基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于繼武 邢遠(yuǎn)秀

(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430025;2.武漢因科科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢430077;3.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢430081)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)技術(shù)將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別裝置、紅外感應(yīng)器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，形成一個物物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，自動實(shí)時地對物體進(jìn)行識別、定位、監(jiān)控，是一種新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［1-2］，在諸如智能交通、智能家居、智能醫(yī)療、環(huán)境與安全檢測等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。針對礦山井筒的安全檢測，目前有人工完成、固定場景監(jiān)控系統(tǒng)［3-6］和礦山井筒安全隱患監(jiān)測系統(tǒng)［7-8］等幾種方式來實(shí)現(xiàn)。固定場景監(jiān)控系統(tǒng)主要用來進(jìn)行場景及設(shè)備監(jiān)測，但是設(shè)備位置固定使得監(jiān)測對象固定和設(shè)備不能共享，并且采集視頻完全由人工進(jìn)行判別。礦山井筒安全隱患監(jiān)測系統(tǒng)將井筒設(shè)施工作及生產(chǎn)狀況的實(shí)時圖像信息自動采集、存儲、地面顯示，隨后視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入后臺管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能故障識別，但是采集的視頻圖像沒有共享，同時需要人工導(dǎo)入后臺才能進(jìn)行后繼處理。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，本研究對原有礦山井筒安全隱患監(jiān)測系統(tǒng)［8］進(jìn)行改造升級，將系統(tǒng)中分散的前端視頻采集裝置、地面顯示遙控裝置和后臺管理裝置，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連成一個整體，實(shí)現(xiàn)高效、智能的在線安全監(jiān)測管理。

1 礦山井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

已有的礦山井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)［8］經(jīng)過2 次升級，到目前為止，已經(jīng)在大冶鐵礦的2 個車間測試運(yùn)行了將近4 a，根據(jù)現(xiàn)場測試，系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，運(yùn)行狀況尚可，并通過了湖北省科技廳成果鑒定。系統(tǒng)由前端視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、地面圖像顯示控制子系統(tǒng)和視頻處理子系統(tǒng)4 部分構(gòu)成。前端視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)將采集視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲;地面圖像顯示裝置通過無線傳輸網(wǎng)控制前端云臺;最后將視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入后臺系統(tǒng)進(jìn)行管理和故障點(diǎn)智能監(jiān)測與定位。系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 原系統(tǒng)模型Fig.1 The original system model

目前，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，原系統(tǒng)主要存在以下缺點(diǎn):其一，前端視頻裝置采集的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)在完成采集后，需要人工將視頻裝置帶到監(jiān)控中心，導(dǎo)出數(shù)據(jù)到后臺系統(tǒng)中進(jìn)行管理分析，操作復(fù)雜，并且監(jiān)控數(shù)據(jù)沒有實(shí)現(xiàn)共享;其二，地面顯示控制裝置和前端裝置通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸，當(dāng)傳輸大量高清視頻圖像信息時，由于目前傳輸帶寬限制，導(dǎo)致視頻幀出現(xiàn)丟失現(xiàn)象。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)

針對同一礦區(qū)可能有多個井筒的問題，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將多個井筒的監(jiān)測設(shè)備互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和多點(diǎn)監(jiān)測。本系統(tǒng)主要包括前端視頻采集傳輸裝置、井上控制裝置、視頻數(shù)據(jù)(MVD)服務(wù)器和后臺視頻管理系統(tǒng)4 部分，通過物聯(lián)網(wǎng)和無線傳輸技術(shù)將這4 部分連接。

2.1 系統(tǒng)3 層架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)主要遵循物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的通用3 級層次架構(gòu)［2］，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層，本系統(tǒng)具體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 3 層架構(gòu)Fig.2 Three-layer architecture

(1)感知層。主要通過高速高清攝像機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)獲得井筒內(nèi)各個監(jiān)測方位的視頻信息，并對信息進(jìn)行編碼表示以便進(jìn)行高效傳輸。傳感器固定在可旋轉(zhuǎn)云臺上，另外配備高照度的光源，保證在復(fù)雜井筒環(huán)境中能獲得清晰的視頻。

