Luận văn an iot based monitoring system using lora technology

Hệ thống giám sát dựa trên IoT sử dụng công nghệ LoRa, tối ưu hóa truyền tải dữ liệu và giám sát từ xa hiệu quả trong các ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Dang Phuong Nam
• Người hướng dẫn: Dr. Pham Hoang Anh
• Trường học: Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Hệ thống giám sát IoT sử dụng công nghệ LoRa
• Loại tài liệu: Luận án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Giám sát IoT sử dụng LoRa Technology

Hệ thống giám sát IoT sử dụng công nghệ LoRa đã trở thành một giải pháp tiên tiến trong việc thu thập và xử lý dữ liệu từ xa. LoRa (Long Range) là một công nghệ truyền tải không dây tầm xa, tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép các thiết bị IoT kết nối với nhau và gửi thông tin đến các gateway trung tâm. Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong giám sát môi trường, quản lý công nghiệp, nông nghiệp thông minh, và các lĩnh vực cần theo dõi dữ liệu thời gian thực. Đặc biệt, việc tích hợp The Thing Network (TTN) cho phép quản lý các thiết bị IoT một cách hiệu quả, tạo nên một nền tảng mạnh mẽ cho các ứng dụng thông minh.

1.1. Khái niệm về IoT và LoRa Technology

Internet of Things (IoT) là mạng lưới các thiết bị kết nối toàn cầu để trao đổi dữ liệu. LoRa Technology cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu ở tầm xa (10-15km) với tiêu thụ năng lượng thấp. Điều này làm cho LoRa trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT phân tán, đặc biệt là trong giám sát nông nghiệp, quản lý thành phố thông minh, và theo dõi tài sản.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của Hệ thống Giám sát IoT

Hệ thống giám sát IoT với LoRa được áp dụng trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp chính xác (theo dõi độ ẩm đất, nhiệt độ), quản lý công nghiệp (giám sát thiết bị sản xuất), theo dõi môi trường (chất lượng không khí, nước), và hệ thống cảnh báo (phát hiện sự cố sớm). Sử dụng The Thing Network, các dữ liệu được tập trung hóa, cho phép các tổ chức quản lý hiệu quả hơn.

II. Kiến trúc và Thiết kế Hệ thống IoT LoRa

Kiến trúc hệ thống giám sát IoT sử dụng LoRa Technology gồm ba lớp chính: thiết bị cuối (End Device), gateway trung tâm, và máy chủ ứng dụng (Application Server). Các thiết bị LoRa (như board Dragino) được trang bị cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường, sau đó truyền đến gateway thông qua giao thức LoRaWAN. Gateway nhận tín hiệu và chuyển tiếp đến The Thing Network, nơi các dữ liệu được xử lý, lưu trữ, và hiển thị qua ứng dụng web (webapp). Cách tiếp cận này đảm bảo tính bảo mật, khả năng mở rộng, và hiệu suất cao cho hệ thống.

2.1. Thành phần chính của Kiến trúc Hệ thống

Kiến trúc LoRa IoT bao gồm: End Devices (thiết bị cảm biến IoT), LoRa Gateway (nút trung gian thu nhận tín hiệu), Network Server (The Thing Network), Application Server (máy chủ xử lý), và User Interface (giao diện người dùng). Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong quy trình thu thập dữ liệu, truyền tải, xử lý, và hiển thị thông tin cho người dùng cuối.

2.2. Quy trình Truyền Tải Dữ liệu trong Hệ thống

Dữ liệu từ thiết bị LoRa được mã hóa và truyền đến gateway qua sóng vô tuyến LoRa. Gateway chuyển tiếp sang The Thing Network bằng kết nối Internet (WiFi/4G). Dữ liệu được giải mã, xác thực, và gửi tới Application Server. Cuối cùng, dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và hiển thị trên dashboard của ứng dụng web.

III. Công nghệ The Thing Network TTN trong Giám sát IoT

The Thing Network (TTN) là một nền tảng mạng lưới mở hỗ trợ LoRaWAN, cung cấp network server miễn phí cho các ứng dụng IoT. TTN cho phép các doanh nghiệp và cá nhân quản lý hàng triệu thiết bị IoT mà không cần xây dựng cơ sở hạ tầng mạng riêng. Sử dụng The Thing Network, các thiết bị LoRa được đăng ký, quản lý, và kết nối với Application Server một cách dễ dàng. Hệ thống cung cấp bảo mật end-to-end, quản lý thiết bị tập trung, và API để tích hợp với các ứng dụng khác, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho hệ thống giám sát IoT quy mô lớn.

