第一章 绪 论
1.1 课题背景
通常情况下，学校各个区域都采取免费供电的方式，部分学校对学生宿舍区用电功率和电压进行一定的限制，部分学校学生宿舍区的供电系统具有负载识别功能，这样，很大程度上提高了宿舍用电的安全系数，也有助于节约用电。但是校园教学及办公区由于用电种类繁多，后勤部门难以实施有效管理，电力资源的浪费有过之而无不及。例如，办公室人不在而灯和空调等用电设备却启动着，教室长明灯现象更是屡见不鲜。校园供电与用电之间的矛盾日益突出，从而一些院校采取了开放用电，超额付费的措施，这对减少学校的电费支出虽然有所帮助，但是会耗费大量人力物力进行抄表统计工作，得不偿失。与此同时，传统的供电管理手段，信息采集不及时也不够准确全面，难于及时发现问题并解决问题，不利于学校开展集中式的管理[1]和节能目标的实现。开发出一套高效、智能的校园节能监管计量控制系统迫在眉睫。
学校基础教学大楼建筑面积近 50 000 m2，是目前我校单体建筑面积最大的建筑。在我校现有的建筑里，其照明用电量最大，动力用电量也排在前列。为了贯彻国家节能的要求，提高我校用电管理水平，决定新建基础教学大楼各项用电，采用计算机节能控制管理系统进行控制和管理。计算机节能控制管理系统基本要求：①系统兼有计量和控制两项功能；②系统可挂接热红外、微波、照度等探测器，对控制单元实施控制，并且延时可调；③系统与我校现有节能管理平台兼容，可互传数据； ④系统采用成熟的技术，工作应稳定可靠。
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1.2 课题相关技术的发展背景与现状
1.2.1 FCS 概述
现场总线控制系统有如下一些特点：
(1)全数字化通信，采用双绞线等方式传输，传输精确可靠，抗干扰能力强。
(2)采用统一标准，并且技术和标准全部开放，对任何企业和个人都机遇平等，产品之间相互兼容，具有很好的开放性和互操作性，便于维护和进一步扩展升级。
(3)实现了真正意义上的分散管理，绝大部分功能都在现场完成，同时提高了系统的工作效率和可靠性。
(4)灵活开放的互连网络，同层和不同层网络均可互连，共用一个数据库，用户可方便的共享网络信息。
(5)硬件组成相对简单，同时降低了安装、维护的费用，从而大大的降低了成本。(6)应用功能块的概念进行组态，网络拓扑结构灵活多样。
现场总线控制系统有以下三点关键要点：
(1)核心是总线协议，即总线标准。
任何一种总线，只要定义了其总线协议，那么与之相关的一系列技术和设备也就已知了，而不同类型的总线的基本原理都是相同的。
(2)基础是数字智能现场装置
数字智能现场装置是 FCS 系统的硬件基础。现场智能仪表在现场一级实现信息处理与控制，分担了总控中心的一部分任务，使数据传输更加快速、准确，提高了系统的运行效率。
(3)本质是信息处理现场化
应用现场总线技术后，可以采集到更多的现场数据，而相应的硬件设施，如数据通信电缆减少了，这不仅仅是因为线缆的传输效率提高了，更是由于许多功能在现场完成了，减少了信息在现场与总控中心之间的往返传输，即信息处理现场化。
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第二章 系统总体分析与设计
2.1 系统总体结构
本文设计的智能供电系统是一个三级或四级的微机控制系统，主要应用于校园教学及办公区，其中办公区是三级微控系统，主要由上位机管理中心（核心是总控计算机）、中间信息传输转换器——网关以及下位机计量控制智能柜组成。教学区增加的智能灯控系统是第四级微控系统。系统总体结构如图 2-1 所示。
(1)计量控制智能柜。为了有效管理不同种类的负载，将其按空调动力和插座照明分为两大类。其主要实现两大功能：一是配电功能，主要包括电能供应（由空气开关实现）和对电力系统及其元件提供继电保护；另一功能为计量控制，主要分为以下几项：
①实时采集现场模拟信息并进行 AD 转换、分析计算、存储显示与上传等。
②实时响应上位机发送的各项命令，及时完成相应的操作，实现智能管理。
③每个柜内都装有一个以单片机 MSP430F5529 为主控芯片的集成电路板，对上实现与网关进而与上位机的通信，对下控制继电器的断合以完成相应命令。
④如果系统出现故障，可以闭合强合开关，保证紧急情况下电能的正常供给，并且为维修提供可能。
