何劍海， 周明德， 包建榮

(1. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心， 浙江 寧波 315800； 2. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息資源中心， 浙江 寧波 315800；3. 杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

礦井WiFi視頻傳輸系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何劍海1， 周明德2， 包建榮3

(1. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心， 浙江 寧波 315800； 2. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息資源中心， 浙江 寧波 315800；
3. 杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

針對(duì)礦井光線強(qiáng)度不夠、瓦斯防爆、坑道彎曲多變等引起的多媒體信號(hào)獲取困難與傳輸環(huán)境惡劣等問(wèn)題，研制了高效的WiFi視頻傳輸系統(tǒng)，并應(yīng)用于礦井通信場(chǎng)合.采用嵌入式ARM處理器、紅外CCD攝像頭、WiFi模塊等器件構(gòu)造基本硬件傳輸處理平臺(tái)，在軟件上采用H.264視頻編解碼、RTP/UDP封裝、WiFi快速切換等信息獲取與傳輸機(jī)制，最終研制了滿足煤礦多媒體監(jiān)管所需的高效、低功耗井下無(wú)線多媒體終端系統(tǒng).經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)適應(yīng)井下弱光甚至全暗、防爆、低功耗、復(fù)雜鏈路等工作環(huán)境，并取得了較好的井下WiFi視頻傳輸效果.因此，所設(shè)計(jì)的礦井WiFi傳輸系統(tǒng)能有效消除井下惡劣信道環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)低成本實(shí)時(shí)寬帶視頻信息傳輸，可在礦井安全監(jiān)控管理等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用.

多媒體信息采集； 嵌入式處理； 井下無(wú)線傳輸； 傳輸協(xié)議精簡(jiǎn)與封裝

近些年來(lái)煤礦井下安全事故頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，故迫切需采用高效多媒體監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)預(yù)防及協(xié)助救災(zāi)工作.通過(guò)該服務(wù)，地面監(jiān)控員可直接與井下人員進(jìn)行信息交流，下達(dá)命令，全面監(jiān)視井下情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患而防患于未然，并為事后分析、總結(jié)搶險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)等提供現(xiàn)場(chǎng)資料[1-2].故視頻語(yǔ)音通信質(zhì)量是保障井下通信暢通的重要條件.目前，國(guó)內(nèi)外礦井多媒體通信及終端主要存在以下問(wèn)題[3-5]：視頻壓縮質(zhì)量差，圖像分辨率低；光照度適應(yīng)范圍小，不能適應(yīng)全黑到高亮的光強(qiáng)范圍；視頻質(zhì)量差，抗噪弱，成本高；終端功耗高、體積大，集成度低，不易攜帶；有線配置居多，發(fā)生事故時(shí)通信易中斷.

為有效解決以上問(wèn)題，需開(kāi)展高性能礦井無(wú)線多媒體傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究，特別是研制具有成本低、體積小、功耗低(待機(jī)長(zhǎng))、傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)穿透性好、監(jiān)控視頻清晰度(精度)高等優(yōu)勢(shì)并適用于井下WiFi信道的視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)[6-8].此外，傳輸系統(tǒng)還需具有常見(jiàn)流媒體監(jiān)控所具備的自動(dòng)組網(wǎng)和設(shè)備動(dòng)態(tài)入網(wǎng)等特征[9]，及對(duì)應(yīng)的視頻軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10]，方便動(dòng)態(tài)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)傳輸功能.本文在ARM和WiFi等硬件模塊、高效H.264視頻編解碼及無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議等軟件模塊基礎(chǔ)上，研制了能適應(yīng)井下全黑到高亮環(huán)境的低成本、低功耗、安全防爆的嵌入式井下視頻監(jiān)控及通信系統(tǒng)方案，以便實(shí)時(shí)提供井下現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，使其在礦山安全監(jiān)控、應(yīng)急救援等場(chǎng)合發(fā)揮更大作用.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)采用基于WiFi嵌入式視頻監(jiān)控方案，它主要包括前端嵌入式視頻采集終端、分布式無(wú)線接入點(diǎn)(AP)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并通過(guò)基盒(basebox)收集信息.為了提高視頻壓縮質(zhì)量與壓縮速度，并解決傳統(tǒng)DSP方案終端功耗高、體積大、集成度低和不易攜帶等缺陷，本方案選用三星ARM11 (S3C6410)芯片構(gòu)建嵌入式多媒體視頻采集、壓縮與傳輸體系.該芯片自帶視頻編解碼核，可高效完成編解碼，可使該嵌入式視頻處理平臺(tái)具備視頻采集、編碼處理、無(wú)線傳輸?shù)裙δ?，支持無(wú)線視頻傳輸和管理，還具有視頻保存回放功能[11-12].視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程終端軟件可采用微軟WIN CE及開(kāi)放的嵌入式linux等軟件.在監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻數(shù)據(jù)量異常龐大.以大小為352×288像素的視頻圖像為例，如每秒傳輸30幀真彩色(32 bit/pixel)視頻圖像，約需92.812 5 Mbps的傳輸速率，故無(wú)法在帶寬速率有限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸.所以，本設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)H.264標(biāo)準(zhǔn)[13]壓縮與解壓，從而緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力.最后，整個(gè)礦井多媒體傳輸系統(tǒng)主要由礦井視頻采集終端、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控服務(wù)器三部分構(gòu)成，如圖1所示.

