煤矿井下无线视频监控系统的设计与实现.kdh

煤矿井下无线视频监控系统的设计与实现刘艳兵1，2，杨维1，3，王曙光1，李林涛1（1.北京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室，北京100044；2.河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室，河南焦作454003；3．中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083）收稿日期：2009-10-08基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（50534060）；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA06Z106）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室（中国矿业大学）开放课题资助项目（2007-06）；河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室开放课题资助项目（HKL-GF200801）作者简介：刘艳兵（1984-），男，四川宜宾人，硕士，主要从事无线网络技术研究.摘要：构建煤矿井下无线视频监控系统可有效弥补有线监控系统的不足，提高煤矿井下视频监控的能力，对保证煤矿井下安全生产和抢险救灾具有重要作用.基于数字矿山综合无线局域网系统，设计了煤矿井下无线视频监控系统，完成了系统关键技术的开发与调试，并通过了煤矿井下实际测试.图7，参8.关键词：煤矿井下；无线局域网；无线视频监控；无线网络摄像机中图分类号：TD672文献标识码：A文章编号：1672-9102（2009）04-0016-05湖南科技大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University of Science &Technology （Natural Science Edition ）第24卷第4期2009年12月Vol.24No.4Dec.2009煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶劣，容易发生事故.利用远程视频监控系统，地面监控人员不仅能直观地监视和记录井下工作现场的生产情况，而且能及时发现事故苗头，防患于未然，也能为事故分析提供第一手图像资料.因此，视频监控是现代矿井安全生产监控系统的重要组成部分[1].现在煤矿使用的视频监控系统以有线监控系统为主，在视频监测能力和使用灵活性等方面都有较大的不足.目前已有多种煤矿井下无线视频监控方案被提出[2-4]，但现有的方案大都停留在设计阶段.为此，基于数字矿山综合无线局域网网络架构[5]开发了煤矿井下无线视频监控系统，系统具有图像质量好、实时性高、扩容方便、多级远程访问等诸多优点.1井下无线视频监控系统的设计1.1井下无线视频监控系统无线局域网具有快捷方便的无线接入、灵活多变的拓扑结构、易于维护管理、建设成本低廉等优点，是构建数字矿山综合无线局域网络系统有效的无线通信平台[6-7].数字矿山综合无线局域网主要由无线接入点AP 、网络路由器/交换机、地面服务器和数据电缆/光纤构成，网络拓扑结构如图1所示.无线接入点AP 是井下无线局域网络中有线、无线网络之间的桥梁，由一个无线输出口和一个有线的网络接口（802.3接口）构成.AP 本身又兼具网管功能，可针对无线设备进行必要的管理.网络路由器/交换机在网络中除了作为路由/分路功能之外，主要用于数据包的快速转发，它为数据帧从一个端口到另一个任意端口转发提供了低时延、低开销的通路.地面服务器用于对网络中的所有设备进行管理，接收网络中AP 发送的数据包，管理网络中的无线接入设备.调度人员可以通过局域网或Internet 登录服务器，通过用户端或浏览器了解煤矿井下的生产、安全状况，并可对井下设备进行控制.煤矿井下视频监控系统的前端设备为无线网络摄像机.无线网络摄像机实质上是一个带WLAN 无线收发模块的网络摄像机，通过输入接口可以和镜头、云台等连接.网络摄像机的主要任务是完成视频采集、压缩、打包及无线传输，同时提供透明通道，支持无线网络摄像机云台控制及视频信号的在线检测等.地面服务器包括视频录像数据存储服务器与视频监控服务器.视频录像数据存储服务器可采用磁盘阵列实现对录像文件的大容量存储；视频监控服务器实现对网络摄像机的访问、视频预览、网络摄像机配置、转发网络视频等功能.1.2视频压缩标准和传输协议作者所开发的煤矿井下视频监控系统采用了H.264/AVC 视频压缩标准，这主要是由于H.264/AVC 标准具有更高的压缩性能，如在相同的重建图像质量下，H.264/AVC 比H.263和MPEG-4节约50%左右的码率[8].同时，H.264/AVC 标准还可以根据网络情况自适应地调节传输率，支持在误码、丢包多发环境中的传输.这些都使得H.264/AVC 视频压缩标准能很好地适应煤矿井下无线传输丢包率可能较高，不同工作地段对视频监控的需求可能变化较大的特点.