矿井WiFi视频传输系统软硬件设计与实现

何剑海， 周明德， 包建荣

(1. 宁波职业技术学院 工程训练中心， 浙江 宁波 315800； 2. 宁波职业技术学院 信息资源中心， 浙江 宁波 315800；3. 杭州电子科技大学 信息工程学院， 浙江 杭州 310018)

矿井WiFi视频传输系统软硬件设计与实现

何剑海1， 周明德2， 包建荣3

(1. 宁波职业技术学院 工程训练中心， 浙江 宁波 315800； 2. 宁波职业技术学院 信息资源中心， 浙江 宁波 315800；
3. 杭州电子科技大学 信息工程学院， 浙江 杭州 310018)

针对矿井光线强度不够、瓦斯防爆、坑道弯曲多变等引起的多媒体信号获取困难与传输环境恶劣等问题，研制了高效的WiFi视频传输系统，并应用于矿井通信场合.采用嵌入式ARM处理器、红外CCD摄像头、WiFi模块等器件构造基本硬件传输处理平台，在软件上采用H.264视频编解码、RTP/UDP封装、WiFi快速切换等信息获取与传输机制，最终研制了满足煤矿多媒体监管所需的高效、低功耗井下无线多媒体终端系统.经工程实践验证，该系统适应井下弱光甚至全暗、防爆、低功耗、复杂链路等工作环境，并取得了较好的井下WiFi视频传输效果.因此，所设计的矿井WiFi传输系统能有效消除井下恶劣信道环境的影响，实现低成本实时宽带视频信息传输，可在矿井安全监控管理等场合广泛应用.

多媒体信息采集； 嵌入式处理； 井下无线传输； 传输协议精简与封装

近些年来煤矿井下安全事故频发，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，故迫切需采用高效多媒体监控传感网络服务来预防及协助救灾工作.通过该服务，地面监控员可直接与井下人员进行信息交流，下达命令，全面监视井下情况，及时发现事故隐患而防患于未然，并为事后分析、总结抢险经验等提供现场资料[1-2].故视频语音通信质量是保障井下通信畅通的重要条件.目前，国内外矿井多媒体通信及终端主要存在以下问题[3-5]：视频压缩质量差，图像分辨率低；光照度适应范围小，不能适应全黑到高亮的光强范围；视频质量差，抗噪弱，成本高；终端功耗高、体积大，集成度低，不易携带；有线配置居多，发生事故时通信易中断.

为有效解决以上问题，需开展高性能矿井无线多媒体传输关键技术研究，特别是研制具有成本低、体积小、功耗低(待机长)、传输距离远、信号穿透性好、监控视频清晰度(精度)高等优势并适用于井下WiFi信道的视频监控传输系统[6-8].此外，传输系统还需具有常见流媒体监控所具备的自动组网和设备动态入网等特征[9]，及对应的视频软硬件系统结构[10]，方便动态扩展网络传输功能.本文在ARM和WiFi等硬件模块、高效H.264视频编解码及无线实时传输协议等软件模块基础上，研制了能适应井下全黑到高亮环境的低成本、低功耗、安全防爆的嵌入式井下视频监控及通信系统方案，以便实时提供井下现场动态，使其在矿山安全监控、应急救援等场合发挥更大作用.

1 系统总体结构及硬件设计方法

系统采用基于WiFi嵌入式视频监控方案，它主要包括前端嵌入式视频采集终端、分布式无线接入点(AP)和远程监控中心，并通过基盒(basebox)收集信息.为了提高视频压缩质量与压缩速度，并解决传统DSP方案终端功耗高、体积大、集成度低和不易携带等缺陷，本方案选用三星ARM11 (S3C6410)芯片构建嵌入式多媒体视频采集、压缩与传输体系.该芯片自带视频编解码核，可高效完成编解码，可使该嵌入式视频处理平台具备视频采集、编码处理、无线传输等功能，支持无线视频传输和管理，还具有视频保存回放功能[11-12].视频监控远程终端软件可采用微软WIN CE及开放的嵌入式linux等软件.在监控系统中，视频数据量异常庞大.以大小为352×288像素的视频图像为例，如每秒传输30帧真彩色(32 bit/pixel)视频图像，约需92.812 5 Mbps的传输速率，故无法在带宽速率有限的无线网络传输.所以，本设计还实现了视频数据H.264标准[13]压缩与解压，从而缓解网络传输压力.最后，整个矿井多媒体传输系统主要由矿井视频采集终端、无线传输网络和监控服务器三部分构成，如图1所示.

