建筑能耗监测管理系统的设计与实现

1、摘 要在如今发展迅速的环境中，建筑能耗问题已引起了各个国家的重视，在我们的生活中对能源的消耗也也渐渐成为了我国的一大重要解决问题。我国对于建筑能耗的监测和管理的技术也已日趋完善。本文主要研究如何用PC机对建筑物内的智能仪表进行监控和管理，采用何种通信方式完成计算机与智能仪表之间的通信。在本设计中主要可以分为上位机和下位机两大部分，上位机的主要任务是利用组态软件进行整个建筑能耗监测管理系统平台的设计，下位机则是利用单片机来模拟我们生活中的智能仪表，最后利用串口通信可以实现上位机对下位机的控制，并且可以提取下位机的数据。其中的通信用到了RS-485现场总线和Modbus通信协议，这也和现实工业中所

2、应用的能耗监控系统相吻合。关键词：建筑能耗 通信协议 RS-485 Modbus 智能仪表AbstractIn this rapid developmental environment, building energy consumption has raised much attention through many countries. Energy consumption has become an essential problem for us to solve not only in industry but also in our daily life. Our technolo

3、gy of monitoring and managing the building energy consumption has been gradually improved. This study focuses on how to use Personal Computer to monitor and manage the intelligent meters in buildings, and using what communication technology to achieve the communication between Personal Computer and

4、intelligent meters. This design can be separated into two parts: Personal Computer and console computer. The former one is mainly used to design the monitoring and management system of building energy consumption. The latter one is designed to imitate the intelligent meters by using MCU. And thus ma

5、nage the Personal Computer and console computer by using serial communication, and extract the data. RS-485 and Modbus protocols are used in this communication, which is consistent with the applied energy monitoring system in real industry. Key words：Building Energy consumption Protocols RS-485 Modb

6、us Intelligent Meters目 录摘 要IAbstractII引 言1 1. 绪论2 1.1研究背景及意义2 1.2 国内外发展现状2 1.3 本课题的目的及意义3 1.4 本课题研究的主要内容3 2. RS-485现场总线5 2.1 RS-485总线52.2 RS-485总线的特点5 2.3 RS-485总线布线规律52.3 RS-485总线布线方法63. Modbus通信协议73.1 Modbus协议概述73.2 Modbus物理层73.3 协议报文83.4 两种串行传输模式93.4.1 ASCII模式93.4.2 RTU模式93.5 差错校验方法103.5.1 LRC校验1

7、03.5.2 CRC校验114. 下位机系统设计124.1 下位机系统硬件设计124.1.1 RS-232转RS-485电路设计124.1.2 RS-485转TTL电路设计144.2 下位机软件设计155. 上位机的组态软件设计185.1 ForceControl V7.0 简介185.2 建筑能耗监测管理系统的设计185.2.1 系统权限管理195.2.2 能源实时分析215.2.3 系统安全预警225.2.4 能耗统计分析23结 论26致 谢27参考文献28引 言随着我国的经济发展，在我们的生活中涌现出了越来越多的智能化的产品，对能源的消耗也是越来越多，但是能源消耗问题在之前却没能得到大家

8、的重视。由于我国现在的迅速发展，能源问题对于国家来说一直是一个重中之重的问题。国家对于能源问题也目前也提出了很多解决方案，尤其是对于大型工厂或者大型建筑物的能耗问题。大家可以在身边就会很容易的看到我国对于解决能耗问题的举措，从小时候家里用的普通电表到现在家家户户都普及了的智能电表，从原来需要查水表收水费的方式到现在插卡式水表等，这些都方方面面的体现出了我国对于建筑能耗的重视。所以本文的内容是对建筑能耗监测管理系统的设计与实现。1. 绪论1.1研究背景及意义随着我国经济的迅速增长，如何解决能源问题成为我国在发展过程中的必经之路。虽然我国地大物博，但随着人口的不断增长和经济的不断发展，能耗的需求量

