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摘 要
随着经济水平的不断提高，智能化建筑业是一个很有潜力、大有希望的产业。发展建筑业不仅是产业结构调整的一项战略性任务，而且是改善消费结构、提高人民健康水平的一项重大举措。该文设计一款基于STM32单片机技术的智能大厦能耗管理系统。利用keil 5器件实现了平台后台程序设计功能，利用C语言编程软件完成了语言的代码编写。解决了人们生产生活中的智能建筑领域的问题，以及其所需要的智能大厦能耗管理系统的功能需求和旨在提高建筑行业管理水平所需的软件系统功能模块的设计与实现。通过对系统的功能进行测试，测试结果证明该系统界面友好、功能完善，有着较高的使用价值，具有庞大的潜在用户群体和较广阔的应用前景。
实现智能大厦能源信息化建设、提供能源消耗全过程、全方位能效管理与节能支持，将智能大厦建设与绿色大厦、可持续大厦建设紧密结合起来，将在全国节约型智能大厦建设中起到引领示范作用。
关键词：智能化建筑；STM32单片机；水资源
ABSTRACT
With the continuous improvement of economic level, intelligent construction industry is a promising industry with great potential. The development of construction industry is not only a strategic task in the adjustment of industrial structure, but also an important measure to improve the consumption structure and the people’s health level. This paper designs an intelligent building energy management system based on STM32 microcontroller technology . keil 5 device is used to realize the platform background program design function, and C language programming software is used to complete the language code. It solves the problems in the field of intelligent building in people’s production and life, as well as the functional requirements of the intelligent building energy consumption management system and the design and implementation of the functional modules of the software system to improve the management level of the building industry. Through the function test of the system, the test results prove that the system interface friendly, the function is perfect, has a high use value, has a huge potential user group and a broad application prospect.
To realize the energy information construction of smart building, provide the whole process of energy consumption, comprehensive energy efficiency management and energy conservation support, and closely combine the construction of smart building with the construction of green building and sustainable building, will play a leading and demonstration role in the construction of energy-saving smart building in the country.
Key Ｗords: Intelligent building; STM32 MCU; Water resources
