TCP/IP-Stacks immer und immer wieder selbst auf Controllern implementieren finde ich lästig. Wenn es schon sein muss, dann ist der Prozessor entweder aus anderen Gründen schon so fett (ARM), dass es mit offener Software erledigt werden kann - ein nettes Eval-Board gäbe dann zB ein WRT-Router von Linksys ab, oder man nimmt ein entsprechendes Modul, was sich mit geringer Stromaufnahme aber auch nicht so recht vereinbaren lässt.
Ich habe mal was mit einem XPort bauen müssen, ganz nett für die Anbindung, aber auch eine kleine Heizung (0,7W?)
Zur Problemstellung ansich: sind die 0-5V von den Sensoren bereits linearisiert? Wenn nicht, solltest Du lieber in Richtung 10-12bit denken, je nach Messbereich und Auflösung. Ansonsten dürfte der ADC eines der aktuellen ATmega allemal reichen, an den SPI-Bus kommt dann der auch schon erwähnte Dataflash und schon ist der Datenlogger fertig.
Ich habe einen ATmega8 als PI(D)-Regler für eine Ladesteuerung mit Maximum Power Point Tracking (Solar) vorgesehen, gemessen werden Panel- und Akkuspannung sowie Lade- und Entladestrom, ein PWM-Ausgang erzeugt zunächst eine Gleichspannung, die dann wiederum einen etwas zweckentfremdet eingesetzten Schaltnetzteil-PWM-Controller steuert (Oszillator und MOSFET-Treiber mit Strombegrenzung in einem, was will man mehr).
Die Lade- und Entladedaten werden kontinuierlich geloggt (Dataflash von Atmel am SPI), die Uhrzeit kommt per I2C von einem PCF8583.