在的华为苏州研究所“SC”项目组正在研发的“Switch Center”起到视频会议系统纽带的功能，该产品集成了H.323协议终端所需的H.323 GK以及SIP协议终端所需的SIP服务器。除此之外，该产品还为视频终端提供了完备的基于RTP/RTCP协议35的媒体中继功能，并且为后续H.323-SIP互通网关的实现留下了接口。以上这些大公司的产品，性能卓越，功能完善，可扩展性好，产品的安全性稳定性较好，属于专业级视频会议

33、终端设备，价钱高昂，且这些产品由于对协议消息包中填充的字段不同，所以不同公司产品进行互通的时候存在了很大的困难，因此一个可以使不同公司、基于不同协议产品的H.323-SIP互通网关是解决目前困扰大公司客户互通问题的解决方法。Jiann-Min Ho在36中提H.323-SIP互通网关在目前还不被各大公司所重视，但是其技术的难点基本已经被解决，Jiann-Min Ho特别提出了H.323和SIP消息解析的重要性，这一点是不同协议终端能够进行呼叫和码流传输的关键之处并起到了一个地址映射和码流转换的桥梁作用。他提出的SIP消息拆分方法是一个将H.323与SIP相同阶段相关消息联系起来的一个非常优秀的

34、方案，该方法不仅将两种不同协议的流程梳理的非常清晰，而且很好的描述了在各个呼叫阶段消息的对应关系。Leonard,，Justin在32提出的模型是当下对H.323-SIP互通网关研究的主流模型，将网关划分为数据库模块、协议栈模块、消息转换模块以及码流传输模块。该模型并没有将H.323GK和SIP服务器包含进去，而是研究一个便捷的和终端注册分离的模型，这种模型的优点是架构简单易于实现，但是缺点也很明显，就是需要现成的H.323GK和SIP服务器配合才能达到最终的互通，也增加了成本。同时该模型对码流传输也有非常独到的见解，他们提出了在快速启动过程中媒体码流的传输的解决方案，这也是目前市场上大多数产

35、品没有的功能，本课题中也借鉴了这一方案。Prasad， Calyam， Weiping，Mandrawa在34提出的H.323协议产品故障鉴定以及解决方法是我在完成项目后测试复杂组网环境下互通的重要借鉴，因为H.323协议的内容比较复杂，各大公司在各自的产品中使用的消息结构体不同，这会导致不同公司不同产品互通是会出现码流不通的情况，34中的建议可以很好的解决这一问题，也对H.323终端与SIP终端消息结构体的转换有很好的参考价值。综上所述，基于H.323的视讯终端发展的较为成熟，而各大公司近年来开发的基于SIP协议的视讯终端和软终端2427大有取代H.323视讯终端的趋势，但由于SIP的发展还

36、没有达到一个成熟阶段，因此市场上基于H.323的视讯终端和基于SIP协议的视讯终端将长期处于共存的阶段，虽然像polycom，Tandberg这样的大公司已经推出了H.323和SIP协议的互通网关36，但是受于多种条件的限制，只限于少数场景的呼叫，甚至只能支持点对点呼叫33。本课题要研究以及实现的互通网关在实现基本场景的呼叫流程之外，还要实现隧道机制，快速启动，公私网穿越等一些复杂场景的呼叫流程，在遇到有防火墙设置的时候，还要实现在公网、私网以及DMZ区域划分下的呼叫和码流传输功能。1.4 章节安排本论文的内容做如下编排：第一章主要介绍了研究目的，国内外研究进展，主要厂商及产品和发展历史，以及

37、内容安排。第二章分析了监测报警系统使用的CAN总线通信技术及原理。第三章研究了监测报警系统软件的架构和流程执行的逻辑分析，并描述了系统的具体实现。第四章监测报警系统软件界面的UI以及系统控件库的设计与实现。第五章日志跟踪系统的设计与实现。第六章总结和展望。3第二章 通信方式及相关技术原理分析第二章 通信方式及相关技术原理分析监控报警系统采用的是基于CAN(Controller Area Network)总线的FCS系统，CAN总线以其通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比优等特点成为现场总线的推荐标准之一。监控报警系统的信号采集模块将采集的模拟信号经过处理后通过CAN总线送往计算机，计算机担任

38、中心处理器的角色，完成总线数据的获取和处理。船舶中需要监测的所有信息和参数的报警阈值都存储在本地数据库中，当某个监测点的监测数据超出报警阈值时，计算机进行报警显示，并将报警信息发送到船内各区域的复视器和相应报警灯。本章围绕监控报警系统的通信方式展开，通过描述现场总线技术发展及特点来介绍监控报警系统的底层通信技术，比较不同现场总线的优缺点来确定监控报警系统采用CAN总线作为其现场总线。本章对于监控报警系统的信息传递机制进行了一个简要的描述，并基于此提出了双CAN冗余热备份技术来保证监控报警系统的可靠性和稳定性。2.1 现场总线技术现场总线是作为目前在工业智能控制领域比较流行的一种数据总线，它最初

39、的出现是为了把可编程逻辑器件(programmable logic controller, PLC)以一种比较简洁的方式连接起来 范铠. 现场总线的发展趋势J. 自动化仪表，2000，21(2)：1-4。现场总线技术主要解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器等现场设备间的通信以及现场设备和控制系统间的信息传递问题 JP. Thomesse, Fieldbus Technology in Industrial AutomationJ. Proceedings of the IEEE，2005，93(6)：10731101。由于现场总线的简单、可靠、经济实用等一系列优点，受到许多厂商的青睐。2.1

