Python编程及项目开发 第6章-项目开发

6.6项目开发1.功能需求添加学生：添加学生信息，用对话框输入新学生信息；验证学号唯一性和必填字段。编辑学生信息：学号不可修改；可修改姓名、性别。删除学生：删除前确认删除信息，确认框显示学生姓名和学号。刷新数据：能够重新加载数据库数据，数据库采用SQLITE3或MySQL。退出系统：关闭应用程序。2.项目设计1)系统界面设计系统的界面如图6-12至图6-14所示。2)类的设计本系统主要包含2个类。(1)StudentDialog类：继承自QDialog，包含学号输入框、姓名输入框、性别下拉框三个表单组件；提供get_data()方法获取输入数据。(2)StudentManagementSystem类：继承自QMainWindow，包含数据库连接对象和数据库游标。UI组件包含表格、添加按钮、刷新按钮、退出按钮。核心功能方法有数据库初始化、UI初始化、学生数据加载、增删改操作。3)类之间的关系StudentManagementSystem使用StudentDialog进行学生数据的输入和编辑。类之间的关系如图6-15所示。3.项目实现11importsys2importsqlite33fromPyQt5.QtWidgetsimport*4fromPyQt5.QtCoreimportQt5fromPyQt5.QtGuiimportQFont,QIcon67classStudentDialog(QDialog):8"""添加/编辑学生信息的对话框"""9def__init__(self,parent=None,student_id=None,name=None,gender=None):10super().init(parent)11self.setWindowTitle("学生信息"ifstudent_idelse"添加学生")12self.setMinimumWidth(300)13layout=QVBoxLayout()14#14#表单布局15form_layout=QFormLayout()16self.student_id_input=QLineEdit()17self.student_id_input.setPlaceholderText("请输入学号")18ifstudent_id:19self.student_id_input.setText(student_id)20self.student_id_input.setReadOnly(True)#编辑时学号不可修改21form_layout.addRow("学号:",self.student_id_input)22_input=QLineEdit()23_input.setPlaceholderText("请输入姓名")24ifname:25_input.setText(name)26form_layout.addRow("姓名:",_input)2728self.gender_combo=QComboBox()29self.gender_combo.addItems(["男","女"])30ifgender:31index=0ifgender=="男"else132self.gender_combo.setCurrentIndex(index)33form_layout.addRow("性别:",self.gender_combo)34layout.addLayout(form_layout)3536#按钮37button_box=QDialogButtonBox(QDialogButtonBox.Ok\38|QDialogButtonBox.Cancel)39button_box.accepted.connect(self.accept)40button_box.rejected.connect(self.reject)41layout.addWidget(button_box)4243self.setLayout(layout)4445defget_data(self):46"""获取表单数据"""47return{48"student_id":self.student_id_input.text().strip(),49"name":_input.text().strip(),50"gender":self.gender_combo.currentText()51}5253classStudentManagementSystem(QMainWindow):54"""学生管理系统主窗口"""55definit(self):56super().init()57self.setWindowTitle("学生管理系统")5858self.setGeometry(100,100,800,600)5960#初始化数据库61self.init_database()6263#设置UI64self.init_ui()6566#加载学生数据67self.load_students()6869definit_database(self):70"""初始化数据库"""71self.conn=sqlite3.connect('students.db')72self.cursor=self.conn.cursor()73#创建学生表74self.cursor.execute('''75CREATETABLEIFNOTEXISTSstudents(76idINTEGERPRIMARYKEYAUTOINCREMENT,77student_idVARCHAR(20)UNIQUENOTNULL,78nameVARCHAR(50)NOTNULL,79genderVARCHAR(10)NOTNULL82mit()84#添加一些示例数据85self.cursor.execute("SELECTCOUNT(*)FROMstudents")86ifself.cursor.fetchone()[0]==0:87sample_data=[88('20142857','张三','男'),89('20142858','李四','男'),90('20142859','王五','男'),91('20142860','赵六','男'),92('20142861','钱七','男'),93('20142862','孙八','男')94]95self.cursor.executemany(96"INSERTINTOstudents(student_id,name,gender)\97VALUES(?,?,?)",98sample_data99)100mit()102102definit_ui(self):103"""初始化用户界面"""104main_widget=QWidget()105main_layout=QVBoxLayout()107#标题108title_label=QLabel("学生管理系统")109title_label.setFont(QFont("Arial",18,QFont.Bold))110title_label.setAlignment(Qt.AlignCenter)111main_layout.addWidget(title_label)113#操作按钮114button_layout=QHBoxLayout()115self.add_button=QPushButton("添加学生")116self.add_button.setIcon(QIcon.fromTheme("list-add"))117self.add_button.setStyleSheet("background-color:\118#4CAF50;color:white;font-weight:bold;")119self.add_button.clicked.connect(self.add_student)120button_layout.addWidget(self.add_button)122self.refresh_button=QPushButton("刷新")123self.refresh_button.setIcon(QIcon.fromTheme("view-refresh"))124self.refresh_button.setStyleSheet("background-color:#2196F3;\125color:white;font-weight:bold;")126self.refresh_button.clicked.connect(self.load_students)127button_layout.addWidget(self.refresh_button)129self.exit_button=QPushButton("退出系统")130self.exit_button.setIcon(QIcon.fromTheme("application-exit"))131self.exit_button.setStyleSheet("background-color:#f44336;color:white;font-weight:bold;")132self.exit_button.clicked.connect(self.close)133button_layout.addWidget(self.exit_button)135main_layout.addLayout(button_layout)137#学生表格138self.table=QTableWidget()139self.table.setColumnCount(5)140self.table.setHorizontalHeaderLabels(["序号","学号","姓名","性别","操作141self.table.horizontalHeader().setSectionResizeMode(QHeaderView.Stretch)142self.table.setEditTriggers(QAbstractItemView.NoEditTriggers)#禁止编辑143self.table.setSelectionBehavior(QAbstractItemView.SelectRows)#选择整行行145main_layout.addWidget(self.table)146main_widget.setLayout(main_layout)147self.setCentralWidget(main_widget)149defload_students(self):150"""从数据库加载学生数据"""151self.cursor.execute("SELECTid,student_id,name,genderFROMstudents")152students=self.cursor.fetchall()153self.table.setRowCount(len(students))154forrow,studentinenumerate(students):155#序号156self.table.setItem(row,0,QTableWidgetItem(str(row+1)))157#学号158self.table.setItem(row,1,QTableWidgetItem(student[1]))159#姓名160self.table.setItem(row,2,QTableWidgetItem(student[2]))161#性别162self.table.setItem(row,3,QTableWidgetItem(student[3]))163#操作按钮164button_widget=QWidget()165button_layout=QHBoxLayout()166button_layout.setContentsMargins(5,2,5,2)168edit_button=QPushButton("编辑")169edit_button.setStyleSheet("background-color:#FFC107;color:black;")170edit_button.setFixedWidth(60)171edit_button.clicked.connect(lambda_,s=student:self.edit_student(s))172delete_button=QPushButton("删除")173delete_button.setStyleSheet("background-color:#F44336;color:white;")174delete_button.setFixedWidth(60)175delete_button.clicked.connect(lambda_,s=student:self.delete_student(s))176button_layout.addWidget(edit_button)177button_layout.addWidget(delete_button)178button_layout.addStretch()180button_widget.setLayout(button_layout)181self.table.setCellWidget(row,4,button_widget)183defadd_student(self):184#略185defedit_student(self,student):186#略187187defdelete_student(self,student):188#略189defcloseEvent(self,event):190"""关闭窗口时关闭数据库连接"""191self.conn.close()192event.accept()4.程序完善(1)参照上述的程序，完善省略部分。(2)本系统使用代码进行界面的设计，用户也可以使用QtDesigner进行界面的设计。(3)本系统使用SQLITE3数据库，用户可以替换成MySQL数据库。1.功能需求1)设备管理模块添加新设备，包括设备名称、类型、位置、安装日期等详细信息。