如何使用SIGFOX技术连接物联网?

　　物联网(物联网)最重要的挑战之一是能够方便地增加无线传感器节点，并有效地增加成本。无线链路需要低功耗，这样节点就可以在单个硬币单元上运行数年，而且还有很长的距离，这样数千个节点就可以连接到网关来收集数据。

　　这是一个重大的挑战。法国的西格福克斯公司开发了一种低功耗的无线电协议、网络实现和云计算基础设施，这些基础设施可以用来连接数百万个低功率的无线设备。低功耗协议与一个类似于蜂窝电话系统的网关网络相结合，但与在蜂窝网络上的机器对机器应用不同，SIGFOX网络致力于IoT应用程序，如健康或能源监测、温度和湿度传感或安全传感器监控。

　　SIGFOX为这些应用程序的低数据率单向方面优化了其网络实现。该网络支持从节点到网关的100位/s的速率，数据传输限制为每天140次。这仍然足够用于监控应用程序，但允许使用能量计，例如，使用仅50微瓦的链路功率预算，而不是蜂窝网络的一瓦特。关注上传也允许将网关的设计转换为更敏感的接收器，可以处理来自数千个节点的数据。

　　Atmel的ATA8520-EK3-E工具包为物联网提供了简单、低功放的权限。

　　图1:阿特梅尔的ATA8520-EK3-E工具包为物联网(物联网)提供了一个简单的、低功放的方法。

　　使这一切成为可能的协议和识别代码嵌入到一个低功耗8位AVR®从Atmel单片机相结合的无线收发器868 MHz乐队在欧洲使用。SIGFOX协议每小时发送一份数据电报，以保证无线节点的电池寿命尽可能长，这封电报是由SIGFOX网关接收的。该公司已经在欧洲、亚洲和美国推广其网络，使用频率范围来确保无线节点可以轻松连接到网关。该行动在868 MHz无牌频带和+14.5 dBm的传输功率允许范围在农村地区40公里或1至3公里的城市中，建筑物限制范围。

　　利用差分二元相移键控(DBPSK)调制，对网络进行了长范围、低功耗的优化。这是一种高效、鲁棒的调制方案，每一个符号都带有一个比特，不需要载波恢复。编码的健壮性允许长范围的使用，而简单性有助于保持低功耗，因为它可以由8位处理器来处理。虽然它不适用于高数据率的应用程序，但100位/秒的数据率非常适合于长范围、低功率的无线传感器节点应用程序，并定期更新少量数据。

　　Atmel的ATA8520-EK3-E组件由SIGFOX协议栈预编程序，该协议栈实现了DBPSK编码在一个电源优化的8位AVR控制器中。它还包括PAC注册代码，以注册带有SIGFOX的工具包和添加到每个数据电报前端的ID代码。这些代码在工具包的PCB上可用，用户需要注册一个SIGFOX云帐户，并使用该数据来注册设备。该工具包包括一年的SIGFOX白金级订阅，支持欧洲版的ETSI版本，每天多达140个上行消息和设备，每天最多有4个下线消息和设备。该工具不支持下行链路，因为它用于查询无线节点和无线软件更新。

　　ATA8520-EK3-E板上的大头针。

　　图2:Atmel的ATA8520-EK3-E板上的大头针。

　　董事会需要提供动力，无论是电池还是外部电源，3.0 V到3.3 V, 50 mA。此电源必须与正确的极性连接到连接器X1(图2)，因为没有对错误连接的保护。电源电压范围1.9 V至3.6 V和3.6 V至5.5 V提供SIGFOX兼容的供应范围的3 V±5%和3.3 V至5.5 V。

