基于Qt/Embedded的水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

摘 ?；要： 為了有效降低水務數(shù)據(jù)監(jiān)測的成本，提高水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、可控性和可預警性，提出一種基于Qt/Embedded的水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)的軟、硬件設計進行了詳細闡述。以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，以ARM開發(fā)板作為核心板，集成無線和有線多種數(shù)據(jù)傳輸接口來采集水表數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)匯總到核心板后，經(jīng)后臺統(tǒng)計分析，再在基于Qt/Embedded的水平衡框圖界面上實時顯示出來。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)各模塊工作正常，滿足了用戶的需求。

關鍵詞： ARM； 嵌入式Linux； Qt/Embedded； 水平衡

中圖分類號：TP368.2 ?； ?； ?； ?； ?；文獻標志碼：A ?； ?； 文章編號：1006-8228（2014）12-22-02

Design of meter data monitoring system based on Qt/Embedded

Lu Aihong

（IT Department， Suzhou Institute of Trade &； Commerce， Suzhou， Jiangsu 215009， China）

Abstract： In order to reduce the cost of meter data monitoring system and improve the functions of the real-time monitoring， control ability and early warning， a kind of realization method of meter data monitoring system based on Qt/Embeddedis put forward.The software and hardware design idea are introduced concretely. The system uses embedded Linux as its operating system and ARM development board as its core board.The core board is integrated with wireless and wired interfaces to record meter data.The meter data will be transformed to the core board. After statistical analysis，it will be displayed on the water balance block diagram in the UI interface based on Qt/Embedded.The experimental result shows that the module can satisfy the design requirements.

Key words： ARM； embedded Linux； Qt/Embedded； water balance

0 引言

企業(yè)是城市用水大戶，特別是制造型企業(yè)，一般會被要求裝上一級、二級等多達數(shù)百個水表，并要求每年進行水平衡分析，生成水平衡報表，所以抄表人員必須每天將企業(yè)的數(shù)百個水表數(shù)據(jù)抄錄下來，記載在冊，才能根據(jù)真實的數(shù)據(jù)生成水平衡年份報表，這對人力是極大的浪費。本系統(tǒng)針對這一現(xiàn)實問題，提出一種基于Qt/Embedded的水務數(shù)據(jù)智能統(tǒng)計分析系統(tǒng)，系統(tǒng)通過RS485、網(wǎng)口、GPRS無線傳輸?shù)榷喾N類型接口，每天定時將數(shù)百個水表的數(shù)據(jù)采集到ARM核心板，并保存到數(shù)據(jù)庫。在Linux嵌入式平臺顯示屏上部署與應用場景匹配的水平衡框圖，并顯示實時采集的水表數(shù)據(jù)，后臺對水平衡數(shù)據(jù)進行分析，對漏水線路提出警示信息。本系統(tǒng)方案適用于嵌入式設備，大大降低了水務統(tǒng)計分析系統(tǒng)的硬件成本，同時該系統(tǒng)的應用也大大降低了抄表的人力成本。

1 系統(tǒng)要求與整體設計

對于水務數(shù)據(jù)監(jiān)測，需要設計出一款便攜式的監(jiān)測系統(tǒng)，集成RS485接口、GPRS無線接收器、以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)等多種接口，以適應市面上水表的各種數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)定時采集各級水表的數(shù)據(jù)，保存到本地數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)需要提供基于Qt/Embedded的友好的UI界面支持，能夠根據(jù)企業(yè)內(nèi)部實際水表分布繪制相應的水平衡框圖，并將實時采集的水表數(shù)據(jù)在水平衡框圖上顯示出來。UI界面提供框圖繪制、框圖顯示、系統(tǒng)配置等子界面。系統(tǒng)需要提供SQLite數(shù)據(jù)庫支持，以保存各級水表的數(shù)據(jù)信息，便于后臺程序的統(tǒng)計和分析。

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示[3]。

[7寸

LCD顯示器][LCD

接口＼&；][RTC

時鐘模塊][網(wǎng)口

eth0][串口

UART0][USB

接口][網(wǎng)口

eth1][RS485

接口] [水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)][Ubuntu

虛擬機] [RS485

水表采集器] [GPRS

模塊][ModBus

水表采集器] [GPRS

水表采集器]