设备类型支持：传感器（sensor）、执行器（actuator）、控制器（controller）。故障（fault）。状态可视化：不同状态使用不同颜色标识（绿色-活跃，红色-故障等）。设备列表查看：以表格形式展示所有设备信息。2)实时监控模块实时数据可视化：多参数实时图表：温度、振动、电流消耗；可视化阈值线：显示警告和危险阈值。设备状态面板：显示设备基本信息：ID、名称、类型、位置。健康状态报告：当前状态、平均温度、未解决告警数。设备健康分析：24小时平均温度计算；设备健康评估和建议。3)告警管理模块告警列表：按时间倒序列出所有未解决告警；显示告警设备ID、时间、严重性和描述。4)系统集成功能数据模拟系统：后台数据生成器模拟设备数据，90%正常数据+10%异常数据模式。实时告警通知：状态栏告警指示灯（红/绿）。数据持久化：SQLAlchemyORM集成；MySQL数据库支持。2.项目设计1)系统界面设计主界面包括工具栏按钮和三个标签页。设备管理的标签页如图6-16所示。告警管理标签页如图6-17所示。实时监控标签页如图6-18所示。2)数据库设计各模块涉及多种数据库设计，设备表详见表6-10，传感器数据详见表6-11，告警信息详见表6-12。列名数据类型字段说明约束/备注idINTEGER唯一标识符nameVARCHAR(100)设备名称非空，唯一标识设备typeVARCHAR(50)设备类型非空，仅限：传感器（sensor）/执行器（actuator）/控制器（controller）locationVARCHAR(100)安装位置非空installation_dateDATETIME安装日期非空statusVARCHAR(20)当前运行状态非空，取值：活跃（active）/（maintenance）/故障（fault）last_maintenanceDATETIME最后维护时间记录最近一次维护时间戳manufacturerVARCHAR(100)制造商设备生产厂商信息modelVARCHAR(50)设备型号具体设备型号标识列名数据类型字段说明约束/备注idINTEGER唯一标识device_idINTEGER关联设备ID外键，关联devices.id，非空timestampTIMESTAMP数据采集时间戳带时区，默认当前时间temperatureNUMERIC(5,2)温度读数(℃)精度：±999.99℃pressureNUMERIC(7,2)压力读数(kPa)精度：±99999.99kPavibrationNUMERIC(6,3)振动幅度(mm)精度：±999.999mmcurrent_consumptionNUMERIC(6,2)电流(A)精度：±9999.99Astatus_codeINTEGER设备状态码自定义设备状态编码列名数据类型字段说明约束/备注idINTEGER告警唯一标识符device_idINTEGER关联设备ID外键，关联devices.id，可为空timestampTIMESTAMP告警触发时间带时区，默认当前时间severityVARCHAR(10)告警严重等级非空，取值：关键（critical）/descriptionVARCHAR(255)告警详情描述非空，说明具体问题resolvedBOOLEAN是否已解决默认false，未解决resolved_timeTIMESTAMP解决时间带时区，记录告警消除时间3)系统模块设计(1)model.py模块的设计。的ORM模型与数据库表建立对象关系映射（ORM），以便在Python中操作数据库。(2)db_operations.py模块设计。该模块是系统的核心类，主要负责数据库操作，包括：数据库建表、添加新设备、记录传感器数据、根据传感器数据生成告警、获取设备健康状态报告、执行设备维护等功能。该类如图6-19所示。(3)main.py模块设计。该模块主要包括以下6个类：RealtimeChart类：用于读取温度、振动、电流数据并以图表的形式显示。init()方法：用于初始化图表，创建三个子图区域；configure_axes()方法：配置图表坐标轴、标题、阈值线和布局；update_data()：更新图表数据并重新绘制。如图6-20示。DeviceManagerTab类：用户界面、设备注册、可视化设备状态、数据操作(添加新设备到数据库、刷新设备列表)等。init()方法：初始化设备管理标签页；init_ui()方法：创建用户界面组件；add_device()方法：添加新设备到数据库；clear_form()：清空表单内容；refresh_device_list()方法：刷新设备表格数据。如图6-21所示。RealtimeMonitorTab类：用于监控界面显示、设备实时监控（温度、振动、电流）、定时刷新、设备状态管理（活跃，故障，维护）等。load_devices()方法：加载活跃设备列表；device_selected()方法：处理设备选择事件；update_device_status()方法：更新设备状态信息；update_chart_data()方法：刷新实时图表；perform_maintenance()方法：执行设备维护操作。如图6-22所示。AlertManagerTab类：用于告警界面显示、告警实时监控（关键（critical）、高（high）、中（medium）、低（low））、告警详细显示等。refresh_alerts()方法：刷新告警列表；resolve_selected_alert()方法：解决选中的告警；show_alert_details()方法：显示告警详情对话框。如图6-23所示。DataSimulatorThread类：是系统的数据模拟器，主要功能为多个设备生成模拟传感器数据，支持温度、压力、振动、电流消耗等参数；生成状态码标识数据状态。run()方法：主线程逻辑，循环生成数据；stop()方法：停止线程。IndustrialIOTSystem类：是系统的主类，负责协调整个应用程序的运行，主要功能包括：系统初始化(创建数据库管理器、初始化数据库表、添加示例设备、设置UI界面、启动数据模拟器)、加载三个标签页(实时监控、告警管理、设备管理)、显示数据等功能。initialize_devices()方法：初始化设备init_ui()方法：创建用户界面；start_data_simulator()方法：启动数据模拟器；check_critical_alerts()方法：检查关键告警；refresh_all()方法：刷新所有标签页；closeEvent()方法：处理窗口关闭事件。其与其他类的关系如图6-24所示。2.