9、也在不断增加。在我国的快速发展中，我们可以看到越来越多的高端写字楼、商场、大型超市和娱乐场所被建起来为人们提供服务。与此同时，这些建筑物的能耗也渐渐地成为一大问题，出现了在对能源的使用和能源的浪费等一系列问题。据统计，我国建筑能耗总量不断上升，从上世纪七十年代的10%到现在的27.45%，上升了近三成。国家建设部科技司研究表明，随着我国城市化的不断发展和人们生活质量的不断提高，我国建筑能耗的比例会上升至35%左右。我国现已成为世界第二能耗大国，随着我国不断的发展，预计2020年会赶超美国成为世界第一能耗大国，建筑能耗已成为我国经济发展中的一大必要解决问题。所以，节能对于我国来说，是当前重中之重

10、的任务之一。目前，我国现已大力提倡节能环保，保护环境，实现绿色建筑等一些节约能源的相关措施。1.2 国内外发展现状自20世纪70年代石油危机起，西方国家全面开展了建筑节能工作，对建筑能耗的监测与管理成为了详细了解建筑能耗和建筑能耗节能分析的关键所在。1976年美国，英国等西方国家就已开始对建筑能耗进行调查与研究。当时国外的很多公司已经意识到了能源对于公司的重要性，从长远来看进行能源保护也必定恩能够给公司带来巨大的利润，这是一些会计师和公司的审计机构就开展了能源审计。20世纪7080年代，美国，英国，联合国开发计划署，欧盟等西方发达国家都开展了能源审计，目的在于节能环保，提高能源使用效率。目前，

11、希腊、印度等国家也已对国内大型建筑，办公建筑进行了大规模的抽样能源统计。加拿大采取了全国范围内家庭能耗的抽样调查。而美国已建立了建筑能耗统计数据库，并且美国能源部正与加拿大合作共同研发对于建筑物能耗监测和数据库的系统，建筑物能耗监测系统慢慢的会代替原始的能源审计。对于我国来说，开展建筑节能工作也紧随其后。1989年，“中国建筑节能经济技术政策研究”组开展了对我国建筑能耗、建筑节能、建筑热环境的调查工作。其中调查了我国北方采暖地区和长江沿岸城市的各种建筑类型，目的在于了解我国城市热环境和能耗情况并制定节能计划。近些年我国也不断地在多地区进行建筑能耗的调查与研究，随着我国经济的不断发展，建筑能耗在

12、全国总能耗的比例一直在不断的增加，建筑能耗也成为了人们关注的重点。清华大学、广州大学、建设部科技发展中心和哈尔滨工业大学在全国范围内都开展了不同程度的调查与研究。并且2010年我国发布了“十二五”建筑节能专项规划，其中明确提出了在“十二五”期间要发展绿色建筑，加强新建建筑节能工作，加强公共建筑能耗监管体系建设等目标。可以看出我国针对自身国情提出了很多提高建筑能耗使用效率的相关标准。而且“十二五”建筑节能专项规划中重点提出要提高建筑能耗，抓好新建建筑能耗监管，并且实施重点城市公共建筑节能的改造。到2015年末，重点城市公共建筑能耗下降20%以上，并带动高校和公共机构进行建筑节能改造。1.3 本课

13、题的目的及意义建筑能耗采集系统目前已在我国的很多地区得到应用，但是由于种种原因还没能得到普及，很多一线城市的智能大厦，智能小区等一些地方已经实现了对能耗的实时采集和监控。本文是利用STC89C52单片机作为下位机模拟智能仪表内的数据，通过RS-485总线发送给上位机计算机，其中为了模拟上位机对下位机的控制，在本设计中的下位机上加了一个液晶显示屏可以显示出上位机写入下位机的数据。为了实现在现实生活中真正的在计算机上实时监控智能仪表中的数据，在PC机上我选用了三维力控公司的工业监控组态软件Forcecontrol V7.0，这可以使计算机与智能仪表之间的通信变得更加的智能化和简洁化，同时也提升了系

14、统的稳定性。系统总框架图如图1.1系统总框架图所示。图1.1 系统总框架图1.4 本课题研究的主要内容本课题主要的研究内容包括：RS-485总线介绍，Modbus通信协议介绍，下位机的硬件电路和软件设计，上位机组态软件的功能设计与实现。上位机组态软件功能框图如图1.2组态软件功能框图所示。组态软件的设计主要分为四大模块，在本文的第五章具体介绍了对能耗监测管理系统系统的设计。图1.2 组态软件功能框图2. RS-485现场总线2.1 RS-485总线目前，在工业中的测控和数据采集系统中，基本上都是利用计算机的串口通信功能与工业现场的仪表或设备进行数据的通信。在现场工业中最常见的通信接口有：RS-

