㊀２０２０年
㊀第１１期仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．１１㊀
收稿日期：２０１９－１１－１１基于ＱＴ的有害气体监控系统
孙光民，翁㊀羽，王㊀皓
（北京工业大学，北京㊀１００１２４）
㊀㊀摘要：提出了基于ＱＴ平台的有害气体监控系统㊂系统为ＲＥＧＡＲＤ７０００ＣＮ有害气体报警控制器设计，实现了对气体信息的实时显示，并提出了２种高效的显示方法㊂设计实现了更人性化的功能模块，能对现实设备运行情况进行模拟展示，为用户提供直观的检测器部署位置和当前检测状态，使有害气体的监管变得更安全有效㊂通过测试，该软件平台可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统上稳定可靠地运行，并且操作简单，可扩展性强㊂
关键词：有害气体；ＱＴ；人机交互界面；实时显示；用户友好性
中图分类号：ＴＰ２７７㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）１１－０１１１－０５
ＴｏｘｉｃＧａｓＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＱＴ
ＳＵＮＧｕａｎｇ⁃ｍｉｎ，ＷＥＮＧＹｕ，ＷＡＮＧＨａｏ
（ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｔｏｘｉｃｇａｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＱＴ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒＲｅｇａｒｄ７０００ＣＮｔｏｘｉｃｇａｓａｌａｒｍｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｏｆｇａｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄｔｗｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｐｌａｙａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｔｈｅｓｙｓ⁃ｔｅｍｗａｓｕｓｅｒ⁃ｆｒｉｅｎｄｌｙ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｒｅａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｄｅ⁃ｔｅｃｔｏｒｆｏｒｔｈｅｕｓｅｒｓ，ａｎｄｍａｄｅｔｈｅｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎｏｆｔｏｘｉｃｇａｓｍｏｒｅｓａｆｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ａｆｔｅｒｔｅｓｔｉ
ｎｇ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｒｕｎｓｓｔａｂｌｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｙｏｎｔｈｅＷｉｎｄｏｗｓ，ｓｉｍｐｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｏｎｇｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｏｘｉｃｇａｓ；ＱＴ；ｈｕｍａｎｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙ；ｕｓｅｒｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ
０㊀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㊂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㊁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］㊂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㊂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］㊂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㊂目标是应用在ＲＥＧＡＲＤ７０００ＣＮ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㊁数据显示㊁报警和故障指示等，界面语言为中文㊂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㊁工作效率及检修及时性，工业的自动化㊁智能化控制方面具有优越性［４］㊂
１㊀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）㊁气体报警控制器Ｒｅｇａｒｄ７０００ＣＮ（坞站）和报警电路板（ＰＣＢ板）㊂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㊂Ｒｅｇａｒｄ７０００ＣＮ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］㊂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㊁ＬＥＤ灯进行报警信息提示工作
㊂
图１㊀系统的总体架构图
㊀㊀
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Ｎｏｖ．２０２０㊀
图２㊀坞站结构示例图
２㊀ＱＴ
有害气体监控软件系统的开发基于Ｗｉｎｄｏｗｓ７３２位操作系统（内存４ＧＢ）和ＱＴ５．１０＋ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１７开发环境，采用Ｃ＋＋语言进行开发㊂
图形用户界面（ｇｒａｐｈｉｃａｌｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ，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］
㊂ＱＴ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］㊂ＱＴ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］㊂因此，本系
统基于ＱＴ技术开发软件，具有易扩展㊁易维护㊁可移植性好及开发灵活等特点㊂
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㊂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］
㊂
表１为ＶＳ＋ＱＴ和ＱＴＣｒｅａｔｏｒ两者在Ｗｉｎｄｏｗｓ开发环
境下的对比㊂
表１㊀ＶＳ＋ＱＴ与ＱＴＣｒｅａｔｏｒ开发对比
对比项ＶＳ＋ＱＴ
ＱＴＣｒｅａｔｏｒ移植性仅Ｗｉｎｄｏｗｓ平台Ｗｉｎ㊁Ｌｕｎｉｘ㊁Ｍａｃ编译效率编译效率高㊁体验强编译效率低开发模块ＱＴＷｉｄｇｅｔｓ
ＱＴＱｕｉｃｋ
应用特点
传统桌面开发，兼容性强
现代化ＵＩ应用设备
３㊀软件系统总体设计３．１㊀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㊂
（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㊁②通道层级具体信息㊁③通道历史信息㊁④气体检测器真实动态化模拟信息；
（３）平面图编辑模块：
将通道拖拽到部署区域的
