đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung thực hiện, giới hạn đề tài1và bố cục của luận văn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này1giới thiệu các công nghệ sử dụng trong đề tài, các thiết bị1được sử dụng cho mô hình hệ1thống. Bên cạnh đó là giới thiệu về các chuẩn giao tiếp sử dụng để kết nối giữa các thiết bị.
Chương 3: Tính toán và thiết kế. Mô hình hệ thống được nói rõ ở chương này, nguyên lý hoạt động và sơ đồ khối của từng khối trong hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này sẽ tóm tắt quá trình hoàn thiện hệ thống bao gồm thiết kế mạch PCB, thi công mạch, lắp ráp và hoàn thiện các linh kiện và thiết bị.
Bên cạnh đó là chương trình điều khiển chính, cái hệ thống phụ trên phần mềm Arduino IDE và thiết kế giao diện website để điều khiển hệ thống. 3 Chương 5: Kết quả, đánh giá và nhận xét. Vận hành hệ thống và kiểm tra kết quả, so sánh với mục tiêu đề ra. Sau đó đưa ra đánh giá, nhận xét về hệ thống.
Nêu ra những ưu nhược điểm của hệ thống. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Đưa ra kết luận về khả năng hoạt động vè hiệu quả của hệ thống. Đức kết ra được hướng phát triển trong tương lai cho đề tài 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này sinh viên thực hiện đề tài sẽ tìm hiểu về tổng quan hệ thống, công nghệ chính là LoRa, chọn ra các thiết bị phù hợp với hệ thống và các giao thức được sử dụng trong hệ thống.
Tổng quan về hệ thống Dưới đây là sơ đồ tổng quát của một hệ thống quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRa ở hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Khi mạch được cấp1nguồn thì cảm1biến sẽ đo đạc giá trị của môi trường đưa về khối xử lý trung tâm để xử lý, sau đó giá trị được đưa đến Module LoRa và được truyền đến Gateway nhờ mạng LoRa. Tại đây dữ liệu tiếp tục được gởi đến LoRaWAN Server và Cloud Server các thông tin, giá trị được lưu trữ tại đây, thuật toán điều khiển và AI phân tích cũng được xây dựng tại Cloud Server. Người dùng cần cài đặt web và app để có thể đọc được các giá trị cảm biến đưa về cũng như là các cảnh báo. Tại đây, những chỉ thị được lập trình trước của hệ thống trong Cloud Server sẽ gởi lệnh xuống cho Gateway, truyền xuống EndNode để điều khiển các thiết bị.
Quá trình thay đổi điều kiện môi trường trong quá trình hoạt động cũng được cập nhật lên Website, app để người dùng theo dõi. Ngoài việc sử dụng Website, app thì người dùng còn có thể xem các giá trị cảm biến gởi về thông qua màn hình OLED tại EndNode.2 Công nghệ Lora 2.1 Giới thiệu Công nghệ LoRa hay “Long Range Radio” là một công nghệ điều chế dành cho mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN). LoRa là một bước tiến lớn dành cho những công trình cần tiết kiệm năng lượng và phạm vi hoạt động rộng. LoRa mã hóa thông tin trên sóng vô tuyến bằng các xung chirp tương tự như cách giao tiếp của các loài động vật như dơi, cá heo.
Tín hiệu truyền đi được chống nhiễu tốt và thu được ở khoảng cách xa. LoRa là giải pháp lý tưởng dành cho các ứng dụng, công trình cần truyền những gói dữ liệu nhỏ với tốc độ bit thấp. So với các công nghệ hiện nay như WiFi, Bluetooth, ZigBee thì LoRa có thể truyền ở khoảng cách xa hơn. Khoảng cách có thể lên đến 5km ở khu vực thành thị và 15km ở khu vực nông thôn tính theo đường ngắm.
