建筑能耗监测管理系统的设计与实现

[键入文字]II模式当中的校验方法，LRC校验位1个字节，其中包括8位二进制数。在发送数据时，经过LRC校验计算把LRC校验码放入发送的报文帧当中。接受到数据后计算机马上对收到的数据进行LRC校验，得到LRC校验值后与发送来的LRC校验值进行比较，如果相等则无错误，如果两个值不等则产生错误。生成LRC校验值过程如下：除了起始位的“冒号”和结束CRLF，把报文中其他所有字节相加，将结果放在8位字段中。从全1的十六进制中减去最终的字段值，产生1的补码。加1产生二进制补码。这样得出的值即为LRC校验值，发送8位LRC校验值时，要注意的是先发送高位再发送低位。3.5.2CRC校验在最常用的RTU模式当中校验方式采用的是CRC（循环冗余）校验，CRC校验包括两字节，16位二进制，校验过程与LRC校验类似。在发送时进行CRC校验值得计算，然后把CRC校验值添加到报文帧当中，把一帧完整的数据发送出去。接受数据的时候，设备从新计算CRC校验值，并且与之前发来的CRC校验值进行比较，如果不同则出现错误，相同则无错误。在CRC校验中，只有数据位参加CRC的计算。CRC校验值的计算方法是：讲一个全1的数放在16位寄存器当中，将报文中的第一个8位字节与16位寄存器的低字节异或并保存在16位寄存器当中，再将寄存器中的值右移，MSB填充0，提取并检验LSB。LSB为0则再次移位，LSB为1则与0xA001异或，直到八次移位。再对报文中的下一个8位字节进行以上的计算直到处理完所有的报文为止，最终得出CRC校验值。

4.下位机系统设计4.1下位机系统硬件设计为了能够建立整个的系统，所以在本设计中设计了下位机进行与上位机的通信，本设计中的下位机主要作用是模拟真实智能仪表的功能。在实际工程中，上位机与下位机的通信其实就是用计算机读取下位机中的寄存器，每个智能仪表中的数据都会存储在相对的寄存器中，在使用说明书中都会找到其中信息存储的寄存器地址。所以，在工程中进行通信的时候，首先要查找使用说明书查看需要采集的信息所在的寄存器地址，这样进行采集的时候就能准确的采集到所需要的信息。下位机的硬件设计可分为两大部分，一部分是RS-232转RS-485电路设计，这一部分是用来连接计算机的，是将计算机中使用的232电平转换成与下位机进行通信所需要的485电平。另一部分是RS-485转TTL电路设计，这一部分的设计为了连接智能仪表的（为了方便与外界的通信，智能仪表一般在设计中都包含TTL转RS-485）为了模拟智能仪表让大家更清楚的看到单片机中的通信过程，所以在这一部分RS-485转TTL电平电路中添加了单片机对液晶屏的设计来模拟智能仪表。整个的通信过程是利用Modbus通信协议来完成的，整个的实现模拟过程是利用一台计算机给下位机中的单片机写数据来模拟智能仪表的数据，单片机把数据显示在液晶显示屏上可以方便人们查看当前数据。在采集信息方面，利用组态软件给下位机发送读取信息信号，下位机收到读取信息信号之后通过TTL转RS-485电路把信息发送给上位机，上位机通过RS-485转RS-232电路接收信息，这样就完成了一个信息通信的整个过程。4.1.1RS-232转RS-485电路设计RS-232转RS-485电路设计主要有三部分，电源电路，232转TTL电路，TTL转485电路。考虑到电脑上的DB9接口标准，在电路的设计中用到了DB9接口，主要的思路是将电脑所得到的232电平通过MAX232芯片转换成TTL电平，在利用MAX485芯片将得到的TTL电平转换成传输所用到的485电平，这样，用两个芯片就能很容易的到了的想要的485电平了。在电路的设计方面主要涉及到了MAX232芯片和MAX485芯片，对于这两个芯片的电路设计，主要是根据芯片说明书按照典型电路的使用方法进行设计。