基于A(yíng)RM/Linux的燃料電池溫度監控系統GUI設計

燃料電池(fuel cell)是一種新型綠色能源技術(shù)，是把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉化成電能的裝置。燃料電池與一般干電池的不同點(diǎn)是：只要保持燃料供應，電池就會(huì )不斷提供電能，而且電池反應的最終產(chǎn)物是水，不會(huì )對環(huán)境造成任何污染，以碳氫化合物作燃料時(shí)，反應產(chǎn)物僅增加少量二氧化碳[1]。

燃料電池電堆的溫度分布對燃料電池的安全與壽命有重要影響，尤其是在采用質(zhì)子交換膜的車(chē)用燃料電池中，溫度不僅影響到催化劑的活性，而且還直接影響到質(zhì)子交換膜的含水性，因此對其溫度的控制有很高的要求。為了在研究過(guò)程中對其溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，本文基于A(yíng)RM/Linux構建了一個(gè)燃料電池溫度監控系統。

1 系統結構

本監控系統整體結構如圖1所示。

溫控系統采用ARM微處理器S3C2410作為嵌入式微處理器。將經(jīng)過(guò)編譯的嵌入式Linux2.6內核及Qt/E庫移植到ARM上，溫控系統的GUI控制界面運行于LCD上。

溫控器以freescale公司MC9S12DG128B單片機為控制核心，采用熱電阻作為溫度傳感器，將溫度信號轉化為模擬量的電信號，再經(jīng)過(guò)放大電路及壓頻變換(V/F變換)后，變?yōu)閿底至康碾娦盘栞斎肟刂破?，?shí)現控制算法?？刂破鬏敵龅腜WM信號經(jīng)過(guò)光電隔離后直接控制固態(tài)繼電器，從而控制熱風(fēng)嘴加熱器對控制對象進(jìn)行加熱操作，實(shí)現溫度控制。

Web Server單元采用移植基于Linux的Boa服務(wù)器，通過(guò)CGI(公共網(wǎng)關(guān)接口)實(shí)現遠程用戶(hù)與系統間的交互。
數據庫單元采用SQLite數據庫，Qt為數據庫訪(fǎng)問(wèn)提供的QtSql模塊實(shí)現了數據庫與Qt應用程序的無(wú)縫鏈接，同時(shí)為開(kāi)發(fā)人員提供了一套與具體所用數據庫無(wú)關(guān)的調用接口。

GUI控制界面采用Qt Designer設計系統的控制界面，利用Qt的信號/槽(signals/slots)機制實(shí)現界面對下位機的控制。

2 各部分設計方法

本文重點(diǎn)研究監控系統GUI界面、數據庫及遠程監控的設計與開(kāi)發(fā)，主要詳細了介紹GUI界面、數據庫以及Web Server的設計，對于溫控器的設計本文不作重點(diǎn)介紹。

2.1 GUI界面及Qt程序設計

2.1.1 Qt的移植

本系統的構建是通過(guò)編譯Qt4的庫到開(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)現的，首先應對源碼進(jìn)行配置編譯，使庫添加對底層驅動(dòng)的支持。設置環(huán)境變量如下[2]：

Export PATH= /usr/local/arm/3.3.2/bin：＄PATH
Export QTDIR=＄PWD
Export QTEDIR=＄QTDIR
Export LD_LIBRARY_PATH=＄QTDIR/lib：＄ LD_LIBRARY_PATH

配置Qt使其支持數據庫、網(wǎng)絡(luò )、觸摸屏等驅動(dòng)，將編譯后的Qt目錄下的lib文件夾下的庫文件加入根文件系統。

為了方便用戶(hù)操作，本系統應支持中文字體顯示。為此，一方面將編譯后的Qt/Embedeed的/lib/font目錄下的字體庫文件添加到根文件系統中，為了節省資源，可以只選擇比較常用的一兩種字體庫；另一方面由于程序中默認的字體不支持中文，故在程序中需指定一種中文字體，方法是在程序的main函數中添加如下語(yǔ)句：

QTextCodec：：setCodecForTr(QTextcodec：：codecForName('gb18030'))；

2.1.2 程序界面開(kāi)發(fā)