项目实现models.py主要代码：1#创建一个设备类1#创建一个设备类:2fromsqlalchemyimportcreate_engine,Column,Integer,String,Numeric,\3DateTime,Boolean,ForeignKey,CheckConstraint4fromsqlalchemy.ormimportdeclarative_base,relationship,sessionmaker5fromsqlalchemy.sqlimportfunc6fromdatetimeimportdatetime7importpytz89Base=declarative_base()11classDevice(Base):12__tablename__='devices'13id=Column(Integer,primary_key=True)14name=Column(String(100),nullable=False)15type=Column(String(50),nullable=False)16location=Column(String(100),nullable=False)17installation_date=Column(DateTime,nullable=False)18status=Column(String(20),nullable=False)19last_maintenance=Column(DateTime)20manufacturer=Column(String(100))21model=Column(String(50))2223#关系24sensor_data=relationship("SensorData",back_populates="device")25alerts=relationship("Alert",back_populates="device")2627__table_args__=(28CheckConstraint("typeIN('sensor','actuator','controller')",name='device_type_check'),29CheckConstraint("statusIN('active','inactive','maintenance',\30'fault')",name='device_status_check'),31)3233defrepr(self):34returnf"<Device(id={self.id},name={},\35type={self.type},status={self.status})>"3637classSensorData(Base):38#略39classAlert(Base):40#略41db_operations.py模块的主要代码11importlogging2fromsqlalchemyimportcreate_engine,func,or_,text3fromsqlalchemy.ormimportsessionmaker4fromsqlalchemy.sqlimportexpression5fromdatetimeimportdatetime,timedelta,timezone6frommodelsimportDevice,SensorData,Alert,Base7fromsqlalchemyimportdesc8#配置日志9logging.basicConfig(level=logging.INFO)10logger=logging.getLogger("IIoT-System")12#数据库配置-修改为MySQL连接14DB_CONFIG={15'user':'root'16'password':'123456',17'host':'localhost'18'database':'device_db',19'charset':'utf8mb4'#支持中文表名和字段20}2122#创建数据库连接23DATABASE_URI=f"mysql+pymysql://{DB_CONFIG['user']}:\24{DB_CONFIG['password']}@{DB_CONFIG['host']}/{DB_CONFIG['database']}\25?charset={DB_CONFIG['charset']}"2627classDatabaseManager:28def__init__(self,echo=False):29self.engine=create_engine(DATABASE_URI,echo=echo,pool_pre_ping=True)30self.Session=sessionmaker(bind=self.engine)3132defcreate_tables(self):33"""创建数据库表"""34Base.metadata.create_all(self.engine)35("数据库表创建成功")3637defadd_device(self,device_data):38"""添加新设备"""39withself.Session()assession:40device=Device(**device_data)41session.add(device)42mit()43(f"添加设备成功:ID={device.id},Name={}")44returndevice.id454546defrecord_sensor_data(self,device_id,sensor_data):47"""记录传感器数据"""48withself.Session()assession:49#检查设备状态50device=session.query(Device).filter_by(id=device_id).first()51ifnotdeviceordevice.status!='active':52logger.warning(f"设备{device_id}不可用或不存在")53returnFalse5455#创建数据记录56data_record=SensorData(device_id=device_id,**sensor_data)57session.add(data_record)5859#检查是否需要生成告警60self._check_for_alerts(session,device,data_record)6162mit()63logger.debug(f"记录设备{device_id}的传感器数据")64returnTrue6566def_check_for_alerts(self,session,device,data):67"""根据传感器数据生成告警"""68alerts=[]6970#温度告警规则71ifdata.temperatureisnotNone:72ifdata.temperature>85:73alerts.append(Alert(74device_id=device.id,75severity="critical",76description=f"温度过高:{data.temperature}°C(设备:{})"77))78elifdata.temperature>75:79alerts.append(Alert(80device_id=device.id,81severity="high",82description=f"温度偏高:{data.temperature