(2)网关。网关是上位机监控中心与计量控制智能柜之间进行通信的桥梁。网关作为“翻译官”，对计量控制智能柜采集的信息以及总控计算机下发的命令分别进行打包和解包，从而完成信息的传输。
(3)总控计算机。工作人员通过操作安装在总控计算机上的校园节能平台管理系统软件，实现对学校各用户用电信息的存储、查询与打印，并可根据需要进行相关的控制操作与命令下发，完成对用户的统一智能管理。
(4)教室灯控系统。通过对教室安装的人体红外感应器和光照强度探测器的联合控制，实现教室照明装置的智能控制。
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2.2 系统的工作原理
(1)总控计算机部分。校园节能平台监测中心能够实时监控显示各用电信息与状态，可以查询打印历史用电信息，最重要的是能够准确灵活的进行集散的自动与手动控制。
(2)网络通信部分。计量控制智能柜与总控计算机采用的是不同的通信协议，两者若要进行通信必须经过网关的传达。计量控制智能柜收集的现场信息以及总控计算机下发的命令指示都要先经过网关的重新打包“翻译”才能得到有效的传输。网关还提供过滤和安全功能。
(3)计量控制智能柜部分。计量控制智能柜是具有控制功能的现场设备，它自动对采集的模拟信号进行分析处理，存储与显示，并依据既定程序控制继电器的断合，同时根据需要实时上传部分信息给上位机且随时响应上位机的控制指令。
计量控制智能柜硬件电路总体结构框图如图 3-1 所示，主要包括电源电路、时钟电路、锁相电路、LCD 显示电路、电信号采集电路、继电器控制电路、存储电路、教室灯控系统电路、RS485 通信电路、程序下载与仿真电路。电源电路为系统提供所需的工作电压，时钟电路是单片机正常稳定工作的重要保障，锁相电路是保证系统计量精度的必备电路。传感器采集上来的电压、电流信号是系统处理的第一手“资料”。JTAG 电路是进行系统调试、仿真以及烧写程序不可或缺的部分。单片机处理芯片对电压、电流互感器采集的电信号经过 A/D 转换、分析计算等处理，得出的电压、电流、相位、功率等数字信息实时显示在LCD 显示屏的同时通过 RS485 通信电路上传给网关，网关对数据进行打包后上传给总控计算机；总控计算机下发的控制命令通过以太网通信传给网关，网关对数据进行解包后通过 RS485 通信电路传给单片机处理芯片，单片机处理芯片最终控制相应继电器动作以完成供断电任务。
以单片机STC11F04为主控芯片的教室灯控系统[7]的核心部分是实现教室灯光自动控制的开关控制器，其通过对安装在教室里的光照强度探测器和人体红外感应器的联合控制以实现对教室照明系统的智能化、人性化管理。教室照度低于设定值且有人存在的情况下灯光会自动打开，没有意外发生，其他情况灯光均处于熄灭状态，这对校园电能的有效节约贡献突出。
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第三章 系统的硬件设计............................................11
3.1 硬件设计的总体方案 ..........................................11
3.1.1 主控板硬件设计的总体方案 ..................................11
3.1.2 网关硬件设计的总体方案 ....................................12
第四章 系统的软件设计............................................38
4.1 系统软件的总体设计 ..........................................38
4.2 校园节能平台监控管理界面设计 ................................38
4.2.1 软件登陆界面 ..............................................39
第五章 结论与展望.................................................65
第四章 系统的软件设计
