基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的礦井工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)

梁宏

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司, 江蘇 常州 213015； 2.天地(常州)自動化股份有限公司, 江蘇 常州 213015)

0 引言

為了保證煤礦井下安全生產(chǎn)，在煤礦井下工作面建立一套高效的多媒體實時通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要意義[1-2]。在煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)方面，近年以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為骨干、局部無線接入的混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式成為主流模式。隨著礦井通信技術(shù)的發(fā)展，基于不同頻段的礦井無線通信技術(shù)如ELF/VLF超低頻透地通信、VHF/UHF漏泄通信及小區(qū)制礦井蜂窩3G/4G移動通信技術(shù)等在井下的應(yīng)用成為研究熱點[3-5]。新興短距離無線通信技術(shù)(ZigBee,WiFi,Bluetooth,UWB等)、移動自組織網(wǎng)絡(luò)、無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等的出現(xiàn)，使得礦井無線通信與組網(wǎng)技術(shù)迎來了一個快速發(fā)展的階段[6-8]。

目前煤礦井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線傳輸方式。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，有線傳輸方式存在以下缺點：線纜部署難度大；受工作面變動影響，需要隨時變換線纜位置，工作量大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；當(dāng)?shù)V難發(fā)生時，線纜極易受到損壞[9]。無線傳輸方式可大大降低網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜度，提高靈活性，降低成本。傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)通信距離較短，無法適應(yīng)煤礦井下工作面狹長的環(huán)境[10-11]。無線多跳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可在不增加線纜和設(shè)備的基礎(chǔ)上有效擴展通信范圍。因此，本文設(shè)計了基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的礦井工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有易部署、便于維護和自愈能力強等特點。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的礦井工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻采集節(jié)點、無線多跳網(wǎng)絡(luò)(含網(wǎng)關(guān)節(jié)點、傳輸節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)交換機)、客戶端等組成，如圖1所示。視頻采集節(jié)點完成視頻信息采集、編碼和封裝，并通過推流軟件MJPG-streamer將采集到的視頻以數(shù)據(jù)流形式發(fā)送出去。傳輸節(jié)點是信息的轉(zhuǎn)發(fā)連接點，無線多跳網(wǎng)絡(luò)通過最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由(Optimized Link State Routing，OLSR)協(xié)議進行自組網(wǎng)[12]，實現(xiàn)采集節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的連接?？蛻舳私邮諄碜愿髀繁O(jiān)控的視頻流，可實時顯示并保存監(jiān)控視頻。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)以無線多跳網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，傳輸節(jié)點采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，以程序植入方式添加視頻服務(wù)器相關(guān)功能模塊，構(gòu)建多跳節(jié)點，各無線多跳節(jié)點通過運行OLSR路由協(xié)議進行多跳組網(wǎng)，傳輸現(xiàn)場實時視頻數(shù)據(jù)。

圖1 礦井工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of video monitoring system of mine working face

2 節(jié)點設(shè)計

2.1 節(jié)點硬件設(shè)計

節(jié)點在硬件設(shè)計上基本一致，包括電源模塊、射頻模塊、以太網(wǎng)模塊、存儲模塊、時鐘模塊和USB模塊，如圖2所示。根據(jù)實際使用需要，采集節(jié)點和傳輸節(jié)點可取消USB接口設(shè)計，網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計有較大的存儲空間，客戶端通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點添加采集節(jié)點，對采集節(jié)點進行管理。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Node hardware structure

主控模塊：主要包括主控芯片QCA9558、晶振電路、復(fù)位電路、電源轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和調(diào)試電路。

電源模塊：對外部輸入的12 V電源進行轉(zhuǎn)換，得到平臺其他模塊所需要的供電電壓。

射頻模塊：芯片集成了射頻收發(fā)模塊，需進行外部匹配電路設(shè)計，完成射頻信號收發(fā)工作。射頻模塊由射頻收發(fā)模塊、功率放大模塊、低噪聲放大模塊、收發(fā)狀態(tài)切換模塊和天線等組成。射頻收發(fā)模塊的輸入輸出信號需經(jīng)功率放大模塊和低噪聲放大模塊處理后發(fā)送至天線，完成射頻模塊與外部設(shè)備的通信。