其他部分可以分为两大部分，一部分是对电源电路的设计，另一部分是对MAX485发送和接收数据的数据方向端进行了设计。电源部分的设计：MAX232和MAX485芯片需要的供电电压为5V，所以电路中的电源部分主要是靠电脑上的232电平取出经过稳压二极管得到所需要的5V电压。在稳压二极管选取了HZ5C3（5.1V-5.3V）稳压二极管。根据图4.1zener二极管主要参数所示可以看出其电流越小电压值就越小。为了保证不烧毁元器件和保证电路能够得到足够的电压，所以在本电路设计中使稳压二极管的电流达到1毫安，这样可以达到理想的电压值。图4.1zener二极管主要参数为了能够得到理想的电压，所以在使用DB9时要保证其4和7脚保持高电平，这样才能取到足够的电压。232电平取出的电压约为15V，稳压二极管所需要的电流为1mA,所以得到电阻值为R=（15V-5.1V）/1mA，得到电阻约为100Ω。如图4.2232转485电路原理图所示图4.2232转485电路原理图MAX232和MAX485的使用方法是根据MAX232和MAX485资料手册中的典型应用电路来设计的，MAX485电路设计中由于采用半双工传输方式，所以在发送和接收使能端利用了一个三极管控制两个使能端达到半双工的功能。图4-2为整个RS-232转RS-485的电路设计。4.1.2RS-485转TTL电路设计为了通信系统的稳定性，所以在建筑能耗监测系统中采用了RS-485通信，作为下位机接收方，在下位机的接口电路中要先把485电平转换成TTL电平，这样才能使单片机控制的下位机进行正确的通信。RS-485转TTL电路设计用到的芯片是MAX485，利用MAX485芯片把485电平转换为TTL电平送给单片机。所用的电源是利用下位机的电源驱动芯片工作，所以电路相对简单，单片机控制液晶显示屏显示接收到的数据。单片机选择的是STC公司的STC89C52型号单片机，芯片选择的是DIP封装的，共40个引脚，在电路设计中由于考虑到实际生活当中的真实智能仪表，所以没有在电路设计当中设计USB转串口通信设计，所以在下载程序的时候是利用购买的一个现成的USB转串口模块进行数据下载。单片机的串口通信直接与485总线发来的数据相连接，利用单片机的一个管脚进行对MAX485芯片数据方向端进行控制。液晶屏幕为1602字符型液晶，1602液晶采用的是并行操作，所以利用单片机的P0口控制液晶的数据位，单独使用单片机的三个IO口来控制液晶的读写功能。电路设计如图4.3下位机系统设计所示。图4.3下位机系统设计

4.2下位机软件设计在下位机软件部分，我主要分为四大部分：主函数，LCD驱动函数，RS-485驱动函数，CRC校验函数。下位机的软件设计框图如图4.4软件设计框图所示。图4.4软件设计框图由于程序代码比较多，在本文中主要列出了主函数的内容，其他函数请见附件，以下是主函数的主要内容。#include<reg52.h>unsignedcharT0RH=0;//T0重载值的高字节unsignedcharT0RL=0;//T0重载值的低字节voidConfigTimer0(unsignedintms);externvoidLcdInit();externvoidConfigUART(unsignedintbaud);externvoidUartRxMonitor(unsignedcharms);externvoidUartDriver();voidmain(){EA=1;//开总中断ConfigTimer0(1);//配置T0定时1msConfigUART(9600);//配置波特率为9600LcdInit();//初始化液晶while(1){UartDriver();}}voidConfigTimer0(unsignedintms)//