WPF SensorHub - 功能详细介绍

概述

WPF SensorHub 是一款基于 .NET 8 的工业传感器实时监控上位机软件，旨在为工业现场提供传感器数据的实时采集、可视化展示、阈值报警、统计分析和持久化存储功能。软件采用 MVVM 架构模式，结合 MaterialDesignThemes 打造现代化深色界面，并集成 ScottPlot 实现高性能实时曲线绘制。

核心功能模块详解

1. 实时监控

1.1 曲线实时绘制

• 利用 ScottPlot.WPF 的 DataStreamer 类
• 固定缓存容量 200 个数据点，自动滚动展示最新数据
• 支持同时展示 3 种不同类型的传感器曲线
• 每条曲线旁实时显示当前数值、历史最小/最大、平均值

1.2 数据源集成

• Mock 模式: 生成确定性随机数据，用于无硬件调试和演示
• 串口通信: 通过 System.IO.Ports 支持可配置波特率、数据位、停止位、校验位、超时设置和流控
• TCP 网络: 支持 TCP 连接模式，可配置本地监听 IP/端口和远程连接 IP/端口，支持心跳重连
• 数据源实时切换: 在 参数配置 页面可即时切换数据源，无需重启应用

2. 报警管理

2.1 阈值监控机制

• 每传感器独立配置上限和下限阈值
• 上限报警：当数值 > 上限时触发
• 下限报警：当数值 < 下限时触发

2.2 报警响应动作

• 弹窗提示: 系统弹出带红色警报图标的弹窗，显示传感器名称、当前数值、触发阈值、时间戳
• 声音播放: 默认系统提示音，可在配置中开启/关闭
• 记录持久化: 报警事件自动记录至内存/CSV文件/SQLite 数据库

2.3 报警历史查看

• 左侧导航 “报警日志” 卡片展示所有历史报警
• 包含时间、传感器、当前值、触发阈值、状态等列信息
• 一键导出为 CSV 格式，便于二次分析

3. 参数配置

3.1 传感器配置

• 传感器名称、类型选择、单位设置
• 报警阈值：上下限数值输入，支持小数输入
• 最小/最大模拟值（用于 Mock 模式演示
• 单个传感器的启用/禁用状态

3.2 数据源配置

• 串口参数：端口名称、波特率、数据位/停止位/校验位、超时时间
• TCP 参数：本地监听 IP/端口、远程连接 IP/端口、心跳间隔

3.3 全球配置

• 采样间隔（ms），控制数据采集频率（默认 50ms}
• 最大缓存点数（曲线显示最大历史点数，默认 200 点}
• 默认传感器数量（同时显示的传感器类型数量，默认 3 种}
• 存储驱动（“Csv” 或 “Sqlite” 作为默认持久化方式}
• 报警声音开启/关闭
• 串口/TCP 连接断开是否自动尝试重连

4. 数据统计

4.1 基础统计指标

• 平均值：统计周期内数值的算术平均值
• 最小值：统计周期内的最小值
• 最大值：统计周期内的最大值
• 标准差：数值分布的标准差，反映数据波动程度

4.2 直方图可视化

• 用户可自定义数值区间和 Bin（柱子）数量
• 直观展示数值在各区间的分布情况
• 可按日期范围过滤统计数据（最近1小时、24小时、7天等}

4.3 统计数据导出

• 导出为 CSV 格式
• 包含传感器名称、统计指标、时间范围等字段
• 可发送给上位机分析系统或下位机校准

5. 数据持久化

5.1 CSV 持久化模式（默认）

• 每天一个文件，命名格式 YYYY-MM-DD.csv
• 存储路径：config/data/ 目录下
• 每累计 50 条记录写入一次磁盘，减少 I/O 频率
• 数据格式：逗号分隔，包含字段 Id,SensorName,Type,Value,Unit,Timestamp,AlarmFlag

5.2 SQLite 持久化模式

• 在 config/settings.json 中将 StorageType 从 “Csv” 修改为 “Sqlite”
• 数据库位置：config/data/sensorhub.db
• 支持复杂 SQL 查询、快速检索、事务安全
• 示例查询：

  SELECT * FROM SensorData WHERE Timestamp >= date('now', '-1 day') AND SensorName = '温度传感器'

5.3 数据字段说明

6. UI 界面设计

• 深色主题：MaterialDesign “Indigo-Cyan” 色系
• 左侧抽屉导航：Monitor（监控）、Config（配置）、AlarmLog（报警日志）、Statistics（统计）
• 右侧内容区：通过 ContentControl + DataTemplate 根据当前 ViewModel 切换
• 共享元素：顶部状态栏、底部状态栏显示当前时间、数据源状态、连接状态

7. 异常与容错

• 全局异常处理：DispatcherUnhandledException、TaskScheduler.UnobservedTaskException、AppDomain.UnhandledException
• 异步命令捕获：AsyncRelayCommand 内部统一 try/catch，失败时通过 DialogService 显示错误信息
• 资源释放：MainWindow.Closing 触发 MainViewModel.Dispose()，释放串口/TCP 连接、后台任务

