基于QT的有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)

孫光民，翁 羽，王 皓

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

0 引言

伴隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的有毒有害氣體對人類的危害日益嚴(yán)重。為了最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，避免事故的發(fā)生，在存在易燃易爆、有毒有害氣體爆炸隱患的場所安裝氣體檢測報警系統(tǒng)就顯得尤為重要[1]。通常的有害氣體檢測報警系統(tǒng)由氣體檢測器和報警控制器組成，氣體檢測器設(shè)置在需要檢測的環(huán)境內(nèi)，將檢測到的氣體濃度轉(zhuǎn)換為電信號傳送到控制器?？刂破骺梢园卜旁谑覂?nèi)，通過系統(tǒng)對各個監(jiān)控地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測[2]。

本篇重點(diǎn)開發(fā)基于QT的有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)，以準(zhǔn)確顯示有害氣體檢測器的實(shí)時作業(yè)信息。目標(biāo)是應(yīng)用在REGARD 7000CN有害氣體報警控制器上的人機(jī)交互(HMI)系統(tǒng)，基于主流開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計，滿足有害氣體報警控制器國標(biāo)GB16808—2008要求的功能[3]，包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、報警和故障指示等，界面語言為中文。該系統(tǒng)為工廠控制室的操作人員設(shè)計制作，在工人作業(yè)的安全性、工作效率及檢修及時性，工業(yè)的自動化、智能化控制方面具有優(yōu)越性[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括3個部分：QT圖形化界面開發(fā)控制平臺(工業(yè)平板電腦)、氣體報警控制器Regard 7000CN(塢站)和報警電路板(PCB板)。界面開發(fā)平臺為Windows7操作系統(tǒng)，將編譯好的HMI程序移植到該平臺上，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的點(diǎn)觸功能。Regard 7000CN氣體報警控制器可配置4個塢站，每個塢站如圖2所示可靈活配置64個通道，通道作為檢測器，檢測相應(yīng)的氣體濃度[5]。塢站與控制平臺間由RS485進(jìn)行通訊，RS232與報警電路板相連控制蜂鳴器、LED燈進(jìn)行報警信息提示工作。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖

圖2 塢站結(jié)構(gòu)示例圖

2 QT

有害氣體監(jiān)控軟件系統(tǒng)的開發(fā)基于Windows7 32位操作系統(tǒng)(內(nèi)存 4 GB)和QT5.10+Visual Studio2017開發(fā)環(huán)境，采用C++語言進(jìn)行開發(fā)。

圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)，又稱為圖形用戶接口，是采用圖形方式顯示的計算機(jī)操作用戶界面[6-7]。QT作為一款跨平臺的 C++圖形用戶界面開發(fā)框架，模塊之間相互獨(dú)立，并能為用戶提供良好的封裝庫[8-9]。QT對象系統(tǒng)支持對象之間的通信機(jī)制(信號與槽)及動態(tài)屬性系統(tǒng)，是一個標(biāo)準(zhǔn)C++擴(kuò)展，方便GUI圖形用戶界面編程[10]。因此,本系統(tǒng)基于QT技術(shù)開發(fā)軟件,具有易擴(kuò)展、易維護(hù)、可移植性好及開發(fā)靈活等特點(diǎn)。

使用VS+QT的開發(fā)框架可以直接使用微軟內(nèi)建的IntelliSense，加速開發(fā)工作。微軟的MFC(微軟基礎(chǔ)類庫)預(yù)編譯機(jī)制可以緩解C++編譯慢的問題[11]。表1為VS+QT和QT Creator兩者在Windows開發(fā)環(huán)境下的對比。

表1 VS+QT與QT Creator開發(fā)對比

3 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)總體框架

有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面的形式實(shí)現(xiàn)，根據(jù)功能將系統(tǒng)劃分成7個功能模塊，如圖3所示。