LoRa cho phép các thiết bị hoạt đồng bằng pin có tuổi thọ lâu dài có thể lên tới 10 năm. Vì vậy, đặc điểm của các giải pháp, công trình ứng dụng LoRa là sử dụng mức năng lượng thấp. Với những tính năng này, LoRa rất phù hợp với các cảm biến và bộ truyền hoạt động tiết kiệm năng lượng như các lĩnh vực nhà thông minh, nông nghiệp thông minh,… Hình 2.2 Logo Lora LoRa có thể vận hành trên các dải băng tần khác nhau tùy vào khu vực trên thế giới: ● Khu vực châu Á: 433 MHz ● Khu vực Trung Quốc: 780 MHz ● Khu vực Châu Âu: 866 MHz ● Khu vực Mỹ: 915 MHz 6 Ưu điểm: • Có thể kết nối thiết bị ở khoảng cách xa, vùng phủ sóng lên đến vài km ● Bảo mật cao với hai lớp bảo mật mã hóa AES, đảm bảo an toàn ● Dữ liệu có thể truyền tải liên tục, số lượng tin nhắn gửi đi trong này rất lớn gần như không giới hạn ● Mức tiêu thụ năng lượng thấp ● Tần số hoạt động miễn phí không cần trả phí cấp phép ● Kết nối hàng nghìn thiết bị đầu cuối chỉ với một Gateway Nhược điểm: ● Có thể gặp nhiễu sóng khi hoạt động trong môi trường có nhiều tần số mở. ● Tốc độ truyền dữ liệu chậm nên không phù hợp với các ứng dụng băng thông cao.
● Tải trọng dữ liệu hạn chế ở mức 100 byte nên không dành cho truyền dữ liệu tải trọng lớn Ứng dụng: LoRa thường được ứng dụng vào các công trình như: ● Quản lý giao thông, năng lượng, hệ hống đèn công cộng trong thành phố ● Trong nông nghiệp, LoRa được ứng dụng để giám sát thời tiết, theo dõi sức khỏe vật nuôi và bảo vệ an ninh trang trại ● Ở các tòa nhà, LoRa được dùng để giúp phát hiện sớm rò rỉ nước, hỏa hoạn và giám sát an ninh.3: Mô hình ứng dụng Lora giám sát chỉ số môi trường Mô hình Lora giám sát tương tự như hình 2.3 là một mô hình tiêu biểu. Mô hình được dùng để đo các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, mưa,… và điều khiển thiết bị. Các thông số đó sẽ được truyền qua Lora Gateway đến Cloud Sever.2 Mạng truyền thông không dây diện rộng công suất thấp LoRa LoRa là một công nghệ truyền thông không dây dựa trên kỹ thuật điều chế Spread- Spectrum, cụ thể là Chirp Spread Spectrum (CSS). Nhờ đặc tính này, LoRa có thể đạt được phạm vi phủ sóng lên đến hàng km mà không cần sử dụng các mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể khi truyền và nhận dữ liệu.
Băng tần hoạt động của LoRa nằm trong khoảng từ 433MHz đến 915MHz, tùy thuộc vào từng khu vực trên thế giới. Ở châu Á, băng tần 433MHz được sử dụng. Một đặc điểm nổi bật của công nghệ LoRa là khả năng cho phép nhiều thiết bị cùng hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng các tín hiệu Chirp với các tốc độ (Chirp rate) khác nhau, mỗi thiết bị sẽ hoạt động trên một kênh riêng biệt.[4] Các đặc trưng của điều chế LoRa: ● Khả năng mở rộng băng thông: LoRa có thể được sử dụng cho cả ứng dụng băng hẹp (narrowband) cũng như băng rộng (wideband), mang lại linh hoạt trong thiết kế.