40、.1 现场总线发展历史及标准化1984年美国intel公司提出一种计算机分布式控制系统位总线(Bitbus)，它主要是将计算机中低速的输入输出和高速的总线分离，从而形成现场总线的最初概念。80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器(HART)通信协议。采用在420mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了World FIP制定了FIP协议。1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制

41、定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount、横河为首的ISP集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会(Fieldbus Foundation)简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。 国际电工委员会于1984年就开始着手制定现场总线的标准，但

42、由于各国的意见非常不一致，导致进展非常缓慢，先后经过9次投票表决，终于在1999年底通过了IEC61158国际标准。在IEC61158标准中，采用了8种类型的标准，分别为：IEC技术报告(FF H1)、Control Net(Rockwell公司支持)、Profibus(SIEMENS公司支持)、P-Net(Process Data公司支持)、FF HSE(原FF H2，Fisher Rosemount公司支持)、Swift Net(美国波音公司支持)、WorldFIP(Alston公司支持)、Interbus(Phoenix Contact公司支持) 施一明，冯冬芹，金建祥. 现场总线的标准

43、与发展J. 电子技术杂志，2000(9)：5-8 缪学勤. 现场总线技术的最新进展J. 自动化仪表，2000，21(6)：1-4,7。2.1.2 现场总线技术特点现场总线作为监控报警系统信息传递的保障，拥有如下特点：1.通信协议公开，系统开放。由于通信协议的公开和标准，各家厂商的设备就可以实现互联和信息交换。开放的系统就把系统的集成交给了用户，用户可以按照自己需求把不同厂商的产品组合成不同的系统。2.互操作性与互用性。互操作性指的是不同的设备之间互联，不同系统之间互相传递信息与通信。互用性指的是不同厂商间的设备可以实现替换使用。3.智能化。在每一个设备中嵌入单片机或者处理器，将传感器的测量、补

44、偿计算、设备处理与控制的功能下放到现场的设备中进行，并且可以完成自我诊断等功能。4.系统结构的分散。在DCS中，需要一个个控制器来控制设备，每个控制器虽然可以连接多个设备，但还是无法做到完全的分散。而现场总线则直接简化了控制器的那一层，利用总线将测控设备直接和上层计算机连接，而设备本身就能完成自动控制的基本功能，既简化了结构也提高了可靠性。5.对环境的适应性。现场总线的技术可以视现场环境的不同而设计，可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力。2.1.3 监控报警系统组网方案选择通过比较市场上现有监测报警系统，可以发现监测报警系统主要通过三种方式进行组网：48

45、5总线、现场总线（以CAN总线为主）、工业以太网。下表2.1为三种通信方式的比较 魏庆福. 现场总线技术的发展与工业以太网总述J. 工业控制计算机，2002，15(1)：1-5。表2.1 三种通信方式比较项目通信方式RS485CAN以太网工作方式主从方式多主方式CSMA/CD平等竞争通讯方式半双工轮询终端全双工最大传输速度10Mbit/s(距离12m)1Mbit/s(距离40m)10/100/1000Mbits最大传输距离1.2km（9600Kbs）10km(5kbs)105m(速率100M)最大驱动器数量32个110个不限通讯实时性慢快快仲裁机制无有有故障界定无有无传输介质双绞线双绞线，同轴

46、电缆，光纤UTP-5,STP-5组网设备数量少多多对这三种通信组网方式进行比较，可以得到如下方案：方案一：利用RS485总线进行组网，采用计算机作为监测系统微机进行信号分析和报警处理，机舱信号的采集通过IO采集模块实现。监控计算机只能通过轮询方式获取模块采集的信号，属于被动传输，实时性较差，效率低，且总线上某个节点一旦发生故障将会引起整个网络瘫痪，不适合负载较重的应用场合。方案二：利用工业以太网的方式进行组网，机舱参数显示和报警通知由监测计算机实现，机舱信号的采集控制由PLC完成，这是一种分布式的监测系统，可以保证机舱信号采集的可靠性和实时性，同时在监控微机之间采用工业以太网通信，支持大数据量

47、通信，保证数据的冗余备份。但该方案成本较高，对于中小型船舶的机舱监测系统相对浪费。方案三：利用现场总线进行组网，利用分布式IO模块进行机舱信号的采集和控制，大大降低了监测报警系统的硬件成本。通过总线中继器可以将CAN总线上节点数进行扩容，理论上可以扩容无限个，可适合不同类型的船舶机舱，且CAN总线能够保证数据通信的可靠性。本文系统选取方案三的设计方式进行机舱监测报警系统的设计，采用CAN总线进行组网通信，保证通信的实时性和可靠性。通过分布式信号处理模块完成信号采集和报警输出的功能，利用工控机进行监测点参数显示和报警信息的显示，并且通过延伸报警板（通过CAN总线）将报警信息延伸到轮机员值班室等区域。2.2 CAN总线CAN(Controller Area Network)作为监控报警系统采用的现场总线，由德国BOSCH公司开发，并最终成为国际标准，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线由于高性能和高可靠性，被广泛