基于LPC1100的温度检测网络节点设计

摘要：基于NXP公司LPC1100系列处理器设计了一种温度检测网络节点。介绍了网络系统的整个设计方案和温度检测网络节点的硬件设计，并给出功耗管理、温度传感器和ZigBee三个软件模块的具体软件设计方法。
关键词：LPC1100；功耗；温度传感器；LCD；CC2500；ZigBee

引言
    Cortex-MO是32位ARM处理器中一款低功耗、小体积的处理器。它完美地融合了超低功耗、较高效率和低门数等优势，这些特性决定了它适合作为无线传感器网络节点的处理器。本文介绍一种基于LPC1114设计一个温度检测网络节点的方案。

1 温度检测系统简介
    一个温度检测无线网络由若干个温度检测节点组成，各个温度检测节点之间使用无线传感器通信。所有的温度检测节点使用ZigBee技术组成一个无线网络。各个节点的功能包括采集温度，并通过ZigBee网络发送出去。本系统采用TI公司提供的精简版本的ZigBee协议中的Simp-liciTI协议来组建一个星型网络。网络由一个访问接入节点(AP)和若干个终端节点(ED)组成。其中，AP相当于全功能设备，负责建立整个网络，并接收ED端采集的温度信息。所有温度检测节点都使用电池设备供电。

2 温度检测节点的硬件设计
    温度检测节点主要由LPC1100系列处理器(这里使用的是LPC1114)、温度传感器、ZigBee模块、LCD显示屏等组成，如图1所示。温度传感器使用National Semiconductor公司的I2C接口的LM75，ZigBee模块使用TI公司的SPI接口的CC2500芯片，LCD显示屏使用LCD1602字符显示屏幕。整个节点使用电池设备供电，考虑到功耗的因素，LCD屏采用插槽设计，不需要显示的部分节点可以不连接LCD。除以上各主要部分外，还有一些可选的单元，例如UART串口、通用I／0接口的LED、按键、蜂鸣器BEEP等。

3 温度检测节点的软件设计
    温度检测节点的功能如下：
    ◆通过设置定时器来定期地检测温度，并在LCD上显示当前的温度值；
    ◆将检测到的温度值通过ZigBee模块发送出去；
    ◆当温度过高时，蜂鸣器长鸣一定时间报警；
    ◆温度检测和发送之外时间，节点处于睡眠模式；
    ◆定时器每隔1 s将处理器唤醒一次，进行温度检测和传送。
    根据这些功能，将整个温度节点的软件划分为如下几个模块：功耗管理模块、LCD模块、温度传感器模块、ZigBee模块。
    本节将重点介绍功耗管理模块、温度传感器模块和ZigBee模块。
3．1 功耗管理模块
    LPC1100系列芯片的功耗管理有3种模式，即睡眠模式、深度睡眠模式、深度掉电模式。
3．1．1 3种模式的进入和退出
    3种模式的进入和退出方式如表1所列。

3．1．2 三种模式的区别
    在睡眠模式下，如果软件中提供外设时钟，则外设功能在睡眠模式下仍然可以执行，而且可以产生中断来引起处理器恢复运行。在深度睡眠模式下，用户可以配置深度睡眠时的掉电模块以及唤醒后的上电模块。在这两种睡眠模式下，处理器状态、寄存器、外设寄存器、内部SRAM值被保持，引脚的逻辑电平也不变。深度睡眠使用13个唤醒中断来唤醒，其优势在于用户可以关闭时钟发生模块，从而比睡眠模式降低更多的动态功耗。
    在深度掉电模式下，除了WAKEUP引脚外，整个芯片上的电源和时钟都关闭，SRAM中的内容也不能保持，但是可以使用4个通用的寄存器保存数据。若想在深度掉电模式下把芯片唤醒，必须通过外部连接部件给WAKEUP引脚接上一个低电平。
3．1．3 选择睡眠模式
    本系统中，温度检测节点的主要功能是每间隔一定时间检测一次温度，故在采集温度的间隔期内使芯片进入睡眠模式。当需要采集温度时，通过一个定时器中断将其唤醒。例如，每间隔1 s采集一次温度，采集温度并发送后设置一个定时器中断，然后调用WFI指令使芯片处于睡眠模式。为了便于观察，设置一个LED灯闪烁以指示采集温度的频率。同时，如果检测到温度过高，则使用蜂鸣器报警。如果连接了液晶屏幕，也可在液晶屏幕上显示温度值。
    main函数中的主要代码如下：

