基于无线局域网的煤矿视频监控系统.pdf

第 2期 2 0 0 8年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ， 2 AD r ， 2 0 0 8 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 8 0 2 0 0 4 5 --0 4 基于无线局域网的煤矿视频监控系统 黄 欢 ， 和卫 星 ， 吕继 东， 陈晓平 江苏大学电气信息工程学院 ， 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 摘要 为了实时监控煤矿 生产的运行情况， 文章提 出了一种基于无线局域网的煤矿视频监控 系统的设计 方案 。该 方案 以 3 C 2 4 1 0微 处 理 器为控制 核 心 ， 移 植嵌 入式 L i n u x管理 系统资 源 ， 利 用 US B摄 像 头 采 集现 场视 频信 号 ， 通过 US B无线 网卡 将信 号传 送到 控制 中心 ， 并构 建 了嵌入 式 we b服 务 器。管 理 员可 以使 用浏 览器 同时监控 多路 图 象。 关 键词 煤矿 ； 视 频 监控 系统 ；无线局 域 网 ；AR M ； 3 C 2 4 1 0 ；L i n u x ； We b 中图分 类号 T D 7 6 ； T N 9 2 5 ． 9 3 文献标 识 码 B Vi d e o M o ni t o r i n g S y s t e m o f Co a l M i ne Ba s e d o n W LAN HUANG Hu a n，HE W e i x i n g，L U J i d o n g， CHEN Xi a o p i n g Co l l e g e o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g o f J i a n g s u Un i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o mon i t o r op e r a t i on s t a t us o f c o a l mi ne pr od uc t i o n i n r e a l t i m e，t h e p a pe r pr e s e n t e d a de s i g n s c he m e o f v i d e o mo ni t or i n g s y s t e m o f c o a l mi ne ba s e d o n W LAN ． Th i s s c he me t o o k 3 C2 4 1 0 M CU a s c o nt r o l c o r e，p o r t e d r e s o ur c e s o f e m be dd e d Li n ux m a n a ge m e nt s y s t e m ， a nd us e d USB c a me r a t o c o l l e c t v i d e o s i g n a l o n s i t e ，t h e n t r a n s mi t t e d s i g n a l t o c o n t r o l c e n t e r b y US B wi r e l e s s n e t wo r k c a r d a n d bui l t e mbe dd e d W e b s e r ve r ．The a d mi n i s t r a t or c o ul d m o n i t o r m u l t i pa t h i ma g e b y b r o ws e r a t t he s a me t i m e ． Ke y wo r d s c o a l mi ne ，v i de o mo ni t o r i ng s y s t e m ，W LAN ，ARM ， 3 C2 41 0，Li nux，W e b 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 2 6 、 作者简介 黄欢 1 9 8 1 一 ， 男 ， 江 苏大学 电气信息 工程学 院硕 士研究生 ， 研究方向为检测技术与嵌 入式 系统 。 0 引言 煤矿生产的安全运行不仅直接影响到国民经济 的发 展 ， 而且 与矿 区工 作人 员 的生 命 财 产及 社 会 稳 开发包 、 D E MO演示软件及其源程序 。 4 结语 综合测试结果表 明， 该数字视频监控系统 的客 户端 软件 和服 务 器端 软 件 配 合 良好 ， 各 功 能模 块 工 作正常 。目前 ， 该系统已在多个煤矿中得到应用 ， 其 将分散的信息集 中起来 ， 并能深入条件恶劣的井下 ， 将信息及时地传送给调度室 ， 从 而给安全调度人员 提供全面实时的现场信息 ， 便于工作人员指挥调度 ， 减少人为失误。