圖1 礦井多媒體信息采集與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the mine multimedia information acquisition and transmission system

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具體包含以下幾部分：多媒體信息采集終端模塊、無(wú)線傳輸模塊及協(xié)議、管理端監(jiān)控及服務(wù)器平臺(tái).同時(shí)，采用礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方案的可靠性.礦井媒體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體過(guò)程如圖2所示.

圖2 礦井多媒體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design process of the mine multimedia monitor system

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法，可得基于ARM處理器的礦井多媒體信息采集終端主要分為核心處理系統(tǒng)、視頻采集模塊、視頻處理模塊、WiFi無(wú)線傳輸模塊及電源模塊等五大部分，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 礦井多媒體終端硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of the mine multimedia terminal

圖3中，ARM核心處理系統(tǒng)以S3C6410處理器為核心，采用大容量、低功耗移動(dòng)級(jí)雙通道靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(mobile DDR SDRAM)和大容量與非門型快閃存儲(chǔ)器(NAND flash)作為外存儲(chǔ)器,另配大容量TF卡作為輔助存儲(chǔ)器，確保該系統(tǒng)能存儲(chǔ)大量視頻數(shù)據(jù).為了解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控方案光照度適應(yīng)范圍小、不能適應(yīng)全黑到高亮的光強(qiáng)范圍等問(wèn)題，視頻模塊實(shí)現(xiàn)最壞全黑(0 lx)等環(huán)境視頻數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)紅外攝像頭接口將數(shù)據(jù)傳給核心系統(tǒng)，經(jīng)ARM內(nèi)部H.264硬核編解碼器處理后，在分辨率為640×480的薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)上顯示；視頻模塊完成視頻數(shù)據(jù)輸入、輸出和編解碼等功能，它將送話器輸入的視頻數(shù)據(jù)編碼后發(fā)給核心系統(tǒng)，在該單元接收數(shù)據(jù)并解碼后，由受話器輸出.無(wú)線通信模塊采用Marvell公司以88W8686芯片為核心的通用WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸.電源模塊為各部分提供電源.系統(tǒng)還配備了微型Mini-USB接口，方便系統(tǒng)測(cè)試及后續(xù)軟件升級(jí)與功能擴(kuò)充.

此外，為了使通信終端適應(yīng)礦井實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全防爆及高效傳輸?shù)葢?yīng)急救援通信應(yīng)用特點(diǎn)，特別是能滿足電池續(xù)航、防爆及高效傳輸?shù)纫?，需針?duì)系統(tǒng)能耗、防爆及傳輸效率等方面，在硬件電路結(jié)構(gòu)、工作模式及新型傳輸結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，使系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間高效安全工作.以下分別對(duì)硬件功耗、安全性、傳輸效率等方面予以改進(jìn).

1) 硬件電路低功耗設(shè)計(jì).

通過(guò)采取選用低功耗CMOS芯片，具有待機(jī)電流小、收發(fā)電流穩(wěn)定的芯片的射頻模塊，較低輸出電壓且本身消耗功率較小的電源，以及將芯片空余浮空引腳接地等措施來(lái)降低功耗.此外，還需優(yōu)化硬件的工作模式，使終端與無(wú)線接入點(diǎn)AP間的通信采用基于需求的喚醒工作模式[14]，可減少通信流量、增加休眠時(shí)間等；而且，還可選用支持超低功耗睡眠模式的ARM芯片，靈活利用微處理器的空閑、睡眠、等待、停止等節(jié)能模式，使其在幾種模式中合理轉(zhuǎn)換，達(dá)到低功耗效果.同時(shí)，還需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件協(xié)同工作，在ARM處理器閑置時(shí)，盡量讓軟件自動(dòng)關(guān)閉視頻采集、壓縮、打包傳輸?shù)裙δ埽Y(jié)合硬件的休眠工作狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能功能.

