嵌入式系統在閘門(mén)控制中的應用

0 　引言
目前,國內大多數閘門(mén)控制系統采用的是強電接觸器的硬接線(xiàn)方式 ,而且多為20世紀七八十年代的產(chǎn)品,已嚴重老化,達不到運行可靠性要求,存在著(zhù)嚴重的安全隱患。同時(shí),閘室多依河道而建 ,閘門(mén)間距少則近百米 ,多則上千米 ,因無(wú)法實(shí)現集中控制而使得閘門(mén)反應速度慢 ,無(wú)法應對諸如突發(fā)性大水等特殊情況。目前,閘室調水主要由工作人員靠經(jīng)驗目測,造成了水資源的大量浪費 ,如何提高閘門(mén)控制的智能化、實(shí)現閘門(mén)的集中控制,是急需解決的問(wèn)題。
現代計算機技術(shù)的發(fā)展為解決上述問(wèn)題提供了技術(shù)支持,尤其是Linux嵌入式系統的發(fā)展與應用。Linux系統具有體積小、可裁減、運行速度高、網(wǎng)絡(luò )性能良好等優(yōu)點(diǎn) ,而且具有源碼公開(kāi)、可以免費使用等特點(diǎn),這些都使得Linux系統得以快速發(fā)展和廣泛應用,并使嵌入式Linux系統在閘門(mén)控制中的應用成為可能。隨著(zhù)Linux2.6內核的發(fā)布,在嵌入式系統市場(chǎng) ,Linux向主流的實(shí)時(shí)操作系統供應商提出了挑戰,例如VxWorks和WinCE,它們具有許多新的特性,將成為更優(yōu)秀的嵌入式操作系統。
嵌入式Linux系統具有高性能、高可靠性 ,并具有多媒體電腦特點(diǎn),特別適用于工業(yè)現場(chǎng)控制和遠程圖像監控。
針對上述閘門(mén)控制中急需解決的問(wèn)題以及嵌入式Linux系統的特點(diǎn),本文對嵌入式Linux系統的閘門(mén)智能控制系統進(jìn)行設計和探討。系統采用了先進(jìn)的計算機傳感器技術(shù),對多路閘位、水位進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示,并提供相應的閘門(mén)閉環(huán)控制模型,使水資源利用率達到最優(yōu)。
1 　嵌入式Linux系統的構建
1.1 　嵌入式閘門(mén)控制系統的主要性能要求
1）具有高可靠性、高響應性 ,能在一定程度上達到或接近實(shí)時(shí)操作系統的性能。
2）系統整機能適應較惡劣的工作環(huán)境,而且功耗低。
3）有一定的多媒體（圖像、聲音）處理能力。
4）有性能良好的圖形用戶(hù)接口（GUI）解決方案 ,以及方便、實(shí)用的人機接口。
5）系統有一定的伸縮能力,能支持通用的硬件設計。
針對上述性能要求,本設計將首先構建一個(gè)基本操作系統,并在此基礎上構建閘門(mén)控制系統[1]。

1.2 　操作系統平臺的選擇
在眾多主流嵌入式操作系統中選擇Linux2.6作為操作系統的內核 ,主要基于以下考慮:
1）Linux是一個(gè)公開(kāi)源代碼的操作系統,可以形成具有自主知識產(chǎn)權的操作系統。
2）Linux采用微內核結構,內核部分（含進(jìn)程調度、內存管理、文件管理、設備驅動(dòng)等）一般不大于1MB,即使加上小型的GUI系統也不會(huì )大于16MB,比較適合嵌入式系統的要求。
3）Linux2.6內核引進(jìn)了內核搶占式的調度功能,因此 ,響應時(shí)間相比以前的內核有大幅度縮減。
4）Linux支持多種硬件體系結構。在開(kāi)發(fā)初期,為了縮短開(kāi)發(fā)周期,可以先選擇支持x86的奔騰系列處理器平臺;后期在進(jìn)行很少改動(dòng)的前提下,就可移植到其他硬件平臺上。

1.3 　操作系統的開(kāi)發(fā)流程
本系統的定制主要有2個(gè)部分:一是系統內核及基本根文件系統的定制 ,二是GUI的實(shí)現[2]。

1.3.1 　系統內核及根文件系統定制
定制一個(gè)4MB～8MB的基本Linux系統,提供如下基本操作系統功能:多進(jìn)程、多用戶(hù);文件、內存管理;用戶(hù)操作終端。這部分工作是后續系統定制和應用軟件開(kāi)發(fā)的基礎。
采用2.6版本以上內核,在編譯中加入內核搶占式調度功能、Ramdisk支持、中文字符集支持。根據文件系統只讀部分采用 Ext2 文件系統 ,讀寫(xiě)部分可采用Cramdisk等嵌入式文件系統。此部分的工作主要有:建立交叉編譯環(huán)境;剪裁內核（這是一個(gè)反復的過(guò)程）;剪裁根文件系統 ,建立運行環(huán)境,編寫(xiě)各個(gè)運行腳本;提供基本硬件的支持。
1.3.2 　GUI的實(shí)現
基于X2Server定制一個(gè)16MB～32MB的X2Windows環(huán)境,能提供較豐富的GUI功能。提供一個(gè)系統自動(dòng)運行的程序,使開(kāi)機至工程啟動(dòng)的時(shí)間控制在30s內,并在此基礎上提供中文輸入功能。GUI的實(shí)現是為基于此平臺的閘門(mén)控制軟件提供圖形庫操作接口,使得該軟件具有較好的人機交互界面。
此部分的工作主要有:編寫(xiě) X2Windows的各種配置文件;剪裁其不需要的程序,只保留基本程序;編寫(xiě)X2Windows 的各個(gè)腳本文件[3]。
2 　系統的硬件結構
在本設計中 ,閘門(mén)控制系統由閘門(mén)操作、視頻采集和水情監測3個(gè)部分組成?；窘Y構如圖1所示。