同时 ， 企业领导也能从局域 网中实 时地浏览到企业的现状 ， 从而帮助领导作 出正确决 策。另外 ， 服务器端具有定时录像 、 动态录像等功 能 ， 可做到无人监控 、 及时报警 ， 从而减轻了调度人 员 的工作 量 。 参 考文献 [ 1 ] C A THE B F ． 数据通信与网络 E M] ． 吴 时林 ， 译． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 1 ． E 2 ] 陈海霞． 多媒体网络视频监控 系统 的研 究和设 计E D ] ． 南京 南京理工大学 ， 2 0 0 4 ． E 3 3 Z HANG J i a n n i n g ，HE Yu w e n ，YA NG S h i q i a n g ， e t a 1 ． Pe r f o r ma n c e a n d Co mp l e x i t y J o i n t Op t i mi z a t i o n f o r H． 2 6 4 Vi d e o C o d i n g[ C] ／ ／P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 3 I EEE I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Ci r c u i t s a n d Sy s t e m s，2 003 I I - 88 8 I I 一 89 1． [ 4 ] 张丽． 流媒体技术 大全I- M] ． 北 京 中国青年 出版社 ， 2 00 1． I- s ] 刘祁 ， 徐曼 ， 谢俊元． I P组播技 术在远程视 频监控 系统 中的应用 [ J ] ． 计算机应用研究 ， 2 0 0 2 2 ． 维普资讯 4 6 工矿 自动化 2 0 0 8年 4月 定密切相关 ， 因此需要对重要的作业区域 和设备进 行实时视频监控， 这样管理人员借助网络化远程视 频监控系统即可获得现场画面 ， 从而可快速有效地 应对各种突发事件 。传统的视频监控 系统必须通过 电缆将多路图象传 送到视频监控 中心集中处理 ， 但 是煤矿生产现场地形复杂、 多粉尘、 电磁干扰 严重、 设备拆卸频繁 ， 因此电缆及接头部件容易损坏 ， 而且 布线成本一般与数据带宽成正 比， 传输视频信号 的 花费较高。基于 I E E E 8 0 2 ． 1 1 协议族的无线局域 网 具有传输速度快、 覆盖范围广 、 部署方便 、 抗 干扰能 力强 、 成本低等特点， 利用高性能 的嵌入式微处理器 组建无线局域网可 以克服电缆通信的诸多缺陷。 1系统 硬 件设计 煤矿视 频监 控系 统 的硬件 组成 如 图 1所 示 ， 整个系统 由中央处理模块、 数据采集模块和无线 网 络通信模块 3个部分组成。 ／， ＼ ,N qu 心、 固回 图 l 煤矿视频监控 系统的硬件组成图 1 ． 1 中央 处理模 块 系统 的主控 制 器 选 用 三 星公 司生 产 的基 于 AR M9 2 0 T内核 的 3 C 2 4 1 0微 处 理 器 ， 其 主 频达 2 0 0 MHz ， 内部集 成 了 四通 道 DMA 控制器 、 2个 US B Ho s t 控制器、 存储器控制器等外围器件 。2个 US B Ho s t 控制器可分别用来扩展数据采集模块和 无线通信模块。 S DR AM 选 用 2片 HY5 7 V5 6 1 6 2 0 型 芯 片 。 F L AS H 选用 1片 K9 F 1 2 0 8型芯片 ， 用于存放启动 代码 、 内核代码 、 根文件系统及用户程序。系统启动 时， F L AS H 上的代码会 按照用户的配置加载到 内 存 中运行。 1 ． 2数据 采 集模块 US B摄像头功耗小 ， 连线简单 ， 广泛应用于各 种视频监控系统 中。考虑到不 同型号摄像头 的价格 差别很大 ， 应根据不同的监控对象和监控距离选择 最为经济的方案。大多数 US B摄像头控制芯片的 生产厂商都支持 L i n u x操作系统 ， 可 以在这些厂商 的官方网站下载到最新版本 的驱动 。另外 ， 很多开 源项 目也提供常用控制芯片的 L i n u x下驱动的源代 码 ， 交 叉编 译后 即可 在本 系统 中使 用 。 1 ． 3无 线 网络 通 信模 块 基于 I E E E 8 0 2 ． 1 1 协 议族 的 wL AN是 2 0世纪 9 O年代计算机与无线通信技术相结合 的产物 ， 它利 用射频 R F 技术 ， 通过无线信道接入 网络 ， 可 以取 代 旧式的双绞线构成局域 网络 ， 已成为宽带接入的 有效手段。无线 网连接可 以提供从现场到控制中心 的数据链路 ， 数据传输 可靠 ， 能够方便地组网， 省去 了布线 的费用 ， 检修维护相对容易 。 