《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于分布式視頻編碼的井下傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
劉曉文1，2，3,，劉 歡1,，2,，3，張 雷1，2，3
1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心,，江蘇 徐州221008； 2.礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地
摘要： 煤礦井下的環(huán)境復(fù)雜,，通信方式和通信范圍受應(yīng)用場(chǎng)景的約束性較大,，在煤礦安全生產(chǎn)中引入無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WMSN）可以提高安全生產(chǎn)監(jiān)管效率，在突發(fā)事件中為應(yīng)急救援工作提供有力的信息指導(dǎo),。為此基于DISCOVER 分布式視頻編碼(DVC)方案,，設(shè)計(jì)了以S3C6410為主處理器芯片的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)。給出了節(jié)點(diǎn)的硬件框圖以及軟件流程圖,。測(cè)試表明,，該節(jié)點(diǎn)運(yùn)行良好，可以對(duì)煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)控,，在一定程度上預(yù)防煤礦事故的發(fā)生,。
中圖分類號(hào)： TN919.81
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)06-0020-03
Design of consumption video sensor node based on distributed video coding
Liu Xiaowen1，2,，3，Liu Huan1,，2,，3，Zhang Lei1，2,，3
1.IoT Perception Mine Research Center, China University of Mining and Technology,，Xuzhou 221008，China,；2.The National and Local Joint Engineering Laboratory of Internet Application Technology on Mine, Xuzhou 221008,，China；3.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,，Xuzhou 221008,，China
Abstract： The communication mode and communication range are constrained by the complexity environment of the coal mine. Wireless multimedia sensor network technology can be used to improve the supervision efficiency of the production and provide powerful information guidance for emergency rescue work. So a video sensor node whose main processor is S3C6410 is designed based on DISCOVER distributed video coding solution. The hardware block diagram and software flow chart of the node are presented. The test results show that the node runs well and can monitor the process of coal mine safety production effectively. To a certain extent, it can prevent the coal mine accidents.
Key words : distributed video coding；WMSNs,；sensor nodes,；embedded Linux

       無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各監(jiān)控領(lǐng)域。WMSN具有自組織能力,，不需要提前為其建立基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的通信系統(tǒng)，具有較高的靈活性,，這對(duì)煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)的建立意義重大[1-2],。由于煤礦環(huán)境復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)程中存在多種安全隱患,，多數(shù)煤礦事故的發(fā)生都是由于操作不規(guī)范,、缺乏有效的監(jiān)控措施而導(dǎo)致的；井下的有線攝像機(jī)體積笨重,，一次布置后很難再次移動(dòng),；受井下條件限制，會(huì)存在許多檢測(cè)盲點(diǎn),，而且在災(zāi)害方發(fā)生時(shí),，有線網(wǎng)絡(luò)較為脆弱，容易遭受破壞,，在實(shí)際救災(zāi)中,，能為搜求人員提供的有效信息有限。為此本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用DVC方案的傳感器節(jié)點(diǎn),，結(jié)合煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景,，完成了節(jié)點(diǎn)的軟硬件整體設(shè)計(jì)，并在井下進(jìn)行了實(shí)測(cè),。將該WMSN應(yīng)用到煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中,，將為災(zāi)后救援工作帶來(lái)很大的幫助。

1 礦山物聯(lián)網(wǎng)的介紹

        礦山物聯(lián)網(wǎng)基于WiFi的感知層無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),，為井上與井下人員,、井下與井下人員之間的溝通(語(yǔ)音,、視頻、位置,、環(huán)境參數(shù)等)搭建了一個(gè)寬廣,、快速的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為煤礦安全生產(chǎn)綜合調(diào)度提供了新的指揮手段,，也為煤礦的救援提供了快捷通信手段,，可在災(zāi)變期間快速地恢復(fù)和投入運(yùn)行，大大提高救援效率[3],。煤礦井下無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由交換機(jī),、AP控制器AC、接入點(diǎn)AP組成,。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終要接入井下以太環(huán)網(wǎng),，通過(guò)井下以太環(huán)網(wǎng)與井上服務(wù)器進(jìn)行通信。井下各種無(wú)線數(shù)據(jù)終端采集的各種數(shù)據(jù)通過(guò)井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和以太環(huán)網(wǎng)傳到井上服務(wù)器,，以供服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)處理以及供工作人員查看,。應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