(2)傳輸層。傳輸層將所有裝置互聯(lián)進(jìn)行通信。由于井筒內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，同時視頻采集裝置隨罐籠上下運(yùn)動，因此視頻采集裝置和井上控制裝置之間采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)和控制信號傳輸，在傳輸過程中采用COFDM 調(diào)制技術(shù)、信道編解碼技術(shù)和自適應(yīng)混合ARQ/FEC 的差錯控制技術(shù)保證數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)目煽啃院涂焖傩浴?/p>

(3)應(yīng)用層。應(yīng)用層提供各種應(yīng)用服務(wù)，包括系統(tǒng)硬件和應(yīng)用軟件2 部分。其中硬件部分主要包括井上監(jiān)控裝置、外部網(wǎng)絡(luò)、MVD 服務(wù)器和遠(yuǎn)程PC 機(jī)等設(shè)備，軟件部分主要有運(yùn)行在井上控制裝置、MVD服務(wù)器和PC 機(jī)上的視頻處理軟件。井上控制裝置和后臺管理軟件同MVD 服務(wù)器之間可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收并存儲從感知層收集的數(shù)據(jù)，分析感知層傳送來的視頻數(shù)據(jù)。同時應(yīng)用層還包括操作人員和故障會診專家。

2.2 礦山井筒安全監(jiān)測模型

圖3 為上述軟硬件通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)互聯(lián)，構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)模型。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)模型Fig.3 Safety monitoring system model based on Internet of things technology

針對同一個礦區(qū)，不同礦井可以有單獨(dú)的視頻采集裝置和井上控制裝置。視頻采集裝置包括處理器、硬盤存儲模塊、無線信號接收發(fā)送模塊、電源模塊和智能控制模塊。處理器升級為基于雙ARM11 的高性能通信媒體處理器Hi3520，更快地處理高清視頻圖像數(shù)據(jù)。Hi3520 處理器包含RJ45 10 M/100 M/1 000 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，可以保證視頻數(shù)據(jù)通過無線視頻信號發(fā)射裝置將視頻信號編碼快速準(zhǔn)確低發(fā)送到井上控制裝置。

井上控制裝置主要由Hi3520 處理器、小鍵盤、屏幕、無線信號發(fā)射接收裝置、解碼器、網(wǎng)卡和驅(qū)動軟件等構(gòu)成。當(dāng)按下鍵盤相應(yīng)按鈕，可通過無線信號發(fā)射裝置把控制信號發(fā)送到前端視頻采集裝置。無線信號接收裝置實(shí)時接收井下傳送的視頻圖像。數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后由屏幕實(shí)時顯示，同時被轉(zhuǎn)發(fā)到MVD 服務(wù)器保存。MVD 服務(wù)器保存同一個礦區(qū)多個井筒的視頻監(jiān)控圖像，使得后臺管理軟件可以共享視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻圖像管理分析。

后臺管理可通過網(wǎng)絡(luò)在任意時間任意地點(diǎn)調(diào)取MVD 服務(wù)器中的視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行視頻管理和視頻分析，查找井筒內(nèi)故障，同時可以進(jìn)行專家會診。為了提高視頻處理速度，在實(shí)際應(yīng)用中，視頻數(shù)據(jù)在訪問后緩存到本地數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行后繼處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 智能嵌入與編解碼技術(shù)

智能嵌入技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，通過把物聯(lián)網(wǎng)中每個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)植入嵌入式芯片后，比普通節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)大的智能處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力。本系統(tǒng)在視頻采集裝置和井上控制裝置中分別嵌入了基于ARM11 的Hi3520 處理器，Hi3520 處理器是一款具有視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，采用的雙DDR 架構(gòu)能夠提供更大的數(shù)據(jù)處理帶寬和能力。

為了保證井筒高清視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的性能，本系統(tǒng)采用先進(jìn)的H.264 協(xié)議對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼。H.264 的編解碼包括幀內(nèi)和幀間預(yù)測編解碼、整數(shù)變換和反變換、可選52 種不同步長量化和反量化、環(huán)路濾波、可變長熵編碼5 個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的高壓縮比、高圖像質(zhì)量和良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，并且可以獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量，在同等圖像質(zhì)量下，H.264 技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG4 的1/3，因此在網(wǎng)絡(luò)傳輸中能夠極大地提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。

