环保达人速速围观：打造一款实用多功能环保小天使并不难，全套软硬件解决方案来了

一、项目概述

1.1 引言

进入21世纪以来，随着全球气候变暖和环境污染及生态不断恶化，各种自然灾害频发，给人类带来了巨大的生态和经济损失。世界各国的人们纷纷意识到保护环境，珍惜资源的重要性和必要性。

一方面，世界各国政府为解决环境问题，出台了大量政策法规，加大环保宣传，努力提高人们的环保意识。倡导人们积极行动起来，从自己做起，从自己身边的每一件小事做起，节约资源，保护环境；鼓励企业、公司、学校和家庭购买节能家电，倡导低碳、节能、绿色、环保型生活方式，共同为解决世界环境问题做贡献。

另一方面，随着半导体产业的迅猛发展，进入后PC时代，先进的电子技术和智能科技在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。利用这些先进科技，改善人们的生活条件，提高人们的生活质量势在必行。先进的半导体制作工艺所带来的高性能、低功耗、绿色无污染MCU，也是解决世界环境问题的必然之选。

1.2 项目背景/选题动机

鉴于上述引言所述，作为当代大学生的我们，是未来的接班人，理应负起责任，利用自己在学校所学的科学知识为解决世界环境问题做出自己应有的一份贡献。

通过我们对自己周围人们日常生活的关注和调查，发现：由于国家和社会的大力宣传，尽管现在大多数人都具有一定的环保意识，但是在大家的日常生活中真正做到低碳、节能、绿色、环保的还比较少。这主要是由于一直的生活习惯和缺乏具体的环保知识所致。

基于以上分析，我们设计了一个智能电子设备——基于EVK1100的实用多功能环保小天使，意在提高人们的日常环保意识，并结合MCU的强大功能和丰富的外设资源，切实解决一些人们日常生活中的能源浪费问题。详细的功能设计方案，请见下文。

二、需求分析

2.1 功能要求

我们的设计以节能环保为主，同时充分利用所选器件MCU的丰富外设功能，设计了多项日常生活必备的实用功能，以智能、友好的方式在提高人们生活质量的同时提高人们的环保意识，增强大家的环保理念。具体功能要求如下：

以友好的方式（网络互动），宣传环保知识，提高人们的环保意识；

解决日常生活中由于离开时忘记关台灯和夏天空调温度过低等造成的电能浪费问题；

家用小电器，PDA、游戏机、手机、MP4、数码相机等可以通过USB供电（或充电）设备的智能管理，以期进一步减少电能浪费；

提供强大的网络互联功能（包括有线无线方式），实现远程家庭监测；

提供实用的日历时间，备忘录，闹钟，电子防盗锁等功能；

2.2 性能要求

本方案的设计中为了实现低碳、节能、绿色、环保，在选择器件时，我们将充分考虑一下性能要求：

高集成度；

低功耗；

智能实时高效；

强大的网络互联性；

实用性。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）

根据前面的需求分析，我们选用EVK1100 Demo Board作为本设计的主控核心，其板载高性能AVR32 AT32UC3A单片机控制器，外围有光线和温度传感器以及丰富的扩展IO，以此为基础，我们设计本方案的系统硬件结构框图，如下图1所示：

图1、系统硬件结构框图

简述其中各模块功能原理如下：

1、AT32UC3A单片机完成系统的整体控制，该MCU内部具有512K的片上Flash和64K的片上SDRAM，可以顺利运行移植好的FreeOS嵌入式操作系统，EVK1100 Demo Board板载的8M B data Flash和32MB的SDRAM可以为网络互联和高速大容量数据处理提供代码存储和处理缓存。

另外，利用AT32UC3A单片机丰富外设接口资源与外围各种传感器进行连接，以获得环境数据并做出响应以及完成远程网络互联功能。

该MCU具有高达1.49 DMIPS / MHz的系统性能和低功耗以及丰富的片上外设资源是本系统设计主控芯片的不二选择。

2、光线和温度传感器模块完成对室内光照和温度数据的实时采集，主控MCU通过ADC获得该数据后于设置的工作光强和温度参数做比较分析，然后通过语音模块发出相应的语音提示，提醒用户控制台灯等照明设备的开关、亮度调节以及夏天室内空调的控制，从而实现节省电能的目的。

