基于物聯網技術的礦山井筒安全監測系統設計

于繼武 邢遠秀

(1.武漢軟件工程職業學院計算機學院，湖北 武漢430025;2.武漢因科科技發展有限公司，湖北 武漢430077;3.武漢科技大學理學院，湖北 武漢430081)

物聯網(Internet of Things，IoT)技術將各種信息傳感設備，如射頻識別裝置、紅外感應器等裝置與互聯網結合起來，形成一個物物相聯的網絡，自動實時地對物體進行識別、定位、監控，是一種新興網絡技術［1-2］，在諸如智能交通、智能家居、智能醫療、環境與安全檢測等領域應用前景廣闊。針對礦山井筒的安全檢測，目前有人工完成、固定場景監控系統［3-6］和礦山井筒安全隱患監測系統［7-8］等幾種方式來實現。固定場景監控系統主要用來進行場景及設備監測，但是設備位置固定使得監測對象固定和設備不能共享，并且采集視頻完全由人工進行判別。礦山井筒安全隱患監測系統將井筒設施工作及生產狀況的實時圖像信息自動采集、存儲、地面顯示，隨后視頻數據導入后臺管理系統，實現智能故障識別，但是采集的視頻圖像沒有共享，同時需要人工導入后臺才能進行后繼處理。

隨著物聯網和無線傳感技術的不斷發展成熟，本研究對原有礦山井筒安全隱患監測系統［8］進行改造升級，將系統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，通過物聯網技術連成一個整體，實現高效、智能的在線安全監測管理。

1 礦山井筒安全監測系統現狀

已有的礦山井筒安全監測系統［8］經過2 次升級，到目前為止，已經在大冶鐵礦的2 個車間測試運行了將近4 a，根據現場測試，系統運行基本穩定，運行狀況尚可，并通過了湖北省科技廳成果鑒定。系統由前端視頻數據采集子系統、無線傳輸子系統、地面圖像顯示控制子系統和視頻處理子系統4 部分構成。前端視頻數據采集子系統將采集視頻數據進行本地存儲;地面圖像顯示裝置通過無線傳輸網控制前端云臺;最后將視頻數據導入后臺系統進行管理和故障點智能監測與定位。系統模型如圖1 所示。

圖1 原系統模型Fig.1 The original system model

目前，在運行過程中發現，原系統主要存在以下缺點:其一，前端視頻裝置采集的視頻監控數據在完成采集后，需要人工將視頻裝置帶到監控中心，導出數據到后臺系統中進行管理分析，操作復雜，并且監控數據沒有實現共享;其二，地面顯示控制裝置和前端裝置通過無線傳輸網絡進行信號傳輸，當傳輸大量高清視頻圖像信息時，由于目前傳輸帶寬限制，導致視頻幀出現丟失現象。

2 基于物聯網的安全監測系統

針對同一礦區可能有多個井筒的問題，利用物聯網技術可以將多個井筒的監測設備互聯，進行數據共享和多點監測。本系統主要包括前端視頻采集傳輸裝置、井上控制裝置、視頻數據(MVD)服務器和后臺視頻管理系統4 部分，通過物聯網和無線傳輸技術將這4 部分連接。

2.1 系統3 層架構

基于物聯網技術的井筒安全監測系統主要遵循物聯網應用的通用3 級層次架構［2］，即感知層、傳輸層和應用層，本系統具體架構如圖2 所示。

圖2 3 層架構Fig.2 Three-layer architecture

(1)感知層。主要通過高速高清攝像機傳感器節點獲得井筒內各個監測方位的視頻信息，并對信息進行編碼表示以便進行高效傳輸。傳感器固定在可旋轉云臺上，另外配備高照度的光源，保證在復雜井筒環境中能獲得清晰的視頻。

(2)傳輸層。傳輸層將所有裝置互聯進行通信。由于井筒內環境復雜，同時視頻采集裝置隨罐籠上下運動，因此視頻采集裝置和井上控制裝置之間采用無線網絡進行視頻數據和控制信號傳輸，在傳輸過程中采用COFDM 調制技術、信道編解碼技術和自適應混合ARQ/FEC 的差錯控制技術保證數據幀傳輸的可靠性和快速性。

(3)應用層。應用層提供各種應用服務，包括系統硬件和應用軟件2 部分。其中硬件部分主要包括井上監控裝置、外部網絡、MVD 服務器和遠程PC 機等設備，軟件部分主要有運行在井上控制裝置、MVD服務器和PC 機上的視頻處理軟件。井上控制裝置和后臺管理軟件同MVD 服務器之間可以通過互聯網進行數據通信，接收并存儲從感知層收集的數據，分析感知層傳送來的視頻數據。同時應用層還包括操作人員和故障會診專家。

2.2 礦山井筒安全監測模型

圖3 為上述軟硬件通過物聯網技術互聯，構建的基于物聯網技術的安全監測系統模型。

圖3 基于物聯網技術的安全監測系統模型Fig.3 Safety monitoring system model based on Internet of things technology

