矿用数字广播系统设计.pdf

第 8期 2 0 1 1 年 8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 ．8 Au g ． 2 0 1 1 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 8 0 0 4 4 0 4 D OI C NK I 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 1 0 8 0 7 ． 1 1 2 7 ． 0 1 4 矿甩数字广播系统设计杨娟 1 ．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ．中煤科工集团重庆研究院，重庆4 0 0 0 3 7 摘要针对煤矿井下广播系统多采用模拟音频广播方式，存在传输距离短、抗干扰能力差、需要单独布线和只能进行全网语音广播等缺点，提出了一种新型矿用数字广播系统的设计方案，详细介绍了该系统的架构、主要功能、软硬件设计。该系统基于计算机技术、网络技术、音频流技术，将实时采集的广播信号量化、编码、压缩、缓存，按照网络传输协议以 I P数据包形式分包传输到网络广播终端并进行播放，解决了传统模拟音频广播的不足。实验室测试及运行结果表明，该系统稳定、可靠，音、视频播放流畅，操作简单，能够满足煤矿现场的实际需要。关键词煤矿；数字广播系统；音频流技术；网络广播；工业以太网中图分类号 T D6 5 5 文献标识码 A 网络出版时问 2 0 1 1 0 8 0 7 1 1 2 7 网络出版地址 h t t p ／／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 1 0 8 0 7 ． 1 1 2 7 ． 0 1 4 ． h t ml De s i g n o f Mi n e us e d Di gi t a l Br o a d c a s t i ng S ys t e m YANG J u a n ’ 1 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f t h e Ga s Di s a s t e r De t e c t i n g Pr e v e n t i n g a n d Eme r g e n c y Co n t r o l l i n g， Ch on gq i n g 4 0 00 3 7，Ch i na．2． Cho ng q i ng Re s e a r c h I ns t i t ut e o f Ch i na Co a l Te c hn o l o g y a n d En g i n e e r i n g Gr o u p Co r p o r a t i o n，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a Abs t r a c t To s ol v e s ho r t c o mi n gs t ha t c o a l mi n e un de r g r o un d br o a d c a s t i n g s ys t e m ha s s h or t t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e ，b a d a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y，n e e d s e p a r a t e wi r i n g a n d o n l y ma k e s wh o l e n e t wo r k v o i c e b r o a d c a s i n g b e c a u s e i t u s e s a n a l o g a u d i o b r o a d c a s t i n g wa y，t h e p a p e r p u t f o r wa r d a d e s i g n s c h e me o f n e w k i n d o f mi n e u s e d d i g i t a l b r o a d c a s t i n g s y s t e m．