3、移动设备（手机、MP4，数码相机等）充电检测与控制模块完成家用小电器，PDA、游戏机、手机、MP4、数码相机等可以通过USB供电（或充电）设备的智能管理，通过监测这些设备的充电过程，当充电完成后及时通过语音模块语音提示用户拔掉USB，以进一步减少电能浪费；

4、Ethernet模块通过接入以太网，完成有线互联功能，以实现环保宣传资料的实时更新以及与远程监控摄像头一起家庭的远程实时监控，提高家庭安全。

5、AT86RF212和USB2.0接口用于无线通信和高速本地数据传输以及为USB设备供电，其中AT86RF212的另一重要功能在于实现功能要求中的电子锁，当启用电子锁功能后，系统的AT86RF212芯片与锁定对象之间每个30s进行一次无线通信，以确定锁定目标在安全范围之内，一旦保护目标被盗，及时通过语音提示用户或者通过Ethernet模块向远程在线用户发出警报。

6、另外、系统结构框图中4X4功能参数设置键盘和Char LCD(4X20)模块以及语音模块一起为整个设计提供了一个良好的人机交互界面，使得整个系统的使用更加友好和人性化。其中键盘用于各种功能参数的设置，LCD用于各种显示和提示，语音模块除了前面提到的各种功能外，还负责系统最根本的任务——宣传环保知识。

7、整个设计由System Power模块高效的开关电源提供电能，从而进一步降低系统功耗，实现真正的绿色节能高效环保理念。

系统的日历时间、备忘录，闹钟功能由AT32UC3A片上外设RTC提供实时时钟完成。

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台：EVK1100 Demo Board + AT86RF212无线通信芯片

EVK1100是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。它配备一系列丰富的外设、内存，并且可充分开发AVR32设备的全部潜能。

资源配置：

支持AT32UC3A（512KB 片上Flash和64KB SRAM）

板载8MB data Flash和32MB SDRAM

以太网端口

传感器：光照、温度、电位器

4x20蓝色LCD（PWM变频背光）

JTAG连接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。

3.3系统软件架构

整个系统的软件部分全部在大赛主委会推荐使用ATMEL官方开发工具AVR Studio 5集成开发环境中完成，由于系统基于FreeOS嵌入式操作系统完成，个外围模块电路的驱动以FreeOS的进程或者任务方式完成。在完成FreeOS在AVR32 AT32UC3A单片机上的移植并熟悉该操作系统的基础上，编写整个系统的功能软件代码将是一件非常轻松的事情，我们采用模块化程序设计思想，先将各模块测试程序调试通过，最后再集成系统功能。

故而，系统软件设计的难点和关键在于网络协议的移植及系统软硬件联调上。但是，相信借助大赛组委会提供的AVR Dragon调试器，系统软件的调试会变得容易得多。

3.4 系统软件流程（除图片外需有文字介绍）

整个系统功能基于FreeOS嵌入式操作系统实现，具体的完整的系统软件流程图设计如下图2所示。

系统软件流程设计依据前面的硬件设计进行。

在Ethernet网络通信部分，我们将首先完成轻量级TCP/IP协议栈lwip的移植，在此基础上，组建系统有线通信网络；

无线通信芯片AT86RF212与AT32UC3A单片机之间的通信以4线SPI加中断方式进行，平时AT86RF212工作于低功耗的监听状态，一旦接收到数据，则经过IO中断唤醒，并向主控MCU——AT32UC3A发出中断请求。

另外，系统设计中的系统参数设置功能也是有4X4矩阵键盘经IO中断方式完成，这样不但能够提高作品的响应速度，而且有利于系统集成，提高系统的可靠性。

图2、程序运行流程图

3.5 系统预计实现结果

实现需求分析提出的各项功能要求，并确保系统功能正常、稳定、可靠。