一种矿用本安型音视频记录仪.pdf

202移动扫码阅读Coal Mines,354(8):202-208LI Wenfeng,WANG Qian,LIU Bin,et al.A mine intrinsically safe audio and video recorder J.Safety in李文峰种矿用本安型音视频记录仪54(8):202-208王倩，刘斌，等SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54第8 期第54 卷煤矿发全D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.027一种矿用本安型音视频记录仪李文峰，王倩1,刘斌？,刘凯”，李强4（1.西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安7 10 6 0 0 2.榆林智慧能源大数据应用联合重点实验室，陕西榆林7 19 39 9;3.陕西陕煤黄陵矿业有限公司应急救援中心，陕西黄陵7 2 7 30 7；4.山西汾西矿业（集团）有限责任公司矿山救护大队，山西介休0 32 0 0 0）摘要：设计了一种矿用本安型音视频记录仪。设备基于5GSOC处理器，采用感光传感器+白光/红外激光补光+本质安全电路方案，在低照度、全黑或密闭空间的环境下，能采集、压缩、存储、显示4 K高清视频图像，同时将采集的音视频数据进行实时远传；记录仪具有低照度环境下成像质量高、拍摄距离远、功耗小等特点，支持TCP/IP、U D P、RT P、O NV IF、G B2 8 18 1等协议，除了作为井下信息记录外，还可以辅助应急指挥部及时展开救援行动。测试结果表明：记录仪黑暗环境下图片分辨率为10 6 8 8 x6012，视频分辨率为2 56 0 x1440，可视距离达2 0 m，数据丢包率约为0.0 6 8%，时延约为15.8 5ms，可实现持续视频摄录9 h或持续视频回传4 h。关键词：矿用音视频记录仪；低照度视频采集；感光传感器；白光/红外激光补光；GB28181接口中图分类号：TD679文献标志码：B文章编号：10 0 3-4 9 6 X(2023)08-0202-07A mine intrinsically safe audio and video recorderLI Wenfeng,WANG Qian,LIU Bin2,LIU Kais,LI Qiang(1.College of Communication and Information Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710600,China;2.Yulin Joint Key Laboratory of Smart Energy Big Data Application,Yulin 719399,China;3.Emergency Rescue Center,Shaanxi Coal Huangling Mining Co.,Ltd.,Huangling 727307,China;4.Mine Rescue Brigade,Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.,Ltd.,Jiexiu 032000,China)Abstract:A mine intrinsically safe audio and video recorder is designed.The device is based on 5G SOC processor,and adoptsthe photosensitive sensor+white light/infrared laser fll light+intrinsically safe circuit scheme.Under the environment of lowillumination,full black or confined space,it can collect,compress,store and display 4K high-definition video images,andtransmit the collected audio and video data in real time.The recorder has the characteristics of high imaging quality,long shootingdistance and low power consumption in low illumination environment;it supports TCP/IP,UDP,RTP,ONVIF,GB28181 and otherprotocols.In addition to serving as an underground information record,it can also assist the emergency headquarters in carryingout rescue