15、232、RS-422/485等。RS-232是最早的串口通信技术，在台式电脑上会有232接口，而在笔记本上很少带有RS-232接口。目前在工业中也会见到利用RS-232进行串口通信的，但是它应用于低波特率的串口通信，而且RS-232采用的是单端不平衡传输方式，它收发信号时的数据信号都是相对于地信号的，所以抗干扰能力差。RS-232的传输距离也比较短，只支持点对点通信，一般最大长度是15米，最高传输速率为20kbit/s。RS-232接口电平采用负逻辑电平，而且电平值比较高，逻辑1为-15v-3v，逻辑0为+15v+3v，所以极易损坏接口电路上的芯片。后来EIA推出了RS-422标准，为了弥补R

16、S-232的不足，EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，485总线的实用性和方便性得到了很多人的认可，所以在工业中485总线得到了广泛的应用。2.2 RS-485总线的特点RS-485采用的差分信号正逻辑的特性，+2+6v代表逻辑“1”，-2-6v代表逻辑“0”。而且RS-485电平与TTL电平兼容，所以可以很方便的与TTL电平电路连接。485总线的传输速度也非常快，最高传输速率为10Mbps。485总线采用的平衡发送和差分接收的标准，在发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号由A、B两线输出，经过双绞线传输到接收端后，再将差分信号还原成TTL电平信号。因此具有极强

17、的抗共模干扰能力，加之总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV的电压。故传输信号经过千米以上的衰减后都可以完好恢复。在100kbit/s的传输速率下，通信距离可以达到1200米左右。如果通信距离较短，其最大传输速率可达10Mbit/s。如果需传输更长的距离，需要增加485中继器。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器。RS-485/422总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到256个节

18、点或更多。2.3 RS-485总线布线规律1. 485总线采用的是一对差分信号，在传输过程中要尽量采用屏蔽双绞线来减少通信过程中的干扰，增强其抗干扰能力。2. 在工业现场中，由于存在很多的干扰因素，所以会产生很高的共模电压，虽然485总线使用的是差分信号，抗干扰能力强，但是当共模电压超过+12v或者小于-9v时，就很可能烧毁芯片或设备。所以，在大多数的工业现场，都会使用隔离型485芯片，由于条件有限，所以本设计中采用的是没有隔离型的MAX485芯片，在实际应用中可以使用完全隔离型RS-485电路，可采用ADM287E芯片或者其它隔离型485芯片。3. 在使用485总线时，总线上由于信号的传输会

19、产生回波反射信号，所以在总线的两端应当并联终端电阻。4. 在使用485总线电路中的供电部分可以分为两种：一种是有源供电，另一种是无源供电，由于无源供电占用空间小，所以在本设计中采用的是无源供电，具体的电路将在第五章说到。无源供电虽然占用空间小，但是供电能力差，负载能力不足，而且稳定性不够，所以在实际工业现场建议使用有源供电的方式。5. 在使用485总线时要注意的一点是，要将使用的屏蔽双绞线的屏蔽层一个点接地，不能多点接地，这样可以防止共模干扰。2.3 RS-485总线布线方法RS-485总线在工业中得到广泛的应用，最典型的布线方式就是总线型拓扑结构。但是在工业现场中会涉及到不用的领域，不同的现

20、场环境，所以在实际的应用中会采用不同的拓扑形式，仅仅采用总线型不仅会是线路变得繁琐，而且还会浪费大量的连线。所以在工业现场中，可以使用485集线器或者485中继器，这样就可以将总线型拓扑结构很容易的就改成树型或者星型拓扑网络。这样不仅变得更加灵活，而且在后期的维护或者出现问题时会更加的方便。3. Modbus通信协议3.1 Modbus协议概述Modbus通信协议使用在工业通信中非常常用的一种通信协议。Modbus通信协议是由Modicon公司（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，Modbus是全球第一个真正应用于工业现场的总线协议而且它也是目前工业、建筑、基础设施等领域中被广泛