}°C(设备:{})"85#振动告警规则86ifdata.vibrationisnotNone:87ifdata.vibration>5.0:88alerts.append(Alert(8989device_id=device.id,90severity="critical",91description=f"振动异常:{data.vibration}mm/s(设备:{})"92))93elifdata.vibration>3.0:94alerts.append(Alert(95device_id=device.id,96severity="medium",97description=f"振动偏高:{data.vibration}mm/s(设备:{})"98))99100#电流消耗告警101ifdata.current_consumptionisnotNone:102ifdata.current_consumption>30.0:103alerts.append(Alert(104device_id=device.id,105severity="high",106description=f"电流消耗过高:{data.current_consumption}\107A(设备:{})"110#状态码告警111ifdata.status_codeisnotNoneanddata.status_code!=0:112alerts.append(Alert(113device_id=device.id,114severity="medium",115description=f"设备异常状态码:{data.status_code}(设备:{})"118#添加告警119foralertinalerts:120session.add(alert)121logger.warning(f"生成告警:{alert.description}")123defresolve_alert(self,alert_id,resolution_note=""):124"""解决告警"""125withself.Session()assession:126alert=session.query(Alert).filter_by(id=alert_id).first()127ifnotalert:128logger.error(f"告警ID{alert_id}不存在")129returnFalse131alert.resolved=True132alert.resolved_time=datetime.now(timezone.utc)133133mit()134(f"已解决告警:ID={alert_id}")135returnTrue136defget_device_health(self,device_id):137"""获取设备健康状态报告"""138#略139defperform_maintenance(self,device_id,maintenance_notes):140"""执行设备维护"""141#略142defget_critical_alerts(self):143"""获取所有未解决的关键告警"""144#略main.py主要代码1#导入其他支持库2frommatplotlib.figureimportFigure3importnumpyasnp4importrandom5importthreading6#导入之前定义的SQLAlchemy模型和数据库操作7frommodelsimportDevice,SensorData,Alert,Base8fromdb_operationsimportDatabaseManager910classRealtimeChart(FigureCanvas):11"""实时数据图表控件"""13classDeviceManagerTab(QWidget):14def__init__(self,db_manager,parent=None):15super().init(parent)16self.db_manager=db_manager17self.init_ui()19definit_ui(self):20#略绘制界面21defadd_device(self):22"""添加新设备到数据库"""23device_data={24"name":_input.text(),25"type":self.type_combo.currentText(),26"location":self.location_input.text(),27"installation_date":self.install_date_input.dateTime().toPyDateTime(),28"status":self.status_combo.currentText(), 29"manufacturer":self.manufacturer_input.text(),30"30"model":self.model_input.text()31}3233try:34device_id=self.db_manager.add_device(device_data)35QMessageBrmation(self,"成功",f"设备已添加，ID:{device_id}")36self.refresh_device_list()37self.clear_form()38exceptExceptionase:39QMessageBox.critical(self,"错误",f"添加设备失败:{str(e)}")4041defrefresh_device_list(self):42"""刷新设备列表"""43withself.db_manager.Session()assession:44devices=session.query(Device).all()4546self.device_table.setRowCount(len(devices))4748forrow,deviceinenumerate(devices):49self.device_table.setItem(row,0,QTableWidgetItem(str(device.id)))50self.device_table.setItem(row,1,QTableWidgetItem())51self.device_table.setItem(row,2,QTableWidgetItem(device.type))52self.device_table.setItem(row,3,QTableWidgetItem(device.location))53self.device_table.setItem(row,4,\54QTableWidgetItem(device.installation_date.strftime("%Y-%m-%d")))5556status_item=QTableWidgetItem(device.status)57#根