低成本煤矿应急无线视频传输系统及应用

夏小波，包建荣

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

目前国内外已有的部分矿用多媒体通信系统存在着压缩质量不好、对光照度适应范围小不能反映矿下全黑环境0Lux、功耗和体积大、大部分为有线配置等问题［1、2］。为协助解决这些问题，本文提出了基于成本低廉的ARM11-S3C6410模块与WIFI模块、采用H.264高效编解码技术、适应井下全黑环境的嵌入式视频监控系统方案［3］。

1 系统方案及硬件结构

方案采用模块化设计，研究主要包括以下几项内容:矿用应急视频采集终端系统视频采集模块设计;无线传输协议与无线通讯模块设计;矿用应急视频采集终端系统的软件设计。此外，还包含了现场实验，以验证方案的可靠性。方案研究过程与应用如图1所示:

图1 系统总体设计及应用图

系统硬件结构主要分为:最小系统、电源单元、音视频单元及无线通信单元4部分。其中，方案以S3C6410处理器为核心［4］。采用大容量DDR SDRAM和NAND Flash作为外部存储器。还配以大容量TF卡作为辅助存储器，用以存储大量视频数据。视频单元主要完成全黑环境(0Lux)下视频数据采集，并通过Camera接口将数据传送给最小系统。经处理器内部H.264编解码器处理后，通过640×480分辨率的TFT-LCD高清屏显示;音频单元主要完成音频数据的输入、输出和编解码处理功能。将受话器输入的音频数据编码处理后的发送给最小单元，再由最小单元将接收到的数据经过解码后通过送话器输出;电源单元主要用于为各部分提供所需电源;无线通信单元完成视音频数据的无线传输，采用了WM-G-MR-09无线模块。其支持802.11b/g无线网络模式，核心芯片为Marvell公司的88W8686。此外，系统提供了mini-USB接口，以方便后续软件配置与升级。最后，得系统的硬件结构如图2所示:

图2 系统硬件结构框图

另外，为了保证电路设计符合煤矿井下安全要求，防止电流引爆瓦斯，系统电源部分将分别采取防静电保护和过压保护等措施，防止出现电火花等现象。

2 系统软件设计

因系统方案功能复杂，故采用嵌入式Linux操作系统，在ARM11-S3C6410处理器上实现视频采集终端的软件功能。因方案采用的ARM处理器已具有H.264的编解码功能［5］。故方案主要针对无线WIFI传输流程及保证视频实时传输的RTP实现开展研究。

视频前端WIFI视频监控模块的软件结构如下:ARM软件程序采用视频编码框架来整合H.264编码库的多媒体处理硬核。在进入S3C6410调度程序之前，程序需初始化多个要使用的模块。包括:(1)S3C6410和系统板的初始化;(2)视频编码模块初始化;(3)建立捕获通道。在完成初始化工作之后，系统进入S3C6410调度程序管理下的4个线程和1个通道。进程不断地完成从底层视频驱动获取视频信号，将视频信号进行H.264编码，再通过网络传给远程用户进行显示，即前端WIFI视频监控模块总体流程图如图3所示，远程监控中心的软件设计结构如图4所示。整个系统以DirectShow技术为基础。DirectShow为Windows平台处理各种格式媒体文件的回放、音视频采集等高性能要求的多媒体应用提供了完整的解决方案。在其基础上，应用程序按要求建立起相应的过滤图，通过它来控制整个的数据处理过程。DirectShow能在过滤图运行时接收各种事件，并通过消息方式发送到应用程序，实现了应用程序与DirectShow之间的交互，实现了实时播放。

