余燕娟 高 翔

1(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 漳州 363099) 2(廈門大學(xué)第一附屬醫(yī)院 福建 廈門 361003)

0 引 言

甲醛(HCHO)，又名蟻醛，是一種帶有刺激性氣味的氣體[1]。甲醛一直被用于木材、塑料、醫(yī)藥、紡織、機(jī)械等行業(yè)生產(chǎn)過程中，同時(shí)甲醛會與生物細(xì)胞產(chǎn)生反應(yīng)，如人體接觸高濃度甲醛，甲醛便會與人體蛋白質(zhì)結(jié)合，會使得細(xì)胞受損，引發(fā)水腫、頭疼等一系列癥狀，對低濃度的甲醛人體會由代謝系統(tǒng)排除。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定居室空氣中甲醛的最高允許濃度為0.08 mg/m3，公共場所甲醛的最高允許濃度為0.10 mg/m3[2]。甲醛對人體的傷害因濃度的高低而不同，其中人體處于高濃度甲醛環(huán)境中會使得身體組織產(chǎn)生不可逆性的傷害[3]。因此為了保障人員的身體健康，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生甲醛的工廠實(shí)現(xiàn)對甲醛的實(shí)時(shí)監(jiān)測十分重要。

工廠應(yīng)該對產(chǎn)生中易產(chǎn)生甲醛的過程進(jìn)行監(jiān)測，以保證員工作業(yè)安全，但目前針對甲醛的連續(xù)監(jiān)測仍處于空白[4]。針對社會需求團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了適合于工廠環(huán)境的多點(diǎn)甲醛監(jiān)測儀。該監(jiān)測裝置基于RS485總線分布式總線控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)甲醛采集板的與中心控制板的通信方式，完成了多個(gè)數(shù)據(jù)采集板的級聯(lián)。采集器采用MSP430單片機(jī)為核心工作部件，采用納米材料的甲醛傳感器檢測甲醛計(jì)量。選取臺灣工研院資深研發(fā)的高精度泓格AD和DA模塊，用于加強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集和處理。對甲醛出現(xiàn)超標(biāo)狀況下設(shè)置開啟排氣系統(tǒng)及報(bào)警提醒等兩種保護(hù)措施命令的下發(fā)，利用低電壓、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的對接。甲醛檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 甲醛監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

與常規(guī)單點(diǎn)檢測的甲醛測試儀[5]不同，該甲醛監(jiān)測儀可對工廠5個(gè)生產(chǎn)點(diǎn)進(jìn)行甲醛計(jì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了低功耗、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的設(shè)計(jì)。選取高精度的傳感器和AD元件，保證精準(zhǔn)性和靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)對甲醛監(jiān)測數(shù)據(jù)和對甲醛報(bào)警信息的匯總，設(shè)計(jì)利用網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)。本文基于此硬件平臺進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能甲醛監(jiān)測軟件，完成工廠中多點(diǎn)甲醛的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲、查看等多種功能。

1 關(guān)鍵技術(shù)

智能甲醛監(jiān)測軟件在VC++的開發(fā)平臺完成設(shè)計(jì)，利用窗口化的設(shè)計(jì)模式，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)語言C++[6]，選擇數(shù)據(jù)可視化開發(fā)模塊PlotLab，利用自主開發(fā)的儀表類，結(jié)合SQLite嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫完成了軟件開發(fā)。

1.1 PlotLab VC++數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)是智能甲醛測試軟件設(shè)計(jì)的重要部分，幫助用戶快速獲取數(shù)據(jù)信息、捕抓信息特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)嵌入了數(shù)據(jù)可視化的PlotLab_VCL控件，控件以類的方式提供了用戶快速信號繪制接口函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)柱行、波浪行、星點(diǎn)行等多種模式圖形的繪制及數(shù)據(jù)的分析[7]，其形狀如圖2所示。PlotLab具備模塊化的設(shè)計(jì)方式讓程序的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)顯示更輕松、簡易，同時(shí)PlotLab以多線程編程方式完成開發(fā)，因此運(yùn)行速度快。PlotLab可以嵌入到多種應(yīng)用程序開發(fā)中，VC++程序的開發(fā)選擇的是PlotLab_VC版本。安裝PlotLab_VC軟件，設(shè)置安裝環(huán)境及鏈接庫，即可在工程中調(diào)用PlotLab的函數(shù)庫。通過頭文件的調(diào)用打開程序接口：“#include ”。在資源中添加畫布對象，并定義控件變量CTSLScope Scope，利用VCL_InitControls()函數(shù)將畫布與Scope實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，Scope繪制的圖形就可以在畫布上面呈現(xiàn)。

