Nghiên Cứu Thiết Kế LoRa Relay Tại Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp kỹ thuật máy tính nghiên cứu thiết kế lora relay, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể cho vấn đề kỹ thuật.

• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Lê Huy
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Nghiên Cứu và Thiết Kế LoRa Relay
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan công nghệ
• 1.2. Công nghệ hiện tại
• 2. CHƯƠNG 2: LORAWAN VÀ LORA RELAY
• 2.1. Nguồn cảm hứng
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH LORA RELAY
• 3.1. Giới thiệu về các thành phần chính trong hệ thống
• 3.2. Phân tích hệ thống
• 3.3. Thiết kế mạch
• 3.4. Cấp phép chuyên tiếp
• 4. CHƯƠNG 4: ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT LORA RELAY
• 4.1. Các thông số trong truyền thông LoRa
• 4.2. Gần cửa sổ (5 điểm đo, đk1)
• 4.3. Gần tòa nhà cao tầng (5 điểm đo, đk2)
• 4.4. Dưới tán cây lớn (5 điểm đo, đk3)
• 4.5. Điều kiện lí tưởng, không bị che khuất (5 điểm đo, đk4)
• 4.6. Demo ngoài thực tế
• 4.7. Đánh giá hiệu suất và kết luận
• 4.8. Những tồn đọng của đề tài
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu và Thiết Kế LoRa Relay

Nghiên cứu và thiết kế LoRa Relay tại Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực Internet of Things (IoT). Công nghệ LoRa cho phép truyền thông không dây với khoảng cách xa và tiêu thụ năng lượng thấp. Việc thiết kế một hệ thống LoRa Relay giúp mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện khả năng kết nối cho các thiết bị IoT. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về công nghệ LoRa, các thách thức trong việc triển khai và những ứng dụng thực tiễn của nó.

1.1. Giới thiệu về công nghệ LoRa và LoRa Relay

Công nghệ LoRa (Long Range Radio) là một giải pháp truyền thông không dây, cho phép kết nối các thiết bị IoT với khoảng cách lên đến 30 km. LoRa Relay hoạt động như một cầu nối, giúp mở rộng vùng phủ sóng mà không cần lắp đặt thêm gateway. Điều này giúp giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng cho các ứng dụng IoT.

1.2. Tầm quan trọng của Nghiên cứu tại Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh

Nghiên cứu tại Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh không chỉ giúp nâng cao kiến thức về công nghệ LoRa, mà còn đóng góp vào việc phát triển các giải pháp truyền thông hiệu quả cho các ứng dụng trong nông nghiệp, giao thông và thành phố thông minh. Việc nghiên cứu và thiết kế LoRa Relay sẽ tạo ra những giá trị thực tiễn cho cộng đồng.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu LoRa Relay

Mặc dù công nghệ LoRa mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc triển khai LoRa Relay. Các vấn đề như khoảng cách truyền tín hiệu, độ nhạy của thiết bị và môi trường lắp đặt đều ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc hiểu rõ những thách thức này là cần thiết để phát triển các giải pháp hiệu quả.

2.1. Khoảng cách và độ nhạy tín hiệu trong LoRa

Khoảng cách truyền tín hiệu của LoRa có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như địa hình và vật cản. Độ nhạy tín hiệu cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng kết nối của các thiết bị. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số này để cải thiện hiệu suất của LoRa Relay.

2.2. Môi trường lắp đặt và ảnh hưởng đến hiệu suất

Môi trường lắp đặt có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống LoRa Relay. Các khu vực có nhiều vật cản như tòa nhà cao tầng hoặc cây cối dày đặc có thể làm giảm khả năng truyền tín hiệu. Việc nghiên cứu các giải pháp lắp đặt phù hợp là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

III. Phương pháp Nghiên cứu và Thiết kế LoRa Relay

Để phát triển một hệ thống LoRa Relay hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế khoa học. Việc sử dụng các mô hình mô phỏng và thực nghiệm sẽ giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Các phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết trong phần này.

3.1. Mô hình mô phỏng trong thiết kế LoRa Relay

Mô hình mô phỏng giúp đánh giá các tham số kỹ thuật của hệ thống LoRa Relay trước khi triển khai thực tế. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng sẽ giúp dự đoán hiệu suất và tối ưu hóa thiết kế, từ đó giảm thiểu rủi ro trong quá trình thực hiện.

3.2. Thực nghiệm và đánh giá hiệu suất

Thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm tra tính khả thi của thiết kế LoRa Relay. Các thử nghiệm sẽ được thực hiện trong các điều kiện khác nhau để đánh giá độ nhạy tín hiệu, khoảng cách truyền và tỷ lệ lỗi gói. Kết quả thực nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc cải tiến thiết kế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của LoRa Relay trong Nông nghiệp

Hệ thống LoRa Relay có thể được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. Việc sử dụng công nghệ này giúp giám sát và quản lý các thông số môi trường như độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn tiết kiệm tài nguyên.

