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    煤礦無線視頻監控系統設計
    作者:靳文兵 日期:2021年06月11日 來源:技術部 瀏覽:

    內容導讀:設計了基于WLAN技術和圖像處理技術的煤礦安全生產無線視頻監控系統,以嵌入式微處理器S3C2410為控制核心,以移植嵌入式Linux操作系統作為軟件平臺,利用USB攝像頭采集現場視頻信號,通過USB無線網卡將信號傳送到控制中心,實現了嵌入式web月務器遠程人機交互和多路監控圖像瀏覽等功能。

    摘要:設計了基于WLAN技術和圖像處理技術的煤礦安全生產無線視頻監控系統,以嵌入式微處理器S3C2410為控制核心,以移植嵌入式Linux操作系統作為軟件平臺,利用USB攝像頭采集現場視頻信號,通過USB無線網卡將信號傳送到控制中心,實現了嵌入式web月務器遠程人機交互和多路監控圖像瀏覽等功能。實驗測試表明,該系統可以滿足煤礦安全生產視頻監控需要,還具有良好的可擴展性。

      著煤炭需求量的增大,煤炭生產的高效和安全愈顯重要。煤礦生產的安全運行;不僅直妾影響到國民經濟的發展,而且與礦區工,作人員的生命財產及社會穩定密切相關。因此,需要對重要的作業區域和設備進行實時視頻監 '控。管理人員借助網絡化遠程視頻監控系統,獲得現場的畫面,從而更加快速有效地應對各種突發事件。傳統的方法必須通過電纜將多路圖像的安全高效生產奠定了良好的基礎,為煤炭行業做出了應有的貢獻。

    傳送到視頻監控中心集中處理,但是煤礦生產現場地形復雜、粉塵多、電磁干擾嚴重、設備拆卸頻繁,因此,電纜及接頭部件容易損壞; IEEE8()2.11協議族的無線局域網具有傳輸速度快、覆蓋范圍廣、部署方便、抗干擾能力強、成、、本低等特點,利用高性能的嵌入式微處理器組建無線局域網通信可以克服傳統電纜通信的諸多缺陷。本文研究的基于無線局域網(WI-AN)技術的煤礦安全生產無線視頻監控系統正是基于這一思想而研制的新型監控設備,可實現現場采集圖像的快速無線傳輸、遠程人機交互和多路監控圖像瀏覽等功能。

    1、 WLAN技術

    基于IEEE8()'2.11協議的WLAN是20世紀90年代計算機與無線通信技術相結合的產物,它利用射頻技術,通過無線信道來接入網絡,取代舊式的雙絞線以構成局域網絡,已成為寬帶接入的有效手段。無線網連接可以提供從現場到控制中心的數據鏈路,數據傳輸可靠,能夠方便地組網,省去了布線的費用,檢修維護相對容易。

    WEAN的網絡結構主要有兩種類型:無中心網絡和有中心網絡。無中心網絡也稱對等網絡或Ad-hoc網絡,用于網內各工作站之間的直接通訊,該網絡無法接入有線網絡中,只能獨立使、用。有中心網絡也稱結構化網絡,所有通訊必須通過訪問點。無線訪問點(AP)用于管理各無線工作站及建立與有線網絡之間的連接。本系統按照結構化網絡模式設計,將無線AP沒置于控制一個無線AP通常能夠管理十幾個視頻監:控點,覆蓋半徑達上百米。如果需要更遠的傳輸距離,可以通過增加AP數目來實現。

    EE802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層,包括IEEE8()2.11a/b/go市場上支持這3種協議的無線網卡分為PCI卡、PCMCIA?êUSB接口等類型。其中USB接凵的無線網,卡具有體積小、成本低、便于安裝等優勢,得到了廣泛應用。

    2、無線視頻監控系統硬件設計

       基于WI-AN技術的煤礦無線視頻監控系統業,,的硬件設計分為5個部分:核心處理器、圖像采集模塊、存儲單元和無線傳輸單元。其中最關鍵的是核心處理器和圖像采集與傳輸模塊的選擇。監控系統的硬件設計見圖一 

    由于產品定位無線視頻傳輸,需要支持無線上網,因此我們需要核心處理器有強大的處理能力、豐富的接、支持DMA方式以及較低的功耗。同時,為了簡化軟件開發,需要處理器能夠對嵌入式操作系統有較好的支持;谝陨峡紤],我們選擇了三星公司的S3C2410處理器。 S3C2410微處理器為手持沒備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能刁、型微控制器的解決方案。S3C2410A的顯生是它的CPU核心,是一個Advanced RISC Machines有限公司計白勺16/32ARM920T RISC處理器。ARN1920T0現了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16 KB指令cache和16 KB數據Cache,每個都是8字長的行構成。通過提供一系列完整的系統外圍沒備,S3C2410A大大減少了整個系統的成本,消除了對為系統配置額器件的需要。工作頻率最高達到 203 MHz,同時具有內存管理單元(MMU),使得處理器輕松運行于Windows CE、Linux等操作系統以及進行較為復雜的信息處理。

    S.3C241()A提供了豐富的內部沒備,包括分開的16 kB的指令cache和].6 kB數據cache、MMUJ虛擬存儲器管理、LCD控制器、支持NAND Flash系統引導、系統管理器、3通道UART、4 通道DMA、4通道PWM定時器、I/ O端口、 RTC、8通道10ADC和角摸屏接、IIC—BUS 接、IIS—BUS接、USB主、USB設備、SD主卡和MMC卡接口、2通道的SPI以及內部PLL時鐘倍頻器。

