Linux嵌入式闸门智能监控系统设计

　引言
　　闸门系统是水资源调度中重要的组成部分，国内目前多采用手动和部分电动的操作方式，真正实现闸门的智能控制还少有报道。文中采用的是基于Linux 操作系统的嵌入式技术，实现水利工程闸门的集视频监控与水位、闸位、库容、流量等参数实时监控一体化的本地/ 远程自动监控。
　　Linux 与嵌入式系统
　　嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应实际应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的专用计算机系统。它面向特定应用，有较高的可靠性和较长的市场生命周期。由于嵌入式系统的功能越来越复杂，硬件条件越来越好，选择合适的嵌入式操作系统成为系统开发的关键问题。
　　目前嵌入式系统的开发方法主要有两种：一是依赖现有商业软件提供的开发平台和组件，如VxWorks ，uC/OS ，Windows CE ，QNX等等，其技术成熟，功能强大，提供大量可用函数调用接口，大大缩短了产品的开发周期，但是价格不菲;二是基于自由软件Linux 做开发，根据自己系统的需求进行定制，并且不必为获得使用许可而支付额外的费用，可大大降低开发成本。
　　Linux 是一个以Unix 核心为基础的、多任务多进程的嵌入式操作系统，支持广泛的计算机硬件。开发人员可以根据自己的需要对操作系统进行自行修改和定制，它有大量的开放的应用代码可以使用，并且Linux 有可支持多达11 种操作平台的C ，C ++ ，Object C 编译器GCC ，功能强大，执行效率高出一般编译器20 %～30 %。在基于Linux 的嵌入式操作系统中，有许多改良品种迎合了嵌入式/ 实时市场，包括RTLinux（实时Linux） 、μcLinux（用于非MMU 内存管理单元处理器的Linux） 、Montavista Linux（用于ARM、MIPS、PPC 的Linux 分发版） 、ARM2Linux（ARM 上的Linux） 等等。针对目前闸门智能监控系统对操作的实时性要求并不高的特点，我们在本次应用中选用Linux2.4.22 内核基础上的Red Hat 9. 0 作为开发环境。
　　Linux 定制
　　内核配置
　　由于嵌入式系统的存储空间有限，因而要将Linux 用于嵌入式系统就必须对其定制，即要对内核中不必要的模块诸如SCSI、Floppy 之类的外设支持模块等进行裁减。
　　（1） 清除设置环境　　　　　make mrproper
　　（2） 设置配置make config
　　（3） 编译内核及模块make dep ;make clean ;make bzImage ;make modules
　　编译出的内核文件为/ usr/ src/ linux/ arch/ i386/ boot/ bzImage及/ usr/ src/ linux/ System. map
　　制作系统电子盘
　　在标准Linux 环境下，将电子盘Mount 到/ RamDisk 上，在电子盘上制作引导和启动。
　　（1） 修改lilo. conf 文件，系统直接从电子盘启动。
　　（2） 创建一个内核文件系统ext2 ：mke2f s - i 8192 - m 0/ dev/ ram 50 ，并在/ RamDisk 目录下，建立运行系统所必需的目录文件：bin dev etc lib mnt proc sbin tmp usr var ，以及各个目录下必要的文件，特别是应用程序所需要的库文件。
　　（3） 将内核文件放入RamDisk ： # dd if = bzImage of = / dev/ ram bs = 1k. 并加载根系统文件： # dd if = /tmp/ ram-image. gz of = / dev/ fd0 bs = 1k seek = 内核数据块数。其中ram-image. gzJ 是压缩后的根系统文件，内核数据块数就是内核的大小。
　　快速启动及开机画面
　　由于该系统是基于Rad Hat 910 基础之上开发的，因此启动过程较长，从系统加电直至系统控制台显示“login ：”为止，需要三十多秒的时间。通过测试，内核启动时有大量的时间耗费在硬件初始化上。例如Linux 一共要探测20 个IDE 接口（包括主、从盘） ，通过修改Linux 源代码中MAX-HWIFS 的定义值，由10 改为1 ，以减少Linux探测IDE 接口的时间来缩短系统启动的时间。真正加快启动时间，则是通过改写rc. sysinit ，rc 等启动脚本，让系统只做必要的硬件模块的初始化工作及服务来达到目的。
　　快速启动时只需显示用户定义的界面，可将256 色640X480 象素的1pcx 或1tif 格式的图片数据替换Linuxlogo.h 中原有的数据，并对driver/ video/ fbcon. c 源代码做少量修改，将宏定义LOGO- H 80 改为640 ，LOGO- W 80改为480 ，并修改相应的函数。
　　非正常关机
　　在系统使用过程中，为了方便用户使用，应该支持非正常关机，即在直接切断电源的情况下避免可能引发的问题。通常采用ext2 文件系统是非日志型文件系统，系统在重新启动时会耗费大量的时间来检查文件系统，有时甚至产生致命错误（fatal error） ，强迫用户手工使用命令fsck 检查文件系统。
　　而使用通用日志型文件ext3 系统，会通过日志记录来保证数据恢复的可靠性，系统在重新启动时不会要求检查文件系统，并且运行速度和稳定性等方面表现良好。升级原有的ext2 文件系统到ext3 ： tune2fs - j / dev/hda6 ，并在/ etc/ fstab 文件中将该分区的文件系统类型从ext2 更改为ext3 。由于使用了ext3 日志文件系统之后，不需要再经常进行文件系统的检查（fsck） ，因此有必要使用tune2fs - i 0 - c 0 / dev/ hda6 命令关闭文件系统检查，同时也达到了减少系统启动时间的目的。
　　
　　闸门智能监控系统组成
　　系统结构与功能
　　闸门智能监控系统由中心控制室控制柜、现场闸门启闭机、前端视频监控点、现场水位、闸位监测点以及相关辅助设备构成，系统结构如图1 所示。监控系统以基于Linux 的嵌入式系统为核心，实现功能为：
　　（1） 闸门的升、降、停等运行的智能控制，以及报警、紧急泄洪智能控制;
　　（2） 8 路数字MPEG24 压缩流媒体视频，通过视频图像对水情、闸门的状态及运行情况进行远程监视;
　　（3） 实时水情数据监测，自动测报水位流量和水量，为防洪和水量调度提供依据;
　　（4） 历史数据统计，生成相应过程线及报表。
　　硬件实现
　　中心控制室的控制柜要求有视频监控和数据曲线显示功能，采用CRT 监视器，配合无源底板，半长CPU 板采用PCI6870 ，CPU 使用Intel 公司的PIII Celeron 1.2GHzMHz ，内存为256MB ，以太网接口为10MHz 的RTL-8139A ，四路视频采集卡为飞图DVS4816AVC。CPU 板通过PC104 总线与采样模块和输出模块相连，电子盘采用64MFlashDisk。
　　软件实现
　　系统的软件有两部分，即嵌入式操作系统和应用程序（结构如图2） 。基本的嵌入式操作系统包括：
　　（1） 引导程序bootloader （初始化处理器，初始化必需的设备，下载系统映像，初始化操作系统） ;
　　（2） 嵌入式Linux 内核（包括内存管理、进程管理，进程间通信等，以及其他可配置的硬件驱动，TCP/ IP 网络堆栈） ;
　　（3） 根文件系统。