        節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)采集圖像數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，用無(wú)線的方式將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)傳入現(xiàn)有工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),，進(jìn)而傳到井上數(shù)據(jù)服務(wù)器，再由數(shù)據(jù)服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到各應(yīng)用服務(wù)終端,。

2 節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)框圖

        節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)主要由主處理器,、CMOS攝像頭模塊、存儲(chǔ)器,、WiFi無(wú)線模塊,、供電部分等模塊構(gòu)成。硬件系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示,。主處理器通過(guò)CMOS攝像頭模塊進(jìn)行數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集,，對(duì)采集到的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，利用自身的硬件編碼模塊完成關(guān)鍵幀的編碼,，然后通過(guò)軟件方式完成對(duì)Wyner-Ziv[4]的編碼,。編碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi無(wú)線模塊轉(zhuǎn)發(fā)到路由節(jié)點(diǎn)，最后傳到井上服務(wù)器進(jìn)行解碼,。

2.2 S3C6410核心模塊設(shè)計(jì)

        S3C6410核心模塊主要包括S3C6410芯片,、2片16 bit的128 MB DDR內(nèi)存芯片、MLC型NandFlash芯片K9G8G08,、電源管理單元,、DIVACOM的100M以態(tài)網(wǎng)芯片DM9000等，配合供電電路及晶振,、復(fù)位電路等外圍電路組成,。

2.3 攝像頭模塊設(shè)計(jì)

        攝像頭模塊的組成部分有：感光芯片,、數(shù)字信號(hào)處理器、鏡頭以及電源,。其中最重要的部分是感光芯片，本設(shè)計(jì)選用MICRON公司的MT9P031（CMOS）傳感器,。MT9V031是支持較低照度的低功耗COMS圖像傳感器,，寄存器配置接口是Serial Camera Control Bus(SCCB)，它的總線時(shí)序與I2C兼容,，可以利用S3C6410的I2C控制器配置MT9P031的寄存器,，也可以使用I/O口模擬SCCB協(xié)議來(lái)完成配置工作。利用S3C6410的Camera接口控制器來(lái)獲取MT9P031的原始圖像數(shù)據(jù),。

2.4 WiFi無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

        節(jié)點(diǎn)采用WiFi技術(shù)作為無(wú)線通信方案,。WiFi能夠提供WMSN需要的帶寬量，并且可以通過(guò)休眠機(jī)制實(shí)現(xiàn)自身的低功耗,，同時(shí)能夠滿足煤礦井下的安全要求,。美國(guó)GainSpan的GS1011芯片具有集成度高、處理速度快,、功耗低等優(yōu)點(diǎn),，能夠滿足井下多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)的需求?？梢岳肧3C6410的SPI控制器與GS1011之間進(jìn)行通信,，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳遞給GS1011，再利用GS1011將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去,，在不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),，可以控制GS1011進(jìn)入低功耗的模式，降低節(jié)點(diǎn)的能耗,。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

        圖像傳感器節(jié)點(diǎn)選擇了基于ARM的32位處理器平臺(tái),，選擇嵌入式Linux作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)。首先進(jìn)行系統(tǒng)軟件平臺(tái)的搭建,，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)情況完成Linux操作系統(tǒng)的裁剪和移植,，根據(jù)所選用的設(shè)備完成驅(qū)動(dòng)程序的移植工作。在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)之上,，基于分布式視頻編碼算法完成應(yīng)用軟件設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示,。

3.1 嵌入式系統(tǒng)移植

        首先搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境[5],。本文選擇Red Hat企業(yè)版6.0作為宿主機(jī)。為了降低Linux操作系統(tǒng)的操作難度,，在PC端的Windows系統(tǒng)中安裝VMWare虛擬機(jī),，將Red Hat安裝在虛擬機(jī),，以配合Windows下的一些工具完成系統(tǒng)的開發(fā)。接著進(jìn)行Bootloader移植,，選擇U-Boot作為系統(tǒng)的引導(dǎo)程序,，U-Boot是開放源碼的引導(dǎo)程序，其大部分源碼是參考Linux內(nèi)核源碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的,，所以在硬件和可移植性方面表現(xiàn)出很多優(yōu)勢(shì)[6],。最后進(jìn)行Linux內(nèi)核移植。圖4是對(duì)Camera接口的驅(qū)動(dòng)配置,。