图1 矿井多媒体信息采集与传输系统结构Fig.1 Structure of the mine multimedia information acquisition and transmission system

系统采用模块化设计，具体包含以下几部分：多媒体信息采集终端模块、无线传输模块及协议、管理端监控及服务器平台.同时，采用矿井现场实验来验证方案的可靠性.矿井媒体监控系统设计的具体过程如图2所示.

图2 矿井多媒体监控系统设计流程Fig.2 Design process of the mine multimedia monitor system

根据上述结构分析与设计方法，可得基于ARM处理器的矿井多媒体信息采集终端主要分为核心处理系统、视频采集模块、视频处理模块、WiFi无线传输模块及电源模块等五大部分，该系统硬件结构如图3所示.

图3 矿井多媒体终端硬件结构Fig.3 Hardware structure of the mine multimedia terminal

图3中，ARM核心处理系统以S3C6410处理器为核心，采用大容量、低功耗移动级双通道静态随机存储器(mobile DDR SDRAM)和大容量与非门型快闪存储器(NAND flash)作为外存储器,另配大容量TF卡作为辅助存储器，确保该系统能存储大量视频数据.为了解决传统视频监控方案光照度适应范围小、不能适应全黑到高亮的光强范围等问题，视频模块实现最坏全黑(0 lx)等环境视频数据采集，并通过红外摄像头接口将数据传给核心系统，经ARM内部H.264硬核编解码器处理后，在分辨率为640×480的薄膜液晶显示器(TFT-LCD)上显示；视频模块完成视频数据输入、输出和编解码等功能，它将送话器输入的视频数据编码后发给核心系统，在该单元接收数据并解码后，由受话器输出.无线通信模块采用Marvell公司以88W8686芯片为核心的通用WiFi模块，实现无线数据传输.电源模块为各部分提供电源.系统还配备了微型Mini-USB接口，方便系统测试及后续软件升级与功能扩充.

此外，为了使通信终端适应矿井实时监控、安全防爆及高效传输等应急救援通信应用特点，特别是能满足电池续航、防爆及高效传输等要求，需针对系统能耗、防爆及传输效率等方面，在硬件电路结构、工作模式及新型传输结构上实现优化，使系统能长时间高效安全工作.以下分别对硬件功耗、安全性、传输效率等方面予以改进.

1) 硬件电路低功耗设计.

通过采取选用低功耗CMOS芯片，具有待机电流小、收发电流稳定的芯片的射频模块，较低输出电压且本身消耗功率较小的电源，以及将芯片空余浮空引脚接地等措施来降低功耗.此外，还需优化硬件的工作模式，使终端与无线接入点AP间的通信采用基于需求的唤醒工作模式[14]，可减少通信流量、增加休眠时间等；而且，还可选用支持超低功耗睡眠模式的ARM芯片，灵活利用微处理器的空闲、睡眠、等待、停止等节能模式，使其在几种模式中合理转换，达到低功耗效果.同时，还需实现系统软硬件协同工作，在ARM处理器闲置时，尽量让软件自动关闭视频采集、压缩、打包传输等功能，结合硬件的休眠工作状态，有效实现节能功能.

2) 硬件电路的防静电安全防爆设计.

在系统的印刷电路板(PCB)上运行视频采集、核心ARM处理、WiFi无线网络传输等模块时，会产生较大电流而导致静电火花等现象的出现[15].故需结合矿井瓦斯防爆等安全要求，设计相应的防静电方案.通常，可在PCB各电路模块外安装静电屏蔽铝壳，并妥善接地，防止出现静电火花.除了上述接地法与屏蔽法等抗静电防爆法外，还可采用静电泄漏法和中和法等措施.泄漏法主要是采用增湿剂和抗静电添加剂等减少静电产生，促使静电电荷自行消除；而中和法则是在静电电荷密集处产生带电离子，将静电电荷中和掉.

3) 硬件系统多天线及网桥结构设计.

矿井坑道往往比较狭小，且弯道较多，易引起多径效应.传统方案常将多径看成有害因素，采用均衡等方法抑制.而现代无线通信的最新成果，特别是多输入多输出(MIMO)技术，可将其变废为宝，充分利用多径带来的信道增益，提高传输性能，故可采用多天线AP来提高传输性能.同时，在无线AP作为中继时，还需采用无线分布系统(WDS)的无线桥接(一对一)及无线中继(一对多)功能，防止出现井下布线复杂及成本高等缺陷，实现图1所示的井下无线中继分布式传输，且利于消除WiFi无线覆盖死角.

