王珍珍，張慶磊，王傳剛，楊 亮

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

遠程監(jiān)測系統(tǒng)是智能監(jiān)控系統(tǒng)向智能化發(fā)展的一項重要研究內(nèi)容，也是物聯(lián)網(wǎng)技術的一個重要應用［1］。近年來，其在環(huán)境監(jiān)測和視頻監(jiān)控領域發(fā)揮著越來越重要的作用。為了滿足跨平臺、多樣化的應用需要，設計采用Qt作為系統(tǒng)軟件開發(fā)框架。Qt以其友好的圖形界面、跨平臺的特性以及良好的信號槽機制，成為工控領域GUI設計的最佳選擇［2］。

1 客戶端界面設計

設計中，客戶端采用灰度漸變的主題風格、自適應的布局管理器及模擬真實儀器的顯示界面。用戶界面的整體布局包括兩大塊，即顯示區(qū)和控制面板區(qū)。其中，顯示區(qū)采用Qt的Frame組件，控制面板采用Qt的TabWidget組件。多功能GUI用戶界面如圖1所示。

圖1 多功能GUI用戶界面

2 整體架構

設計中，客戶端不僅為用戶提供了一個友好的顯示界面，還提供了靈活的控制面板和配置選項。

顯示終端和用戶交互主要完成兩個工作:(1)將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，對內(nèi)部信號進行實時顯示，對外部數(shù)據(jù)進行定制化顯示。(2)方便用戶交互式控制，實現(xiàn)對攝像機云臺的控制，以達到調整攝像頭的俯仰角、視角和焦距的作用［3］。本設計采用MVC設計模式，將數(shù)據(jù)和視圖分離［4］。

視圖部分主要由Display模塊完成，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)自動生成相應的顯示視圖。其中，波形數(shù)據(jù)，以虛擬示波器的外觀來動態(tài)顯示輸入波形信號;視頻圖像信號，以圖像方框的外觀實時刷新每一幀圖片;傳感數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)多通道環(huán)境參數(shù)的顯示，且自動適應屏幕大小，調整顯示柵格。

控制部分主要由WorkPannel模塊來完成，通過接收用戶指令和輸入數(shù)據(jù)，切換到不同的工作模式，在Display模塊中實時輸出用戶信息。此外，WorkPannel模塊需要協(xié)調不同接口數(shù)據(jù)的傳輸速率，以保證數(shù)據(jù)既能實時更新又能穩(wěn)定顯示。顯示交互和用戶界面整體結構如圖2所示。

圖2 顯示終端和用戶交互整體結構

3 模塊設計

顯示終端主要負責數(shù)據(jù)的傳遞、數(shù)據(jù)的顯示和用戶交互。Qt提供了一種信號槽機制，可實現(xiàn)不同組件對象之間無縫通信［5］。內(nèi)部數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、外部數(shù)據(jù)的傳輸、用戶數(shù)據(jù)的獲取及顯示區(qū)數(shù)據(jù)的推送，均是以類的形式封裝于具體模塊中。

3.1 GUI設計主要模塊

為滿足對環(huán)境參數(shù)和視頻圖像的實時顯示，在顯示終端部分設計了5大模塊，每個模塊由一個類來實現(xiàn)。

圖3 顯示終端的幾個重要模塊類圖

3.1.1 Camera模塊

Camera模塊主要對USB傳輸?shù)囊曨l圖像進行按幀分割、處理、優(yōu)化，以適應Display顯示模塊的標準。設計采用OpenCV圖像框架來實現(xiàn)攝像頭視頻圖像的讀取控制。為了達到良好的視頻顯示效果，設計將獲取的每幀圖片均轉換為jpg格式，且設定定時器，每33 s讀取一幀。