    调用WFI指令后程序就停止运行，等到定时器中断发生后就可以将处理器唤醒，程序接着运行WFI指令后的代码。定时器中断的代码如下：

3．2 温度传感器模块
    温度传感器LM75使用标准的I2C接口。本节点中，LPC1114与LM75的硬件接口如图2所示。

    LM75的地址线A0～A2都接地，0S引脚悬空，故本节点仅仅使用其基本的温度测量功能。LM75内部有5个寄存器：指针寄存器、配置寄存器、温度寄存器、温度设定寄存器和温度滞后寄存器。通过指针寄存器来选择其余4个寄存器进行操作。本节点主要是读取温度寄存器中的温度值，温度寄存器中高9位值为有效的温度值。该寄存器读出的值是以二进制补码的格式给出的，其LSB(最低有效位)每一个单位表示0.5℃，例如+0．5℃对应001H。其可表示的范围为-55～+125℃。
    在使用该温度传感器时，需要调用以下两个API函数：

3．3 ZigBee模块
    本节点的ZigBee模块使用T1公司的CC2500芯片，使用SimpliciTI协议来组建网络。其硬件连接如图3所示。

    在使用CC2500时，首先需要配置LPC1114的SPI各个引脚。另外，还需要将引脚GD00与GDO1配置为MCU中断，用来控制收发网络数据包。再按照CC2500的初始化时序来初始化CC2500芯片，然后交给上层的组网函数去调用。CC2500的初始化步骤如下：
    ①与MCU相连的SPI接口初始化；
    ②SCLK=1，SI=O；
    ③CSn=0；
    ④CSn-1，延时40μs；
    ⑤CSn=0；
    ⑥等待S0引脚变低；
    ⑦在SI引脚上发命令SRES；
    ⑧等待SO引脚再次变低。
    此时如果能正常地读写相应寄存器，则表示CC2500初始化成功。
    CC2500初始化成功后，需要配置CC2500的寄存器，以及设置数据包的收发中断。由于CC2500寄存器较多，请参考CC2500官方网站的参考代码。数据包的收发中断是根据配置寄存器的值来控制的。通过设置这些寄存器的值，可将GDO0、GDO1配置为收发数据。这里，配置IOCFG0寄存器的值为0x6，即在开始接收或者发送一个数据包时，在GDO0引脚产生一个高电平跳变；接收或者发送完后，再变回低电平。因此，将GDO0引脚即PIO2_5配置为输入引脚，上升沿中断。代码如下所示：

    此时，如果发送或者接收到数据，就可以产生中断。如果是接收数据，则在中断处理函数PIOINT2-IRQHan-dler中就必须调用一个接收函数。
    还有一些涉及到底层通信的地方需要修改，例如：

    将底层与硬件相关的函数都修改好后，就可以使用上层的组网函数了。CC2500组网API函数主要包括如下几个函数：

    进行组网时需要先调用SMPL_Init进行初始化，然后根据节点的功能来调用SMPL_Link或者SMPL_LinkListen函数组成一个无线网络。最后调用SMPL_Receive以及SMPL_Send函数就可以收发数据了。

结语
    本文介绍了一种基于LPC1114的温度检测网络节点设计方法。LPC1114芯片具有低功耗和高性能的特色，加上标准的I2C、SSP等接口，为很多标准接口部件的移植提供了方便。I2C接口的温度传感器，也可以替换成I2C接口的湿度传感器、气敏传感器等，以建立一个基于ZigBee的无线传感器网络。该设计方案对无线环境监控网络、无线抄表网络等无线传感器网络中的节点设计具有一定参考价值。