operations in time.The test results show that the picture resolution of the recorder is 10 688 x6 012,the videoresolution is 2 560 x1 440,the visual distance is 20 m,the data packet loss rate is about 0.068%,the delay is about 15.85 ms,and it can achieve continuous video recording for 9 hours or continuous video playback for 4 hours.Key words:mine audio and video recorder;low illumination video capture;photosensitive sensor;white light/infrared laser flllight;GB28181 interface收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 6责任编辑：李力欣基金项目：陕西省重点产业创新链资助项目（2 0 2 0 ZDLGY15-07）；陕西省厅地联动重点专项资助项目（2 0 2 2 TDLD4-11）作者简介：李文峰（19 6 9 一），男，河南襄城人，教授，硕士研究生导师，博士，主要从事应急救援和矿山信息化技术方面的研究工作。E-mail：203Safetyin Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54 卷煤矿井下环境恶劣、光照度低、可燃气体多，存在危险隐患 I-2,井下工作人员需要记录煤矿工作面的作业情况，并与地面工作人员实时交互，避免矿山安全事故发生 3。目前在煤矿通信及监控领域，已经实现了音视频信号的传输，但矿井下常用的音视频设备多以CCD和CMOS图像传感器作为前端采集，利用LED红外辅助补光光源，低照度或密闭环境下图像画面不清晰 4-5;采集数据依靠电缆传输，成本过高，传输能力受限 ；井下设备为达到防爆要求，通常采用厚重的隔爆外壳，体积过大，质量过重,使用不灵活 7。针对以上问题，设计了一种矿用本安型音视频记录仪。设备基于5GSOC处理器，采用MCCD图像传感器和白光/红外激光采集视频数据，并通过无线/有线方式传输，支持TCP/IP、U D P、RT P、O NV IF、GB28181等协议，提升移动摄录的稳定性、有效性和清晰性，保证高清视频画质。记录仪利用本质安全技术达到防爆要求，具有体积小、质量轻等优点，除了作为井下信息记录外，还可以辅助应急指挥部及时展开救援行动。1总体设计方案矿用本安型音视频记录仪整体工作框图如图1。摄像头拾音器1视频监控端PAL一模拟信号1网络传输111编解码A/D1111ONVIF封装1本安型数字信号YUV12S标准RTSP传输压缩编码流媒体转发服务器H.264/WAVjUDP报文头H.265视频音频数据流RTP封装数据流1本地存储1图1音视频记录仪整体工作框图Fig.1Overall working block diagram ofthe audio and video recorder摄像头和拾音器采集到的模拟信号经过编解码得到YUV数字视频信号和I2S标准的数字音频信号，通过处理器压缩编码后获得H.264/H.265视频数据流和WAV音频数据流；压缩后的音视频数据可用于本地存储，或对数据进行RTP封装，然后通过流媒体服务器进行数据流化，将RTSP视频流经过网络传输到视频监控端，以实现客户端的远程调度。综合考虑目前的市场需求与产品的多样性，为了保证视频传输的稳定性，方便用户对大量监控设备进行操作与管理，对数据进行压缩处理时加用开放性标准ONVIF，通过Socket网络编程以实现设备的远程调度；添加WIFI模块，支持GB/T28181视频传输协议的开发；利用5G无线传输技术，将智能感知、高清回传、指挥调度等功能相结合。音视频记录仪需实现以下功能：在低照度、全黑或密闭空间的环境下，能采集、显示高清视频图像；视频分辨率要求最少达到7 2 0 P；支持TCP/IP、UDP、RT P、O NV I F、G B2 8 18 1协议；满足本质安全要求。技术指标：系统丢包率0.10%，时延30 ms，可视距离2 0 m,工作时间9 h。2音视频记录仪硬件音视频记录仪系统原理图如图2。通信接口单元串网USBWiFi接口口低照度视频采集单元摄像头一视频编解码器对讲单元光强检测单元存储显宗单元辅助补光单元5GSOC处理器核心处理单元音频采集单元系统时钟拾音器音频编SRAM扬声器解码器FLASH本安供电单元系统电源本安电源单元本安锂电池组图2 音音视频记录仪系统原理图Fig.2Schematic diagram of audio and videorecorder system硬件平台由核心处理单元和外围模块组成，外围模块包括低照度视频采集单元、音频采集单元、对讲单元、存储显示单元、通信接口单元和本安供电单元。