基于ARM 的嵌入式煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2014-08-20 08:22劉風華楊麗君

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年16期

劉風華+楊麗君

摘要：為滿足中小型煤礦企業(yè)對安全生產(chǎn)的要求，開發(fā)了適合井下安裝使用的實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Linux和ARM11作為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺系統(tǒng)，完成了嵌入式Web服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺的設(shè)計，并實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)流的有效處理，有效降低了視頻監(jiān)控成本，提高了監(jiān)控運行效率。該系統(tǒng)是Web技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的結(jié)合，具有部署方便、穩(wěn)定性高、抗干擾強、價格低廉等特點，能較好地滿足現(xiàn)代中小型煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；嵌入式系統(tǒng)； ARM； Linux

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0008?03

Design of ARM?based embedded video monitoring system in coal mine

LIU Feng?hua， YANG Li?jun

（Xinjiang Institute of Engineering， Urumuqi 830091， China）

Abstract： In order to satisfy the requirements of safety production in coal mines， a real?time video monitoring system suitable for underground was developed. Linux and ARM11 are adopted in the system as the software and hardware development platforms of the embedded system. The design of the embedded Web server and network monitoring platform system were completed. The effective treatment of large data stream was realized in the monitoring system. Therefore， the video monitoring cost was reduced and the monitoring operating efficiency was improved. Web technology， communication technology and embedded technology are combined in the system. The system has the characteristics of convenient deployment， high stability， strong anti?interference， low cost and so on， and can meet the requirements of modern small?and medium?sized coal mine enterprises.

Keywords： video monitoring； embedded system； ARM； Linux

0 引言

我國的煤炭資源非常豐富，但開采的條件相當復(fù)雜，煤礦井下作業(yè)因為遠離地面，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，所以容易發(fā)生事故[1?2]。利用遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控人員可以直接對井下情況進行實時監(jiān)控，不僅能直觀地監(jiān)視和記錄井下工作現(xiàn)場的安全生產(chǎn)情況，而且能及時發(fā)現(xiàn)事故前兆，防患于未然，也能為事后分析事故提供有關(guān)的第一手資料，因此煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分[3]。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

20世紀60年代中期法國研制出了CCT63/40煤礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它可測量瓦斯、一氧化碳、風速、溫度等參數(shù)，最多可測40個點。20世紀70—80年代，先進的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相繼誕生，到20世紀80—90年代，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)促進了礦井綜合自動化的發(fā)展，波蘭、法國、德國、英國和美國開發(fā)出了DAN6400，TF200，MINOS和Senturion?200系統(tǒng)[4]。

在我國，自1990年起，先后自主研制出KJ2，KJ4，KJ8，KJ10，KJ13，KJ19，KJ38，KJ66，KJ75，KJ80，KJ92等監(jiān)控系統(tǒng)[5]，并普遍推廣用于我國煤礦中。隨著電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了KJ90，KJ95，KJ101，KJF2000，KJ4/KJ2000和KJG2000等監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM，WebGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由早期的地面單微機監(jiān)測監(jiān)控已發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測監(jiān)控以及不同監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。實踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。目前我國礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀如下：

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)控

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的要求，中小型煤礦企業(yè)都已安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成的是數(shù)據(jù)監(jiān)控，主要用來監(jiān)測甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、硫化氫濃度、礦塵濃度、風速、風壓、濕度、溫度、饋電狀態(tài)、風門狀態(tài)、風筒狀態(tài)等，數(shù)據(jù)信息通過各種傳感器獲取，用戶看到的是生硬的數(shù)據(jù)，無法實時看到現(xiàn)場的具體情況。

（2）視頻監(jiān)控

目前有部分大中型煤礦企業(yè)安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴，由于井下圖像采集器之間采用通信電纜連接，使得布線和設(shè)備成本巨大，中小企業(yè)難以承受。另外，礦井中設(shè)備較多，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝帶來了不便。

綜上所述，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)目前主要存在的問題有以下三點：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線監(jiān)控，煤礦礦井位置大多較分散、偏僻，井下工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，空間狹小，有線視頻監(jiān)控布線復(fù)雜，覆蓋面有限，可移動性差，成本較高，無法較好地滿足中小煤礦企業(yè)的需求。

（2）安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是數(shù)據(jù)監(jiān)控無法全面反映井下的具體情況。

