基于网络的数据采集与控制系统轻松实现 - 全文

一、项目概述

1.1 引言

计算机和网络技术的迅速发展，引发了控制领域深刻的技术革命。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。过去大量的浩如烟海的8/16位单片机的嵌入式设备，如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化等的实时应用，已经到了享受网络方便的时候了。它们将成为Internet 的发展沃土，顺应“网络服务”向“网络应用”扩展的大潮。

1.2 项目背景/选题动机

目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以单片机为核心，与一些控制设备配合实现一定的功能。如果嵌入式系统能够连接到Internet 这个信息流通渠道，则可以方便、低廉地将信息送到世界上任何一个地方，这将形成集管理与控制于一体的分布式网络系统。要做到这一点并不难，在电子技术、传感技术已经高度发达的今天，现场数据的取得，已经不是难事，温度、压力、湿度、速度、加速度、电流、电压这些数据只需要一个小小的嵌入式系统就可解决。另外，以太网（Ethernet）协议已经广泛地应用于各种计算机网络，基于以太网的嵌入式系统也正在不断向前发展。

二、需求分析

2.1 功能要求

实现一个以AVR32 UC3为核心的可移植并且高度可配置的基于网络的数据采集与控制系统。该系统具有结构简单、通用性强、通过Internet进行通信、使用灵活、性价比高等优点，适配各种智能传感器并具有较强的扩展能力，该系统可用于现在流行的物联网的各个方面，例如，传感器网络监控（污染源实时监控，无线环保数据采集），工业机器监控（工业自动化，智能家居系统），远程信息交互（远程医疗，远程教育）等应用领域。

系统总体架构图如图1。

图1系统总体架构图

2.2 性能要求

利用该系统，用户能够通过Internet 访问并控制相关外设。当系统上电或复位后相关配置能够自动设置好，在10秒钟内开始正常工作；网络连接通过板卡上的 Ethernet 接口实现，相关的IP地址，子网掩码（Subnet mask），网关（Gateway）等网络配置通过DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自动实现并显示在LCD上；信息采集正常工作（温湿度误差小于0.1%），控制输出正常工作（LED实现3级亮度调节，继电器正常工作，电机正常工作）；HTML源文件存放在外部U盘（或SD卡）上，便于修改。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

基于网络的数据采集与控制系统，在AVR32 UC3上实现以太网连接和USB文件系统，通过TCP/IP协议实现以太网的连接，通过USB协议读写U盘中的网页文件。可作为以太网的一个独立系统，网络上的任何一台计算机都可通过标准的TCP/IP协议对其进行连接控制，传输命令或数据。将该系统配上温湿度传感器后实际测量工业现场温湿度，然后通过网络传输给计算机，可获得现场温湿度。配上相关外设，在计算机上通过网络可对现场进行控制。

图2系统硬件结构框图

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台拟选用AVR32 EVK1100。

资源配置：以太网端口用于接入以太网，USB2.0接口用于读取U盘网页文件，USART用于相关外设的串行通信，光敏电阻、温/湿度传感器、AD等用于前端信号采集，LED、继电器、电机等用于后端控制演示。

3.3系统软件架构

TCP/IP协议实现网络连接。

从系统硬件结构框图中我们可以清晰地了解整个硬件系统的结构以及各部分的连接。首先最重要的部分是调用lwIP TCP/IP Stack来实现AVR32 UC3与Internet的通信，接受用户的请求并根据Http Request（）的返回值通过Http Response（）来与用户进行交互，例如显示时间、温湿度或者控制LED灯的亮灭。

下图是简化了的Web服务器原理图，服务器的事物逻辑部分是嵌入式Web服务器的核心部分，它根据不同的Http Socket来读取U盘上的HTML源文件或其他外设的输入值，来响应用户的请求，这是整个系统的基础。

图3 Web服务器原理图

USB协议和文件系统

实现U盘（或SD卡）读写。U盘（或SD卡）及文件系统是整个系统中仅次于嵌入式Web服务器的重要模块，它主要用来存放Web服务器管理员编写的HTML源文件，提供给Web服务器来响应用户的请求。U盘（或SD卡）的读写可以利用AVR32 UC3上的USB Host来方便的实现。并且Atmel 公司提供的文件系统的库函数的支持，更加方便了U盘（或SD卡）及文件系统模块的实现。其示意性原理框图如图4所示：

图4USB协议和文件系统示意性原理框图

传感器、LCD、串口通信、控制信号输出。同时AVR32 EVK1100 板上的LCD用来显示系统的网络连接信息以及传感器的输入值。网络连接信息不仅包括当前IP地址，网关等基本网络信息，还包含了当前用户连接数，用户的Web请求等。管理者可以根据这些基本的信息来判断当前Web服务器的工作状态，以及系统错误的检查。

LCD显示内容示意图如图5所示：

图5 LCD显示内容示意图
 

其次，传感器主要用于测量当前系统所处环境的各种参数，比如温度，湿度等。测量的数据一方面送到LCD显示；另一方面送到Web服务器的事物逻辑控制中心以响应用户的Web请求。而LED控制部分则接受来自系统的控制信号以控制LED灯的亮或灭。

3.4 系统软件流程

图6程序运行流程图

3.4 系统预计实现结果 

实现一个基于网络的数据采集与控制系统，能够提供用户通过Internet 访问并控制相关外设。具体如下所示：

1. 当上电或复位后系统配置能够自动设置好，开始正常工作；

2. 网络连接通过板卡上的Ethernet 接口实现，并且相关的IP地址，子网掩码（Subnet mask），网关（Gateway）等网络配置能够通过DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自动实现；

3. HTML源文件存放在外部U盘（或SD卡）上，方便用户修改；

4. 信息采集正常工作，控制输出正常工作；

5.相关的网络信息（如IP地址，子网掩码（Subnet mask），网关（Gateway）等）及外设信息（如温度，湿度，光照强度等）显示在LCD上。