3.1. Lợi ích của The Thing Network cho IoT

TTN cung cấp cơ sở hạ tầng mạng lưới miễn phí, quản lý thiết bị tự động, bảo mật cao, và tích hợp API linh hoạt. Người dùng không cần đầu tư lớn vào cơ sở hạ tầng mạng, có thể tập trung vào phát triển ứng dụng business logic. TTN hỗ trợ cộng đồng rộng lớn, cung cấp tài liệu chi tiết, giúp triển khai hệ thống nhanh chóng.

3.2. Quy trình Đăng ký Thiết bị trên The Thing Network

Đăng ký thiết bị LoRa trên TTN bao gồm: tạo tài khoản, thiết lập Application, thêm Gateway, và đăng ký từng thiết bị với Device EUI, App EUI, AppKey. Quy trình này có thể phức tạp và tốn thời gian. Để tối ưu hóa, nhóm phát triển đã xây dựng công cụ RPA (Robot Process Automation) giúp tự động hóa quá trình đăng ký, giảm lỗi, và tăng trải nghiệm người dùng.

IV. Giải pháp Phần mềm và Ứng dụng Web cho Hệ thống Giám sát

Ứng dụng web của hệ thống giám sát IoT được xây dựng với kiến trúc backend-frontend hiện đại. Backend xử lý logic ứng dụng, quản lý cơ sở dữ liệu, và xác thực dữ liệu từ các thiết bị LoRa. Frontend cung cấp giao diện người dùng (UI) thân thiện, cho phép xem dữ liệu real-time, thiết lập cảnh báo, và quản lý các thiết bị IoT. Hệ thống tích hợp RPA để tự động hóa đăng ký thiết bị, giảm bớt công việc thủ công. Dashboard hiển thị biểu đồ, thông số thời gian thực, và lịch sử dữ liệu, giúp người dùng ra quyết định dựa trên dữ liệu (data-driven decision).

4.1. Kiến trúc Backend và Xử lý Dữ liệu

Backend được phát triển sử dụng các framework hiện đại, xử lý API requests từ Frontend và The Thing Network. Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu (Database) lưu trữ thông tin thiết bị, dữ liệu cảm biến, và lịch sử sự kiện. Backend thực hiện xác thực, xử lý dữ liệu, tính toán thống kê, và gửi thông báo cảnh báo khi có dữ liệu bất thường. Sử dụng RPA, hệ thống tự động hóa việc đăng ký và cấu hình thiết bị LoRa trên TTN.

4.2. Giao diện Frontend và Trải nghiệm Người dùng

Frontend là ứng dụng web responsive cho phép người dùng xem dữ liệu real-time, quản lý thiết bị, thiết lập cảnh báo, và xuất báo cáo. Dashboard hiển thị biểu đồ trực quan, bảng dữ liệu chi tiết, và bản đồ vị trí thiết bị. Giao diện được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng, hỗ trợ truy cập từ nhiều thiết bị (desktop, tablet, mobile), giúp tăng trải nghiệm người dùng và hiệu suất công việc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING REPORT CAPSTONE PROJECT AN IoT-BASED MONITORING SYSTEM USING LORA TECHNOLOGY Major: Computer Engineering THESIS COMMITTEE: Computer Engineering 3 SUPERVISOR: Dr. Pham Hoang Anh REVIEWER: Dr. Nguyen Tran Huu Nguyen Student 1: Dang Phuong Nam 1911636 Student 2: Tran Minh Tri 1910637 Ho Chi Minh City, May 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ---------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA: KH & KT MÁY TÍNH NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN: K. MÁY TÍNH Chú ý: Sinh viên phải dán tờ này vào trang nhất của bản thuyết trình HỌ VÀ TÊN: ĐẶNG PHƯƠNG NAM ________________ MSSV: 1911636 ______ HỌ VÀ TÊN: TRẦN MINH TRÍ _____________________ MSSV: 1910637 ______ NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH ____________ LỚP:______________________ 1.

Đầu đề luận án: Hệ thống giám sát IoT sử dụng công nghệ LoRa 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): - Khảo sát và tìm hiểu các kiến trúc chung cho mô hình ứng dụng IoT - Tìm hiểu công nghệ LoRa/LoRaWAN và công cụ phát triển hệ thống liên quan - Tham khảo kết quả xây dựng IoT Testbed của nhóm K18 để thừa kế và phát triển thêm các tính năng còn thiếu. - Đề xuất kiến trúc giải pháp và các chức năng của hệ thống - Hiện thực mô hình đề xuất và thực hiện thử nghiệm để đánh giá kết quả hiện thực. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 30/01/2022 4.

