楊鐵軍，李旭東

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

糧情測控系統(tǒng)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)檢測糧食儲(chǔ)藏過程中影響糧情變化的因素，并對(duì)實(shí)時(shí)檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，對(duì)安全儲(chǔ)糧提出處理建議，從而進(jìn)行控制。目前，糧情測控大部分都是在監(jiān)控中心，不便于糧庫管理員現(xiàn)場了解糧庫和設(shè)備信息。傳統(tǒng)的糧情測控終端負(fù)責(zé)采集端點(diǎn)的溫度信息并傳遞給監(jiān)控中心，本身并沒有控制和顯示功能。為了方便人們?cè)诂F(xiàn)場對(duì)糧倉環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有圖形化人機(jī)接口界面（GUI）的糧情測控終端，GUI部分采用Qt進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有簡單、可靠、直觀等特點(diǎn)，配合觸摸屏操作可獲得良好的互動(dòng)效果。

1 開發(fā)背景

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個(gè)糧情測控系統(tǒng)由3部分組成：端點(diǎn)傳感器、測控終端和監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由普通計(jì)算機(jī)組成，用于統(tǒng)籌整個(gè)糧庫的各項(xiàng)指標(biāo)并分析顯示；測控終端用于采集端點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示；端點(diǎn)設(shè)備由18B20、hs1101和AVR單片機(jī)等組成。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 糧情測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition block diagram of grain monitoring and control system

本次開發(fā)的GUI程序是整個(gè)糧情測控系統(tǒng)中的測控終端部分。根據(jù)糧情測控系統(tǒng)的要求，本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有圖形接口界面的測控終端，它采用Qtopia圖形界面，具有界面美觀、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.2 硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)采用Samsung公司的S3C2440A微處理器，它是基于ARM920T的RISC型 CPU，是一款性價(jià)比較高的嵌入式32位處理器，最高主頻可達(dá)533 MHz[1]，內(nèi)置16 KB指令緩存和16 KB數(shù)據(jù)緩存，4通道通用DMA，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接，從而簡化了外圍電路設(shè)計(jì),降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。存儲(chǔ)模塊采用Nand Flash大小為128 MB用于存放B00TLOADER代碼、Linux內(nèi)核映像、文件系統(tǒng)以及Qtopia等應(yīng)用程序，SDRAM采用兩片外接32 MB總共64 MB的HY57V561620FTP型內(nèi)存器件，它們并接在一起形成32位總線數(shù)據(jù)寬度，增加了系統(tǒng)反應(yīng)速度。LCD采用分辨率為800×480的7寸觸摸屏，可以獲得最佳舒適度。S3C2440本身總共有3個(gè)串口UART0～UART2，其中UART0,UART1可組合為一個(gè)全功能的串口，主要用于與端點(diǎn)設(shè)備通信。其硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware logic structure

1.3 軟件結(jié)構(gòu)

軟件平臺(tái)采用Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本2.6.29，圖形界面采用Qtopia2.2與最新的Qt4相比，其體積更小更適合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。終端系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 終端系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Terminal system composition

本文的QT/Embedded人機(jī)界面的開發(fā)主要分為：底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)、配置開發(fā)環(huán)境和GUI應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等3部分。其中底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)包括幀緩沖的啟動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)2部分。

2 LCD底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)

2.1 幀緩沖的啟動(dòng)

Qt/Embedded的底層圖形引擎基于FrameBuffer（幀緩沖）技術(shù)[2]，簡稱為fbdrv，它是一種獨(dú)立于硬件的抽象圖形設(shè)備。目前的2.6內(nèi)核的Linux都包含了對(duì)FrameBuffer技術(shù)的支持，但默認(rèn)情況下并不開啟，修改grub引導(dǎo)文件，在“kernel”后加入vga=0x0318參數(shù)即可成功啟動(dòng)。

2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)[3]

S3C2440的觸摸屏接口是與A/D轉(zhuǎn)換器接口結(jié)合在一起的,由它產(chǎn)生中斷控制觸摸屏的輸入。輸入事件由事件處理器（event handler）進(jìn)行處理，其驅(qū)動(dòng)注冊(cè)代碼如下：

static struct input_handler evdev_handler={

.event=evdev_event，

.connect=evdev_connect，

.disconnect=evdev_disconnect，

.fops=&evdev_fops，

.minor=EVDEV_MINOR_BASE，

.name= “evdev”，

.id_table=evdev_ids，

}；

將設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊加載到嵌入式Linux內(nèi)核后，應(yīng)用程序就可以通過對(duì)設(shè)備文件的讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。

