物聯網（IoT）面臨的最大挑戰之一是能夠輕松且經濟高效地添加無線傳感器節點。無線鏈路需要低功率，以便節點可以在單個硬幣單元上運行多年，但是具有長距離，以便數千個節點可以連接到網關以收集數據。

是一項重大挑戰。法國SIGFOX開發了一種低功耗無線電協議，網絡實施和云計算基礎設施，可用于連接數百萬臺低功耗無線設備。低功耗協議與類似于蜂窩電話系統的網關網絡相結合，但與蜂窩網絡上的機器對機器應用不同，SIGFOX網絡專用于物聯網應用，如健康或能源監控，溫度和濕度傳感或安全傳感器監測。

SIGFOX針對這些應用的低數據速率單向方面優化了其網絡實施。網絡支持從節點到網關的速率為100 bit/s，數據傳輸限制為每天140次。這仍然足以用于監控應用，但是例如允許電能表以僅50微瓦的鏈路功率預算而不是蜂窩網絡的1瓦特來操作。專注于上傳還允許將網關的設計轉移到具有更靈敏的接收器，該接收器可以處理來自數千個節點的數據。

圖1 ：Atmel的ATA8520-EK3-E套件為物聯網（IoT）的SIGFOX網絡提供簡單，低功耗的訪問。

使這成為可能的協議和識別碼嵌入到低 - 來自Atmel的8位AVR ?微控制器，結合了868 MHz頻段的無線收發器，可在歐洲使用。 SIGFOX協議每小時發送一份數據電報，以盡可能長時間地保持無線節點的電池壽命，并且該電報由SIGFOX網關接收。該公司已經使用一系列頻率在歐洲，亞洲和美國推出其網絡，以確保無線節點可以輕松連接到網關。這種在868 MHz免許可頻段內的操作和+14.5 dBm的發射功率允許在農村地區長達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。

使用差分二進制相移鍵控（DBPSK）調制，網絡已針對長距離和低功耗進行了優化。這是一種高效，穩健的調制方案，每個符號攜帶一位，不需要載波恢復。編碼的穩健性允許長距離，并且簡單性有助于保持低功耗，因為它可以由8位處理器處理。雖然它不適合高數據速率應用，但100位/秒的數據速率非常適合長距離，低功耗的無線傳感器節點應用，并定期更新少量數據。

Atmel的ATA8520-EK3-E套件使用SIGFOX協議棧進行預編程，該協議棧在功耗優化的8位AVR控制器中實現DBPSK編碼。它還包括用于向SIGFOX注冊套件的PAC注冊代碼以及添加到每個數據電報前面的ID代碼。代碼可在套件的PCB上獲得，用戶需要注冊SIGFOX云帳戶并使用此數據注冊設備。該套件包括為期一年的SIGFOX鉑金級訂閱，支持歐洲套件的ETSI版本，每天最多140條上行鏈路消息和設備，每天最多四條下行鏈路消息和設備。該套件不支持下行鏈路，因為它用于查詢無線節點和無線軟件更新。

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），因為沒有防止錯誤連接的保護。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標準的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用程序，用于讀取電路板上溫度傳感器的輸出并控制SIGFOX網絡上的傳輸。這要求SIGFOX基站在射程范圍內捕獲RF報文。

一旦工具包上電，應用程序就會運行。它們以1小時的間隔通過SIGFOX網絡傳輸溫度和電池電壓值。發送報文時紅色LED閃爍七到八次。

此外，按下SW1按鈕可觸發傳輸（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數據，以便客戶可以自己制作電路板，以及控制器的源代碼。

用于開發其他應用程序或添加新應用程序該套件還包括一個AVR調試器，該調試器使用JTAGICE3或Atmel ICE接口連接到電路板。這可以與Atmel的Studio 6開發環境以及源代碼一起使用。

該套件經過預編程和溫度校準，可在室溫（24°C）下運行，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（圖3）。它有三個主要部分：RF前端，數字基帶和處理協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為了便于制造和測試。

圖3：Atmel的ATA8520將RF前端，數字基帶和8位控制器與SIGFOX協議棧預先結合在一起 - 在閃存中編程。

無線電前端在芯片上使用閉環小數N分頻調制器鎖相環（PLL）與外部晶振相結合來固定Tx頻率。該晶體的精確負載電容集成在芯片中，以減少系統部件數量和成本。這意味著只需要四個電源阻塞電容來解耦Avcc，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）。

設計的關鍵要素對于物聯網應用而言，低電流消耗。該設備在報文發送期間使用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。當設備未從傳感器發送或接收數據時，它將進入睡眠模式。這通常消耗5 nA以提供較長的電池壽命，3 V時的最大電流消耗為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控制器上運行的內部固件定義，該控制器接受SPI命令來控制設備并啟動數據電報傳輸。電報傳輸結束通過引腳28上的外部微控制器發出信號。

圖4：添加外部微控制器以訪問SPI控制線Atmel的ATA8520。

使用該板的一個關鍵因素是所有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電壓關閉，芯片內的電源管理電路也會使用電壓源Vs對這些引腳進行偏置。這意味著端口可用作按鈕輸入，LED驅動器，EVENT引腳，通用數字輸入或喚醒輸入。

連接電源電壓后，芯片始終在OFF模式下啟動內部電路與電源斷開。這意味著不支持SPI通信，因此通過激活PWRon引腳或其中一個NPWRonx引腳喚醒器件。這會觸發上電序列，將事件線PB6設置為低電平并初始化系統，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據。

傳輸模式（TX模式）使用已使用SPI命令寫入傳輸緩沖區的有效負載數據啟動數據傳輸“寫TX緩沖區”。使用SPI命令“發送幀”啟動數據傳輸。發送操作大約需要7秒鐘，并在EVENT信號上產生一個事件，PB6引腳在完成時切換為低電平。然后，設備再次回到空閑模式以最小化功耗，并且數據在SIGFOX服務器上可用。

結論

組合8位控制器和無線電收發器提供了將無線傳感器連接到SIGFOX網絡的簡化方法。該系統可以像在網絡中添加新設備一樣輕松擴展，ATA8520-EK3-E板和ATA8520片上系統的組合可以快速，低功耗地添加新節點。