基于ARM 的嵌入式煤矿视频监控系统设计

刘风华+杨丽君

摘 要： 为满足中小型煤矿企业对安全生产的要求，开发了适合井下安装使用的实时视频监控系统。该系统以Linux和ARM11作为嵌入式系统的软硬件开发平台系统，完成了嵌入式Web服务器及网络监控平台的设计，并实现了监控系统对大数据流的有效处理，有效降低了视频监控成本，提高了监控运行效率。该系统是Web技术、通信技术和嵌入式技术的结合，具有部署方便、稳定性高、抗干扰强、价格低廉等特点，能较好地满足现代中小型煤矿企业安全生产的要求。

关键词： 视频监控； 嵌入式系统； ARM； Linux

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0008?03

Design of ARM?based embedded video monitoring system in coal mine

LIU Feng?hua， YANG Li?jun

（Xinjiang Institute of Engineering， Urumuqi 830091， China）

Abstract： In order to satisfy the requirements of safety production in coal mines， a real?time video monitoring system suitable for underground was developed. Linux and ARM11 are adopted in the system as the software and hardware development platforms of the embedded system. The design of the embedded Web server and network monitoring platform system were completed. The effective treatment of large data stream was realized in the monitoring system. Therefore， the video monitoring cost was reduced and the monitoring operating efficiency was improved. Web technology， communication technology and embedded technology are combined in the system. The system has the characteristics of convenient deployment， high stability， strong anti?interference， low cost and so on， and can meet the requirements of modern small?and medium?sized coal mine enterprises.

Keywords： video monitoring； embedded system； ARM； Linux

0 引 言

我国的煤炭资源非常丰富，但开采的条件相当复杂，煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶劣，所以容易发生事故[1?2]。利用远程视频监控系统，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故前兆，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手资料，因此煤矿视频监控系统是现代矿井安全生产监控系统的重要组成部分[3]。

1 煤矿安全监控系统现状及存在的问题

20世纪60年代中期法国研制出了CCT63/40煤矿环境监测系统，它可测量瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参数，最多可测40个点。20世纪70—80年代，先进的安全监测监控系统相继诞生，到20世纪80—90年代，计算机网络技术促进了矿井综合自动化的发展，波兰、法国、德国、英国和美国开发出了DAN6400，TF200，MINOS和Senturion?200系统[4]。

在我国，自1990年起，先后自主研制出KJ2，KJ4，KJ8，KJ10，KJ13，KJ19，KJ38，KJ66，KJ75，KJ80，KJ92等监控系统[5]，并普遍推广用于我国煤矿中。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90，KJ95，KJ101，KJF2000，KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM，WebGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测监控系统的联网监测。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。目前我国矿安全监控系统现状如下：

（1） 数据监控

根据煤矿安全生产的要求，中小型煤矿企业都已安装了安全监控系统。该系统主要完成的是数据监控，主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、矿尘浓度、风速、风压、湿度、温度、馈电状态、风门状态、风筒状态等，数据信息通过各种传感器获取，用户看到的是生硬的数据，无法实时看到现场的具体情况。

（2） 视频监控

目前有部分大中型煤矿企业安装了视频监控系统，视频监控系统价格昂贵，由于井下图像采集器之间采用通信电缆连接，使得布线和设备成本巨大，中小企业难以承受。另外，矿井中设备较多，对网络设备的安装带来了不便。

综上所述，煤矿安全监控系统目前主要存在的问题有以下三点：

（1） 监控系统多采用有线监控，煤矿矿井位置大多较分散、偏僻，井下工作环境复杂恶劣，空间狭小，有线视频监控布线复杂，覆盖面有限，可移动性差，成本较高，无法较好地满足中小煤矿企业的需求。

（2） 安全监控系统主要是数据监控无法全面反映井下的具体情况。

（3） 视频监控价格昂贵，目前使用的企业较少。

2 基于ARM的嵌入式视频监控系统设计

为了更加适应中小型煤矿企业的需求而设计的基于ARM的嵌入式视频监控系统，是以Linux操作系统和ARM11作为嵌入式系统的软硬件开发平台，根据ARM硬件配置及远程视频监控系统要求对内核进行裁减配置及优化设计，开发出的抗干扰、稳定性高、价格低廉、方便部署的井下实时视频监控系统[6]。

整个系统由井上监控中心和井下监控系统组成。井下监控系统由嵌入式监控设备和煤矿摄像仪组成，煤矿摄像仪负责采集数据，由嵌入式监控设备负责数据压缩、数据传输、云台控制等。该系统将嵌入式技术与流媒体技术有效结合，将前端对视频数据的处理都集中在 ARM 开发板上，此设计避免了建立大型服务器对数据进行处理，监控中心主要负责存储数据，方便远程客户调取视频信息。同时，利用Web技术，用户可以通过浏览器远程操作和查看监控视频。基于ARM的视频监控系统总体设计图如图1所示。

