吳連港

（200082 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

改革開放以來，我國經濟發(fā)展很快，也不可避免地產生了一些污染問題，部分工廠亂排亂放，造成水質污染，因此生態(tài)環(huán)境問題受到越來越多的關注[1]。本文設計了一個水質檢測系統(tǒng)，實時檢測各項指標，從而管理水污染問題。

水質在線檢測系統(tǒng)是運用現代傳感技術、自動測量技術、自動顯示技術組成的一個綜合性的在線自動檢測體系[2]。水質在線檢測系統(tǒng)可盡早發(fā)現水質的異常變化，為防止下游水質污染迅速追蹤污染源，從而為減少水污染，改善大自然環(huán)境質量和保護人類的生命安全[3]。

目前的水質檢測系統(tǒng)大多采用Java 或LabVIEW 等實現，導致開發(fā)的可移植性差，本文采用基于嵌入式Linux+Qt 的水質檢測系統(tǒng)圖形用戶界面的設計與開發(fā)[4]。

1 系統(tǒng)硬件結構

上位機采用國產芯片瑞芯微RK3288 的Firefly 開源主板。Firefly-RK3288 是2014 年6 月中旬由國內Firefly硬件團隊推出的高性能開發(fā)板，使用瑞芯微最新RK3288 四核Cortex-A17 處理器，頻率最高可達1.8 GHz，支持Android 和Ubuntu雙系統(tǒng)，類似產品有樹莓派，Cubieboard，pcDuino 等，Firefly-RK3288 可 用 作MiniPC（微型電腦主板），電視盒子，服務器，廣告機，開發(fā)板[5]。下位機用于完成水質各項重要數據的采集以及與上位機的通信。通過調用QSerialPort 模塊，可以實現上位機與下位機的RS485 串口通訊，并且發(fā)送的數據內容符合MODBUS-RTU 協(xié)議，能夠極大保障發(fā)送與接收數據的準確性和抗干擾能力。另外采用一個RS485 通訊的繼電器，Qt 的上位機界面通過按鍵槽函數向其發(fā)送報文，控制繼電器的啟停。硬件部分的整體組成邏輯圖如圖1 所示，上位機部分是運行在Linux 系統(tǒng)的水質檢測系統(tǒng)，通過RS485 總線與擴展板連接，擴展板再與各個傳感器的電極變壓器的接線連接采集傳感器的電壓信號。

圖1 硬件組成邏輯圖Fig.1 Logic diagram of hardware composition

2 應用程序軟件設計

2.1 基于Qt 的圖形用戶界面設計

Qt 是一個跨平臺的C++應用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI 程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，比如控制臺工具和服務器。Qt 是面向對象的框架，使用特殊的代碼生成擴展以及一些宏。Qt 很容易擴展，并且允許真正地組件編程。作為嵌入式版本，Qt 被廣泛運用于各類嵌入式產品和設備的開發(fā)[6]。水質檢測系統(tǒng)的圖形用戶界面的開發(fā)，主要運用了QPushButton 控件、QLCDNumber 顯示控件、QTableView 控件、Line Edit 等其它控件。在Qt 中，通過按鈕信號與槽函數的通信和聯系，實現主界面與子界面的來回切換，還實現了自動檢測和關閉自動檢測以及繼電器的打開和關閉以及不同水質數據折線圖的窗口切換等許多功能[7]。

打開自動檢測前，水質檢測系統(tǒng)的圖形用戶界面設備文件節(jié)點找到對應的USB 串口號，這里我們設置串口的波特率是9 600，數據位是8位，停止位是0 位，奇偶位是1。從而實現了LCD 控件上實時顯示各個傳感器采集的數據。

打開自動檢測后，為了滿足嵌入式上位機能延時自動向下位機發(fā)送報文，并要求傳感其開始采集水質各項數據。但由于需要6 個傳感器同時采集，這就要調用QThread 模塊線程多任務進行。

通過Linux 開發(fā)平臺上Qt 集成開發(fā)環(huán)境得到的圖形用戶界面如圖2 所示。

圖2 顯示畫面Fig.2 Display screen

2.2 水質檢測系統(tǒng)界面程序的開發(fā)

首先使用Qt 設計器創(chuàng)建水質檢測系統(tǒng)的主窗口，即Widget 類。在此基礎上，另外添加了3個QWidget 類和一個Qbjiect 類分別實現實時數據報表查看、歷史折線圖查看、打開攝像頭以及多任務線程功能。

類之間的調用與界面間的來回切換，并將這些功能串聯起來是整個界面設計的關鍵所在。在Widget 的頭文件中，include 被調用子窗體類的頭文件。在構造函數中初始化子窗體類的對象名，在源程序中的按鈕函數中將其隱藏，在相應的菜單按鈕clicked()信號對應的槽函數中使子窗體顯示出來，實現了主窗體與子窗體的切換。代碼如表1 所示。

表1 界面間來回切換代碼Tab.1 Code to switch back and forth between interfaces

2.3 數據庫的使用

由于該水質檢測系統(tǒng)要對檢測的數據進行存儲等功能，并且SQLite 數據庫功能強大、接口簡單、速度快、體積小，非常適合嵌入式設備，所以這里采用了數據庫SQLite 來作為本地存儲[6]。

SQLite 數據庫擁有眾多優(yōu)點，如管理簡單、操作方便、生成的數據庫文件可以在各個平臺無縫移植等，可以非常方便地以多種形式嵌入到其他應用程序中，如靜態(tài)庫、動態(tài)庫且易于維護等。就可以為Qt 界面提供實時數據查看以及歷史數據的折線圖查看功能所需要的數據，采用QTableView 以及QChartView 控件來分別顯示查看實時數據表格和歷史趨勢折線圖。

程序編寫好后，運行編譯好的Qt 程序，部分測試結果如圖3—圖5 所示。

圖3 數據報表圖Fig.3 Data report diagram

圖4 pH 數據折線圖Fig.4 pH data line chart

圖5 溫度數據折線圖Fig.5 Line graph of temperature data

用折線圖查看歷史數據設計時，為了防止項目工程的冗余，故將6 個控件直接放在一個界面中，以便在同一個界面中切換查看。初始化默認顯示為水質pH 數據的折線圖。同時，為了能夠查看折線圖上的每個時間點對應的數據值，并將時間與數據值都顯示在折線圖表的上方，采用支持hover 事件響應并將其關聯到槽函數，且寫出槽函數。

除此以外，為了防止采集了大量的數據后，折線圖會出現堆積現象，此時運用QTimer 類啟動定時器定時，設置每2 s 鐘動態(tài)顯示折線圖的由左向右的移動。對于數據表格，由于采集大量的數據，因此采用翻頁和跳轉到某一頁的操作來更有效地查看實時數據。

3 結語

本文通過跨平臺的 Qt 開發(fā)，并借助SQLite數據庫一起構成一個水質檢測系統(tǒng)。通過連接下位機的測試，該系統(tǒng)實現了實時顯示數據、實時查看采集的數據和歷史趨勢圖等功能，滿足了水質檢測的設計要求，可靈活地應用于各種水質檢測。