Giới thiệu dự án

Sự bùng nổ của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và xu hướng phát triển đô thị thông minh (Smart City), nhà máy thông minh (Smart Factory) đang thúc đẩy mạng lưới Internet of Things (IoT) phát triển với tốc độ chưa từng có. Theo các báo cáo thống kê công nghệ, đến năm 2025 toàn cầu ước tính vận hành hơn 30 tỷ thiết bị IoT, trong đó khoảng 25% phụ thuộc vào các công nghệ mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN - Low Power Wide Area Network). Trong số các công nghệ LPWAN, LoRaWAN nổi lên như một chuẩn truyền thông hàng đầu nhờ tầm phủ sóng xa từ 2 km đến 15 km trong điều kiện tiêu chuẩn, khả năng chống nhiễu vượt trội và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp.

Tuy nhiên, khi triển khai thực tế tại các khu vực đô thị có mật độ nhà cao tầng dày đặc, các vùng trũng địa hình phức tạp hoặc nông trại quy mô hàng trăm hecta, sóng vô tuyến LoRaWAN (băng tần AS923 / 920–925 MHz) đối mặt với hiện tượng suy hao đường truyền (Path Loss), phản xạ đa đường (Multipath Fading) và che khuất vật lý (Non-Line-of-Sight - NLOS). Điều này làm tỷ lệ mất gói tin (PLR - Packet Loss Rate) tăng vọt lên tới 40–60%, đồng thời chỉ số cường độ tín hiệu thu (RSSI) và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) giảm sâu dưới ngưỡng giải mã của Gateway. Việc gia tăng số lượng Gateway thu phát đa kênh truyền thống (như Gateway 8/16 kênh) làm phát sinh chi phí đầu tư hạ tầng mạng, kéo cáp mạng/PoE và chi phí vận hành nguồn điện lưới đắt đỏ.

+----------------+      Uplink (AS923)      +-----------------------------+      LoRaWAN / IP      +-------------------+
|  End-Node LoRa | -----------------------> | Solar LoRaWAN Relay         | ---------------------> | LoRaWAN Gateway   |
| (DKBlue / Sen) | <----------------------- | (STM32L476 + SX1262 + SP4T) | <--------------------- | (RAK7240 WisGate) |
+----------------+      Downlink ACK        +-----------------------------+      Downlink (ACK)    +-------------------+
                                                           |
                                                +--------------------+
                                                | 1x Omni + 3x Dir   |
                                                | Multi-Antenna 120° |
                                                +--------------------+

Mục tiêu của dự án

  1. Thiết kế và chế tạo phần cứng Solar Relay chuyên dụng: Tích hợp vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng STM32L476xx, transceiver LoRa SX1262 (E22-900M22S), bộ chuyển mạch cao tần RF Switch SP4T (SKY13414-485LF), module định vị Quectel L86 GNSS và mạch quản lý sạc năng lượng mặt trời công nghệ MPPT (CN3791) nạp cho cell pin Lithium 18650.
  2. Nghiên cứu và phát triển hệ thống antenna hỗn hợp: Kết hợp 01 antenna đẳng hướng (Omnidirectional) để bao quát tín hiệu quét và 03 antenna định hướng (Directional - sector $120^\circ$) nhằm tăng cường độ lợi thu phát (Gain $> 6\text{ dBi}$) hướng trực tiếp về phía nguồn phát.
  3. Hiện thực hóa giải thuật định hướng và tối ưu năng lượng: Xây dựng giải thuật tính toán vector hướng dựa trên tọa độ GPS (Great-Circle Bearing) và cơ chế đo kiểm phân tập phân tích RSSI/SNR theo chu kỳ yêu cầu (Request Probing - RFRQ/RQFI), kết hợp quản lý trạng thái ngủ sâu (Deep Sleep) và cắt nguồn ngoại vi (Power Gating) để hệ thống vận hành tự chủ $24/7$.
  4. Đo đạc, thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm: Kiểm thử hệ thống trong khuôn viên Đại học Công nghệ Thông tin (UIT - ĐHQG TP.HCM) và khu vực lân cận, định lượng tỷ lệ suy giảm PLR, cải thiện RSSI/SNR và lập biểu đồ phân tích tiêu thụ năng lượng theo các mức Duty Cycle (1% đến 10%).