根據功能需求分析，設計構建了監控系統的層次化GUI界面結構圖[3]，如圖2所示。

從圖2中可以看出，子菜單主要分成兩部分：一部分是溫控界面的主要控制菜單，其中主要包括溫度的設定、工作模式的設定、通信控制按鈕、和溫度顯示部分；另一部分主要完成歷史數據的顯示，通過(guò)選擇特定的通道和時(shí)間區間，可以在顯示區顯示溫度的變化曲線(xiàn)，為此需要在程序中構建一個(gè)數據庫文件用來(lái)存放歷史數據，這部分會(huì )在后面詳細介紹。

首先使用設計器創(chuàng )建界面的對話(huà)框，在對話(huà)框中添加組件，如：添加按鈕以調用其他類(lèi)來(lái)實(shí)現界面的控制，添加LCDNumber控件來(lái)模擬顯示溫度，添加下拉菜單來(lái)進(jìn)行不同通道的選擇等。連接組件的SIGNAL/SLOT以響應事件，修改控件屬性，合理調整布局。保存GUI界面為T(mén)emperature.ui，根據設計器保存的界面文件(ui文件)使用uic命令生成.h頭文件。

在Qt下，使用多重繼承的方式設計我們自己的界面類(lèi)，這需要從標準的QTabWidget類(lèi)和Qt設計器生成的界面類(lèi)繼承，如圖3所示。

在界面類(lèi)MytemperWid中，定義GUI界面所需要的槽函數，如：定義Displaynumber()函數用于顯示接收到的數據，定義Connect_serial()和Disconnect_serial()分別用于連接和斷開(kāi)端口，定義CreatSqliteDB()用于創(chuàng )建數據庫等。

MytemperWid類(lèi)的程序片段如下：
class MytemperWid：public QTabWidget，public Ui：：Temperature
{ Q_OBJECT
public：
Mytempwid(QWidget *parent =0)；
public slots：
void Displaynumber()； //接收并顯示溫度信息
void Connect_serial()； //連接端口
void Disconnect_serial()； //斷開(kāi)端口
void CreatSqliteDB()； //創(chuàng )建數據口
… …
private：
… …
}；

2.2 Web Server的設計

Boa是嵌入式 Web Server中的代表，對于Boa的移植非常簡(jiǎn)單[4]，配置好交叉編譯器后，編譯Boa源代碼，將生成的應用程序放入根文件系統的/bin目錄下，接下來(lái)完成Boa的配置。

Boa需要在/etc目錄下建立一個(gè)boa目錄，里面放入Boa的主要配置文件boa.conf。在Boa源碼目錄下已有一個(gè)示例boa.conf，可以在其基礎上進(jìn)行修改。首先修改Group為User，修改User為boa，要根據自己開(kāi)發(fā)板的情況設定，一定要是存在的用戶(hù)和組。設置ServerName可以為想要的任何名字，接下來(lái)，從Linux主機的/etc目錄下將mine.types文件復制到文件系統/etc目錄下。最后，創(chuàng )建日志文件所需的目錄/var/log/boa，HTML文檔的主目錄/var/www，CGI腳本所在目錄/var/www/cgi-bin。

配置工作完成以后，設定開(kāi)發(fā)板的ip與主機在同一網(wǎng)段，運行boa，即可開(kāi)啟boa服務(wù)器，將靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)放入/var/www目錄下，在瀏覽器中輸入開(kāi)發(fā)板ip即可看到網(wǎng)頁(yè)運行，對于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，要編寫(xiě)相應的CGI程序，編譯后放入/var/www/cgi-bin目錄。

