基于ARM/Linux的燃料电池温度监控系统GUI设计

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 燃料电池(fuel cell)是一种新型绿色能源技术,是把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。燃料电池与一般干电池的不同点是:只要保持燃料供应,电池就会不断提供电能,而且电池反应的最终产物是水,不会对环境造成任何污染,以碳氢化合物作燃料时,反应产物仅增加少量二氧化碳[1]。

燃料电池电堆的温度分布对燃料电池的安全与寿命有重要影响,尤其是在采用质子交换膜的车用燃料电池中,温度不仅影响到催化剂的活性,而且还直接影响到质子交换膜的含水性,因此对其温度的控制有很高的要求。为了在研究过程中对其温度变化进行实时监控,本文基于ARM/Linux构建了一个燃料电池温度监控系统。

1 系统结构

本监控系统整体结构如图1所示。


温控系统采用ARM微处理器S3C2410作为嵌入式微处理器。将经过编译的嵌入式Linux2.6内核及Qt/E库移植到ARM上,温控系统的GUI控制界面运行于LCD上。

温控器以freescale公司MC9S12DG128B单片机为控制核心,采用热电阻作为温度传感器,将温度信号转化为模拟量的电信号,再经过放大电路及压频变换(V/F变换)后,变为数字量的电信号输入控制器,实现控制算法。控制器输出的PWM信号经过光电隔离后直接控制固态继电器,从而控制热风嘴加热器对控制对象进行加热操作,实现温度控制。

Web Server单元采用移植基于Linux的Boa服务器,通过CGI(公共网关接口)实现远程用户与系统间的交互。
数据库单元采用SQLite数据库,Qt为数据库访问提供的QtSql模块实现了数据库与Qt应用程序的无缝链接,同时为开发人员提供了一套与具体所用数据库无关的调用接口。

GUI控制界面采用Qt Designer设计系统的控制界面,利用Qt的信号/槽(signals/slots)机制实现界面对下位机的控制。

2 各部分设计方法

本文重点研究监控系统GUI界面、数据库及远程监控的设计与开发,主要详细了介绍GUI界面、数据库以及Web Server的设计,对于温控器的设计本文不作重点介绍。

2.1 GUI界面及Qt程序设计

2.1.1 Qt的移植

本系统的构建是通过编译Qt4的库到开发板来实现的,首先应对源码进行配置编译,使库添加对底层驱动的支持。设置环境变量如下[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使其支持数据库、网络、触摸屏等驱动,将编译后的Qt目录下的lib文件夹下的库文件加入根文件系统。

为了方便用户操作,本系统应支持中文字体显示。为此,一方面将编译后的Qt/Embedeed的/lib/font目录下的字体库文件添加到根文件系统中,为了节省资源,可以只选择比较常用的一两种字体库;另一方面由于程序中默认的字体不支持中文,故在程序中需指定一种中文字体,方法是在程序的main函数中添加如下语句:

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

2.1.2 程序界面开发

根据功能需求分析,设计构建了监控系统的层次化GUI界面结构图[3],如图2所示。

 


从图2中可以看出,子菜单主要分成两部分:一部分是温控界面的主要控制菜单,其中主要包括温度的设定、工作模式的设定、通信控制按钮、和温度显示部分;另一部分主要完成历史数据的显示,通过选择特定的通道和时间区间,可以在显示区显示温度的变化曲线,为此需要在程序中构建一个数据库文件用来存放历史数据,这部分会在后面详细介绍。

首先使用设计器创建界面的对话框,在对话框中添加组件,如:添加按钮以调用其他类来实现界面的控制,添加LCDNumber控件来模拟显示温度,添加下拉菜单来进行不同通道的选择等。连接组件的SIGNAL/SLOT以响应事件,修改控件属性,合理调整布局。保存GUI界面为Temperature.ui,根据设计器保存的界面文件(ui文件)使用uic命令生成.h头文件。

在Qt下,使用多重继承的方式设计我们自己的界面类,这需要从标准的QTabWidget类和Qt设计器生成的界面类继承,如图3所示。

 


在界面类MytemperWid中,定义GUI界面所需要的槽函数,如:定义Displaynumber()函数用于显示接收到的数据,定义Connect_serial()和Disconnect_serial()分别用于连接和断开端口,定义CreatSqliteDB()用于创建数据库等。