Phương pháp tiếp cận và kết quả kỳ vọng

Đề tài tiếp cận theo hướng "Store-and-Forward" kết hợp phân tập không gian antenna thích ứng (Spatial Antenna Diversity). Khi End-Node phát tín hiệu, Relay sẽ bắt gói tin, giải mã địa chỉ thiết bị (Device MAC), xác định hướng antenna tối ưu, đóng gói lại khung truyền LoRaWAN tiêu chuẩn $\le 16\text{ bytes}$ và chuyển tiếp (Forward) lên Gateway RAK7240 kết nối The Things Network (TTN Stack v3).

Kết quả kỳ vọng định lượng:

  • Giảm tỷ lệ mất mát gói tin từ mức $> 45%$ (khi truyền trực tiếp bị che khuất) xuống còn $< 5%$ thông qua Relay.
  • Tăng chỉ số RSSI trung bình từ $-115\text{ dBm}$ lên $-85\text{ dBm} \div -90\text{ dBm}$.
  • Thời gian hoạt động độc lập không cần bảo trì $> 30\text{ ngày}$ trong điều kiện thời tiết âm u nhờ thuật toán định thời tiết kiệm năng lượng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nghiên cứu so sánh các giải pháp mở rộng tầm phủ sóng vô tuyến LoRaWAN hiện hữu trên thị trường và trong các công bố khoa học quốc tế:

Tiêu chí so sánh Triển khai thêm Gateway (Multi-Gateway) LoRa Node Relay đơn ăng-ten (RN2483 - [3]) Industrial e-Node Relay ([4]) Giải pháp Solar Multi-Antenna Relay (Đề tài)
Chi phí phần cứng (BOM) Rất cao ($> $350/\text{trạm}$) Thấp ($\approx $25$) Trung bình ($\approx $90$) Tối ưu ($\approx $45 - $55$)
Nguồn điện vận hành Điện lưới 220VAC / PoE Pin sơ cấp (thời lượng ngắn) Nguồn công nghiệp 24VDC Năng lượng mặt trời + Pin 18650 ($24/7$)
Khả năng định hướng Không (Omni 360°) Không (1 Omni antenna) Không Có (1 Omni + 3 Directional SP4T)
Độ lợi tín hiệu (Gain) $2 - 3\text{ dBi}$ $1.5 - 2\text{ dBi}$ $2\text{ dBi}$ $6 - 9\text{ dBi}$ (chế độ Directional)
Tối ưu hóa NLOS / Blind spot Trung bình Kém Trung bình Rất cao (bù suy hao góc khuất)
Hạ tầng kết nối phụ trợ Cần Internet (LTE/Wi-Fi/Eth) Cần Gateway trung gian Cần mạng backbone Hoạt động vô tuyến $100%$ không dây

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Chuyển tiếp trong suốt khung dữ liệu LoRaWAN Class A; Chuyển mạch RF SP4T $50\ \Omega$ không gây méo tín hiệu; Cơ chế sạc bảo vệ quá áp/xả sâu cho cell Lithium 18650 qua IC CN3791; Thuật toán tính góc phương vị từ 2 điểm GPS.
  • Should have (Nên có): Cơ chế định hướng phụ trợ bằng cường độ tín hiệu RSSI khi Node không trang bị GPS (RFRQ/RQFI); Lưu trữ bảng ánh xạ Node-Antenna vào bộ nhớ EEPROM để tránh tính toán lại.
  • Could have (Có thể có): Giao diện Dashboard Losant tích hợp bản đồ GIS hiển thị điện áp pin và trạng thái Node theo thời gian thực; Power gating ngắt nguồn module GPS bằng P-MOSFET khi không có tác vụ.
  • Won't have (Không làm đợt này): Hỗ trợ mạng lưới định tuyến đa chặng phức tạp (Multi-hop Mesh LoRa); giải mã Payload dữ liệu người dùng tại tầng Relay (nhằm giữ bảo mật End-to-End).
   [Hướng 1: 0° - 120°]
      Directional Ant 1
           \     /
            \   /
 [Hướng 3]    O (Omni Ant - Center)    [Hướng 2: 120° - 240°]
 Dir Ant 3  /   \                      Dir Ant 2
           /     \
    [240° - 360°]

