一、項目概述

1.1 引言

計算機和網絡技術的迅速發展，引發了控制領域深刻的技術革命。控制系統結構向網絡化、開放性方向發展將是控制系統技術發展的主要潮流。過去大量的浩如煙海的8/16位單片機的嵌入式設備，如儀器儀表、數據采集和顯示、過程控制、工業自動化、家庭自動化等的實時應用，已經到了享受網絡方便的時候了。它們將成為Internet 的發展沃土，順應“網絡服務”向“網絡應用”擴展的大潮。

1.2 項目背景/選題動機

目前大多數嵌入式系統還處于單獨應用的階段，以單片機為核心，與一些控制設備配合實現一定的功能。如果嵌入式系統能夠連接到Internet 這個信息流通渠道，則可以方便、低廉地將信息送到世界上任何一個地方，這將形成集管理與控制于一體的分布式網絡系統。要做到這一點并不難，在電子技術、傳感技術已經高度發達的今天，現場數據的取得，已經不是難事，溫度、壓力、濕度、速度、加速度、電流、電壓這些數據只需要一個小小的嵌入式系統就可解決。另外，以太網（Ethernet）協議已經廣泛地應用于各種計算機網絡，基于以太網的嵌入式系統也正在不斷向前發展。

二、需求分析

2.1 功能要求

實現一個以AVR32 UC3為核心的可移植并且高度可配置的基于網絡的數據采集與控制系統。該系統具有結構簡單、通用性強、通過Internet進行通信、使用靈活、性價比高等優點，適配各種智能傳感器并具有較強的擴展能力，該系統可用于現在流行的物聯網的各個方面，例如，傳感器網絡監控（污染源實時監控，無線環保數據采集），工業機器監控（工業自動化，智能家居系統），遠程信息交互（遠程醫療，遠程教育）等應用領域。

系統總體架構圖如圖1。

圖1系統總體架構圖

2.2 性能要求

利用該系統，用戶能夠通過Internet 訪問并控制相關外設。當系統上電或復位后相關配置能夠自動設置好，在10秒鐘內開始正常工作；網絡連接通過板卡上的 Ethernet 接口實現，相關的IP地址，子網掩碼（Subnet mask），網關（Gateway）等網絡配置通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自動實現并顯示在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實現3級亮度調節，繼電器正常工作，電機正常工作）；HTML源文件存放在外部U盤（或SD卡）上，便于修改。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

基于網絡的數據采集與控制系統，在AVR32 UC3上實現以太網連接和USB文件系統，通過TCP/IP協議實現以太網的連接，通過USB協議讀寫U盤中的網頁文件。可作為以太網的一個獨立系統，網絡上的任何一臺計算機都可通過標準的TCP/IP協議對其進行連接控制，傳輸命令或數據。將該系統配上溫濕度傳感器后實際測量工業現場溫濕度，然后通過網絡傳輸給計算機，可獲得現場溫濕度。配上相關外設，在計算機上通過網絡可對現場進行控制。

圖2系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺擬選用AVR32 EVK1100。

資源配置：以太網端口用于接入以太網，USB2.0接口用于讀取U盤網頁文件，USART用于相關外設的串行通信，光敏電阻、溫/濕度傳感器、AD等用于前端信號采集，LED、繼電器、電機等用于后端控制演示。

3.3系統軟件架構

TCP/IP協議實現網絡連接。

從系統硬件結構框圖中我們可以清晰地了解整個硬件系統的結構以及各部分的連接。首先最重要的部分是調用lwIP TCP/IP Stack來實現AVR32 UC3與Internet的通信，接受用戶的請求并根據Http Request（）的返回值通過Http Response（）來與用戶進行交互，例如顯示時間、溫濕度或者控制LED燈的亮滅。

下圖是簡化了的Web服務器原理圖，服務器的事物邏輯部分是嵌入式Web服務器的核心部分，它根據不同的Http Socket來讀取U盤上的HTML源文件或其他外設的輸入值，來響應用戶的請求，這是整個系統的基礎。

圖3 Web服務器原理圖

USB協議和文件系統