以太網(wǎng)模塊：芯片集成了千兆以太網(wǎng)媒體訪問控制器，需要選取合適的物理層(PHY)芯片與之匹配，完成以太網(wǎng)模塊設(shè)計。

存儲模塊：芯片集成了FLASH和SDRAM控制器，通過點對點方式相連，完成存儲模塊設(shè)計。

USB模塊：芯片集成了USB2.0控制器，只要將相關(guān)信號線與USB引腳相連，即可完成USB模塊設(shè)計。

2.2 節(jié)點軟件設(shè)計

現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)采集通過攝像頭實現(xiàn)，攝像頭將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。視頻服務(wù)器采用MJPG-streamer軟件，這是一款開源的基于模塊化設(shè)計的視頻服務(wù)器軟件。該軟件可采用攝像頭硬件壓縮格式，減少對CPU的占用，特別適用于資源受限的嵌入式設(shè)備。MJPG-streamer軟件使用其輸出模塊(output_http.so)處理采集的現(xiàn)場視頻信息，生成TCP形式的數(shù)據(jù)包，借助httpd服務(wù)器向視頻監(jiān)控客戶端軟件發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。MJPG-streamer體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MJPG-streamer體系結(jié)構(gòu)Fig.3 MJPG-streamer architecture

MJPG-streamer軟件主要工作流程：通過輸入模塊(input_uvc.so)從Video4Linux驅(qū)動(Video driver)中獲得視頻幀。Video4Linux是嵌入式Linux操作系統(tǒng)中為視頻采集設(shè)備提供的獲取視頻信息的API接口。通過使用該API接口，借助攝像頭及相應(yīng)的驅(qū)動程序，完成工作面現(xiàn)場視頻信息的采集工作。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

視頻監(jiān)控客戶端軟件接收不同節(jié)點采集到的視頻流，并進行實時多路顯示。客戶端軟件分為2個部分：① 前端。用戶操作界面，提供多路視頻參數(shù)設(shè)定和實時顯示功能。② 后臺。利用QT信號與槽和多線程的方法，開辟主線程和多個子線程，主線程負責(zé)接收視頻幀和窗口部件的繪制工作，子線程負責(zé)視頻流編解碼、傳輸?shù)?。視頻監(jiān)控客戶端軟件如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控客戶端軟件功能架構(gòu)Fig.4 Software functional architecture of video monitoring client

軟件程序整體上采用面向?qū)ο蟮姆绞皆O(shè)計，依據(jù)系統(tǒng)功能需要，共定義了6個類，分別是ShowVideo(視頻顯示類)、MainWindow(主頁面類)、VideoPlayer(視頻解碼類)、Setting(參數(shù)設(shè)定類)、H264Encoder(視頻編碼保存類)及Login(用戶登錄類)。

4 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

4.1 測試分析

構(gòu)建3跳無線網(wǎng)絡(luò)，使用Iperf工具和Ping命令進行多跳網(wǎng)絡(luò)性能測試。Iperf用于測試TCP和UDP傳輸質(zhì)量，并獲得吞吐量、時延抖動和丟包率。Ping命令用于計算系統(tǒng)端到端傳輸時延。

在實際測試中，多跳網(wǎng)關(guān)節(jié)點以server模式啟動，多跳傳輸節(jié)點以客戶端模式啟動。多跳網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用指令“iperf -u-s”，3個多跳節(jié)點使用指令“iperf -u-c多跳節(jié)點ip -b 450M -t 10”。其中“-b 450M”表示多跳網(wǎng)關(guān)節(jié)點和多跳采集節(jié)點之間的通信鏈路理論帶寬為450 Mbit/s，“t”表示單次測試時間。設(shè)單次測試時間為10 s，共進行100次測試，并計算吞吐量、時延抖動和丟包率的均值，見表1。

表1 基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試結(jié)果Table 1 Test results of video monitoring system based on wireless multi-hop network

基于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)(wifi 802.11b)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)吞吐量、時延抖動和丟包率實測結(jié)果見表2。

表2 基于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試結(jié)果Table 2 Test results of video monitoring system based on traditional wireless LAN

實測結(jié)果表明，經(jīng)過3跳傳輸后，系統(tǒng)吞吐量為10.1 Mbit/s，丟包率為2.20%，平均時延抖動和系統(tǒng)端到端傳輸時延等指標(biāo)優(yōu)于基于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。無線多跳網(wǎng)絡(luò)性能滿足多跳視頻傳輸要求，有效克服了工作面有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)線纜部署難度高、容易受損、系統(tǒng)布置工作量大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差及WLAN通信距離比較短、不適合工作面狹長環(huán)境的弊端。

4.2 應(yīng)用效果

基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在山西大同煤礦集團雁崖煤業(yè)有限公司雁崖礦成功運行。視頻采集節(jié)點外接定向天線，以提高輻射功率的有效利用率，增強信號強度，提高信號的抗干擾能力。多跳傳輸節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點外接全向天線，接收視頻采集節(jié)點發(fā)送的無線信號。視頻采集節(jié)點固定在液壓支架上，距離煤層約4 m。經(jīng)實際測試，當(dāng)工作面中各節(jié)點之間距離在70 m以內(nèi)時，系統(tǒng)運行效果較好。在實際部署時，每隔60 m放置1個節(jié)點。工作面內(nèi)共放置3個傳輸節(jié)點，對應(yīng)位置為刮板輸送機機頭、刮板輸送機和轉(zhuǎn)載(破碎)機連接處、轉(zhuǎn)載(破碎)機和帶式輸送機連接處。

