CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Công nghệ LORA 1.1 Giới thiệu về công nghệ Khái niệm LORA – viết tắt của Long Range Radio, là một loại công nghệ hỗ trợ truyền dữ liệu trong những khoảng cách lên đến hàng chục km mà không cần thêm bất kỳ các mạch khuếch đại công suất nào. Công nghệ Lora giúp việc truyền và nhận dữ liệu trở nên đơn giản hơn, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả. Vì vậy, công nghệ này thường được sử dụng nhiều trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network, khi đó sensor node sẽ có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách hàng km lại có thể hoạt động với battery suốt một thời gian dài trước khi cần thay pin. Khái niệm Hình 1.1 Công nghệ LORA Nguyên lý hoạt động Nền tảng phát triển công nghệ LoRa dựa trên kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum.
Khi các dữ liệu được tạo xung với tần số cao để tạo ra những tín hiệu có dải tần cao hơn. Các tín hiệu này sẽ được mã hóa theo các chuỗi chirp signal (tín hiệu hình sin thay đổi theo thời gian) trước khi được gửi đi từ anten. Có hai loại chirp signal, bao gồm: - Tần số up-chirp tăng theo thời gian. Sinh viên thực hiện: Khang- Phú Người hướng dẫn: TS.
Nguyễn Thị Khánh Hồng 2 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát cây trồng thông minh ứng dụng công nghệ LORA - Tần suất của Down-chirp giảm dần theo thời gian. Công nghệ Lora sử dụng một kỹ thuật điều biến có tên Chirp Spread Spectrum, loại kỹ thuật này sẽ sử dụng các xung tần số cao để chia nhỏ dữ liệu nhằm tạo ra tín hiệu có dải tần cao hơn dải tần của dữ liệu gốc. Sau đó tín hiệu cao tần sẽ tiếp tục được mã hóa theo chuỗi tín hiệu chirp rồi truyền đến anten để truyền đi. Nguyên tắc hoạt động này hỗ trợ thiết bị giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác cần thiết cho mạch nhận để có thể giải mã và điều chỉnh lại dữ liệu.
LoRa không yêu cầu nhiều công suất phát mà vẫn có thể truyền đi xa, vì tín hiệu LoRa có thể nhận được ở khoảng cách xa ngay cả khi cường độ tín hiệu thấp hơn nhiễu xung quanh. Băng tần hoạt động của công nghệ LoRa nằm trong khoảng từ 430MHz đến 915MHz, áp dụng cho các khu vực khác nhau trên thế giới. Tín hiệu chirp sẽ cho phép các tín hiệu LoRa hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau. Cho phép nhiều thiết bị trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời.
Đặc điểm công nghệ Lora Là một công nghệ hiện đại được sử dụng phổ biến hiện nay, LoRa có những đặc điểm nổi bật sau: - Phạm vi truyền sóng rộng: công nghệ LoRa có khả năng truyền dữ liệu ở khoảng cách cực xa và có thể đạt khoảng cách truyền hơn 15km trong môi trường mở hoặc rộng hơn nữa. - Nhiều chức năng nhưng mức tiêu thụ điện năng thấp: công nghệ LoRa có thể chạy với mức tiêu thụ điện năng thấp, điều này có thể kéo dài tuổi thọ pin và giảm chi phí sử dụng khi không cần thay quá nhiều lần. - Với kỹ thuật truyền của công nghệ LoRa, tốc độ truyền tuy thấp nhưng vẫn cung cấp đủ băng thông cho một số ứng dụng IoT nhất định, chẳng hạn như định vị, theo dõi tài nguyên và gửi thông tin trạng thái. - Công nghệ này có khả năng chống nhiễu tốt và khả năng tự động tìm kiếm kênh truyền tốt nhất, giúp đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu truyền đi.
Sinh viên thực hiện: Khang- Phú Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Khánh Hồng 3 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát cây trồng thông minh ứng dụng công nghệ LORA Các thông số cơ bản Tiêu chuẩn: IEEE802.4 Tần số: - 430MHz cho châu Á - 780MHz cho Trung Quốc - 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu - 915MHz cho USA Phạm vi: lên đến hàng kilomet Tốc độ truyền: 0.25-50kbps Spreading Factor – SF: SF xác định số lượng chrip signal khi mã hoá tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu. Ví dụ nếu SF = 12 có nghĩa là 1 mức logic của chipped signal sẽ được mã hoá 12 xung chirp signal. Giá trị cho SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng khoảng cách truyền sẽ xa hơn.
Bandwidth – BW: BW xác định biên độ tần số mà chirp signal có thể thay đổi. b Nếu bandwidth càng cao thì thời gian mã hoá chipped signal càng ngắn. Coding Rate – CR: CR là số lượng bit được tự thêm vào mỗi trong Payload trong LORA radio packet bởi LORA chipset để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi 1 số bit dữ liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi nguyên vẹn dữ liệu trong Payload.Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng, nhưng bù lại chip LORA sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn (có thể làm tăng thời gian truyền dữ liệu trong không khí). Công nghệ LoRa đã tạo một bước tiến lớn bằng cách cho phép truyền nhận dữ liệu trong một khoảng cách xa trong khi tiêu thụ rất ít năng lượng.
Các nhược điểm của các công nghệ không dây khác như là yêu cầu băng thông cao, năng lượng tiêu thụ cao và giới hạn về khoảng cách truyền đều được LoRa khắc phục. Trên thực tế, công nghệ LoRa có thể sử dụng rất linh hoạt trong các ứng dụng như thành phố thông minh, nhà thông minh, nông nghiệp thông minh và chuỗi cung ứng thông minh. Sinh viên thực hiện: Khang- Phú Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Khánh Hồng 4 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát cây trồng thông minh ứng dụng công nghệ LORA Lorawan network LORAWAN hay Long Range Wireless Area Network là một kiến trúc hệ thống và giao thức truyền thông trong mạng dựa trên Lora.
