【C#避坑实战系列文章15】C# WinForm 上位机开发：解决串口粘包+LiveCharts卡顿+InfluxDB存储（免费代码+仿真工具）

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在工业自动化、物联网设备监控等场景中，上位机作为数据采集与可视化的核心工具，承担着连接硬件设备与数据平台的重要角色。本文将通过实战案例，详细讲解如何使用 C# WinForm 开发一套完整的上位机系统，实现从串口数据采集、实时曲线展示，到本地 SQLite 存储与 InfluxDB 时序库持久化的全流程，并提供完整代码与部署指南。

文章目录

• • 一、项目概述与环境搭建
  • • [1.1 项目功能清单](#1.1 项目功能清单)
    • [1.2 开发环境准备](#1.2 开发环境准备)
    • • [1.2.1 基础工具](#1.2.1 基础工具)
      • [1.2.2 依赖库安装](#1.2.2 依赖库安装)
    • [1.3 项目架构](#1.3 项目架构)
    • [1.4 核心功能与关键点](#1.4 核心功能与关键点)
  • 二、核心功能实现详解
  • • [2.1 串口数据采集模块（SerialReader）](#2.1 串口数据采集模块（SerialReader）)
    • • [2.1.1 核心代码实现](#2.1.1 核心代码实现)
      • [2.1.2 关键逻辑说明](#2.1.2 关键逻辑说明)
    • [2.2 实时曲线展示（基于LiveCharts）](#2.2 实时曲线展示（基于LiveCharts）)
    • • [2.2.1 图表初始化（MainForm）](#2.2.1 图表初始化（MainForm）)
      • [2.2.2 动态更新曲线](#2.2.2 动态更新曲线)
    • [2.3 本地数据持久化（SQLite）](#2.3 本地数据持久化（SQLite）)
    • • [2.3.1 数据库初始化（LocalStorage）](#2.3.1 数据库初始化（LocalStorage）)
      • [2.3.2 数据插入实现](#2.3.2 数据插入实现)
    • [2.4 时序数据库集成（InfluxDB）](#2.4 时序数据库集成（InfluxDB）)
    • • [2.4.1 InfluxDB客户端初始化](#2.4.1 InfluxDB客户端初始化)
      • [2.4.2 数据写入实现](#2.4.2 数据写入实现)
  • 三、界面设计与交互逻辑（MainForm）
  • • [3.1 界面布局](#3.1 界面布局)
    • [3.2 核心交互逻辑](#3.2 核心交互逻辑)
  • 四、代码调试与常见问题解决
  • • [4.1 调试准备](#4.1 调试准备)
    • [4.2 常见问题解决](#4.2 常见问题解决)
  • 五、测试效果展示
  • • [5.1 运行界面展示](#5.1 运行界面展示)
    • [5.2 数据存储验证](#5.2 数据存储验证)
  • 六、部署选项
  • • [6.1 生成可执行文件](#6.1 生成可执行文件)
    • [6.2 环境依赖打包](#6.2 环境依赖打包)
    • [6.3 运行环境要求](#6.3 运行环境要求)
  • 七、工程下载与结语

一、项目概述与环境搭建

1.1 项目功能清单

本上位机系统实现以下核心功能：

• 串口通信：支持动态选择串口、波特率，实时接收传感器数据
• 数据解析：基于自定义协议解析串口数据（格式：SENSOR,CHx,时间戳,数值）
• 实时可视化：通过折线图动态展示多通道传感器数据
• 数据持久化：
  • 本地存储：使用 SQLite 保存历史数据
  • 时序存储：集成 InfluxDB 实现高吞吐时序数据存储
• 状态监控：实时显示连接状态、数据日志与错误信息

1.2 开发环境准备

1.2.1 基础工具

• 开发IDE：Visual Studio 2019/2022（社区版免费）
• 框架：.NET Framework 4.8（兼容多数Windows环境）
• 版本控制：Git（可选，用于代码管理）

1.2.2 依赖库安装

通过 NuGet 包管理器安装以下依赖：

• LiveCharts.WinForms：用于实时曲线绘制（版本 0.9.7 及以上）
• Microsoft.Data.Sqlite：SQLite 数据库操作（版本 6.0.0 及以上）
• SQLitePCL.raw.bundle_e_sqlite3：SQLite 原生依赖（解决跨平台兼容问题）

