如何使用SIGFOX技术在接物联网中添加无线传感器节点

物联网（IoT）面临的最大挑战之一是能够轻松且经济高效地添加无线传感器节点。无线链路需要低功率，以便节点可以在单个硬币单元上运行多年，但是具有长距离，以便数千个节点可以连接到网关以收集数据。

是一项重大挑战。法国SIGFOX开发了一种低功耗无线电协议，网络实施和云计算基础设施，可用于连接数百万台低功耗无线设备。低功耗协议与类似于蜂窝电话系统的网关网络相结合，但与蜂窝网络上的机器对机器应用不同，SIGFOX网络专用于物联网应用，如健康或能源监控，温度和湿度传感或安全传感器监测。

SIGFOX针对这些应用的低数据速率单向方面优化了其网络实施。网络支持从节点到网关的速率为100 bit/s，数据传输限制为每天140次。这仍然足以用于监控应用，但是例如允许电能表以仅50微瓦的链路功率预算而不是蜂窝网络的1瓦特来操作。专注于上传还允许将网关的设计转移到具有更灵敏的接收器，该接收器可以处理来自数千个节点的数据。

图1 ：Atmel的ATA8520-EK3-E套件为物联网（IoT）的SIGFOX网络提供简单，低功耗的访问。

使这成为可能的协议和识别码嵌入到低 - 来自Atmel的8位AVR ®微控制器，结合了868 MHz频段的无线收发器，可在欧洲使用。 SIGFOX协议每小时发送一份数据电报，以尽可能长时间地保持无线节点的电池寿命，并且该电报由SIGFOX网关接收。该公司已经使用一系列频率在欧洲，亚洲和美国推出其网络，以确保无线节点可以轻松连接到网关。这种在868 MHz免许可频段内的操作和+14.5 dBm的发射功率允许在农村地区长达40公里的范围，或在建筑物限制范围的城市中为1至3公里。

使用差分二进制相移键控（DBPSK）调制，网络已针对长距离和低功耗进行了优化。这是一种高效，稳健的调制方案，每个符号携带一位，不需要载波恢复。编码的稳健性允许长距离，并且简单性有助于保持低功耗，因为它可以由8位处理器处理。虽然它不适合高数据速率应用，但100位/秒的数据速率非常适合长距离，低功耗的无线传感器节点应用，并定期更新少量数据。

Atmel的ATA8520-EK3-E套件使用SIGFOX协议栈进行预编程，该协议栈在功耗优化的8位AVR控制器中实现DBPSK编码。它还包括用于向SIGFOX注册套件的PAC注册代码以及添加到每个数据电报前面的ID代码。代码可在套件的PCB上获得，用户需要注册SIGFOX云帐户并使用此数据注册设备。该套件包括为期一年的SIGFOX铂金级订阅，支持欧洲套件的ETSI版本，每天最多140条上行链路消息和设备，每天最多四条下行链路消息和设备。该套件不支持下行链路，因为它用于查询无线节点和无线软件更新。

图2： Atmel的ATA8520-EK3-E板上的引脚

电路板需要通过电池或外部电源供电，电压为3.0 V至3.3 V，50 mA。此电源必须以正确的极性连接到连接器X1（图2），因为没有防止错误连接的保护。电源电压范围为1.9 V至3.6 V和2.4 V至5.5 V，可提供符合SIGFOX标准的3 V±5％和3.3 V至5.5 V电源范围。

微控制器包括闪存中的应用程序，用于读取电路板上温度传感器的输出并控制SIGFOX网络上的传输。这要求SIGFOX基站在射程范围内捕获RF报文。

一旦工具包上电，应用程序就会运行。它们以1小时的间隔通过SIGFOX网络传输温度和电池电压值。发送报文时红色LED闪烁七到八次。

此外，按下SW1按钮可触发传输（图2）。

该套件包括快速入门指南和用户指南，PCB的原理图，布局和Gerber数据，以便客户可以自己制作电路板，以及控制器的源代码。

用于开发其他应用程序或添加新应用程序该套件还包括一个AVR调试器，该调试器使用JTAGICE3或Atmel ICE接口连接到电路板。这可以与Atmel的Studio 6开发环境以及源代码一起使用。

该套件经过预编程和温度校准，可在室温（24°C）下运行，但可以在更宽的温度下使用温度范围为-20°C至+ 55°C。

电路板的核心是ATA8520片上系统（图3）。它有三个主要部分：RF前端，数字基带和处理协议和传感器接口的低功耗8位AVR微控制器，全部采用5 x 5 mm QFN32封装，间距为0.5 mm为了便于制造和测试。

图3：Atmel的ATA8520将RF前端，数字基带和8位控制器与SIGFOX协议栈预先结合在一起 - 在闪存中编程。

无线电前端在芯片上使用闭环小数N分频调制器锁相环（PLL）与外部晶振相结合来固定Tx频率。该晶体的精确负载电容集成在芯片中，以减少系统部件数量和成本。这意味着只需要四个电源阻塞电容来解耦Avcc，Dvcc，Vcc和Vs_PA（功率放大器）引脚上的不同电源电压（如图4所示）。

设计的关键要素对于物联网应用而言，低电流消耗。该设备在报文发送期间使用32.7 mA，最大范围为+14.5 dBm TX输出功率，如果可接受较低范围，则可以降低。当设备未从传感器发送或接收数据时，它将进入睡眠模式。这通常消耗5 nA以提供较长的电池寿命，3 V时的最大电流消耗为600 nA。

图4显示了如何通过连接SPI引脚SCK，MOSI，MISO和NSS来使用外部控制器。这些功能由AVR控制器上运行的内部固件定义，该控制器接受SPI命令来控制设备并启动数据电报传输。电报传输结束通过引脚28上的外部微控制器发出信号。

图4：添加外部微控制器以访问SPI控制线Atmel的ATA8520。

使用该板的一个关键因素是所有PWRon和NPWRon引脚（PC1-5，PB4和PB7）在OFF模式下都有效。这意味着即使器件处于OFF模式并且Dvcc电压关闭，芯片内的电源管理电路也会使用电压源Vs对这些引脚进行偏置。这意味着端口可用作按钮输入，LED驱动器，EVENT引脚，通用数字输入或唤醒输入。

连接电源电压后，芯片始终在OFF模式下启动内部电路与电源断开。这意味着不支持SPI通信，因此通过激活PWRon引脚或其中一个NPWRonx引脚唤醒器件。这会触发上电序列，将事件线PB6设置为低电平并初始化系统，使器件处于空闲模式。这通常需要10 ms才能支持SPI命令并且可以传输数据。

传输模式（TX模式）使用已使用SPI命令写入传输缓冲区的有效负载数据启动数据传输“写TX缓冲区”。使用SPI命令“发送帧”启动数据传输。发送操作大约需要7秒钟，并在EVENT信号上产生一个事件，PB6引脚在完成时切换为低电平。然后，设备再次回到空闲模式以最小化功耗，并且数据在SIGFOX服务器上可用。

结论

组合8位控制器和无线电收发器提供了将无线传感器连接到SIGFOX网络的简化方法。该系统可以像在网络中添加新设备一样轻松扩展，ATA8520-EK3-E板和ATA8520片上系统的组合可以快速，低功耗地添加新节点。