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 主要研究内容 1
第2章 现状分析 2
2.1 国内研究现状 2
2.2 国外研究现状 3
第3章 系统的总体设计 5
3.1 设计方案 5
3.2 功能需求分析 5
3.2.1 技术路线 5
3.2.2 预期结果 5
3.3 总体方案设计 6
3.4 单片机型号选择 7
第4章 系统的硬件及软件设计 9
4.1 系统的主要功能模块设计 9
4.1.1 温度传感器测量设计 9
4.1.2 ZigBee无线模块模组模块设计 10
4.1.3 蜂鸣器传感器模块设计 11
4.1.4 OLED液晶显示屏模块设计 12
4.1.5 继电器模块设计 13
4.2 软件主流程图 13
4.3 温度采集模块的软件设计 14
4.4 显示模块软件的设计 15
4.5 蜂鸣器模块的软件设计 16
4.6 通信模块的软件设计 17
4.7 水流量传感器模块的软件设计 18
第5章 系统测试 20
5.1 系统实物图 20
5.2 蜂鸣器功能模块测试 20
5.3 温度传感器功能模块测试 21
5.4 水流量传感器功能模块测试 22
5.5 ZigBee通信功能模块测试 22
第6章 总结与展望 23
6.1 总结 23
6.2 展望 23
参考文献 24
致 谢 25
附 录 26
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
课题是一种基于智能大厦能耗管理系统设计。实现智能大厦能源信息化建设、提供能源消耗全过程、全方位能效管理与节能支持，提升智能大厦能源使用效率，降低用能成本，达到人、建筑与环境共生共荣、绿色可持续发展，将智能大厦建设与绿色大厦、可持续大厦建设紧密结合起来，在全国节约型智能大厦建设中起到引领示范作用。通过综合节能改造优化智能大厦主要能源使用和机电设备系统的运营方式，直接降低智能大厦的能源用量等级，实现单位面积能耗下降。
我国水资源总量虽然较为丰富，但实际可利用的淡水资源十分有限，是一个“水质型缺水”国家。水资源短缺成为制约中国市经济社会发展的一大问题，如何推动节水工作、提高用水效率，成为中国全社会的共同责任。党的十九大提出“推进资源全面节约和循环利用，实施国家节水行动”，作为国家节水行动的基础，智能大厦能耗管理系统在加强用水管理、制订用水定额、促进用水计量和减少用水浪费等方面发挥着重要作用。
1.2 主要研究内容
本系统主要设设计一个智能大厦能耗 管理系统，系统主要包括上位机、用水监测模块、用电监测模块、显示器、单片机。用水监测模块实时监测用水量，显示，并发送上位机。用电监测模块实时 监测电能使用状况，显示，并发送上位机；上位机设置用水、用电阈值。
本论文研究的智能型大厦能源管理系统的基本功能是:
(1)用水监控模块对用水量进行实时监控，显示并发送到位置机器;
(2)用水监测模块监测非正常耗水，自动切断供水阀门，发送上机警告信息，提醒管理人员处理;
(3)电力监测模块对用电量进行实时监测，显示和传送给计算机;
(4)电气监控模块对电气设备的电力消耗进行实时监控，显示和传输给计算机;
(5)电源监控模块监测电源设备异常，自动切断电源供应电路，发送上机警告信息，提醒管理人员处理;
(6)分配箱温度实时监测，显示，发送给机器;
(7)供水功能可由上位电脑手动控制;
(8)配电箱温度过高，上层电脑发出警告信号，自动启动换气设备;
(9)供电功能可接受上部电脑的手动控制;
第2章 现状分析
2.1 国内研究现状
2018年，宋胜丽在论文《新形势下完善上海市水平衡测试管理制度的研究》一文中，介绍了如何利用单片机作为下位机，实现水平衡生产调度能源监测系统中的数据采集和处理功能。文中重点阐述了由80C196KB单片机构成的下位机系统组成结构、特点和工作原理。设备层则采用80C19K单片机作为下位机的方法，构成了分布式的监测系统。经实际应用表明，该系统结构简单，功能强大，各项性能指标均达到生产要求。[1]
2017年，张维勇在《用水信息化管理在节水型单位建设中的应用》一文中，提出了一种基于STM32F103Z单片机和昆仑通泰触摸屏的水电解制氢监测系统。这种系统结构将单片机作为下位机和数据采集与处理单元，而触摸屏则作为上位机，用于实时监测数据并提供报警功能和异常数据存储功能。这种设计具有以下特点：数据自动采集和处理功能：单片机作为下位机可以连接各种传感器或外部设备，实现数据的采集和处理。它可以控制传感器读取数据，并对数据进行预处理、滤波、计算等操作，以提取有用的信息或进行必要的算法处理。实时监测和报警功能：触摸屏作为上位机可以接收并显示单片机发送的数据。它可以实时监测数据并进行可视化展示，以便用户直观地了解系统状态。同时，触摸屏可以设置报警条件，当监测到异常数据时触发报警，例如超过预设阈值或出现特定模式的数据。异常数据存储功能：触摸屏还可以具备异常数据存储功能，将监测到的异常数据保存下来供后续分析和处理。这样可以方便用户对异常情况进行回溯和分析，以便找出问题的原因并采取相应的措施。小体积、低功耗和高可移植性：由于单片机作为下位机和数据处理单元，它通常具有小体积和低功耗的特点，适合嵌入式系统或便携设备中使用。触摸屏作为上位机可以选择具有适当尺寸和功耗的设备，并且可以方便地连接到单片机进行通信，具备较高的可移植性。这种系统结构适用于许多应用场景，如物联网设备、智能家居、工业自动化等，通过单片机和触摸屏的组合，实现了数据采集、处理、监测和报警等功能，同时具备了小巧、低功耗和高可移植性等优势。这些功能的实现为该论文功能实现起到了借鉴意义。[2]
