建筑用电能耗监测系统设计与实现-开题报告

上海工程技术大学毕业设计（开题报告）学院电子电气工程学院专业计算机科学与技术班级学号学生指导教师题目建筑用电能耗监测系统设计与实现任务规定进行日期自2014年03月02日起，至2014年06月20日止一、题目来源、目的、意义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已高达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（RS485），连接转换器将串口转为以太网口，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。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RS485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大降低人力采集数据带来的人力资源浪费，提高精确性。二、主要工作内容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、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。开始用户登录系统验证登录信息是否正确选择功能数据检索/导出报表实时监控用户信息管理结束是否三、主要技术指标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平台，C不仅在WINDOWSFORM方面拥有不错的表现，在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。5C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，NET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，然后集成在NET中。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ASPNETWEB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NETFRAMEWORK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。3、开发技术C/SCLIENT/SERVERC/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/SERVER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“DOCUMENT/VIEW“架构相应的特色。“DOCUMENT/VIEW“架构已经被“MDI（多文档接口）”所取代。WINDOWSFORMS应用程序是基于SYSTEMWINDOWSFORMS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求，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FLOWLAYOUTPANEL、TABLELAYOUTPANEL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DATAGRIDVIEW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上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。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。4、需求分析要进行程序开发，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5、建筑用电能耗监控系统分析功能模块分析在监控界面中，分为三个功能模块（1）从智能电表中读取用电信息的数据获取模块；（2）将获取的信息以图表的形式显示在用户界面的信息显示模块；（3）将从智能电表中采集到的用电数据整理并存储到数据库的信息存储模块；在用电数据查询界面中，需要实现以下功能模块（1）根据特定条件，将数据库中符合条件的数据检索出来显示在查询界面的用电数据检索模块；（2）将检索结果以EXCEL表格的形式导出的数据导出模块；在人员信息管理中，需要实现用户信息注册，用户登陆，用户信息修改这3个功能。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，点击数据采集开关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。6、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、进度计划第12周完成一篇5000字的技术性英文文献翻译，完成开题报告和综述报告第34周对课题进行需求分析，完成需求分析报告第56周对系统进行总体设计第78周进行详细设计，完成各模块详细功能第910周编写程序第1114周测