CGI是Web服務(wù)器與你的或其他機器上的http程序進(jìn)行“交談”的一種工具，其程序需運行在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上。在本設計中，ARM板通過(guò)串口與下位機進(jìn)行通信，遠程PC無(wú)法直接與下位機進(jìn)行通信，所以采用數據庫作為數據的中轉單元，在數據庫中建立兩個(gè)字段，一個(gè)字段用于存放數據信息，另一字段存放控制信息。如圖1系統的結構圖所示，下位機的數據信息通過(guò)串口發(fā)往ARM，將這些信息在LCD上顯示，同時(shí)經(jīng)這些信息保存在數據字段中，CGI程序讀取并處理數據字段信息后，將這些信息顯示在遠程PC的瀏覽器上；另一方面，PC端的控制信息，經(jīng)CGI編碼后存放于數據庫的控制字段中，Qt程序檢查控制字段，根據這些控制信息改變程序運行狀態(tài)。

2.3 數據庫的設計

SQLite是一款輕型的數據庫，它的設計目標是嵌入式，占用資源低、能夠支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系統，與Mysql、PostgreSQL這兩款開(kāi)源世界著(zhù)名的數據庫管理系統相比，它的處理速度快[5]。Qt的QtSql模塊由三部分組成，分別是驅動(dòng)層、SQL接口層、用戶(hù)接口層。QtSql模塊為不同層次的用戶(hù)提供了豐富的數據庫操作類(lèi)。

在進(jìn)行數據庫操作前，必須首先建立與數據庫的連接。QtSql模塊使用驅動(dòng)插件與不同數據庫接口通信，目前Qt4支持幾乎所有主流數據庫。在配置Qt時(shí)，選擇將SQLite驅動(dòng)內置于Qt中或者編譯成插件。在使用QtSql模塊時(shí)，需要對工程進(jìn)行配置：在頭文件中加入語(yǔ)句#include；在工程的.pro文件中加入Qt+=sql。經(jīng)配置后，在Qt應用程序中就可以連接并使用SQLite數據庫了。在Qt中建立數據庫連接的方法是：

QSqlDatabase db=QSqldatabase：：addDatabase('QSQ-LITE')；

根據本系統的要求，要監控8個(gè)通道的溫度數據，能根據這些數據繪制歷史曲線(xiàn)，所以數據庫要包含一個(gè)時(shí)間字段和八個(gè)溫度值字段，同時(shí)還要一個(gè)數值字段和一個(gè)控制字字段用于與遠程PC的通信，在Qt程序中可以使用如下語(yǔ)句建立數據庫：

QSqlQuery q；
q.exec('CREATE TABLE temperature (datetime DOUBLE，''channel1 DOUBLE，''channel2 DOUBLE，''channel3 DOUBLE，''channel4 DOUBLE，''channel5 DOUBLE，''channel6 DOUBLE，''channel7 DOUBLE，''channel8 DOUBLE，''webdate DOUBLE，''webcontrol DOUBLE)')；

建立數據庫后，就可以使用INSERT、DELETE等SQL語(yǔ)句對數據庫進(jìn)行插入、刪除等操作了。

3 運行實(shí)例

根據上文所提出的技術(shù)方案和Qt/E程序設計思想，在S3C2410ARM處理器上完成了系統的開(kāi)發(fā)，系統運行界面截圖如圖4所示。

選則好通道和時(shí)間區間，可以查看各通道不同時(shí)間段內的歷史曲線(xiàn)圖，如圖5所示。
在開(kāi)發(fā)板上運行Boa服務(wù)器，設置開(kāi)發(fā)板ip為192.168.1.100，在遠程PC上打開(kāi)瀏覽器，輸入“http：//192.168.1.100/cgi-bin/temperature”，則可在瀏覽器上監控系統運行，如圖6所示。

根據燃料電池開(kāi)發(fā)過(guò)程中對溫度監控的需要設計了實(shí)時(shí)監控系統及GUI界面，本文詳細介紹了整個(gè)系統的結構及系統各部分的開(kāi)發(fā)流程，基于Qt/E類(lèi)庫，設計了監控系統的GUI及程序結構。實(shí)際運行結果表明，所提出的設計方法能夠滿(mǎn)足應用的需要。

本設計與初步應用表明，采用Qt/Embedded作為開(kāi)發(fā)圖形界面工具，利用其結構清晰的特點(diǎn)和跨平臺性，能有效縮短項目的開(kāi)發(fā)周期，提高程序代碼的重用率，是開(kāi)發(fā)嵌入式系統GUI界面的有效工具。