基于网络的煤矿井下视频监控系统

基于网络的煤矿井下视频监控系统

作者：周博 薛章华 来源：《软件》2012年第07期

摘要：本文应用网络摄像仪设计了一套基于网络的井下视频监控系统，给出了系统总体结构图，并详细介绍了系统的结构、功能和特点。系统外客户机可以通过矿局域网访问网络摄像仪或者网络硬盘录像机，查看实时图像或者调取历史画面。 关键词：煤矿；视频监控；网络 引言

随着煤矿井下自动化程度的不断提高，需对井下生产的重要环节、岗位和场所进行视频监控，方便井上调度人员实时、直观了解井下人员工作状况和设备运行状况。视频监控系统经历了三个发展阶段：模拟视频监控系统、基于微机平台的数字监控和基于网络的视频监控。目前，国内煤矿主要采用第二代监控系统——基于微机平台的数字监控，但其存在系统可拓展性差、需要额外铺设传输线路等缺点。基于网络的视频监控克服了第二代监控系统的缺点，而且随着Internet和宽带网络技术的日益发展，其可靠性、数字化、网络化、性价比越来越高，得到了煤矿领导和广大技术人员的青睐。 1.系统总体结构设计

基于网络的煤矿井下视频监控系统把煤矿井下已建设好的1000M工业以太环网作为传输介质，将井下主要生产环节、重要设备、关键场所和主要巷道的实时图像传送到井上矿调度指挥中心和相关部门领导办公室，使调度人员和矿领导可以实时了解井下一线生产状况，掌握重要设备的运行状况，提高科学调度指挥和管理的现代化水平。

系统主要由视频数据采集部分、信号传输和图像处理与显示三部分组成，主要设备包括网络摄像仪、防爆光纤交换机、核心交换机、数字解码器、分配器、视频矩阵、分割器、网络硬盘录像机和电视墙组成。系统总体结构图如图1所示。 2.视频数据采集

视频数据采集采用网络摄像头仪，具有高清晰度、高灵敏度、高信噪比、在低照度环境下可获得真实自然图像等特点，摄像仪同时具有红外拍摄功能，在无光情况下可自动开启红外功能，适合煤矿井下光照条件使用要求，摄像仪经本安处理后符合煤矿井下安全要求，主要安装于变电所、泵房、工作面、主运输带、主巷道和猴车等要害场所。网络摄像仪内置一个嵌入式芯片，采用嵌入式实时操作系统，将摄像头采集的模拟视频信号按一定标准编码压缩，转换为

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可以在工业以太网中不失真传输的数字化信号，同时具有web服务器的功能，允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP地址对网络摄像机进行访问，观看实时图像及控制摄像机的镜头和云台。

信号系统信号格式为D1视频信号格式，分辨率为720×576，帧数为25，一路视频信号所占带宽为720×576×2x25×8bit/s，不采用视频压缩技术的话，巨大的数据量会给网络带宽和存储器的存储容量带来巨大压力，所以选择一个编码速度快、压缩比高、网络信道适应性好、失真度小的编码算法尤为重要。本系统选择H.264，它代表了当前业界最先进的视频压缩技术，具有无可比拟的优越性，并采用了“网络友好”码流结构和语法，经编码压缩后一路视频信号仅占用1.5Mbps带宽。

网络摄像仪以距离防爆光纤交换机的距离，根据就近原则选则较近的交换机相连，并给每一台网络摄像仪分配一个IP地址，编码压缩后的数字视频数据经千兆工业以太环网传输到图像处理与显示设备。 3.信号传输

信号传输主要是井下监控现场和图像处理与显示设备的信号传输，一方面是网络摄像仪的视频信号要传输到图像处理与显示设备，图像处理与显示设备的控制信号也要传输到网络摄像头；另一方面就是网络摄像头的电源传输。