雁崖礦通過無線多跳網(wǎng)絡(luò)采集到的視頻畫面如圖5所示，基于有線傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)采集到的畫面如圖6所示。對比可以發(fā)現(xiàn)，排除光線、粉塵等因素影響，通過2種方式傳輸?shù)降孛娴漠嬞|(zhì)基本一致。

圖5 基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果Fig.5 Application effect of video monitoring system based on wireless multi-hop network

圖6 基于有線傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果Fig.6 Application effect of video monitoring system based on wired transmission

5 結(jié)語

設(shè)計了基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的礦井工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于Atheros9558芯片設(shè)計了嵌入式無線多跳節(jié)點，構(gòu)建了嵌入式視頻服務(wù)器，采集的視頻信號在節(jié)點中進行編碼、封裝，并通過基于OLSR協(xié)議的無線多跳網(wǎng)絡(luò)進行視頻流傳輸，經(jīng)煤礦以太網(wǎng)傳輸至地面的上位機，實現(xiàn)視頻接收、解碼、多路視頻同屏顯示、保存和回放功能。實測結(jié)果表明，經(jīng)過3跳傳輸后，系統(tǒng)吞吐量為10.1 Mbit/s，丟包率為2.20%，平均時延抖動和系統(tǒng)端到端傳輸時延等指標(biāo)優(yōu)于基于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實際應(yīng)用結(jié)果表明，當(dāng)工作面中各節(jié)點之間距離在70 m以內(nèi)時，系統(tǒng)運行效果較好；基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)與基于有線傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)采集到的畫面質(zhì)量基本一致。

參考文獻(References)：

[1] 王國法,范京道,徐亞軍,等.煤炭智能化開采關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新進展與展望[J].工礦自動化,2018,44(2):5-12.

WANG Guofa,FAN Jingdao,XU Yajun,et al.Innovation progress and prospect on key technologies of intelligent coal mining[J].Industry and Mine Automation,2018,44(2):5-12.

[2] 孫繼平.煤礦信息化自動化新技術(shù)與發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(1):19-23.

SUN Jiping.New technology and development of mine informatization and automation[J].Coal Science and Technology,2016,44(1):19-23.

[3] 張克,劉留,袁澤,等.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線信道與噪聲特性[J].電信科學(xué),2018,34(8):87-97.

ZHANG Ke,LIU Liu,YUAN Ze,et al.Wireless channel and noise characteristics in industrial Internet of things[J].Telecommunications Science,2018,34(8):87-97.

[4] 孫溶辰.隧道場景無線自由波信道測量、特性分析和建模研究[D].北京:北京交通大學(xué),2018.

SUN Rongchen.Research on wireless channel measurement,characteristic analysis and modeling in tunnel scenarios[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2018.

[5] 陳輝,田子建,陸奎,等.煤礦井下水泵電機輻射電磁騷擾測試研究[J].微波學(xué)報,2016,32(6):76-80.

CHEN Hui,TIAN Zijian,LU Kui,et al.Radiated electromagnetic disturbance for the water pump motor in underground coal mines[J].Journal of Microwaves,2016,32(6):76-80.

[6] 沈博.CPS環(huán)境下異構(gòu)實體通信關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2017.

SHEN Bo.Research on key technology of heterogeneous entity communication in cyber-physical systems[D].Xi'an:Northwestern Polytechnical University,2017.

[7] HARGRAVE C,RALSTON J C,HAINSWORTH D W.Optimizing wireless LAN for longwall coal mine automation[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,43(1):111-117.

[8] LIU G,SUN Z,JIANG T.Joint time and energy allocation for QoS-aware throughput maximization in MIMO-based wireless powered underground sensor networks[J].IEEE Transactions on Communications,2019,67( 2):1400-1412.

[9] ZHANG S,FU G,SHI S H.Cause analysis of behavior of the secondary accidents in coal mines and the prevention[M]//HE X，MITRI H，NIE B，et al.Progress in Mine Safety Science and Engineering II.Boca Raton:CRC Press,2014.

[10] CHEN J,BIN F,GE X,et al.A dual-directional path-loss model in 5G wireless fractal small cell networks[C]//IEEE International Conference on Communications,Paris,2017.

[11] 劉宇轍.無線發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵射頻模塊研究[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2015.

LIU Yuzhe.Research on key RF modules in wireless transmission system[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2015.

[12] 楊彬.MANET網(wǎng)絡(luò)中OLSR路由協(xié)議研究與改進[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

YANG Bin.Research and improvement of OLSR protocol for MANET[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2013.