我们国内也陆续开发出如天正，斯维尔，PKPM等能耗分析软件，虽然采用的是 DOE-2的内核，但我相信国产的软件能更加适用于对我国的智能楼宇进行分析。无线物联网技术与楼字能耗管理系统的结合与投入运用对于智能楼字的发展具有里程碑意义，这不仅让智能楼宇走进我们的生活，让人享受到科技发展的便利，也为无线物联网网络进入其他邻域打下良好的基础。对能耗信息进行实时监控和数据采集是无线物联网智能楼字能耗管理系统的主要功能，使我们宝贵的能源最为合理的被使用能源利用率也大大增加。这对于无线物联网能耗管理具有积极影响，也对社会经济发展有巨大推动力。但与此同时我们也不得不面对无线传感器网络技术还不能完全成熟应。
2.2 国外研究现状
2019年GangZhu在《DesignofthePLCOn-LineOptimizationPiControllerParametersBasedonFuzzyAlgorithm》在一文中[13]提到最早的时候是通过人工采集信息来对楼宇能耗进行管理。虽然通过仪器可完成众多信息的采集，但是明显的缺陷就是不能进行实时信息数据的监测与传输，这种监测的结果仅仅是一种静态的数据，完全不能显示系统的实时数据。所以人工逐个信息采集方式已经不能满足于楼宇能耗监测的大量实时数据与功能要求。此外，虽然越来越多公司与高校在研发与楼字相关的节能产品，但是距离设想的还有许多路要走。在众多分析能耗的软件中，绝大多数都仅仅拘泥于能耗模拟的进行分析，如已在国内外得到广泛认可应用Energy plus。 EnergyPlus 由美国能源部(DepartmentofEnergy，DOE)和劳伦斯伯克利国家实验室(LawrenceBerkeley NationalLaboratory，LBNL)共同推出的一款建筑能耗模拟软件，这款软件可以对智能楼宇的供热、制冷、照明等能源消耗进行全面的能耗分析和成本分析。
同年a等在《Design And Development Of Real-Time Small Scale IoT Based Energy Monitoring System》[14]介绍了基于物联网的小型能源监测系统的数字化。所提出的称为EMOSY的能量监测系统消除了高成本的能量表。EMOSY设计为便携式和实用，无需修改电器的内部或外部连接。EMOSY是通过放大静电的存在而使用电压检测器电路概念开发的。该静电读数通过与Arduino NodeMCU集成的Wi-Fi模块ESP8266发送到数据库。该网页使用AdobeDreamweaver设计，带有HTML和PHP编码。在所提出的系统中，用户能够监控每个设备的能源使用情况和估计的计费时间。基于该结果，能量监测系统可以成功地检测到静电的存在，并且网页数据库可以显示扩展到估计电费的能量使用。监测系统被发现对住宅、商业和工业监测能源模式非常有用，这对于促进节能措施以减少能源使用至关重要[4]。同年BiSa于《Impact of Energy Monitoring and Management Systems on the Implementation and Planning of Energy Performance Improved Actions： An Empirical Analysis Based on Energy Audits in Italy》[19]对分析能源绩效改善行动（EPIA）的有效性至关重要。提高能源效率的第一个基本步骤是发展能源审计（EA）。
这些研究对于该系统的设计存在很大帮助，提供了技术支撑，评估报告提供了有关特定设施能源使用的全面信息，确定并量化了成本效益高的EPIA。欧洲能源效率指令（EED）指出了这些工具在清洁能源转型中的关键作用，该指令促进了EAs和EnMS计划的实施。这项工作的目的是更好地理解意大利两个工业部门和两个第三产业部门实施EED第8条时EnMS（特别是ISO 50001）和EA之间的联系。此外，还分析了公司规模、能源监测系统和EnMS对计划和/或实施的EPIA的影响。我们的研究结果表明，尽管能源效率差距所涉及的变量很复杂，但在具有EnMS和监控系统的企业中，“节能/公司”和“EPIA/站点”比率更高。因此，正确的能源审计必须始终伴随着具体的监控计划，才能对公司决策者有效和有用。