MytemperWid类的程序片段如下:
class MytemperWid:public QTabWidget,public Ui::Temperature
{ Q_OBJECT
public:
Mytempwid(QWidget *parent =0);
public slots:
void Displaynumber(); //接收并显示温度信息
void Connect_serial(); //连接端口
void Disconnect_serial(); //断开端口
void CreatSqliteDB(); //创建数据口
… …
private:
… …
};

2.2 Web Server的设计

Boa是嵌入式 Web Server中的代表,对于Boa的移植非常简单[4],配置好交叉编译器后,编译Boa源代码,将生成的应用程序放入根文件系统的/bin目录下,接下来完成Boa的配置。

Boa需要在/etc目录下建立一个boa目录,里面放入Boa的主要配置文件boa.conf。在Boa源码目录下已有一个示例boa.conf,可以在其基础上进行修改。首先修改Group为User,修改User为boa,要根据自己开发板的情况设定,一定要是存在的用户和组。设置ServerName可以为想要的任何名字,接下来,从Linux主机的/etc目录下将mine.types文件复制到文件系统/etc目录下。最后,创建日志文件所需的目录/var/log/boa,HTML文档的主目录/var/www,CGI脚本所在目录/var/www/cgi-bin。

配置工作完成以后,设定开发板的ip与主机在同一网段,运行boa,即可开启boa服务器,将静态网页放入/var/www目录下,在浏览器中输入开发板ip即可看到网页运行,对于动态网页,要编写相应的CGI程序,编译后放入/var/www/cgi-bin目录。

CGI是Web服务器与你的或其他机器上的http程序进行“交谈”的一种工具,其程序需运行在网络服务器上。在本设计中,ARM板通过串口与下位机进行通信,远程PC无法直接与下位机进行通信,所以采用数据库作为数据的中转单元,在数据库中建立两个字段,一个字段用于存放数据信息,另一字段存放控制信息。如图1系统的结构图所示,下位机的数据信息通过串口发往ARM,将这些信息在LCD上显示,同时经这些信息保存在数据字段中,CGI程序读取并处理数据字段信息后,将这些信息显示在远程PC的浏览器上;另一方面,PC端的控制信息,经CGI编码后存放于数据库的控制字段中,Qt程序检查控制字段,根据这些控制信息改变程序运行状态。

2.3 数据库的设计

SQLite是一款轻型的数据库,它的设计目标是嵌入式,占用资源低、能够支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系统,与Mysql、PostgreSQL这两款开源世界著名的数据库管理系统相比,它的处理速度快[5]。Qt的QtSql模块由三部分组成,分别是驱动层、SQL接口层、用户接口层。QtSql模块为不同层次的用户提供了丰富的数据库操作类。

在进行数据库操作前,必须首先建立与数据库的连接。QtSql模块使用驱动插件与不同数据库接口通信,目前Qt4支持几乎所有主流数据库。在配置Qt时,选择将SQLite驱动内置于Qt中或者编译成插件。在使用QtSql模块时,需要对工程进行配置:在头文件中加入语句#include;在工程的.pro文件中加入Qt+=sql。经配置后,在Qt应用程序中就可以连接并使用SQLite数据库了。在Qt中建立数据库连接的方法是:

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

根据本系统的要求,要监控8个通道的温度数据,能根据这些数据绘制历史曲线,所以数据库要包含一个时间字段和八个温度值字段,同时还要一个数值字段和一个控制字字段用于与远程PC的通信,在Qt程序中可以使用如下语句建立数据库:

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)');

建立数据库后,就可以使用INSERT、DELETE等SQL语句对数据库进行插入、删除等操作了。

3 运行实例

根据上文所提出的技术方案和Qt/E程序设计思想,在S3C2410ARM处理器上完成了系统的开发,系统运行界面截图如图4所示。

选则好通道和时间区间,可以查看各通道不同时间段内的历史曲线图,如图5所示。
在开发板上运行Boa服务器,设置开发板ip为192.168.1.100,在远程PC上打开浏览器,输入“http://192.168.1.100/cgi-bin/temperature”,则可在浏览器上监控系统运行,如图6所示。

 

 


根据燃料电池开发过程中对温度监控的需要设计了实时监控系统及GUI界面,本文详细介绍了整个系统的结构及系统各部分的开发流程,基于Qt/E类库,设计了监控系统的GUI及程序结构。实际运行结果表明,所提出的设计方法能够满足应用的需要。

本设计与初步应用表明,采用Qt/Embedded作为开发图形界面工具,利用其结构清晰的特点和跨平台性,能有效缩短项目的开发周期,提高程序代码的重用率,是开发嵌入式系统GUI界面的有效工具。

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