摘 要： 針對燃料電池開發過程中對溫度控制的需要，設計了一種溫度監控系統，監控溫度的變化。在介紹了系統整體結構及各部分設計方法之后，基于S3C2410和嵌入式Linux，以Qt/E為工具給出了GUI設計思想。實際運行表明該系統完全符合設計要求。
??? 關鍵詞： 燃料電池；Qt/Embedded；GUI；Web Server
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?? 燃料電池(fuel cell)是一種新型綠色能源技術，是把燃料和氧化劑中的化學能直接轉化成電能的裝置。燃料電池與一般干電池的不同點是：只要保持燃料供應，電池就會不斷提供電能，而且電池反應的最終產物是水，不會對環境造成任何污染，以碳氫化合物作燃料時，反應產物僅增加少量二氧化碳[1]。
??? 燃料電池電堆的溫度分布對燃料電池的安全與壽命有重要影響，尤其是在采用質子交換膜的車用燃料電池中，溫度不僅影響到催化劑的活性，而且還直接影響到質子交換膜的含水性，因此對其溫度的控制有很高的要求。為了在研究過程中對其溫度變化進行實時監控，本文基于ARM/Linux構建了一個燃料電池溫度監控系統。
1 系統結構
??? 本監控系統整體結構如圖1所示。
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溫控系統采用ARM微處理器S3C2410作為嵌入式微處理器。將經過編譯的嵌入式Linux2.6內核及Qt/E庫移植到ARM上，溫控系統的GUI控制界面運行于LCD上。
??? 溫控器以freescale公司MC9S12DG128B單片機為控制核心，采用熱電阻作為溫度傳感器，將溫度信號轉化為模擬量的電信號，再經過放大電路及壓頻變換(V/F變換)后，變為數字量的電信號輸入控制器，實現控制算法。控制器輸出的PWM信號經過光電隔離后直接控制固態繼電器，從而控制熱風嘴加熱器對控制對象進行加熱操作，實現溫度控制。
??? Web Server單元采用移植基于Linux的Boa服務器，通過CGI(公共網關接口)實現遠程用戶與系統間的交互。
??? 數據庫單元采用SQLite數據庫，Qt為數據庫訪問提供的QtSql模塊實現了數據庫與Qt應用程序的無縫鏈接，同時為開發人員提供了一套與具體所用數據庫無關的調用接口。
??? GUI控制界面采用Qt Designer設計系統的控制界面，利用Qt的信號/槽(signals/slots)機制實現界面對下位機的控制。
2?各部分設計方法
?? 本文重點研究監控系統GUI界面、數據庫及遠程監控的設計與開發，主要詳細了介紹GUI界面、數據庫以及Web Server的設計，對于溫控器的設計本文不作重點介紹。
2.1? GUI界面及Qt程序設計
2.1.1? Qt的移植
??? 本系統的構建是通過編譯Qt4的庫到開發板來實現的，首先應對源碼進行配置編譯，使庫添加對底層驅動的支持。設置環境變量如下[2]：
??? Export PATH= /usr/local/arm/3.3.2/bin：＄PATH
Export QTDIR=＄PWD
Export QTEDIR=＄QTDIR
Export LD_LIBRARY_PATH=＄QTDIR/lib：＄ LD_LIBRARY_PATH
配置Qt使其支持數據庫、網絡、觸摸屏等驅動，將編譯后的Qt目錄下的lib文件夾下的庫文件加入根文件系統。
為了方便用戶操作，本系統應支持中文字體顯示。為此，一方面將編譯后的Qt/Embedeed的/lib/font目錄下的字體庫文件添加到根文件系統中，為了節省資源，可以只選擇比較常用的一兩種字體庫；另一方面由于程序中默認的字體不支持中文，故在程序中需指定一種中文字體，方法是在程序的main函數中添加如下語句：
QTextCodec：：setCodecForTr(QTextcodec：：codecForName('gb18030'))；
2.1.2? 程序界面開發
根據功能需求分析，設計構建了監控系統的層次化GUI界面結構圖[3]，如圖2所示。
從圖2中可以看出，子菜單主要分成兩部分：一部分是溫控界面的主要控制菜單，其中主要包括溫度的設定、工作模式的設定、通信控制按鈕、和溫度顯示部分；另一部分主要完成歷史數據的顯示，通過選擇特定的通道和時間區間，可以在顯示區顯示溫度的變化曲線，為此需要在程序中構建一個數據庫文件用來存放歷史數據，這部分會在后面詳細介紹。
首先使用設計器創建界面的對話框，在對話框中添加組件，如：添加按鈕以調用其他類來實現界面的控制，添加LCDNumber控件來模擬顯示溫度，添加下拉菜單來進行不同通道的選擇等。連接組件的SIGNAL/SLOT以響應事件，修改控件屬性，合理調整布局。保存GUI界面為Temperature.ui，根據設計器保存的界面文件(ui文件)使用uic命令生成.h頭文件。
在Qt下，使用多重繼承的方式設計我們自己的界面類，這需要從標準的QTabWidget類和Qt設計器生成的界面類繼承，如圖3所示。
在界面類MytemperWid中，定義GUI界面所需要的槽函數，如：定義Displaynumber()函數用于顯示接收到的數據，定義Connect_serial()和Disconnect_serial()分別用于連接和斷開端口，定義CreatSqliteDB()用于創建數據庫等。
MytemperWid類的程序片段如下：
??? class MytemperWid：public QTabWidget，public Ui：：Temperature
{? Q_OBJECT
??? public：
???????? Mytempwid(QWidget *parent =0)；
??? public slots：
???????? void Displaynumber()；?//接收并顯示溫度信息
???????? void Connect_serial()；? //連接端口
???????? void Disconnect_serial()； //斷開端口
