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ARM/Linux燃料电池温度监控系统解析
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2017-10-31
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燃料电池（fuel cell）是一种新型绿色能源技术，是把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。燃料电池与一般干电池的不同点是：只要保持燃料供应，电池就会不断提供电能，而且电池反应的最终产物是水，不会对环境造成任何污染，以碳氢化合物作燃料时，反应产物仅增加少量二氧化碳［1］。
燃料电池电堆的温度分布对燃料电池的安全与寿命有重要影响，尤其是在采用质子交换膜的车用燃料电池中，温度不仅影响到催化剂的活性，而且还直接影响到质子交换膜的含水性，因此对其温度的控制有很高的要求。为了在研究过程中对其温度变化进行实时监控，本文基于ARM/Linux构建了一个燃料电池温度监控系统。
1 系统结构
本监控系统整体结构如图1所示。
温控系统采用ARM微处理器S3C2410作为嵌入式微处理器。将经过编译的嵌入式Linux2.6内核及Qt/E库移植到ARM上，温控系统的GUI控制界面运行于LCD上。
温控器以freescale公司MC9S12DG128B单片机为控制核心，采用热电阻作为温度传感器，将温度信号转化为模拟量的电信号，再经过放大电路及压频变换（V/F变换）后，变为数字量的电信号输入控制器，实现控制算法。控制器输出的PWM信号经过光电隔离后直接控制固态继电器，从而控制热风嘴加热器对控制对象进行加热操作，实现温度控制。
Web Server单元采用移植基于Linux的Boa服务器，通过CGI（公共网关接口）实现远程用户与系统间的交互。
数据库单元采用SQLite数据库，Qt为数据库访问提供的QtSql模块实现了数据库与Qt应用程序的无缝链接，同时为开发人员提供了一套与具体所用数据库无关的调用接口。
GUI控制界面采用Qt Designer设计系统的控制界面，利用Qt的信号/槽（signals/slots）机制实现界面对下位机的控制。
2 各部分设计方法
本文重点研究监控系统GUI界面、数据库及远程监控的设计与开发，主要详细了介绍GUI界面、数据库以及Web Server的设计，对于温控器的设计本文不作重点介绍。
2.1 GUI界面及Qt程序设计
2.1.1 Qt的移植
本系统的构建是通过编译Qt4的库到开发板来实现的，首先应对源码进行配置编译，使库添加对底层驱动的支持。设置环境变量如下［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使其支持数据库、网络、触摸屏等驱动，将编译后的Qt目录下的lib文件夹下的库文件加入根文件系统。
为了方便用户操作，本系统应支持中文字体显示。为此，一方面将编译后的Qt/Embedeed的/lib/font目录下的字体库文件添加到根文件系统中，为了节省资源，可以只选择比较常用的一两种字体库；另一方面由于程序中默认的字体不支持中文，故在程序中需指定一种中文字体，方法是在程序的main函数中添加如下语句：
QTextCodec：：setCodecForTr（QTextcodec：：codecForName（‘gb18030’））；
2.1.2 程序界面开发
根据功能需求分析，设计构建了监控系统的层次化GUI界面结构图［3］，如图2所示。
从图2中可以看出，子菜单主要分成两部分：一部分是温控界面的主要控制菜单，其中主要包括温度的设定、工作模式的设定、通信控制按钮、和温度显示部分；另一部分主要完成历史数据的显示，通过选择特定的通道和时间区间，可以在显示区显示温度的变化曲线，为此需要在程序中构建一个数据库文件用来存放历史数据，这部分会在后面详细介绍。
首先使用设计器创建界面的对话框，在对话框中添加组件，如：添加按钮以调用其他类来实现界面的控制，添加LCDNumber控件来模拟显示温度，添加下拉菜单来进行不同通道的选择等。连接组件的SIGNAL/SLOT以响应事件，修改控件属性，合理调整布局。保存GUI界面为Temperature.ui，根据设计器保存的界面文件（ui文件）使用uic命令生成.h头文件。
燃料电池电堆的温度分布对燃料电池的安全与寿命有重要影响，尤其是在采用质子交换膜的车用燃料电池中，温度不仅影响到催化剂的活性，而且还直接影响到质子交换膜的含水性，因此对其温度的控制有很高的要求。为了在研究过程中对其温度变化进行实时监控，本文基于ARM/Linux构建了一个燃料电池温度监控系统。
1 系统结构
本监控系统整体结构如图1所示。
温控系统采用ARM微处理器S3C2410作为嵌入式微处理器。将经过编译的嵌入式Linux2.6内核及Qt/E库移植到ARM上，温控系统的GUI控制界面运行于LCD上。
温控器以freescale公司MC9S12DG128B单片机为控制核心，采用热电阻作为温度传感器，将温度信号转化为模拟量的电信号，再经过放大电路及压频变换（V/F变换）后，变为数字量的电信号输入控制器，实现控制算法。控制器输出的PWM信号经过光电隔离后直接控制固态继电器，从而控制热风嘴加热器对控制对象进行加热操作，实现温度控制。
Web Server单元采用移植基于Linux的Boa服务器，通过CGI（公共网关接口）实现远程用户与系统间的交互。
数据库单元采用SQLite数据库，Qt为数据库访问提供的QtSql模块实现了数据库与Qt应用程序的无缝链接，同时为开发人员提供了一套与具体所用数据库无关的调用接口。
GUI控制界面采用Qt Designer设计系统的控制界面，利用Qt的信号/槽（signals/slots）机制实现界面对下位机的控制。
2 各部分设计方法
本文重点研究监控系统GUI界面、数据库及远程监控的设计与开发，主要详细了介绍GUI界面、数据库以及Web Server的设计，对于温控器的设计本文不作重点介绍。
2.1 GUI界面及Qt程序设计
2.1.1 Qt的移植
本系统的构建是通过编译Qt4的库到开发板来实现的，首先应对源码进行配置编译，使库添加对底层驱动的支持。设置环境变量如下［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使其支持数据库、网络、触摸屏等驱动，将编译后的Qt目录下的lib文件夹下的库文件加入根文件系统。
为了方便用户操作，本系统应支持中文字体显示。为此，一方面将编译后的Qt/Embedeed的/lib/font目录下的字体库文件添加到根文件系统中，为了节省资源，可以只选择比较常用的一两种字体库；另一方面由于程序中默认的字体不支持中文，故在程序中需指定一种中文字体，方法是在程序的main函数中添加如下语句：
QTextCodec：：setCodecForTr（QTextcodec：：codecForName（‘gb18030’））；
2.1.2 程序界面开发
根据功能需求分析，设计构建了监控系统的层次化GUI界面结构图［3］，如图2所示。
从图2中可以看出，子菜单主要分成两部分：一部分是温控界面的主要控制菜单，其中主要包括温度的设定、工作模式的设定、通信控制按钮、和温度显示部分；另一部分主要完成历史数据的显示，通过选择特定的通道和时间区间，可以在显示区显示温度的变化曲线，为此需要在程序中构建一个数据库文件用来存放历史数据，这部分会在后面详细介绍。
首先使用设计器创建界面的对话框，在对话框中添加组件，如：添加按钮以调用其他类来实现界面的控制，添加LCDNumber控件来模拟显示温度，添加下拉菜单来进行不同通道的选择等。连接组件的SIGNAL/SLOT以响应事件，修改控件属性，合理调整布局。保存GUI界面为Temperature.ui，根据设计器保存的界面文件（ui文件）使用uic命令生成.h头文件。
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