I t i n t r o d u c e d s t r u c t u r e ，ma i n f u n c t i o n ，s o f t wa r e a n d ha r d wa r e de s i gn o f t he s y s t e m i n de t a i l s．The s y s t e m a d o pt s c ompu t e r t e c hn o l og y，ne t wo r k t e c hn ol o gy a nd a u di o s t r e a m t e c hn ol o gy， wh i c h wi l l ma ke c o l l e c t e d r e a l t i m e r a d i o s i gna l qu a nt i z a t i on， c o di ng， c o m p r e s s i on，c a c h e，a nd t r a ns m i t t o I n t e r n e t r a di o t e r m i na l s by I P pa c ke t s a n d br o a d c as t a c c or d i ng t o t he n e t wor k t r a n s mi s s i o n a gr e e m e nt ．The s y s t e m s ol v e s s ho r t a g e s o f t r a di t i o na l a na l o g a u d i o br o a d c a s t ．The l a b o r a t o r y t e s t a n d o pe r a t i o n r e s ul t s s ho we d t ha t t h e s y s t e m i s s t a bl e a nd r e l i a b l e ， s ou nd a nd v i d e o p l a y b a c k i s f l u e n t ，o p e r a t i o n i s s i mp l e ，wh i c h c a n me e t wi t h mi n e a c t u a l n e e d s ． Ke y wo r d s c oa l m i ne，d i gi t a l br o a d c a s t i ng s ys t e m ，a u d i o s t r e a m t e c h no l og y， n e t wor k b r oa d c a s t i ng， i n d U S t r i a 1 Et h e r n e t 0 引言广播系统已经越来越多地应用到现代化矿井收稿日期 2 0 1 1 0 5 ～0 6 作者简介杨娟 1 9 7 9 ～，女，重庆铜梁人，工程师，硕士研究生，现主要从事矿用仪器仪表的研发工作，研究方向为软件工程理论及应用，已发表文章 5篇。E - ma i l j o b y Jl 1 6 3 ． t o m 中，成为不可或缺的基础设施。目前，国内煤矿井下广播系统多采用传统的模拟音频方式。采用模拟信道传输音频信号，存在传输距离短、抗干扰能力差、需要单独铺设线路等缺点。如果要对广播的方式，如广播的时间、对象和内容进行控制，控制信号也必须通过另外的控制线来传送l 1 ] ，而且传统的广播系统只能进行全网语音广播口 ] 。随着计算机技术的快 2 0 1 1年第 8期杨娟矿用数字广播系统设计 4 5 速发展，煤矿工业以太网的成熟应用，数字广播必将成为大势所趋。针对模拟音频广播方式存在的缺点，笔者设计了一套矿用数字广播系统，该系统基于计算机、网络、音频流、视频解码等技术，不但改变了传统模拟音频广播的不足，而且可充分利用已有的网络平台资源实现真正意义上的“ 零布线” 设计，同时采用数字信号传输，传输过程不会引入噪音信号，可实现远距离、高品质广播服务。由于每台终端相当于一台可扩展功能的 P C，都具有独立的 I P地址，可进行分组和定点广播，广播内容也不只限于音频信号，还可通过软件的扩展实现功能丰富的文字、图像、视频广播、互动服务及远程管理和远程监控，与环境监控系统和预警系统结合还可实现联动报警等功能。 