物聯(lián)網(wǎng)（IoT）面臨的最大挑戰(zhàn)之一是能夠輕松且經(jīng)濟(jì)高效地添加無線傳感器節(jié)點(diǎn)。無線鏈路需要低功率，以便節(jié)點(diǎn)可以在單個(gè)硬幣單元上運(yùn)行多年，但是具有長(zhǎng)距離，以便數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接到網(wǎng)關(guān)以收集數(shù)據(jù)。

是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。法國(guó)SIGFOX開發(fā)了一種低功耗無線電協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)實(shí)施和云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，可用于連接數(shù)百萬臺(tái)低功耗無線設(shè)備。低功耗協(xié)議與類似于蜂窩電話系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，但與蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用不同，SIGFOX網(wǎng)絡(luò)專用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如健康或能源監(jiān)控，溫度和濕度傳感或安全傳感器監(jiān)測(cè)。

SIGFOX針對(duì)這些應(yīng)用的低數(shù)據(jù)速率單向方面優(yōu)化了其網(wǎng)絡(luò)實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)支持從節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的速率為100 bit/s，數(shù)據(jù)傳輸限制為每天140次。這仍然足以用于監(jiān)控應(yīng)用，但是例如允許電能表以僅50微瓦的鏈路功率預(yù)算而不是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的1瓦特來操作。專注于上傳還允許將網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到具有更靈敏的接收器，該接收器可以處理來自數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖1 ：Atmel的ATA8520-EK3-E套件為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的SIGFOX網(wǎng)絡(luò)提供簡(jiǎn)單，低功耗的訪問。

使這成為可能的協(xié)議和識(shí)別碼嵌入到低 - 來自Atmel的8位AVR ?微控制器，結(jié)合了868 MHz頻段的無線收發(fā)器，可在歐洲使用。 SIGFOX協(xié)議每小時(shí)發(fā)送一份數(shù)據(jù)電報(bào)，以盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持無線節(jié)點(diǎn)的電池壽命，并且該電報(bào)由SIGFOX網(wǎng)關(guān)接收。該公司已經(jīng)使用一系列頻率在歐洲，亞洲和美國(guó)推出其網(wǎng)絡(luò)，以確保無線節(jié)點(diǎn)可以輕松連接到網(wǎng)關(guān)。這種在868 MHz免許可頻段內(nèi)的操作和+14.5 dBm的發(fā)射功率允許在農(nóng)村地區(qū)長(zhǎng)達(dá)40公里的范圍，或在建筑物限制范圍的城市中為1至3公里。

使用差分二進(jìn)制相移鍵控（DBPSK）調(diào)制，網(wǎng)絡(luò)已針對(duì)長(zhǎng)距離和低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。這是一種高效，穩(wěn)健的調(diào)制方案，每個(gè)符號(hào)攜帶一位，不需要載波恢復(fù)。編碼的穩(wěn)健性允許長(zhǎng)距離，并且簡(jiǎn)單性有助于保持低功耗，因?yàn)樗梢杂?位處理器處理。雖然它不適合高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，但100位/秒的數(shù)據(jù)速率非常適合長(zhǎng)距離，低功耗的無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，并定期更新少量數(shù)據(jù)。

Atmel的ATA8520-EK3-E套件使用SIGFOX協(xié)議棧進(jìn)行預(yù)編程，該協(xié)議棧在功耗優(yōu)化的8位AVR控制器中實(shí)現(xiàn)DBPSK編碼。它還包括用于向SIGFOX注冊(cè)套件的PAC注冊(cè)代碼以及添加到每個(gè)數(shù)據(jù)電報(bào)前面的ID代碼。代碼可在套件的PCB上獲得，用戶需要注冊(cè)SIGFOX云帳戶并使用此數(shù)據(jù)注冊(cè)設(shè)備。該套件包括為期一年的SIGFOX鉑金級(jí)訂閱，支持歐洲套件的ETSI版本，每天最多140條上行鏈路消息和設(shè)備，每天最多四條下行鏈路消息和設(shè)備。該套件不支持下行鏈路，因?yàn)樗糜诓樵儫o線節(jié)點(diǎn)和無線軟件更新。

圖2： Atmel的ATA8520-EK3-E板上的引腳

電路板需要通過電池或外部電源供電，電壓為3.0 V至3.3 V，50 mA。此電源必須以正確的極性連接到連接器X1（圖2），因?yàn)闆]有防止錯(cuò)誤連接的保護(hù)。電源電壓范圍為1.9 V至3.6 V和2.4 V至5.5 V，可提供符合SIGFOX標(biāo)準(zhǔn)的3 V±5％和3.3 V至5.5 V電源范圍。

微控制器包括閃存中的應(yīng)用程序，用于讀取電路板上溫度傳感器的輸出并控制SIGFOX網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。這要求SIGFOX基站在射程范圍內(nèi)捕獲RF報(bào)文。