4.1. Giám sát thông số môi trường trong nông nghiệp

Hệ thống LoRa Relay cho phép thu thập dữ liệu từ các cảm biến đặt trong ruộng, giúp nông dân theo dõi tình trạng cây trồng và điều chỉnh các yếu tố môi trường kịp thời. Việc này giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

4.2. Quản lý tưới tiêu thông minh

Với hệ thống LoRa Relay, nông dân có thể quản lý tưới tiêu một cách hiệu quả hơn. Dữ liệu từ cảm biến độ ẩm sẽ được truyền về trung tâm điều khiển, giúp tự động hóa quá trình tưới tiêu, tiết kiệm nước và giảm chi phí.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu LoRa Relay

Nghiên cứu và thiết kế LoRa Relay tại Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng IoT trong tương lai. Công nghệ này không chỉ giúp mở rộng vùng phủ sóng mà còn giảm chi phí lắp đặt. Tương lai của LoRa Relay hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho cộng đồng.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy LoRa Relay có khả năng mở rộng vùng phủ sóng hiệu quả, giảm thiểu tỷ lệ lỗi gói và tiết kiệm năng lượng. Những kết quả này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc cải tiến công nghệ LoRa Relay, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như giao thông thông minh và thành phố thông minh. Việc phát triển các giải pháp mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và khả năng kết nối cho các thiết bị IoT.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của Internet vạn vật (IoT) và mô hình truyền thông máy - máy (M2M) đặt ra yêu cầu kết nối hàng triệu thiết bị vật lý với phạm vi truyền dữ liệu rộng và mức tiêu thụ năng lượng thấp. Các công nghệ mạng không dây truyền thống bộc lộ những giới hạn rõ rệt khi áp dụng vào IoT quy mô lớn: mạng cá nhân không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 (như ZigBee, 6LoWPAN) có cự ly truyền ngắn, đòi hỏi cấu trúc định tuyến đa bước phức tạp; mạng Wi-Fi (IEEE 802.11) tiêu thụ công suất cao; mạng di động tế bào đòi hỏi chi phí vận hành tần số cấp phép và tiêu hao nhiều năng lượng từ nguồn pin. Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) xuất hiện như giải pháp khắc phục các hạn chế này, nổi bật với các công nghệ như SIGFOX, Ingenu RPMA và LoRa.

Công nghệ LoRa và giao thức LoRaWAN được thiết kế theo cấu trúc liên kết hình sao (star topology), trong đó các thiết bị đầu cuối (end-devices) truyền nhận trực tiếp với một hoặc nhiều cổng kết nối (gateway). Tuy nhiên, kiến trúc này bộc lộ nhược điểm khi các thiết bị đầu cuối đặt trong môi trường bị che khuất sâu trong nhà (deep indoor) hoặc tại khu vực ngoại thành, nông thôn. Dữ liệu thực nghiệm tại thành phố Oulu (Phần Lan) cho thấy trong đô thị, LoRa đạt cự ly tối ưu khoảng 5 km với tỷ lệ mất gói 15%, nhưng khi cự ly tăng lên 5–10 km, tỷ lệ rớt gói lên tới 33%. Để giải quyết vùng chết tín hiệu, phương án lắp đặt thêm gateway đòi hỏi chi phí thiết bị cao và bắt buộc phải có kết nối mạng IP (Ethernet, Wi-Fi hoặc 3G/4G) làm đường truyền chuyển tiếp (backhaul). Việc sử dụng thiết bị chuyển tiếp vô tuyến (LoRaWAN Relay hay Repeater) là hướng tiếp cận giúp giải quyết khó khăn về mặt triển khai và chi phí.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể:

1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ IoT, kiến trúc mạng LPWAN, kỹ thuật điều chế LoRa và giao thức LoRaWAN (đặc tả lớp MAC, các lớp thiết bị Class A, B, C và phương thức kích hoạt OTAA, ABP).
2. Tìm hiểu cơ chế mở rộng giao thức LoRaWAN Relay, kỹ thuật quét phát hiện hoạt động kênh (Channel Activity Detection - CAD) và cấu trúc gói tin đánh thức (wake-up sequence).
3. Thiết kế và chế tạo phần cứng thiết bị chuyển tiếp LoRa Relay hoạt động ở dải tần 923 MHz trên phần mềm KiCad, sử dụng vi điều khiển công suất cực thấp STM32L476RGTx, mô-đun thu phát LoRa E22 (SX1262), mô-đun GPS Quectel L86 và chuyển mạch RF SKY13408-465LF.
4. Triển khai phần mềm điều khiển trên môi trường Arduino IDE, tích hợp thiết bị lên hạ tầng máy chủ mạng The Things Network (TTN) theo chế độ cá nhân hóa (ABP).
5. Thực hiện đo đạc, đánh giá hiệu suất hệ thống thực tế về thông số truyền thông LoRa (độ nhạy RSSI, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR trên các hệ số trải phổ SF7–SF12), kiểm nghiệm truyền sóng trong nhà tại Tòa nhà E (Trường Đại học Công nghệ Thông tin - ĐHQG TP.HCM), ngoài trời theo điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và che khuất (NLOS), cùng khả năng thu nhận tín hiệu định vị của GPS.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết bị chuyển tiếp gói tin LoRaWAN (LoRa Relay / virtual gateway). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào băng tần LoRa 923 MHz, mô hình chuyển tiếp gói tin đường lên (uplink) từ thiết bị đầu cuối đến gateway thông thường thông qua cổng ảo relay và chuyển mạch ăng-ten định hướng dựa trên tọa độ GPS.

