引言

?閘門系統是水資源調度中重要的組成部分,國內目前多采用手動和部分電動的操作方式,真正實現閘門的智能控制還少有報道。文中采用的是基于Linux 操作系統的嵌入式技術,實現水利工程閘門的集視頻監控與水位、閘位、庫容、流量等參數實時監控一體化的本地/ 遠程自動監控。

?Linux 與嵌入式系統

?嵌入式系統是一種以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適應實際應用對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求嚴格的專用計算機系統。它面向特定應用,有較高的可靠性和較長的市場生命周期。由于嵌入式系統的功能越來越復雜,硬件條件越來越好,選擇合適的嵌入式操作系統成為系統開發的關鍵問題。

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目前嵌入式系統的開發方法主要有兩種:一是依賴現有商業軟件提供的開發平臺和組件,如VxWorks ,uC/OS ,Windows CE ,QNX等等,其技術成熟,功能強大,提供大量可用函數調用接口,大大縮短了產品的開發周期,但是價格不菲;二是基于自由軟件Linux 做開發,根據自己系統的需求進行定制,并且不必為獲得使用許可而支付額外的費用,可大大降低開發成本。

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Linux 是一個以Unix 核心為基礎的、多任務多進程的嵌入式操作系統,支持廣泛的計算機硬件。開發人員可以根據自己的需要對操作系統進行自行修改和定制,它有大量的開放的應用代碼可以使用,并且Linux 有可支持多達11 種操作平臺的C ,C ++ ,Object C 編譯器GCC ,功能強大,執行效率高出一般編譯器20 %～30 %。在基于Linux 的嵌入式操作系統中,有許多改良品種迎合了嵌入式/ 實時市場,包括RTLinux(實時Linux) 、μcLinux(用于非MMU 內存管理單元處理器的Linux) 、Montavista Linux(用于ARM、MIPS、PPC 的Linux 分發版) 、ARM2Linux(ARM 上的Linux) 等等。針對目前閘門智能監控系統對操作的實時性要求并不高的特點,我們在本次應用中選用Linux2.4.22 內核基礎上的Red Hat 9. 0 作為開發環境。

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Linux 定制

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　內核配置

由于嵌入式系統的存儲空間有限,因而要將Linux 用于嵌入式系統就必須對其定制,即要對內核中不必要的模塊諸如SCSI、Floppy 之類的外設支持模塊等進行裁減。

(1) 清除設置環境　　　　　make mrproper

(2) 設置配置make config

(3) 編譯內核及模塊make dep ;make clean ;make bzImage ;make modules

編譯出的內核文件為/ usr/ src/ linux/ arch/ i386/ boot/ bzImage及/ usr/ src/ linux/ System. map

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　制作系統電子盤

在標準Linux 環境下,將電子盤Mount 到/ RamDisk 上,在電子盤上制作引導和啟動。

(1) 修改lilo. conf 文件,系統直接從電子盤啟動。

(2) 創建一個內核文件系統ext2 :mke2f s - i 8192 - m 0/ dev/ ram 50 ,并在/ RamDisk 目錄下,建立運行系統所必需的目錄文件:bin dev etc lib mnt proc sbin tmp usr var ,以及各個目錄下必要的文件,特別是應用程序所需要的庫文件。

(3) 將內核文件放入RamDisk : # dd if = bzImage of = / dev/ ram bs = 1k. 并加載根系統文件: # dd if = /tmp/ ram-image. gz of = / dev/ fd0 bs = 1k seek = 內核數據塊數。其中ram-image. gzJ 是壓縮后的根系統文件,內核數據塊數就是內核的大小。

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快速啟動及開機畫面

由于該系統是基于Rad Hat 910 基礎之上開發的,因此啟動過程較長,從系統加電直至系統控制臺顯示“login :”為止,需要三十多秒的時間。通過測試,內核啟動時有大量的時間耗費在硬件初始化上。例如Linux 一共要探測20 個IDE 接口(包括主、從盤) ,通過修改Linux 源代碼中MAX-HWIFS 的定義值,由10 改為1 ,以減少Linux探測IDE 接口的時間來縮短系統啟動的時間。真正加快啟動時間,則是通過改寫rc. sysinit ,rc 等啟動腳本,讓系統只做必要的硬件模塊的初始化工作及服務來達到目的。

