基于Qt的室内环境监测系统设计与实现

李 超，程小劲

(上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620)

0 引 言

煤气、天然气是现代家庭主要能源之一。由于煤气、天然气的泄露导致的中毒和火灾是高层住宅的重大隐患，每年因为燃气泄露造成的火灾数不胜数。随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，各式各样的原材料制成的装修材料进入家庭，而随之释放出来的有害气体时刻威胁着大家的安全。其中甲醛是最为常见的有害气体之一，具有强烈的致癌性[1]。与此同时，PM2.5也时刻威胁着家庭成员的健康[2]。目前，室内环境参数监测系统的多数功能较为单一，完成一个完整的监测系统需要使用多个产品。对此，文中将传统的监控系统和环境监测系统融合在一起，实现环境参数查询、监控查询一体化。与此同时，还可以对参数进行阈值设置，当环境里的参数值超出阈值后会及时提醒，该系统可以满足大多数室内环境的监测要求。后期还可以进行二次开发利用，可以方便地添加传感器，使整个系统的功能更加丰富，数据保存在本地，采用封闭式的管理机制也可以保护数据的安全[3]。

1 系统总体设计

基于Qt的室内环境监测系统(见图1)由三部分组成，分别为Qt制作的客户端、上位机和下位机。Qt是由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架[4-5]。经过交叉编译器编译后，可以运行到ARM平台上。Qt上主要实现用户的注册、登录，环境参数的阈值设置以及环境参数的实时查看等功能。上位机由Cortex A9组成，移植Linux3.14的内核和文件系统，主要运行主程序[6-7]。下位机上连接有温湿度传感器、甲醛气体传感器、可燃气体传感器、蜂鸣器和继电器等。

图1 系统构成

下位机采集到传感器的数据后，通过RS232串口通信将数据发送给上位机。经过上位机处理后，通过TCP/IP协议发送给Qt，并在Qt界面中显示出来。Qt中设置的阈值通过TCP/IP协议发给上位机，与下位机采集到的数据进行对比，超出阈值，将会触发蜂鸣器。摄像头产生的数据流通过TCP/IP协议传给Qt，实时显示在Qt界面中。

2 硬件部分

基于Qt的智能家居环境监测系统硬件部分包括显示屏、三星的Exynos4412、STM 32、以及各种传感器等，如表1所示。

表1 系统主要硬件信息

2.1 温湿度传感器电路

温湿度传感器采用的型号为DS18B20，具有体积小，硬件开销低，精度高，抗干扰能力强等特点。其硬件电路简单，功耗较小，测量范围大。具体硬件连接电路如图2所示[8-9]。

图2 DS18B20温湿度传感器

2.2 PM2.5传感器

PM2.5传感器采用的型号为GP2Y1010-AU0F，具有封装体积较小，可以检测较小的粉尘，检测时间短等优点。具体电路如图3所示[8-9]。

2.3 甲醛气体传感器

甲醛传感器采用的型号为MS1100-P111VOC，该传感器是一款原装进口的半导体式VOC气体传感器，具有质量好，测量精准度高，灵敏度好等优点。具体电路如图4所示[8-9]。

图4 甲醛气体传感器

3 软件部分

软件部分由Qt制作的客户端、上位机程序和下位机程序组成。

3.1 Qt客户端软件设计

为了方便用户管理，需要满足如下几个需求：

(1)使用SQLite建立数据库，完成用户的注册和登录。

(2)登录成功后，进行数据显示页面，可以设置环境参数的阈值以及查看实时监控信息。

为了实现以上需求，Qt的客户端控制系统设计主要包括用户界面UI、Socket通信、SQLite数据库设计。

3.1.1 Qt客户端注册登录界面

Qt控制程序注册界面如图5所示。由于该系统所需要存储的数据量小，用户注册登录的数量少，无需较大的数据库，因此该客户端采用Qt平台内置的SQLite数据库。SQLite数据库小巧，移植性高，维护方便，便于管理，并且对资源的需求较小。同时支持NULL、TEXT、BLOB、REAL等数据类型，满足该应用程序的开发使用。

Qt中提供了QSqlDatabase类，可以完成对SQLite数据库的一系列操作。QSqlDatabase类提供了addDatabase方法完成数据库的添加，setDatabaseName方法设置数据的名称，exec()可以执行SQLlite语句，完成数据的插入、查找、删除等一系列基本操作[10]。

数据库主要存储以下信息：用户名和密码，各种环境参数(温度、湿度、甲醛气体浓度等)，各种环境参数的阈值(温度、湿度、甲醛气体浓度等)。

图5 Qt注册登录页面

3.1.2 Qt主页面显示功能

Qt主页面显示功能包括各参数的阈值设置，获取各参数并显示。与此同时使用Qt中内嵌的绘图工具QCustomPlot创建customPlot类，将各个参数实时绘制成曲线并显示。

3.1.3 Qt中基于Socket通信

在网络通信方面，Qt提供了非常好的支持。针对TCP传输，Qt提供QTcpSocket类和QTcpServer类。针对UDP传输，Qt提供QUdpSocket类。TCP(transmission control protocol，传输控制协议)是一个底层网络协议，应用于大多数互联网协议，如HTTP和FTP，进行数据传输。它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，特别适合数据的连续传输。通过创建Socket对象，就可以通过打开输入输出流来进行通信[11]。

基于Qt中Socket通信的客户端和服务器之间的通信实现步骤如下[12]：

(1)建立QTcpServer对象，通过bind()绑定Socket和端口号，通过listen()建立监听，等待客户端发出的连接请求;

(2)建立QTcpSocket对象，通过connect()连接指定的服务器和端口，向服务器发出连接请求;

(3)服务器通过accept接收客户端的连接请求并且实现服务器与客户端的连接;

(4)客户端通过send()发出命令和相应数据给服务器;

(5)服务器通过recv()响应客户端的请求，并获取客户端的数据;

(6)服务器处理数据后返回结果;

(7)客户端接收服务器返回的结果;

(8)重复步骤3～7；

(9)结束连接，完成通信。

3.2 上位机实现

上位机采用三星公司生产的Exynos- 4412芯片，在Ubuntu 12.04的环境下完成Linux内核的相关配置和编译。采用Linux 3.14内核，通过make menuconfig 配置内核中的USB以及和视频相关的USB-_GSPCA_ZC3XX、VIDEO_V4L2、USB-_GSPCA等[13]。配置好相关信息后，进行编译，然后将做好的内核移植到芯片上。

主程序采用多线程编程,通过pthread_creat()创建多线程，在线程中初始化串口实现温湿度读取，可燃气体监控，甲醛气体浓度读取以及TCP/UDP通信。

3.3 下位机实现

下位机采用STM 32连接温湿度传感器DS18b20、甲醛气体传感器MS1100、可燃气体传感器MQ-2等，获取各传感器的数值后，通过RS232将数据传给上位机[14]。

4 结束语

设计了一种室内环境监控系统，克服了传统系统的局限性，具有移动性强、简单、可靠、经济、便于维护等优点。通过测试，客户端运行流畅，既可以运行在Windows上也可以运行在ARM相关平台上。该系统能够完成用户的注册和登录，实时查看当前环境的温湿度、甲醛气体浓度、可燃气体是否超出设置的阈值等关于环境的信息。

该系统可以实时查看和掌握室内环境的各种环境参数，可以设置各种参数的阈值。系统采用计算机和嵌入式相关技术，使用无线通信的方式，具备较强的通用性，易于移动，并且在该系统上可以做二次开发，具备较强的扩展性。采用的硬件简单便宜，通用性好，便于更换，具有稳定可靠、成本低廉等特点。