2) 硬件電路的防靜電安全防爆設(shè)計(jì).

在系統(tǒng)的印刷電路板(PCB)上運(yùn)行視頻采集、核心ARM處理、WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饶K時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大電流而導(dǎo)致靜電火花等現(xiàn)象的出現(xiàn)[15].故需結(jié)合礦井瓦斯防爆等安全要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的防靜電方案.通常，可在PCB各電路模塊外安裝靜電屏蔽鋁殼，并妥善接地，防止出現(xiàn)靜電火花.除了上述接地法與屏蔽法等抗靜電防爆法外，還可采用靜電泄漏法和中和法等措施.泄漏法主要是采用增濕劑和抗靜電添加劑等減少靜電產(chǎn)生，促使靜電電荷自行消除；而中和法則是在靜電電荷密集處產(chǎn)生帶電離子，將靜電電荷中和掉.

3) 硬件系統(tǒng)多天線及網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

礦井坑道往往比較狹小，且彎道較多，易引起多徑效應(yīng).傳統(tǒng)方案常將多徑看成有害因素，采用均衡等方法抑制.而現(xiàn)代無(wú)線通信的最新成果，特別是多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，可將其變廢為寶，充分利用多徑帶來(lái)的信道增益，提高傳輸性能，故可采用多天線AP來(lái)提高傳輸性能.同時(shí)，在無(wú)線AP作為中繼時(shí)，還需采用無(wú)線分布系統(tǒng)(WDS)的無(wú)線橋接(一對(duì)一)及無(wú)線中繼(一對(duì)多)功能，防止出現(xiàn)井下布線復(fù)雜及成本高等缺陷，實(shí)現(xiàn)圖1所示的井下無(wú)線中繼分布式傳輸，且利于消除WiFi無(wú)線覆蓋死角.

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳輸協(xié)議改進(jìn)

由于系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能較復(fù)雜，處理任務(wù)較多，且對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求較高，故采用嵌入式操作系統(tǒng)作為本系統(tǒng)軟件平臺(tái).該軟件模塊處理部分是本文的技術(shù)重點(diǎn)，即通過(guò)低成本微控制器來(lái)有效快速地運(yùn)行高效實(shí)時(shí)視頻傳輸協(xié)議，使其在網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)可靠執(zhí)行，并延長(zhǎng)射頻獲取移動(dòng)端的待機(jī)時(shí)間等，以達(dá)到較好的應(yīng)用效果.本方案采用了簡(jiǎn)單易用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件支撐平臺(tái)，而整個(gè)系統(tǒng)主要包含了終端與監(jiān)控端視頻處理及傳輸軟件.

1)多媒體視頻監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu).

ARM軟件編程主要采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的視頻編碼框架，來(lái)整合H.264編碼庫(kù)的多媒體編解碼硬核.系統(tǒng)視頻監(jiān)控與傳輸軟件總體流程如圖4所示.

圖4 終端視頻監(jiān)控與傳輸?shù)能浖Y(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of the terminal video monitor and transmission

在S3C6410調(diào)度前，需初始化系統(tǒng)的多個(gè)待使用模塊，具體包括：①S3C6410處理器和系統(tǒng)板初始化；②視頻編碼核初始化；③建立視頻捕獲通道.在初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)度程序管理的4個(gè)主線程和1個(gè)通道，其中，taskVideoCap，taskH264Encode和taskNetwork優(yōu)先級(jí)較高， taskControl優(yōu)先級(jí)最低.taskVideoCap，taskH264Encode，taskNetwork和taskControl的線程是系統(tǒng)核心線程，從底層驅(qū)動(dòng)獲取視頻信號(hào)，將視頻信號(hào)經(jīng)H.264編碼后，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳至服務(wù)端顯示.taskVideoCap，taskH264Encode和taskNetwork線程通過(guò)同步通信模塊(SCOM)進(jìn)行同步和通信，taskControl和taskH264Encode線程通過(guò)郵箱(MBOX)通信.

2)視頻監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：DirectShow技術(shù).