(1)用戶權(quán)限模塊：對該軟件使用者進(jìn)行信息驗(yàn)證，根據(jù)權(quán)限開放可使用的模塊；

(2)信息顯示模塊：查看①通道實(shí)時信息、②通道層級具體信息、③通道歷史信息、④氣體檢測器真實(shí)動態(tài)化模擬信息；

圖3 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖

(3)平面圖編輯模塊：將通道拖拽到部署區(qū)域的平面圖對應(yīng)位置上，實(shí)時查看該通道的情況與部署區(qū)內(nèi)檢測器的布局；

(4)系統(tǒng)設(shè)置模塊：設(shè)定軟件時間、屏幕檢查以及通道配置信息；

(5)RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊：讀取氣體報警控制器Regard 7000CN的各通道數(shù)據(jù)；

(6)RS232數(shù)據(jù)傳輸模塊：讀取報警電路板的電源等硬件信息，并向下發(fā)送報警、故障等信息；

(7)氣體數(shù)據(jù)記錄模塊：將氣體的實(shí)時變化信息存儲，便于顯示模塊查找分析。

7個模塊涵蓋了有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的基本流程，前4個模塊與GUI界面顯示有關(guān)，共19個界面，圖形用戶界面結(jié)構(gòu)如圖4所示。后3個模塊分別用獨(dú)立的線程執(zhí)行，不影響界面操作。

圖4 圖形用戶界面結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可以使各模塊間相互獨(dú)立，根據(jù)不同功能模塊，封裝成類，進(jìn)行接口及抽象設(shè)計。操作過程清晰，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性強(qiáng)，有效減少了軟件開發(fā)工作量[12]。

3.2 系統(tǒng)的實(shí)時顯示

在有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)中，需要實(shí)時顯示每個通道的編號、名稱、檢測值、當(dāng)前狀態(tài)等共10項(xiàng)信息。其中通道的數(shù)據(jù)由RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊完成，該模塊為保證上層界面的流暢運(yùn)行，由線程實(shí)現(xiàn)讀取和存儲。而通道的實(shí)時顯示模塊需要不斷讀取存儲的數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯判斷顯示。為此提出了2種基于定時器的實(shí)時顯示算法，如圖5所示。圖5(a)為排序標(biāo)記方法，圖5(b)為建立臨時存儲空間方法。

(a)排序標(biāo)記法

(b)建立臨時空間存儲法

定時器是用來處理周期性事件的一種對象，它可以對程序?qū)崿F(xiàn)時間上的控制。例如設(shè)置一個周期為1 s的定時器，那么每1 s會發(fā)射信號，在信號關(guān)聯(lián)的槽函數(shù)里做相應(yīng)處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，第一種方法由于sort排序帶來的時間復(fù)雜度過高，每次顯示時間超過2 s ，并且它對原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)記操作，降低了程序的穩(wěn)定性和可靠性；第二種新建臨時結(jié)構(gòu)體的方法，不影響原始數(shù)據(jù)，響應(yīng)時間低于0.5 s，更具實(shí)時性。

通道當(dāng)前狀態(tài)信息的顯示需要報警、故障等圖標(biāo)閃爍來提示用戶。由于定時器的周期處理機(jī)制，需要高效的算法進(jìn)行顯示，保證當(dāng)前頁的閃爍頻率保持一致。為此提出了3種解決方案，圖6(a)為定時器運(yùn)行計數(shù)方法，圖6(b)為當(dāng)前時間判斷方法，圖6(c)為顯示信息集中處理方法。

(a)定時器運(yùn)行計數(shù)法

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，第一種在定時器內(nèi)計數(shù)判斷顯示的方法，受定時器運(yùn)行周期影響，CPU占有率的不同會導(dǎo)致圖標(biāo)閃爍頻率時快時慢，并且不能精準(zhǔn)地設(shè)定閃爍的周期時間；第二種靠當(dāng)前秒針判斷的方法，可以準(zhǔn)確設(shè)定閃爍周期，但是定時器對每個通道進(jìn)行邏輯處理的效率影響了每個閃爍的開始時間，閃爍不穩(wěn)定；第三種將閃爍信息存儲后獨(dú)立顯示的方法，將圖標(biāo)的邏輯判斷部分只進(jìn)行信息存儲，獨(dú)立出閃爍的部分進(jìn)行統(tǒng)一顯示，該方法不影響定時器對其他信息的判斷處理，并且將顯示統(tǒng)一，保證閃爍頻率一致。整個有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的信息顯示模塊界面效果如圖7所示。

