一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)革命。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。過去大量的浩如煙海的8/16位單片機(jī)的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等的實(shí)時(shí)應(yīng)用，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò)方便的時(shí)候了。它們將成為Internet 的發(fā)展沃土，順應(yīng)“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”向“網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”擴(kuò)展的大潮。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段，以單片機(jī)為核心，與一些控制設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet 這個(gè)信息流通渠道，則可以方便、低廉地將信息送到世界上任何一個(gè)地方，這將形成集管理與控制于一體的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。要做到這一點(diǎn)并不難，在電子技術(shù)、傳感技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的取得，已經(jīng)不是難事，溫度、壓力、濕度、速度、加速度、電流、電壓這些數(shù)據(jù)只需要一個(gè)小小的嵌入式系統(tǒng)就可解決。另外，以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)也正在不斷向前發(fā)展。

二、需求分析

2.1 功能要求

實(shí)現(xiàn)一個(gè)以AVR32 UC3為核心的可移植并且高度可配置的基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、通過Internet進(jìn)行通信、使用靈活、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適配各種智能傳感器并具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，該系統(tǒng)可用于現(xiàn)在流行的物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)方面，例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控（污染源實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)線環(huán)保數(shù)據(jù)采集），工業(yè)機(jī)器監(jiān)控（工業(yè)自動(dòng)化，智能家居系統(tǒng)），遠(yuǎn)程信息交互（遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程教育）等應(yīng)用領(lǐng)域。

系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1。

圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 性能要求

利用該系統(tǒng)，用戶能夠通過Internet 訪問并控制相關(guān)外設(shè)。當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后相關(guān)配置能夠自動(dòng)設(shè)置好，在10秒鐘內(nèi)開始正常工作；網(wǎng)絡(luò)連接通過板卡上的 Ethernet 接口實(shí)現(xiàn)，相關(guān)的IP地址，子網(wǎng)掩碼（Subnet mask），網(wǎng)關(guān)（Gateway）等網(wǎng)絡(luò)配置通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并顯示在LCD上；信息采集正常工作（溫濕度誤差小于0.1%），控制輸出正常工作（LED實(shí)現(xiàn)3級(jí)亮度調(diào)節(jié)，繼電器正常工作，電機(jī)正常工作）；HTML源文件存放在外部U盤（或SD卡）上，便于修改。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，在AVR32 UC3上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接和USB文件系統(tǒng)，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的連接，通過USB協(xié)議讀寫U盤中的網(wǎng)頁(yè)文件?？勺鳛橐蕴W(wǎng)的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都可通過標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議對(duì)其進(jìn)行連接控制，傳輸命令或數(shù)據(jù)。將該系統(tǒng)配上溫濕度傳感器后實(shí)際測(cè)量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給計(jì)算機(jī)，可獲得現(xiàn)場(chǎng)溫濕度。配上相關(guān)外設(shè)，在計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)絡(luò)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。

圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

硬件平臺(tái)擬選用AVR32 EVK1100。

資源配置：以太網(wǎng)端口用于接入以太網(wǎng)，USB2.0接口用于讀取U盤網(wǎng)頁(yè)文件，USART用于相關(guān)外設(shè)的串行通信，光敏電阻、溫/濕度傳感器、AD等用于前端信號(hào)采集，LED、繼電器、電機(jī)等用于后端控制演示。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖中我們可以清晰地了解整個(gè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及各部分的連接。首先最重要的部分是調(diào)用lwIP TCP/IP Stack來實(shí)現(xiàn)AVR32 UC3與Internet的通信，接受用戶的請(qǐng)求并根據(jù)Http Request（）的返回值通過Http Response（）來與用戶進(jìn)行交互，例如顯示時(shí)間、溫濕度或者控制LED燈的亮滅。

下圖是簡(jiǎn)化了的Web服務(wù)器原理圖，服務(wù)器的事物邏輯部分是嵌入式Web服務(wù)器的核心部分，它根據(jù)不同的Http Socket來讀取U盤上的HTML源文件或其他外設(shè)的輸入值，來響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

圖3 Web服務(wù)器原理圖

USB協(xié)議和文件系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)U盤（或SD卡）讀寫。U盤（或SD卡）及文件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中僅次于嵌入式Web服務(wù)器的重要模塊，它主要用來存放Web服務(wù)器管理員編寫的HTML源文件，提供給Web服務(wù)器來響應(yīng)用戶的請(qǐng)求。U盤（或SD卡）的讀寫可以利用AVR32 UC3上的USB Host來方便的實(shí)現(xiàn)。并且Atmel 公司提供的文件系統(tǒng)的庫(kù)函數(shù)的支持，更加方便了U盤（或SD卡）及文件系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)。其示意性原理框圖如圖4所示：

圖4USB協(xié)議和文件系統(tǒng)示意性原理框圖

傳感器、LCD、串口通信、控制信號(hào)輸出。同時(shí)AVR32 EVK1100 板上的LCD用來顯示系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接信息以及傳感器的輸入值。網(wǎng)絡(luò)連接信息不僅包括當(dāng)前IP地址，網(wǎng)關(guān)等基本網(wǎng)絡(luò)信息，還包含了當(dāng)前用戶連接數(shù)，用戶的Web請(qǐng)求等。管理者可以根據(jù)這些基本的信息來判斷當(dāng)前Web服務(wù)器的工作狀態(tài)，以及系統(tǒng)錯(cuò)誤的檢查。

LCD顯示內(nèi)容示意圖如圖5所示：

圖5 LCD顯示內(nèi)容示意圖
?

其次，傳感器主要用于測(cè)量當(dāng)前系統(tǒng)所處環(huán)境的各種參數(shù)，比如溫度，濕度等。測(cè)量的數(shù)據(jù)一方面送到LCD顯示；另一方面送到Web服務(wù)器的事物邏輯控制中心以響應(yīng)用戶的Web請(qǐng)求。而LED控制部分則接受來自系統(tǒng)的控制信號(hào)以控制LED燈的亮或滅。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

圖6程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果?

實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，能夠提供用戶通過Internet 訪問并控制相關(guān)外設(shè)。具體如下所示：

1. 當(dāng)上電或復(fù)位后系統(tǒng)配置能夠自動(dòng)設(shè)置好，開始正常工作；

2. 網(wǎng)絡(luò)連接通過板卡上的Ethernet 接口實(shí)現(xiàn)，并且相關(guān)的IP地址，子網(wǎng)掩碼（Subnet mask），網(wǎng)關(guān)（Gateway）等網(wǎng)絡(luò)配置能夠通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)；

3. HTML源文件存放在外部U盤（或SD卡）上，方便用戶修改；

4. 信息采集正常工作，控制輸出正常工作；

5.相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息（如IP地址，子網(wǎng)掩碼（Subnet mask），網(wǎng)關(guān)（Gateway）等）及外設(shè)信息（如溫度，濕度，光照強(qiáng)度等）顯示在LCD上。