视频传输协议采用了TCP 和UDP 传输协议.TCP 协议主要应用于视频传输质量要求比较高的场合；UDP 协议主要应用于视频传输实时性要求比较高的场合.对网络摄像机进行参数设置和访问网络摄像机交互用户信息时必须采用TCP 协议，以保证参数设置的有效性和用户信息的可靠性.数据传输方式采用了单播、组播和广播传输方式.为了保证煤矿井下视频监控系统在煤矿井下环境下无线传输的可靠性，设计煤矿井下视频监控系统同时实现TCP 协议单播方式、UDP 协议单播方式和UDP 协议组播方式的视频数据传输.这3种视频数据传输都需要网络摄像机的支持，同时组播方式还需要网络路由器的支持.1.3无线网络摄像机与开发运行环境为了实现基于煤矿井下无线局域网的无线视频监控，作者采用了基于ARM+DSP 嵌入式的无线网络摄像机，其辅助设备包括云台、解码器等.无线网络摄像机采用H.264/AVC 标准压缩算法，支持PAL 和NTSC 2种视频制式，支持D1高清晰的视频格式，还向下支持CIF 、HalfD1格式[8].同时，视频码率16kbps-4M bps 连续可调，以及帧率1-25（PAL ）或1-30（NTSC ）也连续可调；支持TCP 协议单播方式、UDP 协议单播方式和UDP 协议组播方式的视频数据传输；支持802.11b/g 无线局域网技术，采用网络自适应传输技术，可以根据网络带宽自动调整视频帧率；具有视频遮挡、移动侦测等功能以及PTZ 云台控制功能；还支持多用户同时访问和多级用户密码权限管理.煤矿井下视频监控系统的视频监控软件采用C#编程语言开发，无线网络摄像机的SDK 采用C++编程语言开发，中间通过动态链接库（Dynamic Linkable Library ，DLL ）技术实现两种编程语言模块的对接.系统在开发的过程中涉及到的动态链接库有VideoCamera.dll 、VideoPlayer.dll 、NetClient.dll 、NetHostSDK.dll 、PlayerSDK.dll 和hi_h264dec.dll.2井下无线视频监控系统的实现煤矿井下无线视频监控系统采用无线网络摄像机技术实现对井下环境的视频监控.整个无线视频监控系统主要由视频访问模块、参数设置模块、录像抓图模块、云台控制模块、视频播放模块、视频检索模块和视频转发模块组成，系统的逻辑结构如图2所示.2.1视频访问功能的实现为了实现用户对煤矿井下无线网络摄像机的远程访问和视频预览，设计并开发了视频访问模块.视频访问模块通过网络摄像机名称、IP 地址、端口号、通信连接方式、通道号以及登录网络摄像机的用户名和图1网络拓扑结构Fig.1Network topology structure图2系统的逻辑结构Fig.2Logical structure of system导航设备密码，实现对网络摄像机的远程访问.无线网络摄像机以网络摄像机名称、IP地址和端口号来实现摄像机在系统中的唯一性，以用户名和密码来实现网络摄像机的安全性，以通信连接方式和通道号的选择来实现网络连接的多样性.视频访问模块涉及的动态链接库有VideoCamera. dll、NetClient.dll、NetHostSDK.dll和hi_h264dec.dll.其中，NetHostSDK.dll实现系统与网络摄像机的网络连接；hi_h264dec.dll实现系统对H.264/AVC视频数据流的解码；NetClient.dll实现系统对网络摄像机的视频访问和视频预览；VideoCamera.dll实现对前面3个DLL 接口的管理，并根据系统需要可重新设计视频访问、视频预览和远程参数设置等功能接口.在无线视频监控系统启动的时候，通过调用函数ClientInitial（HWND m_hWnd）实现系统视频参数的初始化.在“播放”事件响应函数里，将用户输入的网络摄像机名称、IP地址、端口号、通信连接方式、通道号以及登录网络摄像机的用户名和密码传递给ClientStart（char*m_url，CHANNEL_CLIENTINFO*m_ pChaninfo，WORD wserport=3000）函数，实现与网络摄像机的网络连接和实时视频预览.2.2远程参数设置功能的实现无线网络摄像机内置网络服务器，为了实现对网络服务器中一系列参数的设置，从而最优化地利用好无线网络摄像机，本系统设计并开发了远程参数设置模块.远程参数设置模块可以实现对网络摄像机的网络参数、图像参数、通道参数、云台参数等的设置和获取.无线网络摄像机远程参数设置模块在开发过程中涉及的动态链接库有VideoCamera.dll和NetClient.dll.无线网络摄像机的设备信息和网络参数的获取和设置，分别通过调用函数ClientGetWholePara和ClientSetWholePara来实现，可以获取和设置网络摄像机的名称、有线网络的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS地址、端口号、多播地址和端口号、视频制式、参数语言以及DDNS参数等信息，但是软件版本信息、设备序列号和设备物理地址只可获取不可设置.通过对消息打开函数ClientMessageOpen、消息操作函数ClientM essageOpt以及消息关闭函数ClientMessageClose的调用，可以实现对摄像机无线网络（WLAN）参数的获取和设置，决定是否使用无线网络，指定接入无线网络的服务集识别码SSID，以及指定无线网卡的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS地址、加密方式和密钥.