???????? void CreatSqliteDB()；? //創建數據口
???? … …
????? private：
???????? … …
}；
2.2? Web Server的設計
Boa是嵌入式 Web Server中的代表，對于Boa的移植非常簡單[4]，配置好交叉編譯器后，編譯Boa源代碼，將生成的應用程序放入根文件系統的/bin目錄下，接下來完成Boa的配置。
Boa需要在/etc目錄下建立一個boa目錄，里面放入Boa的主要配置文件boa.conf。在Boa源碼目錄下已有一個示例boa.conf，可以在其基礎上進行修改。首先修改Group為User，修改User為boa，要根據自己開發板的情況設定，一定要是存在的用戶和組。設置ServerName可以為想要的任何名字，接下來，從Linux主機的/etc目錄下將mine.types文件復制到文件系統/etc目錄下。最后，創建日志文件所需的目錄/var/log/boa，HTML文檔的主目錄/var/www，CGI腳本所在目錄/var/www/cgi-bin。
配置工作完成以后，設定開發板的ip與主機在同一網段，運行boa，即可開啟boa服務器，將靜態網頁放入/var/www目錄下，在瀏覽器中輸入開發板ip即可看到網頁運行，對于動態網頁，要編寫相應的CGI程序，編譯后放入/var/www/cgi-bin目錄。
CGI是Web服務器與你的或其他機器上的http程序進行“交談”的一種工具，其程序需運行在網絡服務器上。在本設計中，ARM板通過串口與下位機進行通信，遠程PC無法直接與下位機進行通信，所以采用數據庫作為數據的中轉單元，在數據庫中建立兩個字段，一個字段用于存放數據信息，另一字段存放控制信息。如圖1系統的結構圖所示，下位機的數據信息通過串口發往ARM，將這些信息在LCD上顯示，同時經這些信息保存在數據字段中，CGI程序讀取并處理數據字段信息后，將這些信息顯示在遠程PC的瀏覽器上；另一方面，PC端的控制信息，經CGI編碼后存放于數據庫的控制字段中，Qt程序檢查控制字段，根據這些控制信息改變程序運行狀態。
2.3? 數據庫的設計
SQLite是一款輕型的數據庫，它的設計目標是嵌入式，占用資源低、能夠支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系統，與Mysql、PostgreSQL這兩款開源世界著名的數據庫管理系統相比，它的處理速度快[5]。Qt的QtSql模塊由三部分組成，分別是驅動層、SQL接口層、用戶接口層。QtSql模塊為不同層次的用戶提供了豐富的數據庫操作類。
在進行數據庫操作前，必須首先建立與數據庫的連接。QtSql模塊使用驅動插件與不同數據庫接口通信，目前Qt4支持幾乎所有主流數據庫。在配置Qt時，選擇將SQLite驅動內置于Qt中或者編譯成插件。在使用QtSql模塊時，需要對工程進行配置：在頭文件中加入語句#include
QSqlDatabase db=QSqldatabase：：addDatabase('QSQ-LITE')；
根據本系統的要求，要監控8個通道的溫度數據，能根據這些數據繪制歷史曲線，所以數據庫要包含一個時間字段和八個溫度值字段，同時還要一個數值字段和一個控制字字段用于與遠程PC的通信，在Qt程序中可以使用如下語句建立數據庫：
QSqlQuery? q；
q.exec('CREATE TABLE temperature (datetime DOUBLE，''channel1 DOUBLE，''channel2 DOUBLE，''channel3 DOUBLE，''channel4 DOUBLE，''channel5 DOUBLE，''channel6 DOUBLE，''channel7 DOUBLE，''channel8 DOUBLE，''webdate DOUBLE，''webcontrol DOUBLE)')；
建立數據庫后，就可以使用INSERT、DELETE等SQL語句對數據庫進行插入、刪除等操作了。
3? 運行實例
根據上文所提出的技術方案和Qt/E程序設計思想，在S3C2410ARM處理器上完成了系統的開發，系統運行界面截圖如圖4所示。
??? 選則好通道和時間區間，可以查看各通道不同時間段內的歷史曲線圖，如圖5所示。
在開發板上運行Boa服務器，設置開發板ip為192.168.1.100，在遠程PC上打開瀏覽器，輸入“http：//192.168.1.100/cgi-bin/temperature”，則可在瀏覽器上監控系統運行，如圖6所示。
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根據燃料電池開發過程中對溫度監控的需要設計了實時監控系統及GUI界面，本文詳細介紹了整個系統的結構及系統各部分的開發流程，基于Qt/E類庫，設計了監控系統的GUI及程序結構。實際運行結果表明，所提出的設計方法能夠滿足應用的需要。
??? 本設計與初步應用表明，采用Qt/Embedded作為開發圖形界面工具，利用其結構清晰的特點和跨平臺性，能有效縮短項目的開發周期，提高程序代碼的重用率，是開發嵌入式系統GUI界面的有效工具。
參考文獻
[1] 孫佳，郭樺，陳士忠，等.溫度對PEM燃料電池性能的影響[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2006(03).
[2] 任善全，呂強，錢培德，等.一個基于Qt/Embedded的嵌入式linux應用程序的實現.計算機應用與軟件，2006，2(23).
[3] BLANCHETTE G，SUMMERFIELD M.C++ GUI Qt3編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.
[4] 陸永健，王萍，吳佳，等.嵌入式Web服務器Boa的移植及其應用[J].河海大學常州分校學報，2005(04).
[5] 蔡志明，盧傳富，李立夏.精通Qt4編程[M].北京：電子工業出版社，2008.