多功能環(huán)保小天使軟硬件解決方案

一、項(xiàng)目概述
　　1.1 引言
　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著全球氣候變暖和環(huán)境污染及生態(tài)不斷惡化，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，給人類帶來了巨大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失。世界各國的人們紛紛意識(shí)到保護(hù)環(huán)境，珍惜資源的重要性和必要性。
　　一方面，世界各國政府為解決環(huán)境問題，出臺(tái)了大量政策法規(guī)，加大環(huán)保宣傳，努力提高人們的環(huán)保意識(shí)。倡導(dǎo)人們積極行動(dòng)起來，從自己做起，從自己身邊的每一件小事做起，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境；鼓勵(lì)企業(yè)、公司、學(xué)校和家庭購買節(jié)能家電，倡導(dǎo)低碳、節(jié)能、綠色、環(huán)保型生活方式，共同為解決世界環(huán)境問題做貢獻(xiàn)。
　　另一方面，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，進(jìn)入后PC時(shí)代，先進(jìn)的電子技術(shù)和智能科技在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。利用這些先進(jìn)科技，改善人們的生活條件，提高人們的生活質(zhì)量勢在必行。先進(jìn)的半導(dǎo)體制作工藝所帶來的高性能、低功耗、綠色無污染MCU，也是解決世界環(huán)境問題的必然之選。
　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)
　　鑒于上述引言所述，作為當(dāng)代大學(xué)生的我們，是未來的接班人，理應(yīng)負(fù)起責(zé)任，利用自己在學(xué)校所學(xué)的科學(xué)知識(shí)為解決世界環(huán)境問題做出自己應(yīng)有的一份貢獻(xiàn)。
　　通過我們對(duì)自己周圍人們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)注和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)：由于國家和社會(huì)的大力宣傳，盡管現(xiàn)在大多數(shù)人都具有一定的環(huán)保意識(shí)，但是在大家的日常生活中真正做到低碳、節(jié)能、綠色、環(huán)保的還比較少。這主要是由于一直的生活習(xí)慣和缺乏具體的環(huán)保知識(shí)所致。
　　基于以上分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)智能電子設(shè)備——基于EVK1100的實(shí)用多功能環(huán)保小天使，意在提高人們的日常環(huán)保意識(shí)，并結(jié)合MCU的強(qiáng)大功能和豐富的外設(shè)資源，切實(shí)解決一些人們?nèi)粘Ｉ钪械哪茉蠢速M(fèi)問題。詳細(xì)的功能設(shè)計(jì)方案，請(qǐng)見下文。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　我們的設(shè)計(jì)以節(jié)能環(huán)保為主，同時(shí)充分利用所選器件MCU的豐富外設(shè)功能，設(shè)計(jì)了多項(xiàng)日常生活必備的實(shí)用功能，以智能、友好的方式在提高人們生活質(zhì)量的同時(shí)提高人們的環(huán)保意識(shí)，增強(qiáng)大家的環(huán)保理念。具體功能要求如下：
　　以友好的方式（網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)），宣傳環(huán)保知識(shí)，提高人們的環(huán)保意識(shí)；
　　解決日常生活中由于離開時(shí)忘記關(guān)臺(tái)燈和夏天空調(diào)溫度過低等造成的電能浪費(fèi)問題；
　　家用小電器，PDA、游戲機(jī)、手機(jī)、MP4、數(shù)碼相機(jī)等可以通過USB供電（或充電）設(shè)備的智能管理，以期進(jìn)一步減少電能浪費(fèi)；
　　提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能（包括有線無線方式），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭監(jiān)測；
　　提供實(shí)用的日歷時(shí)間，備忘錄，鬧鐘，電子防盜鎖等功能；
　　2.2 性能要求
　　本方案的設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能、綠色、環(huán)保，在選擇器件時(shí)，我們將充分考慮一下性能要求：
　　高集成度；
　　低功耗；
　　智能實(shí)時(shí)高效；
　　強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)性；
　　實(shí)用性。
　　三、方案設(shè)計(jì)
　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）
　　根據(jù)前面的需求分析，我們選用EVK1100 Demo Board作為本設(shè)計(jì)的主控核心，其板載高性能AVR32AT32UC3A單片機(jī)控制器，外圍有光線和溫度傳感器以及豐富的擴(kuò)展IO，以此為基礎(chǔ)，我們?cè)O(shè)計(jì)本方案的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，如下圖1所示：
　　
　　圖1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
　　簡述其中各模塊功能原理如下：
　　1、AT32UC3A單片機(jī)完成系統(tǒng)的整體控制，該MCU內(nèi)部具有512K的片上Flash和64K的片上SDRAM，可以順利運(yùn)行移植好的FreeOS嵌入式操作系統(tǒng)，EVK1100 Demo Board板載的8M B data Flash和32MB的SDRAM可以為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和高速大容量數(shù)據(jù)處理提供代碼存儲(chǔ)和處理緩存。
　　另外，利用AT32UC3A單片機(jī)豐富外設(shè)接口資源與外圍各種傳感器進(jìn)行連接，以獲得環(huán)境數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)以及完成遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。
　　該MCU具有高達(dá)1.49 DMIPS / MHz的系統(tǒng)性能和低功耗以及豐富的片上外設(shè)資源是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控芯片的不二選擇。
　　2、光線和溫度傳感器模塊完成對(duì)室內(nèi)光照和溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，主控MCU通過ADC獲得該數(shù)據(jù)后于設(shè)置的工作光強(qiáng)和溫度參數(shù)做比較分析，然后通過語音模塊發(fā)出相應(yīng)的語音提示，提醒用戶控制臺(tái)燈等照明設(shè)備的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)以及夏天室內(nèi)空調(diào)的控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能的目的。