2 系统软件结构设计及传输协议改进

由于系统需实现的功能较复杂，处理任务较多，且对实时性和稳定性要求较高，故采用嵌入式操作系统作为本系统软件平台.该软件模块处理部分是本文的技术重点，即通过低成本微控制器来有效快速地运行高效实时视频传输协议，使其在网络传输平台可靠执行，并延长射频获取移动端的待机时间等，以达到较好的应用效果.本方案采用了简单易用的嵌入式Linux操作系统作为系统软件支撑平台，而整个系统主要包含了终端与监控端视频处理及传输软件.

1)多媒体视频监控软件结构.

ARM软件编程主要采用嵌入式Linux操作系统的视频编码框架，来整合H.264编码库的多媒体编解码硬核.系统视频监控与传输软件总体流程如图4所示.

图4 终端视频监控与传输的软件结构Fig.4 Software structure of the terminal video monitor and transmission

在S3C6410调度前，需初始化系统的多个待使用模块，具体包括：①S3C6410处理器和系统板初始化；②视频编码核初始化；③建立视频捕获通道.在初始化完成后，系统进入调度程序管理的4个主线程和1个通道，其中，taskVideoCap，taskH264Encode和taskNetwork优先级较高， taskControl优先级最低.taskVideoCap，taskH264Encode，taskNetwork和taskControl的线程是系统核心线程，从底层驱动获取视频信号，将视频信号经H.264编码后，再经网络传至服务端显示.taskVideoCap，taskH264Encode和taskNetwork线程通过同步通信模块(SCOM)进行同步和通信，taskControl和taskH264Encode线程通过邮箱(MBOX)通信.

2)视频监控软件设计结构：DirectShow技术.

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、视频采集等高性能要求的多媒体应用，提供了完整解决方案.在DirectShow系统中，应用程序按一定意图建立相应过滤器图(filter graph)，然后通过过滤器图管理器(filter graph manager)控制整个数据处理过程.具体的DirectShow体系结构如图5所示.DirectShow能在filter graph运行时接收到各种触发事件，并通过消息方式发送到应用程序，予以执行,即实现应用程序与DirectShow间的消息交互，完成监控视频流的实时网络播放.

图5 DirectShow体系结构Fig.5 DirectShow architecture

视频系统软件实现了各功能过滤器(filter)的开发，并将其级联成一完整视频直显模块，完成视频的显示播放，具体如图6所示.

图6 视频直接显示的播放流程Fig.6 Broadcasting flow of the video DirectShow

其中，NetRecvFilter为网络接收源过滤器(即源文件过滤器，source filter)，采用推模式将网络接收数据推向下一级filter，程序将socket相关操作都放在应用层，如socket创建、侦听、连接等，届时仅需将连接好的socket句柄通过filter接口设置给NetRecvFilter，在接收过滤器内部实现时，只需外部设置socket数据接收.

因接收的远程嵌入式终端视频数据为H.264压缩码流,故实时播放还需变换过滤器(transform filter)，即H.264解码过滤器 (H.264 decode filter).它主要以H.264代码为核心解码filter，完成从NetRecvFilter上接收H.264码流，再将其解码变为YUV视频格式，通过输出接口，送至渲染过滤器(render filter)，最后播放.

3)WiFi传输软件结构.

为了将视频数据通过WiFi无线模块发送到接收端，须采用实时传输协议封装，故引入了RTP协议对编码视频数据进行封装[12].RTP主要是为视频等实时数据传输提出的网络传输协议.在RFC3984规范中，详细说明了RTP传输视频的数据帧格式由RTP和RTCP两部分组成[9].其中，RTP用于传输实时数据，RTCP用于监控传输服务质量和发送业务控制信息.RTP数据帧主要由12字节固定RTP头和不定长载荷构成，载荷内容主要为压缩编码后的视频数据.此外，RTP协议数据还封装于网络层UDP协议，以完成传输功能.在发送RTP帧时，可将数据流分割成若干帧，并分配相同时间戳.接收端根据时间戳，将乱序接收到的视频帧，重排成顺序视频流，在监控服务器上实时播放矿井视频.整个编码流程如图7所示.