1.3 项目架构

SerialMonitor/

├─ SerialMonitor.sln

├─ SerialMonitor/ // WinForms 应用

│ ├─ Program.cs

│ ├─ MainForm.cs

│ ├─ MainForm.Designer.cs

│ ├─ SerialReader.cs

│ ├─ DataPoint.cs

│ ├─ InfluxClient.cs

│ └─ LocalStorage.cs // SQLite wrapper

├─ scripts/

│ └─ docker-compose.yml // 启动 InfluxDB + Grafana（可选）

└─ README.md

1.4 核心功能与关键点

**串口读取：**使用 SerialPort.DataReceived 事件或专用后台线程 + BaseStream.ReadAsync 来读取，注意粘包/断包与编码（ASCII/二进制）问题。

**解析协议：**定义简单文本协议（行结束 \n），或实现帧头+长度二进制解析。演示使用文本协议 SENSOR,CH1,123.45\n。

线程安全更新 UI：WinForms 的控件只能在 UI 线程操作，需用 BeginInvoke/Invoke。

**实时绘图：**用 LiveCharts的 WinForms 控件，动态 AddPoint 并滚动显示

**持久化：**本地 SQLite（默认，简单上手）数据库存储

二、核心功能实现详解

2.1 串口数据采集模块（SerialReader）

串口通信是上位机与硬件设备交互的基础，本模块负责串口初始化、数据接收与协议解析。

2.1.1 核心代码实现

// SerialReader.cs 核心片段
public class SerialReader : IDisposable
{
    private SerialPort _serialPort;
    private readonly StringBuilder _buffer = new StringBuilder();
    
    // 数据接收与错误事件
    public event Action<DataPoint> OnDataReceived;
    public event Action<string> OnError;

    // 初始化串口参数
    public SerialReader(string portName, int baudRate = 115200,
                       Parity parity = Parity.None, int dataBits = 8,
                       StopBits stopBits = StopBits.One)
    {
        _serialPort = new SerialPort(portName, baudRate, parity, dataBits, stopBits)
        {
            Encoding = Encoding.ASCII,
            ReadTimeout = 500,
            WriteTimeout = 500,
            NewLine = "\n"
        };
        _serialPort.DataReceived += SerialPort_DataReceived;
        _serialPort.ErrorReceived += SerialPort_ErrorReceived;
    }

    // 数据接收处理
    private void SerialPort_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
    {
        try
        {
            string incomingData = _serialPort.ReadExisting();
            _buffer.Append(incomingData);
            ProcessBuffer(); // 解析完整行数据
        }
        catch (Exception ex)
        {
            OnError?.Invoke($"读取数据错误: {ex.Message}");
        }
    }

    // 协议解析（格式：SENSOR,CH1,1622025600,23.45）
    private void ParseLine(string line)
    {
        var parts = line.Split(',');
        if (parts.Length >= 4 && parts[0] == "SENSOR")
        {
            if (long.TryParse(parts[2], out long timestamp) &&
                double.TryParse(parts[3], out double value))
            {
                var dataPoint = new DataPoint
                {
                    Channel = parts[1],
                    Time = DateTimeOffset.FromUnixTimeSeconds(timestamp).DateTime,
                    Value = value
                };
                OnDataReceived?.Invoke(dataPoint); // 触发数据接收事件
            }
        }
    }
}

2.1.2 关键逻辑说明

• 采用事件驱动模式：通过 OnDataReceived 传递解析后的数据，OnError 反馈异常
• 缓冲区处理：使用 StringBuilder 缓存不完整数据，按换行符分割完整报文
• 协议解析：严格匹配 SENSOR,CHx,时间戳,数值 格式，确保数据有效性

2.2 实时曲线展示（基于LiveCharts）

实时曲线是数据可视化的核心，通过 LiveCharts 实现多通道数据的动态展示。

2.2.1 图表初始化（MainForm）

// MainForm.cs 图表初始化
private CartesianChart InitializeChart()
{
    return new CartesianChart
    {
        Series = new SeriesCollection(),
        AxisX = new AxesCollection
        {
            new Axis
            {
                Title = "时间",
                LabelFormatter = value => 
                {
                    // 格式化X轴为时间格式（HH:mm:ss）
                    var allTimes = _timeStampsMap.Values.SelectMany(v => v).OrderBy(t => t).ToList();
                    return value < allTimes.Count ? allTimes[(int)value].ToString("HH:mm:ss") : "";
                }
            }
        },
        AxisY = new AxesCollection
        {
            new Axis { Title = "数值", LabelFormatter = value => value.ToString("F2") }
        },
        LegendLocation = LegendLocation.Top
    };
}

