Chương 1: Tổng quan Trong chương này giới thiêu chung về các công nghệ truyền không dây hiện nay và cơ sở lý thuyết để chọn công nghệ truyền thông RF LoRa. Từ đó đề ra mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này trình bày cơ sở lý thuyết của các phần cứng, phần mềm và các giao tiếp được sử dụng trong hệ thống. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Chương này nêu ra các yêu cầu về phần cứng và phần mềm từ đó hình thành sơ đồ khối của hệ thống.
Thiết kế phần cứng: trình bày về các thiết kế mà nhóm đã thực hiện trên các phần cứng có sẵn hay phần cứng tự làm dựa theo sơ đồ khối hệ thống. Thiết kế phần mềm: trình bày về các lưu đồ giải thuật để giải quyết cách yêu cầu về phần mềm và cấu hình cho các module trong đề tài. Chương 4: Thi công và thực nghiệm Tiến hành chạy thử các thiết kế để đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống đang có. Tiến hành một số thử nghiệm so sánh về tuổi thọ pin.
Chương 5: Kết quả và hướng phát triển Đưa ra các kết luận về các vấn đề đã hoàn thành và chưa hoàn thành, các mặt hạn chế. Trình bày về hướng phát triển. 5 do an ` CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG LORA 2.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông RF LoRa (Long Range) LoRa là một modul thu phát sóng RF với khoảng cách xa khoảng vài trăm mét đến vài ngàn mét trong môi trường lý tưởng. Với băng tần hoạt động là 433MHz và công suất 100mW.1: Phạm vi ứng dụng của công nghệ truyền thông RF LoRa Trước đây LoRa được dùng trong quân sự và không gian do khoảng cách truyền xa hơn các thiết bị thu phát RF khác.
Ngày nay LoRa được dùng trong thương mại do giá thành rẻ và dễ sử dụng Ưu điểm của LoRa là truyền tín hiệu ở 1 khoảng cách xa. 1 trạm thu phát sử dụng LoRa có thể bao gồm 1 vùng rộng lớn tùy vào môi trường hoặc địa hình xung quanh. Mạch thu phát LoRa được sử dụng trong hệ thống là RF UART LoRa SX 1278 AS32-TTL-100 433 MHz có khoảng cách truyền tối đa là 3000m trong môi trường lý tưởng.2 Giới thiệu module thu phát RF LoRa Hình 2.2: Hình ảnh thực tế Module LoRa Mạch thu phát RF UART LoRa SX 1278 433 MHz 3000m sử dụng chip SX 1278 của nhà sản xuất Ashining (Trung Quốc) chuẩn giao tiếp LoRa. Chuẩn LoRa mang đến 2 yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách siêu xa và có thể cấu hình thành mạng.
Mạch thu phát RF UART LoRa SX 1278 433MHz 3000m được tích hợp phần chuyển đổi giao tiếp SPI qua UART giúp việc giao tiếp và sử dụng dễ dàng hơn. Với kích thước nhỏ gọn 5 x 21 x 36 mm, LoRa dễ dang đáp ứng hầu hết các yêu cầu về không gian trong các thiết bị người dùng, ví dụ như các trạm thu phát tín hiệu, trong các thiết bị điều khiển từ xa…. Phần mềm đi kèm từ nhà sản xuất giúp việc cấu hình LoRa trở nên dễ dàng hơn. Cấu hình trực tiếp lên LoRa qua Adapter LoRa Thông số kỹ thuật: - Model: E32-TTL-100 RF - IC chính: SX1278 từ Ashining.