圖2 PlotLab中數(shù)據(jù)顯示模式

以柱狀圖為例，Scope可以利用其接口函數(shù)為完成顯示樣式的選擇：

Scope.Channels[0].ChannelMode=cmBar;

//cmBar為柱狀圖

……

Scope.Channels[0].Data.Clear();

……

//開啟定時(shí)器用于接收數(shù)據(jù)并顯示

Scope.Channels[0].Data.AddXYPoint(m_Date);

……

PlotLab通過定時(shí)器的AddXYPoint()函數(shù)完成數(shù)據(jù)的添加，完成數(shù)據(jù)圖形可視化的設(shè)計(jì)。

1.2 多功能儀表類設(shè)計(jì)

為了更加形象地顯示甲醛環(huán)境中溫濕度的監(jiān)測，軟件設(shè)計(jì)適合溫濕度顯示的CStThermometer儀表類。CStThermometer利用Visual C++提供了CDC繪圖類，調(diào)用基礎(chǔ)繪圖函數(shù)完成圖形的繪制，程序中主要使用LineTo()直線/折線、Rectangle()矩形函數(shù)完成圖形繪制[8]。

CStThermometer圖形如圖3所示，圖形利用從背景、基本元件、刻度、數(shù)據(jù)等幾個(gè)步驟層層疊加的方式完成繪制。

圖3 CStThermometer圖形類繪制

主要程序如下所示：

pDC->FillSolidRect(&m_rectCtrl,m_clrBackGround);

//繪制填充背景顏色

//繪制溫度計(jì)的刻度

ScaleFont.CreateFont(……)

//創(chuàng)建刻度筆

for(int i=0;i<=m_nTicks;i++)

//繪制大刻度

{

pDC->MoveTo(……);

pDC->LineTo(……);

if(i

//繪制子刻度

{ for(int j=1;j

{ pDC->MoveTo(……);

pDC->LineTo(……);

}

}

……

}

OnDrawData(……)

//繪制數(shù)據(jù)

在繪制背景、刻度等變量時(shí)，為了體現(xiàn)溫度控件立體效果，提高用戶感官體驗(yàn)，CStThermometer類對儀表進(jìn)行三種顏色畫筆交錯(cuò)繪制，利用位置及顏色的差異為視覺呈現(xiàn)立體效果[9]，使得儀表呈現(xiàn)更真實(shí)。

使用CStThermometer類需調(diào)用#include “CStThermometer.h”頭文件，同時(shí)在資源中增加畫布STATIC變量，利用畫布與CStThermometer關(guān)聯(lián)，利用接口函數(shù)完成數(shù)據(jù)設(shè)置：

SetMaxValue(maxvalue);

//設(shè)置量程最大值

SetLimit()

//設(shè)置限值函數(shù)

SetData()

//設(shè)置數(shù)值函數(shù)

1.3 嵌入式數(shù)據(jù)管理

智能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間不存在復(fù)雜的關(guān)系，為了方便用戶可以快速使用軟件，不必安裝數(shù)據(jù)庫軟件及架設(shè)服務(wù)器[10]，本文設(shè)計(jì)選擇嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLite完成嵌入數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用管理。SQLite數(shù)據(jù)庫可以免安裝直接嵌入到智能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)中，其僅有一個(gè).db文件，用戶在使用時(shí)可以直接拷貝，其最大的特點(diǎn)是小巧、簡單、代碼精簡，方便用戶移植智能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)程序。SQLite數(shù)據(jù)庫在這種零狀態(tài)配置模式下與應(yīng)用系統(tǒng)有效結(jié)合，效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

SQLite數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序建立的聯(lián)系方式有很多，如SQLite3命令行程序、SQLite共享庫、TCL擴(kuò)展方式等[11]。智能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)選擇了SQLite共享庫的方式打開數(shù)據(jù)庫與程序的接口，程序通過添加sqlite3.dll及頭文件sqlite3.h連接文件，并利用sqlite3_open()函數(shù)開啟了與數(shù)據(jù)庫通信的通道，如圖4所示。

圖4 SQLite數(shù)據(jù)庫共享鏈接庫鏈接模式

智能甲醛監(jiān)測軟件在訪問數(shù)據(jù)庫操作主要包括甲醛計(jì)量的存儲、查看、篩查等，SQLite采用SQL語言完成上述數(shù)據(jù)操作需求。區(qū)別于直接使用SQL語言，SQLite數(shù)據(jù)庫使用數(shù)據(jù)庫執(zhí)行函數(shù)嵌套SQL語言的方式執(zhí)行，其部分程序如下：

char*sql="CREATE TABLE table1(……);";

//SQL語言創(chuàng)建表格

sqlite3_exec(db,sql……);

//SQLite語言執(zhí)行SQL建表命令

sql="SELECT*FROM table1";