3.2 視頻采集編碼程序設(shè)計(jì)

        視頻的采集使用了Linux專門設(shè)計(jì)的視頻層驅(qū)動(dòng)V4L2,，V4L2設(shè)計(jì)了統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一函數(shù)接口，只需要按照V4L2的標(biāo)準(zhǔn)定義V4L2的操作接口函數(shù),，應(yīng)用平臺(tái)就可以不考慮具體攝像頭型號(hào),，直接調(diào)用V4L2提供的操作函數(shù)來(lái)?yè)Q取攝像頭數(shù)據(jù)[7]。利用Linux的V4L2層進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集的流程如圖5所示,。

        在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用中,，能量和帶寬都相對(duì)有限，對(duì)圖像的質(zhì)量要求不會(huì)太高,，幀率的設(shè)置也不會(huì)太高,，這樣圖像幀之間的相關(guān)度不會(huì)很高，默認(rèn)選擇關(guān)鍵幀比較多的GOP2幀分類模式(IWIWIWIW模式,，奇數(shù)幀為關(guān)鍵幀K幀,，偶數(shù)幀為WZ幀W幀)，也可以根據(jù)需求修改關(guān)鍵幀的密度,。編碼器首先根據(jù)需求對(duì)采集到的原始視頻信號(hào)進(jìn)行幀分類,，對(duì)不同類型的幀信息進(jìn)行獨(dú)立編碼，利用S3C6410內(nèi)部的多媒體控制器對(duì)K幀進(jìn)行H.264幀內(nèi)編碼,，利用Wyner-Ziv編碼器對(duì)W幀進(jìn)行編碼,。W幀的編碼過(guò)程不參考關(guān)鍵幀。首先對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)的矩陣按照宏塊進(jìn)行劃分,，對(duì)每一個(gè)宏塊進(jìn)行DCT變換,，然后對(duì)DCT變換后的系數(shù)進(jìn)行系數(shù)帶的劃分，提取系數(shù)帶的每一個(gè)比特平面,，送入LDPCA編碼器進(jìn)行編碼,。編碼后的數(shù)據(jù)存入緩存器，根據(jù)解碼端的反饋,，將緩存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送給解碼端,。編碼端工作流程如圖6所示。

3.3 視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)

        采集編碼后的視頻數(shù)據(jù)可以通過(guò)SPI接口傳給GS1011模塊,，GS1011負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到AP,。由于WiFi射頻部分即使在空閑模式下也會(huì)消耗大量的能量,，因此，為了降低節(jié)點(diǎn)的整體能耗,，GS1011模塊沒(méi)必要一直保持在工作狀態(tài),，可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)入休眠模式，關(guān)閉射頻部分,，在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)的情況下還可以進(jìn)入待機(jī)模式,，當(dāng)需要輸出時(shí)通過(guò)控制芯片進(jìn)行喚醒。GS1011模塊的工作流程如圖7所示,。

4 實(shí)驗(yàn)效果及結(jié)論

        (1)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：為了達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用效果，研究人員選擇在徐州家河煤礦進(jìn)行測(cè)試,。

        (2)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)：分布式視頻解碼端在Windows的Visual Studio平臺(tái)下開發(fā),，利用開源媒體庫(kù)ffmpeg進(jìn)行解碼端的設(shè)計(jì)。ffmpeg具有先進(jìn)的音/視頻編解碼庫(kù)libavcodec,，具有高可移植性和較高的編解碼質(zhì)量,。

        (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對(duì)井下的視頻進(jìn)行采集編碼、解碼顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,，視頻畫面流暢,，畫質(zhì)較為清晰，可以滿足井下監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求,。

        本文結(jié)合對(duì)煤礦井下應(yīng)用場(chǎng)景的分析,，完成了視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。井下實(shí)測(cè)結(jié)果表明,，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定,，圖像效果良好，基本能滿足井下的視頻監(jiān)控要求,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。

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