8. 依赖注入与生命周期

• DI 容器：Microsoft.Extensions.Hosting，通过 IHostBuilder 搭建一次性容器
• 服务注册策略：Singleton（单例） MainViewModel/全局配置，Transient（瞬时） 每次请求新实例的服务
• 生命周期管理：应用启动创建 Host，主窗口数据绑定到 MainViewModel，页面导航自动 dispose 旧页面 ViewModel，应用关闭销毁所有子视图模型

技术架构要点

1. MVVM 模式实现：ViewModelBase 实现 INotifyPropertyChanged，RelayCommand/AsyncRelayCommand 实现命令
2. 服务注入模式：接口分离（ISensorSource、IDataStorage 等），通过构造函数注入，生命期由容器管理
3. 配置文件管理：JSON 配置 config/settings.json，自动持久化，不存在时自动创建默认值
4. 数据流转路径：传感器/模拟源 → 数据源服务 → MainViewModel（观察者模式） → View（XAML binding） → ScottPlot（实时绘制） → 持久化服务（Csv/Sqlite}

使用场景示例

1. 新厂房设备调试: 连接传感器到串口网关，配置串口参数（波特率 9600，8-N-1），启动 SensorHub 实时查看数据，设置温度报警（上限 80°C，下限 10°C），持久化模式选择 CSV 导出调试数据备案
2. 远程设备监控: 在工厂网络部署 TCP 传感器采集设备，配置 SensorHub 为 TCP 监听模式（端口 502），远程电脑通过统计页面查看历史数据，开启 SQLite 持久化便于数据分析部门查询
3. 产线质量监控: 同时监控温度、压力、振动三个参数，设置三组不同阈值范围，直方图分析数值分布优化生产参数，报警日志导出作为质量改进依据

扩展开发指南

1. 添加新传感器类型：在 Models/ 添加 SensorType 枚举，在 SensorConfig.cs 添加配置字段，在 ViewModels 扩展统计计算方法，在 Views 添加曲线颜色定义
2. 集成新数据源：实现 ISensorSource 接口，在 ConfigViewModel 中添加新数据源选项，在 App.xaml.cs 中注册新服务
3. 自定义 UI 主题：编辑 App.xaml 中颜色资源字典，修改 PrimaryColor/AcentColor 等定义，在各视图 XAML 中引用 StaticResource 关键字
4. 添加新统计指标：在 DataStatisticsService.cs 添加计算方法，在 StatisticsViewModel 中暴露新属性，在 StatisticsView.xaml 中添加展示控件，更新导出功能包含新字段

WPF SensorHub - 详细使用教程

教程 1：快速启动模拟数据演示

1.1 环境准备

• 确保已安装 .NET 8 SDK（下载：https://dotnet.microsoft.com/download/dotnet/8.0）
• Windows 10/11（64位）操作系统

1.2 运行项目

# 1. 还原 NuGet 包
dotnet restore

# 2. 编译运行
dotnet run

或直接在 Visual Studio 2022 中打开 工业传感器实时监控上位机.slnx 并按 F5 运行。

1.3 演示步骤

1. 双击项目 exe 或运行 dotnet run，界面将自动启动
2. 默认显示 Mock 数据 演示界面（无需连接任何硬件）
3. 界面左侧导航抽屉展示 4 个主要页面：监控、配置、报警日志、统计
4. 主界面将显示 3 条实时曲线，随时间自动变化生成随机数据
5. 查看右侧指标面板：当前值、min、max、avg 将实时更新
6. 点击左侧 “参数配置” 卡片，验证设置是否生效（如采样间隔、缓存点数）
7. 再次点击监控页确认参数是否已应用

教程 2：通过串口连接真实传感器

2.1 硬件连接

1. 将工业传感器（温度/压力/振动等）通过 USB-to-TTL 电平转接线连接到 PC 串口
2. 识别串口号：
   1. 按 Win + R，输入 devmgmt.msc 打开设备管理器
   2. 查看 "端口(COM和LPT)" 分支，记录端口号（如 COM3、COM4）
3. 确认传感器供电状态（部分需要外部 5V/12V 电源）

2.2 软件配置

1. 运行 SensorHub，点击左侧导航的 “参数配置” 卡片
2. 设置数据源类型：
   1. 选择 COM 模式
   2. 端口名称: 输入识别到的端口号（如 COM3）
   3. 波特率: 根据传感器说明书设置（常见值：9600, 115200, 57600）
   4. 数据位: 通常设置为 8 位
   5. 停止位: 通常设置为 1 位（如为 Modbus 协议可设 2 位）
   6. 校验位: 通常设置为“无”（如为偶/奇校验请相应选择）
   7. 超时时间: 默认 1000ms，根据传感器响应时间调整
3. 点击 “应用并重启数据源” 按钮

2.3 数据验证

1. 返回 “监控” 页面，应立即看到实时数据流开始显示
2. 观察曲线变化：真实传感器数据通常比模拟数据更有规律、波动范围较小
3. 检查右侧指标面板：当前数值应反映实际传感器读数
4. 如无数据显示：
   1. 检查物理连接是否牢固
   2. 确认波特率是否匹配（错误的波特率会出现乱码数据）
   3. 确认传感器已开机并正在发送数据
   4. 在控制台窗口查看是否有错误输出