2.2.2 动态更新曲线

// 接收数据后更新图表
private void UpdateChart(DataPoint dataPoint)
{
    // 为新通道创建曲线系列
    if (!_seriesMap.ContainsKey(dataPoint.Channel))
    {
        var color = Color.FromArgb(_random.Next(50, 255), _random.Next(50, 255), _random.Next(50, 255));
        var series = new LineSeries
        {
            Title = dataPoint.Channel,
            Values = new ChartValues<double>(),
            Stroke = new SolidColorBrush(Color.FromArgb(color.A, color.R, color.G, color.B)),
            Fill = Brushes.Transparent
        };
        _seriesMap[dataPoint.Channel] = series;
        _chart.Series.Add(series);
    }

    // 添加数据并限制最大点数（防止内存溢出）
    var lineSeries = _seriesMap[dataPoint.Channel];
    lineSeries.Values.Add(dataPoint.Value);
    if (lineSeries.Values.Count > MaxDataPoints)
    {
        lineSeries.Values.RemoveAt(0); // 移除最旧数据
    }
    _chart.Update(); // 刷新图表
}

2.3 本地数据持久化（SQLite）

使用 SQLite 实现本地数据存储，适合离线场景下的历史数据查询。

2.3.1 数据库初始化（LocalStorage）

// LocalStorage.cs 数据库初始化
private void InitializeDatabase()
{
    using (var connection = new SqliteConnection(_connectionString))
    {
        connection.Open();
        // 创建传感器数据表
        string createTableSql = @"
        CREATE TABLE IF NOT EXISTS sensor_data (
            id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
            channel TEXT NOT NULL,
            time TEXT NOT NULL,
            value REAL NOT NULL,
            created_at TEXT NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
        );";
        using (var command = new SqliteCommand(createTableSql, connection))
        {
            command.ExecuteNonQuery();
        }
    }
}

2.3.2 数据插入实现

// 插入数据点到SQLite
public void Insert(DataPoint dataPoint)
{
    using (var connection = new SqliteConnection(_connectionString))
    {
        connection.Open();
        string insertSql = @"
        INSERT INTO sensor_data (channel, time, value)
        VALUES (@channel, @time, @value);";
        using (var command = new SqliteCommand(insertSql, connection))
        {
            command.Parameters.AddWithValue("@channel", dataPoint.Channel);
            command.Parameters.AddWithValue("@time", dataPoint.Time.ToString("o")); // ISO 8601格式
            command.Parameters.AddWithValue("@value", dataPoint.Value);
            command.ExecuteNonQuery();
        }
    }
}

2.4 时序数据库集成（InfluxDB）

InfluxDB 专为时序数据设计，适合高频率传感器数据的长期存储与分析。

2.4.1 InfluxDB客户端初始化

// InfluxClient.cs 初始化配置
public void Initialize(string url, string token, string org, string bucket)
{
    _writeUrl = $"{url.TrimEnd('/')}/api/v2/write?org={Uri.EscapeDataString(org)}&bucket={Uri.EscapeDataString(bucket)}&precision=s";
    _httpClient.DefaultRequestHeaders.Add("Authorization", $"Token {token}");
    _isInitialized = true;
}

2.4.2 数据写入实现

// 异步写入数据到InfluxDB
public async Task WritePointAsync(DataPoint dataPoint)
{
    // 构建InfluxDB行协议（measurement,tag=value field=value timestamp）
    string lineProtocol = $"sensor,channel={EscapeTagValue(dataPoint.Channel)} value={dataPoint.Value} {new DateTimeOffset(dataPoint.Time).ToUnixTimeSeconds()}";
    var content = new StringContent(lineProtocol, Encoding.UTF8);
    var response = await _httpClient.PostAsync(_writeUrl, content);
    
    if (!response.IsSuccessStatusCode)
    {
        string errorContent = await response.Content.ReadAsStringAsync();
        throw new Exception($"写入失败: {response.StatusCode} - {errorContent}");
    }
}