该设备基于5GSOC处理器，内嵌Linux操作系统，工作频率达到2.0 GHz；支持手 H.264、H.2 6 5/204SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54第8 期第54.卷煤矿发全HEVC格式视频编码；采用MCCD图像传感器，并搭配BH1750FVI光强检测芯片、TVP5150视频编解码芯片、ARMMali-G57MC3图形芯片和WM8960音频编解码芯片，完成音视频的采集；利用本安供电单元为各个模块供电；通过存储显示单元实现音视频数据的本地存储与显示，支持9 0 Hz屏幕刷新率，4K/30顿视频录制及播放，或通过通信接口单元，连接上位机，完成数据的传输。2.1低照度视频采集单元低照度视频采集单元由摄像头、光强检测单元、辅助补光单元和视频编解码器组成。摄像头采用MCCD图像传感器，可获取更高质量的图像信息；光强检测单元选用BH1750FVI芯片，用于监测环境光照强度，并将数据通过I2C总线传送至处理器；辅助补光单元采用白光/红外激光补光，处理器根据获取的光强数据控制辅助补光单元功率，自动切换红外补光；视频编解码器选用TVP5150芯片，用于接收摄像头输出的PAL模拟视频信号，并编码成ITU-RBT.656格式的YUV数字视频信号，核心处理器通过ARMMali-G57MC3图形芯片处理图像数据并对其进行基于H.264/H.265标准的硬件压缩编码处理，得到的视频数据可保存至本地，并通过预览通道在显示屏上显示，或者通过TCP/IP、I EEE8 0 2.11a/b/g/n/ac协议传输到上位机。2.2音频采集单元音频采集单元由拾音器、音频编解码器以及扬声器组成。首先采用高灵敏度的电容拾音器获取声音信号；然后经过WM8960音频编解码器的抽样、量化、编码，进行模数转化，WM8960音频编解码器通过I2S/PCM/AC97与处理器相连，并在I2C总线的控制下完成音频数据传输，其数模转换器的信噪比可达9 5dB；扬声器采用了双MIC方案，并通过AW87519芯片提升整体音质。AW87519作为D类功率级电源，集成AGC音频算法，有效消除音乐噪声，改善音乐输出动态范围，并且内置过流保护、过温保护和短路保护功能，有效保护芯片。对讲单元需要处理器通过GPIO端口连接音频采集单元从而可以实现与LTE集群终端、其他记录仪进行单呼、组呼通话。2.3存储显示单元与通信单元存储显示单元用来存储核心处理单元处理过的所有数据，并显示所采集到的图像、视频信息。为了保证用户的使用体验，视频分辨率要求最少达到720P，因此本地存储单元选用SanDisk32Gbyte容量的TF卡，具有体积小、功耗低、耐冷热、抗冲击、防水等特点；显示单元选用2.4 英寸2 4 0 32 0 分辨率的液晶彩色触摸屏，并通过SPI总线调节显示屏的属性。通信单元负责音视频及其他数据的传输，设备采用有线/无线的方式实现通信，包括串口、网口、USB和WIFI。选用DM9000网络控制器，其工作电压为3.3V，通过串口、网口，可以调试和设置系统相关参数，并将系统参数发送给处理器，从而烧录u-boot、内核、根文件系统、驱动和应用程序；通过USB接口可以实现设备数据传输并对设备进行充电处理；通过Wi-Fi模块和以太网模块可以实现数据的传输。该模块遵循IEEE802.11a/b/g/n/ac标准，支持Linux系统，依靠SPI接口实现与其他设备的通信，为了避免严重丢包现象、保证数据传输的稳定性和连续性，数据流将遵循TCP协议传输。2.4本安供电单元为了电气设备能够在煤矿井下安全使用，我国规定应用于煤矿井下的电气设备必须符合GB3836.4一2 0 10 中规定的矿用I类电气设备要求，即本安防爆要求 8 。矿用本安型音视频记录仪内部主要用到5、3.3、1.8 V的工作电压，因此选用较高可靠性的DC-DC电源模块来给设备其他单元供电 9 。本安供电单元由直流输入、防反接和瞬态抑制电路、过流过压保护、Buck变换器和低压差线性稳压器(LDO)组成 10-12 。Buck变换器具有电源转换效率高、体积小、质量轻等优点；LDO具有成本低、噪声低、静态电流小的优点。该单元以MT6359电源芯片为核心，采用TI的TPS6214X系列的开关器件,通过并联2 个AMC7135超低压差稳流器，完成降压和转换电压的功能，输出各模块所需电压和7 0 0 mA的电流，以此来驱动摄像头，音视频编解码芯片和补光源等器件正常工作。为了满足设备本质安全的设计要求，采用双重过压过流保护电路，并利用LTC4346浪涌抑制器，防止电源启动时产生的浪涌、过流、过压、短路等故障，从而保护负载电路。基于LTC4364的双重串联保护电路如图3。电阻Ri、R2 和R3具有输入欠压和过压检测作用，防止输人电压过低或过高；电阻Rg、二极管Ds和电容C构成软启动，防止保护电路出现误动作；电阻R。和R具有电压检测作用，一旦输出电压超过限制电压VREC，L T C4 36 4 就会进人过压保护状态，并拉低输出电压；MOS管Q2具有防反接作用，可以205.Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤码发全No.8Vol.54第8 期第54卷RSNSQRQQVCCHSNSHVOUTCR-C2RC-C2RCX8RRD.D,DD,RRR,R6VCCHGATESOURCEDGATE SENSEOUTVCCHGATESOURCEDGATESENSEOUT6SHDNFBSHDNFBLTC4364LTC4364R2UVENOUTRUVENOUTROVGNDTMRFLTVGNDTMRFLTRRFC,C图3双重串联保护电路Fig.3Double series protection circuit避免输入端反接而使电路受损，实现输入反向保护；电阻Rss具有电流检测作用，当RsNs两端电压大于LTC4346基准电压Vsns时，则会拉低HGATE引脚的电位并切断Q1，从而达到过流保护的作用。3音视频记录仪软件音视频记录仪软件设计包括系统软件和应用软件2 部分，系统软件是以Linux内核为基础，通过移植和修改外设驱动，以及对内核的裁剪实现音视频的无线传输；应用软件是在系统软件的基础上得以实现，主要包括音频采集和视频采集，通过控制音视频硬件设备完成图像、视频、声音等数据的采集，除此之外，在数据存储与传输之前要进行压缩编码处理，从而节省系统存储空间和传输宽带3.1音视频采集音频采集模块基于ALSA音频标准框架，通过调用ALSA声卡体系所提供的API函数实现音频的录制与播放。首先需在内核设备驱动层驱动声卡并封装alsa-driver，然后在应用层调用alsa-lib的API函数，控制底层音频硬件。考虑到煤矿井下通信带宽有限，为确保通信质量，采用FAAC音频编码库实现基于ACC标准的音频数据编码，由于调用ALSA产生的音频数据过大，必须经过压缩再存储、传输。视频采集模块基于VideoForLinuxTwo（V4L2框架，视频采集流程图如图4。选用内存映射的方式来实现用户空间向内核空间的访问，并通过API通用函数接口MMAP、O PEN、IOCTL和CLOSE访问底层视频设备，并管理视频设备属性。由于视频数据信息量过大，为节省存储空开始开始视频数据采集打开视频设备获取视频采集数据查询设备信息处理视频数据查询图像信息否停止采集？建立内存映射是初始化状态结束图4视频采集流程图Fig.4Video captureflow chart间，在视频传输之前要进行基于H.264/H.265的压缩编码处理，YUV数据经过压缩编码写入H.264/H.265文件中，顿分量通过MFC缓存转换为NV12格式并保存，生成的H.264/H.265码流数据通过添加UDP报文头和RTP封装获得RTSP实时视频流，最后依托TCP/IP网络进行基于Socket的网络编码，通过调用connect、m e m s e t、s e n d 函数连接服务器实现数据实时传输。视频播放模块基于Framebuffer驱动框架 13,Linux操作系统将Framebuffer作为1个接口提供给显示设备，显示设备通过调用实现视频播放，提高了程序开发的便捷性和开发效率。3.2ONVIF接口ONVIF协议 14-15 是一种全球性的协议和标准，为了实现实时视频流的远程传输，将遵循ONVIF标准，通过Live555服务器实现RTSP视频流与ONVIF标准的整合，从而封装实时RTSP视频流。ONVIF接口设计流程如图5。206.SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023No.8Vol.54第54卷煤码发全第8 期ONVIF获取gSOAP文件wsd12h对WSDL文档官网WSDL文档解压进行编译ONVIF调用API函数获取服务soapcpp2获取ONVIF接口模块器代码头文件图5ONVIF接口设计流程Fig.5ONVIF interface design process根据ONVIF标准整体方案搭建接口框架，使用gSOAP编译工具开发WebService生成ONVIF接口，依靠Ad-Hoc实现设备发现，通过GetServices、GetProfiles、G e t St r e a m U r l 函数实现设备管理和媒体服务，最后完成数据的压缩、封装和传输3.3GB28181接口GB28181协议 16 结构图如图6。会话通道流媒体通道SDPMANSCMANSRMPEG4/G.711/G.72DPTSPH.264/SVAC3.1/G729SIPETP/ETCPTCP/UDPTCP/UDPIP图6GB28181协议结构图Fig.6GB28181 protocol structure diagram会话通道使用的是SIP协议，流媒体通道使用的是RTP/RTCP协议，GB28181设备是以主动请求的方式连接SIP服务器，在服务器注册成功后即可进人会话通道，然后采用SIP协议IETFRFC3261中规定的REGISTER、INVIT E等请求和响应方法实现注册、点播等应用；采用SIP扩展协议IETFRFC29765规定的INFO方法查看历史音视频数据；采用SIP扩展协议IETFRFC34287规定的MES-SAGE方法实现前端设备信息查询；采用RTP/RTCP协议IETFRFC3550实现媒体传输 17-18 。