基于Linux的嵌入式閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)

引言

 閘門系統(tǒng)是水資源調(diào)度中重要的組成部分,國(guó)內(nèi)目前多采用手動(dòng)和部分電動(dòng)的操作方式,真正實(shí)現(xiàn)閘門的智能控制還少有報(bào)道。文中采用的是基于Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式技術(shù),實(shí)現(xiàn)水利工程閘門的集視頻監(jiān)控與水位、閘位、庫(kù)容、流量等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控一體化的本地/ 遠(yuǎn)程自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它面向特定應(yīng)用,有較高的可靠性和較長(zhǎng)的市場(chǎng)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(tái)和組件,如VxWorks ,uC/OS ,Windows CE ,QNX等等,其技術(shù)成熟,功能強(qiáng)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(jià)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(jìn)行定制,并且不必為獲得使用許可而支付額外的費(fèi)用,可大大降低開發(fā)成本。

Linux 是一個(gè)以Unix 核心為基礎(chǔ)的、多任務(wù)多進(jìn)程的嵌入式操作系統(tǒng),支持廣泛的計(jì)算機(jī)硬件。開發(fā)人員可以根據(jù)自己的需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)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(dá)11 種操作平臺(tái)的C ,C ++ ,Object C 編譯器GCC ,功能強(qiáng)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(shí)時(shí)市場(chǎng),包括RTLinux(實(shí)時(shí)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(duì)目前閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)操作的實(shí)時(shí)性要求并不高的特點(diǎn),我們?cè)诒敬螒?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(chǔ)空間有限,因而要將Linux 用于嵌入式系統(tǒng)就必須對(duì)其定制,即要對(duì)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)。

(1) 修改lilo. conf 文件,系統(tǒng)直接從電子盤啟動(dòng)。

(2) 創(chuàng)建一個(gè)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(yùn)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(gè)目錄下必要的文件,特別是應(yīng)用程序所需要的庫(kù)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(dòng)及開機(jī)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(dòng)過程較長(zhǎng),從系統(tǒng)加電直至系統(tǒng)控制臺(tái)顯示“login :”為止,需要三十多秒的時(shí)間。通過測(cè)試,內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)有大量的時(shí)間耗費(fèi)在硬件初始化上。例如Linux 一共要探測(cè)20 個(gè)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(cè)IDE 接口的時(shí)間來縮短系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間。真正加快啟動(dòng)時(shí)間,則是通過改寫rc. sysinit ,rc 等啟動(dòng)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(dá)到目的。

快速啟動(dòng)時(shí)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(duì)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(jī)

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(jī),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(dòng)時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間來檢查文件系統(tǒng),有時(shí)甚至產(chǎn)生致命錯(cuò)誤(fatal error) ,強(qiáng)迫用戶手工使用命令fsck 檢查文件系統(tǒng)。

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而使用通用日志型文件ext3 系統(tǒng),會(huì)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(dòng)時(shí)不會(huì)要求檢查文件系統(tǒng),并且運(yùn)行速度和穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)良好。升級(jí)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(jìn)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(shí)也達(dá)到了減少系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)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(chǎng)閘門啟閉機(jī)、前端視頻監(jiān)控點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)水位、閘位監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)功能為:

(1) 閘門的升、降、停等運(yùn)行的智能控制,以及報(bào)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(duì)水情、閘門的狀態(tài)及運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視;

(3) 實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),自動(dòng)測(cè)報(bào)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(jì),生成相應(yīng)過程線及報(bào)表。

　硬件實(shí)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(zhǎng)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(shí)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(jìn)程管理,進(jìn)程間通信等,以及其他可配置的硬件驅(qū)動(dòng),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(duì)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(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,今后還可使用專門針對(duì)Flash 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的日志文件系統(tǒng)JFFS 或JFFS2。由于JFFS2 采用新的存儲(chǔ)方式,支持損耗平衡,具有斷電保護(hù)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(chǔ)設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)。