T0配置函数{unsignedlongtmp;tmp=11059200/12;//定时器计数频率tmp=(tmp*ms)/1000;//计算所需的计数值tmp=65536-tmp;//计算定时器重载值tmp=tmp+34;//修正中断响应延时造成的误差T0RH=(unsignedchar)(tmp>>8);//定时器重载值拆分为高低字节T0RL=(unsignedchar)tmp;TMOD&=0xF0;//清零T0的控制位TMOD|=0x01;//配置T0为模式1TH0=T0RH;//加载T0重载值TL0=T0RL;ET0=1;//使能T0中断TR0=1;//启动T0}voidInterruptTimer0()interrupt1//T0中断服务函数{TH0=T0RH;//定时器重新加载重载值TL0=T0RL;UartRxMonitor(1);//串口接收监控}

5.上位机的组态软件设计5.1ForceControlV7.0简介由于在本设计中要涉及到上位机对下位机的实时监控、能耗统计和系统分析等功能，所以我在本设计中采用了三维力控公司的ForcecontrolV7.0产品。北京三维力控科技有限公司的工业监控组态软件ForcecontrolV7.0是一款可以应用在工业、化工、电力、环保、能源等很多领域和行业的工业监控组态软件，并且具有非常可靠、灵活的性能，在市场是也占有了一定的地位。ForcecontrolV7.0可以在Windows7及WindowsServer2008的32/64位操作系统中运行，兼容性非常的好。ForcecontrolV7.0提供了组态开发环境，可以根据用户需要自定义使用数据库、IO设备、精灵图库、变量等功能，功能非常强大，而且也大大提高了工作效率。5.2建筑能耗监测管理系统的设计对于建筑能耗监测管理系统的设计，本设计中大致可以分为四大部分：系统权限管理，能源实时分析，系统安全预警和能耗统计分析。监测管理系统可以监控建筑物的能耗并可以实时显示，按日，周，月，年统计能耗并分析。而且还具有能耗比较功能，可以说基本实现了对建筑能耗的一个比较完善的管理和监控。整个上位机的软件系统设计如图5.1软件系统设计所示。图5.1软件系统设计5.2.1系统权限管理权限管理对于一个系统来说是非常重要的，因为权限管理不仅可以保护一个公司软件系统的隐私，而且还可以很规范的对软件后期的维护起到一个很好的保护。本设计中采用的三维力控ForcecontrolV7.0组态软件中的权限管理，对于整个系统起到了一个很好的保护作用。首先在使用ForcecontrolV7.0组态软件时要注意的一点是在Windows7以上的系统要以管理员的身份安装和运行，然后进入系统之后要进行对系统权限管理的设计，系统权限的功能主要有用户的登录和用户管理两大功能，用户登录可以使不同的用户拥有不同的管理权限。用户管理可以添加用户，删除用户和对密码的管理。用户登录功能的设计主要是考虑不同身份等级的人要有不同的权限，在此设计中一共分为两个等级，一个是操作工等级：他的权限是只能查看整个建筑能耗监测系统，而不能修改其内容，所以只能运行系统。另一个是系统管理员级：他的权限不仅能进入运行，而且还能进入组态和退出运行。操作工级别这里设定的用户名为user1，密码为123，安全区设置为A，当输入正确时可运行组态软件进入系统查看建筑能耗。系统管理员级别在这里设定的用户名为user2，密码为456，安全区设置为A和B，当输入正确时进入运行状态，并且可以进行对组态软件的修改和退出。如图5.2用户管理所示进行设置。图5.2用户管理操作工不可以添加和删除用户，只可以修改密码。而系统管理员级别可以添加和删除用户。点击用户管理可弹出用户管理窗口进行用户管理功能。如图5.3用户管理界面所示。