系統(tǒng)以DirectShow技術(shù)為基礎(chǔ).DirectShow為Windows平臺(tái)處理各種格式媒體文件的回放、視頻采集等高性能要求的多媒體應(yīng)用，提供了完整解決方案.在DirectShow系統(tǒng)中，應(yīng)用程序按一定意圖建立相應(yīng)過(guò)濾器圖(filter graph)，然后通過(guò)過(guò)濾器圖管理器(filter graph manager)控制整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程.具體的DirectShow體系結(jié)構(gòu)如圖5所示.DirectShow能在filter graph運(yùn)行時(shí)接收到各種觸發(fā)事件，并通過(guò)消息方式發(fā)送到應(yīng)用程序，予以執(zhí)行,即實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與DirectShow間的消息交互，完成監(jiān)控視頻流的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)播放.

圖5 DirectShow體系結(jié)構(gòu)Fig.5 DirectShow architecture

視頻系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了各功能過(guò)濾器(filter)的開(kāi)發(fā)，并將其級(jí)聯(lián)成一完整視頻直顯模塊，完成視頻的顯示播放，具體如圖6所示.

圖6 視頻直接顯示的播放流程Fig.6 Broadcasting flow of the video DirectShow

其中，NetRecvFilter為網(wǎng)絡(luò)接收源過(guò)濾器(即源文件過(guò)濾器，source filter)，采用推模式將網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)推向下一級(jí)filter，程序?qū)ocket相關(guān)操作都放在應(yīng)用層，如socket創(chuàng)建、偵聽(tīng)、連接等，屆時(shí)僅需將連接好的socket句柄通過(guò)filter接口設(shè)置給NetRecvFilter，在接收過(guò)濾器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需外部設(shè)置socket數(shù)據(jù)接收.

因接收的遠(yuǎn)程嵌入式終端視頻數(shù)據(jù)為H.264壓縮碼流,故實(shí)時(shí)播放還需變換過(guò)濾器(transform filter)，即H.264解碼過(guò)濾器 (H.264 decode filter).它主要以H.264代碼為核心解碼filter，完成從NetRecvFilter上接收H.264碼流，再將其解碼變?yōu)閅UV視頻格式，通過(guò)輸出接口，送至渲染過(guò)濾器(render filter)，最后播放.

3)WiFi傳輸軟件結(jié)構(gòu).

為了將視頻數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi無(wú)線模塊發(fā)送到接收端，須采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議封裝，故引入了RTP協(xié)議對(duì)編碼視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝[12].RTP主要是為視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提出的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議.在RFC3984規(guī)范中，詳細(xì)說(shuō)明了RTP傳輸視頻的數(shù)據(jù)幀格式由RTP和RTCP兩部分組成[9].其中，RTP用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，RTCP用于監(jiān)控傳輸服務(wù)質(zhì)量和發(fā)送業(yè)務(wù)控制信息.RTP數(shù)據(jù)幀主要由12字節(jié)固定RTP頭和不定長(zhǎng)載荷構(gòu)成，載荷內(nèi)容主要為壓縮編碼后的視頻數(shù)據(jù).此外，RTP協(xié)議數(shù)據(jù)還封裝于網(wǎng)絡(luò)層UDP協(xié)議，以完成傳輸功能.在發(fā)送RTP幀時(shí)，可將數(shù)據(jù)流分割成若干幀，并分配相同時(shí)間戳.接收端根據(jù)時(shí)間戳，將亂序接收到的視頻幀，重排成順序視頻流，在監(jiān)控服務(wù)器上實(shí)時(shí)播放礦井視頻.整個(gè)編碼流程如圖7所示.

圖7 精簡(jiǎn)RTP-UDP多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸流程Fig.7 Flow of the simplified RTP-UDP multimedia network transmission

在方案中，H.264數(shù)據(jù)先用RTP封裝為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀再傳輸.在應(yīng)用RTP/UDP/IP協(xié)議時(shí)，至少包括12 字節(jié)RTP幀頭、8字節(jié)UDP幀頭及20字節(jié)IP 幀頭，則幀頭開(kāi)銷至少為40字節(jié).另外，RTP載荷最大尺寸為138 8字節(jié)，故可包含多個(gè)視頻數(shù)據(jù)幀，且可靈活調(diào)整，如關(guān)鍵幀冗余發(fā)送.

