Linux2.4.22 內(nèi)核基礎(chǔ)上的嵌入式閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

引言

閘門系統(tǒng)是水資源調(diào)度中重要的組成部分，國內(nèi)目前多采用手動和部分電動的操作方式，真正實現(xiàn)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(tǒng)的嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)水利工程閘門的集視頻監(jiān)控與水位、閘位、庫容、流量等參數(shù)實時監(jiān)控一體化的本地/ 遠程自動監(jiān)控。

Linux 與嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)實際應(yīng)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(tǒng)。它面向特定應(yīng)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(tǒng)的功能越來越復(fù)雜，硬件條件越來越好，選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)成為系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題。

目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法主要有兩種：一是依賴現(xiàn)有商業(yè)軟件提供的開發(fā)平臺和組件，如VxWorks ，uC/OS ，Windows CE ，QNX等等，其技術(shù)成熟，功能強大，提供大量可用函數(shù)調(diào)用接口，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，但是價格不菲;二是基于自由軟件Linux 做開發(fā)，根據(jù)自己系統(tǒng)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(fā)成本。

Linux 是一個以Unix 核心為基礎(chǔ)的、多任務(wù)多進程的嵌入式操作系統(tǒng)，支持廣泛的計算機硬件。開發(fā)人員可以根據(jù)自己的需要對操作系統(tǒng)進行自行修改和定制，它有大量的開放的應(yīng)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(zhí)行效率高出一般編譯器20 %～30 %。在基于Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)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(nèi)存管理單元處理器的Linux) 、Montavista Linux(用于ARM、MIPS、PPC 的Linux 分發(fā)版) 、ARM2Linux(ARM 上的Linux) 等等。針對目前閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)對操作的實時性要求并不高的特點，我們在本次應(yīng)用中選用Linux2.4.22 內(nèi)核基礎(chǔ)上的Red Hat 9. 0 作為開發(fā)環(huán)境。

Linux 定制

內(nèi)核配置

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

(1) 清除設(shè)置環(huán)境　　　　　make mrproper

(2) 設(shè)置配置make config

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

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

制作系統(tǒng)電子盤

在標準Linux 環(huán)境下，將電子盤Mount 到/ RamDisk 上，在電子盤上制作引導(dǎo)和啟動。

(1) 修改lilo. conf 文件，系統(tǒng)直接從電子盤啟動。

(2) 創(chuàng)建一個內(nèi)核文件系統(tǒng)ext2 ：mke2f s - i 8192 - m 0/ dev/ ram 50 ，并在/ RamDisk 目錄下，建立運行系統(tǒng)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(yīng)用程序所需要的庫文件。

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

快速啟動及開機畫面

由于該系統(tǒng)是基于Rad Hat 910 基礎(chǔ)之上開發(fā)的，因此啟動過程較長，從系統(tǒng)加電直至系統(tǒng)控制臺顯示“login ：”為止，需要三十多秒的時間。通過測試，內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)只做必要的硬件模塊的初始化工作及服務(wù)來達到目的。

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(shù)據(jù)替換Linuxlogo.h 中原有的數(shù)據(jù)，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(yīng)的函數(shù)。

非正常關(guān)機

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

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

閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)由中心控制室控制柜、現(xiàn)場閘門啟閉機、前端視頻監(jiān)控點、現(xiàn)場水位、閘位監(jiān)測點以及相關(guān)輔助設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。監(jiān)控系統(tǒng)以基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)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(shù)字MPEG24 壓縮流媒體視頻，通過視頻圖像對水情、閘門的狀態(tài)及運行情況進行遠程監(jiān)視;

(3) 實時水情數(shù)據(jù)監(jiān)測，自動測報水位流量和水量，為防洪和水量調(diào)度提供依據(jù);

(4) 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，生成相應(yīng)過程線及報表。

硬件實現(xiàn)

中心控制室的控制柜要求有視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)曲線顯示功能，采用CRT 監(jiān)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(nèi)存為256MB ，以太網(wǎng)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。

軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件有兩部分，即嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序(結(jié)構(gòu)如圖2) 。基本的嵌入式操作系統(tǒng)包括：

(1) 引導(dǎo)程序bootloader (初始化處理器，初始化必需的設(shè)備，下載系統(tǒng)映像，初始化操作系統(tǒng)) ;

(2) 嵌入式Linux 內(nèi)核(包括內(nèi)存管理、進程管理，進程間通信等，以及其他可配置的硬件驅(qū)動，TCP/ IP 網(wǎng)絡(luò)堆棧) ;

(3) 根文件系統(tǒng)。

總結(jié)與展望

嵌入式Linux 應(yīng)用于閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)，對于降低成本，提高可靠性、穩(wěn)定性，有著積極的意義。

在本系統(tǒng)中，采用的是ext3 文件系統(tǒng)，為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，今后還可使用專門針對Flash 存儲器設(shè)計的日志文件系統(tǒng)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(fù)。因此JFFS2 文件系統(tǒng)更適合于以flash 作為存儲設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)。