針對同一個礦區，不同礦井可以有單獨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據。Hi3520 處理器包含RJ45 10 M/100 M/1 000 M自適應以太網口，可以保證視頻數據通過無線視頻信號發射裝置將視頻信號編碼快速準確低發送到井上控制裝置。

井上控制裝置主要由Hi3520 處理器、小鍵盤、屏幕、無線信號發射接收裝置、解碼器、網卡和驅動軟件等構成。當按下鍵盤相應按鈕，可通過無線信號發射裝置把控制信號發送到前端視頻采集裝置。無線信號接收裝置實時接收井下傳送的視頻圖像。數據進行解碼后由屏幕實時顯示，同時被轉發到MVD 服務器保存。MVD 服務器保存同一個礦區多個井筒的視頻監控圖像，使得后臺管理軟件可以共享視頻數據，進行遠程視頻圖像管理分析。

后臺管理可通過網絡在任意時間任意地點調取MVD 服務器中的視頻數據，進行視頻管理和視頻分析，查找井筒內故障，同時可以進行專家會診。為了提高視頻處理速度，在實際應用中，視頻數據在訪問后緩存到本地數據庫中，以便進行后繼處理。

3 關鍵技術分析

3.1 智能嵌入與編解碼技術

智能嵌入技術是物聯網技術的關鍵，通過把物聯網中每個獨立節點植入嵌入式芯片后，比普通節點具有更強大的智能處理能力和數據傳輸能力。本系統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 架構能夠提供更大的數據處理帶寬和能力。

為了保證井筒高清視頻監控數據在網絡傳輸中的性能，本系統采用先進的H.264 協議對視頻數據進行編解碼。H.264 的編解碼包括幀內和幀間預測編解碼、整數變換和反變換、可選52 種不同步長量化和反量化、環路濾波、可變長熵編碼5 個部分，能夠實現視頻的高壓縮比、高圖像質量和良好的網絡適應性，并且可以獲得平穩的圖像質量，在同等圖像質量下，H.264 技術壓縮后的數據量只有MPEG4 的1/3，因此在網絡傳輸中能夠極大地提高網絡傳輸速率。

3.2 并發數據傳輸

視頻數據采集后傳輸至井上控制裝置并通過網絡傳輸至MVD 服務器進行存儲。針對MVD 服務器，可同時并發接收礦區內不同礦井的監控視頻數據。在傳送視頻數據之前首先需要在井上控制裝置和MVD 服務器之間建立連接，隨后接收監控視頻相關信息。

本系統中，MVD 數據庫模塊作為接收服務器，每個井上控制裝置作為客戶端和MVD 服務器通過套接字Socket 建立相應連接，其具體流程如圖4 所示。

圖4 數據傳輸流程Fig.4 Data Transfer process

為了解決MVD 服務器同時和多個井筒的井上控制裝置進行通信問題，MVD 服務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，負責監聽各個井上控制裝置的Socket 信息。每當有1 個井上控制裝置進行連接時，向MVD服務器發送來一個Socket 連接請求，MVD 端則新開啟一個線程，并在其中創建一個新Socket 與該井上控制裝置的Socket 進行通信。

井上控制裝置根據設定的監測方位控制前端視頻裝置進行監測，同時根據MVD 服務器的IP 地址和MVD 服務器建立連接，把礦井編號和監測方位及監測時間等信息發送至MVD 服務器，雙方連接建立的協議格式定義為0xAA+數據長度(1 字節)+數據(2個字節的礦井編號+1 個字節的監測方位+8 個字節的監測時間)+校驗+結束位(0xFF)，MVD 服務器接收到井上控制裝置的連接協議后，創建子線程并建立新的子Socketi，用來接收該礦井的視頻數據。

當雙方連接建立后，MVD 服務器一直處于監聽狀態，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議格式定義為0xBB+數據長度(4 字節)+數據+校驗+結束位(0xFF)。

視頻采集完畢后，井上控制裝置向MVD 服務器發送結束協議:0xCC+數據長度(1 字節)+數據(2 個字節的礦井編號)校驗+結束位(0xFF)，該井上裝置和MVD 服務器建立的Socketi 連接關閉，并結束該線程。

同理，后臺管理軟件訪問MVD 服務器的視頻數據同樣采用上述方式。

4 結 論

將物聯網技術應用到礦山井筒監測中，使得系統中視頻采集裝置、井上控制裝置、MVD 服務器和后臺管理裝置有機地結合成一個整體，實現了同一礦區不同井筒間視頻數據的共享，給用戶提供了方便的操作環境，采用智能嵌入技術、無線傳輸技術和先進的編解碼協議實現了高效視頻數據傳輸，同時MVD 服務器程序采用多線程解決了視頻數據并發傳輸、存儲。該系統目前正在測試運行階段，系統顯示性能良好、操作方便，下階段系統進一步完善后，可以向全國非煤礦山具有提升礦井的企業進行推廣。

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