3.1.2 Display模塊

Display模塊主要負責對不同模型數(shù)據(jù)的顯示。設計使用Qt獨有的雙緩沖重繪機制，實現(xiàn)動態(tài)曲線和視頻圖像的穩(wěn)定顯示。設計中，Display顯示區(qū)的刷新頻率是通過定時器來控制的，具體函數(shù)調用關系如圖4所示。

圖4 Display模塊工作流程

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更好顯示，設計定義了scaleData()函數(shù)來對輸入數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，包括數(shù)據(jù)點數(shù)的約束和數(shù)據(jù)大小的歸一化處理。其中，數(shù)據(jù)點數(shù)約束在800內(nèi)，保證適應大多數(shù)桌面屏幕。

(1)SerialComms模塊。SerialComms模塊是對串口接口數(shù)據(jù)的封裝，包括串口的識別、初始化配置、數(shù)據(jù)的讀寫和規(guī)范化處理等。(2)SigGenerator模塊。SigGenerator模塊主要用于內(nèi)部信號發(fā)生器，方便演示和測試。

(3)WorkPannel模塊。WorkPannel模塊是最重要的部分，主要完成3方面的工作:1)協(xié)調各模塊接口數(shù)據(jù)的傳輸。2)實現(xiàn)用戶界面的交互。3)對顯示終端、控制面板以及工作流程的管理和控制。

為了實現(xiàn)更好的用戶交互界面和豐富的功能，設計提供了多種槽函數(shù)，以響應用戶界面的控制和參數(shù)設置，如工作模式的切換、波形幅度周期的調整、數(shù)據(jù)源的選擇、數(shù)據(jù)類型的選擇、傳輸模式的切換等。

3.2 GUI設計主要模式

為了方便不同工作模式的快速切換，在設計中使用枚舉數(shù)據(jù)類型和模式切換方法，提高了程序的魯棒性和可讀性［6］。

圖5 數(shù)據(jù)交互中用到的主要模式

ChnMode模式負責波形信號的顯示通道切換，包括CH1、CH2、Dual和Sleep的4種狀態(tài)，分別表示工作于通道1、通道2、雙通道和睡眠狀態(tài)。

DataSource模式負責選擇不同的數(shù)據(jù)源，包括None、Inner和Exter 3種狀態(tài)，分別表示無數(shù)據(jù)、內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)。

DispMode模式負責切換橫屏和豎屏顯示。這種模式切換主要是為了適應手機、平板、嵌入式終端等可移動設備。

DataType模式負責接收3種不同模型的外部數(shù)據(jù)，包括Monitor、Video和Sensor，分別表示波形數(shù)據(jù)、視頻圖像和傳感數(shù)據(jù)。這種模式只有在DataSource模式處于Exter狀態(tài)才有效。

CommsMode模式負責切合串口工作方式，包括Terminal、Transfer和 Control，分別表示調試終端、數(shù)據(jù)傳輸和云臺控制3種狀態(tài)。

WorkMode負責整個顯示終端和用戶交互的工作狀態(tài)，包括 Started、Closed、Paused和 Normal的4種狀態(tài)，分別表示啟動、關閉、暫停和正常模式。一旦WorkMode處于關閉模式，顯示器Display和串口SerialComms均將關閉。

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 測試方法

鑒于遠程監(jiān)測系統(tǒng)完整的設計方案包括云臺終端、數(shù)據(jù)中心和顯示終端，本設計是顯示終端方面，故只測試顯示終端。使用虛擬串口、串口調試助手和Monitor用戶界面來搭建測試上位機測試平臺。

4.2 測試結果

設計的主要部分集中于多終端跨平臺的GUI設計，即以定制化的方式對傳感數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進行實時顯示，同時為用戶提供參數(shù)配置和云臺控制。故本設計對GUI的測試主要有3方面:1)對波形數(shù)據(jù)的測試，包括內(nèi)部波形和外部輸入波形。2)對傳感數(shù)據(jù)的測試，可通過虛擬調試助手進行模擬。3)對視頻圖像數(shù)據(jù)的測試，可通過USB直接連接攝像頭［7］。