通过对ClientGetChannelPara和ClientSetChannelPara 函数的调用，可以实现对网络摄像机视频压缩参数的获取和设置，设置网络传输视频流的分辨率大小、视频流的类型、视频帧中关键帧之间的间隔、视频帧率、是否固定码率以及视频图像的最好质量、最差质量和最大码率等一系列信息.通过调用ClientGetViparam和ClientSetViparam函数可以实现视频图像参数的获取和调节，实现对视频图像的亮度、对比度、饱和度和色度等图像参数的任意调节.2.3录像抓图功能的实现当网络摄像机监测到某些异常场景或调度对某段视频特别关注时，往往需要系统记录下该段视频数据流.因此，本系统设计并开发了视频录像抓图模块，以实现对某段视频流或某个视频数据帧的记录.视频录像抓图模块在开发过程中涉及到的动态链接库有VideoCamera.dll和NetClient.dll.其中，与录像功能有关的函数有ClientRecordStart（LONG hHandle，char* fileName）和ClientRecordStop（LONG hHandle），前者用于启动录像，后者用于停止录像；与抓图功能相关的函数为ClientCapturePicture（LONG hHandle，char* fileName），用于抓取一个视频帧.视频录像流程如图3所示.在无线网络摄像机接入系统后，当调度启用录像功能时，系统调用ClientRecordStart函数开始录像；当调度终止录像功能时，系统调用ClientRecordStop函数停止录像.与录像功能类似，在无线网络摄像机接入系统图3视频录像流程Fig.3Video recording flow后，当调度点击“抓图”按钮，系统立即调用函数ClientCapturePicture抓取视频流中的一帧.2.4云台控制功能的实现无线网络摄像机可以通过RS485串口控制云台、镜头、雨刷等摄像机辅助设备.为了实现调度对无线网络摄像机辅助设备的控制，本系统设计并开发了云台控制模块.云台控制模块在开发过程中涉及到的动态链接库有VideoCamera.dll和NetClient.dll.在网络摄像机远程参数设置模块里可以通过函数ClientSetSerial485Param设置RS485串口总线的波特率、数据位、校验位、停止位、流量控制、解码器地址等参数.此外，还可以由ClientSetPTZCommandFile函数设置云台控制命令文件，如PELOC-D.在云台控制模块中，主要通过调用ClientPTZCtrl（LONG hHandle，int type，int value）函数实现对云台的控制.其中，参数hHandle是调用函数ClientStart的返回值，参数type是云台控制码，参数value是控制参数.2.5视频播放功能的实现为了实现调度对视频录像文件的播放，本系统设计并开发了视频播放模块.视频录像文件可以来源于用户的硬盘浏览，也可以来源于用户视频检索的结果.通过对录像文件的播放可以重现摄像机录像时的场景，便于进行事故责任等的相关分析.视频播放模块在开发过程中涉及的动态链接库主要有VideoPlayer. dll、hi_h264dec.dll和PlayerSDK.dll.其中，hi_h264dec. dll实现对H.264/AVC视频录像文件的解码；PlayerSDK.dll提供一些关于视频播放的控件，VideoPlayer.dll实现对前面两个DLL的管理和实现视频播放器的一系列功能.视频播放窗口如图4所示，系统实现了播放时间显示、正常播放、暂停、快速播放、慢速播放、步长播放、停止、抓图等一系列功能.此外，还实现了视频检索模块和视频转发等功能模块.3煤矿井下系统测试为对所开发的煤矿井下无线视频监控系统进行验证，在内蒙古鄂尔多斯上湾煤矿井下150m水平巷道进行了相关测试.测试位置瓦斯浓度很低，所用设备都能够安全工作.此系统使用了Cisco的无线接入点，发射功率为20dBm，覆盖范围达150m.3.1功能测试结果与分析对煤矿井下无线视频监控系统功能的测试主要包括视频预览、远程参数设置等功能.视频访问功能通过网络摄像机的名称、IP地址、端口号、通信连接方式、通道号以及登录网络摄像机的用户名和密码，实现了对网络摄像机的远程访问，煤矿井下无线视频监控测试结果如图5所示.远程参数设置功能可以实现对网络摄像机的网络参数、图像参数、通道参数、云台参数等的设置和获取，系统远程参数设置中视频参数调节的测试结果如图6所示.以上的功能测试结果表明，视频监控系统的各项功能在煤矿井下巷道中运行正常，可满足对煤矿井下环境的无线视频监控需求，可为煤矿井下的生产和管理提供一种新的安全保障机制.