Thiết kế hệ thống

Hệ thống Solar Relay gồm các khối chức năng tương tác qua các chuẩn giao tiếp công nghiệp:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            SOLAR LORAWAN RELAY HARDWARE                           |
|                                                                                   |
|  +------------------+         +------------------+         +------------------+   |
|  |  Solar Panel 6V  | ------> |  CN3791 MPPT IC  | ------> | 2x 18650 Li-Ion  |   |
|  |  (Monocrystal)   |         |  Li-Ion Charger  |         | (3.7V - 5200mAh) |   |
|  +------------------+         +------------------+         +------------------+   |
|                                                                      |            |
|                                     +--------------------------------+            |
|                                     | VDD (Power Gating)                          |
|                                     v                                             |
|                             +---------------+                                     |
|                             | STM32L476RG   | <--- UART 9600 ---> Quectel L86     |
|                             | Cortex-M4     |                     (GPS/GNSS)      |
|                             | (Low-Power)   |                                     |
|                             +---------------+                                     |
|                                | (SPI Bus)                                        |
|                                v                                                  |
|                             +---------------+                                     |
|                             | SX1262 LoRa   |                                     |
|                             | (E22-900M22S) |                                     |
|                             +---------------+                                     |
|                                | (RF Out)                                         |
|                                v                                                  |
|                     +----------------------+                                      |
|                     | SKY13414-485LF Switch|                                      |
|                     | (SP4T 50 Ohm)        |                                      |
|                     +----------------------+                                      |
|                       /    |           |    \                                     |
|                      /     |           |     \                                    |
|                     v      v           v      v                                   |
|                Ant-Omni  Ant-Dir 1  Ant-Dir 2 Ant-Dir 3                           |
|                (Bottom)  (0°-120°)  (120°-240°)(240°-360°)                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Bảng thông số chi tiết Technology Stack

Thành phần / Tầng Công nghệ / Linh kiện Phiên bản / Thông số kỹ thuật Vai trò chức năng
Vi điều khiển chính STM32L476RG (STMicroelectronics) ARM Cortex-M4 @ 80MHz, 1MB Flash, 128KB SRAM Xử lý giao thức, chạy thuật toán tính góc, quản lý năng lượng Low-Power
RF Transceiver EBYTE E22-900M22S (Semtech SX1262) Băng tần 850–930MHz, Tx Power +22dBm, SPI Bus Thu phát sóng vô tuyến LoRa, độ nhạy cao $-148\text{ dBm}$
Bộ chuyển mạch RF SKYWORKS SKY13414-485LF SP4T, Insertion Loss $0.45\text{ dB} @ 0.9\text{ GHz}$, Isolation $> 31\text{ dB}$ Điều khiển đóng cắt giữa 01 antenna Omni và 03 antenna Directional
Định vị GNSS Quectel L86-M33 99 kênh thu, chipset MT3333, độ chính xác $< 2.5\text{m}$, UART Xác định vị trí địa lý của Relay để tính toán vector hướng
Thu hoạch năng lượng Consonance CN3791 + Solar Cell PWM 300kHz, sạc CC/CV 4.2V ±1%, Dòng sạc tối đa 4A Nạp năng lượng từ tấm pin mặt trời vào hệ thống lưu trữ
Gateway thu thập RAK7240 WisGate Edge Prime 16-Channel LoRaWAN 1.0.3/1.1, OpenWRT Linux, IP65 Thu thập gói tin vô tuyến đẩy lên máy chủ đám mây qua Ethernet/LTE
Network Server The Things Stack Community (TTN v3) LoRaWAN v1.0.3 Regional Parameters AS923 Quản lý thiết bị, MIC checking, định tuyến gói tin, MQTT Broker
IoT Platform / Cloud Losant IoT Enterprise Platform Workflow Engine v2.0, JavaScript Data Transformation Lưu trữ chuỗi thời gian (Time-series), hiển thị bản đồ, cảnh báo