　　微控制器包括在闪存上的应用程序，读取温度传感器在板上的输出，并控制SIGFOX网络上的传输。这就需要一个SIGFOX基站来捕获射频电报。

　　一旦设备启动，应用程序就开始运行。这些信号通过SIGFOX网络每小时间隔发送温度和电池电压值。当电报发出时，红色的LED灯闪烁7至8次。

　　此外，可以通过按SW1按钮触发传输(图2)。

　　该工具包包括一个快速入门指南和用户指南，用于PCB的示意图、布局和Gerber数据，以便客户可以自己制作，以及控制器的源代码。

　　为了开发附加的应用程序或添加新的传感器，该工具包还包括使用JTAGICE3或Atmel ICE接口的AVR调试器。这可以与Atmel的Studio 6开发环境以及源代码一起使用。

　　工具包是预先编程和温度校准操作在室温下(24°C),但可以用于更广泛的温度范围从-20°C + 55°C。

　　董事会的核心是ATA8520 soc(图3)。这三个主要部分:射频前端,数字基带和低功耗8位AVR单片机处理协议和传感器的接口,所有在一个5 x 5毫米QFN32包和螺距0.5毫米制造和测试很容易。

　　ATA8520系统芯片结合了射频前端，数字基带和8bit控制器，与SIGFOX协议栈预先编程在闪存。

　　图3:Atmel的ATA8520结合了一个射频前端，数字基带和8位控制器和SIGFOX协议栈预先编程在闪存。

　　无线电前端使用了一个闭环的分光- n调制器锁相环(PLL)与一个外部晶体结合，以固定Tx频率。该晶片的精确负载电容器集成到芯片中，以减少系统部件的数量和成本。这意味着只有4个供应阻塞电容器，以解耦Avcc、Dvcc、Vcc和Vs_PA(功率放大器)引脚的不同供应电压(如图4所示)。

　　IoT应用程序设计的一个关键元素是低电流消耗。该设备使用32.7 mA，在电报传输时，以+14.5 dBm TX输出功率为最大范围，如果可以接受较低的范围，则可以减少。当设备没有传输或接收来自传感器的数据时，它被置于睡眠模式。这通常消耗5na，以提供一个长电池寿命，最大电流消耗600 nA at 3 V。

　　图4显示了如何使用外部控制器连接SPI pin SCK、MOSI、MISO和NSS。这些函数由运行在AVR控制器上的内部固件定义，该控制器接受SPI命令来控制设备并启动数据电报传输。在第28针的外部单片机上，信号传输结束。

　　在ATA8520上添加一个外部微控制器来访问SPI控制线。

　　图4:添加一个外部微控制器来访问Atmel的ATA8520上的SPI控制线。

　　使用该板的一个关键因素是，所有PWRon和NPWRon引脚(PC1-5、PB4和PB7)都处于关闭状态。这意味着,即使该设备在模式和培训、电压关闭,电源管理电路芯片内偏见这些针与电压源与这意味着港口可以用作按钮输入,领导的司机,事件销,通用数字输入,或唤醒输入。

　　在连接电源电压后，芯片总是以OFF模式启动，所有内部电路都与电源断开连接。这意味着没有支持SPI通信，所以通过**PWRon pin或NPWRonx大头针来唤醒设备。这将触发power-on序列，该序列将事件行PB6设置为低并初始化系统，使设备处于空闲模式。这通常需要10 ms，然后才能支持SPI命令，并传输数据。

　　传输模式(TX模式)使用已写入传输缓冲区的有效负载数据开始数据传输，并使用SPI命令“写入TX缓冲区”。数据传输是从SPI命令“发送帧”开始的。传输操作大约需要7秒，并在事件信号上用pin PB6在完成时切换到低。然后，该设备又回到空闲模式，以最小化功耗，并且在SIGFOX服务器上提供数据。

　　结论

　　将8位控制器和无线电收发器相结合的单片机提供了一种将无线传感器连接到SIGFOX网络的简化方法。该系统将像在网络中添加新设备一样容易扩展，ATA8520- ek3 - e板和ATA8520系统芯片的组合提供了一个快速和低功率的方式来添加新节点。