WL AN 的 网络结构 主要 有 2种 类 型 无 中心 网 络 和 有 中 心 网 络 。无 中 心 网 络 也 称 对 等 网 络 或 Ad h o c 网络， 用于网内各工作站之间的直接通信 ， 该 网络无法接入有线 网络 中， 只能独立使 用。有中心 网络也称结构化 网络， 该 网络内的所有通信必 须通 过访问点。无线访 问点 A P 用于管理各无线工作 站及 建立 与有 线 网络之 间 的连 接 。本 系统 按照结 构 化网络模式设 计 ， 将 无线 AP设 置于控制机 房 内。 1个无线 AP通常能够管理十几个 视频监 控点， 覆 盖半径达上百米 。如果需要更远的传输距离 ， 可 以 通 过增 加 AP数 目实 现 。 I E E E 8 0 2 ． 1 1 标 准 定 义 了单 一 的 MAC层 和 多 样 的物 理层 ， 包 括 I E E E8 0 2 ． l a ／ b ／ g三 种 协议 。市 场 上 支 持 这 3种 协 议 的 无 线 网 卡 分 为 P C I卡 、 P C MC I A卡和 US B接 口等类型 。其 中 US B接 口型 无线 网卡具有体积小、 成本低 、 便于安装等优势 ， 得 到了广泛应用。本系统采用美国 Ne t g e a r 公司生产 的基 于 I E E E 8 0 2 ． 1 1 b协 议 的 MA1 1 1型 US B无 线 网卡， 内部集 成 了市场上较 为通用 的 P r i s m2芯片 组 ， 工作于 2 ． 4 ～2 ． 4 8 3 5 GHz 频段 ， 传输速度可达 1 1 Mb p s ， 并 可 提 供 多种 安 全 加 密 功 能。只要 为 每个网卡分配 1 个 I P地址， 就能方便地实现组网。 2 系统 软件 设计 L i n u x因其优异的性能和丰富的技术支持而被 移植 到 多种微 处 理器 上 。 目前 流行 的 L i n u x 2 ． 6版 内核更加稳 定可靠 ， 可 以方便 地在 3 C 2 4 1 0上 移 植 。L i n u x内核提供 了丰富 的网络 和总线协议 栈， 因此能够降低项 目开发 费用 、 缩短开发周期。根据 实现 功能 和外 围设 备 的不 同 ， 开 发 者必 须 裁 减 内核 以满足具体要求。本系统使用的 内核包括 TC P ／ I P 协议栈、 US B协议栈 、 8 0 2 ． 1 1 协议栈 、 摄像头驱动及 其它基本模块 。内核成功移植后还要完成根文件系 统 的移 植 。根 文 件 系统提供 了一 个 简化 版 的 L i n u x 命令集和一些基本 C语 言库供 用户使用 ， 目前有很 维普资讯 2 0 0 8年第 2期 黄 欢等 基于无线局域网的煤矿视频监控 系统 ．4 7． 多成熟的版本_ 】 。为 了保证网络通信 的性能 ， 无线 网卡驱动的移植 和 we b服务器 的实现是系统 软件 设计 的重点 。 2 ． 1 无线 网卡 驱动 的移植 伴随无线局域网的广泛应用 ， L i n u x下无 线网 卡的 实现 已经 得 到 很 多 开 源 项 目的 支 持 。 如 n d i s wr a p p e r 和 l i n u x - wl a n n g等。前者 在 L i n u x平 台 上虚 拟 Wi n d o ws的 AP I ， 然 后 用 Wi n d o ws下 的驱 动程 序驱 动 网卡 。而后 者 直 接 实现 驱 动 程 序 ， 因此 效率 更高 。 最 新 l i n u x - wl a n n g系 列 的 驱 动 程 序 可 以方 便 地 移植 到 3 C 2 4 1 0平 台 ， 对 于 MA1 1 1 型 US B无 线 网卡 ， 不需要修改源代码 ， 直接 以模块的方式交叉编 译 即 可 。 首先对下载的驱动程序解压缩 ， 根据系统的实 际情况 ， 如 L i n u x内核版本 、 网卡型号等对驱动进行 配置 ， 命令 如下 ma ke C O n f i g 然后编译驱动并将编译好的模块复制到根文件 系 统 的／ l i b目录下 ma k e a l l 接 下来 需要 手动 加载 US B 网卡设 备 mo d p r o be p r i s m2 一u s b p r i s m2一d o r e s e t - - 1 wl a n c t l n g wl a n0 l nx r e q i f s t a t e i f s t a t e e n a b l e 最后测试是否成功安装 i wl is t wl a n 0 s c a n 如果安装成 功， 原有 的 T C P ／ I P用户程序 可以 在该设备提供 的网络接 口上直接运行 。 2 ． 2 We b服 务 器的 实现 嵌入式 We b服务器为管理者的远程管理、 控制 和监测提供了友好 的界 面， 因此被越来越多地应用 到智能仪表中。管理员在控制中心可以通过网页及 时了解现场 的情况， 并保存重要 的图象 ， 还能够方便 地设置接 口I P地址、 网络安全等级等参数 。 