煤矿井下无线视频监控系统的设计与实现

煤矿井下视频监控系统的前端设备为无线网络 摄像机．无线网络摄像机实质上是一个带ＷＬＡＮ无线 收发模块的网络摄像机，通过输入接口可以和镜头、 云台等连接．网络摄像机的主要任务是完成视频采 集、压缩、打包及无线传输，同时提供透明通道，支持
收稿日期：２００９—１０－０８ 基金项目：国家自然科学基金莺点资助项目（５０５３４０６０）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００ｒ７ＡＡ０６ｚ１０６）；煤炭资源与安全开采
煤矿井下视频监控系统的视频监控软件采用Ｃ＃ 编程语言开发，无线网络摄像机的ＳＤＫ采用Ｃ＋＋编程 语言开发。中间通过动态链接库（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｎｋａｂｌｅ Ｌｉｂｒａｒｙ，ＤＬＬ）技术实现两种编程语言模块的对接．系统 在开发的过程中涉及到的动态链接库有ＶｉｄｅｏＣａｍｅｒａ。
ｄｌｌ、ＶｉｄｅｏＰｌａｙｅｒ．ｄｌｌ、ＮｅｔＣｌｉｅｎｔ．ｄＵ、ＮｅｔＨｏｓｔＳＤＫ．ｄｌＩ、
ｐＣｈａｎｉｎｆｏ，ＷＯＲＤ ｗｓｅｒｐｏｒｔ＝３ ０００）函数，实现与网络摄 像机的网络连接和实时视频预览．
２．２远程参数设置功能的实现
无线网络摄像机内置网络服务器，为了实现对网 络服务器中一系列参数的设置，从而最优化地利用好 无线网络摄像机，本系统设计并开发了远程参数设置 模块．远程参数设置模块可以实现对网络摄像机的网 络参数、图像参数、通道参数、云台参数等的设置和获 取．无线网络摄像机远程参数设置模块在开发过程中 涉及的动态链接库有ＶｉｄｅｏＣａｍｅｒａ．ｄＵ和ＮｅｔＣｌｉｅｎｔ．ｄＲ．
视频录像流程如图３所示．在无线网络摄像机接 入系统后，当调度启用录像功能时，系统调用 ＣｌｉｅｎｔＲｅｃｏｒｄＳｔａｒｔ函数开始录像；当调度终止录像功能 时，系统调用ＣｌｉｅｎｔＲｅｃｏｒｄＳｔｏｐ函数停止录像．
第２４卷第４期 ２００９年 １２月
湖南科技大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．２４ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ． ２００９
煤矿井下无线视频监控系统的设计与实现
刘艳兵１，２，杨 维１，３，王曙光１，李林涛１
无线视频监控系统
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Ｆｉｇ．２ Ｌｏｇｉｃａｌ￥１１＇ｔｌＣｏ．１ｒｃ ｏｆｓｙｓｔｅｍ
２．１视频访问功能的实现
Байду номын сангаас
为了实现用户对煤矿井下无线网络摄像机的远 程访问和视频预览，设计并开发了视频访问模块．视 频访问模块通过网络摄像机名称、ＩＰ地址、端口号、通 信连接方式、通道号以及登录网络摄像机的用户名和
通过对消息打开函数ＣｌｉｅｎｔＭｅｓｓａｇｅＯｐｅｎ、消息操 作函数ＣｌｉｅｎｔＭｅｓｓａｇｅＯｐｔ以及消息关闭函数 ＣｌｉｅｎｔＭｅｓｓａｇｅＣｌｏｓｅ的调用，可以实现对摄像机无线网 络（硼ＬＡＮ）参数的获取和设置，决定是否使用无线网 络，指定接入无线网络的服务集识别码ＳＳＩＤ，以及指 定无线网卡的ｌＰ地址、子网掩码、网关地址、ＤＮＳ地
路由器的支持．
１．３无线网络摄像机与开发运行环境
