无线Mesh网络视频监控系统在综采面中的应用

何俊峰 姚新港 刘艳芳

(中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116)

无线Mesh网络视频监控系统在综采面中的应用

何俊峰 姚新港 刘艳芳

(中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116)

为了对综采工作面机械设备进行实时监控，及时发现事故源头并避免损失，对可以在综采工作面复杂多变的恶劣环境下长时间正常使用的视频监控系统进行了研究，提出了一种新的监控系统。该系统基于冗余性动态自组织的无线Mesh网络技术，采用先进的无线多跳网状拓扑网络，并与传统的视频传输技术相结合，避免了传统视频通过铺设光纤进行传输时存在的各种问题，解决了光纤在反复搬运过程中容易折断且难于维护的难题。试验证明，该无线Mesh网络在综采工作面具有理想的通信效果，视频监控系统视频信号流畅，顺槽和地面监控主机的视频图像清晰。

综采工作面 实时监控 视频监控系统 无线Mesh 交换机

0 引言

当前广泛采用的井下网络视频传输系统主要以有线通信为主，但是在采煤机的往复割煤过程中，工作面不断地往煤层方向推移，这就使得采面光纤需要随着综采工作面的推移而不断地移动。光纤属于易断物品，此外工作面施工、顶板煤块和矸石掉落及各种不可预知的因素也可能使光纤折断，导致工作面网络破坏，且由于可燃气体的存在，焊接修复十分不便，网络恢复很困难［1］。这些因素阻碍了基于光纤的综采工作面视频监控系统的发展，同时有线视频传输在成本控制方面也不具有优势。

针对当前综采工作面视频技术存在的缺点和不足，本文提出了基于无线Mesh网络的视频监控系统［2］。该系统在综采工作面具有理想的通信效果。

1 视频信号采集原理

1.1 防爆摄像仪的选用

由于要在煤矿、井下等具有易燃易爆气体的高危环境中使用，因此选用了KBA150矿用隔爆型光纤摄像仪。这是一种适用于含有甲烷等爆炸性混合气体、具有爆炸危险的矿井的专用图像摄取和传输设备［3］。KBA150型矿用隔爆型光纤摄像仪主要由防爆外壳和机芯组成。机芯固定在防爆外壳内，由光端机、摄像机和电源板三部分组成。KBA150矿用隔爆型光纤摄像仪结构如图1所示。

图1 KBA150型摄像仪结构图Fig.1 Structure of KBA150 camera

1.2 视频信号的采集

光端机是防爆摄像仪的核心部分，其把一到多路的摄像机采集到的模拟信号通过各种编码转换成光信号后，通过光纤介质进行传输，是一种图像信息光纤远程传输用的防爆终端设备。它将视频信号转换为光信号并传输至顺槽和地面监控中心，保证信号的实时传送［4］。

图像信息占用字节空间较大，而无线传输的带宽是有限的。所以，为了给无线Mesh网络减轻负担，必须对图像信息进行压缩。本系统采用H.264压缩标准，较H.263和MPEG-4节约了50%的码率，同时对网络传输具有更好的支持功能;此外，H.264具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264压缩标准适合应用于井下恶劣的工作环境中，确保了井下工作面无线视频信号的传输质量，从而获得平稳的图像质量［5］。

2 防爆摄像仪的布置

现以平煤六矿戊9-10-22210工作面为例进行说明。该工作面中的无线Mesh网络由分别安装在液压支架和采煤机上的10台无线Mesh组成。综采工作面中的视频信号经由9台防爆摄像仪采集之后，先经过工作面无线Mesh网络，从环境恶劣的综采工作面传送到顺槽，再经由井下光纤环网传送到地面上的视频监控主机［6］。

2.1 无线Mesh的布置

六矿的无线Mesh安装采用成熟技术，在工作面中从第二台液压支架开始，每隔18 m左右(由于受支架上安装的灯具影响，每台交换机之间的距离不一定相同)在液压支架上安装一台无线Mesh和防爆摄像仪。这些设备安装之后还要经过多次调试，使得信号达到稳定的状态，顺槽视频监控主机里的视频图像流畅［7］。综采工作面无线Mesh及摄像仪的布局如图2所示。

