引言

閘門系統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 操作系統的嵌入式技術，實現水利工程閘門的集視頻監控與水位、閘位、庫容、流量等參數實時監控一體化的本地/ 遠程自動監控。

Linux 與嵌入式系統

嵌入式系統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。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成為系統開發的關鍵問題。

目前嵌入式系統的開發方法主要有兩種：一是依賴現有商業軟件提供的開發平臺和組件，如VxWorks ，uC/OS ，Windows CE ，QNX等等，其技術成熟，功能強大，提供大量可用函數調用接口，大大縮短了產品的開發周期，但是價格不菲;二是基于自由軟件Linux 做開發，根據自己系統的需求進行定制，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，支持廣泛的計算機硬件。開發人員可以根據自己的需要對操作系統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，執行效率高出一般編譯器20 %～30 %。在基于Linux 的嵌入式操作系統中，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 分發版） 、ARM2Linux（ARM 上的Linux） 等等。針對目前閘門智能監控系統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 作為開發環境。

Linux 定制

內核配置

由于嵌入式系統的存儲空間有限，因而要將Linux 用于嵌入式系統就必須對其定制，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

制作系統電子盤

在標準Linux 環境下，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，系統直接從電子盤啟動。

（2） 創建一個內核文件系統ext2 ：mke2f s - i 8192 - m 0/ dev/ ram 50 ，并在/ RamDisk 目錄下，建立運行系統所必需的目錄文件：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. 并加載根系統文件： # dd if = /tmp/ ram-image. gz of = / dev/ fd0 bs = 1k seek = 內核數據塊數。其中ram-image. gzJ 是壓縮后的根系統文件，內核數據塊數就是內核的大小。

快速啟動及開機畫面

由于該系統是基于Rad Hat 910 基礎之上開發的，因此啟動過程較長，從系統加電直至系統控制臺顯示“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 格式的圖片數據替換Linuxlogo.h 中原有的數據，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。

非正常關機

在系統使用過程中，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的問題。通常采用ext2 文件系統是非日志型文件系統，系統在重新啟動時會耗費大量的時間來檢查文件系統，有時甚至產生致命錯誤（fatal error） ，強迫用戶手工使用命令fsck 檢查文件系統。

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

閘門智能監控系統組成

系統結構與功能

閘門智能監控系統由中心控制室控制柜、現場閘門啟閉機、前端視頻監控點、現場水位、閘位監測點以及相關輔助設備構成，系統結構如圖1 所示。監控系統以基于Linux 的嵌入式系統為核心，實現功能為：

（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 路數字MPEG24 壓縮流媒體視頻，通過視頻圖像對水情、閘門的狀態及運行情況進行遠程監視;

（3） 實時水情數據監測，自動測報水位流量和水量，為防洪和水量調度提供依據;

（4） 歷史數據統計，生成相應過程線及報表。

硬件實現

中心控制室的控制柜要求有視頻監控和數據曲線顯示功能，采用CRT 監視器，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

系統的軟件有兩部分，即嵌入式操作系統和應用程序（結構如圖2） 。基本的嵌入式操作系統包括：

（1） 引導程序bootloader （初始化處理器，初始化必需的設備，下載系統映像，初始化操作系統） ;

（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 網絡堆棧） ;

（3） 根文件系統。

總結與展望

嵌入式Linux 應用于閘門智能監控系統，對于降低成本，提高可靠性、穩定性，有著積極的意義。

在本系統中，采用的是ext3 文件系統，為了進一步提高系統的可靠性，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 文件系統更適合于以flash 作為存儲設備的嵌入式系統。