1 系统结构矿用数字广播系统主要由多媒体数据服务器、防爆显示屏终端、信息传输平台、终端供电设备 4个部分组成，如图 1 所示。防爆显屏 1 防爆显不屏 2 防爆显不屏图 1 矿用数字广播系统结构系统控制室需要设置 2台多媒体数据服务器，一主一备，通过运行双机容错软件，确保系统连续、稳定运行。 1 多媒体数据服务器多媒体数据服务器是一台安装有远程多媒体管理系统的高性能 P C，除采集、编辑和发送节目源外，还具备远程监测、监控防爆显示屏工作状态，实现对整个系统的日常管理、故障诊断和异常告警功能。 2 防爆显示屏防爆显示屏是终端显示装备，相当于一台具有丰富功能的多媒体 P C。具有自己独立的 MAC地址，采用 TC P ／ I P协议通信，接收来自服务器的数字信号并还原为文字或音频信号在分组区域进行广播，也可循环播放本地宣教视频广播，同时提供人机对话接口，实现本地音、视频编辑功能。 3 信息传输平台信息传输平台是系统进行实时消息发布的通道。系统提供工业以太网或总线传输方式，用户可以根据需要进行选择。 4 终端供电设备终端供电设备为防爆显示屏供电，具有后备电源功能，在交流电停止时能够提供至少 2 h的供电。 2系统主要功能矿用数字广播系统主要用来提供文字、语音或视频信号播放，作为固定电话的补充，在矿井出现灾害时及时通知人员撤离，主要功能如下 1 日常广播需要广播的文字可以滚动播出，播放时不终止终端正在进行的其它服务，如背景音乐的播放，宣传教育视频的播放或正在进行的人机交互。播放内容可以是通知、新闻、天气等信息。 2 紧急广播紧急广播具有最高优先权，可随时终止终端的一切服务进行语音播报。紧急广播根据实际情况可选择 2种播报方式第一种，通过直接喊话的方式进行紧急广播，使用麦克风向现场发送指令，指挥现场人员行动。该方式适合针对特定区域和全网的紧急广播。第二种，采用文语广播方式进行紧急广播，工作方式为多媒体数据服务器分区编辑文字信息传送到终端，终端使用 T TS文语转换技术将本区域接收到的文字告警信息转换成语音进行循环播放。文语广播与语音广播相比，优点在于可分区、循环播报不同的告警信息，传送的数据量小、占用网络资源更少。该方式更适合不具备宽带传输条件或实现不同内容的分区广播。 3 多媒体音、视频自动播放功能系统可按照终端预置的播放列表，自动、循环播放或停止播放存储在终端音视频数据库中的多媒体信息。播放器支持多种流媒体文件格式，如 wMV、 M P3、 M P4、 AVI 、 M OV 、 3 GP、 RAM 、 RM VB、 M PG、 MP E G以及当前普遍应用的 F L AS H等格式，节目源选择范围比较广泛。播放的信息可以是背景音乐，也可是具有安全教育意义或进行政策宣贯的短片视频。 4 6 工矿自动化 2 0 1 1年 8月 4 音量自动调节功能系统提供远程音量调节和本地音量调节功能，以满足不同环境、不同情况下的特殊需求。如紧急广播时，远程多媒体系统下发音量紧急调节指令将终端音量调节到最大，撤销紧急音量调节指令时音量恢复到终端播报的正常状态。终端音量也可本地调节，因安装位置不同，可根据环境状况选择最佳收听音量，以提升视、听舒适度。 5 语音广播录音、文字广播实时存储功能系统可将调度员的语音广播形成录音文件，并进行日志存储，文字广播直接存人数据库，以便查询和管理。 6 远程管理、实时监控、故障检测功能终端防爆显示屏能通过网络连接到服务器，服务器能够对添加到配置管理的所有终端的运行状态进行实时监控，一旦发现终端运行异常马上发出告警信息，通知工作人员及时进行异常处理，避免影响正常广播。 7 与监测监控系统、预警系统实现联动报警多媒体数据服务器实时读取关联系统的报警及预警信息，并自动将告警信息以文字广播的形式向全网进行实时滚动广播，一旦发生紧急情况，井下人员可第一时间进行安全、有效撤离。 3 系统软硬件设计 3 ． 1 软件设计系统软件包括嵌入防爆显示屏的视频播放软件及运行于远程多媒体服务器的远程管理软件 2个部分。软件基于． NE T平台，使用 C语言开发，采用模块化编程思想，使软件具备良好的扩展性。系统软件结构如图 2所示。矿用多媒体数字广播系统软件} _ l I I 视频播放软件远程管理软件 I I 上上上土土土上．上上上土通显音文音音时系多文监通显信不视语视量间统媒字控信视不存频转频调校配体广系频存储解换编节对置信播统编储码排模模号编信排及模块块采排息模播块集采块放集图 2 矿用数字广播系统软件结构 1 视频播放软件防爆显示屏上电自启动视频播放软件。