　　3、移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)、MP4，數(shù)碼相機(jī)等）充電檢測與控制模塊完成家用小電器，PDA、游戲機(jī)、手機(jī)、MP4、數(shù)碼相機(jī)等可以通過USB供電（或充電）設(shè)備的智能管理，通過監(jiān)測這些設(shè)備的充電過程，當(dāng)充電完成后及時(shí)通過語音模塊語音提示用戶拔掉USB，以進(jìn)一步減少電能浪費(fèi)；
　　4、Ethernet模塊通過接入以太網(wǎng)，完成有線互聯(lián)功能，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保宣傳資料的實(shí)時(shí)更新以及與遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭一起家庭的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高家庭安全。
　　5、AT86RF212和USB2.0接口用于無線通信和高速本地?cái)?shù)據(jù)傳輸以及為USB設(shè)備供電，其中AT86RF212的另一重要功能在于實(shí)現(xiàn)功能要求中的電子鎖，當(dāng)啟用電子鎖功能后，系統(tǒng)的AT86RF212芯片與鎖定對(duì)象之間每個(gè)30s進(jìn)行一次無線通信，以確定鎖定目標(biāo)在安全范圍之內(nèi)，一旦保護(hù)目標(biāo)被盜，及時(shí)通過語音提示用戶或者通過Ethernet模塊向遠(yuǎn)程在線用戶發(fā)出警報(bào)。
　　6、另外、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中4X4功能參數(shù)設(shè)置鍵盤和Char LCD（4X20）模塊以及語音模塊一起為整個(gè)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，使得整個(gè)系統(tǒng)的使用更加友好和人性化。其中鍵盤用于各種功能參數(shù)的設(shè)置，LCD用于各種顯示和提示，語音模塊除了前面提到的各種功能外，還負(fù)責(zé)系統(tǒng)最根本的任務(wù)——宣傳環(huán)保知識(shí)。
　　7、整個(gè)設(shè)計(jì)由System Power模塊高效的開關(guān)電源提供電能，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)真正的綠色節(jié)能高效環(huán)保理念。
　　系統(tǒng)的日歷時(shí)間、備忘錄，鬧鐘功能由AT32UC3A片上外設(shè)RTC提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘完成。
　　3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置
　　硬件平臺(tái)：EVK1100 Demo Board + AT86RF212無線通信芯片
　　EVK1100是一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評(píng)估套件和開發(fā)系統(tǒng)。它配備一系列豐富的外設(shè)、內(nèi)存，并且可充分開發(fā)AVR32設(shè)備的全部潛能。
　　資源配置：
　　支持AT32UC3A（512KB 片上Flash和64KB SRAM）
　　板載8MB data Flash和32MB SDRAM
　　以太網(wǎng)端口
　　傳感器：光照、溫度、電位器
　　4x20藍(lán)色LCD（PWM變頻背光）
　　JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。
　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)
　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分全部在大賽主委會(huì)推薦使用ATMEL官方開發(fā)工具AVR Studio 5集成開發(fā)環(huán)境中完成，由于系統(tǒng)基于FreeOS嵌入式操作系統(tǒng)完成，個(gè)外圍模塊電路的驅(qū)動(dòng)以FreeOS的進(jìn)程或者任務(wù)方式完成。在完成FreeOS在AVR32 AT32UC3A單片機(jī)上的移植并熟悉該操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，編寫整個(gè)系統(tǒng)的功能軟件代碼將是一件非常輕松的事情，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，先將各模塊測試程序調(diào)試通過，最后再集成系統(tǒng)功能。
　　故而，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的移植及系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)上。但是，相信借助大賽組委會(huì)提供的AVR Dragon調(diào)試器，系統(tǒng)軟件的調(diào)試會(huì)變得容易得多。
　　3.4 系統(tǒng)軟件流程（除圖片外需有文字介紹）
　　整個(gè)系統(tǒng)功能基于FreeOS嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體的完整的系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)如下圖2所示。
　　系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)依據(jù)前面的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行。
　　在Ethernet網(wǎng)絡(luò)通信部分，我們將首先完成輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧lwip的移植，在此基礎(chǔ)上，組建系統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)；
　　無線通信芯片AT86RF212與AT32UC3A單片機(jī)之間的通信以4線SPI加中斷方式進(jìn)行，平時(shí)AT86RF212工作于低功耗的監(jiān)聽狀態(tài)，一旦接收到數(shù)據(jù)，則經(jīng)過IO中斷喚醒，并向主控MCU——AT32UC3A發(fā)出中斷請(qǐng)求。
　　另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能也是有4X4矩陣鍵盤經(jīng)IO中斷方式完成，這樣不但能夠提高作品的響應(yīng)速度，而且有利于系統(tǒng)集成，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　圖2、程序運(yùn)行流程圖
　　3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果
　　實(shí)現(xiàn)需求分析提出的各項(xiàng)功能要求，并確保系統(tǒng)功能正常、穩(wěn)定、可靠。
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