建筑用电能耗监控系统设计.docx

1、建筑用电能耗监控系统设计一.设计概述1.1课题背景随着全球经济的发展，办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。据统计，目前中国建筑能耗在能源总消费量中所占的比例己高达38%,因此开展建筑节能研究十分必要。建筑用电能耗监控系统企图对建筑用电能消耗指标的实时采集、高速传输和智能分析。该系统可为建筑能耗控制提供科学依据，为大量降低建筑能耗提供科学管理手段。我国是世界第一大发展中国家，随着社会发展，建筑能耗将超越其他行业（如交通、工业）占据能耗榜首。届时，能耗的缺口将达到世界能源总量的四分之一。因而，建筑节能成为迫在眉睫的一大议题。本题着力于以建筑能耗中的电能为例，通过智能电表上的串口（RS-48

2、5）,连接转换器将串口转为以太网曰，以便使用计算机实时采集智能电表中的数据，从而进行分析，为今后节能减排提供科学依据。在软件设计中，我将使用C#语言的WindowsForm开发一种客户端形式的建筑用电能耗监控系统，实时监控建筑内各区域的用电情况，实现对用电能耗使用的全参数、全过程的数据采集，运用计算机可实现高效、精确的数据采集，从而避免人力采集数据带来的误差以及劳动力资源的浪费。在采集到智能电表的数据后，系统会自动生成当前用电情况的动态图表，为监控者提供最直观的当前建筑用电能耗使用情况，同时后台会把采集来的数据进行处理，存入数据库中，以便对数据的查询，以及生成用电能耗的使用图表。近年来，由环境

3、污染引发的各类问题使得人们的环保意识日益增强，作为能耗大户，建筑节能势必会成为首要目标。随着智能电表的普及和计算机技术的发展，运用计算机技术对用电能耗进行数据采集将会替代人工数据采集。同时，通过计算机强大的运算能力，可以将庞大而复杂的能耗数据转化为简洁而直观的报表形式，给研究者提供便捷，为建筑节能提供可靠的数据支持。能。建筑用电能耗监控系统的界面设计分析（1）用户注册界面：用于用户信息填写，包括账号、密码、用户姓名、用户权限（2）用户登录界面：当用户输入的账号密码与数据库中的用户信息匹配时，显示“登录成功”并跳转到主界面，若信息不符合则显示“登录失败”（3）用户信息修改界面：普通权限用户可修改

4、自己账号的信息，管理员权限用户可修改其他账号的信息（4）主界面：显示用户信息修改、用电能耗监控界面、用电能耗数据检索界面的按钮，点击后跳转到相应界面。（5）用电能耗监控界面：显示用电能耗实时数据，点击数据采集开美实现数据采集的开始和停止。（6）用电能耗数据检索界面：根据用户输入的条件（如时间段，用电量）检索数据库中的相应结果并显示、用户指定时间段导出EXCEL报表。三.总体设计3.1开发设计思想程序开发设计思想有以下几点：1. 尽量使用现有的成熟的开发技术和材料，使用当前主流的开发环境，以保证软件运行的稳定性和生命周期，充分利用现有资源，提高开发效率，同时达到预定目标。2. 程序需要实现项目设

5、计之初所设定的基本功能。3. 系统采用模块化设计的方式，有利于程序功能的单元测试以及修改，尽量做到高内聚低栽合，同时为以后程序功能的添加和修改提供便利。4. 开发语言尽可能选择当前主流的开发语言，能够容易找到维护人员，使得在软件运行后的维护工作便于开展，降低维护成本。本课题中选用的C#语言就是一个不错的选择。3.2系统功能设计系统设计是根据需求分析的结果，设计系统内模块和结果之间的内在联系。系统功能模块图系统功能模块图3.3各模块功能设计-用户管理：包括用户注册，登陆，信息修改。-监控系统：智能电表数据读取、监控信息显示、监控信息存储。数据管理：数据查询、EXCEL报表导出。3. 3.1用户管

6、理用户注册：实现用户信息输入，录入到数据库中的User表用户登录：对用户输入的信息与数据库中的用户信息进行比对，验证用户是否能够进入系统。-用户信息管理：实现用户信息的修改。3.3.2用电能耗实时监控智能电表数据读取：通过串口转接以太网口，用网线连接智能电表与计算机，读取用电能耗数据。-用电能耗实时监控显示：将采集到的数据以动态图表的形式显示给监控者。-数据整理存储：将采集到的用电能耗数据信息进行整理并存入数据库Electricinfo表中。3.3.3用电能耗数据管理数据查询：通过用户输入的条件，实现对数据库中用电能耗数据的查询。-EXCEL报表导出：根据用户指定的时间段导出对应用电能耗数据报