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快速啟動時只需顯示用戶定義的界面,可將256 色640X480 象素的1pcx 或1tif 格式的圖片數據替換Linuxlogo.h 中原有的數據,并對driver/ video/ fbcon. c 源代碼做少量修改,將宏定義LOGO- H 80 改為640 ,LOGO- W 80改為480 ,并修改相應的函數。

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非正常關機

在系統使用過程中,為了方便用戶使用,應該支持非正常關機,即在直接切斷電源的情況下避免可能引發的問題。通常采用ext2 文件系統是非日志型文件系統,系統在重新啟動時會耗費大量的時間來檢查文件系統,有時甚至產生致命錯誤(fatal error) ,強迫用戶手工使用命令fsck 檢查文件系統。

而使用通用日志型文件ext3 系統,會通過日志記錄來保證數據恢復的可靠性,系統在重新啟動時不會要求檢查文件系統,并且運行速度和穩定性等方面表現良好。升級原有的ext2 文件系統到ext3 : tune2fs - j / dev/hda6 ,并在/ etc/ fstab 文件中將該分區的文件系統類型從ext2 更改為ext3 。由于使用了ext3 日志文件系統之后,不需要再經常進行文件系統的檢查(fsck) ,因此有必要使用tune2fs - i 0 - c 0 / dev/ hda6 命令關閉文件系統檢查,同時也達到了減少系統啟動時間的目的。

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閘門智能監控系統組成

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系統結構與功能

閘門智能監控系統由中心控制室控制柜、現場閘門啟閉機、前端視頻監控點、現場水位、閘位監測點以及相關輔助設備構成,系統結構如圖1 所示。監控系統以基于Linux 的嵌入式系統為核心,實現功能為:

(1) 閘門的升、降、停等運行的智能控制,以及報警、緊急泄洪智能控制;

(2) 8 路數字MPEG24 壓縮流媒體視頻,通過視頻圖像對水情、閘門的狀態及運行情況進行遠程監視;

(3) 實時水情數據監測,自動測報水位流量和水量,為防洪和水量調度提供依據;

(4) 歷史數據統計,生成相應過程線及報表。

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　硬件實現

中心控制室的控制柜要求有視頻監控和數據曲線顯示功能,采用CRT 監視器,配合無源底板,半長CPU 板采用PCI6870 ,CPU 使用Intel 公司的PIII Celeron 1.2GHzMHz ,內存為256MB ,以太網接口為10MHz 的RTL-8139A ,四路視頻采集卡為飛圖DVS4816AVC。CPU 板通過PC104 總線與采樣模塊和輸出模塊相連,電子盤采用64MFlashDisk。

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　軟件實現

系統的軟件有兩部分,即嵌入式操作系統和應用程序(結構如圖2) 。基本的嵌入式操作系統包括:

(1) 引導程序bootloader (初始化處理器,初始化必需的設備,下載系統映像,初始化操作系統) ;

(2) 嵌入式Linux 內核(包括內存管理、進程管理,進程間通信等,以及其他可配置的硬件驅動,TCP/ IP 網絡堆棧) ;

(3) 根文件系統。

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總結與展望

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嵌入式Linux 應用于閘門智能監控系統,對于降低成本,提高可靠性、穩定性,有著積極的意義。

在本系統中,采用的是ext3 文件系統,為了進一步提高系統的可靠性,今后還可使用專門針對Flash 存儲器設計的日志文件系統JFFS 或JFFS2。由于JFFS2 采用新的存儲方式,支持損耗平衡,具有斷電保護功能,使文件崩潰后能夠迅速恢復。因此JFFS2 文件系統更適合于以flash 作為存儲設備的嵌入式系統。