3 ARM嵌入式系统开发

矿井视频监控系统由嵌入式主板、操作系统和监控软件构成。硬件方面主要开发集中在ARM主板上，该主板具有功耗低，发热小，开机快，成本低，功能强，适应复杂环境的特点。由于井下工作环境复杂恶劣，一般的主板很难在井下长时间工作，而ARM主板不受时间限制，可以一直开机工作，无需人员去维护。软件方面的Linux操作系统也是具有超强的稳定性，而且该操作系统采用的是核心程序的嵌入式系统，只要几百KB不到的程序码就可以完整地驱动系统硬件，并成为一个完整的作业系统，因此相当适合于开发嵌入式操作系统。

图1 视频监控系统总体设计图

整个监控系统在基于ARM处理器的硬件构架上，通过移植Linux系统建立嵌入式开发平台，针对Linux内核模块进行功能扩展设计和优化，实现功能强大、处理能力强、价格低廉的监控系统。基于ARM的嵌入式系统构成如图2所示。

图2 ARM嵌入式系统构成框图

加载嵌入式系统相关硬件的主要代码为：

static struct platform_device *smdk6410_devices[]__initdata = {

&s3c_device_usb，

&s3c_device_lcd，

&s3c_device_wdt，

&s3c_device_i2c，

&s3c_device_iis，

&s3c_device_rtc，

&s3c_device_nand /*add here*/

&s3c_device_ts， /*add here*/

&s3c_device_sdi， //add here

}

运行嵌入式系统的主要代码为：

/> iptables –t nat –L

Chain PREROUTING（policy ACCEPT） destination

target prot opt source

Chain POSTROUTING（policy ACCEPT）

target prot opt source destination

Chain OUTPUT （policy ACCEPT）

target prot opt source destination

/>

嵌入式系统控制井下摄像机将图像实时传输至监控中心，远程用户可以在终端上看到井下各个监控点的画面，如图3所示。

图3 监控画面

4 结 语

基于ARM的嵌入式煤矿监控系统是Web技术、通信技术和嵌入式技术的结合，具有部署方便、稳定性高、抗干扰强、价格低廉等特点。该系统投入使用后，有效降低了监控运行维护成本，提高了监控运行维护效率，对煤矿企业实现生产自动化、节省能源、安全生产和管理起到了十分重要的作用。

参考文献

[1] 国务院.国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知[EB/OL].[2010?07?09].http：//www.wwwauto.com.cn/HYfgzc/AQSC/2010/GF?2010?23.htm.

[2] 国务院.国务院关于坚持科学发展安全发展促进安全生产形势持续稳定好转的意见[EB/OL].[2011?12?02].国务院.http：//news.xinhuanet.com/politics/2011?12/02/c_111212735.htm.

[3] 国家安全生产监督管理总局.安全生产事故隐患排查治理体系建设实施指南[M].北京：国家安全生产监督管理总局，2012.

[4] 魏丹，龙熙华，宇亚卫.国外煤矿安全生产管理经验的启示[J].科技情报开发与经济，2007，17（23）：213?214.

[5] 何刚，张国枢.国外煤矿安全生产管理经验对我国的启示[J].中国煤炭，2006，32（7）：67?69.

[6] 陆庆峰，毛羽.嵌入式无线视频监控系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2011（8）：228?232.

[7] 文尧，王彤，周天然，等.嵌入式PowerPC硬核环境下的操作系统移植[J].数字技术与应用，2010（8）：139?141.

[8] 贾超广，肖海霞，蒋理兴，等.基于ARM与Linux的嵌入式系统平台的设计[J].自动化与仪器仪表，2007（2）：32?34.

[9] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010（12）：54?63.

（1） 监控系统多采用有线监控，煤矿矿井位置大多较分散、偏僻，井下工作环境复杂恶劣，空间狭小，有线视频监控布线复杂，覆盖面有限，可移动性差，成本较高，无法较好地满足中小煤矿企业的需求。

（2） 安全监控系统主要是数据监控无法全面反映井下的具体情况。

（3） 视频监控价格昂贵，目前使用的企业较少。

2 基于ARM的嵌入式视频监控系统设计

为了更加适应中小型煤矿企业的需求而设计的基于ARM的嵌入式视频监控系统，是以Linux操作系统和ARM11作为嵌入式系统的软硬件开发平台，根据ARM硬件配置及远程视频监控系统要求对内核进行裁减配置及优化设计，开发出的抗干扰、稳定性高、价格低廉、方便部署的井下实时视频监控系统[6]。

