基于QT的有害气体监控系统

孙光民，翁 羽，王 皓

(北京工业大学，北京 100124)

0 引言

伴随着全球工业化进程的加快，工业生产产生的有毒有害气体对人类的危害日益严重。为了最大限度地减少人员伤亡和财产损失，避免事故的发生，在存在易燃易爆、有毒有害气体爆炸隐患的场所安装气体检测报警系统就显得尤为重要[1]。通常的有害气体检测报警系统由气体检测器和报警控制器组成，气体检测器设置在需要检测的环境内，将检测到的气体浓度转换为电信号传送到控制器。控制器可以安放在室内，通过系统对各个监控地点进行监测[2]。

本篇重点开发基于QT的有害气体监控系统，以准确显示有害气体检测器的实时作业信息。目标是应用在REGARD 7000CN有害气体报警控制器上的人机交互(HMI)系统，基于主流开发平台进行设计，满足有害气体报警控制器国标GB16808—2008要求的功能[3]，包括数据接收、数据显示、报警和故障指示等，界面语言为中文。该系统为工厂控制室的操作人员设计制作，在工人作业的安全性、工作效率及检修及时性，工业的自动化、智能化控制方面具有优越性[4]。

1 系统总体设计

有害气体监控系统总体架构如图1所示，主要包括3个部分：QT图形化界面开发控制平台(工业平板电脑)、气体报警控制器Regard 7000CN(坞站)和报警电路板(PCB板)。界面开发平台为Windows7操作系统，将编译好的HMI程序移植到该平台上，实现触摸屏的点触功能。Regard 7000CN气体报警控制器可配置4个坞站，每个坞站如图2所示可灵活配置64个通道，通道作为检测器，检测相应的气体浓度[5]。坞站与控制平台间由RS485进行通讯，RS232与报警电路板相连控制蜂鸣器、LED灯进行报警信息提示工作。

图1 系统的总体架构图

图2 坞站结构示例图

2 QT

有害气体监控软件系统的开发基于Windows7 32位操作系统(内存 4 GB)和QT5.10+Visual Studio2017开发环境，采用C++语言进行开发。

图形用户界面(graphical user interface，GUI)，又称为图形用户接口，是采用图形方式显示的计算机操作用户界面[6-7]。QT作为一款跨平台的 C++图形用户界面开发框架，模块之间相互独立，并能为用户提供良好的封装库[8-9]。QT对象系统支持对象之间的通信机制(信号与槽)及动态属性系统，是一个标准C++扩展，方便GUI图形用户界面编程[10]。因此,本系统基于QT技术开发软件,具有易扩展、易维护、可移植性好及开发灵活等特点。

使用VS+QT的开发框架可以直接使用微软内建的IntelliSense，加速开发工作。微软的MFC(微软基础类库)预编译机制可以缓解C++编译慢的问题[11]。表1为VS+QT和QT Creator两者在Windows开发环境下的对比。

表1 VS+QT与QT Creator开发对比

3 软件系统总体设计

3.1 软件系统总体框架

有害气体监控系统通过人机交互界面的形式实现，根据功能将系统划分成7个功能模块，如图3所示。

(1)用户权限模块：对该软件使用者进行信息验证，根据权限开放可使用的模块；

(2)信息显示模块：查看①通道实时信息、②通道层级具体信息、③通道历史信息、④气体检测器真实动态化模拟信息；

图3 系统的软件架构图

(3)平面图编辑模块：将通道拖拽到部署区域的平面图对应位置上，实时查看该通道的情况与部署区内检测器的布局；

(4)系统设置模块：设定软件时间、屏幕检查以及通道配置信息；

(5)RS485数据传输模块：读取气体报警控制器Regard 7000CN的各通道数据；

(6)RS232数据传输模块：读取报警电路板的电源等硬件信息，并向下发送报警、故障等信息；

(7)气体数据记录模块：将气体的实时变化信息存储，便于显示模块查找分析。

7个模块涵盖了有害气体监控系统的基本流程，前4个模块与GUI界面显示有关，共19个界面，图形用户界面结构如图4所示。后3个模块分别用独立的线程执行，不影响界面操作。

图4 图形用户界面结构图

系统的模块化设计可以使各模块间相互独立，根据不同功能模块，封装成类，进行接口及抽象设计。操作过程清晰，系统的可扩展性和可靠性强，有效减少了软件开发工作量[12]。

3.2 系统的实时显示

在有害气体监控系统中，需要实时显示每个通道的编号、名称、检测值、当前状态等共10项信息。其中通道的数据由RS485数据传输模块完成，该模块为保证上层界面的流畅运行，由线程实现读取和存储。而通道的实时显示模块需要不断读取存储的数据并进行逻辑判断显示。为此提出了2种基于定时器的实时显示算法，如图5所示。图5(a)为排序标记方法，图5(b)为建立临时存储空间方法。