为了实现基于煤矿井下无线局域网的无线视频 监控。作者采用了基于ＡＲＭ＋ＤＳＰ嵌入式的无线网络 摄像机，其辅助设备包括云台、解码器等．无线网络摄 像机采用Ｈ．２６４／ＡＶＣ标准压缩算法，支持ＰＡＬ和 ＮＴＳＣ ２种视频制式，支持Ｄｌ高清晰的视频格式，还 向下支持ＣＩＦ、ＨａｌｆＤｌ格式胸．同时，视频码率１６ ｋｂｐｓ一 ４ Ｍｂｐｓ连续可调，以及帧率ｌ一２５（ＰＡＬ）或ｌ一３０ （Ｎ鸭Ｃ）也连续可调；支持ＴＣＰ协议单播方式、ＵＤＰ协 议单播方式和ＵＤＰ协议组播方式的视频数据传输；支 持８０２．１１ ｂ／ｓ无线局域网技术，采用网络自适应传输 技术，可以根据网络带宽自动调整视频帧率；具有视 频遮挡、移动侦测等功能以及ＰＴＺ云台控制功能；还 支持多用户同时访问和多级用户密码权限管理．
址、加密方式和密钥． 通过对ＣｌｉｅｎｔＧｅｔＣｈａｎｎｅｌＰａｒａ和ＣｌｉｅｎｔＳｅｔＣｈａｎｎｅｌＰａｒａ
函数的调用，可以实现对网络摄像机视频压缩参数的 获取和设置，设置网络传输视频流的分辨率大小、视 频流的类型、视频帧中关键帧之间的间隔、视频帧率、 是否固定码率以及视频图像的最好质量、最差质量和 最大码率等一系列信息．
视频预览和远程参数设置等功能接口．
、
在无线视频监控系统启动的时候，通过调用函数 ＣｌｉｅｎｔＩｎｉｔｉａｌ（ＨＷＮＤ ｍ＿ｈＷｎｄ）实现系统视频参数的初
始化．在“播放”事件响应函数里，将用户输入的网络
摄像机名称、ＩＰ地址、端口号、通信连接方式、通道号 以及登录网络摄像机的用户名和密码传递给
ＣｌｉｅｎｔＳｔａｒｔ（ｃｈａｒ·ｍ—ｕｒｌ，ＣＨＡＮＮＥＬ＿ＣＬ】［ＥＮＴＩＮＦＯ宰ｍＬ
２６４／ＡＶＣ视频压缩标准，这主要是由于Ｈ．２６４１ＡＶＣ标 准具有更高的压缩性能，如在相同的重建图像质量
下，Ｈ．２６４１ＡＶＣ比Ｈ．２６３和ＭＰＥ叫节约５０％左右的
码率［８１．同时，Ｈ．２“，ＡＶＣ标准还可以根据网络情况自 适应地调节传输率，支持在误码、丢包多发环境中的 传输．这些都使得Ｈ．２６４１ＡＶＣ视频压缩标准能很好地 适应煤矿井下无线传输丢包率可能较高，不同工作地 段对视频监控的需求可能变化较大的特点．
无线接入点ＡＰ是井下无线局域网络中有线、无 线网络之间的桥梁，由一个无线输出口和一个有线的 网络接口（８０２．３接口）构成．ＡＰ本身又兼具网管功能， 可针对无线设备进行必要的管理．网络路由器，交换 机在网络中除了作为路由，分路功能之外，主要用于 数据包的快速转发，它为数据帧从一个端口到另一个 任意端口转发提供了低时延、低开销的通路．地面服 务器用于对网络中的所有设备进行管理，接收网络中 ＡＰ发送的数据包，管理网络中的无线接人设备．调度 人员可以通过局域网或Ｉｎｔｅｍｅｔ登录服务器，通过用 户端或浏览器了解煤矿井下的生产、安全状况，并可 对井下设备进行控制．
视频传输协议采用了ＴＣＰ和ＵＤＰ传输协议．ＴＣＰ 协议主要应用于视频传输质量要求比较高的场合； ＵＤＰ协议主要应用于视频传输实时性要求比较高的 场合．对网络摄像机进行参数设置和访问网络摄像机 交互用户信息时必须采用ＴＣＰ协议，以保证参数设置 的有效性和用户信息的可靠性．
数据传输方式采用了单播、组播和广播传输方式． 为了保证煤矿井下视频监控系统在煤矿井下环境下 无线传输的可靠性，设计煤矿井下视频监控系统同时 实现ＴＣＰ协议单播方式、ＵＤＰ协议单播方式和ＵＤＰ 协议组播方式的视频数据传输．这３种视频数据传输 都需要网络摄像机的支持，同时组播方式还需要网络
