基于嵌入式Web服务器的网络视频监控系统在矿井中的应用

一、前言
目前，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。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，不仅能直观的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苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。因此远程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。
当前一些煤矿使用的视频监控系统都是早期的模拟监控，性能和稳定性不高。现在随着网络技术和计算机技术的发展，基于TCP/IP协议的IP网的应用得到广泛普及。高速宽带主干网的建成和各地区高速接入系统的迅速发展，促进了基于IP技术的各种视频通信应用,如网络远程视频监控系统的发展。所以在煤矿安全监控系统中引入现代网络远程视频监控系统将是一种趋势。
二、图像监控系统的发展
图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。在电子技术与通信技术的发展过程中，图像监控系统的技术水平直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况，而计算机及网络技术的发展将图像监控技术提到了一个新的高度。
过去因为网络带宽不够而限制了网络上的多媒体应用。随着光纤网的迅速普及，网上多媒体应用（如视频会议，数字监控等）正为传统的计算机应用注入新的技术和内容。网络多媒体技术的发展也导致了基于IP技术的网络远程现场视频浏览应运而生。从模拟监控到数字监控，实现了监控技术的一次飞跃，目前最先进的技术就是通过专用视频服务器（瘦服务器）把模拟图像信号转化为数字图像信号后上网，同时通过管理程序对多个视频流进行统一管理，获得授权的用户便可以通过网络看到任何一个监控现场的实时图像，并且可以控制监视器的视角和焦距。按图像监控的方式，可以将图像监控系统分为三类。
1、本地模拟信号的图像监视
从摄像机、电视机出现的那天起，原始的图像监视系统就已诞生。它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。本地图像监控系统一般采用模拟方式传输，采用视频电缆(少数采用光纤)，传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查看。
2、基于PC多媒体卡的视频监视
基于PC机的远程图像监控系统由PC机插视频卡构成，在监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到监控终端机上，该终端可以是一台PC机，也可以是专用的工业机箱。除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系统利用视频压缩卡和通信接口卡，通过网络将信息传到一个或多个监控中心。基于PC的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作。但稳定性不好，视频前端(如CCD等视频信号的采集、压缩、通讯)较为复杂，可靠性不高；PC机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。
3、基于视频服务器—Web的数字监视
基于Web的数字监控系统不需处理模拟视频信号的PC，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过视频服务器(Thin Server)直接转换成IP数字信号。这种嵌入式微系统专用服务器具备视频处理、网络通信、自动控制等强大功能。采用Browser/Server结构使得监控浏览范围达到前所未有的广度，这意味着可以上网的计算机就可以看到任意监控点的实时情况。而Web服务器可完成对监控系统的管理任务如存储、检索、回放、访问权限、管理权限等。
三、网络数字监控系统的优势
目前，基于嵌入式Web服务器的网络视频监控系统产品有瑞典AXIX公司提供的AXIS2100、AXIS2400系列，美国WINNOV公司的Videum系列产品等。这些基于Web服务器的网络视频监控产品简单易用，稳定性高。由于把视频压缩和Web功能集合到一个体积很小的设备内，可以直接连到以太网，达到即插即用的目的，省掉了各种电缆，安装方便，在配置了IP地址后，用户就可利用浏览器来观看。基于Web服务器的网络数字视频监控系统克服了传统闭路电视监控系统的局限性，显示出非常明显的优势。
1、节省费用
基于PC的视频解决方案通常比较复杂，涉及到PC、应用软件、MCU等，有的还有视频电缆系统。而专用服务器使视频信号立即进入网络，省去了中间一些不必要的环节。
2、即插即看