LORAWAN hoạt động trong phạm vi phổ không được cấp phép dưới 1GHz. LORAWAN là một giao thức mạng mở cung cấp các kết nối giữa các cổng LPWAN với các thiết bị IoT ở nút cuối được tiêu chuẩn hóa và duy trì bởi LORA Alliance. LORAWAN cũng chịu trách nhiệm quản lý tần số giao tiếp và tốc độ dữ liệu, năng lượng cho tất cả các thiết bị trong mạng.2 Mô hình LORAWAN Trong 1 mạng LORAWAN sẽ có 2 loại thiết bị: - Device node: là thiết bị cảm biến, hoặc là các thiết bị giám sát được lắp đặt tại các vị trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm. - Gateway: là các thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các device node và gửi lên 1 server trung tâm để xử lý dữ liệu.
Các thiết bị Gateway thường sẽ được đặt tại 1 vị trí có nguồn cung cấp và có các nguồn cung cấp và có kết nối như Wifi, LAN, SGM để có thể gửi dữ liệu lên server. Sinh viên thực hiện: Khang- Phú Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Khánh Hồng 5 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát cây trồng thông minh ứng dụng công nghệ LORA 1.2 Ứng dụng công nghệ LORA trong nông nghiệp hiện nay Nông nghiệp công nghệ cao là nền nông nghiệp được áp dụng các công nghệ tiên tiến nhằm mục đích cải thiện chất lượng, năng suất nông sản. Điều này có thể đạt được bằng cách giám sát các thông số liên quan đến sinh trưởng, phát triển của cây trồng như: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm… Từ các thông số thu thập, có thể điều chỉnh lượng nước tưới, độ ẩm không khí hay cường độ ánh sáng phù hợp theo nhu cầu phát triển của cây trồng.
Hiện nay, các hướng nghiên cứu về ứng dụng công nghệ cao trong giám sát từ xa các thông số môi trường trong nông nghiệp thường sử dụng các công nghệ truyền thông truyền thống như: Zigbee, Wifi, GSM/GPRS, Bluetooth…. Trong những công nghệ truyền thông kể trên, công nghệ Wifi, Zigbee, Bluetooth có phạm vi hoạt động không cao từ 10 đến 100m. Với phạm vi hoạt động như vậy, các chuẩn truyền thông trên chỉ phù hợp cho việc giám sát trong một khu vực nhỏ. Khi khu vực giám sát lớn hoặc có nhiều khu vực, thì việc xây dựng mạng cảm biến trở lên phức tạp và tốn kém chi phí hơn.
Bên cạnh đó, việc tiêu thụ nhiều năng lượng cũng dẫn đến thời lượng sử dụng pin của nút cảm biến bị giảm xuống. Nhằm mở rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn cảm biến trên phạm vi rộng và tiêu thụ ít năng lượng phục vụ cho nhu cầu vận hành bảo trì, chuẩn truyền thông LORA đã ra đời với nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ sẵn có. Một đặc thù riêng biệt, ở môi trường nông nghiệp thì việc truyền dữ liệu từ các cảm biến và trung tâm, và từ trung tâm tới các thiết bị chấp hành sẽ gặp phải các khó khăn về khoảng cách, dễ bị tác động của môi trường, …dẫn đến hệ thống không hoạt động ổn định. Ngoài Zigbee thì Lora là một lựa chọn tuyệt vời.3 Ứng dụng công nghệ LORA trong nông nghiệp Sinh viên thực hiện: Khang- Phú Người hướng dẫn: TS.
Nguyễn Thị Khánh Hồng 6 Nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát cây trồng thông minh ứng dụng công nghệ LORA 1.2 Áp dụng công nghệ LORA vào hệ thống giám sát cây trồng 1.1 Đặc điểm của mô hình Đây là mô hình điển hình của hệ thống nông nghiệp ở Việt Nam gồm có hệ thống mương máng tưới tiêu và hệ thống luống cây trồng. Mô hình này có thể áp dụng cho nhiều loại cây trồng khác nhau tại Việt Nam như lúa, ngô, khoai, sắn …. Trong đó: - Luống cây là nơi trồng cây, có chứa đất, khoáng chất cần thiết đảm bảo cho sự phát triển bình thường của cây trồng. - Mương máng là nơi dẫn nước từ phía nguồn tới từng thửa ruộng, đảm bảo nhu cầu tưới tiêu liên tục trong mùa vụ.
Dựa vào mô hình thực tế trên, nhóm có những tính toán phù hợp cho việc áp dụng công nghệ cũng như thiết kế sơ đồ lắp đặt thiết bị để hệ thống có thể hoạt động tốt và ổn định trong khoản thời gian dài và điều khiệt khắc nghiệt.2 Áp dụng công nghệ LORA Nhóm quyết định chọn công nghệ LORA vì những đặc điểm nổi bật sau: - Độ an toàn cao, chống nhiễu tốt, dung lượng mạng cao. - Truyền được khoảng cách xa (tối đa 10-16km) mà ít bị ảnh hưởng bởi các thiết bị khác. - Tiêu thụ dòng thấp (trong chế độ tiết kiệm năng lượng, dòng tiêu thụ khoảng 30uA khi thiết lập chế độ trễ trong khoảng 2s) - Giá thành rẻ: So với các công nghệ kết nối khác, LoRa có giá thành rẻ, giúp cho việc triển khai và sử dụng trở nên dễ dàng hơn.