无线Mesh交换机在工作面呈直线状分散布置，形成许多无线节点，从而构架起具有冗余特性的网状网数据传输平台，避免了网络有线连接形式的缺点［8］。通过对无线Mesh节点进行合理的布局，采煤机机载运动过程中至少要和两台无线Mesh节点连接。当一个Mesh节点出现故障的情况下，可通过Mesh网络的自组织功能重新建立网络路由，这样就保证了综采工作面无线网络的冗余特性［9］。由于综采工作面中两台无线Mesh之间的最佳传输距离为18～22.5 m，因此，当两个Mesh间距离大于75 m时，将无法正常通信。在此网状网中，由于无线Mesh交换机的特性，使得数据传输会自动选择最短的传输链路，而此链路是否健壮将决定无线网状网数据传输的质量高低。为保证采煤工作面无线网络的稳定性，对相距60 m以上的链路进行清除［10］。

2.2 防爆摄像仪的布置

由于综采工作面的空间比较狭小，且考虑到支架经常需要进行移架、推溜和拉架等动作，同时交换机之间又不能有障碍物阻隔(否则信号就会受到阻碍)，因此将交换机和摄像仪一起用特制的钢板架子安装在液压支架的顶梁上。这种布置既有利于保证无线交换机之间通信的畅通，又能够尽可能地减少井下工作面空间。

3 视频信号的实时显示

为了对工作面摄像仪采集到视频信息进行输出和监控管理，在顺槽主机或者地面监控中心计算机上安装视频监控管理组态软件，以接收从工作面隔爆摄像仪发送的数据，解码后以视频的形式展现综采工作面的生产场景。该组态软件主要用来控制和管理网络视频服务器或摄像机。通过视频监控管理软件与隔爆摄像仪的配合使用，最多可以同时显示综采工作面的9路视频信号。顺槽工作人员通过视频管理软件，能够实时观察到工作面设备真实的运行状况以及人员的安全情况。此外，该软件还能够实现云台控制、视频录像、报警等功能设置，从而实现网络摄像机的监控报警、视频会议等功能［11］。

4 视频质量的影响因素

在工作面复杂的环境下，有很多因素可能影响到主干无线网状网链路的连接强度。由于采煤工作面在工作中经常处于移动状态，液压支架的移架和错架时有发生，而交换机之间的信号都是以天线对天线的直线形式传输的。因此，极易阻挡无线交换机之间的信号传输通道，造成无线网络信号的中断，从而导致视频信号无法传送，对工作面的正常生产造成影响。为了避免这种现象的产生，可以使无线Mesh交换机在支架上的安装位置尽量靠近煤壁，且离支架顶梁的高度保持适当的距离。在这个工作面中，每台无线交换机距离液压支架顶梁的距离为25 cm。

由于两台无线交换机之间的最大传输距离是66 m，因此为了保证最佳的传输质量，经过多次现场测试，将无线交换机的参数设置如下:传输功率确定为15 dBm，传输速率为36 Mbit/s。为了保证信号的连接强度足够稳定，交换机必须处于水平或天线朝上的状态。但是各台支架的情况都不尽相同，具体到每一台Mesh的设置，还要本着信号传输最佳的原则进行灵活设置，尽量使采面的无线网状网链路处于比较稳定的状态。

5 视频信号稳定性分析

无线Mesh网络的稳定性是决定本套系统能够正常运行的关键，因此应该间隔地检查无线网络的连接状况，防止其出现连接故障而影响视频监控效果。此外，为保证采煤工作面无线网络的稳定性，应该及时对视频管理软件中出现的红色数据链进行清除。当出现网状网节点显示连接正常但得不到视频信号的情况时，需要进行故障点到底是在摄像头上还是在无线Mesh节点上的判断，判断的方法如下。