与大 型服务 器 相 比 ， 嵌 入 式 We b服务 器 的设 计 必须 考 虑 到 有 限 的 内存 和 F L AS H， 本 系 统 移 植 了 目前流 行 的 b o a服务 器 。b o a是一 个 单 进 程 的 网络 服务器 ， 执行效率高， 占用系统资源少 ， 源代码开放 ， 非常适 合 在嵌 入式 系 统 中使 用 。b o a启 动 时 ， 从 一 个名为 b o a ． c o n f 的文件读取配置信息 ， 包括运行 端 口、 最大连接请求数 、 最大超时时间、 We b文档主 目录等参数 ， 用户可修改该文件 以满足不同的需要 。 服务器接收到请求时 ， 会返 回一个用 HTML语 言 编写的索引文件 ， 描述了要实现的功能 ， 客户端浏览 器 以 W e b页 面的形式 呈 现给 用户 。 编写索引文件时 ， 采用 C GI C o mmo n Ga t e wa v I n t e r f a c e ， 通用网关接 口 实现服务器与浏览器 的交 互 。C GI 是 客户 端 与 服务 器交 互 的一 个标 准接 口， 定义了服务器如何 向应用程序发送消息 、 在收到应 用程序的信息后又如何处 理等内容 ， 可以提供静态 HTML网页无法实现 的功能_ 2 ] 。本 系统的视频采 集 程 序按 照 C G I 标 准 编写 ， 收 到 客户 端 浏 览 器 的开 始指令时该程序 开始运行 。视频采集程 序流程如 图 2 所 示 。 厂 创建套接字并l I捕捉视频帧并 监听网络端口l l l 以J P E G格式保存 初始化视频设备 l l广 I发送图象 Y Y 图 2 视频采集程 序流程 图 客 户 端 程 序 采 用 J a v a的 a p p l e t编 写 。a p p l e t 可直接 嵌入 到 页面 中 ， 由支 持 J a v a的浏览 器 解释 执 行 ， 能够产生特殊 的页面效果 ， 可 以大大提高 We b 页面的交互能力 和动态执行能力 。当用 户访 问 We b服务 器 时 ， Ap p l e t 程 序会 自动 下 载到 用 户 的浏 览器环境中运行 。客户端程序流程如图 3所示 。 3 结语 读取网页参数 发送请求 『 自 * 接 收 J P E G 图象 连接到指 端_口 上 ． 显 示 图 象 T N 图 3 客 户端程 序流程 图 本系统采用先进 的无线 网络传输技术， 具有配 置灵活 、 安全可靠 、 性价 比高、 操作简单 、 便于升级等 特点， 能够对环境恶劣 的工作区域提供全天候的监 控 ， 提高了煤矿生产的 自动化程度 ， 为煤矿生产的安 全和远程管理提供了较为可靠 的技术保障。 N 一 维普资讯 第 2期 2 0 0 8年 4月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n NO ． 2 AD r ． 2 00 8 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 8 0 2 ～O O 4 8 0 3 基于z i g B e e技术的矿井入员定位系统的设计 张 长森 ， 董 鹏永 ， 徐 景 涛 河南理工大学计算机科学与技术学院 ， 河南 焦作4 5 4 0 0 3 * 摘要 针 对 Z i g B e e 技 术的特 点和优 势 ， 结合 煤矿 井 下 的 生产特 点 ， 文章提 出 了一 种 基 于 Z i g B e e技 术 的 矿 井人 员定位 系统的设 计 方案 ， 介 绍 了 Z i g B e e 设 备在 煤矿 井 下的 无线 通信 组 网方式 ， 详 细 阐述 了 Z i g B e e通 信协 议 包在 Z i g B e e RF D 节点模 块和 Z i g B e e F F D 节点模 块之 间 的无 线数 据传 输 方式 ， 并给 出 了井下人 员定 位 原理 及其 具体 的 实现 过 程 ， 以及 管理软 件 系统 结构框 图。 关 键词 矿 井 ； 人 员定位 ； Z i g B e e ； F F D； R F D 中 图分 类号 T D 7 6 ； T N 9 2 5 文 献标 识码 B De s i g n o f Pe r s o nn e l Po s i t i o n Sy s t e m o f M i ne Ba s e d o n Zi g Be e Te c hn o l o g y ZHANG Ch a n g - s e n， DONG Pe n g y o n g， XU J i n g - t a 0 C o l l e g e O f Co mp u t e r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f He n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y，J