4.2.1 波形數(shù)據(jù)的測試

Virtual Monitor用戶界面主要包括兩部分:Display顯示區(qū)和用戶控制面板。在波形數(shù)據(jù)模式下，通過模擬傳統(tǒng)示波器的顯示特點，可實現(xiàn)對2通道波形數(shù)據(jù)的顯示。同時，在控制面板中，用戶可通過Dial旋鈕分別對每個通道的幅度和位移進行設置［8］。

為了測試波形數(shù)據(jù)的顯示，設計選擇數(shù)據(jù)源為內(nèi)部數(shù)據(jù)，并選擇雙通道模式。然后啟動內(nèi)部數(shù)據(jù)選項卡，分別選擇矩形波和正弦波，如圖6所示。

圖6 內(nèi)部波形的顯示情況

從圖6可看出，Virtual Monitor用戶界面可在Windows平臺下對波形信號實現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。且用戶可靈活地切換不同通道，根據(jù)需要調整波形的相關參數(shù)，如周期、幅度和偏移等。

4.2.2 傳感數(shù)據(jù)測試

Virtual Monitor用戶界面在傳感數(shù)據(jù)顯示模式下，可多達對10個通道數(shù)據(jù)的實時顯示，并自動以不同的顏色進行區(qū)分。由于傳感數(shù)據(jù)是通過串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，因此要測試此功能，用戶需進行3個操作［9］:(1)在顯示設置頁面下，打開顯示器，并選擇數(shù)據(jù)源為外部數(shù)據(jù)。(2)在高級設置頁面下，選擇需要傳輸?shù)膫鞲袛?shù)據(jù)通道數(shù)。(3)在外部數(shù)據(jù)頁面下，選擇合適串口和波特率，并點擊Transfer數(shù)據(jù)模式。

圖7 多通道傳感數(shù)據(jù)顯示情況

通過搭建虛擬測試平臺，來完成對傳感數(shù)據(jù)顯示的測試。虛擬測試平臺包括虛擬串口VSPD、串口調試助手和 Virtual Monitor界面［10－12］。

4.2.3 視頻數(shù)據(jù)的測試

Virtual Monitor用戶GUI界面可提供對3種外部數(shù)據(jù)的顯示，要想獲取視頻圖像數(shù)據(jù)，必須打開Video數(shù)據(jù)模式。當沒有接入視頻數(shù)據(jù)時，顯示區(qū)會呈現(xiàn)如圖所示畫面“請插入攝像頭”;當有視頻數(shù)據(jù)輸入時，系統(tǒng)會自動檢測，并按幀提取圖像實時顯示，視頻圖像的顯示結果如圖8所示。

圖8 視頻圖像顯示界面

4.2.4 云臺運轉控制測試

設計在串口通信方面，提供了3種數(shù)據(jù)模式，即Terminal、Transfer和 Control，分別表示串口調試模式、數(shù)據(jù)傳輸模式和云臺控制模式。選擇Control進入云臺控制模式，用戶可對云臺終端的攝像頭參數(shù)和云臺運轉姿態(tài)進行控制。其中，攝像頭可控制參數(shù)有光圈和焦距，用以調節(jié)攝像的視角。云臺控制包括基本的啟動、暫?？刂坪退健⒋怪毙D控制。云臺控制和攝像頭參數(shù)設置如圖9所示。

圖9 云臺控制和攝像頭參數(shù)控制

5 結束語

通過實驗測試效果可看出，Virtual Monitor用戶GUI界面基本可實現(xiàn)對波形數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的顯示，以及對云臺工作和攝像頭參數(shù)的控制。同時，在測試過程中，也發(fā)現(xiàn)了以下問題:(1)客戶端界面設計仍有待改進，需進一步優(yōu)化以提高界面的友好程度。(2)系統(tǒng)性能也有待提高，系統(tǒng)構架可能造成性能瓶頸。

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