整个系统由井上监控中心和井下监控系统组成。井下监控系统由嵌入式监控设备和煤矿摄像仪组成，煤矿摄像仪负责采集数据，由嵌入式监控设备负责数据压缩、数据传输、云台控制等。该系统将嵌入式技术与流媒体技术有效结合，将前端对视频数据的处理都集中在 ARM 开发板上，此设计避免了建立大型服务器对数据进行处理，监控中心主要负责存储数据，方便远程客户调取视频信息。同时，利用Web技术，用户可以通过浏览器远程操作和查看监控视频。基于ARM的视频监控系统总体设计图如图1所示。

3 ARM嵌入式系统开发

矿井视频监控系统由嵌入式主板、操作系统和监控软件构成。硬件方面主要开发集中在ARM主板上，该主板具有功耗低，发热小，开机快，成本低，功能强，适应复杂环境的特点。由于井下工作环境复杂恶劣，一般的主板很难在井下长时间工作，而ARM主板不受时间限制，可以一直开机工作，无需人员去维护。软件方面的Linux操作系统也是具有超强的稳定性，而且该操作系统采用的是核心程序的嵌入式系统，只要几百KB不到的程序码就可以完整地驱动系统硬件，并成为一个完整的作业系统，因此相当适合于开发嵌入式操作系统。

图1 视频监控系统总体设计图

整个监控系统在基于ARM处理器的硬件构架上，通过移植Linux系统建立嵌入式开发平台，针对Linux内核模块进行功能扩展设计和优化，实现功能强大、处理能力强、价格低廉的监控系统。基于ARM的嵌入式系统构成如图2所示。

图2 ARM嵌入式系统构成框图

加载嵌入式系统相关硬件的主要代码为：

static struct platform_device *smdk6410_devices[]__initdata = {

&s3c_device_usb，

&s3c_device_lcd，

&s3c_device_wdt，

&s3c_device_i2c，

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&s3c_device_ts， /*add here*/

&s3c_device_sdi， //add here

}

运行嵌入式系统的主要代码为：

/> iptables –t nat –L

Chain PREROUTING（policy ACCEPT） destination

target prot opt source

Chain POSTROUTING（policy ACCEPT）

target prot opt source destination

Chain OUTPUT （policy ACCEPT）

target prot opt source destination

/>

嵌入式系统控制井下摄像机将图像实时传输至监控中心，远程用户可以在终端上看到井下各个监控点的画面，如图3所示。

图3 监控画面

4 结 语

基于ARM的嵌入式煤矿监控系统是Web技术、通信技术和嵌入式技术的结合，具有部署方便、稳定性高、抗干扰强、价格低廉等特点。该系统投入使用后，有效降低了监控运行维护成本，提高了监控运行维护效率，对煤矿企业实现生产自动化、节省能源、安全生产和管理起到了十分重要的作用。

参考文献

[1] 国务院.国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知[EB/OL].[2010?07?09].http：//www.wwwauto.com.cn/HYfgzc/AQSC/2010/GF?2010?23.htm.

[2] 国务院.国务院关于坚持科学发展安全发展促进安全生产形势持续稳定好转的意见[EB/OL].[2011?12?02].国务院.http：//news.xinhuanet.com/politics/2011?12/02/c_111212735.htm.

[3] 国家安全生产监督管理总局.安全生产事故隐患排查治理体系建设实施指南[M].北京：国家安全生产监督管理总局，2012.

[4] 魏丹，龙熙华，宇亚卫.国外煤矿安全生产管理经验的启示[J].科技情报开发与经济，2007，17（23）：213?214.

[5] 何刚，张国枢.国外煤矿安全生产管理经验对我国的启示[J].中国煤炭，2006，32（7）：67?69.

[6] 陆庆峰，毛羽.嵌入式无线视频监控系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2011（8）：228?232.

[7] 文尧，王彤，周天然，等.嵌入式PowerPC硬核环境下的操作系统移植[J].数字技术与应用，2010（8）：139?141.

[8] 贾超广，肖海霞，蒋理兴，等.基于ARM与Linux的嵌入式系统平台的设计[J].自动化与仪器仪表，2007（2）：32?34.

[9] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010（12）：54?63.