若要使节能监管计量控制系统完成其各项功能，达到人们预想的目标，可靠高效的硬件设计是基础，而科学严谨的软件设计更是核心，两者缺一不可，硬件可以比喻为人的身体，软件则是人的灵魂，软件通过硬件实现功能，硬件受控于软件。两者相互依存，互相促进才能更好的实现整个系统的功能。本文采用结构化、模块化的软件实现方法，将复杂问题分解简化，逐步求精，降低了设计的难度，也使得检错、调试更加简洁方便。与此同时，也有利于系统的升级和推广。
4.1 系统软件的总体设计
依据整个系统的硬件设计及其所要实现的功能，相应的软件的设计主要包括：上位机监控管理界面的设计、网关的程序设计、计量控制智能柜的主控板程序设计以及教室开关控制器的程序设计。总控计算机监控管理界面是用C#语言在Visual Studio 2010开发平台上编译完成的。上位机监控管理软件可以实现对整个供电系统的远程的自动和手动控制，并实时监测其全部运行状态，以便对所有不合理运行情况进行及时处理。
主控板和网关的程序设计采用结构化、模块化的编程思想，其中主控板的程序设计是在CCS5.1开发平台上利用C语言编译完成，而网关的程序设计是在Keil uVsion4开发平台上同样使用C语言编译完成。计量控制智能柜不仅具有计量的功能还有控制功能，主要实现功能有：各用电信息的计量、存储和显示，高速可靠的数据通信，教室灯控系统以及相应继电器的控制等。网关即协议转换器，保证数据在上位机和下位机之间可靠有效的传递。
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4.2 校园节能平台监控管理界面设计
管理人员需要操作上位机管理界面来实现用电情况的监控和远程控制等各项功能，而管理人员并不需要具备专业的软件知识，这就要求管理界面操作简单易学、通俗易懂，功能完备，信息齐全也是必不可少的。计量控制系统的上位机监管界面是在 Visual Studio 2010 软件开发环境中采用 Visual C#语言编写完成的图形化程序。C#语言简单、现代、通用，几乎集成了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果，很有可能成为编程语言历史上的第一个“全能”型语言[28-29]。
节能监管计量控制系统总控计算机所具备的功能包括：远程自动、手动控制功能，数据实时监测功能，历史、实时用电信息统计、显示及查询功能，报表打印功能等，下面对各个功能的具体实现进行简单描述。
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第五章 结论与展望
本设计是先进的现场总线控制系统，应用电力电子技术、计算机联网等技术，以学校基础大楼项目为依托，主要针对学校教学区和办公区的实际用电情况 ， 设 计 的 以 单 片 机 芯 片 MSP430F5529 和 基 于 ARM Cortex-M3 内 核 的STM32F103芯片为核心控制芯片的智能供电系统，不仅与学校原有管理平台完美兼容，而且很大程度上改善了学校的整体管理系统，更对学校的能耗节约贡献突出，很好了贯彻了国家节能减排的方针政策。该系统已进入试运行阶段，目前工作稳定可靠，很好的完成了拟订的各项功能。与此同时，由于现代电子等技术发展迅猛以及本人学识有限，本文所设计的校园节能平台智能管理系统还有一些方面需要进一步改进和完善。
(1)人体红外感应器的改进。人体红外感应器只能感应到运动的人体红外波谱，当人静止的时间过长有可能造成关灯的误动作发生，给正常用电造成不便。需要技术的改进与创新，进一步提高人体红外感应器的灵敏度，以便准确的感应到人的存在与否。
(2)上位机管理系统的完善。本文设计的校园节能平台监管系统软件只能实现信息的查询显示与继电器断合控制的简单功能，其在功能灵活多样化方面开发空间很大。例如，开通用电信息自助查询服务，则只要有网络存在用户便可以在任何时间任何地点进行用电信息的查询。
(3)MSP430F5529 主控芯片功能的扩展。本文选用的 MSP430F5529 计量控制智能柜主控板核心控制芯片具有 USB 接口功能，合理设置其 USB 引脚以及相应软件的配合，可以方便的实现与其他系统的互连与通信，同时便于系统的调试与升级。
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参考文献（略）
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参考文献（略）