7、表。以EXCEL文件形式供用户查阅。3.4用电能耗监控系统设计重点在用户登陆认证时需要注意对用户密码的安全进行保护，在本系统中设计采用MD5加密方式进行密码保护。从智能电表中读取数据传送到计算机的过程中，采用UDP协议进行Socket通信编程是一个难点。在实时监控界面中，根据读取的监控数据，如何绘制类似Windows资源管理器中CPU使用率的动态图表会是一个难点。3.5程序优点1. 简化数据采集过程，完成对用电数据的高效、准确采集。2. 实时用电数据的图表化显示，形象、直观。3. 图形化的操作界面，便于用户操作。4. 用电能耗数据存放在数据库中，安全、有序。5. 导出EXCEL报表后，能够通过

8、EXCEL中的更强大的功能，进行数据分析，便于以后的科研工作。四.参考资料龙惟定.国内建筑合理用能的现状及展望J.能源工程，2001,21(2):72-761 KuchenE,FischMN.SpotMonitoring:Thermalcomfortevaluationin25officebuildingsinwinterJ.BuildingandEnvironment,2009(44):839-847FloydLH,DuPontC,WilmingtonDE,etal.AnoverviewoftheIEEEColorBooks(C).ConferenceRecordoftheIEEEIndus

9、tryApplicationsConference,2000(5):3226-32312 SeemJE.UsingintelligentdataanalysistodetectabnormalenergyconsumptioninbuildingsJ.EnergyandBuildings,2007,39(1):52-58.5苏华，王靖.建筑能耗的计算机模拟技术J.计算机技术,2003,23(3):411-4136PanYQ,YinRX,HuangZZ.EnergymodelingoftwoofficebuildingswithdatacenterforgreenbuildingdesignJ.

10、EnergyandBuildings,2007,24(2):l-87周海云.智能建筑能耗计量与管理设计方案的研究D.长安大学硕1论文,2010:11-128姚林修.高校数字化校园建设方案和实施技术可行性研究D.中国地质大学(北京)硕士论文,2006:12-141.2开发工具及环境简介1.2.1开发语言本设计采用的程序设计语言为C#语言。C#是一种精确、简单、类型安全、面向对象的语言，它是.NETFramework的代表语言。C#是在Java流行起来后诞生的一种新的编程语言，因为是微软研发的一种编程语言，基于微软在操作系统上占有很大优势，因而C#在未来还有很大的发展空间。不仅如此，基于.NET平

11、台，C#不仅在WindowsForm方面拥有不错的表现，在ASP.NET网站开发也能一展身手。C#具有以下特点：1. 完全面向对象。2. 支持分布式，之所以有C#,是因为微软相信分布式应用程序是未来的趋势，即处理过程分布在客户机和服务器上。所以C#一出生就注定了能很好解决分布式问题。3. 跟Java类似，C#代码经过编译后，成为了一种IL（中间语言）。在运行时，再把IL编译为平台专用的代码。4. 健壮，C#在检查程序错误和编译与运行时错误一点也不逊于Java,C#也用了自动管理内存机制。5. C#不像Java那样完全摒弃了指针和手动内存管理。C#默认情况下是不能使用指针的，程序员在有必要时可以

12、打开指针来使用。这样可以保证编程的灵活性。6. 安全性：C#的安全性是有.net平台来提供的。C#代码编译后成为IL语言。是一种受控代码，.眼t提供类型安全检查等机制保证代码是安全的。7. 可移植性：由于C#使用类似Java的中间语言机制。使得C#也跟Java类似，可以很方便的移植到其他系统。在运行时，再把中间代码编译为适合特定机器的代码。8. 解释性：C#也是一种特殊的解释性语言。9. 高性能：C#把代码编译成中间语言后，可以高效的执行程序。10. 多线程：与Java类似，可以由一个主进程分出多个执行小任务的多线程。11. 组件模式：C#很适合组件开发。各个组件可以由其他语言实现的，然后集成

13、在.net中。1.2.2开发环境开发环境采用的是MicrosoftVisualStudio2013,VisualStudio是一套完整的开发工具集，用于生成ASP.NETWeb应用程序、XMLWebServices.桌面应用程序和移动应用程序。VisualBasic>VisualC+.VisualC#和VisualJ#全都使用相同的集成开发环境(IDE),利用此IDE可以共享工具且有助于创建混合语言解决方案。另外，这些语言利用了.NETFramework的功能，通过此框架可使用简化ASPWeb应用程序和XMLWebServices开发的关键技术。Windows窗体用于在.NETFrame