//SQL查詢

sqlite3_get_table(db,sql,&azResult,&nrow,&ncolumn,&zErrMsg);

//SQLite語言執(zhí)行SQL查詢數(shù)據(jù)命令

SQLite3存儲中文數(shù)據(jù)會出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象，因?yàn)镾QLite3數(shù)據(jù)庫默認(rèn)的編碼格式為ASCII碼,而VC++程序默認(rèn)使用的是Unicode編碼。因此在存儲中文數(shù)據(jù)時(shí)候需要對中文數(shù)據(jù)由Unicode轉(zhuǎn)換成ASCII碼，同時(shí)在讀取數(shù)據(jù)庫表格時(shí)需將ASCII碼進(jìn)行編碼模式的轉(zhuǎn)換，否則讀到的數(shù)據(jù)也將是亂碼。程序結(jié)束需利用sqlite3_close(db)函數(shù)關(guān)閉創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫文件，斷開程序與數(shù)據(jù)庫的握手通道。

1.4 多線程網(wǎng)絡(luò)通信類

硬件設(shè)備利用無線通信模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，其中無線通信模塊采用網(wǎng)絡(luò)方式完成通信，因此程序設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信類CSoketConnect。CSoketConnect是以Windows提供的WinSock套接字為基礎(chǔ)，編程中需要先調(diào)用套接字，程序如下所示，WinSock只支持一個(gè)通信域，即網(wǎng)際域(AF_INET)[12]。

#include "winsock2.h"

#include

#pragma comment(lib,"ws2_32")

//導(dǎo)入Socket的動(dòng)態(tài)鏈接庫

程序設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)套接字具有兩種模式，分別為MODE_ASYN異步接收模式和MODE_SYN同步接收模式。在同步模式的網(wǎng)絡(luò)套接字在調(diào)用發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí)，函數(shù)結(jié)束時(shí)相應(yīng)的發(fā)送/接收處理操作也同時(shí)結(jié)束，如果函數(shù)未結(jié)束，那么網(wǎng)絡(luò)套接字的程序進(jìn)行等待狀態(tài)。而使用異步模式下，發(fā)送/接收函數(shù)被調(diào)用結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送到消息機(jī)制中處理，并不知道網(wǎng)絡(luò)套接字對是否結(jié)束，處理結(jié)果會通過事件結(jié)果反饋。網(wǎng)絡(luò)通信類CSoketConnect網(wǎng)絡(luò)編程中結(jié)合了事件驅(qū)動(dòng)方式[13]，實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)程序設(shè)計(jì)中多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接，事件驅(qū)動(dòng)方式是將網(wǎng)絡(luò)通信的權(quán)限下放給事件，不斷輪詢所負(fù)責(zé)的WinSock，當(dāng)有WinSock數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，再通知程序。

設(shè)置程序變量SOCKET m_Socket，并可以利用InitSocket()函數(shù)實(shí)現(xiàn)異步模式連接到對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)就自動(dòng)進(jìn)入事件驅(qū)動(dòng)的多線程模式，利用監(jiān)視線程時(shí)刻監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)可靠和穩(wěn)定。

event=WaitForMultipleObjects(……);

//等待網(wǎng)絡(luò)事件

switch(event)

//對事件進(jìn)行判定

{

case 0:

//要求停止網(wǎng)絡(luò)，結(jié)束監(jiān)視線程

AfxEndThread(100);……

case 1:

//人工操作連接無反應(yīng)，重啟事件

time=0;

ResetEvent(psocket->m_HandleOperate);

break;

case 2:

//超時(shí)連接，進(jìn)行多次同步模式網(wǎng)絡(luò)重連

ResetEvent(psocket->m_HandleTime);

if(time>=0)

{……

psocket->ConnectSyn()

//利用同步模式重連網(wǎng)絡(luò)判斷是否成功

}}

在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷將進(jìn)行重連，此時(shí)采用同步模式連接網(wǎng)絡(luò)，等到超時(shí)仍未連接上，接收到報(bào)錯(cuò)信息才停止。利用監(jiān)視線程對網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)及錯(cuò)誤進(jìn)行跟蹤，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。

2 軟件功能、框架和實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件功能分析

設(shè)計(jì)軟件要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場對甲醛的計(jì)量監(jiān)測需要滿足如下功能：

(1) 對多個(gè)甲醛計(jì)量、環(huán)境PM2.5的值、溫度濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)測，對獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲得對應(yīng)計(jì)量值，并顯示在對應(yīng)界面上；(2) 通過計(jì)算并顯示每個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)中甲醛最高計(jì)量、最低計(jì)量和平均計(jì)量；(3) 可控制監(jiān)測點(diǎn)的開啟狀態(tài)，開啟或者關(guān)閉甲醛計(jì)量監(jiān)測功能；(4) 對出現(xiàn)甲醛超標(biāo)情況的實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)下發(fā)命令，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)通風(fēng)排氣系統(tǒng)，改善空氣質(zhì)量，保證人員的安全；(5) 對甲醛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并設(shè)置篩查功能，方便管理人員查看、導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2.2 軟件框架結(jié)構(gòu)