（１ｊＢ京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室，北京１０００４４；２．河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室，河南焦作 ４５４００３；３．中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室。北京ｌ∞０８３）
摘要：构建煤矿井下无线视频监控系统可有效弥补有线监控系统的不足，提高煤矿井下视频监控的能力，对保证煤矿井下安全生
煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶 劣，容易发生事故．利用远程视频监控系统，地面监控 人员不仅能直观地监视和记录井下工作现场的生产 情况，而且能及时发现事故苗头，防患于未然，也能为 事故分析提供第一手图像资料．因此，视频监控是现 代矿井安全生产监控系统的重要组成部分【１Ｌ现在煤 矿使用的视频监控系统以有线监控系统为主，在视频 监测能力和使用灵活性等方面都有较大的不足．目前 已有多种煤矿井下无线视频监控方案被提出酬，但现 有的方案大都停留在设计阶段．为此，基于数字矿山 综合无线局域网网络架构【５ｌ开发了煤矿井下无线视频 监控系统，系统具有图像质量好、实时性高、扩容方 便、多级远程访问等诸多优点．
频监控服务器．视频录像数据存储服务器可采用磁盘 阵列实现对录像文件的大容量存储；视频监控服务器 实现对网络摄像机的访问、视频预览、网络摄像机配 置、转发网络视频等功能．
图１网络拓扑结构 Ｆｉｇ．１ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ￥ｔｒｕｃ＇ｔｕｒｅ
１．２视频压缩标准和传输协议 作者所开发的煤矿井下视频监控系统采用了Ｈ．
中，ＮｅｔＨｏｓｔＳＤＫ．ｄｌｌ实现系统与网络摄像机的网络连
接；ｈｉ＿ｈ２６４ｄｅｃ．ｄｌｌ实现系统对Ｈ．２６４／ＡＶＣ视频数据流
的解码；ＮｅｔＣｌｉｅｎｔ．ｄｕ实现系统对网络摄像机的视频访 问和视频预览；ＶｉｄｅｏＣａｍｅｒａ．ｄＵ实现对前面３个ＤＬＬ 接口的管理，并根据系统需要可重新设计视频访问、
１ 井下无线视频监控系统的设计
１．１井下无线视频监控系统
无线局域网具有快捷方便的无线接入、灵活多变 的拓扑结构、易于维护管理、建设成本低廉等优点，是 构建数字矿山综合无线局域网络系统有效的无线通
信平台Ｍ．数字矿山综合无线局域网主要由无线接入 点ＡＰ、网络路由器，交换机、地面服务器和数据电缆， 光纤构成，网络拓扑结构如图ｌ所示．
无线网络摄像机的设备信息和网络参数的获取 和设置，分别通过调用函数ＣｌｉｅｎｔＧｅｔＷｈｏｌｅＰａｒａ和
ＣｌｉｅｎｔＳｅｔＷｈｏｌｅＰａｒａ来实现，可以获取和设置网络摄像 机的名称、有线网络的ｌＰ地址、子网掩码、网关地址、 ＤＮＳ地址、端口号、多播地址和端口号、视频制式、参 数语言以及ＤＤＮＳ参数等信息，但是软件版本信息、 设备序列号和设备物理地址只可获取不可设置．
ＰｌａｙｅｒＳＤＫ．ｄｌｌ和ｈｉ＿ｈ２６４ｄｅｃ．ｄＵ．
２井下无线视频监控系统的实现
煤矿井下无线视频监控系统采用无线网络摄像 机技术实现对井下环境的视频监控．整个无线视频监 控系统主要由视频访问模块、参数设置模块、录像抓 图模块、云台控制模块、视频播放模块、视频检索模块 和视频转发模块组成，系统的逻辑结构如图２所示．
产和抢险救灾具有重要作用．基于数字矿山综合无线局域网系统，设计了煤矿井下无线视频监控系统，完成了系统关键技术的开发与调