图7 精简RTP-UDP多媒体网络传输流程Fig.7 Flow of the simplified RTP-UDP multimedia network transmission

在方案中，H.264数据先用RTP封装为适合网络传输的数据帧再传输.在应用RTP/UDP/IP协议时，至少包括12 字节RTP帧头、8字节UDP帧头及20字节IP 帧头，则帧头开销至少为40字节.另外，RTP载荷最大尺寸为138 8字节，故可包含多个视频数据帧，且可灵活调整，如关键帧冗余发送.

若未在应用层数据装载RTP包前分割载荷，将产生大于最大传输单元的帧长，即出现IP层第一帧成功接收，而后续帧丢失的问题，导致只有第一帧包含RTP 帧头完整信息，且与载荷长度无关.因此，无法判断RTP帧是否存在分割丢失，只能默认完整接收.故IP 层分割无法在应用层受到保护，从而无法实现关键帧的保护.故可将1个网络抽象层(NAL)单元分割，而传输多个RTP分组.根据最大IP 传输单元的大小，必须对大尺寸NAL单元进行分割.具体可设NAL 单元尺寸小于138 8字节.一个NAL单元经分割并分组后，每个分组序列号依次递增1，其RTP时间戳相同且唯一，确保关键帧不丢失.

4)WiFi传输关键技术.

RTP/UDP协议实现简单，但易出现发送数据不可靠而重传的情况.特别在同一AP传输网段多个多媒体终端异步发送数据到监控服务器时，易发生WiFi信号碰撞，使数据帧大量重传，甚至漏帧，导致传输效率低下与不可靠.因此，针对该传输协议特点，对其改进，以提高传输可靠性与吞吐量.

图8 服务器端的数据包接收发送流程Fig.8 Flow of the datagram reception and transmission in the network server

数据帧传送流程可用图8描述.当终端接入服务器时，为了建立连接，先发握手帧给服务器.服务器收到后，也反馈一握手帧，直到两端都收到对方的握手帧，才正式建立连接，并开始数据传输.否则，在预设时间t内终端未收到应答，则服务器端需再次发送握手帧给终端，确保发送信息被可靠接收.

在传输数据阶段，当终端发送一个RTP/UDP请求帧后，等待服务器反馈确认帧，来确认接收是否正确.在终端发送请求后，在预设时间t内未收到服务器确认，则重复发送前一次数据包，直到确认为止.对服务器发给终端数据帧，也采用该机制，减少因丢帧引起的数据接收不完整问题.在实际发送与接收中，因共用WiFi传输通道，将存在多个数据帧同时传送情形，出现冲突碰撞.因此，可采用分组网“p-坚持CSMA协议算法”对系统吞吐量进行优化[16].算法过程如下：当监听到信道空闲时，以概率p发送数据，以概率1-p延迟时间τ发送.在无传播延时(即a=0)时，其吞吐量为[17]：

S=G[e-G+(1-e-G)Ps]/(G+e-G)，

(1)

(2)

式中：G为吞吐量，n为竞争终端数.

同时，p-坚持CSMA协议系统的平均延时为

(3)

因吞吐量增加，总平均延时增加.故需对式(1)至式(3)综合优化，根据实际矿井信道参数及传输竞争终端数，折中选择发送数据概率，并计算平均延时作为系统最佳预设时间t.

3 系统测试与验证

为了验证系统可行性，需根据矿井实时监控及应急救援等现场传输特点，寻找适合的矿井，开展现场实验.同时，根据设计系统技术指标对系统考核，并加以完善.

1)系统测试.

系统由便携式矿井多媒体采集终端、无线接入点AP和监控服务器构成.便携式终端摄像头先采集井下多媒体数据，再传给ARM核心系统存储器缓存，经S3C6410处理器内部的H.264硬核压缩编码后，通过RTP/UDP/IP等封装，再送到WiFi无线模块，发至井下分布式WiFi无线接入点AP，接力发到监控服务器.而且，在较黑模拟光照(接近0 lx)环境下，需打开摄像头红外LED灯，以便获取有效的多媒体视频数据.最终，实现整个系统联调测试.此外，还可采用Linux平台开源视频软件VLC测试视频信息播放与参数验证.

2)系统验证.