- Điện áp hoạt đông: 2.5 VDC - Điện áp giao tiếp: TTL - Tần số hoạt động : 410 -441MHz - Công suất: 20dbm (100mW) - Dòng điện ở chế độ ngủ (M1=1 M0=1): 1,7uA - Chuẩn giao tiếp: UART - Độ dài chuỗi khi nhận : gói dữ liệu 256 bytes - Độ dài chuỗi khi truyền : gói dữ liệu 256 bytes - Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m - Tốc độ truyền: 0.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps) - Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình. - Nhiệt độ hoạt động bình thường: -30oC ~ +85 oC - Độ ẩm hoạt động bình thường : 10% ~ 90% 7 do an ` - Nhiệt độ bảo quản: -40oC~125oC - Kích cỡ: 21x36mm.3: Kích thước và số chân thực tế của LoRa Module có tổng cộng 7 chân được ký hiệu trực tiếp lên module Bảng 2.1: Mô tả chức năng các chân của module Số chân Kí hiệu Ứng dụng 1 M0 Kết hợp với M1 để cài đặt 4 chế độ hoạt động của LoRa 2 M1 Kết hợp với M0 để cài đặt 4 chế độ hoạt động của LoRa 3 RXD Nối với chân TX của Vi điều khiển để truyền tín hiệu 4 TXD Nối với chân RX của Vi điều khiển để truyền tín hiệu 5 AUX Chỉ các trạng thái của LoRa 6 VCC Kết nối với nguồn 5V 7 GND Kết nối với Mass (0V) 2.3 Chế độ hoạt động của module LoRa. Trong module LoRa có 2 chân điều khiển M0, M1. Giúp người sử dụng có thể dễ dàng chuyển chế độ hoạt động của module.
8 do an ` Bảng 2.2 Các chế độ hoạt động của LoRa Chế độ Trạng thái M1 M0 Mô tả Chú ý Chế độ 0 Bình thường 0 0 Giao tiếp Serial sẽ Thiết bị nhận sẽ nhận mở. Module truyền được dữ liệu khi hoạt liên tục động ở chế độ 0,1 Chế độ 1 Báo thức 0 1 Giao tiếp Serial mở. Thiết bị nhận chỉ nhận Khi gửi dữ liệu được dữ liệu khi ở chế LoRa sẽ tự động gửi độ 0,1,2 kèm theo mã để kích hoạt chế độ 2 Chế độ 2 Tiết kiệm 1 0 Các giao tiếp Serial Thiết bị nhận chỉ nhận pin đóng. Đợi mã kích được dữ liệu khi thiết hoạt từ chế độ 1 bị truyền ở chế độ 1 ( thiết bị truyền không được ở chế này) Chế độ 3 Ngủ 1 1 Dùng để cấu hình LoRa Lựa chọn chế độ hoạt động của LoRa qua việc thay đổi điện áp hoạt động vào 2 chân M0, M1 với 2 mức điện áp là (0V,3.
Thời gian để LoRa chuyển chế độ hoạt động là 1ms. Chế độ hoạt động bình thường (M1=0, M1=0) Truyền: LoRa nhận dữ liệu người dùng từ cổng Serial. Khi LoRa nhận được dữ liệu đầu tiên đầu ra AUX ở mức thấp thấp, khi LoRa là đặt tất cả các dữ liệu vào IC RF và khởi động bắt đầu, chân TX ở mức cao. Tại thời điểm này, gói dữ liệu không dây đã bắt đầu truyền, bạn có thể truyền lên đến 256 bytes dữ liệu.
Các gói dữ liệu được gửi thông qua chế độ 0, nó chỉ có thể được nhận bởi các LoRa ở chế độ 0,1. Nhận: LoRa mở cổng nhận dữ liệu không dây, Chân AUX sẽ ở mức cao khi nhận xong gói dữ liệu. Chế độ hoạt động báo thức (M0=1, M1=0) Truyền: LoRa truyền dữ liệu giống chế độ 0. Khi ở chế độ này thì khi truyền thì LoRa sẽ tự động gửi kèm 1 mã dùng để kích hoạt chế độ wake-up trong mỗi gói dữ liệu.