软件前台线程自动循环播放本地存储器上的音、视频文件，后台线程实时监听远程多媒体数据服务器下发指令，如日常广播、紧急广播、音量调节等。当接收到紧急广播命令时，将停止所有与本地用户的交互式服务，并启动顺序流式_ 4 信息接收模块，接收音频数据流存于缓存。在接收的同时程序将存放到缓存的语音信息送扬声器进行广播。视频播放软件除具备音频流式文件接收和播放功能外，还具备多种音、视频编、解码功能，支持主流音、视频格式文件的存储和播放L 5 ] ，音视频解码及播放流程如图 3所示。 ’ 文件类型音频文件视频文件设置音频控制参数设置视频控制参数 l 初始定位，设定开始解码的位置 l 初始定位，设定开始解码的。位置，音、频分隔广 L ] 音频解码 t ；送扩音器士／图 3 矿用数字广播系统视频播放软件音视频解码及播放流程 2 远程管理软件远程管理软件具备设备管理功能、用户权限管理功能、音视频文件管理功能，同时软件通过总线方式或宽带方式可实现远程终端设备运行状态的实时监控、音频或文字信号采集、编码、压缩并以 I P数据包形式下发到终端显示装置实现分组或全网广播。远程管理软件运行界面如图 4所示。 3 ． 2硬件设计系统硬件设计主要包含防爆显示屏终端和终端供电设备的设计。 1 防爆显示屏设计防爆显示屏作为显示终端，一般放置在井下，主要由基于嵌入式 P C主板、配置网口、 US B接口、串口、音、视频接口、液晶显示屏、外围存储器、红外遥控等组成，其屏外观如图 5所示。显示屏属于隔爆设备，设计时应严格按照 GB3 8 3 6 相关要求进行，主要从整机散热、防护等 2 0 1 1年第 8 期杨娟矿用数字广播系统设计 4 7 图 4 远程管理软件界面电源面园 x ；显 2l 本质回输出、电源输入二图 5防爆显不屏外观级、密封方式、引线及固定方式等方面考虑。 2 供电设备供电设备为隔爆兼本质安全型，主要为防爆显示屏供电，需要提供 2路 5 V 和 2路 l 2 V 电压。 2路5 V电压为液晶显示屏和通信板供电， 2路1 2 V 电压为扩音喇叭和多媒体驱动电路供电。电源变压器支持 1 2 7 V、 6 6 0 V两路交流输入，电源设计具备后备电源功能，当交流电停电情况下，自动切换到直流供电，并支持显示终端连续工作 2 h以上。电源工作原理如图 6所示。 H H 蒌H 霎H 萋充放电管理电路H备用电池图 6电源工作原理 4 结语介绍了一种新型的矿用隔爆兼本质安全型数字广播系统的设计。该系统能提供高品质语音服务和丰富的音视频服务和互动功能；在灾害发生时可以实现全网广播方式告警、以分组广播方式指导不同区域的人员按最佳避灾线路逃生，是应急救援的有效工具。日常管理时，该系统可循环播放音乐、新闻、天气、安全宣传教育视频，是精神文明建设新阵地。目前，通过实验室长期测试及运行表明，该系统具有稳定、可靠，远距离音频广播声音滞后不明显等性能，音、视频播放流畅，操作简单人性化，能够满足煤矿现场实际需要。为了更好地实现多网合一，为煤矿企业服务，在音、视频技术较成熟的当下，接下来需要更多地考虑如何分组划分广播区域、设计区域节目源、设计区域避灾线路图等，使整个系统能充分发挥自己的作用，成为企业宣传、教育的阵地和工具，使之成为信息化、数字化矿山建设中的又一新亮点。参考文献 E l i 张起贵．基于以太网的可寻址广播系统的设计 [ J ] ．科技情报开发与经济， 2 0 0 6 ， 1 6 1 6 2 2 0 2 2 1 ． E 2 3 殷康启，曹轶云．数字 I P网络广播系统在某公安学校模拟街区的应用 [ J ] ．通讯与广播电视， 2 0 0 9 3 1 6 2 0． E 3 ] 谢安．一种新型矿井广播电话系统的研究 E J ] ．科技信息， 2 0 ] 0 2 8 1 3 0 1 3 1 ． [ 4 ] 逄栋，姜昌金．流媒体技术及其开发方法E J ] ．计算机技术与发展， 2 0 0 6 ， 1 6 2 1 4 5 1 4 7 ． E s ] 田景会．校园网络的数字广播系统解决方案E E B ／ OL ] ． [ 2 0 1 1 0 3 1 0 ] ．h t t p ／／ w ww． y l e d u ． n e t ． c n ／ d j z ／ j s z b ／ 2 O 1 O O 4 ／ 2 O 1 7 8 ． h t m1 ．