图4视频播放窗口Fig.4Video playerwindow图5煤矿井下无线视频预览Fig.5Video preview in underground coalmine图6视频参数调节Fig.6Video parameter adjustmentDesign and implementation of wireless video surveillance system in underground coal mineLIU Yan-bing 1，2，YANG Wei 1，3，WANG Shu-guang 1，LI Lin-tao 1（1.Key Laboratory of All Optical Network and Advanced Telecommunication Network ，Ministry of Education ，Beijing Jiaotong University ，Beijing 100044，China ；2.Henan Key Laboratory of Coal Mine M ethane and Fire Prevention ，Henan Polytechnic University ，Jiaozuo 454003，China ；3.State Key Laboratory ofCoal Resources and Safe Mining ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100044，China ）Abstract ：Setting up wireless video surveillance systems in underground coal mine will offset the shortcomings of the traditional wiredmonitoring system ，and it enhance the video surveillance ability in underground coal mine.It is an important measure to guarantee the safety further or deal with an emergency in underground coal mine.A kind of wireless video surveillance system was designed based on digital mineintegrated wireless local access network.The key technologies involved were developed and debugged ，and the wireless video surveillance system was tested in underground coal mine.7figs.，8refs.Key words ：underground coal mine ；wireless local access network （WLAN ）；wireless video surveillance ；wireless network camera Biography ：LIU Yan-bing ，male ，born in 1984，M aster ，wireless network technology ．3.2网络性能测试结果分析在上湾煤矿井下巷道中，当在一个802.11b 的AP下只连接一个无线网络摄像机时，即该AP 只传输一路TCP 视频数据流时，在该路视频流的图像分辨率为640×480、帧率为25时，测得该路视频数据的网络速率曲线如图7所示.其中，测试结果的中间部分为监控区域内有剧烈运动的物体，两端部分为监控区域以静止图像为主.从图7可以看出，在10：21：00以前和10：23：09以后，无线网络摄像机监控的区域以静止图像为主，视频传输的网络平均速率为2.12M bps ；在10：21：00与10：23：09之间，摄像机监控的区域内有剧烈运动的物体，导致视频传输速率出现大的抖动，最大速率为3.69M bps ，最小速率为1.52Mbps ，但是网络平均速率仍为2.12Mbps.由此可见，H.264/AVC 的压缩效率非常高，无论是对静止图像还是对剧烈运动的图像，压缩后的视频平均传输速率都一样，但是对剧烈运动的图像压缩后的视频速率有较大的抖动.4结论基于数字矿山综合无线局域网络系统构建了煤矿井下无线视频监控系统.采用H.264/AVC 视频压缩技术压缩视频数据有利于节约网络传输带宽，提高无线系统的整体传输效率.采用灵活的传输协议和传输方式作为视频传输的网络连接方式，有利于提高系统的灵活性和可扩充性.开发了煤矿井下无线视频监控系统的视频访问模块、远程参数设置模块、录像抓图模块、云台控制模块、视频播放模块、视频检索模块和视频转发模块等主要功能模块.煤矿井下巷道中的功能测试和网络性能测试结果表明，所开发的煤矿井下视频监控系统可以满足煤矿井下环境下无线视频监控的需求，为系统的进一步完善和具体实施打下了坚实的技术基础.参考文献：[1]王国臣.矿井安全综合视频监控系统的发展[J].煤炭科技，2006，25（8）：65-66．WANG Guo-chen ．Development of a monitoring system for underground Mine[J]．Coal Technology 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