① 打开命令提示符，输入“cmd”点击“确定”后弹出窗口，输入telnet+IP地址(网状网的 IP地址，如192.168.224.XXX)，出现登陆画面后输入用户名密码，之后进入网状网。

②ping无线交换机在网状网中指定的IP地址。此方法是检测端头交换机到指定无线交换机的网络情况(网状网中节点IP地址在无线网络管理软件中节点处显示)。如 ping 1.1.136.56 命令，即为 IP 地址从1.1.136.150 端头无线交换机到 1.1.136.56 无线交换机的网络状况。

③若ping通后得到相应的显示界面，则说明无线Mesh节点工作正常，得不到视频信号的原因可以确定为摄像头或连接光纤出现故障;否则如果响应时间超过10 ms，则表明网络不通，无线Mesh节点工作不正常。此时应该检查各台Mesh的工作状况，检查其光纤连接是否松动或断开，以及给其供电的本安电源是否处于接通状态，并检查电源接头是否有松动的情况。

6 结束语

本套系统现在已经成功应用于中国平煤神马集团六矿22210综采工作面，运行效果良好，满足设计要求。该系统是实现“三机”智能监测与协同控制的关键技术之一。它通过在地面主机实时显示综采工作面的工作状况，实现了综采工作面设备的远程监测［12］和人员活动状态的动态监视。随着本课题组对该系统的进一步完善，必将对转变煤炭生产作业方式和实现安全高效发展产生重大的推力。

［1］ Liu J N，Goeckel D，Towsley D.Bonds of the gain of network coding and broadcasting in wireless network［C］∥ Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications，2007:1658－1666.

［2］季晓刚，王忠宾，周信.无线Mesh网络在综采面机电设备远程监控的研究［J］.煤炭科学技术，2011，39(6):78－82.

［3］靳松魁.矿山井下安全监控系统的研究与实现［D］.长沙:湖南大学，2009.

［4］刘富强.数字视频监控系统开发及应用［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［5］刘晓文.基于WSN的煤矿井下监控网络平台关键技术研究［D］.徐州:中国矿业大学，2009.

［6］顾苑婷.工业以太网和CAN现场总线在煤矿监控系统上的应用研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［7］汪涛.无线网络技术导论［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［8］张勇，郭达.无线网状网原理与技术［M］.北京:电子工业出版社，2007:1－4.

［9］魏崇毓.无线通信基础及应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009.

［10］敖志刚.现代网络新技术概论［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［11］刘艳兵，杨维，王曙光，等.煤矿井下无线视频监控系统的设计与实现［J］.湖南科技大学学报:自然科学版，2009，24(4):16－20.

［12］黄峥，古鹏.基于S7系列PLC通信方式与设计研究［J］.机电工程技术，2010，39(6):45－48.

Application of Wireless Mesh Network Video Monitoring System in Mechanized Mining Face

In order to monitor mechanical equipment of mechanized mining face in real time and timely discover accident source and avoid losses，the video monitoring system that can be long term used properly under complex and changing harsh environments is researched and a new monitoring system is proposed.The system is based on redundant dynamic ad-hoc wireless Mesh network technology，and the advanced wireless multi-hop Mesh topology is adopted.In addition，by combining traditional video transmission technology，various problems existing in optical fiber video transmission can be avoided，thus the problem of optical fiber is easily broken in repeated transportation can be solved.The test verifies that this wireless Mesh network offers ideal communication effect in mechanized mining face，the video signals of the system are smooth，the video images of crossheading and host computer on the ground are clear.

Mechanized mining face Real time monitoring Video monitoring system Wireless Mesh Switches

TD63

A

修改稿收到日期:2013－04－17。

何俊峰(1985－)，男，现为中国矿业大学机械设计及理论专业在读硕士研究生;主要从事综采自动化方面的研究。

图2 无线Mesh及摄像仪布局图

Fig.2 Layout of wireless Mesh and camera