本系統(tǒng)采取了觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鼠標(biāo)加顯示屏的操作方式，而觸摸屏并不在Qt的默認(rèn)支持范圍，所以需要自行開發(fā)觸摸屏驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)Qt對(duì)觸摸屏的支持，觸摸屏的實(shí)現(xiàn)流程，如圖4所示。

圖4 觸摸屏開發(fā)流程Fig.4 Flow chart of touch screen

3 Qt/Embedded開發(fā)平臺(tái)建立

3.1 開發(fā)環(huán)境

Qtopia是基于Qt/Embedded開發(fā)的一個(gè)嵌入式的窗口系統(tǒng)和應(yīng)用程序集，如地址本、圖像瀏覽、Media播放器等，還包括娛樂和配置工具，廣泛用于PDA等掌上設(shè)備。Qtopia平臺(tái)由 Qtopia 庫（Qt/E，qtopiapim，libqpe，libqtopia1） 和 Qtopia server/laucher組成。

Qt按照應(yīng)用環(huán)境的不同，分為X-Windows的X11版本與嵌入式環(huán)境的版本Qt/E。其層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

Qt/E 通過 API與操作輸入/輸出（Input/Output，I/O）設(shè)施直接交互，它作為嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)工具，支持幀緩沖驅(qū)動(dòng)，能在沒有X-Server或X-Lib支持的條件下直接寫幀緩沖，節(jié)省了內(nèi)存，提高了程序的運(yùn)行效率[4-5]。因此，鑒于Qt/E在跨平臺(tái)、內(nèi)存占用和快速性等方面的優(yōu)勢(shì)，將其作為面向糧庫信息監(jiān)測的嵌入式輕型GUI構(gòu)件庫的基礎(chǔ)構(gòu)建工具。

圖5 Qtopia的軟件層次結(jié)構(gòu)Fig.5 Hierarchy of qtopia software

3.2 建立Linux交叉編譯環(huán)境

嵌入式開發(fā)模式通常采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)的形式，先在本機(jī)X11環(huán)境下模擬嵌入式目標(biāo)平臺(tái)并完成程序的編寫與調(diào)試，再通過交叉編譯生成目標(biāo)機(jī)可執(zhí)行代碼。整體搭建流程如圖6所示。

圖6 開發(fā)環(huán)境搭建流程Fig.6 Building flow chart of developing environment

開發(fā)Qt/Embedded程序需要建立Linux交叉編譯環(huán)境。首先在宿主機(jī)（PC機(jī)）完全安裝Fedora9 Linux系統(tǒng)（內(nèi)核版本2.6.29）。然后編譯安裝ARM-Linux交叉編譯器[6]，最后編輯/root/.bashrc文件，添加 “export PATH=$PATH:/usr/local/arm/4.3.2/bin”設(shè)置環(huán)境變量即可成功建立交叉編譯環(huán)境。

3.3 建立Qtopia開發(fā)環(huán)境

整個(gè)GUI系統(tǒng)的構(gòu)建需要對(duì) Qt/Embedded、Qtopia依次分別編譯鏈接，然后有機(jī)地整合在一起。Qt/Embedded為Qtopia提供了底層支持，GUI系統(tǒng)的圖形庫窗口組建都由Qt/Embedded實(shí)現(xiàn)。建立Qtopia開發(fā)環(huán)境用到如下3個(gè)文件：

Trmake 1.14.tar.gz（用于生成Qt工程的Makefile文件），Qt-embedded-2.3.7.tar.gz（Qte基礎(chǔ)類庫的源碼包主要提供lqte的庫）和 Qt-x11-2.3.2.tar.gz（PC 桌面的 Qt源碼包）。

分別建立2套開發(fā)環(huán)境，在/opt/arm2440/下建立x86-qtopia目錄用于建立Qt/X11虛擬環(huán)境，建立arm-qtopia目錄用于建立Qt/E交叉編譯環(huán)境。2套開發(fā)環(huán)境的建立用到的軟件包是一樣的，只是使用的編譯器和編譯參數(shù)不一樣，分別把上述3個(gè)文件依次解壓到x86-qtopia和arm-qtopia 2個(gè)目錄，然后分別進(jìn)行編譯、配置。

4 糧情測控系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 GUI設(shè)計(jì)