圖7 信息顯示模塊界面

3.3 系統(tǒng)的人性化顯示

為了能讓使用者更加直觀地監(jiān)測到氣體報警控制器REGARD 7000CN上所有通道的工作狀態(tài)，本系統(tǒng)設(shè)計完成了動態(tài)畫面展示模塊。該模塊可以模擬當(dāng)前時刻4個塢站共248個通道和2個電源的運(yùn)行狀態(tài)?；诙〞r器機(jī)制開發(fā)，保證顯示信息與實(shí)際情況的時間差不超過0.5 s。效果如圖8和圖9所示，分別為塢站和電源的實(shí)際工作情況、對應(yīng)時刻的動態(tài)展示模塊界面。

圖8 硬件運(yùn)行情況

平面圖編輯模塊可以讓工廠操作室內(nèi)的工作人員直觀地查看所有檢測器的部署位置和當(dāng)前檢測氣體的狀態(tài)。用戶在該模塊內(nèi)需要上傳部署區(qū)的平面圖，并將已有通道檢測器拖拽到圖中，模塊會記錄相應(yīng)位置并顯示該通道當(dāng)前的狀態(tài)信息。值得注意的是目前大部分的拖拽繪圖操作軟件使用的是MFC或JS進(jìn)行開發(fā)，使用QT進(jìn)行開發(fā)需要兼顧用戶的可操作性以及程序的穩(wěn)定性。平面圖編輯模塊界面效果如圖10所示。

圖10 平面圖編輯模塊界面

4 軟件實(shí)現(xiàn)與測試

在軟件開發(fā)過程中，測試是軟件質(zhì)量保證的關(guān)鍵，是產(chǎn)品發(fā)布并且提交給用戶的穩(wěn)定化階段[13]。有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的測試主要為程序可擴(kuò)展性和用戶友好性2個方面。

4.1 可擴(kuò)展性測試

因在不同操作系統(tǒng)的運(yùn)行情況可能有所偏差，系統(tǒng)基于Windows 7、Windows 10操作系統(tǒng)進(jìn)行測試。將由Release版本生成的HMI.exe執(zhí)行文件同libEGL.dll、libGLESV2.dll、Qt5Core.dll、Qt5Gui.dll、Qt5Svg.dll、Qt5Widgets.dll、圖標(biāo)組、風(fēng)格組共20個動態(tài)銜接庫打包生成HMI-setup.exe安裝程序安裝到2種操作系統(tǒng)中。通過測試發(fā)現(xiàn)該軟件平臺均可以在2種操作系統(tǒng)上平穩(wěn)運(yùn)行，軟件平臺各個模塊間切換流暢。

4.2 用戶友好性測試

將自主開發(fā)的有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)同德國商用系統(tǒng)REGARD 7000 Configuration Software(德爾格)進(jìn)行比較測試。該軟件平臺在Windows7、Windows10操作系統(tǒng)上啟動時間均需要25 s，沒有太大差異。測試過程模擬了真實(shí)的有害氣體監(jiān)控情況，超過30個檢測通道將部署在不同的房間內(nèi)，有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地定位并顯示當(dāng)前狀態(tài)，節(jié)省了操作人員逐一檢查的時間，提高工作效率。

系統(tǒng)測試結(jié)果表明：本界面基于QT技術(shù)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了功能可擴(kuò)展和人機(jī)交互的友好界面功能,相比原有的監(jiān)控軟件,方便實(shí)際運(yùn)作。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于QT的有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面簡潔,在實(shí)現(xiàn)有害氣體信息實(shí)時顯示的基礎(chǔ)上，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了更人性化的功能模塊。系統(tǒng)可以對現(xiàn)實(shí)設(shè)備情況進(jìn)行模擬展示，獨(dú)有的平面圖顯示模塊也能為用戶提供直觀的檢測器部署位置和當(dāng)前檢測狀態(tài)。通過測試該軟件平臺可以在Windows系統(tǒng)上平穩(wěn)運(yùn)行，并且可擴(kuò)展性、實(shí)用性強(qiáng),在未來監(jiān)管領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的過程中會提供幫助。隨著人們對空氣污染的日益關(guān)注，系統(tǒng)將具有廣闊的市場前景。