(a)排序标记法

(b)建立临时空间存储法

定时器是用来处理周期性事件的一种对象，它可以对程序实现时间上的控制。例如设置一个周期为1 s的定时器，那么每1 s会发射信号，在信号关联的槽函数里做相应处理。经过实验对比，第一种方法由于sort排序带来的时间复杂度过高，每次显示时间超过2 s ，并且它对原始的数据进行了标记操作，降低了程序的稳定性和可靠性；第二种新建临时结构体的方法，不影响原始数据，响应时间低于0.5 s，更具实时性。

通道当前状态信息的显示需要报警、故障等图标闪烁来提示用户。由于定时器的周期处理机制，需要高效的算法进行显示，保证当前页的闪烁频率保持一致。为此提出了3种解决方案，图6(a)为定时器运行计数方法，图6(b)为当前时间判断方法，图6(c)为显示信息集中处理方法。

(a)定时器运行计数法

经过实验对比，第一种在定时器内计数判断显示的方法，受定时器运行周期影响，CPU占有率的不同会导致图标闪烁频率时快时慢，并且不能精准地设定闪烁的周期时间；第二种靠当前秒针判断的方法，可以准确设定闪烁周期，但是定时器对每个通道进行逻辑处理的效率影响了每个闪烁的开始时间，闪烁不稳定；第三种将闪烁信息存储后独立显示的方法，将图标的逻辑判断部分只进行信息存储，独立出闪烁的部分进行统一显示，该方法不影响定时器对其他信息的判断处理，并且将显示统一，保证闪烁频率一致。整个有害气体监控系统的信息显示模块界面效果如图7所示。

图7 信息显示模块界面

3.3 系统的人性化显示

为了能让使用者更加直观地监测到气体报警控制器REGARD 7000CN上所有通道的工作状态，本系统设计完成了动态画面展示模块。该模块可以模拟当前时刻4个坞站共248个通道和2个电源的运行状态。基于定时器机制开发，保证显示信息与实际情况的时间差不超过0.5 s。效果如图8和图9所示，分别为坞站和电源的实际工作情况、对应时刻的动态展示模块界面。

图8 硬件运行情况

平面图编辑模块可以让工厂操作室内的工作人员直观地查看所有检测器的部署位置和当前检测气体的状态。用户在该模块内需要上传部署区的平面图，并将已有通道检测器拖拽到图中，模块会记录相应位置并显示该通道当前的状态信息。值得注意的是目前大部分的拖拽绘图操作软件使用的是MFC或JS进行开发，使用QT进行开发需要兼顾用户的可操作性以及程序的稳定性。平面图编辑模块界面效果如图10所示。

图10 平面图编辑模块界面

4 软件实现与测试

在软件开发过程中，测试是软件质量保证的关键，是产品发布并且提交给用户的稳定化阶段[13]。有害气体监控系统的测试主要为程序可扩展性和用户友好性2个方面。

4.1 可扩展性测试

因在不同操作系统的运行情况可能有所偏差，系统基于Windows 7、Windows 10操作系统进行测试。将由Release版本生成的HMI.exe执行文件同libEGL.dll、libGLESV2.dll、Qt5Core.dll、Qt5Gui.dll、Qt5Svg.dll、Qt5Widgets.dll、图标组、风格组共20个动态衔接库打包生成HMI-setup.exe安装程序安装到2种操作系统中。通过测试发现该软件平台均可以在2种操作系统上平稳运行，软件平台各个模块间切换流畅。

4.2 用户友好性测试

将自主开发的有害气体监控系统同德国商用系统REGARD 7000 Configuration Software(德尔格)进行比较测试。该软件平台在Windows7、Windows10操作系统上启动时间均需要25 s，没有太大差异。测试过程模拟了真实的有害气体监控情况，超过30个检测通道将部署在不同的房间内，有害气体监控系统可以很好地定位并显示当前状态，节省了操作人员逐一检查的时间，提高工作效率。

系统测试结果表明：本界面基于QT技术基础上,实现了功能可扩展和人机交互的友好界面功能,相比原有的监控软件,方便实际运作。

5 结束语

本文设计了基于QT的有害气体监控系统。该系统界面简洁,在实现有害气体信息实时显示的基础上，设计实现了更人性化的功能模块。系统可以对现实设备情况进行模拟展示，独有的平面图显示模块也能为用户提供直观的检测器部署位置和当前检测状态。通过测试该软件平台可以在Windows系统上平稳运行，并且可扩展性、实用性强,在未来监管领域实现自动化的过程中会提供帮助。随着人们对空气污染的日益关注，系统将具有广阔的市场前景。