14、work上创建MicrosoftWindows应用程序。此框架提供一个有条理的、面向对象的、可扩展的类集，能够开发功能丰富的Windows应用程序。另外，Windows窗体可作为多层分布式解决方案中的本地用户界面。1.2.3开发技术C/S(Client/Server)C/S结构，即大家熟知的客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。目前大多数应用软件系统都是Client/server形式的两层结构，由于现在的软件应用系统正在向分布式的Web应用发展，Web和Client/serve

15、r应用都可以进行同样的业务处理，应用不同的模块共享逻辑组件；因此，内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。这也就是目前应用系统的发展方向。WindowsForms是微软的.NET开发框架的图形用户界面的一部分，该组件通过将现有的WindowsAPI(Win32API)封装为托管代码提供了对Windows本地(native)组件的访问方式。虽然该组件看起来是为先前较复杂的基于C+的微软基础类库(MicrosoftFoundationClasses,MFC)的替代品，但是它并没有提供与ModelViewController"Doc

16、ument/View"架构相应的特色o"Document/View"架构已经被“MDI（多文档接口）”所取代。WindowsForms应用程序是基于System.Windows.Forms命名空间中的类构建的。WindowsForms是.NETFramework的智能客户端组件，.NETFramework是允许实现常见应用程序任务（例如读取和写入文件系统）的一组托管库。通过使用VisualStudio之类的开发环境，创建的WindowsForms应用程序可以显示信息、从用户请求输入并通过网络与远程计算机通信。在WindowsForms中，窗体是用于向用户显示信息的

17、可视图面，通常是通过在窗体上放置控件并开发对用户操作（如鼠标单击或按键）的响应来构建WindowsForms应用程序。控件是用于显示数据或接受数据输入的分立的用户界面（UI）元素。WindowsForms包含各种可以放置到窗体上的控件：即显示文本框、按钮、下拉框、单选按钮甚至是网页的控件。如果某一现有控件不符合需WindowsForms还支持使用UserControl类来创建自定义控件。WindowsForms具有丰富多样的UI控件，这些控件可模拟高端应用程序（如MicrosoftOffice）中的功能。使用ToolStrip和MenuStrip控件，可以创建包含文本和图像的工具栏及菜单、显示

18、子菜单并托管文本框和组合框之类的其他控件。借助VisualStudio拖放式窗体设计器，可以轻松创建WindowsForms应用程序：只需用光标选中控件，然后将它们放置到窗体上的所需位置即可。该设计器提供了网格线和“捕捉线”之类的工具，省去了使用对齐控件的麻烦。无论是使用VisualStudio还是在命令行处进行编译,都可以通过FlowLayoutPaneKTableLayoutPanel和Splitcontainer控件以最少的时间和精力来创建高级窗体布局。许多应用程序必须显示来自数据库、XML文件、XMLWeb服务或其他数据源的数据。WindowsForms提供了一个名为DataGridV

19、iew的灵活控件，用于以传统的行和列格式呈现这样的表格数据，以便每段数据都可以占据其自己的单元格。使用DataGridView可以实现众多功能，包括自定义个别单元格的外观、将任意行和列锁定在适当位置，以及在单元格内显示复合控件。使用WindowsForms智能客户端就可轻松地通过网络连接到数据源。BindingSource组件是VisualStudio和.NETFramework中WindowsForms的新增组件，它表示向数据源的连接，并提供用于将数据绑定到控件、导航到上一条和下一条记录、编辑记录以及将更改保存回原始源的方法。BindingNavigator控件在BindingSource组

20、件之上提供了一个简单界面，供用户在各记录间导航时使用。Socket通信技术。Socket,通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。在Internet±的主机一般运行了多个服务软件，同时提供儿种服务。每种服务都打开一个Socket,并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket是面向客户/服务器模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的Socket系统调用。客户随机申请一个Socket,系统为之分配一个Socket号；服务器拥有全局公认的Socket，任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求。Socket利用客户/服务器模式巧妙地解决了进程之间

21、建立通信连接的问题。服务器Socket半相关为全局所公认非常重要。假如通信双方没有任何一方的Socket固定，就好比打电话的双方彼此不知道对方的电话号码，要通话是不可能的。根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标，套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。（1）服务器监听：是服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。（2）客户端请求：是指由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接

22、请求。（3）连接确认：是指当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求，它就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。二.系统分析2.1需求分析本次课题开发建筑用电能耗监控系统的初衷，是为了通过计算机技术，实现对建筑各个区域的用电能耗的全参数、全过程的采集，对建筑能耗进行动态监测和分析，实现建筑的精细化管理，达到节能减排的效果。与此同时，将这些建筑用电能耗数据存储在数据库中，便于管理，为今后建筑用电节能减排的科学研究提供可靠的真实数据。要进