据状态设置颜色58ifdevice.status=="active":59status_item.setBackground(QColor(144,238,144))#浅绿60elifdevice.status=="fault":61status_item.setBackground(QColor(255,99,71))#番茄红62elifdevice.status=="maintenance":63status_item.setBackground(QColor(255,215,0))#金色64else:65status_item.setBackground(QColor(211,211,211))#浅灰6667self.device_table.setItem(row,5,status_item)68self.device_table.setItem(row,6,QTableWidgetItem(device.manufactureror""))69self.device_table.setItem(row,7,QTableWidgetItem(device.modelor""))7071classRealtimeMonitorTab(QWidget):72"""实时监控标签页"""73def__init__(self,db_manager,parent=None):7474super().init(parent)75self.db_manager=db_manager76self.current_device_id=None77self.init_ui()7879#定时刷新数据80self.timer=QTimer(self)81self.timer.timeout.connect(self.update_chart_data)82self.timer.start(5000)#每5秒刷新一次84definit_ui(self):85#略86defload_devices(self):87"""加载设备列表"""88self.device_combo.clear()89withself.db_manager.Session()assession:90devices=session.query(Device).filter(Device.status=="active").all()91fordeviceindevices:92self.device_combo.addItem(f"{}({device.id})",device.id)93ifdevices:94self.device_combo.setCurrentIndex(0)9596defdevice_selected(self,index):97"""设备选择改变时触发"""98ifindex>=0:99device_id=self.device_combo.itemData(index)100self.current_device_id=device_id101self.update_device_status()102self.update_chart_data()103self.maintenance_button.setEnabled(True)105defupdate_device_status(self):106"""更新设备状态信息"""107ifnotself.current_device_id:108return110report=self.db_manager.get_device_health(self.current_device_id)111ifnotreport:112return114self.device_id_label.setText(str(report["device_id"]))115self.device_name_label.setText(report["device_name"])116self.device_type_label.setText(report.get("type","N/A"))117self.device_location_label.setText(report.get("location","N/A"))118118self.device_status_label.setText(report["status"].upper())120#设置状态颜色121ifreport["status"]=="active":122self.device_status_label.setStyleSheet("color:green;")123elifreport["status"]=="fault":124self.device_status_label.setStyleSheet("color:red;")125elifreport["status"]=="maintenance":126self.device_status_label.setStyleSheet("color:orange;")127else:128self.device_status_label.setStyleSheet("")130self.last_maintenance_label.setText(report["last_maintenance"])131self.avg_temp_label.setText(f"{report['avg_temperature']or'N/A'}°C")132self.unresolved_alerts_label.setText(str(report["unresolved_alerts"]))133self.recommendation_label.setText(report["recommendation"])135#设置建议颜色136if"需要维护"inreport["recommendation"]:137self.recommendation_label.setStyleSheet("color:red;")138else:139self.recommendation_label.setStyleSheet("color:green;")141classAlertManagerTab(QWidget):142"""告警管理标签页"""143def__init__(self,db_manager,parent=None):144super().init(parent)145self.db_manager=db_manager146self.init_ui()148#定时刷新告警149self.timer=QTimer(self)150self.timer.timeout.connect(self.refresh_alerts)151self.timer.start(3000)#每3秒刷新一次153definit_ui(self):155defrefresh_alerts(self):156"""刷新告警列表"""157withself.db_mana