軟件架構(gòu)是設(shè)計(jì)者從現(xiàn)實(shí)世界通向計(jì)算機(jī)領(lǐng)域工程項(xiàng)目的橋梁[14]。根據(jù)軟件邏輯框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，對甲醛監(jiān)測系統(tǒng)用戶需求進(jìn)行分析，對程序中服務(wù)的元件之間的關(guān)系進(jìn)行梳理，將程序按照邏輯功能的不同將劃分成三部分，如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

智能甲醛監(jiān)測軟件是面向甲醛測試儀和軟件操作員的軟件，通過網(wǎng)絡(luò)方式建立了PC機(jī)與甲醛測試儀設(shè)備之間的連接，以窗口化圖形界面顯示的方式向軟件操作員提供數(shù)據(jù)信息及操作。數(shù)據(jù)的分析、轉(zhuǎn)換、存儲、調(diào)用都是在軟件內(nèi)部完成，因此業(yè)務(wù)邏輯操作層是程序核心。根據(jù)每個(gè)邏輯層的功能不同，將軟件框架細(xì)分，如圖6所示。

圖6 智能甲醛監(jiān)測軟件軟件框架

智能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)要完成多路甲醛監(jiān)測、控制、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲等功能，因此針對軟件操作層需要設(shè)置甲醛計(jì)量的顯示、數(shù)據(jù)圖形化、報(bào)警提醒、數(shù)據(jù)查詢等界面顯示模塊。設(shè)備交互層包括程序與PC機(jī)工作的Windows的I/O接口[15]，與測試儀通信的網(wǎng)絡(luò)通信程序，以及CSoketConnect類。業(yè)務(wù)邏輯層中與數(shù)據(jù)為中心的處理包括數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲、調(diào)度的實(shí)際程序，以及用戶操作的動(dòng)作對應(yīng)的程序。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

基于VS2010開發(fā)軟件中的VC++開發(fā)平臺，利用MFC窗口框架設(shè)計(jì)模式、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法完成軟件開發(fā)[16]，軟件主要功能分為甲醛監(jiān)測、環(huán)境變量監(jiān)測、監(jiān)測狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲設(shè)置、報(bào)警和數(shù)據(jù)篩查等幾個(gè)模塊。甲醛監(jiān)測同時(shí)顯示每個(gè)測試點(diǎn)甲醛的最大、最小測試值及平均值，同時(shí)利用PlotLab_VC動(dòng)態(tài)顯示甲醛波形數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測了PM2.5、溫度、濕度參量，監(jiān)測軟件界面如圖7所示。

軟件與甲醛測試裝置進(jìn)行無線通信，獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 智能甲醛監(jiān)測軟件流程

2.4 軟件測試與應(yīng)用

選擇了家具廠作為系統(tǒng)的測試點(diǎn)，家具生產(chǎn)過程中要大量使用粘合劑、涂料等，這些材料均會釋放甲醛。選取工廠中的五個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)工作特性將其分為材料區(qū)、切割區(qū)、組立區(qū)、包裝區(qū)、成品區(qū)五個(gè)區(qū)域，利用甲醛檢測儀對監(jiān)測點(diǎn)的甲醛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳控制室的控制軟件。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的甲醛監(jiān)測計(jì)量不同，如材料區(qū)常在0.16 mg/m3左右，管理人員設(shè)置報(bào)警界限值為0.15 mg/m3，軟件報(bào)警并下發(fā)信號，開啟材料區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)的作用使甲醛計(jì)量下降。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)不同的溫濕度值對于甲醛計(jì)量有影響，溫度和濕度增加五個(gè)區(qū)域的甲醛監(jiān)測值均有上升。

通過測試，該智能甲醛監(jiān)測軟件性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可視化強(qiáng)、操作性可靠，且獲取的數(shù)據(jù)可以提供對甲醛進(jìn)行研究。

3 結(jié) 語

智能甲醛監(jiān)測軟件采用面向?qū)ο蟮腃++為開發(fā)語言，在VS2010的開發(fā)軟件下，利用嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLite完成設(shè)計(jì)。軟件的可拓展性強(qiáng)、用戶體驗(yàn)良好。環(huán)保是目前我國社會關(guān)注的重要問題之一，中國很多企業(yè)對甲醛檢測仍純在空缺，因此該軟件與硬件配合完成的智能甲醛監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，為工廠甲醛監(jiān)測的軟件設(shè)計(jì)提供了借鑒。