一旦工具包上電，應(yīng)用程序就會(huì)運(yùn)行。它們以1小時(shí)的間隔通過SIGFOX網(wǎng)絡(luò)傳輸溫度和電池電壓值。發(fā)送報(bào)文時(shí)紅色LED閃爍七到八次。

此外，按下SW1按鈕可觸發(fā)傳輸（圖2）。

該套件包括快速入門指南和用戶指南，PCB的原理圖，布局和Gerber數(shù)據(jù)，以便客戶可以自己制作電路板，以及控制器的源代碼。

用于開發(fā)其他應(yīng)用程序或添加新應(yīng)用程序該套件還包括一個(gè)AVR調(diào)試器，該調(diào)試器使用JTAGICE3或Atmel ICE接口連接到電路板。這可以與Atmel的Studio 6開發(fā)環(huán)境以及源代碼一起使用。

該套件經(jīng)過預(yù)編程和溫度校準(zhǔn)，可在室溫（24°C）下運(yùn)行，但可以在更寬的溫度下使用溫度范圍為-20°C至+ 55°C。

電路板的核心是ATA8520片上系統(tǒng)（圖3）。它有三個(gè)主要部分：RF前端，數(shù)字基帶和處理協(xié)議和傳感器接口的低功耗8位AVR微控制器，全部采用5 x 5 mm QFN32封裝，間距為0.5 mm為了便于制造和測(cè)試。

圖3：Atmel的ATA8520將RF前端，數(shù)字基帶和8位控制器與SIGFOX協(xié)議棧預(yù)先結(jié)合在一起 - 在閃存中編程。

無線電前端在芯片上使用閉環(huán)小數(shù)N分頻調(diào)制器鎖相環(huán)（PLL）與外部晶振相結(jié)合來固定Tx頻率。該晶體的精確負(fù)載電容集成在芯片中，以減少系統(tǒng)部件數(shù)量和成本。這意味著只需要四個(gè)電源阻塞電容來解耦A(yù)vcc，Dvcc，Vcc和Vs_PA（功率放大器）引腳上的不同電源電壓（如圖4所示）。

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，低電流消耗。該設(shè)備在報(bào)文發(fā)送期間使用32.7 mA，最大范圍為+14.5 dBm TX輸出功率，如果可接受較低范圍，則可以降低。當(dāng)設(shè)備未從傳感器發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，它將進(jìn)入睡眠模式。這通常消耗5 nA以提供較長(zhǎng)的電池壽命，3 V時(shí)的最大電流消耗為600 nA。

圖4顯示了如何通過連接SPI引腳SCK，MOSI，MISO和NSS來使用外部控制器。這些功能由AVR控制器上運(yùn)行的內(nèi)部固件定義，該控制器接受SPI命令來控制設(shè)備并啟動(dòng)數(shù)據(jù)電報(bào)傳輸。電報(bào)傳輸結(jié)束通過引腳28上的外部微控制器發(fā)出信號(hào)。

圖4：添加外部微控制器以訪問SPI控制線Atmel的ATA8520。

使用該板的一個(gè)關(guān)鍵因素是所有PWRon和NPWRon引腳（PC1-5，PB4和PB7）在OFF模式下都有效。這意味著即使器件處于OFF模式并且Dvcc電壓關(guān)閉，芯片內(nèi)的電源管理電路也會(huì)使用電壓源Vs對(duì)這些引腳進(jìn)行偏置。這意味著端口可用作按鈕輸入，LED驅(qū)動(dòng)器，EVENT引腳，通用數(shù)字輸入或喚醒輸入。

連接電源電壓后，芯片始終在OFF模式下啟動(dòng)內(nèi)部電路與電源斷開。這意味著不支持SPI通信，因此通過激活PWRon引腳或其中一個(gè)NPWRonx引腳喚醒器件。這會(huì)觸發(fā)上電序列，將事件線PB6設(shè)置為低電平并初始化系統(tǒng)，使器件處于空閑模式。這通常需要10 ms才能支持SPI命令并且可以傳輸數(shù)據(jù)。

傳輸模式（TX模式）使用已使用SPI命令寫入傳輸緩沖區(qū)的有效負(fù)載數(shù)據(jù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸“寫TX緩沖區(qū)”。使用SPI命令“發(fā)送幀”啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送操作大約需要7秒鐘，并在EVENT信號(hào)上產(chǎn)生一個(gè)事件，PB6引腳在完成時(shí)切換為低電平。然后，設(shè)備再次回到空閑模式以最小化功耗，并且數(shù)據(jù)在SIGFOX服務(wù)器上可用。

結(jié)論

組合8位控制器和無線電收發(fā)器提供了將無線傳感器連接到SIGFOX網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化方法。該系統(tǒng)可以像在網(wǎng)絡(luò)中添加新設(shè)備一樣輕松擴(kuò)展，ATA8520-EK3-E板和ATA8520片上系統(tǒng)的組合可以快速，低功耗地添加新節(jié)點(diǎn)。