为了将编码数据通过无线模块传输到接收端，就必须采用传输协议进行封装［6］。因此，方案还引入RTP协议对编码视频数据进行封装。RTP主要是为音频、视频等实时数据传输而提出的网络传输协议，RFC3984中详细说明了RTP传输音频和视频的数据包格式。RTP由RTP和RTCP两部分组成。其中，RTP用来传送实时性要求较高的数据，而RTCP用来监控服务质量和提供其他控制类的相关信息。RTP数据包由12字节固定的RTP头和不定长载荷组成。载荷为压缩编码后的视频或者音频数据。RTP与UDP协议共同完成运输层功能。在传输RTP数据包时，可将一帧数据分割成几个包，且这些包具有相同时间戳。接收端可根据时间戳，将乱序接收到视频数据帧，串联成合理顺序的视频流，在远程机上实现井下影像的实时播放。由上可得整个编码系统的流程图如图5所示。在方案中，H.264视频数据首先经RTP进行封装，打包成适合网络传输的数据包再进行传输。在使用IP/UDP/RTP的协议层次结构时，包括至少20个字节的IP头，8字节的UDP头以及12字节的RTP头。故头信息至少要占40个字节，且RTP载荷的最大尺寸定义为1 388个字节，可包含多个视频数据帧。

如没有在应用层数据装载进RTP包之前进行载荷分割，将产生大于最大传输单元的包。即在IP层其后第一个包成功接收而后续的包丢失，由于只有第一个包中包含完整RTP头信息，而RTP头无关于载荷长度的标识。因此，判断不出RTP包是否有分割丢失，只能认为完整接收了，且在IP层的分割无法在应用层实现保护从而降低了非平等包含方案的效果。故考虑将1个NAL单元分割，使用多个RTP分组进行传输。根据IP层最大传输单元的大小，对大尺寸的NAL单元必须要进行分割。具体可设NAL单元的尺寸小于1 388字节。一个NAL单元采用分割分组后，每个RTP分组序列号依次递增1，及RTP时间戳相同且惟一。

图5 编码线性流程图

3 系统测试及应用

系统包括便携式矿用应急视频采集终端、无线接入点和服务显示器构成［7］。便携式视频采集终端完成外部环境的视频数据采集，通过Camera接口将数据传给最小系统，经内部处理器的H.264编解码器处理后，将视频数据进行RTP封装和UDP打包，再交由其内置的无线通信单元传送到分布式无线接入点AP和远程监控中心。在较黑模拟煤矿环境下，对整个系统进行测试。其中，视频采用所设计的视频采集终端获取;无线传输采用WIFI模块，并借助无线AP发送到视频服务器完成数据获取［6］。此外，还利用开源视频软件VLC进行视频图像测试播放与参数验证。最后，得测试效果如图6所示。经相关测试，得到煤矿应急无线视频传输的参数验证如表1所示:

图6 VLC播放软件接收到的视频截图

表1 煤矿应急无线视频传输的参数验证表

4 结束语

本文主要设计了低成本煤矿应急无线视频传输系统方案。它采用了低成本ARM11、WIFI等模块(成本低于1 000元)实现，相对于业界常见的Ti公司6 000系列DSP平台，方案成本将降低5 000元左右［8］。经测试，该方案除了满足井下防爆电气性能指标外，还可完成普通和全黑环境下的图像采集，处理终端具有高清图像质量(D1质量)、便携式、实现视频及音频数据的无线传输、适用井下全黑环境(0Lux)、且可实现视频的高清显示与处理功能。

［1］ 李文峰，郑学召.一种矿山救援应急多媒体通信技术［J］.现代电子技术，2005，28(22):43－45

［2］ 王坤侠.单机型嵌入式多媒体通信终端设计［M］.计算机技术与发展，2007，17(12):197－203.

［3］ 张作富.H.264图像压缩编码设备的研究［D］.南京:南京邮电学院，2005.

［4］ 王树奇，孙弋.基于S3C2410的井下WiFi便携终端设计［J］.微型计算机，2007.23(11):186－188.

［5］ LinGui-xu，Zheng Shi-bao.Perceptual importance analysis for H.264/AVC bit allocation［J］.Journal of Zhe Jiang University Science A，2008，9(2):225 －231.

［6］ 刘兵艳.数字矿山视频监控及导航系统的设计与实现［D］.北京:北京交通大学，2009.

［7］ 吴会莲.基于ARM11的嵌入式工业计算机的硬件系统［D］.上海:同济大学，2009.

［8］ 罗文静.基于ARM11的井下多媒体数据终端［D］.西安:西安科技大学，2010.

［9］ 阳开新.铁氧体材料及应用［J］.磁性材料及器件，1996，27(3):19－23.