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/05/2023 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: Phần hướng dẫn: 1) Phạm Hoàng Anh 100% Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn. CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) Phạm Quốc Cường Phạm Hoàng Anh PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):________________________ Đơn vị: _______________________________________ Ngày bảo vệ: __________________________________ Điểm tổng kết: _________________________________ Nơi lưu trữ luận án: _____________________________ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KH & KT MÁY TÍNH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------- Ngày 27 tháng 05 năm 2023 PHIẾU ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN/ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho người hướng dẫn) 1. Họ và tên SV: Đặng Phương Nam, Trần Minh Trí MSSV: 1911636, 1910637 Ngành (chuyên ngành): Kỹ Thuật Máy Tính 2.

Đề tài: Hệ thống giám sát IoT sử dụng công nghệ LoRa 3. Họ tên người hướng dẫn: Phạm Hoàng Anh 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: Số chương: Số bảng số liệu Số hình vẽ: Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán: Hiện vật (sản phẩm) 5. Những ưu điểm chính của LV/ ĐATN: - Nhóm sinh viên đã cơ bản thực hiện các nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp, bao gồm: o Đề xuất mô hình hệ thống IoT có thể sử dụng cho nhiều chủng loại thiết bị LoRa tương thích và được hỗ trợ bởi The Thing Networks o Thiết kế và hiện thực ứng dụng giám sát dựa trên mô hình đề xuất cho các thiết bị LoRa được cung cấp (Dragino) trong đó có vận dụng kỹ thuật RPA (Robot Process Automation) để tự động hoá việc đăng ký các thiết bị LoRa hướng tới tăng trải nghiệm cho người dùng cuối.

- Nhóm sinh viên thể hiện khả năng tự học những kiến thức mới và vận dụng vào quá trình phát triển giải pháp đề xuất một cách phù hợp. - Báo cáo luận văn trình khá nhiều các kiến thức liên quan đến đề tài. Tuy nhiên, cần phải rà soát lại khả năng trùng lắp và nguồn tài liệu tham khảo. Những thiếu sót chính của LV/ĐATN: - Chưa có cơ chế đồng bộ điều khiển giữa thiết bị vật lý và ứng dụng trong một số trường đặc thù.

Đề nghị: Được bảo vệ □ Bổ sung thêm để bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 8. Các câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng: 9. Đánh giá chung (bằng chữ: Xuất sắc, Giỏi, Khá, TB): Xuất sắc Điểm: 9. Họ và tên SV: Đặng Phương Nam MSSV: 1911636 Ngành (chuyên ngành): Kỹ Thuật Máy Tính Họ và tên SV: Trần Minh Trí MSSV: 1910637 Ngành (chuyên ngành): Kỹ Thuật Máy Tính 2.

Đề tài: Hệ thống giám sát IoT sử dụng công nghệ LoRa. Họ tên người phản biện: Nguyễn Trần Hữu Nguyên 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: 130 Số chương: 6 Số bảng số liệu: 12 Số hình vẽ: 99 Số tài liệu tham khảo:18 Phần mềm tính toán: Hiện vật (sản phẩm) 5. Tổng quát về các bản vẽ: - Số bản vẽ: Bản A1: Bản A2: Khổ khác: - Số bản vẽ vẽ tay Số bản vẽ trên máy tính: 6.

Những ưu điểm chính của LVTN: Nhóm sinh viên sử dụng board Dragino có hỗ trợ LORA để kết nốI với gateway sau đó có thể kết nối vào the Thing Network. Nhóm sinh viên đã xây dựng được một hệ thống quản lý các thiết bị bao gồm cả backend và frontend. NgoàI ra, do việc đăng ký một thiết bị trên The Thing Networks khá là phức tạp, nhóm sinh viên cũng đề xuất và thiết lập một chương trình giúp cho việc đăng ký một thiết bị mớI được nhanh chóng hơn. Nhóm sinh viên rất có nổ lực để viết luận văn bằng tiếng anh.

Những thiếu sót chính của LVTN: Nhóm sinh viên chú trọng chủ yếu vào phần mềm webapp, backend mà không tập trung nhiều về phần cứng. Đề nghị: Được bảo vệ 🗹 Bổ sung thêm để bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 9. 3 câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng: a. Board Dragino có hỗ trợ phát hiện thiết bị cảm biến bị lỗi hay không? Nếu có thì nhóm có biết ngườI ta hiện thực sao không? Nếu không có thì nhóm hay đề xuất một giảI pháp để làm sao phát thiện được thiết bị cảm biến bị lỗi? 10.

Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): khá Điểm : 8.0 /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) Nguyễn Trần Hữu Nguyên Commitment We guarantee that we have completed the project and written this dissertation en- tirely by ourselves and have not presented it in whole or in part in any previous degree application. If there is any part belonged to other people or organisation, we always state clearly the origin and credit to the owner, all the works remaining which are displayed in this thesis are entirely our property. Tran Minh Tri, Dang Phuong Nam. Acknowledgements After huge efforts, this thesis has achieved great results thanks our two members, our faculty, staff, friends and family for the support and encouragement.

Express our sincere attitude to those who have helped. They always accompany us in our studies, research and dissertation writing process. First of all, we would like to sincerely thank the dedicated and thorough guidance of Dr. Pham Hoang Anh.

Without his hardware support, valuable comments and direction, we could not have completed this project. There is a saying from him at Microcontroller class in 3rd year that I will always remember: ”You see other people as good not because they are good, but because you are not good”. It was this statement that woke me up. Since then, I have realized that making myself better is not entirely influenced by circum- stances and environment but depends on ourselves.

The responsibility belongs to us. Next, we would like to thank the teachers at the Ho Chi Minh City University of Technology. Thank you to the teachers of the school for the foundational knowledge that we will carry as luggage in the years to come. Thank you to the teachers of the Faculty of Computer Science and Engineering for constantly supporting us on the way to building our future.

If technical knowledge is the boat, then the other soft skills that the teachers have imparted will be like paddles to help us go further in the life. Finally, we would like to thank our family for always being behind us to encourage and support us to move forward. Standing in front of an important milestone in our lives, it is also indispensable in the presence of friends and teammates who have strived and grown together over the years. Thank you for everything! Nam and Tri 3 Abstract This thesis proposes, studies and implements an approach to an IoT-based agriculture- oriented monitoring system with LoRaWAN which includes hardware and software com- ponents related to the LoRaWAN network architecture specification, allowing end users to flexibly monitor, control and verify their LoRaWAN network and various end devices before actual deployment.

Additionally, we aim to design a user-friendly website applica- tion which is used to well manage the device and also deliver a good experience to the user. Besides ,we inherit the graduation thesis of our former seniors which is “Developing A LoRaWAN-based Testbed for IoT Applications”(refer to el.16 in Bibliography) and analyse the aspects we should improve to meet our requirement and purposes. Weak points od the previous thesis are also acknowledged and taken under consideration. Based on that, our thesis also proposes specific solutions to address the problems with some of the LoRaWAN devices which are available on the market nowadays.

Based on that, the productivity and the performance of deploying these devices into the system will be increase. Besides, we also make proposal and do the planning for developing the project in general and also make considerable idea to create a monitoring system to meet the growth of the Fourth Industrial Revolution. 5 Contents Commitment 1 Acknowledgements 3 Abstract 5 List of Tables 11 List of Figures 13 Terms 1 1 Introduction 3 1.1 Purposes and Motivation .1 Overview and purposes .1 Structure of Report .2 Non-functional Requirements .1 The standard IoT Architectures .1 What is IoT? .2 The wireless network technologies .4 LoRaWAN Network Fundamentals .1 LoRaWAN Network Architecture .4 Advantages and disadvantages .1 Main Components and Specifications .6 Robotic Process Automation .1 The necessary of applying RPA .1 System Architecture Proposal .3 Database management system .1 Platform and Framework .2 Object Relational Mapping .4 Device registration mechanism via RPA bot .1 Device auto-registration by QR code workflow .2 Reason for choosing UiPath platform .5 Actuators controlling mechanism .1 MQTT Broker & Downlink Message Control .1 The necessity of MQTT broker .2 Installation and implementation of MQTT broker .3 Downlink Message Control .3 Quick Access with QR code .4 Device registration mechanism .1 Implementing RPA bot in UiPath Studio .2 Uploading RPA robot to UiPath Autommation Cloud(UiPath Or- chestrator .3 Configuration on UiPath Automation Cloud .4 Unattended robot on UiPath Orchestrator .6 Authorizing External Applications .7 Executing RPA robot by API call .5 Actuators controlling mechanism .2 Urban indoor experiment .3 Urban outdoor experiment .4 Rural outdoor experiment .1 Test Deployment in Urban Environment .3 Room for improvement .1 Apply Machine learning into processing data .2 Design an extended PCB module for actuator controlling. 117 Appendix 119 10 CONTENTS A Project source and Instruction 119 Bibliography 121 List of Tables 2.1 MAC Message Types - Source: www.1 Comparison between PostgreSQL and MySQL .2 Comparison between PHP and Node.3 MVC component’s function .1 Description of topic levels in Figure 4.2 The explanation of states .3 The explanation of conditions .1 Urban indoor experimental results of uplink coverage in table representation 107 5.2 Urban outdoor experimental results of uplink coverage in table representation108 5.3 Rural outdoor experimental results of uplink coverage in table representation109 5.