若未在應(yīng)用層數(shù)據(jù)裝載RTP包前分割載荷，將產(chǎn)生大于最大傳輸單元的幀長(zhǎng)，即出現(xiàn)IP層第一幀成功接收，而后續(xù)幀丟失的問(wèn)題，導(dǎo)致只有第一幀包含RTP 幀頭完整信息，且與載荷長(zhǎng)度無(wú)關(guān).因此，無(wú)法判斷RTP幀是否存在分割丟失，只能默認(rèn)完整接收.故IP 層分割無(wú)法在應(yīng)用層受到保護(hù)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀的保護(hù).故可將1個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽象層(NAL)單元分割，而傳輸多個(gè)RTP分組.根據(jù)最大IP 傳輸單元的大小，必須對(duì)大尺寸NAL單元進(jìn)行分割.具體可設(shè)NAL 單元尺寸小于138 8字節(jié).一個(gè)NAL單元經(jīng)分割并分組后，每個(gè)分組序列號(hào)依次遞增1，其RTP時(shí)間戳相同且唯一，確保關(guān)鍵幀不丟失.

4)WiFi傳輸關(guān)鍵技術(shù).

RTP/UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但易出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)不可靠而重傳的情況.特別在同一AP傳輸網(wǎng)段多個(gè)多媒體終端異步發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控服務(wù)器時(shí)，易發(fā)生WiFi信號(hào)碰撞，使數(shù)據(jù)幀大量重傳，甚至漏幀，導(dǎo)致傳輸效率低下與不可靠.因此，針對(duì)該傳輸協(xié)議特點(diǎn)，對(duì)其改進(jìn)，以提高傳輸可靠性與吞吐量.

圖8 服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包接收發(fā)送流程Fig.8 Flow of the datagram reception and transmission in the network server

數(shù)據(jù)幀傳送流程可用圖8描述.當(dāng)終端接入服務(wù)器時(shí)，為了建立連接，先發(fā)握手幀給服務(wù)器.服務(wù)器收到后，也反饋一握手幀，直到兩端都收到對(duì)方的握手幀，才正式建立連接，并開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸.否則，在預(yù)設(shè)時(shí)間t內(nèi)終端未收到應(yīng)答，則服務(wù)器端需再次發(fā)送握手幀給終端，確保發(fā)送信息被可靠接收.

在傳輸數(shù)據(jù)階段，當(dāng)終端發(fā)送一個(gè)RTP/UDP請(qǐng)求幀后，等待服務(wù)器反饋確認(rèn)幀，來(lái)確認(rèn)接收是否正確.在終端發(fā)送請(qǐng)求后，在預(yù)設(shè)時(shí)間t內(nèi)未收到服務(wù)器確認(rèn)，則重復(fù)發(fā)送前一次數(shù)據(jù)包，直到確認(rèn)為止.對(duì)服務(wù)器發(fā)給終端數(shù)據(jù)幀，也采用該機(jī)制，減少因丟幀引起的數(shù)據(jù)接收不完整問(wèn)題.在實(shí)際發(fā)送與接收中，因共用WiFi傳輸通道，將存在多個(gè)數(shù)據(jù)幀同時(shí)傳送情形，出現(xiàn)沖突碰撞.因此，可采用分組網(wǎng)“p-堅(jiān)持CSMA協(xié)議算法”對(duì)系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行優(yōu)化[16].算法過(guò)程如下：當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí)，以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-p延遲時(shí)間τ發(fā)送.在無(wú)傳播延時(shí)(即a=0)時(shí)，其吞吐量為[17]：

S=G[e-G+(1-e-G)Ps]/(G+e-G)，

(1)

(2)

式中：G為吞吐量，n為競(jìng)爭(zhēng)終端數(shù).

同時(shí)，p-堅(jiān)持CSMA協(xié)議系統(tǒng)的平均延時(shí)為

(3)

因吞吐量增加，總平均延時(shí)增加.故需對(duì)式(1)至式(3)綜合優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際礦井信道參數(shù)及傳輸競(jìng)爭(zhēng)終端數(shù)，折中選擇發(fā)送數(shù)據(jù)概率，并計(jì)算平均延時(shí)作為系統(tǒng)最佳預(yù)設(shè)時(shí)間t.

3 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，需根據(jù)礦井實(shí)時(shí)監(jiān)控及應(yīng)急救援等現(xiàn)場(chǎng)傳輸特點(diǎn)，尋找適合的礦井，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn).同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)考核，并加以完善.

1)系統(tǒng)測(cè)試.

