CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay việc giám sát các thông số môi trường rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trồng trọt, thủy sản, chăn nuôi, chất thải khí công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.0 với tâm điểm thế giới vạn vật (IoT – Internet of Things) sẽ giúp cho việc giám sát các thông số môi trường tại mọi lúc mọi nơi. Chỉ với một chiếc điện thoại thông minh (smartphone) giúp hiển thị các cảnh báo khi các thông số môi trường cần giám sát ở ngoài ngưỡng cho phép. Kết quả giám sát sẽ giúp cho bộ phận chức năng có biện pháp xử lý kịp thời nhằm giảm rủi ro và hạn chế các tác động từ môi trường đến đời sống con người. - Trong tình hình thời đại công nghệ 4.0 phát triển việc ứng dụng công nghệ cao vào việc sản xuất công nông nghiệp là nhu cầu thiết yếu phải nắm bắt và áp dụng vào sản xuất.
Từ các nhu cầu đó chúng em phát triển ý tưởng ứng dụng mạng Lora không dây để áp dụng vào sử dụng trong môi trường nuôi trồng thủy sản, giúp theo dõi giám sát tình trạng của các ao hồ nuôi trồng thủy sản. Nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm giám sát các chỉ số ao hồ góp phần đạt hiệu quả cao trong sản xuất nuôi trồng. - Ngoài ra mạng không dây Lora có thể ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay vì tính ứng dụng công nghệ cao vào nhiều lĩnh vực như môi trường (giám sát địa chất, nồng độ các chất trong không khí, nước, đất…. Ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng, các trạm quan trắc, các mỏ than khoáng sản(theo dõi cảnh báo các chỉ số).
nghệ LoRa hiện nay có thể được sử dụng một cách rộng rãi và miễn phí (không có bản quyền). Quá trình lắp đặt các thiết bị cảm biến có giá cả phải chăng, đồng thời kiến trúc cũng đơn giản. Hiện nay công nghệ LoRa đã được ứng dụng nhiều trong IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này. Dễ dàng phổ biến - Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp Như đã đề cập, lợi thế lớn nhất của công nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp, nhưng vẫn có thể dẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được.
Ngoài ra, công suất hoạt động không vì thế mà bị giảm sút, và công nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ trạm gốc. - Độ bảo mật cao Các tín hiệu này sẽ được mã hoá 2 lớp, bao gồm 1 lớp dành cho ứng dụng có mã hoá AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng.2 Lora là gì? Chắc hẳn chúng ta đã ít nhất một lần được nghe đến công nghệ này hay cụm từ này. Đây là một khái niệm công nghệ mới. LoRa là một công nghệ không dây dùng để truyền dữ liệu tầm xa, năng lượng thấp và an toàn cho các ứng dụng M2M và IoT.
LoRa được sử dụng để kết nối không dây giữa các thiết bị với nhau. Các thiết bị đó là cảm biến đo lường, sinh trác học, con người, động vật … với dữ liệu nền tảng đám mây. LoRa là tín hiệu tầm xa dựa trên tần số radio. Nó được nhúng trong bất kỳ lớp PHY nào của PHT.
LoRa được phát triển và sở hữu bởi Semtech, một công ty có trụ sở tại California. Bạn có thể sử dụng modem LoRa để chuyển đổi bất kỳ tập dữ liệu nào thành tín hiệu tần số radio này. Có rất nhiều tín hiệu tần số vô tuyến phổ biến hiện nay. Ví dụ, Wifi, Bluetooth,.
Tuy nhiên, LoRa nổi tiếng với phạm vi giao tiếp vượt trội, tăng cường độ nhạy thu, và khả năng truyền dữ liệu lớn. Vì thế, LoRa là lý tưởng để triển khai các ứng dụng IoT mạnh mẽ trên các khu vực rộng lớn. Hình: LoRa Kiến trúc mạng LoRa 1.1 Điểm cuối Các điểm cuối là các yếu tố của mạng LoRa nơi điều khiển hoặc cảm biến được thực hiện. Chúng thường được đặt ở xa.2 Cổng LoRa Cổng nhận được các cơ sở hạ tầng từ các điểm cuối LoRa và sau đó chuyển chúng vào hệ thống backhaul.
Phần này của mạng LoRa có thể là di động, Ethernet hoặc bất kỳ Trang 16 liên kết viễn thông khác không dây hoặc có dây. Các cổng được kết nối với máy chủ mạng bằng các kết nối IP thông thường. Theo cách này, dữ liệu sử dụng một giao thức điển hình nhưng có thể được kết nối với bất kỳ mạng viễn thông nào, dù là tư nhân hay công cộng. Theo quan điểm về sự giống nhau của mạng LoRa với mạng di động, Các cổng LoRaWAN thường có thể được đặt cùng với một trạm cơ sở di động.
