怎样设计一个基于ARM的燃料电池温度监控系统？

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。

在Qt下，使用多重继承的方式设计我们自己的界面类，这需要从标准的QTabWidget类和Qt设计器生成的界面类继承，如图3所示。

在界面类MytemperWid中，定义GUI界面所需要的槽函数，如：定义Displaynumber（）函数用于显示接收到的数据，定义Connect_serial（）和Disconnect_serial（）分别用于连接和断开端口，定义CreatSqliteDB（）用于创建数据库等。

MytemperWid类的程序片段如下：

class MytemperWid：public QTabWidget，public Ui：：Temperature

{ Q_OBJECT

public：

Mytempwid（QWidget *parent =0）；

public slots：

void Displaynumber（）； //接收并显示温度信息

void Connect_serial（）； //连接端口

void Disconnect_serial（）； //断开端口

void CreatSqliteDB（）； //创建数据口

… …

private：

… …

}；

2.2 Web Server的设计

Boa是嵌入式 Web Server中的代表，对于Boa的移植非常简单［4］，配置好交叉编译器后，编译Boa源代码，将生成的应用程序放入根文件系统的/bin目录下，接下来完成Boa的配置。

Boa需要在/etc目录下建立一个boa目录，里面放入Boa的主要配置文件boa.conf。在Boa源码目录下已有一个示例boa.conf，可以在其基础上进行修改。首先修改Group为User，修改User为boa，要根据自己开发板的情况设定，一定要是存在的用户和组。设置ServerName可以为想要的任何名字，接下来，从Linux主机的/etc目录下将mine.types文件复制到文件系统/etc目录下。最后，创建日志文件所需的目录/var/log/boa，HTML文档的主目录/var/www，CGI脚本所在目录/var/www/cgi-bin。

配置工作完成以后，设定开发板的ip与主机在同一网段，运行boa，即可开启boa服务器，将静态网页放入/var/www目录下，在浏览器中输入开发板ip即可看到网页运行，对于动态网页，要编写相应的CGI程序，编译后放入/var/www/cgi-bin目录。

CGI是Web服务器与你的或其他机器上的http程序进行“交谈”的一种工具，其程序需运行在网络服务器上。在本设计中，ARM板通过串口与下位机进行通信，远程PC无法直接与下位机进行通信，所以采用数据库作为数据的中转单元，在数据库中建立两个字段，一个字段用于存放数据信息，另一字段存放控制信息。如图1系统的结构图所示，下位机的数据信息通过串口发往ARM，将这些信息在LCD上显示，同时经这些信息保存在数据字段中，CGI程序读取并处理数据字段信息后，将这些信息显示在远程PC的浏览器上；另一方面，PC端的控制信息，经CGI编码后存放于数据库的控制字段中，Qt程序检查控制字段，根据这些控制信息改变程序运行状态。

2.3 数据库的设计

SQLite是一款轻型的数据库，它的设计目标是嵌入式，占用资源低、能够支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系统，与Mysql、PostgreSQL这两款开源世界著名的数据库管理系统相比，它的处理速度快［5］。Qt的QtSql模块由三部分组成，分别是驱动层、SQL接口层、用户接口层。QtSql模块为不同层次的用户提供了丰富的数据库操作类。

在进行数据库操作前，必须首先建立与数据库的连接。QtSql模块使用驱动插件与不同数据库接口通信，目前Qt4支持几乎所有主流数据库。在配置Qt时，选择将SQLite驱动内置于Qt中或者编译成插件。在使用QtSql模块时，需要对工程进行配置：在头文件中加入语句#include；在工程的.pro文件中加入Qt+=sql。经配置后，在Qt应用程序中就可以连接并使用SQLite数据库了。在Qt中建立数据库连接的方法是：

QSqlDatabase db=QSqldatabase：：addDatabase（‘QSQ-LITE’）；

根据本系统的要求，要监控8个通道的温度数据，能根据这些数据绘制历史曲线，所以数据库要包含一个时间字段和八个温度值字段，同时还要一个数值字段和一个控制字字段用于与远程PC的通信，在Qt程序中可以使用如下语句建立数据库：

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）’）；

建立数据库后，就可以使用INSERT、DELETE等SQL语句对数据库进行插入、删除等操作了。

3 运行实例

根据上文所提出的技术方案和Qt/E程序设计思想，在S3C2410ARM处理器上完成了系统的开发，系统运行界面截图如图4所示。

选则好通道和时间区间，可以查看各通道不同时间段内的历史曲线图，如图5所示。

在开发板上运行Boa服务器，设置开发板ip为192.168.1.100，在远程PC上打开浏览器，输入“http：//192.168.1.100/cgi-bin/temperature”，则可在浏览器上监控系统运行，如图6所示。

根据燃料电池开发过程中对温度监控的需要设计了实时监控系统及GUI界面，本文详细介绍了整个系统的结构及系统各部分的开发流程，基于Qt/E类库，设计了监控系统的GUI及程序结构。实际运行结果表明，所提出的设计方法能够满足应用的需要。

本设计与初步应用表明，采用Qt/Embedded作为开发图形界面工具，利用其结构清晰的特点和跨平台性，能有效缩短项目的开发周期，提高程序代码的重用率，是开发嵌入式系统GUI界面的有效工具。