图5.3用户管理界面整个系统的登录界面如图5.4登陆界面所示，右上角显示当前登录的用户信息，包括当前登录的用户和用户的级别。用户登陆后可进入系统进行查看，没有登录的用户则不能进入系统进行查看。图5.4登陆界面进入系统之后的功能选择界面设计如图5.5功能界面所示。进入系统之后对能耗的监控可分为三大部分，包括实时数据、安全预警和能耗统计。图5.5功能界面5.2.2能源实时分析在建筑能耗的分析与统计系统中，实时能耗是可以非常直观的显示出每个建筑物中的实际能耗，它都能实时的显示在电脑屏幕上，这样更容易的使监测者直接查询所需要的信息。不管是在任何现场中，对于实时能耗的功能都是必不可少的一项。在本设计中，主要的设计思路是能对整个建筑物中的智能仪表进行实时监控，在设计时采用300ms对仪表进行一次信息采集。这样就能实时准确的对仪表进行实时监控。对于一些精密的仪表或者精密的工作，可以对采集时间进行调整来买足需要。在本设计中主要利用了两个窗口来完成的，一个是小菜单窗口，主要是对整个建筑物能源的分类。点开实时数据之后会显示要查看的项目，如图5.6实时数据菜单所示。在能源实时分析方面，本设计中主要涉及了对建筑物的水、电、气和热的实时监控，在电的菜单中又分为照明及插座用电，空调用电和动力用电，在水的菜单分类中又分为中水和生活用水，燃气和温度则没有下一级菜单。图5.6实时数据菜单在点击不同的功能按钮之后就会显示出用户所需要的相应的能源的实时监控系统的窗口。系统实时监控图如图5.7燃气系统所示，此图是对各个楼层燃气表的监控，对于每个楼层的电表和水表在系统中的窗口与燃气表基本相似，在温度实时监控则选用了三维力控ForcecontrolV7.0组态软件中复合组件中的xy曲线组件，对表格进行了属性的相关设置，对各个温度节点进行了不同颜色的选择，这样在实时显示的过程中就很直观的可以分辨出各个楼层的温度情况。图5.7燃气系统对于建筑物的能耗，可以根据不同的建筑物选择不同的监控内容，本设计中主要模拟住宅用户的建筑物，所以只对水、电、气和热进行了监控。对于不同的建筑物也可以选择不同的能耗监控，在本论文中就不一一介绍了，对于不同的行业有不同的需求，所以在组态软件的设计之前要先对所涉及到的行业有所了解，这样才能更细致的分析出不同的内容。组态软件中的模拟仪表可连接到实时数据库当中，这样就可以实时显示仪表中的当前数值。5.2.3系统安全预警在用组态软件对楼宇进行实时监控的同时，不仅要能对楼宇的设备进行数据监控，而且还要对突发情况进行报警。本设计中的报警包括模拟量报警、事件报警、重大变化连续重复报警、硬件设备报警等。在ForcecontrolV7.0组态软件中，报警事件，报警确认处理以及报警记录都会存档方便日后查阅。而且可以通过不同的方式进行报警并且传送给用户。在本设计中对设备的运行状态进行了异常状态报警、能耗超限报警和网络通信报警。根据不同用户的需求也可以设定手机短信报警，当设备的数据超出了设定的范围，就会在报警报表里显示，双击鼠标确认之后就会给之前设定好的手机号发送指定信息。如不需要短信提醒，则只会记录在报表内进行保存。报警事件可以实时查询和历史查询，并且具备条件过滤功能，当在过滤条件中输入要查找内容的条件时就可以查询到符合条件的内容。在本设计中对于不同的能源报警都集中到了一个表格内，这样可以方便查询。报警事件如图5.8报警界面所示。图5.8报警界面5.2.4能耗统计分析能耗统计分析主要就是对建筑物的实时数据进行统计并且进行比较，这样就会很容易的比较出建筑物能耗的不同，使后期对建筑物的控制和管理变得更加的方便。本设计中的能耗统计分析一共分为三大部分有能耗报告、能耗排名和能耗比较。能耗报表主要是对建筑物的历史能耗进行保存和查看，方便用户对历史能耗的查询。