Cơ sở lý thuyết và công nghệ nền tảng

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ truyền thông không dây sau:

• Kỹ thuật điều chế LoRa (Long Range): Kỹ thuật trải phổ chirp độc quyền của Semtech, hoạt động ở dải tần vô tuyến sub-GHz. Băng thông lập trình gồm các mức 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz. Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF) trải từ SF7 đến SF12 có tính trực giao, cho phép nhiều thiết bị truyền đồng thời trên cùng tần số mà không gây nhiễu lẫn nhau. SF càng lớn thì độ nhạy thu và cự ly truyền càng tăng, nhưng tốc độ dữ liệu giảm và thời gian truyền trên không (Time on Air) tăng.
• Giao thức mạng LoRaWAN: Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) mã nguồn mở được chuẩn hóa bởi LoRa Alliance. Khóa luận tập trung vào ba lớp hoạt động: Class A (mỗi uplink mở hai cửa sổ nhận đường xuống ngắn RX1 và RX2 sau khoảng thời gian RECEIVE_DELAY1 = 1 giây và RECEIVE_DELAY2 = 2 giây); Class B (mở các khe nhận định kỳ đồng bộ bằng tín hiệu beacon); Class C (cửa sổ nhận mở liên tục khi không phát). Cấu trúc khung LoRaWAN gồm PHYPayload (Preamble, PHDR, PHDR-CRC, PHYPayload, CRC), chứa MAC Header, MAC Payload (Frame Header gồm DevAddr 32-bit, Frame Control, Frame Counter, Frame Options; Frame Port; Frame Payload) và mã toàn vẹn thông điệp MIC 4-byte theo chuẩn RFC 4493. Thủ tục kích hoạt thiết bị gồm kích hoạt qua mạng (OTAA) bằng cách trao đổi JoinRequest/JoinAccept tạo khóa phiên mạng (NetSessionKey) và khóa phiên ứng dụng (AppSessionKey) 128-bit AES, hoặc kích hoạt qua cá nhân hóa (ABP) nạp sẵn khóa và địa chỉ tĩnh.
• Cơ chế hoạt động LoRa Relay: Dựa trên mô hình chuyển tiếp bất đồng bộ. Thiết bị Relay liên tục quét xen kẽ (CAD) hai kênh wake-up theo chu kỳ 500 ms. Thiết bị đầu cuối bắt đầu truyền uplink LoRaWAN bằng một chuỗi wake-up (độ dài 1 giây khi khởi tạo hoặc rút ngắn xuống 60 ms khi đã đồng bộ). Gói wake-up truyền ở chế độ tiêu đề ngầm định (implicit header), mang các trường: DevAddr, CntDnw, Fcount, CH, MIC. Relay lọc địa chỉ thông qua danh sách cho phép (whitelist: DevEUI whitelist, DevAddr whitelist), sau đó đóng gói tải dữ liệu nhận được kèm thông số kênh, RSSI, SNR để chuyển tiếp lên máy chủ mạng.
• Hạ tầng máy chủ The Things Network (TTN): Nền tảng quản lý kết nối LoRaWAN mã nguồn mở toàn cầu, tiếp nhận dữ liệu định tuyến từ gateway qua kết nối Internet IP bảo mật bằng mã hóa đầu cuối (end-to-end encryption), phối hợp công cụ trực quan hóa bản đồ phủ sóng TTN Mapper.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai một hệ thống phần cứng chuyển tiếp LoRa Relay hoàn chỉnh, tách biệt thành hai khối mạch chức năng kết nối với nhau qua giao tiếp SPI đồng bộ tốc độ cao:

Khối phần cứng	Thành phần linh kiện chính	Chức năng kỹ thuật
Mạch bắt gói tin (Board 1)	- MCU: STM32L476RGTx - LoRa Module: E22-900T22S (Semtech SX1262) - Ăng-ten: Đa hướng (omni-directional)	Liên tục lắng nghe, bắt các gói tin đường lên từ các thiết bị đầu cuối LoRaWAN xung quanh; giải mã gói và chuyển dữ liệu sang mạch phát qua giao tiếp SPI1.
Mạch chuyển tiếp gói tin (Board 2)	- MCU: STM32L476RGTx - LoRa Module: E22-900T22S (Semtech SX1262) - GPS: Quectel L86 - RF Switch: SKY13408-465LF - Ăng-ten: Mảng định hướng (directional)	Tiếp nhận gói tin từ Board 1; thu nhận tọa độ không gian từ GPS để tính toán vị trí gateway gần nhất; điều khiển chip SKY13408 chuyển mạch sang ăng-ten định hướng tương ứng để phát chuyển tiếp gói tin đến gateway.

Thông số kỹ thuật của các linh kiện cốt lõi

• Vi điều khiển STM32L476RGTx: Lõi ARM Cortex-M4 32-bit RISC tích hợp FPU, tần số hoạt động 80 MHz, bộ nhớ Flash 1 MB, SRAM 128 KB. Nền tảng công nghệ FlexPowerControl hỗ trợ dải điện áp 1,71 V đến 3,6 V, tiêu thụ điện năng tối ưu: chế độ Run 84 µA/MHz, chế độ Stop 2 là 1,0 µA (1,28 µA kèm RTC), chế độ Standby 28 nA, chế độ Shutdown 8 nA.
• Mô-đun LoRa E22: Tích hợp vi mạch Semtech SX1262 thế hệ mới, hoạt động trong dải tần 850–930 MHz, công suất phát tối đa 22 dBm (160 mW), tốc độ truyền dữ liệu không dây từ 0,018 kbps đến 300 kbps, giao tiếp vi điều khiển qua chuẩn SPI, cự ly truyền lý thuyết đạt 6,9 km (với ăng-ten 5 dBi, độ cao 2 m trong điều kiện thoáng khí).
• Mô-đun GPS Quectel L86: Tích hợp chipset GNSS MediaTek MT3333, kích thước nhỏ gọn 18,4 × 18,4 × 4,0 mm, hỗ trợ kết hợp GPS L1 (1575,42 MHz) và GLONASS L1 (1601,71 MHz). Thiết bị sở hữu 33 kênh bám vết (tracking) và 99 kênh bắt tín hiệu (acquisition). Thời gian định vị lần đầu (TTFF) với công nghệ EASY: khởi động lạnh (Cold Start) < 30 giây, khởi động ấm (Warm Start) < 1 giây, khởi động nóng (Hot Start) < 1 giây. Điện áp hoạt động 3,3 V.
• Vi mạch chuyển mạch RF SKY13408-465LF: Bộ chuyển mạch công suất cao GaAs pHEMT Single-Pole Triple-Throw (SP3T), trở kháng kết thúc 50 $\Omega$, độ suy hao chèn thấp (insertion loss) 1,1 dB, độ cách ly ngõ tắt (isolation) danh định 24 dB, điện áp điều khiển logic từ 2,5 V đến 5 V.