Nhận: LoRa hoạt động giống chế độ Normal. Chế độ hoạt động tiết kiệm pin (M0=0, M1=1) Truyền: LoRa sẽ không truyền được dữ liệu. Nhận: LoRa sẽ nhận dữ liệu khi nhận thì LoRa sẽ nhận mã đánh thức ở chế độ 1, chân AUX sẽ lên lại mức cao khi nhận xong gói dữ liệu 9 do an ` Bảng 2.3: Theo dõi dòng điện khi ở chế độ tiết kiệm pin của nhà sản xuất Rate\ 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Delay(ms) 1KBPS 1,16 0,58 0,39 0,29 0,23 0,19 0,17 0,15 mA mA mA mA mA mA mA mA 10KBPS 179u 92uA 63uA 48uA 39uA 34uA 30uA 27uA A 20KBPS 121u 63uA 43uA 34uA 27uA 24uA 21uA 19uA A 25KBPS 121u 63uA 43uA 34uA 27uA 24uA 21uA 19uA A Chế độ hoạt động ngủ (M0=1, M1=1) Truyền: LoRa sẽ không thế truyền tải dữ liệu Nhận: LoRa sẽ không nhận được dữ liệu Chế độ “ngủ” này dùng để cấu hình LoRa. Thay đổi thông số cài đặt.4 Giới thiệu về chân AUX Chân AUX là 1 chân ngõ ra dùng để báo hiệu LoRa có truyền nhận được hay không.
Chân AUX sẽ ở mức thấp khi LoRa không có tín hiệu truyền đi hoặc nhận vào. Truyền theo kiểu nối tiếp (Serial) Hình 2.4: Mô tả hoạt động của chân AUX trong việc truyền dữ liệu Chân AUX sẽ ở mức 1 và sẽ xuống mức 0 khi TX RX bắt đầu truyền nhận trong khoảng 1-2ms và khi kết thúc việc truyền hoặc nhận gói dữ liệu đó thì chân AUX sẽ lên mức 1. 10 do an ` Cấu hình (khi LoRa ở chế độ ngủ) Hình 2.5: Mô tả hoạt động của chân AUX khi cấu hình Chân AUX sẽ ở mức 1 khi LoRa còn trong quá trình cấu hình các thông số hoạt động và sẽ lên mức 1 khi cấu hình xong Chú ý: - Chân AUX ở mức 0 nếu LoRa đang hoạt động có nghĩa là LoRa ko truyền nhận được - Khi LoRa truyền nhận, AUX sẽ chuyển mức hoạt động trong 2ms - Khi chuyển chế độ từ ngủ qua bình thường chân AUX sẽ ở hoạt động mức 0.5 Các chế độ truyền của LoRa Chế độ truyền điểm- điểm (Point to Point) Hình 2.6: Chế độ truyền điểm-điểm Ở hình thức truyền này, cả 2 LoRa được đặt cùng địa chỉ và cùng kênh. Ở hình thức truyền này không phân biệt LoRa nào là địa chỉ Host hay địa chỉ thường.
11 do an ` Chế độ truyền cố định (Target) Hình 2.7: Chế độ truyền cố định Ở hình thức này, một module có thể giao tiếp với một module khác cả khi khác kênh và khác địa chỉ. Ở chế độ này thì phải chọn chế độ chỉ định (Target) trong mục chế độ truyền (Transmit mode) Hình 2.8: Chọn chế độ truyền Target để truyền Khi ở chế độ này thì khi gửi mã thì phải kèm theo địa chỉ và số kênh module LoRa cần kết nối. Ví dụ module LoRa A có địa chỉ 01 kênh 01 muốn kết 12 do an ` nối với module LoRa B có địa chỉ 02, kênh 02, thì khi module A gửi dữ liệu phải kèm theo địa chỉ và số kênh của module B là. 02 02 C0 <chuỗi data> Hình 2.9: Cấu hình 2 module LoRa ở chế độ Target Hình 2.10: Truyền dữ liệu theo chuỗi Hex 13 do an ` Hình 2.11: Bảng mã ASCII Truyền theo chế độ Broadcast Hình 2.12: Mô tả hình thức truyền Broadcast Ở hình thức này, một module được cấu hình với địa chỉ là FF FF, module này có thể phát dữ liệu đến tất cả các module có cùng kênh.
Để chuyển tới một địa chỉ mong muốn thì phải chuyển module sang chế độ Target. Khi chọn chế độ này thì phải chọn chế độ truyền liên tục (Transparent) trong mục chế độ truyền (Transmit mode) 14 do an ` Hình 2.13: Chọn chế độ truyền trong Transmit Mode Chế độ truyền được được sử dụng trong đề tài này bao gồm 2 khối cảnh báo (client) với 1 khối xử lý trung tâm (Server).