音视频记录仪通过GB28181协议接人指挥调度平台，需要使用上位机软件配置对接参数，包括2 8 18 1服务器域名、2 8 18 1服务器地址、2 8 18 1服务器端口、2 8 18 1服务器编号、2 8 18 1心跳周期、2 8 18 1心跳超时次数等参数。4系统测试本安型音视频记录仪内嵌Linux操作系统，通过串口与PC机相连并依靠交换机、WIFI、5G 公网接人调度平台，在PC端对音视频记录仪进行远程监控。1)数据丢包率和网络时延测试。通过抓包工具，测试RTP丢包率和网络时延，计算出平均丢包率为0.068%，平均时延为15.8 5ms，达到技术指标要求。数据丢包率和网络时延见表1。表1数据丢包率和网络时延Table1Data packet loss rate and network delay发送数据包接收数据包丢包率/%网络时延平均值/ms1 0001 0000.0015.562.00019990.0516.5330002.9980.0715.794.00039980.0515.73500049930.1415.346 00059940.1016.152)图像清晰度测试。利用照度仪测量环境光照强度，观察不同光照度下的图像信息，当光照强度高于阈值，系统开启白光补光，一旦光照强度低于阈值，系统开启红外激光补光，可得出图片分辨率为106886012。图像参数测试结果见表2。表2图像参数测试结果Table 2Image parameters test水平分辨垂直分辨光照强度/组别分辨率位深度率/dpi率/dpilux10 688x6 0129696241 476210 688x6 012969624311310 688x6 01296962416410 688x6 01296962403视频清晰度测试。在全黑环境的密闭空间下，可得视频分辨率为2 56 0 1440，满足7 2 0 P的要求。视频参数测试结果见表3。表3视频参数测试结果Table 3Video parameters test数据速率/总比特率/顿速率/组别顿宽度顿高度kbpskbpsfps12.5601 44016 32516 45629.9522.5601 44016 0981622529.7932.560144014 2841440130.264)本安电路测试。测试时将二极管短路，未点燃可燃性气体，并测得本安供电单元输出电压为5、3.3、1.8 V，满足本质安全设计要求。5）工作时间测试。音视频记录仪依靠本安电源供电，经测试可实现持续视频摄录9 h或持续视频回传4h。207Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤矿发全第8 期No.8Vol.54第54卷5结语设计了一种矿用本安型音视频记录仪。音视频记录仪采用感光传感器+白光/红外激光补光+本质安全电路方案，并通过无线/有线方式传输，支持TCP/IP、U D P、RT P、O NVIF、G B2 8 18 1等协议。在低照度、全黑或密闭空间的环境下，记录仪能采集、压缩、存储、显示4K高清视频图像，同时将采集的音视频数据进行实时远传，具有低照度环境下成像质量高、拍摄距离远、体积小、质量轻等特点，除了作为井下信息记录外，还可以辅助应急指挥部及时展开救援行动。参考文献(References):1冯宇峰，李惠云，杜龙龙，等.我国煤矿安全生产7 0 年经验成效、形势分析及展望 J.中国煤炭，2 0 2 0,46(5):47-56.FENG Yufeng,LI Huiyun,DU Longlong,et al.70years experience,effect,situation analysis and prospectof coal mine safety production in ChinaJ.China Coal,2020,46(5):47-56.2王国法.煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 J.煤炭科学技术,2 0 2 2,50(1)：1-2 7.WANG Guofa.New technological progress of coal mineintelligence and its problemsJ.Coal Science and Tech-nology,2022,50(1):1-27.3刘媛媛.煤矿安全监控系统技术现状及智能化发展趋势 J.矿业安全与环保，2 0 2 1,48（4）：10 4-10 8.LIU Yuanyuan.Technology status and intelligent devel-opment trend of coal mine safety monitoring system JJ.Mining Safety&Environmental Protection,2021,48(4):104-108.4李文峰，高原.基于ONVIF的本安型手持式信息记录仪 J.煤矿安全，2 0 19,50(1)：9 2-9 5.LI Wenfeng,GAO 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