3.2 并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸

視頻數(shù)據(jù)采集后傳輸至井上控制裝置并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至MVD 服務(wù)器進(jìn)行存儲。針對MVD 服務(wù)器，可同時并發(fā)接收礦區(qū)內(nèi)不同礦井的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)。在傳送視頻數(shù)據(jù)之前首先需要在井上控制裝置和MVD 服務(wù)器之間建立連接，隨后接收監(jiān)控視頻相關(guān)信息。

本系統(tǒng)中，MVD 數(shù)據(jù)庫模塊作為接收服務(wù)器，每個井上控制裝置作為客戶端和MVD 服務(wù)器通過套接字Socket 建立相應(yīng)連接，其具體流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.4 Data Transfer process

為了解決MVD 服務(wù)器同時和多個井筒的井上控制裝置進(jìn)行通信問題，MVD 服務(wù)器采用一個主線程和多個子線程共存，主線程的socket綁定在一個固定端口上，負(fù)責(zé)監(jiān)聽各個井上控制裝置的Socket 信息。每當(dāng)有1 個井上控制裝置進(jìn)行連接時，向MVD服務(wù)器發(fā)送來一個Socket 連接請求，MVD 端則新開啟一個線程，并在其中創(chuàng)建一個新Socket 與該井上控制裝置的Socket 進(jìn)行通信。

井上控制裝置根據(jù)設(shè)定的監(jiān)測方位控制前端視頻裝置進(jìn)行監(jiān)測，同時根據(jù)MVD 服務(wù)器的IP 地址和MVD 服務(wù)器建立連接，把礦井編號和監(jiān)測方位及監(jiān)測時間等信息發(fā)送至MVD 服務(wù)器，雙方連接建立的協(xié)議格式定義為0xAA+數(shù)據(jù)長度(1 字節(jié))+數(shù)據(jù)(2個字節(jié)的礦井編號+1 個字節(jié)的監(jiān)測方位+8 個字節(jié)的監(jiān)測時間)+校驗(yàn)+結(jié)束位(0xFF)，MVD 服務(wù)器接收到井上控制裝置的連接協(xié)議后，創(chuàng)建子線程并建立新的子Socketi，用來接收該礦井的視頻數(shù)據(jù)。

當(dāng)雙方連接建立后，MVD 服務(wù)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，接收從井上控制裝置傳送來的視頻流，視頻流在傳輸時的協(xié)議格式定義為0xBB+數(shù)據(jù)長度(4 字節(jié))+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)+結(jié)束位(0xFF)。

視頻采集完畢后，井上控制裝置向MVD 服務(wù)器發(fā)送結(jié)束協(xié)議:0xCC+數(shù)據(jù)長度(1 字節(jié))+數(shù)據(jù)(2 個字節(jié)的礦井編號)校驗(yàn)+結(jié)束位(0xFF)，該井上裝置和MVD 服務(wù)器建立的Socketi 連接關(guān)閉，并結(jié)束該線程。

同理，后臺管理軟件訪問MVD 服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù)同樣采用上述方式。

4 結(jié) 論

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到礦山井筒監(jiān)測中，使得系統(tǒng)中視頻采集裝置、井上控制裝置、MVD 服務(wù)器和后臺管理裝置有機(jī)地結(jié)合成一個整體，實(shí)現(xiàn)了同一礦區(qū)不同井筒間視頻數(shù)據(jù)的共享，給用戶提供了方便的操作環(huán)境，采用智能嵌入技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和先進(jìn)的編解碼協(xié)議實(shí)現(xiàn)了高效視頻數(shù)據(jù)傳輸，同時MVD 服務(wù)器程序采用多線程解決了視頻數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸、存儲。該系統(tǒng)目前正在測試運(yùn)行階段，系統(tǒng)顯示性能良好、操作方便，下階段系統(tǒng)進(jìn)一步完善后，可以向全國非煤礦山具有提升礦井的企業(yè)進(jìn)行推廣。

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