网络摄像仪的电源由井下监控机房集中供电至前端电压，供电电压为24V，采用开关电源，布线时单独布电源线，并进行本安处理。

视频信号和图像处理与显示设备控制信号都通过千兆工业以太环网传输。工业以太网与传统采用的现场总线相比，虽然具有传输速率高、开放性好、可靠性高、可传输音频和视频信号的优点，但由于以太网采用冲突检测载波监听多点访问（CSMA/CD）机制解决通信介质层竞争问题，这造成以太网通信响应时间的不确定。本系统采用在冲突域应用交换机技术进行网络分段解决这一问题，各个工作站通过交换机接入网络，传入工作站的视频数据包经分析后由交换机直接转发目的站点，类似于一组点对点连接，这样不仅可以控制网络风暴，还可以减小冲突发生。

井下工业以太环网采用防爆光纤交换机，端口延时不超过10微妙，支持127V/660V供电，内置4小时不间断电源，与外部设备的传输接口也全部要进行本安处理。防爆光纤交换机主要设置在距离采掘工作面较近的变电所，这样本安网络摄像头与其连接时可最大的节省传输电缆。核心交换机采用双机双备份方案，保证数据传输的可靠性，且提供OPC协议和接口，支持监控软件的集成，方便对设备统一管理。

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工业以太网采用环网设计，且支持高速冗余环网，其中一台核心交换机作为冗余管理器，实时监测网络状态，当网络上的连接断开或者交换机故障，通过一个替代路径恢复另一种线型结构，网络重构时间小于50ms。国内外学者研究表明，以太网的实时性和确定性主要受网络负载量的影响，对于视频数据包的传输，其实时性要求为100ms，数据传输带宽应控制在总带宽的30%左右，一路视频信号占用1.5Mbps带宽，传统100Mbit/s主干网络最多可传输20路视频信号，难以满足煤矿井下监控需求，所以采用1000Mbit/s工业以太环网，可支持200路以下视频信号的传输。 4.图像处理与显示 4.1大屏显示系统

大屏显示系统用来显示工业电视监视图像，使监控中心成为一个具有高亮度、高清晰度、高智能化控制、操作方法先进的显示观察窗口，实现对监控中心网络信息和计算机信息、监控视频图像等相关资讯进行实时显示、监控和智能化管理，有利于监控中心各种应急事件的及时观察、处理，满足监控中心的指挥、调度、决策功能需求。

本系统采用DID超窄缝液晶拼接单元拼接而成。中部以16块46″DID超窄边液晶拼接单元以4行×4列的排列方式组合，最小拼缝可达到7.3mm。两侧各配以12台40″窄边液晶显示单元，布置成4行×3列。上部配置双基色LED显示屏，可以显示日期、时间、值班信息及生产数据等文字信息。大屏显示示意图如图2。 4.2视频处理系统

视频处理系统主要包括：①核心交换机、②数字解码器、③分配器、④分割器、⑤视频矩阵和网络硬盘录像机。

核心交换机配备两台，其中一台为冗余备份，所有防爆光纤交换机转发的视频数据包经核心交换机传输到数字解码器解码；

数字解码器应用H.264编码将压缩视频数据包重新解码为模拟视频信号，同时将各路视频信号分开；

分配器将解码后的各路视频信号分别进行三分配，三分配的三路信号分别输入到分割器、视频矩阵和硬盘录像机。

视频分割器输入为4路摄像仪视频信号，具有四画面和单画面两种显示方式，这样可以有效增加两侧屏幕显示的视频图像的数目，所有分割器通过RS232串口总线串联并与计算机相连，实现对分割器的控制功能；

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视频矩阵可以通过阵列切换的方法将多路或者一路路摄像头视频信号显示在中部拼接大屏，具有缩放、漫游、单屏、全屏和混合等多种显示方式；

网络硬盘录像机主要功能是存储各路视频信号，支持历史画面回看功能，自带RJ45接口，可通过交换机连入矿局域网，监控图像存储时间不小于10天。 5.总结