    數據采集模塊采用支持Linux 作系統USB攝像頭,具有功耗小、連線簡單等優點,廣泛應用于各種視頻監控系統中?紤]不同型號攝像頭的成本差別,應根據不同的監控對象和監控距離選擇最為合適的方案。于開源項目提供了、常用控制芯片的Linux下動的源代碼,通過交叉編譯在本系統中進行使用。

    無線通信模塊采用基于IEEE8()2.11b協議的 MA111型USB無線網卡,內部集成市場上較為通用的Prism2芯片組,工作于2.4 GHz頻段,傳輸速度可達11Mbps,并提供多種安全加密功能。通過為無線網卡分配IP地址,可方便地實現組網。

    3無線視頻監控系統的軟件開發

    基于WLAN技術的無線視頻監控系統的軟件設計主要包括操作系統的選擇與移植、WI-AN 模塊的驅動、SIP協議棧的實現和應用程序的開發。

    3,1底層操作系統

    本設計選擇了嵌入式Linux作為底層操作系統。Linux因其優秀的性能和豐富的技術支持被移植到多種微處理器上。目前流行的2.6版內核更加穩定可靠,可以方便地在S3C2410上移植。Linux內核提供了豐富的網絡和總線協議棧,因此能夠降低下項目開發費用,縮短開發周期。根據實現功能和外圍設備的不同,開發者必須裁減內核以滿足具體要求。本系統使用的內核包括TCP/IP協議棧、USB協議棧、802.11協議棧、攝像頭驅動及其它基本模塊。內核成功移植后還要完成根文件系統的移植,根文件系統提供了一個簡化版的Linux命令集和一些基本c語言庫供用戶使用,目前有很多成熟的版本問。為了保證網絡通信的性能,無線網卡驅動的移植和 web服務器的實現是系統軟件設計的重點。

    3.2無線網卡驅動的移植

    伴隨無線局域網的廣泛應用,Linux下無線網卡的實現已經得到很多開源項目的支持,如 Ndiswrapper不日LinuxÄNLAN—NG。前者在Linux平臺上虛Windows的API,然后用Windows下的驅動程序來驅動網卡。而后者直接實現驅動程序,因此效率更高。本沒計采用Linux —WLAN—NG系列的驅動程序移植到S3C2410平,對于MA111型無線網卡,不需要修改源代碼,直接以模塊的方式交叉編譯即可。

    首先對下載的驅動程序解壓縮,然后根據系統的實際情況,如Linux內核版本、網卡型號等對驅動進行配置,編譯驅動,再將編譯好的模塊復制到根文件系統的/lib目錄下,手動加載USB 網卡沒備,最后測試是否成功安裝。如果安裝成勾功,原有的TCP/IP用戶程序可以在此設備提供的網絡接口上直接運行。

    3.3 Web服務器的實現

    嵌入式web服務器為管理者的遠程管理、控制和監測提供了友好的界面,因此被越來越多地應用到智能儀表中。管理員在控制中心可以通過網頁及時了解現場的情況,并保存重要的圖像,還能夠方便地沒置接口IP地址、網絡安全等級等參數。

    與大型服務器相比,嵌入式web服務器的沒計必須考慮到有限的內存和FLASH,本系統移植了目前流行的boa服務器。它是一個單進程的網絡服務器,執行效率高,占用系統資源少,源代碼開放,非常適合在嵌入式系統中使用。啟動時,從一個名為boa.conf的文件讀取配置信息,;包括運行端口、最大連接清求數、最大超時時間、web文檔主目錄等參數,用戶可修改此文件以滿足不同的需要。服務器接收到清求時,會返回一個用HTML語言編寫的索引文件,描述要實現的功能,客戶端瀏覽器以web頁面的形式呈現給用戶。

    編寫索引文件時,采用CGI實現服務器與瀏覽器的交互。CGI規范是客戶端與服務器交互的一個標準接,定義了服務器如何向應用程序發送消息,在收到應用程序的信息后又如何處理等內容,可以提供靜態HTML網頁無法實現的功能團。本系統的視頻采集程序按照CGI標準編寫,收到客戶端瀏覽器的開始指令時開始運行。

    程序首先執行網絡端口和攝像頭的初始化,然后;:等待客戶端的請求,一旦客戶端請求發送圖像就控制攝像頭抓圖,并壓縮成JPEG格醫回給客戶端進程。視頻采集程序流程見圖2。 

    客戶端程序采用Java中的Applet編寫。 Applet可直接嵌入到頁面中,支持Java的瀏覽器解釋執行,產生特殊的頁面效果。它可以大大提高web頁面的交互能力和動態執行能力。當用戶訪問web服務器時,Applet程序會自動下載到用戶的瀏覽器環境中運行,客戶端運行流程見圖3。該程序首先讀取網頁參數,然后創建套接字并試圖連接到服務器端的視頻采集進程。當正確連接后,會發出采集圖像的清求,得到視頻數據后便將數據送到 Applet窗口顯示。只要用戶不主動斷開連接,客戶端程序就會不斷地向服務器請求圖像,從而得到連續的視頻。 

    4結語

    本文設計開發的基于WLAN技術的煤礦安'全生產無線視頻監控系統,采用高性能的嵌入式;微處理器S3C2410和功能穩定強大的Linux操作系統作為軟件平臺,以及先進的無線網絡傳輸技術,具有配置靈活、安全可靠、性價比高、操作簡單、便于升級等特點,能夠對環境惡劣的工作區域提供全天候的監控,提高了煤礦生產的目的。

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