三、界面设计与交互逻辑（MainForm）

3.1 界面布局

主界面采用上下分割布局：

• 上半部分：串口配置区（串口选择、波特率、连接按钮）+ 日志显示区
• 下半部分：实时曲线展示区

核心布局代码：

// MainForm.cs 界面布局
private void SetupUI()
{
    var splitContainer = new SplitContainer
    {
        Dock = DockStyle.Fill,
        Orientation = Orientation.Horizontal,
        SplitterDistance = 200 // 上半部分高度
    };
    
    // 上半部分：串口配置与日志
    var topPanel = splitContainer.Panel1;
    topPanel.Controls.Add(new FlowLayoutPanel // 串口配置控件
    {
        Controls = { portComboBox, baudRateComboBox, startButton, statusLabel }
    });
    topPanel.Controls.Add(logTextBox); // 日志文本框
    
    // 下半部分：图表
    splitContainer.Panel2.Controls.Add(_chart);
    _chart.Dock = DockStyle.Fill;
}

3.2 核心交互逻辑

• 串口连接/断开：通过 StartButton_Click 事件切换状态
• 数据流转：串口接收数据 → 解析为 DataPoint → 触发图表更新 + 本地存储 + 时序库存储

// 数据接收后处理流程
private void OnSerialDataReceived(DataPoint dataPoint)
{
    UpdateLog($"收到数据: {dataPoint.Channel} - {dataPoint.Value}"); // 更新日志
    UpdateChart(dataPoint); // 更新图表
    LocalStorage.Instance.Insert(dataPoint); // 本地存储
    if (InfluxClient.Instance.IsInitialized)
    {
        Task.Run(() => InfluxClient.Instance.WritePointAsync(dataPoint)); // 异步写入InfluxDB
    }
}

四、代码调试与常见问题解决

4.1 调试准备

1. 确保串口设备连接正常（可通过设备管理器确认端口号）
2. 配置 InfluxDB 连接参数（在 MainForm 初始化时添加配置界面或硬编码测试）：

// 示例：在MainForm加载时初始化InfluxClient
private void MainForm_Load(object sender, EventArgs e)
{
    InfluxClient.Instance.Initialize(
        url: "http://localhost:8086",
        token: "你的InfluxDB令牌",
        org: "sensor_org",
        bucket: "sensor_data"
    );
}

4.2 常见问题解决

1. SQLite初始化失败：

   • 检查 Program.cs 中是否调用 Batteries.Init();（SQLitePCL 必须初始化）
   • 确保 SQLitePCL.raw.bundle_e_sqlite3 包已正确安装

2. 串口无法打开：

   • 确认端口号正确且未被其他程序占用
   • 检查波特率、校验位等参数与设备匹配

3. InfluxDB写入失败：

   • 验证 url、token、org、bucket 正确性
   • 通过 InfluxDB Web 界面的 "Data" 菜单测试连接

五、测试效果展示

这里我使用了电脑上两个串口直接连接的方式（两个USB转TTL插入电脑，TTL线直连注意TXRX要交叉连接），使用COM3通过软件输出仿真数据，使用CM4接收并显示到界面，存储数据

5.1 运行界面展示

5.2 数据存储验证

• 本地SQLite ：使用 SQLite Expert Personal 打开 sensor_data.db，查看 sensor_data 表数据
  

六、部署选项

6.1 生成可执行文件

1. 在 Visual Studio 中右键项目 → "属性" → "生成" → 目标框架选择 .NET Framework 4.8
2. 点击 "生成解决方案"，输出文件位于 bin\Release 目录

6.2 环境依赖打包

• 必要文件：
  • 生成的 SerialMonitorNetFramework.exe
  • SQLite 依赖：e_sqlite3.dll（自动复制到输出目录）
  • 配置文件：建议创建 app.config 存储 InfluxDB 连接参数

6.3 运行环境要求

• 操作系统：Windows 7 及以上
• 安装 .NET Framework 4.8 运行时（下载地址）
• InfluxDB 服务需提前启动（远程部署时需确保网络可达）

七、工程下载与结语

完整工程已上传CSDN资源库（0积分下载！点个关注呗） ，包含所有源码、测试代码与详细注释，可直接转到资源库下载测试。

本项目通过模块化设计实现了串口数据采集、实时可视化与多端存储的完整流程，可根据实际需求扩展功能：

• 增加数据导出（Excel/CSV）
• 实现报警阈值设置与提醒
• 支持多设备并发采集

希望本文能为上位机开发初学者提供清晰的实战指引，如有问题欢迎在下方评论区交流。

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