Thiết kế mạch trên phần mềm KiCad và quy chuẩn chế tạo PCB

Hệ thống sơ đồ nguyên lý (Schematic) và bo mạch in (PCB) được thiết kế đồng bộ bằng bộ công cụ mã nguồn mở KiCad:

• Phân bổ giao tiếp trên MCU: Giao tiếp SPI1 được dành riêng để truyền thông liên khối giữa Mạch bắt gói tin và Mạch chuyển tiếp; giao tiếp SPI2 kết nối nội bộ từ MCU tới mô-đun LoRa E22; giao tiếp UART kết nối nhận chuỗi dữ liệu NMEA từ mô-đun GPS Quectel L86.
• Thiết kế mạch in RF: Sử dụng kỹ thuật đục lỗ via khâu (RF stitching vias) tạo hàng rào bao quanh các đường truyền cao tần nhằm giảm thiểu hiện tượng nhiễu xuyên âm (cross-talk) và can nhiễu điện từ (EMI). Đường dây cấp nguồn 3,3 V được thiết kế với độ rộng vệt đồng 5 mm; các đường truyền tín hiệu số và RF đạt kích thước 3,81 mm. Hai bo mạch được xếp chồng theo chiều dọc (mạch bắt gói tin nằm phía trên, mạch phát chuyển tiếp nằm phía dưới).
• Quy chuẩn bố trí ăng-ten GPS patch: Mô-đun L86 được đặt cách mép bo mạch tối thiểu 5 mm (ưu tiên đặt tại trung tâm bo mạch); mặt phẳng tiếp đất (ground plane) xung quanh mô-đun được phủ đồng diện tích 30 × 30 mm, hướng bức xạ của ăng-ten gốm vuông góc hướng lên trời, điểm cấp nguồn RF được thiết kế cách ly hoàn toàn trên từng lớp PCB với bán kính ngăn cách không nhỏ hơn 2,5 mm.

Cài đặt và tích hợp phần mềm

Chương trình nhúng được phát triển trên nền tảng Arduino IDE. Thiết bị được cấu hình hoạt động theo phương thức ABP trên mạng The Things Network. Để phục vụ việc theo dõi và kiểm tra đối chiếu hiệu năng chuyển tiếp, tác giả cấu hình vô hiệu hóa cơ chế kiểm tra bộ đếm khung (Disable Frame Counter Checks) trên giao diện quản trị TTN. Nhờ vậy, máy chủ TTN có thể tiếp nhận và ghi nhận gói tin hai lần: một gói nhận trực tiếp từ gateway thông thường (nếu nằm trong tầm phủ sóng) và một gói được gửi lại thông qua "cổng ảo" LoRa Relay.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan công nghệ

Chương 1 khái quát bối cảnh phát triển của Internet of Things và các đặc trưng cơ bản: mô hình truyền thông máy - máy (M2M), yêu cầu truyền thông không dây diện rộng, khả năng mở rộng kết nối hàng loạt thiết bị, yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp, tính năng cắm và chạy (Place and Play), cùng chi phí sản xuất thấp. Tác giả tiến hành khảo sát và so sánh các công nghệ mạng hiện có:

• Chuẩn IEEE 802.15.4 (ZigBee, 6LoWPAN): giá thành và năng lượng thấp nhưng phạm vi phủ sóng ngắn, buộc phải sử dụng kiến trúc mạng lưới đa bước (multi-hop) phức tạp.
• Wi-Fi (IEEE 802.11) và IEEE 802.11ah: chuẩn thông dụng nhưng tiêu tốn công suất lớn, không tối ưu cho thiết bị chạy pin.
• Mạng di động (Cellular / LTE-M): vùng phủ sóng rộng nhưng chi phí vận hành băng tần cấp phép cao và tiêu hao pin lớn.
• Các công nghệ LPWAN: SIGFOX (sử dụng băng cực hẹp UNB, mô hình mạng đóng độc quyền, hỗ trợ cự ly 30–50 km ở nông thôn và 3–10 km ở thành thị); Ingenu (công nghệ RPMA băng tần 2,4 GHz); LoRa (kỹ thuật trải phổ chirp của Semtech, khả năng chống phai màu đa đường và hiệu ứng Doppler cao, tầm phủ sóng đô thị từ 5 km đến 10 km).

Chương 2. LoRaWAN và LoRa Relay

Chương này đi sâu vào phân tích kiến trúc mạng LoRaWAN:

