一、項目概述
　　1.1 引言
　　進入21世紀以來，隨著全球氣候變暖和環(huán)境污染及生態(tài)不斷惡化，各種自然災害頻發(fā)，給人類帶來了巨大的生態(tài)和經濟損失。世界各國的人們紛紛意識到保護環(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。倡導人們積極行動起來，從自己做起，從自己身邊的每一件小事做起，節(jié)約資源，保護環(huán)境；鼓勵企業(yè)、公司、學校和家庭購買節(jié)能家電，倡導低碳、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。
　　另一方面，隨著半導體產業(yè)的迅猛發(fā)展，進入后PC時代，先進的電子技術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。利用這些先進科技，改善人們的生活條件，提高人們的生活質量勢在必行。先進的半導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 項目背景/選題動機
　　鑒于上述引言所述，作為當代大學生的我們，是未來的接班人，理應負起責任，利用自己在學校所學的科學知識為解決世界環(huán)境問題做出自己應有的一份貢獻。
　　通過我們對自己周圍人們日常生活的關注和調查，發(fā)現：由于國家和社會的大力宣傳，盡管現在大多數人都具有一定的環(huán)保意識，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慣和缺乏具體的環(huán)保知識所致。
　　基于以上分析，我們設計了一個智能電子設備——基于EVK1100的實用多功能環(huán)保小天使，意在提高人們的日常環(huán)保意識，并結合MCU的強大功能和豐富的外設資源，切實解決一些人們日常生活中的能源浪費問題。詳細的功能設計方案，請見下文。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　我們的設計以節(jié)能環(huán)保為主，同時充分利用所選器件MCU的豐富外設功能，設計了多項日常生活必備的實用功能，以智能、友好的方式在提高人們生活質量的同時提高人們的環(huán)保意識，增強大家的環(huán)保理念。具體功能要求如下：
　　以友好的方式（網絡互動），宣傳環(huán)保知識，提高人們的環(huán)保意識；
　　解決日常生活中由于離開時忘記關臺燈和夏天空調溫度過低等造成的電能浪費問題；
　　家用小電器，PDA、游戲機、手機、MP4、數碼相機等可以通過USB供電（或充電）設備的智能管理，以期進一步減少電能浪費；
　　提供強大的網絡互聯(lián)功能（包括有線無線方式），實現遠程家庭監(jiān)測；
　　提供實用的日歷時間，備忘錄，鬧鐘，電子防盜鎖等功能；
　　2.2 性能要求
　　本方案的設計中為了實現低碳、節(jié)能、綠色、環(huán)保，在選擇器件時，我們將充分考慮一下性能要求：
　　高集成度；
　　低功耗；
　　智能實時高效；
　　強大的網絡互聯(lián)性；
　　實用性。
　　三、方案設計
　　3.1 系統(tǒng)功能實現原理（除圖片外需有文字介紹）
　　根據前面的需求分析，我們選用EVK1100 Demo Board作為本設計的主控核心，其板載高性能AVR32AT32UC3A單片機控制器，外圍有光線和溫度傳感器以及豐富的擴展IO，以此為基礎，我們設計本方案的系統(tǒng)硬件結構框圖，如下圖1所示：
　　
　　圖1、系統(tǒng)硬件結構框圖
　　簡述其中各模塊功能原理如下：
　　1、AT32UC3A單片機完成系統(tǒng)的整體控制，該MCU內部具有512K的片上Flash和64K的片上SDRAM，可以順利運行移植好的FreeOS嵌入式操作系統(tǒng)，EVK1100 Demo Board板載的8M B data Flash和32MB的SDRAM可以為網絡互聯(lián)和高速大容量數據處理提供代碼存儲和處理緩存。
　　另外，利用AT32UC3A單片機豐富外設接口資源與外圍各種傳感器進行連接，以獲得環(huán)境數據并做出響應以及完成遠程網絡互聯(lián)功能。
　　該MCU具有高達1.49 DMIPS / MHz的系統(tǒng)性能和低功耗以及豐富的片上外設資源是本系統(tǒng)設計主控芯片的不二選擇。
　　2、光線和溫度傳感器模塊完成對室內光照和溫度數據的實時采集，主控MCU通過ADC獲得該數據后于設置的工作光強和溫度參數做比較分析，然后通過語音模塊發(fā)出相應的語音提示，提醒用戶控制臺燈等照明設備的開關、亮度調節(jié)以及夏天室內空調的控制，從而實現節(jié)省電能的目的。
