EVK1105和UC/OS-II操作系統(tǒng)自主能量開發(fā)解析

　　一、項(xiàng)目概述
　　1.1 引言
　　該系統(tǒng)基于EVK1105平臺(tái)和UC/OS操作系統(tǒng)進(jìn)行制作和開發(fā)，以太陽(yáng)能和振動(dòng)能量作為系統(tǒng)主要的能量來(lái)源，并通過(guò)低功耗的電路實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的理念。系統(tǒng)所有電源提供的電能用來(lái)提供給一個(gè)音樂(lè)播放器（MP3），該播放器以無(wú)線雙向通信方式與耳機(jī)連接，并且支持多用戶同時(shí)利用該播放器聽(tīng)不同的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)多用戶的播放功能。
　　1.2 項(xiàng)目背景
　　1.2.1 新能源技術(shù)
　　隨著世界能源危機(jī)的不斷發(fā)展，以及科學(xué)進(jìn)步的不斷進(jìn)步，石油、煤和天然氣等這些礦物資源不再是人類唯一的能量來(lái)源。人類意識(shí)到礦產(chǎn)資源的有限性以及地球本身的巨大能源潛力。環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、開發(fā)新能源日益成為全球科技工作者共同關(guān)注的問(wèn)題，同時(shí)這一目標(biāo)和思想也深入到了所有人的意識(shí)當(dāng)中。
　　在面對(duì)能源危機(jī)最初的階段中，人們?cè)噲D通過(guò)減少人類活動(dòng)中的能量消耗（即低功耗）的方法來(lái)解決能源，于是產(chǎn)生了一系列方案，例如：對(duì)工廠、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能源管理的各種條例進(jìn)行了整合；在運(yùn)輸領(lǐng)域引進(jìn)節(jié)能方案；強(qiáng)化對(duì)建筑物的節(jié)能管理；生產(chǎn)節(jié)能冰箱、汽車等日用產(chǎn)品。
　　但是一味地減少能源消耗的方法是不足的，因此人類開始開發(fā)新能源以彌補(bǔ)礦產(chǎn)能源不足所帶來(lái)的能源危機(jī)，其中，這些能源包括：核能、太陽(yáng)能、水力、風(fēng)能、廢棄物發(fā)電、海洋熱能、生物發(fā)電、綠色能源汽車、燃料電池等。這些新能源的開發(fā)在一定程度上緩解了對(duì)礦產(chǎn)能源的消耗。之后，隨著科技的不斷發(fā)展，又產(chǎn)生了人工光合作用固定二氧化碳、利用化學(xué)物質(zhì)的生物分解技術(shù)、再生能源技術(shù)、化石燃料應(yīng)用技術(shù)、能源輸送與儲(chǔ)存技術(shù)、系統(tǒng)化技術(shù)、基礎(chǔ)性節(jié)能技術(shù)、高效與革新性能源技術(shù)、環(huán)境技術(shù)等一系列專門的技術(shù)。
　　由此可見(jiàn)，節(jié)約能源成為當(dāng)今能源使用的一大主題，并且與之相關(guān)的各種科學(xué)技術(shù)也越來(lái)越受廣泛關(guān)注。
　　1.2.2 太陽(yáng)能采集技術(shù)
　　太陽(yáng)能作為一種重要的新型能源，在目前的新能源開發(fā)進(jìn)程中有著廣泛的應(yīng)用和很好的利用價(jià)值。太陽(yáng)能是可再生能源，取之不盡，用之不竭，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算，地球獲得的太陽(yáng)發(fā)出的能量可達(dá)173000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/㎡，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/㎡，相當(dāng)于有102000TW 的能量。
　　同時(shí)，太陽(yáng)能在能源技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用。除了太陽(yáng)能熱水器、光生物利用、光化學(xué)分解等用途之外，太陽(yáng)能也大范圍地被運(yùn)用到發(fā)電之中。目前太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，已獲得應(yīng)用的主要有以下兩種。
　　1、光—熱—電轉(zhuǎn)換。即利用太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。前一過(guò)程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過(guò)程為熱—電轉(zhuǎn)換。
　　2、光—電轉(zhuǎn)換。其基本原理是利用“光生伏打”效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它的基本裝置是太陽(yáng)能電池。
　　太陽(yáng)能電池的基本原理是由半導(dǎo)體硅材料構(gòu)成P-N結(jié)，并制作成太陽(yáng)能電池。當(dāng)光線照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。
　　因此，利用發(fā)展較為成熟的太陽(yáng)能技術(shù)成為該項(xiàng)目的一個(gè)重要部分。
　　1.2.3 振動(dòng)能量采集技術(shù)
　　振動(dòng)能量采集技術(shù)作為一種新型的能量采集方式，現(xiàn)在正越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，并且逐漸得到應(yīng)用。在熱電、光電和振動(dòng)等多種新型能源中，振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換效率最高，而現(xiàn)在的微處理器和傳感器的低功耗化，也使振動(dòng)能量更加有用武之地。
　　目前，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)逐漸趨于成熟，主要的方式有以下幾種：