视频服务器采用标准的嵌入式操作系统、应用软件及专用芯片，具备远程监控系统必备的所有功能。它可以预先设置对图像进行处理的水平／垂仰／变倍等功能，还可以自动发送一个由时间或事件触发的电子邮件或控制信号。使用时只需要接入以太网，分配一个地址。监视终端上的浏览软件可以是Microsoft Internet Explorer或其它。基于Web的管理工具包括用户使用向导，可指导用户快速按照需要进行应用设计。系统能够从预设置中选择多项功能：选择十六、八、四、二或单画面模式，跟踪监视，报警前/后的图像存储，和镜头水平/垂仰/变倍控制等，这些仅是众多内置特性的一部分。
3、 性能
专用系统的先进性在于其强大的视频处理专用芯片和采用了独特、高性能的RISC芯片，能够在10/100M网络上以实时速度传送高质量的动态图象，并支持多用户同时访问此视频服务器。当触发报警时，它可以自动存储报警前后一定时间段内的活动图像并发出电子邮件。
4、 适应性好
基于全球业界标准，数字系统可以与各种类型的以太网设备无缝连接。由于系统是作为一个开放的Web服务器设计的，它同Internet一样很容易被集成到群组应用程序中。用户可以在混合的网络环境中使用它，比如Windows，Mac，UNIX，和OS/2，所需要的只是在相应的客户机上有一个标准的Web浏览器和TCP/IP软件。
5、其它设备的灵活接入
　　数字系统可以方便地接入其它安全防范设备，如温度、湿度、烟感、入侵等报警器；同时可以连动灯光、警号、锁具等动作设备，这使得它可以方便地组成一套功能强大的安全防范系统。
四、网络视频监控系统在矿井生产监控中的应用
井下作业面地形复杂、环境恶劣、各种生产设备类型繁杂，数目巨大，电气干扰强，和地面的联络困难。为了提高矿井生产的安全性，减少灾难性事故的发生，必须要建立一套矿井安全监测系统，加强对井下工作面的实时监控。在对徐州矿务局张双楼煤矿的视频监控系统改造工程中，我们考虑到基于嵌入式Web服务器的网络视频监控系统的优点和现场的实际需要，采用了AXIS公司的AXIS2100和AXIS2400视频服务器产品，取得了较好的效果。
1、张双楼煤矿的实际情况和应用需求
徐州矿务局张双楼煤矿原有一套闭路电视监控系统，采用的是模拟视频信号，具有很大的局限性：首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感，当传输距离大于1000米时，信号容易产生衰耗、 畸变、群延时，并且易受干扰，使图像质量下降，当用于井下复杂的工作现场时，效果不好；其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且使得布线工程量极大，不便于系统的维护和升级；最后，有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质(如录像带)，查询取证时十分烦琐。
而数字化视频监控的优点正好克服了模拟闭路电视监控的局限性：首先，数字化视频可以在计算机网络(局域网或广域网)上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性；其次，数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线；另外，数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。
在外部环境上，徐州矿务局在全局各矿都构建了一个以光纤为传输媒介的千兆以太局域网，可以实现语音和视频的快速传输，这为基于嵌入式Web服务器的网络视频监控的应用提供了良好的条件。
此外，张双楼煤矿还提出希望能将视频监控的图像在本矿的局域网上传输，这样矿领导、调度室、安检科等在办公室里就可随时通过电脑了解现场的工作和设备运行情况。
2、AXIS系列视频产品简介
AXIS的视频服务器包含一个内置的WEB服务器，它可以增强传统监视系统的性能，并为在一个安全的内部网甚至互联网上发布监控图像提供了网络连通性。视频摄像机的管理、配置和监控——所有的这些都只须在你的指尖通过诸如Netscape或Microsoft IE的标准WEB浏览器来完成。AXIS是一种既容易安装又容易使用的产品，它相对低廉的投资花费使得它在加强监控系统中成为一个全能的角色。目前有如下型号的产品：
AXIS 2400 视频服务器—直接连到以太网或快速以太网上，AXIS2400视频服务器支持多达四路PAL/NTPC视频摄像机并且可对这两种视频系统进行编程。
AXIS 2401 视频服务器—直接连到以太网或快速以太网上，AXIS2401视频服务器提供一路视频输入和一路环型视频输出连接器。AXIS 2401可以在PAL或 NTSC视频系统上使用。
这两种产品都包括一个基于Web的用户界面，它提供的一些友好的向导不仅简化了安装过程，而且自动和无缝集成到您的网络系统和客户应用中。更进一步，它的开放式系统结构最小化了昂贵的同轴电缆需求并优化了网络图像广播。
AXIS 2400/2401视频服务器对现代交互式监控和远程监视系统来说是一种灵活和有效的解决方案，具有安装简单，易于使用，低成本，管理简单，提供标准的图像格式（JPEG）,快速图像更新，易于连接外部设备和控制云台以及一定的安全控制能力等特点。



图-1 远程视频监控方案结构图
3、实现方案
整个远程视频监控系统结构见图-1。井下摄像机的视频输出通过BNC连接到Axis 2400/2401视频输入插座，然后通过RJ45接头将Axis 2400/2401连接到网络，再为Axis 2400/2401设置一个IP地址，就可以依托已有的快速局域网，<