Theo cách này, họ có thể sử dụng thêm dung lượng trên mạng backhaul. Hình: Khoảng cách sử dụng của LoRa 1.3 Máy chủ mạng LoRa Máy chủ mạng LoRa thành công trong mạng và là một phần chức năng của nó, nó hoạt động để loại bỏ các gói trùng lặp, điều chỉnh tốc độ dữ liệu và xác nhận lịch trình. Trong đánh giá về cách thức có thể triển khai và kết nối, giúp triển khai mạng LoRa rất dễ dàng.4 Máy tính điều khiển từ xa Sau đó, một máy tính từ xa có thể điều khiển hành động của các điểm cuối hoặc thu thập dữ liệu từ các điểm cuối – Mạng LoRa gần như mờ. Về mặt kiến trúc xác thực cho mạng LoRa, các nút thường nằm trong cấu trúc liên kết giữa các vì sao với các cổng tạo thành cầu nối xuyên qua.
Các tin nhắn chuyển tiếp giữa máy chủ mạng trung tâm và các thiết bị cuối trong phần phụ trợ. Trang 17 Truyền thông đến các nút điểm cuối thường là hai chiều, nhưng cũng có thể hỗ trợ hoạt động phát đa hướng, và điều này hữu ích cho các tính năng như tương tự hoặc các thông báo phân phối hàng loạt hoặc nâng cấp phần mềm khác.5 Cơ bản về công nghệ LoRa Có một số yếu tố chính của công nghệ LoRa. Một số tính năng chính của nó bao gồm những điều sau đây: • Lên đến hàng triệu nút • Pin tốt; trong mười năm • Tầm xa; 15-20 km. Có nhiều yếu tố khác nhau đối với công nghệ LoRa cung cấp kết nối và chức năng tổng thể.
Ngăn xếp giao thức LoRa: LoRa Alliance cũng đã định nghĩa một ngăn xếp giao thức mở. Việc tạo ra ngăn xếp nguồn mở này đã cho phép khái niệm LoRa được nâng lên. Vì tất cả các loại công ty khác nhau liên quan đến phát triển LoRa, triển khai và sử dụng đã có thể kết hợp với nhau để tạo ra một giải pháp chi phí thấp và dễ sử dụng để kết nối với tất cả các cách sử dụng của các thiết bị IoT được kết nối. Hình: Ứng dụng công nghệ LoRa Trang 18 1.6 Băng tần, khoảng cách truyền Băng tần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: – 430MHz cho châu Á – 780MHz cho Trung Quốc – 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu – 915MHz cho USA Các gói tin LoRa có thể truyền xa đến 5 Km trong khu vực thành thị và đến 15 Km ở khu vực ngoại ô với tốc độ dữ liệu khoảng 0,3 đến 22 Kbps (điều chế LoRa) hoặc 100 Kbps (điều chế GFSK).
Do đó thường sử dụng ở môi trường ngoài trời như các nông trường, trang trại… 1.1 Điều chế vô tuyến trong LoRa Sử dụng một kỹ thuật điều chế trải phổ độc quyền có nguồn gốc từ công nghệ Chirp Spread Spectrum (CSS), LoRa cung cấp sự cân bằng giữa độ nhạy thu với tốc độ dữ liệu, hoạt động trong kênh băng thông cố định 125 KHz hoặc 500 KHz (đối với kênh uplink), và 500 KHz (cho các kênh downlink). Ngoài ra, LoRa sử dụng các hệ số lan truyền trực giao, cho phép duy trì tuổi thọ pin của các nút cuối bằng cách tối ưu hóa mức công suất và tốc độ dữ liệu. LoRa nằm hoàn toàn ở lớp vật lý trong mô hình OSI, tuy nhiên thay vì đi cáp, không khí được sử dụng như một phương tiện để vận chuyển sóng vô tuyến từ một bộ phát RF trong thiết bị IoT đến bộ thu RF trong gateway và ngược lại. Hình: Cấu trúc lora Trang 19 LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) của Semtech cung cấp giải pháp thay thế cho công nghệ điều chế truyền thống DSSS với chi phí và công suất thấp những vẫn rất mạnh mẽ.
Trong điều chế LoRa, sự trải rộng phổ của tín hiệu đạt được bằng cách tạo ra một tín hiệu chirp thay đổi liên tục về tần số. Hình: Biểu đồ tạo tín hiệu.3 Tổng quan về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế; … Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.
Hình: Mô hình mạng cảm biến không dây đơn giản Trang 20 Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.