能耗排名主要是对建筑物中的一个类别的能耗进行整个的汇总并且与其他建筑物进行比较，可以方便使用者对于两个建筑物中同一个类别的能耗进行排名。能耗比较是对整个建筑物中的水，电，气，热进行统计并且用饼图的形式进行表示，方便用户对建筑物能耗的比较，可以方便的查看建筑物中水，电，气，热分别占所有能耗的百分比。能耗报能让给用户看出系统采样的时间，同一时间内能分别显示建筑物各层的能耗。它具备时间查询，打印预览，打印和导出CSV文件。设计界面如图5.9能耗报表所示。窗口设置中也是分为了两个窗口，一个是菜单窗口，对整个建筑物的能源进行分类，另一个是报表窗口，所有能耗报表采用的都是一种格式的报表，都是采用了ForcecontrolV7.0组态软件中的历史报表这一复合组件，再对报表进行相对应的能源的属性设置。图5.9能耗报表能耗排名利用了ForcecontrolV7.0组态软件中复合组件中的棒图，棒图可以很直观的看出建筑物中能耗的比较，在本设计中应用棒图形式显示出每一个建筑物中每一类能耗的总能耗排名，所显示的值是整个建筑物中该能耗的总和。这样就可以很方便的对比建筑物与建筑物之间能耗的对比和排名。界面设计如图5.10能耗排名所示。图5.10能耗排名对建筑物进行了能耗比较以外，为了更方便的让用户只管的看出每一层能耗相对于总能耗的百分比，在本设计中还有能耗比较一功能，用饼图显示出各个建筑物的总能耗相对于总能耗的百分比。界面设计如图5.11能耗比较所示。图5.11能耗比较本章的内容是整个建筑能耗监控管理系统的整体设计就基本完成，已经能够满足用户的基本需求。在系统的设计中，利用了ForcecontrolV7.0组态软件的一些简单的函数和一些复合组件进行组态。对于组态软件来说，每个人都有自己对于软件设计的见解，本设计中所设计的建筑能耗监测管理系统的设计是模拟生活中的居民楼或者办公楼进行的设计，对于不同的建筑物会有不同的能耗，所以在组态软件的设计当中，主要要根据不同的建筑物来进行软件的设计。对于组态软件来说，在现在越来越智能化的生活中应用之处越来越普遍，小到我们平时居住的居民楼，大到生产制造业的工厂车间，组态软件都是不可缺少的一部分。组态软件对我们的生活起着至关重要的作用，它对于数字化生活起着简化和智能的作用。对于建筑能耗方面，组态软件可以使人们更直观的看到能耗方面的数据，可以让人们对建筑的能耗有更直观的了解和掌控。

结论在本设计的过程中，涉及到了很多原来没有接触过的问题，通过自己对资料的一点点的查阅和学习，最终圆满的完成了此次毕业设计。此次设计当中学习到了以下几部分内容，在做整个毕业设计当中也是一边学习一边完成毕设。1.利用组态软件完成了对整个建筑能耗监测管理系统的设计。2.利用学习过的数字电路知识完成了下位机系统的设计。3.通过学习通信过程深刻了解了现场总线技术和通信协议的应用。4.通过软件和硬件的结合进行了一次完整的整个系统的调试工作。通过以上的一系列内容，本设计基本实现了建筑能耗监测管理系统的设计与实现，通过计算机中的组态软件很直观的能够显示出大楼中的水表，电表，燃气表和温度表中的数据。

致谢在这里我要感谢北京联合大学电气信息系的老师们给予我的帮助和鼓励，在整个毕业设计中他们尽最大的努力帮助我完成毕业设计，最主要的是我的指导老师刘莹，她给我的毕业设计提供了许多宝贵的建议和帮助，没有她的指导我的毕业设计不会进行的如此顺利。最后要感谢我的家人，他们一直在背后默默的支持我，他们的关心和鼓励给了我很多心理上的支持。在设计中涉及到了上位机的建筑能耗监测管理系统的设计，用到了三维力控公司的组态软件，并且在使用中也遇到了很多问题，不管是带我们的老师还是带我们的公司里的经理都很耐心的给我们解决问题。在遇到软件问题的时候公司的售后也给予了我很多的帮助并且尽最大努力的帮助我。

参考文献[1]谢昭莉、刘渝新基于Modbus协议的总线系统设计与研究,重