引言
閘門系統(tǒng)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(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,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(tǒng)。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(tǒng)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(tǒng)成為系統(tǒng)開發(fā)的關鍵問題。
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,其技術成熟,功能強大,提供大量可用函數(shù)調用接口,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 核心為基礎的、多任務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,我們在本次應用中選用Linux2.4.22 內核基礎上的Red Hat 9. 0 作為開發(fā)環(huán)境。
Linux 定制
內核配置
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(huán)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
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(tǒng)文件: # dd if = /tmp/ ram-image. gz of = / dev/ fd0 bs = 1k seek = 內核數(shù)據(jù)塊數(shù)。其中ram-image. gzJ 是壓縮后的根系統(tǒng)文件,內核數(shù)據(jù)塊數(shù)就是內核的大小。
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 ,并修改相應的函數(shù)。
非正常關機
在系統(tǒng)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(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)結構與功能
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)測點以及相關輔助設備構成,系統(tǒng)結構如圖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,為防洪和水量調度提供依據(jù);
(4) 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計,生成相應過程線及報表。
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)和應用程序(結構如圖2) 。基本的嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)映像,初始化操作系統(tǒng)) ;
(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(wǎng)絡堆棧) ;
(3) 根文件系統(tǒng)。
總結與展望
嵌入式Linux 應用于閘門智能監(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。因此JFFS2 文件系統(tǒng)更適合于以flash 作為存儲設備的嵌入式系統(tǒng)。