（3）視頻監(jiān)控價格昂貴，目前使用的企業(yè)較少。

2 基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為了更加適應(yīng)中小型煤礦企業(yè)的需求而設(shè)計的基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是以Linux操作系統(tǒng)和ARM11作為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺，根據(jù)ARM硬件配置及遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求對內(nèi)核進行裁減配置及優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)出的抗干擾、穩(wěn)定性高、價格低廉、方便部署的井下實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

整個系統(tǒng)由井上監(jiān)控中心和井下監(jiān)控系統(tǒng)組成。井下監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式監(jiān)控設(shè)備和煤礦攝像儀組成，煤礦攝像儀負責采集數(shù)據(jù)，由嵌入式監(jiān)控設(shè)備負責數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)傳輸、云臺控制等。該系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)與流媒體技術(shù)有效結(jié)合，將前端對視頻數(shù)據(jù)的處理都集中在 ARM 開發(fā)板上，此設(shè)計避免了建立大型服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理，監(jiān)控中心主要負責存儲數(shù)據(jù)，方便遠程客戶調(diào)取視頻信息。同時，利用Web技術(shù)，用戶可以通過瀏覽器遠程操作和查看監(jiān)控視頻?；贏RM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。

3 ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式主板、操作系統(tǒng)和監(jiān)控軟件構(gòu)成。硬件方面主要開發(fā)集中在ARM主板上，該主板具有功耗低，發(fā)熱小，開機快，成本低，功能強，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的特點。由于井下工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，一般的主板很難在井下長時間工作，而ARM主板不受時間限制，可以一直開機工作，無需人員去維護。軟件方面的Linux操作系統(tǒng)也是具有超強的穩(wěn)定性，而且該操作系統(tǒng)采用的是核心程序的嵌入式系統(tǒng)，只要幾百KB不到的程序碼就可以完整地驅(qū)動系統(tǒng)硬件，并成為一個完整的作業(yè)系統(tǒng)，因此相當適合于開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計圖

整個監(jiān)控系統(tǒng)在基于ARM處理器的硬件構(gòu)架上，通過移植Linux系統(tǒng)建立嵌入式開發(fā)平臺，針對Linux內(nèi)核模塊進行功能擴展設(shè)計和優(yōu)化，實現(xiàn)功能強大、處理能力強、價格低廉的監(jiān)控系統(tǒng)?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成框圖

加載嵌入式系統(tǒng)相關(guān)硬件的主要代碼為：

static struct platform_device *smdk6410_devices[]__initdata = {

&s3c_device_usb，

&s3c_device_lcd，

&s3c_device_wdt，

&s3c_device_i2c，

&s3c_device_iis，

&s3c_device_rtc，

&s3c_device_nand /*add here*/

&s3c_device_ts， /*add here*/

&s3c_device_sdi， //add here

}

運行嵌入式系統(tǒng)的主要代碼為：

/> iptables –t nat –L

Chain PREROUTING（policy ACCEPT） destination

target prot opt source

Chain POSTROUTING（policy ACCEPT）

target prot opt source destination

Chain OUTPUT （policy ACCEPT）

target prot opt source destination

嵌入式系統(tǒng)控制井下攝像機將圖像實時傳輸至監(jiān)控中心，遠程用戶可以在終端上看到井下各個監(jiān)控點的畫面，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控畫面

4 結(jié) 語

基于ARM的嵌入式煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是Web技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的結(jié)合，具有部署方便、穩(wěn)定性高、抗干擾強、價格低廉等特點。該系統(tǒng)投入使用后，有效降低了監(jiān)控運行維護成本，提高了監(jiān)控運行維護效率，對煤礦企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、節(jié)省能源、安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。

參考文獻

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[2] 國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)于堅持科學(xué)發(fā)展安全發(fā)展促進安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)的意見[EB/OL].[2011?12?02].國務(wù)院.http：//news.xinhuanet.com/politics/2011?12/02/c_111212735.htm.

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.安全生產(chǎn)事故隱患排查治理體系建設(shè)實施指南[M].北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2012.

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（2）安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是數(shù)據(jù)監(jiān)控無法全面反映井下的具體情況。

（3）視頻監(jiān)控價格昂貴，目前使用的企業(yè)較少。

2 基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3 ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計圖

整個監(jiān)控系統(tǒng)在基于ARM處理器的硬件構(gòu)架上，通過移植Linux系統(tǒng)建立嵌入式開發(fā)平臺，針對Linux內(nèi)核模塊進行功能擴展設(shè)計和優(yōu)化，實現(xiàn)功能強大、處理能力強、價格低廉的監(jiān)控系統(tǒng)。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。