测试表明：在55 Mbps WiFi无线网环境下，使用4个终端测试，且确保平均每路视频1 Mbps带宽要求，所设计的WiFi传输系统能达到100%成功传输率，且不丢帧.如增加终端数量(如8个)，将占用8 Mbps带宽，加上无线传输不理想等因素，导致传输性能下降，但仍可确保接近99%的成功传输率，极少丢帧，不过存在较大传输延迟.此时，对于55 Mbps带宽，归一化流量最多占据0.145 5.因此，数据包发送碰撞的概率仍较小.从而验证了上述p-坚持CSMA协议分析所改进的UDP传输方案，能提高系统可靠性.测试结果如表1所示.

表1 矿井55 Mbps带宽WiFi无线多媒体系统测试结果

Table 1 Measurement results of the mine 55 Mbps bandwidth WiFi wireless multimedia system

测试参数技术指标实测结果最低照度0lx(全黑)红外辅助效果较好压缩及分辨率H.264标准分辨率为640×480达到要求(可达标清水平)传输速率(总)≤8Mbps8Mbps(稳定码流)画面抗干扰无杂波干扰无明显干扰语音清晰度≥98%,无跳帧达到要求传输延时≤1msVLC验证:≤50μs功耗及电流功耗≤3.5W电流≤20mA达到安全防爆电流要求防静电性能铝壳电磁屏蔽效果较好

4 结 论

本文主要探讨了低成本、安全可靠的矿井WiFi无线多媒体信息采集与传输方案，它采用了低成本的嵌入式ARM芯片、WiFi模块等来实现相关功能.相对于常见Ti系列DSP 视频监控方案，其成本低，且应用了芯片自带的H.264硬核，视频编解码功耗更低及更稳定.而且，该嵌入式系统也易与井下定位系统[18]等联合设计，从而进一步升级为综合井下灾害监控管理系统，便于及时定位灾害发生位置并及时营救.经测试，该方案基本满足矿井无线传输要求，可实现井下全黑(0 lx)至高亮场景视频图像采集.视频采集终端具备高清图像质量(D1质量)显示与处理、无线视频传输、适应井下恶劣环境等功能.特别是其具有成本较低、实时性好、实现简单、布置容易(无需电缆)等优势，非常适用于矿井实时视频监控、应急指挥监管等场合.

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Design and implementation of software and hardware of the mine WiFi video transmission system

HE Jian-hai1， ZHOU Ming-de2， BAO Jian-rong3

(1. Engineering Training Center， Ningbo Polytechnic， Ningbo 315800， China; 2. Information Resource Center， Ningbo Polytechnic， Ningbo 315800, China；3. School of Information Engineering， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

According to the difficult problems of multimedia signal acquisition and the poor channel transmission circumstances due to the facts such as the insufficient lightness， the gas explosion proof and the zigzag mine tunnels， and so on, a new efficient wireless fidelity (WiFi) video transmission system was developed and used on the underground mine communication occasions. In the aspect of hardware for the proposed system， it mainly exploited the devices of embedded ARM processor， infrared charge-coupled device (CCD) camera， WiFi module, and so on. In the aspect of software for the proposed system， it used H.264 video codec， real time control protocol (RTP)/user datagram protocol (UDP) encapsulation， quick WiFi handover and some other information acquisition and transmission mechanism. Finally， an efficient and low power consuming underground mine wireless multimedia communication prototype was developed to meet the requirement of under ground mine multimedia supervision. Through practical testing and verification， the proposed scheme was found to be suitable for the poor working conditions such as weak lightness， explosion proof， complex transmission link， and so on. Thus it obtains efficient and reliable under-mine WiFi video transmission effect. Therefore， the designed underground mine WiFi transmission system can overcome the terrible circumstances of the transmission channel and realize the low cost real time broadband video information transmission. And it can be widely used on the occasions of the underground mine security surveillance and management.

multimedia information acquisition; embedded processing; underground mine wireless transmission; simplification and encapsulation of the transmission protocol

2016-04-06.

本刊网址·在线期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

国家自然科学基金面上项目(61471152);浙江省自然科学基金重点项目(LZ14F010003);浙江省科技计划项目(2015C31103);浙江省教育厅高校科研课题(Y201224190).

何剑海(1980—)，男，浙江温州人，讲师，硕士，从事物联网通信、嵌入式无线传感网络等研究,E-mail:rambert@qq.com.http://orcid.org//0000-0001-6413-7602 通信联系人：包建荣(1978-),男，浙江杭州人,副教授，博士,从事近地空间通信信号处理、嵌入式系统等研究,E-mail:baojr@hdu.edu.cn.http://orcid.org//0000-0003-1720-853X

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.06.016

TN 919.82

A

1006-754X(2016)06-0626-07