21、应用的通信协议之一。现已有超过75%的非施耐德公司产品使用Modbus通信协议并且节点数安装超过了1000万个。Modbus的特点：（1）Modbus协议完全免费，为所有用户开放，而且支持Modbus的产品多。（2）支持多种电气接口和各种传输介质。（3）Modbus传输帧格式简单、传输效率高、可靠性高。Modbus在OSI（Open System Interconnection 开放式系统互联通信参考模型）的第二层，具体的Modbus协议和OSI模型如表3-1 OSI模型。表3-1 OSI模型层ISO/OSI模型7应用层Modbus应用协议6表示层空5会话层空4传输层空3网络层空2数据链路层M

22、odbus串行链路协议1物理层EIA/TIA-485Modbus采用的是主从模式通信结构，它可以以一个主站对一个或多个从站进行通信。可以提供RS-232或者RS-422/485通信接口，有两种通信模式：RTU和ASCII形式。3.2 Modbus物理层在新的Modbus串行解决方案中是根据RS-485标准来实现电气接口的，可以实现两线制和四线制两种配置。在本设计中采用的是两线配置，支持点对点和多点系统。在实际工程中的传输介质方面可以采用接线端子、RJ45或者9芯D型连接器。两线制在总线工作时只能有一个驱动器有权发送信号，所以在抗干扰能力上要比普通串口通信更加可靠。在实际工业现场，在总线两端要有

23、线路终端（LT）、上拉电阻和下拉电阻。在电路图和撰写文档是要使用D0、D1和公共端，这样可以方便实现互操作。两线制的拓扑结构图如图3.1拓扑结构图所示。图3.1拓扑结构图在实际工程当中，电缆的选择也是非常重要的，这会影响的实际工程中的通信。在使用RJ45时，一般选用5类或者超五类屏蔽双绞线。必须选择足够宽的电缆直径，这样可以增加传输的长度，满足用户的需要。3.3 协议报文Modbus协议定义了通信时每一帧数据的格式，通用Modbus帧如图3.2 Modbus帧所示。图3.2 Modbus帧在Modbus通信协议中规定了传输的一帧数据中的内容，首先是起始位，然后是地址位，其次是功能码，其次是数据

24、位，最后是校验位和停止位。在默认的情况下应默认为偶校验。在Modbus通信协议当中，功能码决定着不同通信功能，Modbus功能码有公共功能码、用户功能码和保留功能，这些功能码可以提供给不同需求的人。Modbus功能码有很多，在这里就不多一一介绍了，这里主要介绍两个在本设计中用到的功能码：03（0x03）和06（0x06）。03（0x03）是读保持寄存器03（0x03）功能是把在现场的智能仪表中的数据从仪表中的寄存器中读取出来，可以指定其实寄存器地址和寄存器的数量来读取。当主机发送命令时分为请求和相应。请求时：其中功能码1字节0x03，起始地址2字节0x0000到0xFFFF，寄存器数量2字节1

25、125。响应时：功能码1字节0x03，字节数1字节2N（寄存器的数量），寄存器值N2字节。如果在通信时出现错误时，1字节差错码0x83和1字节异常码01或02或03或04。06（0x06）是写单个寄存器因为本设计中设计到对下位机数据的写入，所以在这里介绍一下06功能码。06功能码是对现场智能仪表中的寄存器进行写入，可以写入用户所需要的智能仪表中的寄存器地址。但是在建筑能耗监测系统中，很少写入寄存器，只需要读出仪表中寄存器的数据即可。当主机发送命令时分为请求和相应。请求时：其中功能码1字节0x06，其中寄存器地址2字节0x0000到0xFFFF，寄存器数量2字节0x00000xFFFF。响应时：

