無線多媒體傳感器網(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；井下的有線攝像機體積笨重,，一次布置后很難再次移動,；受井下條件限制，會存在許多檢測盲點，而且在災(zāi)害方發(fā)生時,，有線網(wǎng)絡(luò)較為脆弱,，容易遭受破壞，在實際救災(zāi)中,，能為搜求人員提供的有效信息有限,。為此本文設(shè)計了應(yīng)用DVC方案的傳感器節(jié)點，結(jié)合煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景,，完成了節(jié)點的軟硬件整體設(shè)計,，并在井下進(jìn)行了實測。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的感知層無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，為井上與井下人員,、井下與井下人員之間的溝通(語音,、視頻、位置,、環(huán)境參數(shù)等)搭建了一個寬廣,、快速的網(wǎng)絡(luò)平臺，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)和投入運行,，大大提高救援效率^[3],。煤礦井下無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由交換機、AP控制器AC,、接入點AP組成,。無線網(wǎng)絡(luò)最終要接入井下以太環(huán)網(wǎng)，通過井下以太環(huán)網(wǎng)與井上服務(wù)器進(jìn)行通信,。井下各種無線數(shù)據(jù)終端采集的各種數(shù)據(jù)通過井下無線網(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)用場景如圖1所示,。

        節(jié)點能夠?qū)崟r采集圖像數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，用無線的方式將處理后的數(shù)據(jù)通過無線接入點傳入現(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)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)框圖

        節(jié)點硬件平臺主要由主處理器、CMOS攝像頭模塊,、存儲器,、WiFi無線模塊、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CMOS攝像頭模塊進(jìn)行數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集,，對采集到的數(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,，然后通過軟件方式完成對Wyner-Ziv^[4]的編碼,。編碼后的數(shù)據(jù)通過WiFi無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)到路由節(jié)點，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

        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

        攝像頭模塊的組成部分有：感光芯片、數(shù)字信號處理器,、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)議來完成配置工作。利用S3C6410的Camera接口控制器來獲取MT9P031的原始圖像數(shù)據(jù),。

2.4 WiFi無線模塊設(shè)計

        節(jié)點采用WiFi技術(shù)作為無線通信方案,。WiFi能夠提供WMSN需要的帶寬量，并且可以通過休眠機制實現(xiàn)自身的低功耗,，同時能夠滿足煤礦井下的安全要求,。美國GainSpan的GS1011芯片具有集成度高、處理速度快,、功耗低等優(yōu)點,，能夠滿足井下多媒體傳感器節(jié)點的需求?？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,，可以控制GS1011進(jìn)入低功耗的模式,，降低節(jié)點的能耗。

3 節(jié)點軟件設(shè)計

        圖像傳感器節(jié)點選擇了基于ARM的32位處理器平臺,，選擇嵌入式Linux作為系統(tǒng)軟件平臺,。首先進(jìn)行系統(tǒng)軟件平臺的搭建，需要根據(jù)節(jié)點的硬件平臺情況完成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,，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集,，節(jié)點系統(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,。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,，將Red Hat安裝在虛擬機,，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)核源碼來實現(xiàn)的,，所以在硬件和可移植性方面表現(xiàn)出很多優(yōu)勢^[6],。最后進(jìn)行Linux內(nèi)核移植。圖4是對Camera接口的驅(qū)動配置,。

3.2 視頻采集編碼程序設(shè)計

        視頻的采集使用了Linux專門設(shè)計的視頻層驅(qū)動V4L2,，V4L2設(shè)計了統(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)用平臺就可以不考慮具體攝像頭型號,，直接調(diào)用V4L2提供的操作函數(shù)來換取攝像頭數(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,。

        在煤礦井下的實際應(yīng)用中，能量和帶寬都相對有限,，對圖像的質(zhì)量要求不會太高,，幀率的設(shè)置也不會太高，這樣圖像幀之間的相關(guān)度不會很高,，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)需求對采集到的原始視頻信號進(jìn)行幀分類，對不同類型的幀信息進(jìn)行獨立編碼，利用S3C6410內(nèi)部的多媒體控制器對K幀進(jìn)行H.264幀內(nèi)編碼,，利用Wyner-Ziv編碼器對W幀進(jìn)行編碼,。W幀的編碼過程不參考關(guān)鍵幀。首先對原始圖像數(shù)據(jù)的矩陣按照宏塊進(jìn)行劃分,，對每一個宏塊進(jìn)行DCT變換,，然后對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

        采集編碼后的視頻數(shù)據(jù)可以通過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消耗大量的能量，因此,，為了降低節(jié)點的整體能耗,，GS1011模塊沒必要一直保持在工作狀態(tài)，可以在適當(dāng)?shù)臅r間進(jìn)入休眠模式,，關(guān)閉射頻部分,，在長時間沒有數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)的情況下還可以進(jìn)入待機模式，當(dāng)需要輸出時通過控制芯片進(jìn)行喚醒,。GS1011模塊的工作流程如圖7所示,。

4 實驗效果及結(jié)論

        (1)實驗地點：為了達(dá)到實際的應(yīng)用效果，研究人員選擇在徐州家河煤礦進(jìn)行測試,。

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

        (3)實驗結(jié)果：對井下的視頻進(jìn)行采集編碼、解碼顯示實驗的結(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)測的實際需求,。

        本文結(jié)合對煤礦井下應(yīng)用場景的分析,，完成了視頻傳感器節(jié)點的軟硬件設(shè)計。井下實測結(jié)果表明,，節(jié)點運行穩(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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