　　3、移動設備（手機、MP4，數碼相機等）充電檢測與控制模塊完成家用小電器，PDA、游戲機、手機、MP4、數碼相機等可以通過USB供電（或充電）設備的智能管理，通過監(jiān)測這些設備的充電過程，當充電完成后及時通過語音模塊語音提示用戶拔掉USB，以進一步減少電能浪費；
　　4、Ethernet模塊通過接入以太網，完成有線互聯(lián)功能，以實現環(huán)保宣傳資料的實時更新以及與遠程監(jiān)控攝像頭一起家庭的遠程實時監(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數據傳輸以及為USB設備供電，其中AT86RF212的另一重要功能在于實現功能要求中的電子鎖，當啟用電子鎖功能后，系統(tǒng)的AT86RF212芯片與鎖定對象之間每個30s進行一次無線通信，以確定鎖定目標在安全范圍之內，一旦保護目標被盜，及時通過語音提示用戶或者通過Ethernet模塊向遠程在線用戶發(fā)出警報。
　　6、另外、系統(tǒng)結構框圖中4X4功能參數設置鍵盤和Char LCD（4X20）模塊以及語音模塊一起為整個設計提供了一個良好的人機交互界面，使得整個系統(tǒng)的使用更加友好和人性化。其中鍵盤用于各種功能參數的設置，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，還負責系統(tǒng)最根本的任務——宣傳環(huán)保知識。
　　7、整個設計由System Power模塊高效的開關電源提供電能，從而進一步降低系統(tǒng)功耗，實現真正的綠色節(jié)能高效環(huán)保理念。
　　系統(tǒng)的日歷時間、備忘錄，鬧鐘功能由AT32UC3A片上外設RTC提供實時時鐘完成。
　　3.2 硬件平臺選用及資源配置
　　硬件平臺：EVK1100 Demo Board + AT86RF212無線通信芯片
　　EVK1100是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發(fā)系統(tǒng)。它配備一系列豐富的外設、內存，并且可充分開發(fā)AVR32設備的全部潛能。
　　資源配置：
　　支持AT32UC3A（512KB 片上Flash和64KB SRAM）
　　板載8MB data Flash和32MB SDRAM
　　以太網端口
　　傳感器：光照、溫度、電位器
　　4x20藍色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
　　整個系統(tǒng)的軟件部分全部在大賽主委會推薦使用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，個外圍模塊電路的驅動以FreeOS的進程或者任務方式完成。在完成FreeOS在AVR32 AT32UC3A單片機上的移植并熟悉該操作系統(tǒng)的基礎上，編寫整個系統(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計思想，先將各模塊測試程序調試通過，最后再集成系統(tǒng)功能。
　　故而，系統(tǒng)軟件設計的難點和關鍵在于網絡協(xié)議的移植及系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調上。但是，相信借助大賽組委會提供的AVR Dragon調試器，系統(tǒng)軟件的調試會變得容易得多。
　　3.4 系統(tǒng)軟件流程（除圖片外需有文字介紹）
　　整個系統(tǒng)功能基于FreeOS嵌入式操作系統(tǒng)實現，具體的完整的系統(tǒng)軟件流程圖設計如下圖2所示。
　　系統(tǒng)軟件流程設計依據前面的硬件設計進行。
　　在Ethernet網絡通信部分，我們將首先完成輕量級TCP/IP協(xié)議棧lwip的移植，在此基礎上，組建系統(tǒng)有線通信網絡；
　　無線通信芯片AT86RF212與AT32UC3A單片機之間的通信以4線SPI加中斷方式進行，平時AT86RF212工作于低功耗的監(jiān)聽狀態(tài)，一旦接收到數據，則經過IO中斷喚醒，并向主控MCU——AT32UC3A發(fā)出中斷請求。
　　另外，系統(tǒng)設計中的系統(tǒng)參數設置功能也是有4X4矩陣鍵盤經IO中斷方式完成，這樣不但能夠提高作品的響應速度，而且有利于系統(tǒng)集成，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　圖2、程序運行流程圖
　　3.5 系統(tǒng)預計實現結果
　　實現需求分析提出的各項功能要求，并確保系統(tǒng)功能正常、穩(wěn)定、可靠。
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