2.4 数据格式识别

传感器通过串口发送的数据格式示例：

TEMP:24.5\r\n
HUMI:55.2\r\n

或

0xA0 0x01 0x18 0x34 0xFF\r\n

(具体格式取决于传感器协议，可在配置页面的 "调试日志" 中查看原始字节数据)

教程 3：配置报警阈值并查看报警历史

3.1 设置报警阈值

1. 在左侧导航点击 “参数配置” 卡片
2. 为任意传感器设置报警阈值：
   1. 例如：温度传感器上限设置为 80.0，下限设置为 20.0
   2. 压力传感器上限设置为 5.0（单位：bar），下限设置为 0.5
3. 保存配置并返回 “监控” 页面

3.2 实时观察报警

1. 返回 “监控” 页面进行实时观察
2. 当实时数值突破设定阈值时：
   1. 上限报警：数值超过上限（如温度 > 80°C），弹出红色警报弹窗
   2. 下限报警：数值低于下限（如温度 < 20°C），弹出红色警报弹窗
3. 弹窗包含信息：
   1. 传感器名称（如 "温度传感器"）
   2. 当前数值（如 "82.5°C"）
   3. 触发阈值（如 "上限 80.0°C"）
   4. 触发时间戳
4. 声音提示：系统将播放默认提示音（可在 “参数配置” 页的 "报警声音" 选项中关闭）

3.3 查看报警历史

1. 点击左侧导航 “报警日志” 卡片
2. 列表将展示所有历史触发的报警记录，包含：
   1. 时间（如 "2024-01-15 10:30:15"）
   2. 传感器名称
   3. 当前数值
   4. 触发阈值（上/下限）
   5. 报警状态（"进行中"/"已恢复"}
3. 导出CSV: 在报警日志页面底部点击 "导出 CSV" 按钮，将报警记录保存为 alarm_log_YYYYMMDD.csv 文件，便于生成报告或进行二次分析。

3.4 报警常见问题排查

• 报警不触发：
  1. 检查阈值设置是否合理（上限应大于当前典型值，下限应小于当前典型值）
  2. 确认传感器数据格式是否正确
  3. 检查是否已正确配置串口/TCP 参数
• 弹窗消失快：
  1. 正常现象，报警弹窗有自动消失计时（默认 5 秒）
  2. 如需永久查看，请立即查看 "报警日志" 页面

教程 4：开启 SQLite 持久化存储

4.1 配置修改

1. 使用记事本或任意文本编辑器打开 config/settings.json 文件
2. 找到 "StorageType": "Csv" 这一行
3. 将其修改为：

"StorageType": "Sqlite"

4.2 重启应用

1. 重启 SensorHub 应用（或点击 "重新加载配置" 按钮，如果有此功能）
2. 数据将不再写入 CSV 文件，而是存入 SQLite 数据库
3. 数据库文件位置：config/data/sensorhub.db

4.3 使用 SQLite 查询工具

推荐使用免费工具 DB Browser for SQLite（下载：https://sqlitebrowser.org/）打开数据库。

4.3.1 基本查询示例

-- 查询最近24小时温度数据
SELECT SensorName, AVG(Value), MIN(Value), MAX(Value)
FROM SensorData
WHERE Timestamp >= date('now', '-1 day')
GROUP BY SensorName;

-- 查询超过阈值的报警记录
SELECT * FROM AlarmRecord
WHERE Value > 80.0
ORDER BY Timestamp DESC;

-- 查询特定传感器的日均数据
SELECT DATE(Timestamp) as DataDate, AVG(Value) as AvgValue, COUNT(*) as SampleCount
FROM SensorData
WHERE SensorName = '压力传感器'
GROUP BY DATE(Timestamp)
ORDER BY DataDate DESC;

4.3.2 数据库结构说明

数据库包含以下主要表：

• SensorData: 存储每条传感器数据记录（Id, SensorName, Type, Value, Unit, Timestamp, AlarmFlag）
• AlarmRecord: 存储报警事件记录（Id, SensorName, Value, UpperLower, Timestamp, Status）
• SensorConfig: 存储传感器配置信息（Name, Type, Unit, AlarmUpper, AlarmLower, MinSimValue, MaxSimValue, Enabled）

教程 5：自定义 UI 主题与画刷

5.1 彩色主题自定义

1. 打开 App.xaml 文件
2. 定位到资源字典部分，修改自定义画刷定义：

   
   #00D8FF
   #FF6B6B
   #A855F7
   #1a237e
   #2d3a4b

3. 在任意视图 XAML 中引用这些颜色：

4. 保存文件，重启应用即可生效

5.2 整体主题切换

MaterialDesign 默认提供浅色/深色主题切换。如需自定义主题颜色，可在 Themes/MaterialDesign.Xaml.Colors.xaml 中修改系统颜色。建议备份原始 App.xaml 文件后再进行大规模修改。

常见问题疑难解答

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