根據(jù)糧情測控系統(tǒng)的現(xiàn)場功能要求GUI應(yīng)主要包含如下4部分：1）糧倉環(huán)境信息的實(shí)時(shí)顯示，主要是糧倉內(nèi)部環(huán)境的溫度、濕度狀況。2）糧倉控制設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)顯示，如風(fēng)機(jī)開關(guān)、天窗開關(guān)等。3）Web服務(wù)器控制按鈕，用來開啟和關(guān)閉Web服務(wù)。4）調(diào)試窗口，方便現(xiàn)場人員對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)試修復(fù)。

Qt擁有眾多的窗口控件，如按鈕、表單、滾動(dòng)條和程序窗口等，它們組合起來可以創(chuàng)建各種用戶界面。其中QWidget是所有用戶界面對(duì)象的基類，其它窗口部件都是繼承QWidget或其子類[7]。

創(chuàng)建程序主窗口先要在main.cpp函數(shù)中創(chuàng)建QApplication類型的對(duì)象。其代碼如下：QApplication app（argc， argv）;

本程序使用QWidget類創(chuàng)建用戶類[8]，并使用戶類通過公有繼承派生于Qwidget類，代碼如下：TableForm::TableForm（QWidget*parent,const char*name， WFlags fl）:QWidget（parent， name， fl）

GUI程序的圖形控件通過Qt帶的Designer工具進(jìn)行創(chuàng)建，能獲得良好的視覺效果。

糧倉的溫控信息通過QTable類進(jìn)行顯示，QCheckBox類負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)控制，QPushButton類可與信號(hào)槽連接實(shí)現(xiàn)額外功能，代碼如下：connect（ReadButton， SIGNAL（clicked（））,this， SLOT（readinfo（））;

4.2 GUI漢化

為使糧情測控系統(tǒng)的人機(jī)界面支持中文風(fēng)格，方便糧庫管理員的操作，需要對(duì)程序進(jìn)行語言轉(zhuǎn)化處理，采用Qt/Embedded開發(fā)的嵌入式糧情測控系統(tǒng)的人機(jī)界面需要采取以下步驟，以實(shí)現(xiàn)對(duì)中文的支持：

1）在main.cpp文件中添加頭文件qtextcodec.h;

2）在 QApplication app （argc,argv）后添加“app.setDefault-Codec（QTextCodec::codecForName（“UTF-8”））”

3）設(shè)置相應(yīng)的中文字體，GUI程序即可實(shí)現(xiàn)中文顯示。

4.3 編譯并移植程序

在系統(tǒng)終端下，執(zhí)行 “qmake-o Makefile-spec/opt/arm2440/x86-qtopia/qtopia/tmake/lib/qws/linux-generic-g++*.pro”命令，生成針對(duì)于工程文件的Makefile文件，執(zhí)行make就可以生成x86的可執(zhí)行文件。

對(duì)Makefile進(jìn)行修改，主要是將編譯器gcc改為交叉編譯工具arm-linux-g++，編譯生成ARM平臺(tái)目標(biāo)代碼即可在目標(biāo)平臺(tái)上成功運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 GUI漢化界面Fig.7 GUI localization interface

5 結(jié)束語

一個(gè)友好的圖形用戶界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的推廣有著重要意義。在糧情測控系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)糧倉信息實(shí)時(shí)檢測與控制，配合計(jì)算機(jī)的監(jiān)控中心形成立體化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，為國家實(shí)現(xiàn)科學(xué)保糧奠定了基礎(chǔ)。

[1] Samsung Electronics Co.Ltd.User's manual S3C2440x[Z].2001.

[2] Linux,Linux frame buffer driver developer[EB/OL].(2009)[2010-03-25].http://www.linux-fbdev.org/.

[3] Jonathan Corbet,Alessandro Rubini,Greg Kroah Hartman.Linux device drivers[M].3 ed.O'Reilly,Inc，2005.

[4] AHN S H,SUL D M,CHOI SC,et al.Implementation of lightweight graphic library builder for embedded system[C]//Proceedings of the 8th International Conference on Advanced Communication Technology， IEEE,2006,（1）：1662-168.

[5] HohlF Time limited blackbox security:protecting mobile agents from malicious hosts[J].Lecture Notes in Computer Science,1998，1419：92-113.

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[7] Jasmin Blanchette,Mark Summerfield.C++GU I Programming with Qt3[M].2004.

[8] 倪繼利.Qt及Linux操作系統(tǒng)窗口設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[9] Trolltech.Qtopia Reference Documentation [EB/OL].(2005)[2008-09-25].http://doc.trolltech.com.