1、北京联合大学 毕业设计I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 Mod
2、bus 通信协议，这也和现实工业中所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 智能仪表北京联合大学 毕业设计IIAbstractIn 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
3、in our daily life. Our technology 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
4、 between Personal Computer and 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 m
5、eters by using MCU. And thus manage 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 co
6、nsumption Protocols RS-485 Modbus Intelligent Meters北京联合大学 毕业设计III目 录摘 要 .IAbstract.II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
7、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 .103.5.2 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 .
8、19北京联合大学 毕业设计IV5.2.2 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北京联合大学 毕业设计- 0 -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
9、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。北京联合大学 毕业设计- 1 -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
10、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
11、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，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
12、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。并且北京联合大学 毕业设计- 2 -201
13、0 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
14、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
15、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。北京联合大学 毕业设计- 3 -图 1.2 组态软件功能框图北京联合大学 毕业设计- 4 -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-232、 RS-422/485 等。RS-232 是最早的串口通信
16、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 RS-232 的不足
17、，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
18、号还原成 TTL 电平信号。因此具有极强的抗共模干扰能力，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
19、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，虽北京联合大学 毕业设计- 5 -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
20、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。
