基于Linux的嵌入式闸门智能监控系统

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。[page]

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64M FlashDisk。

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。

总结与展望

嵌入式Linux 应用于闸门智能监控系统,对于降低成本,提高可靠性、稳定性,有着积极的意义。

在本系统中,采用的是ext3 文件系统,为了进一步提高系统的可靠性,今后还可使用专门针对Flash 存储器设计的日志文件系统JFFS 或JFFS2。由于JFFS2 采用新的存储方式,支持损耗平衡,具有断电保护功能,使文件崩溃后能够迅速恢复。因此JFFS2 文件系统更适合于以flash 作为存储设备的嵌入式系统。