系統(tǒng)由便攜式礦井多媒體采集終端、無(wú)線接入點(diǎn)AP和監(jiān)控服務(wù)器構(gòu)成.便攜式終端攝像頭先采集井下多媒體數(shù)據(jù)，再傳給ARM核心系統(tǒng)存儲(chǔ)器緩存，經(jīng)S3C6410處理器內(nèi)部的H.264硬核壓縮編碼后，通過(guò)RTP/UDP/IP等封裝，再送到WiFi無(wú)線模塊，發(fā)至井下分布式WiFi無(wú)線接入點(diǎn)AP，接力發(fā)到監(jiān)控服務(wù)器.而且，在較黑模擬光照(接近0 lx)環(huán)境下，需打開(kāi)攝像頭紅外LED燈，以便獲取有效的多媒體視頻數(shù)據(jù).最終，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試.此外，還可采用Linux平臺(tái)開(kāi)源視頻軟件VLC測(cè)試視頻信息播放與參數(shù)驗(yàn)證.

2)系統(tǒng)驗(yàn)證.

測(cè)試表明：在55 Mbps WiFi無(wú)線網(wǎng)環(huán)境下，使用4個(gè)終端測(cè)試，且確保平均每路視頻1 Mbps帶寬要求，所設(shè)計(jì)的WiFi傳輸系統(tǒng)能達(dá)到100%成功傳輸率，且不丟幀.如增加終端數(shù)量(如8個(gè))，將占用8 Mbps帶寬，加上無(wú)線傳輸不理想等因素，導(dǎo)致傳輸性能下降，但仍可確保接近99%的成功傳輸率，極少丟幀，不過(guò)存在較大傳輸延遲.此時(shí)，對(duì)于55 Mbps帶寬，歸一化流量最多占據(jù)0.145 5.因此，數(shù)據(jù)包發(fā)送碰撞的概率仍較小.從而驗(yàn)證了上述p-堅(jiān)持CSMA協(xié)議分析所改進(jìn)的UDP傳輸方案，能提高系統(tǒng)可靠性.測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 礦井55 Mbps帶寬WiFi無(wú)線多媒體系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

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

測(cè)試參數(shù)技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果最低照度0lx(全黑)紅外輔助效果較好壓縮及分辨率H.264標(biāo)準(zhǔn)分辨率為640×480達(dá)到要求(可達(dá)標(biāo)清水平)傳輸速率(總)≤8Mbps8Mbps(穩(wěn)定碼流)畫面抗干擾無(wú)雜波干擾無(wú)明顯干擾語(yǔ)音清晰度≥98%,無(wú)跳幀達(dá)到要求傳輸延時(shí)≤1msVLC驗(yàn)證:≤50μs功耗及電流功耗≤3.5W電流≤20mA達(dá)到安全防爆電流要求防靜電性能鋁殼電磁屏蔽效果較好

4 結(jié) 論

本文主要探討了低成本、安全可靠的礦井WiFi無(wú)線多媒體信息采集與傳輸方案，它采用了低成本的嵌入式ARM芯片、WiFi模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能.相對(duì)于常見(jiàn)Ti系列DSP 視頻監(jiān)控方案，其成本低，且應(yīng)用了芯片自帶的H.264硬核，視頻編解碼功耗更低及更穩(wěn)定.而且，該嵌入式系統(tǒng)也易與井下定位系統(tǒng)[18]等聯(lián)合設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步升級(jí)為綜合井下災(zāi)害監(jiān)控管理系統(tǒng)，便于及時(shí)定位災(zāi)害發(fā)生位置并及時(shí)營(yíng)救.經(jīng)測(cè)試，該方案基本滿足礦井無(wú)線傳輸要求，可實(shí)現(xiàn)井下全黑(0 lx)至高亮場(chǎng)景視頻圖像采集.視頻采集終端具備高清圖像質(zhì)量(D1質(zhì)量)顯示與處理、無(wú)線視頻傳輸、適應(yīng)井下惡劣環(huán)境等功能.特別是其具有成本較低、實(shí)時(shí)性好、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、布置容易(無(wú)需電纜)等優(yōu)勢(shì)，非常適用于礦井實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、應(yīng)急指揮監(jiān)管等場(chǎng)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.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61471152);浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ14F010003);浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015C31103);浙江省教育廳高?？蒲姓n題(Y201224190).

何劍海(1980—)，男，浙江溫州人，講師，碩士，從事物聯(lián)網(wǎng)通信、嵌入式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等研究,E-mail:rambert@qq.com.http://orcid.org//0000-0001-6413-7602 通信聯(lián)系人：包建榮(1978-),男，浙江杭州人,副教授，博士,從事近地空間通信信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)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