26、功能码1字节0x06，寄存器地址2字节0x00000xFFFF，寄存器值2字节0x00000xFFFF。如果在通信时出现错误时，1字节差错码0x83和1字节异常码01或02或03或04。3.4 两种串行传输模式3.4.1 ASCII模式ASCII（美国信息交换标准代码）模式是当通信链路和设备不能够满足RTU模式是才会使用的一种模式，在实际的工程中很少用到。因为由于ASCII的传输模式要每个字节发送两个字符，所以在传输时效率很低。ASCII模式中的每个字节的格式为十六进制，也就是09、AF。它有1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位和1个停止位。奇偶校验位中既可以是奇校验也可以使偶校验，而且还支

27、持无校验，这样就可以支持更多的产品提升了兼容性。早默认的情况下必须是偶校验。如果是在无校验位的时候则需要两个停止位，其中一个停止位是为了填充校验位字符帧的。在Modbus中规定再用ASCII模式时，帧校验要用LRC（纵向冗余）校验。3.4.2 RTU模式RTU模式是在现场中经常使用到的一种模式，在默认的情况下默认设置必须设为RTU模式。在Modbus串行链路上使用RTU模式通信时的优点就是在相同的波特率下要比ASCII模式在数据传输时有更高的数据吞吐量，有较高的字符密度。RTU模式中每个字节的格式为二进制，它有1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位和1个停止位。在默认的情况下要设置为偶校验，与

28、ASCII模式一样，也支持奇校验和无校验，在无校验位时要添加一个停止位来填充校验位字符帧。在Modbus中规定再用RTU模式时，帧校验要用CRC（循环冗余）校验。在使用RTU模式时要注意在发送每一帧数据时，帧与帧之间的空闲必须要大于3.5个字符的时间，这样才能区分开报文帧。而且在每个字符发送的时候，每个字符的间隔要小于1.5个字符的时间，如果大于1.5个字符则认为报文帧不完整。RTU报文帧如图3.3 RTU报文帧所示。图3.3 RTU报文帧3.5 差错校验方法在Modbus协议对于数据传输的准确性和安全性来说使用了两种校验方法，一部分是利用了奇偶校验来应用于报文帧中的每一个字符当中的校验方法。

29、另一部分是利用LRC或者CRC校验来应用于整个报文的校验算法。3.5.1 LRC校验LRC（纵向冗余）校验是在ASCII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：1. 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。2. 从全1的十六进制中减去最终的字段值，产生1的补码。3. 加1产生二进制补码。这样得

30、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。3.5.2 CRC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

31、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

32、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

33、，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。4.1.1 RS-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M

34、AX232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.

35、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4.1 zener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100。如图4.2 232转485电路原理图所示图4.2 232转485电路原理图MAX232和MAX485的使用方法是根

36、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。4.1.2 RS-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

37、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

38、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 unsigned char T0RH = 0; /T0重载值的高字节unsigned char T0RL = 0; /T0重载值的低字节void ConfigTimer0(unsigned int ms);extern void LcdIni

39、t();extern void ConfigUART(unsigned int baud);extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);extern void UartDriver();void main () EA = 1; /开总中断 ConfigTimer0(1); /配置T0定时1ms ConfigUART(9600); /配置波特率为9600 LcdInit(); /初始化液晶 while(1) UartDriver(); void ConfigTimer0(unsigned int ms) /T0配置函数 unsigned long tm

40、p; tmp = / 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 = (unsigned char)(tmp 8); /定时器重载值拆分为高低字节 T0RL = (unsigned char)tmp; TMOD &= 0xF0; /清零T0的控制位 TMOD |= 0x01; /配置T0为模式1 TH0 = T0RH; /加载T0重载值 TL0 = T0RL; ET0 = 1; /使能T0中断 TR0 = 1; /

41、启动T0void InterruptTimer0() interrupt 1 /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5.1 ForceControl V7.0 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Forcecontrol V7.0产品。北京三维力控科技有限公司的工业监控组态软件Forcecontrol V7.0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，

42、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。Forcecontrol V7.0可以在Windows7及Windows Server 2008的32/64位操作系统中运行，兼容性非常的好。Forcecontrol V7.0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

43、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Forcecontrol V7.0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Forcecontrol V7.0组态软件时要注意的一点是在Windows 7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

44、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

45、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

46、.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

47、.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Forcecontrol V7.0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

48、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

49、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Forcecontrol V7.0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

50、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

51、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Forcecontrol V7.0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Forcecontrol V7.

52、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Fo