（1） 监控系统多采用有线监控，煤矿矿井位置大多较分散、偏僻，井下工作环境复杂恶劣，空间狭小，有线视频监控布线复杂，覆盖面有限，可移动性差，成本较高，无法较好地满足中小煤矿企业的需求。

（2） 安全监控系统主要是数据监控无法全面反映井下的具体情况。

（3） 视频监控价格昂贵，目前使用的企业较少。

2 基于ARM的嵌入式视频监控系统设计

为了更加适应中小型煤矿企业的需求而设计的基于ARM的嵌入式视频监控系统，是以Linux操作系统和ARM11作为嵌入式系统的软硬件开发平台，根据ARM硬件配置及远程视频监控系统要求对内核进行裁减配置及优化设计，开发出的抗干扰、稳定性高、价格低廉、方便部署的井下实时视频监控系统[6]。

整个系统由井上监控中心和井下监控系统组成。井下监控系统由嵌入式监控设备和煤矿摄像仪组成，煤矿摄像仪负责采集数据，由嵌入式监控设备负责数据压缩、数据传输、云台控制等。该系统将嵌入式技术与流媒体技术有效结合，将前端对视频数据的处理都集中在 ARM 开发板上，此设计避免了建立大型服务器对数据进行处理，监控中心主要负责存储数据，方便远程客户调取视频信息。同时，利用Web技术，用户可以通过浏览器远程操作和查看监控视频。基于ARM的视频监控系统总体设计图如图1所示。

3 ARM嵌入式系统开发

矿井视频监控系统由嵌入式主板、操作系统和监控软件构成。硬件方面主要开发集中在ARM主板上，该主板具有功耗低，发热小，开机快，成本低，功能强，适应复杂环境的特点。由于井下工作环境复杂恶劣，一般的主板很难在井下长时间工作，而ARM主板不受时间限制，可以一直开机工作，无需人员去维护。软件方面的Linux操作系统也是具有超强的稳定性，而且该操作系统采用的是核心程序的嵌入式系统，只要几百KB不到的程序码就可以完整地驱动系统硬件，并成为一个完整的作业系统，因此相当适合于开发嵌入式操作系统。

图1 视频监控系统总体设计图

整个监控系统在基于ARM处理器的硬件构架上，通过移植Linux系统建立嵌入式开发平台，针对Linux内核模块进行功能扩展设计和优化，实现功能强大、处理能力强、价格低廉的监控系统。基于ARM的嵌入式系统构成如图2所示。

图2 ARM嵌入式系统构成框图

加载嵌入式系统相关硬件的主要代码为：

static struct platform_device *smdk6410_devices[]__initdata = {

&s3c_device_usb，

&s3c_device_lcd，

&s3c_device_wdt，

&s3c_device_i2c，

&s3c_device_iis，

&s3c_device_rtc，

&s3c_device_nand /*add here*/

&s3c_device_ts， /*add here*/

&s3c_device_sdi， //add here

}

运行嵌入式系统的主要代码为：

/> iptables –t nat –L

Chain PREROUTING（policy ACCEPT） destination

target prot opt source

Chain POSTROUTING（policy ACCEPT）

target prot opt source destination

Chain OUTPUT （policy ACCEPT）

target prot opt source destination

/>

嵌入式系统控制井下摄像机将图像实时传输至监控中心，远程用户可以在终端上看到井下各个监控点的画面，如图3所示。

图3 监控画面

4 结 语

基于ARM的嵌入式煤矿监控系统是Web技术、通信技术和嵌入式技术的结合，具有部署方便、稳定性高、抗干扰强、价格低廉等特点。该系统投入使用后，有效降低了监控运行维护成本，提高了监控运行维护效率，对煤矿企业实现生产自动化、节省能源、安全生产和管理起到了十分重要的作用。

参考文献

[1] 国务院.国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知[EB/OL].[2010?07?09].http：//www.wwwauto.com.cn/HYfgzc/AQSC/2010/GF?2010?23.htm.

[2] 国务院.国务院关于坚持科学发展安全发展促进安全生产形势持续稳定好转的意见[EB/OL].[2011?12?02].国务院.http：//news.xinhuanet.com/politics/2011?12/02/c_111212735.htm.

[3] 国家安全生产监督管理总局.安全生产事故隐患排查治理体系建设实施指南[M].北京：国家安全生产监督管理总局，2012.

[4] 魏丹，龙熙华，宇亚卫.国外煤矿安全生产管理经验的启示[J].科技情报开发与经济，2007，17（23）：213?214.

[5] 何刚，张国枢.国外煤矿安全生产管理经验对我国的启示[J].中国煤炭，2006，32（7）：67?69.

[6] 陆庆峰，毛羽.嵌入式无线视频监控系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2011（8）：228?232.

[7] 文尧，王彤，周天然，等.嵌入式PowerPC硬核环境下的操作系统移植[J].数字技术与应用，2010（8）：139?141.

[8] 贾超广，肖海霞，蒋理兴，等.基于ARM与Linux的嵌入式系统平台的设计[J].自动化与仪器仪表，2007（2）：32?34.

[9] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010（12）：54?63.