图３㊀系统的软件架构图
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㊁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Ｒｅｇａｒｄ７０００ＣＮ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㊁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，便于显示模块查分析㊂
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㊂后３个模块分别用独立的
线程执行，不影响界面操作
㊂
图４㊀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㊂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］㊂
３．２㊀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
㊀㊀㊀㊀㊀第１１期孙光民等：基于ＱＴ的有害气体监控系统１１３㊀㊀
的编号㊁名称㊁检测值㊁当前状态等共１０项信息㊂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㊂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㊂为此提出了２种基于定时器的实时显示算法，如图５所示㊂图５（ａ）为排序标记方法，图５（ｂ）为建立临时存储空间方法
㊂
（ａ）排序标记法
㊀
㊀
（ｂ）建立临时空间存储法
图５㊀实时显示算法流程图
㊀㊀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㊂例如设置一个周期为
１ｓ的定时器，那么每１ｓ会发射信号，在信号关联的槽
函数里做相应处理㊂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
２ｓ，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０．５ｓ，更具实时性㊂
通道当前状态信息的显示需要报警㊁故障等图标
闪烁来提示用户㊂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㊂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
㊂
（ａ）定时器运行计数法
㊀
㊀
（ｂ）当前时间判断法
㊀
㊀
（ｃ）显示信息集中处理法
图６㊀图标闪烁算法流程图
㊀㊀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
㊀㊀
㊀
㊀
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Ｎｏｖ．２０２０㊀
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㊂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
㊂
图７㊀信息显示模块界面
３．３㊀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ＲＥＧＡＲＤ７０００ＣＮ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㊂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㊂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０．５ｓ㊂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㊁对应时刻的动态展示模块界面
㊂
图８㊀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㊂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㊂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
图９㊀动态画面展示模块界面
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㊂平面图编辑模块界面效果如图１０所示㊂４㊀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］㊂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㊂４．１㊀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Ｗｉｎｄｏｗｓ７㊁Ｗｉｎｄｏｗｓ１０操作系统进行测试㊂将由Ｒｅｌｅａｓｅ版本生成的ＨＭＩ．ｅｘｅ执行文件同ｌｉｂＥＧＬ．ｄｌｌ㊁ｌｉｂＧＬＥＳＶ２．ｄｌｌ㊁Ｑｔ５Ｃｏｒｅ．ｄｌｌ㊁Ｑｔ５Ｇｕｉ．ｄｌｌ㊁Ｑｔ５Ｓｖｇ．ｄｌｌ
㊁Ｑｔ５Ｗｉｄｇｅｔｓ．ｄｌｌ㊁图标组㊁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㊂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㊂４．２㊀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ＲＥＧＡＲＤ７０００ＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＳｏｆｔｗａｒｅ（德尔格）进行比较测试㊂该软件平台在Ｗｉｎｄｏｗｓ７㊁Ｗｉｎｄｏｗｓ１０操作系统上启动时间均需要２５ｓ，没有太大差异㊂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㊂
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㊂５㊀结束语
本文设计了基于ＱＴ的有害气体监控系统㊂该系
㊀㊀
㊀
㊀
㊀第１１期孙光民等：基于ＱＴ的有害气体监控系统
１１５㊀
㊀
图１０　平面图编辑模块界面
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㊂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㊂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㊁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㊂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㊂
参考文献：
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作者简介：孙光民（１９６０ ），博士，博士生导师，研究方向主要
包括信号与图像处理，神经网络与应用，人工智能与模式识别等㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｍｓｕｎ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
翁羽（１９９５ ），硕士研究生，研究方向为深度学习，计算机图形化显示㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｘｓｙｂｗｓ＠１６３．ｃｏｍ

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