23、行程序开发，首先要对系统进行需求分析，需要实现什么功能，需要哪些功能模块，设计程序的框架，这样有利于系统开发人员高效地进行编码工作。在程序编写之初，编写人员需要详细了解WindowsForms开发、C#语言的语法、Socket通信编程以及UDP报文的相关知识。在建筑用电能耗监控系统中，程序主体是监控当前用电能耗的监控界面、用电能耗数据查询以及监控人员信息管理是其辅助功能。用电能耗监控需要实现：用电数据采集开关、用电数据实时显示用电能耗数据查询需要实现：数据条件检索、导出EXCEL报表用户信息管理需要实现：用户注册、登陆、信息修改根据实际情况与整个程序的工作流程抽象描述如下： 包括用户名、账户、

24、密码和权限等用户信息的记录，以及用户注册功能。 用户通过验证后，登录到系统的欢迎界面，选择使用实时监控或导出用电能耗数据功能。 进入实时监控功能界面，用户可看到实时监控的动态数据。 进入导出用电能耗数据功能界面，用户可根据自身需求，导出选定时间段的用电能耗数据。程序工作流程：开始用户登录系统验证登录信息是否正确是1选择功能*数据检索/导出报表用户信息管理结束实时监控用电能耗监控工作流程:开始.用户点击读读取电表中取数据开关的数据t用电数据存入数据库是否结束结束功能需求经过以上分析，通过上述流程图描述，基本可以确定系统设计能够达到目标。以下是本程序必须具备的功能： 用户账户信息的注册和保存。 用

25、户账户登录和用户信息修改。 智能电表数据的读取，以及存入数据库中。 导出建筑用电能耗的EXCEL报表。运行需求建筑用电能耗监控系统所需运行环境如下：系统软件：Windows7（及以上版本）数据库软件：SQLServerManagementStudio2012（及以上版本）2.2可行性分析在系统设计之前，首先要对系统的可行性进行详细分析，可行性研究是项目开发之前的重要阶段。为了避免盲目的软件开发，相关人员需要对开发特定软件项目的可行性进行研究，结合资金、时间和环境等各方面的制约条件，对该软件产品是否能够解决存在的问题，是否能够带来预期的效果和价值做出评估。可行性研究的目的不在于提出解决问题的方案

26、，而在于研究解决问题的必要性和可能性。可行性分析研究一般从以下三点入手：经济可行性、技术可行性、社会可行性。1、经济可行性建筑用电能耗监测系统的开发成本较小，需要一台计算机、一个智能电表、一个RS-485转以太网口转换器进行软件开发和测试,软件方面需要:VisualStudio2013及SQLServer2012作为开发工具，总计花费在一万元内，该系统开发完成后，可提供高效而精确的建筑用电能耗监控及分析功能，在环保行业不断发展的大环境下，具有很高的商业价值和实用性。在软件的后期维护上，由于使用C#这一主流编程语言进行开发，因此软件维护人员不难寻找，该系统功能并不复杂,维护成本低。2、技术可行性

27、本监控系统采用Microsoft公司的VisualStudio2013作为开发工具，使用C#作为开发语言，由于C#语言编写的代码有较好的可读性，因此维护较为简单。在大学期间，我通过创新项目积累了一定的WindowsForm程序的开发经验,所以这次使用WindowsForm客户端形式进行软件的编写。3、社会可行性随着社会发展不断进步，人民生活水平不断提高，建筑用电能耗将成为节能减排的一大议题，而如何实施建筑用电能耗的节能减排需要大量的真实、准确的数据进行分析研究。本监控系统仅需一台计算机作为监控系统的运行平台，能提供建筑用电耗能的实时监测，可以向社会推广。与此同时，利用计算机技术进行数据采集可大

28、大降低人力采集数据带来的人力资源浪费，提高精确性。2.3建筑用电能耗监控系统分析在进行用电能耗监控之前，首先要对从智能电表中读取数据这一步骤进行详细的分析，考虑到个人计算机发展到如今，串口已不再是计算机常用接口之一，因而选择使用串口转以太网口，再通过网线连接到计算机成为了一种可行度较高的方案。其中将会用到Socket通信编程技术，以及UDP协议。因此我们先要对Socket通信编程和UDP协议有一个初步的学习和了解。以下是在C#中使用UDP进行Socket通信的基本过程。.NETFRAMEWORK为Socket通讯提供了System.Net.Socket命名空间，在这个命名空间里面有以下几个常用的重要类分别是： Socket类这个低层的类用于管理连接，WcbRcquest,TcpClient和UdpClient在内部使用这个类。 Networkstream类这个类是从Stream派生出来的，它表示来自网络的数据流首先创建Socket对象的实例，这可以通过Socket类的构造方法来实现：p