i a o z u o 4 5 4 0 0 3，Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t he f e a t ur e s a nd a dv a nt a ge s o f Zi g Be e t e c hn o l o g y，c o m b i n i ng wi t h t he pr o du c t i o n f e a t u r e s o f c o a l mi ne u nd e r gr o un d，t he p a pe r pr e s e nt e d a de s i g n s c he m e o f p e r s on ne l po s i t i o n s ys t e m o f mi ne b a s e d o n Zi g Be e t e c hn ol o gy，i nt r o du c e d wi r e l e s s c omm u ni c a t i o n ne t wo r k i ng m o de o f Zi g Be e de v i c e i n c oa l mi ne u nd e r g r ou nd．I t e xp ou nd e d wi r e l e s s t r a ns m i t t i n g mod e o f da t a o f Zi g Be e c o mm u ni c a t i on p r o t oc o l ba g b e t we e n Zi g Be e RFD nod e m o du l e a n d Zi g Be e FFD n od e mod ul e， a nd ga v e p r i nc i pl e o f pe r s o nne l p os i t i o n o f c o a l m i ne u nd e r gr o un d a n d i t s r e a l i z i ng p r oc e s s，a nd s t r uc t u r e di a gr a m o f ma na ge m e nt s o f t wa r e syst e m ． Ke y wo r ds m i ne，p e r s on ne l po s i t i o n，Zi gBe e，FFD ，RFD 0 引言 在煤矿安全生产中， 尤其是在事故发生后 ， 准确 判定井下工作人员 的分布情况， 并进行精确 的人员 定位， 对矿井工作人员的人身安全具有重要 的意义 。 本 文介绍 一种 基 于 Z i g B e e 技 术 的矿 井 人 员 定 位 系 统 ， 该系统可对井下人员实时跟踪定位 ， 对井下重要 仪器设备实时监控和故障预报 ， 快速指导矿井突发 收稿 日期 2 0 0 7 一O g 一1 3 *基金项 目 河南省 自然科 学基 金资助项 目 0 4 1 1 0 1 4 7 0 0 作者简介 张长森 ， 男 ， 河南洛阳人 ， 博士 ， 副教授 ， 现 为河南理工 大学计算机科学与技术学院教学副院长 ， 长期从事 矿井监控 与通信 等方面 的教学与科研工作 ， 已发表论 文二十余 篇。 性事故的救护工作 ， 是一套高效 、 低成本 、 低功耗 的 无线矿井通信系统。 1 Z i g B e e 技 术简 介 Z i g B e e是一种采用成熟无 线通信技术 的全球 统一 标 准 的、 开 放 的 无 线 传 感 器 网 络 。它 以 I E E E S 0 2 ． 1 5 ． 4协议 为基 础， 致力于实现一 种适用 于固定 、 便携或移动设备使用 的低复杂度 、 低成本 、 低功耗、 低 速率的短距离双 向无线通信协议 。Z i g B e e可 工 作 在 国 际 免 授 权 的 2 ．4 GHz 、欧 洲 8 6 8 MHz 和 美 国 9 1 5 MHz 三个免 费频 段上 ， 工作 在 2 ． 4 GHz 频段上具有 2 5 0 k b p s的最高数据传输率 ， 典型应用 的可靠传输距离为 1 0 ～7 5 m， 实际传输距 m，m，，，，，， m，，，，m，，，mmmm，， ，m，m，mm，m，，lm，，，，mm，，，m，，， ，mm，m，， 参考文献 E l i KAR I M Y．构建嵌 入式 I ． i n u x系统 E M] ．北 京 中国 电力 出版社 ， 2 O O 4 ． [ 2 ] N E I I M，R I C HAR D S ．L i n u x程序设 计E M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 何梅．J a v a Ap p l e t 编 程实 例 E M] ．北 京 清华 大 学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 维普资讯