8 ● Công suất phát thấp: Việc sử dụng tín hiệu Chirp giúp tín hiệu LoRa có thể dễ dàng được thu nhận, do đó công suất phát chỉ cần ở mức thấp, tiết kiệm năng lượng. ● Khả năng chống nhiễu tốt: Đặc tính của tín hiệu Chirp giúp LoRa có khả năng chống lại nhiễu tốt. ● Chống lại hiện tượng hao hụt tín hiệu (fading): Do băng thông tương đối rộng của tín hiệu Chirp, LoRa có khả năng chống lại hiện tượng hao hụt tín hiệu tốt hơn. Một số tham số của LoRa ● Hệ số lan truyền (Spreading Factor - SF): Tham số này xác định số lượng tín hiệu "chirp" được sử dụng để mã hóa từng bit dữ liệu, dao động từ 7 đến 12.
Khi SF càng cao, tín hiệu càng được "lan rộng" và khả năng chống nhiễu càng tốt, nhưng tốc độ dữ liệu sẽ giảm. ● Băng thông (Bandwidth - BW): Tham số này xác định độ rộng về tần số của mỗi tín hiệu "chirp", thường là 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz. Băng thông càng rộng, tốc độ dữ liệu càng cao. ● Tỷ lệ mã hóa (Coding Rate - CR): Là tỷ lệ bit dữ liệu thực tế so với tổng số bit được truyền, giúp khả năng sửa lỗi tốt hơn nhưng làm giảm tốc độ dữ liệu.
● Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (Received Signal Strength Indicator - RSSI): Là chỉ số đo mức công suất tín hiệu thu được, thường được đo bằng đơn vị dBm. Giá trị RSSI càng cao, tín hiệu càng mạnh. ● Tốc độ dữ liệu (Data Rate): Là số lượng bit được truyền trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào các tham số trên. ● Symbol rate: đại diện cho 1 hoặc nhiều bit tín hiệu.3 Nguyên lý hoạt động.
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS). Trong đó, dữ liệu sẽ được "băm" thành các xung cao tần1để tạo ra tín hiệu có dải tần số rộng hơn so với tín hiệu gốc. Sau đó, tín hiệu này sẽ được mã1hóa dưới dạng các "chirp signal" - các tín hiệu hình sin với tần số thay đổi theo thời gian.Có hai loại chirp signal được sử dụng: up-chirp (tần số 9 tăng dần) và down-chirp (tần số giảm dần). Các bit dữ liệu sẽ được biểu diễn bằng hai loại chirp này: Bit 1 sẽ dùng up-chirp, bit 0 sẽ dùng down-chirp.
Các chirp signal này sẽ được truyền đi qua ăng-ten, tạo ra một tín hiệu lan rộng về tần số. Việc sử dụng CSS giúp tín hiệu LoRa có khả năng chống nhiễu và xuyên qua các vật cản tốt hơn so với các kỹ thuật điều chế truyền thống khác.4: Tín hiệu up- chirp Theo Semtech, việc sử dụng CSS trong LoRa giúp giảm đáng kể độ phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao của mạch thu tín hiệu. Mạch thu không cần phải có độ phức tạp và độ chính xác quá cao để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu từ tín hiệu LoRa. Hơn nữa, kỹ thuật CSS trong LoRa còn giúp tín hiệu có thể truyền được ở khoảng cách xa, ngay cả khi công suất phát không quá lớn.
Tín hiệu LoRa vẫn có thể được thu nhận ở những khoảng cách xa, ngay cả khi độ mạnh của tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh. Điều này là nhờ vào việc tín hiệu LoRa được lan rộng về tần số và có độ dài xung cao hơn so với các kỹ thuật điều chế truyền thống.3 Công nghệ giao thức LoRaWAN 2.1 Khái niệm Giao thức LoRaWAN là một giao thức mạng không dây được phát triển để kết nối các thiết bị sử dụng công nghệ truyền thông tầm xa và tiết kiệm năng lượng. Nó áp dụng công nghệ LoRa và được chính thức quy định trong các thông số kỹ thuật LoRaWAN.