　　1、最傳統(tǒng)的做法：和大型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組相似，利用電磁感應(yīng)原理，將磁鐵懸掛在線圈中，系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電能。
　　2、壓電轉(zhuǎn)換方式。使用壓電元件，施加壓力后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)電壓，從而將振動(dòng)能變成電能。該元件雖然作為檢測(cè)壓力的傳感器已得到廣泛使用，但是隨著能量采集技術(shù)的發(fā)展，壓電元件被賦予了全新的用途。
　　1.2.4 音樂(lè)播放器技術(shù)
　　MP3既指一種數(shù)字音樂(lè)，也指一種音頻壓縮技術(shù)，即將原來(lái)的音頻壓縮成很小的音樂(lè)文件，正是這種小型文件形式的誕生，使得人們的日常生活發(fā)生了一次革命性的變化。
　　從第一款硬盤式的MP3開始（可以支持MP3、WMA和MAV三種格式），一直到如今的中文觸摸式MP3以及拍照MP3的誕生，MP3作為一種音樂(lè)播放器，其音質(zhì)和可以支持的音樂(lè)文件格式以及存儲(chǔ)空間的大小都有了很大程度的發(fā)展。
　　因此，日漸成熟的MP3技術(shù)也成為項(xiàng)目組提出該方案的一個(gè)重要背景。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　該系統(tǒng)為一個(gè)可以通過(guò)太陽(yáng)能和振動(dòng)采集能量的多用戶播放器，即通過(guò)太陽(yáng)能和振動(dòng)采集能量，并同時(shí)有進(jìn)行多用戶通道的音樂(lè)播放功能。圍繞這樣的總體系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)具有以下各個(gè)功能：
　　2.1.1 能量采集
　　1、太陽(yáng)能采集
　　系統(tǒng)自帶的太陽(yáng)能板可在有光的情況下不斷為系統(tǒng)提供電能。在播放的同時(shí)可以將播放器放在太陽(yáng)下進(jìn)行充電，在不使用的時(shí)候也可以在陽(yáng)光下進(jìn)行充電，并將電能儲(chǔ)存在電池中，以便以后使用。
　　2、振動(dòng)能量采集
　　利用振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)用戶帶著播放器走路或者跑步的時(shí)候，可將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，給播放器供電或儲(chǔ)存在電池中，方便以后使用。
　　2.1.2 播放器功能
　　1、多用戶播放
　　該系統(tǒng)中加入多用戶播放功能，即同一臺(tái)播放器可以同時(shí)滿足不同用戶的需要。通過(guò)多個(gè)通道，播放器可以為多個(gè)不同的用戶播放他們各自所選擇的歌曲。這一功能打破了音樂(lè)播放器只能進(jìn)行單首歌曲播放的限制，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)分享同一臺(tái)音樂(lè)播放器。
　　2、無(wú)線雙向通信
　　該系統(tǒng)中加入了無(wú)線的雙向通信功能，主要用于播放器與用戶使用的耳機(jī)之間的通信。這樣用戶可以在室內(nèi)活動(dòng)的時(shí)候，可以將播放器的主體部分放到陽(yáng)臺(tái)、院子這種可以充分接收到陽(yáng)關(guān)的地方以獲得更多的能量，而只把小巧輕便的耳機(jī)帶在身上。考慮到用戶可能需要隨時(shí)對(duì)播放器的播放狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，因此該系統(tǒng)的無(wú)線雙向通信是必須的，因?yàn)樵陔p向通信的前提下，用戶可以不用借助播放器，而只在耳機(jī)上就可以完成換歌、調(diào)節(jié)音量等工作。
　　3、低功耗，節(jié)電
　　除了高效的能量采集裝置，對(duì)于系統(tǒng)本身還設(shè)計(jì)了較強(qiáng)的低功耗的節(jié)電功能。
　　在硬件方面，除了采用的EVK1105平臺(tái)的低功耗特點(diǎn)，在外設(shè)的選用，如用戶耳機(jī)，遙控器等器件，均采用CMOS器件以減少整體的功率消耗。
　　在軟件方面，加入系統(tǒng)睡眠功能。因?yàn)橄到y(tǒng)不需要不停的運(yùn)作，當(dāng)系統(tǒng)處于等待用戶觸發(fā)的時(shí)間里自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)用戶需要使用播放器時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的人為控制就會(huì)引起軟件上的中斷觸發(fā)，使得系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，以此來(lái)降低系統(tǒng)功耗。
　　4、液晶顯示
　　該系統(tǒng)吸收了傳統(tǒng)的音樂(lè)播放器的優(yōu)點(diǎn)：利用液晶顯示器將播放器的播放狀態(tài)，如歌曲、音量和歌詞等信息顯示出來(lái)，讓用戶可以實(shí)時(shí)了解到系統(tǒng)的狀態(tài)，以便根據(jù)自己的喜好和需要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
　　5、輔助尋找
　　該系統(tǒng)針對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的不便設(shè)計(jì)了相關(guān)的人性化功能。人們?cè)谏钪薪?jīng)常會(huì)遇到找不到手機(jī)，手表等這種便攜式產(chǎn)品。因此，當(dāng)用戶只帶著耳機(jī)而把播放器放到某個(gè)地方充電的時(shí)候，就可能會(huì)出現(xiàn)難以找到播放器的情況，為了防止這種情況的出現(xiàn)，該系統(tǒng)加入了輔助尋找功能，用戶只需按下耳機(jī)上的尋找按鈕，播放器就會(huì)發(fā)出聲音應(yīng)答，方便尋找。反過(guò)來(lái)，如果用戶找不到耳機(jī)的時(shí)候，就可以按下播放器上的尋找按鈕來(lái)找尋耳機(jī)。