• Cấu trúc liên kết mạng hình sao: Gateway làm cầu nối chuyển tiếp bản tin giữa các thiết bị đầu cuối và Network Server trung tâm qua giao thức TCP/IP bảo mật SSL/AES. Tốc độ dữ liệu LoRa nằm trong dải từ 0,3 kbps đến 50 kbps, được quản lý bằng cơ chế tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR).
• Các lớp thiết bị LoRaWAN: Class A (tiết kiệm điện tối đa, mở cửa sổ thu RX1 và RX2 theo sau mỗi lần phát), Class B (mở thêm khe nhận theo lịch trình đèn hiệu beacon), Class C (cửa sổ thu mở liên tục, tiêu tốn năng lượng cao nhất).
• Định dạng bản tin: Chi tiết cấu trúc PHYPayload, MAC Header, MAC Payload, Frame Header (DevAddr, FCtrl, FCnt, FOpts), các lệnh MAC commands trao đổi nội bộ. Hai phương thức kích hoạt mạng: OTAA (sử dụng AppEUI, DevEUI, DevNonce, tạo phiên làm việc động) và ABP (cấu hình sẵn DevAddress, NetSessionKey, AppSessionKey).
• Giao thức mở rộng LoRa Relay: Trình bày nguyên tắc thiết kế nút chuyển tiếp LoRa Relay. Relay hoạt động bất đồng bộ, quét CAD định kỳ 500 ms trên 2 kênh wake-up. Trình tự wake-up mã hóa số kênh (CH) và tốc độ dữ liệu (Data Rate - DR) của gói tin LoRaWAN theo sau. Cơ chế quản lý Relay application layer dựa trên danh sách trắng (whitelist) DevEUI và DevAddr để lọc và cho phép gói tin được đóng gói chuyển tiếp. Tích hợp máy chủ The Things Network để quản lý và định tuyến dữ liệu.

Chương 3. Thiết kế mạch LoRa Relay

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế phần cứng hệ thống:

• Phân tích và đề xuất kiến trúc hệ thống 2 tầng: Mạch bắt gói tin (MCU STM32L476RGTx, LoRa E22 SX1262, ăng-ten đa hướng) thu thập dữ liệu từ thiết bị đầu cuối và truyền qua bus SPI1 sang Mạch chuyển tiếp gói tin (MCU STM32L476RGTx, LoRa E22, GPS Quectel L86, chuyển mạch SKY13408-465LF điều khiển mảng ăng-ten định hướng).
• Giới thiệu chi tiết thông số kỹ thuật của từng thành phần linh kiện: MCU STM32L476RGTx nền tảng ARM Cortex-M4, mô-đun LoRa E22 công suất 22 dBm, mô-đun GPS L86 độ nhạy cao, switch RF SP3T SKY13408.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) trên KiCad cho mạch bắt gói tin, mạch phát gói tin, khối nguồn và khối chuyển đổi tín hiệu ngoại vi.
• Thiết kế bo mạch in (PCB) trên KiCad: áp dụng kỹ thuật RF stitching vias để triệt tiêu nhiễu điện từ, quy chuẩn vệt đồng nguồn 5 mm và vệt tín hiệu 3,81 mm, thiết kế mặt phẳng tiếp đất 30 × 30 mm riêng biệt cho ăng-ten patch của mô-đun GPS L86.
• Cài đặt firmware nhúng qua Arduino IDE, thiết lập các tham số mạng ABP, cấu hình mã nguồn chuyển tiếp và vô hiệu hóa Frame Counter Checks trên The Things Network.

Chương 4. Đo đạc và đánh giá hiệu suất LoRa Relay

Chương 4 thực hiện các chuỗi thực nghiệm nhằm xác định tham số hoạt động tối ưu của thiết bị:

• Thực nghiệm truyền thông LoRa: Đo lường mức tiêu thụ năng lượng, kiểm tra cự ly giao tiếp và tỷ lệ mất gói với các hệ số trải phổ từ SF7 đến SF12.
• Thực nghiệm trong nhà: Triển khai kiểm tra khả năng bắt sóng và chuyển tiếp xuyên tầng giữa các vị trí khác nhau tại Tòa nhà E, Trường Đại học Công nghệ Thông tin - ĐHQG TP.HCM. Đo đạc độ nhạy tín hiệu (RSSI) và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tương ứng với từng hệ số SF.
• Thực nghiệm ngoài trời: Tiến hành kiểm tra cự ly truyền thông trong hai điều kiện: môi trường tầm nhìn thẳng (LOS) và môi trường bị che khuất (NLOS), ghi nhận dữ liệu định vị và lập bản đồ phủ sóng thông qua TTN Mapper.
• Khảo sát hiệu năng định vị của GPS Quectel L86 qua 4 kịch bản thực tế: đo gần cửa sổ (5 điểm đo), đo gần tòa nhà cao tầng (5 điểm đo), đo dưới tán cây lớn (5 điểm đo), và đo trong điều kiện tiêu chuẩn lý tưởng không bị che khuất (5 điểm đo) nhằm so sánh số lượng vệ tinh (SIV) và thời gian chốt vị trí đầu tiên (TTFF).

Chương 5. Đánh giá hiệu suất và kết luận

Tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo và thử nghiệm phần cứng LoRa Relay. Thiết bị hoạt động ổn định ở dải tần 923 MHz, đóng vai trò như một gateway ảo giúp mở rộng vùng phủ sóng LoRaWAN hiệu quả mà không cần lắp đặt thêm gateway kết nối Internet. Chương này cũng chỉ ra những hạn chế tồn đọng trong quá trình thực hiện đề tài và định hướng phát triển trong tương lai.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả đo đạc thực nghiệm