圖1 ?；系統(tǒng)邏輯框圖

2 硬件設計

在選擇硬件平臺時，從以下幾個方面綜合考慮：硬件接口上支持多種數(shù)據(jù)傳輸接口的接入；顯示屏的選擇要考慮到支持復雜水平衡框圖的顯示，對顯示屏的尺寸和精度都有很高的要求。根據(jù)硬件的需求，我們選用以S3C2440為CPU的ARM開發(fā)平臺，配以7寸液晶顯示屏，既能夠支持種類豐富的接口，也能基本滿足顯示要求。

操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux，能根據(jù)用戶需求進行裁剪，簡化對各種通信接口的硬件驅(qū)動配置要求。搭建Linux開發(fā)環(huán)境時，交叉編譯的虛擬機開發(fā)環(huán)境是Ubuntu10.10版本，交叉編譯工具是arm-linux-4.3.2版本。S3C2440開發(fā)板的Linux內(nèi)核版本是linux2.6.30.4，需要根據(jù)硬件接口和器件如LCD顯示屏、UART串口、eth0網(wǎng)口、USB等接口的原理圖，按需對Linux2.6.30.4內(nèi)核進行裁剪。

3 軟件設計

在選擇軟件平臺時[2]，考慮到整個系統(tǒng)的復雜的界面設計需求，以及對SQLite輕巧數(shù)據(jù)庫的支持，選用基于Qt4.7類庫的QT嵌入式界面，能友好地支持Linux平臺，并提供豐富的復雜的界面設計效果。在基于Qt4.7類庫的Qt/Embedded環(huán)境下進行UI設計，首先需要在Linux的文件系統(tǒng)下，部署Qt/Embedded環(huán)境；然后在虛擬機開發(fā)環(huán)境Ubuntu10.10中調(diào)用Qt Creator軟件進行UI界面的設計和仿真；最后下載到ARM開發(fā)板中，并在7寸顯示屏上正常顯示，界面同時能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交互操作。

3.1 QT軟件開發(fā)環(huán)境

QT是一個跨平臺的C++類庫，在Linux下使用操作系統(tǒng)原生的C++編譯器g++，QT的一大特色是帶了大量的配套開發(fā)工具，如用于繪制窗口的QTDesigner。QT界面設計程序在各個平臺上是一樣的，只是跨平臺時需要加上各個平臺的庫重新編譯生成可執(zhí)行文件。QT目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，是通過升級類庫來更新發(fā)展，目前最高版本的類庫是Qt4.7。QT平臺主要是面向嵌入式界面設計的，QT界面程序不是一個桌面系統(tǒng)，而是可以直接運行在嵌入式環(huán)境下的程序。

QT界面程序的設計環(huán)境是Qt Creator，這是QT的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），用于開發(fā)源代碼、編譯鏈接源代碼、調(diào)試源代碼，大大簡化了設計環(huán)境的配置。Qt Creator環(huán)境配置成交叉編譯的環(huán)境之后，用Qt Creator設計出的界面可執(zhí)行文件能夠在S3C2440開發(fā)板上運行。

3.2 在ARM開發(fā)板的文件系統(tǒng)中配置QT嵌入式運行環(huán)境[4]

配置QT嵌入式運行環(huán)境，需要對S3C2440開發(fā)板的文件系統(tǒng)進行修改。

⑴ 用arm-linux-4.3.2交叉編譯工具編譯生成Qt4.7類庫，添加到ARM開發(fā)板的文件系統(tǒng)中/opt文件夾。

⑵ 用arm-linux-4.3.2交叉編譯生成ts觸摸屏校準庫tslib，添加到文件系統(tǒng)的/usr/local目錄下。

⑶ 修改/etc/profile配置文件，配置文件主要用于指定環(huán)境變量的具體路徑，其中QTDIR是Qt4.7類庫路徑，QWS_MOUSE_PROTO用于指明觸摸屏或鼠標的設備名，具體配置腳本如下：

export set QTDIR=/opt/Qt4.7

export set TSLIB_TSDEVICE=/dev/event1

export set QWS_MOUSE_PROTO="TSLIB：/dev/event1

USB：/dev/mouse0"

3.3 人機界面設計

水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的人機界面是多級界面。主界面提供框圖顯示、系統(tǒng)設置、框圖繪制三個子界面給用戶選擇。