1. Khảo sát truyền sóng LoRa theo các hệ số trải phổ (Spreading Factor): Thực nghiệm được thiết lập trên dải tần 923 MHz nhằm thu thập độ nhạy thu tín hiệu (RSSI tính bằng dBm) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR tính bằng dB) qua các mức cấu hình SF7, SF8, SF9, SF10, SF11, SF12:
   • Các mức SF nhỏ (SF7, SF8) cho tốc độ truyền cao, độ trễ trên không thấp nhưng độ nhạy suy giảm nhanh khi gặp vật cản hoặc khoảng cách xa.
   • Các mức SF lớn (SF11, SF12) tăng cường độ nhạy máy thu và duy trì liên kết ổn định ở môi trường xuyên tầng tại Tòa nhà E và môi trường NLOS ngoài trời, chấp nhận thời gian truyền gói kéo dài.
2. Khảo nghiệm môi trường truyền dẫn:
   • Môi trường trong nhà (Indoor): Thiết bị chuyển tiếp giải quyết tình trạng mất liên lạc của các nút cảm biến đặt sâu trong phòng kín hoặc xuyên qua nhiều tầng bê tông của Tòa nhà E ĐH CNTT; gói tin được thu nhận và chuyển tiếp thành công đến gateway chính.
   • Môi trường ngoài trời (LOS và NLOS): Kết quả kiểm tra hiển thị trên công cụ TTN Mapper cho thấy việc tích hợp mảng ăng-ten định hướng chuyển mạch giúp cải thiện mức tín hiệu RSSI truyền về gateway từ các vị trí che khuất so với ăng-ten đa hướng thông thường.
3. Đánh giá hiệu năng mô-đun GPS Quectel L86: Khóa luận tiến hành đo đạc 20 mẫu thực nghiệm phân bổ đều trên 4 điều kiện môi trường hoạt động:

Kịch bản đo đạc GPS	Số điểm đo	Tình trạng thu nhận vệ tinh (SIV)	Khả năng hoạt động và TTFF
Gần cửa sổ (ĐK1)	5	Bắt được lượng vệ tinh mức trung bình; tín hiệu bị che chắn một phía bởi tường nhà.	TTFF kéo dài hơn mức danh định; vị trí chốt có sai số nhẹ do phản xạ đa đường.
Gần tòa nhà cao tầng (ĐK2)	5	Tín hiệu góc ngẩng thấp bị chặn bởi khối bê tông; số lượng vệ tinh hạn chế.	Định vị được nhưng thời gian bắt sóng ban đầu phụ thuộc vào khe thoáng góc trời.
Dưới tán cây lớn (ĐK3)	5	Suy hao tín hiệu do tán lá và độ ẩm thực vật; số lượng vệ tinh dao động.	Duy trì bám vết (tracking) ổn định sau khi đã chốt vị trí.
Điều kiện lý tưởng (ĐK4)	5	Tầm nhìn thoáng hoàn toàn, bắt số lượng vệ tinh (SIV) tối đa.	Thời gian chốt vị trí (TTFF) đạt mức tối ưu (< 30s với Cold Start, < 1s với Hot Start).

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

• Chế tạo thành công thiết bị phần cứng LoRa Relay hoàn chỉnh hoạt động trên dải tần 923 MHz, làm việc như một gateway ảo (virtual gateway) trung gian giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ The Things Network.
• Đề xuất kiến trúc phần cứng phân tách hai mạch độc lập (Mạch bắt gói tin đa hướng và Mạch phát gói tin định hướng) liên kết qua chuẩn bus SPI, giúp vi điều khiển xử lý chuyên biệt việc bắt gói bất đồng bộ mà không làm gián đoạn quá trình phát chuyển tiếp.
• Tích hợp thành công mô-đun GPS Quectel L86 và IC chuyển mạch cao tần SKY13408-465LF, tạo cơ sở phần cứng tự động định hướng búp sóng ăng-ten phát về phía gateway LoRaWAN gần nhất.
• Cung cấp tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm về độ suy hao tín hiệu LoRa (RSSI, SNR) xuyên tầng và kiểm nghiệm hoạt động của GPS trong các môi trường che khuất thực tế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận thẳng thắn ghi nhận những tồn đọng kỹ thuật trong quá trình thực hiện:

• Phương thức xác thực: Hệ thống thử nghiệm chủ yếu được cấu hình và vận hành theo cơ chế cá nhân hóa (ABP) và phải vô hiệu hóa tính năng kiểm tra bộ đếm khung (Frame Counter Checks) trên server TTN để phục vụ demo nhận lặp gói. Chưa triển khai hoàn chỉnh cơ chế chuyển tiếp tự động cho phương thức kích hoạt qua mạng (OTAA) có xử lý hoàn chỉnh các bản tin JoinRequest và JoinAccept trong môi trường thực tế.
• Quản lý danh sách thiết bị: Danh sách trắng (whitelist) nhận diện thiết bị chuyển tiếp (DevEUI, DevAddr) mới chỉ được cấu hình cố định trong mã nguồn nhúng với số lượng nút hỗ trợ hạn chế (hỗ trợ tối đa 3 thiết bị trong bản demo), chưa có giao diện cấu hình động từ xa thông qua lệnh đường xuống (downlink MAC commands).
• Thiết kế phần cứng: Thiết kế hai bo mạch riêng biệt khiến kích thước tổng thể của thiết bị còn tương đối lớn, chưa được đóng gói chống nước chuẩn công nghiệp để triển khai lâu dài ngoài trời.
• Tiêu thụ năng lượng: Mạch bắt gói tin phải duy trì trạng thái lắng nghe liên tục, chưa áp dụng triệt để các chế độ ngủ sâu (Stop 2 mode) của STM32L476RGTx để tối ưu hóa năng lượng cho nguồn nuôi bằng pin độc lập.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Tích hợp hoàn thiện giao thức hỗ trợ cả hai phương thức kết nối OTAA và ABP, xử lý tự động việc chuyển đổi giữa kết nối trực tiếp qua gateway và kết nối qua relay khi vùng phủ sóng thay đổi.
• Thu nhỏ kích thước phần cứng, tích hợp hai khối mạch lên một bo mạch in duy nhất và bổ sung mạch quản lý năng lượng mặt trời.
• Tối ưu hóa thuật toán định hướng phát ăng-ten tự động dựa trên giải thuật tính góc phương vị từ tọa độ GPS của Relay và Gateway.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận tốt nghiệp mang lại giá trị tham khảo chuyên môn rõ nét:

• Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống Nhúng và Kỹ thuật IoT đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về mạng không dây công suất thấp hoặc thiết bị chuyển tiếp tín hiệu.
• Phần nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao:
  • Chương 2: Cung cấp tài liệu chi tiết về đặc tả lớp MAC của LoRaWAN, cấu trúc các trường trong gói tin vô tuyến và nguyên lý triển khai cơ chế LoRa Relay mở rộng.
  • Chương 3: Bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic) và layout mạch in (PCB) trên KiCad là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các thiết kế phần cứng vi điều khiển ARM Cortex-M4 kết hợp mô-đun RF sub-GHz, đặc biệt là kỹ thuật đi dây cao tần, xử lý hàng rào via khâu (RF stitching vias) và quy chuẩn cách ly mặt đất cho ăng-ten GPS patch.
  • Chương 4: Quy trình đo kiểm thực tế, phương pháp khảo sát thông số truyền dẫn vô tuyến (RSSI, SNR) theo từng hệ số Spreading Factor và phương pháp đánh giá định vị GPS trong các điều kiện môi trường che khuất khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại tách phần cứng LoRa Relay thành hai khối mạch riêng biệt thay vì tích hợp trên một mạch đơn?

Trong kiến trúc LoRaWAN Relay, thiết bị phải thực hiện hai nhiệm vụ song song có tính chất truyền thông trái ngược: Mạch bắt gói tin phải liên tục quét và lắng nghe tín hiệu từ các end-node thông qua ăng-ten đa hướng, trong khi Mạch chuyển tiếp phải xử lý dữ liệu GPS, điều khiển chip chuyển mạch RF SKY13408 và kích hoạt phát công suất cao qua ăng-ten định hướng. Việc tách thành hai khối phần cứng độc lập (mỗi khối sở hữu một MCU STM32L476RGTx và một mô-đun LoRa E22 riêng, liên kết qua bus SPI) giúp tránh xung đột tài nguyên vi điều khiển, đảm bảo mạch bắt gói không bị bỏ sót gói tin của các thiết bị đầu cuối trong thời gian mạch phát đang bận truyền dữ liệu lên gateway.

2. Mô-đun LoRa E22 sử dụng chip thu phát nào và sở hữu các thông số kỹ thuật chính ra sao?

Mô-đun LoRa E22 trong khóa luận sử dụng vi mạch thu phát Semtech SX1262 thế hệ mới. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm: hoạt động trong dải tần 850–930 MHz, công suất phát cực đại 22 dBm, tốc độ dữ liệu không dây đạt từ 0,018 kbps đến 300 kbps, giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn SPI, dải điện áp cung cấp từ 1,8 V đến 3,7 V, khối lượng 1,5 g và cự ly truyền thông đạt tối đa 6,9 km trong môi trường thông thoáng chuẩn với ăng-ten độ lợi 5 dBi đặt ở độ cao 2 m.

3. Tác giả đã áp dụng các kỹ thuật thiết kế PCB nào trên KiCad để đảm bảo chất lượng truyền tín hiệu RF?

Tác giả đã áp dụng kỹ thuật đục lỗ via khâu (RF stitching vias) bố trí thành các hàng rào dọc theo đường dẫn truyền sóng nhằm giảm thiểu hiện tượng nhiễu xuyên âm và can nhiễu điện từ. Độ rộng đường mạch cấp nguồn 3,3 V được thiết kế lớn đạt 5 mm để ổn định dòng cấp khi mô-đun phát công suất cao; đường mạch tín hiệu đạt kích thước 3,81 mm. Đối với khối GPS L86, mô-đun được bố trí cách mép bo mạch tối thiểu 5 mm, thiết kế mặt phẳng tiếp đất (ground plane) riêng biệt có diện tích 30 × 30 mm xung quanh mô-đun, và giữ bán kính cách ly tại điểm cấp nguồn ăng-ten patch không nhỏ hơn 2,5 mm trên từng lớp đồng.

4. Vai trò của mô-đun GPS Quectel L86 và chip chuyển mạch SKY13408 trong hệ thống là gì?

Mô-đun GPS Quectel L86 có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu định vị vệ tinh GNSS (kinh độ, vĩ độ) của thiết bị chuyển tiếp và truyền về vi điều khiển qua giao tiếp UART. Dựa trên tọa độ thực tế này kết hợp với vị trí cố định đã biết của gateway LoRaWAN, vi điều khiển tính toán hướng truyền tối ưu và xuất tín hiệu logic điều khiển bộ chuyển mạch cao tần SKY13408-465LF (loại SP3T GaAs pHEMT). Chip chuyển mạch này sẽ kích hoạt búp sóng của ăng-ten định hướng quay về đúng hướng gateway, giúp tăng cự ly truyền và chất lượng liên kết tín hiệu so với phát đa hướng.

5. Tại sao khi thử nghiệm demo trên The Things Network, tác giả phải tắt tính năng Frame Counter Checks?

Trên hệ thống The Things Network, bộ đếm khung (Frame Counter) dùng để chống tấn công phát lại (replay attack): máy chủ sẽ loại bỏ bất kỳ gói tin nào có chỉ số bộ đếm khung nhỏ hơn hoặc bằng gói tin đã nhận trước đó. Trong kịch bản thử nghiệm của đề tài, một gói tin uplink từ thiết bị đầu cuối có thể được gateway mạng thu trực tiếp, đồng thời cũng được thu bởi LoRa Relay rồi phát chuyển tiếp lên mạng lần thứ hai với cùng một mã khung. Do đó, tác giả bắt buộc phải tắt tính năng "Frame Counter Checks" trên cấu hình thiết bị ABP của bảng điều khiển TTN để quan sát được cả hai luồng gói tin trên máy chủ, từ đó đối chiếu và đánh giá chính xác hoạt động của cổng ảo relay.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Điền Thanh Huy đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị phần cứng LoRa Relay hoạt động ở băng tần 923 MHz nhằm mở rộng vùng phủ sóng LoRaWAN cho các khu vực bị che khuất sâu. Bằng việc phân tách kiến trúc thành hai khối vi điều khiển STM32L476RGTx kết hợp mô-đun LoRa E22 SX1262 và chuyển mạch ăng-ten định hướng dựa trên tọa độ GPS Quectel L86, hệ thống chứng minh khả năng chuyển tiếp gói tin hiệu quả lên hạ tầng The Things Network. Các kết quả đo đạc thực nghiệm trong nhà tại Tòa nhà E ĐH CNTT và ngoài trời cung cấp dữ liệu giá trị về độ suy hao tín hiệu LoRa xuyên tầng và hiệu năng thu nhận vệ tinh trong điều kiện thực tế. Mặc dù còn hạn chế về kích thước phần cứng và việc hỗ trợ giao thức kích hoạt OTAA động, đề tài là một tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho lĩnh vực nghiên cứu và triển khai thiết bị IoT công suất thấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bay tổng quan về các công nghệ hiện tại có sẵn cho internet vạn vật, tập trung vào Power Wide Area Networks (LPWAN) mới và đầy hứa hẹn và đặc biệt là trên LoRa. Trong chương 2, trọng tâm được chuyển sang LoRaWAN, lớp MAC mở hoạt động trên LoRa, tóm tắt các tính năng chính và trình bày các điểm mạnh của giao thức. Hơn nữa, cơ sở hạ tầng máy chủ, cần thiết dé quản lý mạng LoRaWAN, được phân tích cùng với giao thức tin nhắn được sử dụng để làm cho tất cả các thành phan giao tiếp. Trinh bay giao thức mới được thiết kế dé cho phép truyền thông dựa trên chuyên tiếp trong mạng LoRaWAN.

Chương 3 sẽ trình bày việc thiết kế mạch LoRa Relay trên phần mềm kicad. Thiết kế hệ thống nhiều antenna định hướng trong ứng dung Relay, sử dung GPS dé xác định gateway gần nhất và chuyển tiếp gói tin từ thiết bị đến nó thông qua antenna định hướng, thiệt kê antenna rời. Chương 4 Kết quả được báo cáo thông qua một loạt các đo đạc: power consumtion, range comunication, GPS. Sau đo đạc sẽ có kết luận và hướng phát triên.

Chương 5 Kết luận và hướng phát trién tiếp theo của dé tài khóa luận. LoRaWan và LoRa Relay 2. LoRaWan Chương này mô tả giao thức mạng LoRaWAN được tối ưu hóa cho các thiết bị đầu cuối chạy bằng pin. Mạng LoRaWAN thường được bố trí theo cấu trúc liên kết hình sao trong đó các công chuyền tiếp thông báo giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ mạng trung tâm ở phan phụ trợ.

Các cổng được kết nối với máy chủ mạng thông qua các kết nói IP tiêu chuẩn trong khi thiết bị đầu cuối sử dụng giao tiếp LoRa hoặc FSK với một hoặc nhiều công. Tắt cả giao tiếp nói chung là hai chiều, mặc dù giao tiếp đường lên từ thiết bị đầu cuối đến máy chủ mạng được mong đợi là lưu lượng chủ yếu. LoRa" RF TCP/IP SSL TCP/IP SSL LoRaWANTM LoRaWANTM Secure Payload AES Secured Pavload Hình 1 Kiến trúc LoRaWan Giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và công kết nối được trải rộng trên các kênh tần số và tốc độ dữ liệu khác nhau. Việc lựa chọn tốc độ dữ liệu là sự cân băng giữa phạm vi truyền thông và thời lượng tin nhắn, các thông tin liên lạc với tốc độ dit liệu khác nhau không ảnh hưởng lẫn nhau.

Tốc độ dữ liệu LoRa nằm trong khoảng từ 0,3 kbps đến 50 kbps. Dé tối đa hóa cả tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối và dung lượng mạng tổng thé, cơ sở hạ tầng mạng LoRa có thể quản lý tốc độ đữ liệu và đầu |© ra RF cho từng thiết bị đầu cuối riêng lẻ bằng phương pháp tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR). Các lớp LoRaWAN LoRaWAN xác định ba lớp hoạt động, trong đó chỉ Lớp A phải được triển khai bắt buộc trên tất cả các thiết bị tương thích với LoRaWAN. Nhờ chính sách này, chúng tôi có một bộ tính năng cơ bản có mặt trên tất cả các thiết bị đầu cuối của LoRaWAN, giữ cho cả độ phức tạp về kiến trúc và chi phí sản xuất ở mức thấp nhất có thê.

Ngoài lớp cơ bản, hai phương thức hoạt động phức tạp hơn đã được xác định với mục đích tách các đường truyền xuôi dong khỏi các đường truyền thượng nguồn. Do hai chế độ nâng cao nảy có thé tốn kém hơn dé thiết kế, sản xuất và bảo trì, nên chỉ những thiết bị đầu cuối yêu cầu mạnh mẽ các tính năng này mới được thực hiện. Class A: bi-directional end-devices ( thiết bị đầu cuối hai chiều) Trong giao tiếp Lớp A, mỗi lần truyền đường lên của thiết bị đầu cuối được theo sau bởi hai cửa số nhận đường xuống ngắn.