框圖繪制界面，針對不同企業(yè)復雜的水平衡環(huán)境，能夠根據(jù)實際環(huán)境的要求進行個性化定制水平衡框圖。繪制界面提供直線、方框、按鈕、Label等多種繪圖元素，用戶可以根據(jù)本企業(yè)水平衡框圖的要求，在ARM開發(fā)板上直接繪制相應的框圖，并可以設置框圖中水管對應的水表地址、水管的進水出水屬性、多層水平衡框圖的級聯(lián)關系等。繪制完成框圖后，繪制界面提供保存功能，將用戶定制的框圖以圖元的形式保存到本地數(shù)據(jù)庫，在下次啟動開發(fā)板時，系統(tǒng)自動調(diào)用圖元，將水平衡框圖顯示出來。

框圖顯示界面是主要的功能界面，分為前臺、后臺兩部分程序。系統(tǒng)后臺從RS485、GPRS接口、網(wǎng)口等多種接口定時獲取水表讀數(shù)并保存到數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)前臺在單板啟動時，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中保存的框圖圖元信息，顯示出水平衡框圖。根據(jù)廠區(qū)的水表級別，水平衡圖可以分成一級、二級等不同級別，不同級別的水平衡圖可以通過界面的按鍵跳轉(zhuǎn)和返回。水平衡圖中進水管線為綠色、出水管線為藍色。系統(tǒng)前臺讀取數(shù)據(jù)庫中各個水表的讀數(shù)信息，并在框圖中相應的水表位置將水表讀數(shù)顯示出來。系統(tǒng)對水表讀數(shù)進行統(tǒng)計分析，對漏水的水管線路標以紅色，起到報警作用。

系統(tǒng)設置界面提供本系統(tǒng)時間的獲取和配置。S3C2440開發(fā)板板載RTC實時時鐘硬件電路，在系統(tǒng)斷電時，RTC時鐘自帶的電池能夠保證時鐘正常工作。使用QT的QDataTime類獲取當前系統(tǒng)的實時時間，通過date和hwclock命令對系統(tǒng)時鐘和硬件時間進行同步修改。

設計QT數(shù)據(jù)庫時，由于Qt creator的安裝環(huán)境默認自帶SQLite，Qt4.7，也默認安裝了SQLite，所以選擇SQLite，降低開發(fā)難度和成本。

系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

[系統(tǒng)啟動及初始化] [框圖顯示界面][系統(tǒng)設置界面][框圖繪制界面][后臺數(shù)據(jù)采集][后臺數(shù)據(jù)通信]

圖2 ?；人機界面程序基本框架

4 實驗結(jié)果

水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)集成時，操作流程如下：

⑴ 將ARM開發(fā)板和周邊器件的硬件環(huán)境連線準備好；

⑵ 用下載線向ARM開發(fā)板下載交叉編譯好的U-boot、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)，ARM開發(fā)板能夠正常啟動，并能夠進入文件系統(tǒng)；

⑶ 移植ARM開發(fā)板文件系統(tǒng)中Qt/E界面程序運行的環(huán)境，拷貝交叉編譯的Qt4.7庫文件和校準程序的庫文件到文件系統(tǒng)中，修改文件系統(tǒng)中配置文件profile；

⑷ 在Qt Creator中編寫人機界面程序，仿真調(diào)試完成后，設置Qt Creator的交叉編譯環(huán)境，生成人機界面可執(zhí)行程序，并拷貝到ARM開發(fā)板的文件系統(tǒng)中；

⑸ ARM開發(fā)板上電，運行人機界面程序，驗證水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計的結(jié)果。

水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)能正確采集多種接口水表數(shù)據(jù)并保存到本地數(shù)據(jù)庫，能夠使用提供的UI界面定制水平衡框圖，并能在水平衡框圖中將數(shù)據(jù)庫中水表信息正確顯示出來。

5 結(jié)束語

本水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)綜合考慮了技術(shù)可行性和現(xiàn)場應用環(huán)境的需求，設計和實現(xiàn)了基于ARM處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的水務數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，采用廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)界面的QT封裝的C++類來進行界面設計，盡可能實現(xiàn)分層以保證業(yè)務跟數(shù)據(jù)分離，設計出人機交互流暢穩(wěn)定的工控機界面。實際運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)的整體性能穩(wěn)定，較好地滿足了客戶的需求，具有廣闊的應用前景。但本系統(tǒng)仍需要進一步完善，特別是對最優(yōu)水平衡分析法還需要做進一步的實驗研究。

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