Cấu trúc khung truyền LoRaWAN tối ưu (Payload Frame Structure $\le 16\text{ bytes}$)

Do giới hạn về thời gian phát sóng (Time-on-Air) và băng thông của chuẩn LoRaWAN AS923, khung truyền được nhóm thiết kế chuẩn hóa như sau:

Byte Index Trường dữ liệu (Field) Độ dài (Length) Ý nghĩa kỹ thuật
Byte 0 – 3 DevAddr / MAC 4 Bytes Địa chỉ nhận dạng duy nhất của Node/Relay trên mạng
Byte 4 – 7 Data / Command 4 Bytes Mã lệnh điều khiển HEX: STAT (Status), RFOK (ACK), RFRQ (Request probe), RQFI (Finish probe), ADDN (Add whitelist)
Byte 8 Active Antenna 1 Byte Chỉ số antenna đang kích hoạt (0: Omni, 1: Dir 1, 2: Dir 2, 3: Dir 3)
Byte 9 – 11 Latitude Data 3 Bytes Tọa độ Vĩ độ được nén (Scaled Fixed-point Integer: 3 bytes)
Byte 12 – 14 Longitude Data 3 Bytes Tọa độ Kinh độ được nén (Scaled Fixed-point Integer: 3 bytes)
Byte 15 Device Status 1 Byte Trạng thái nguồn: 0x01 (Normal), 0x02 (Low Power Mode)
Byte 16 Battery Level 1 Byte Điện áp cell pin Lithium đo từ ADC ($0 - 255 \leftrightarrow 0.0\text{V} - 4.2\text{V}$)

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển phần cứng và giải thuật

Phần cứng được thiết kế qua 2 phiên bản (Iterative Hardware Design) trên phần mềm Altium Designer 22. Phiên bản đầu tiên gặp lỗi lệch footprint ở IC chuyển mạch cao tần SP4T SKY13414-485LF dẫn đến suy hao chèn (Insertion Loss) vượt quá $12\text{ dB}$ và sai lệch phối hợp trở kháng $50\ \Omega$. Nhóm đã tái thiết kế ở Revision 2: chuẩn hóa vi dải (Microstrip transmission line $50\ \Omega$), bổ sung các pad hàn ăng-ten trực tiếp ở mặt sau bo mạch để triệt tiêu connector losses, bố trí mạch lọc thông thấp (Low-Pass Filter) đầu ra cho module SX1262 và phân tách 2 mảng mass analog/digital riêng biệt.

       Kinh tuyến 0° (Bắc)
              ^
              |        . Node (x2, y2)
              |       /
              |      /
              |  θ  /   Bán kính R
              |    /
              |   /
              |  /
              | /
              +-----------------> Vĩ tuyến 0° (Đông)
         Relay (x1, y1)

Thuật toán tính góc phương vị (Azimuth Bearing Calculation)

Khi nhận gói tin từ Node chứa tọa độ GPS ($Lat_{node}, Lon_{node}$), Relay trích xuất tọa độ của chính nó từ EEPROM ($Lat_{relay}, Lon_{relay}$) để tính toán góc phương vị $\theta$ theo công thức hình cầu Spherical Trigonometry:

$$\Delta L = Lon_{node} - Lon_{relay}$$

$$y = \sin(\Delta L) \cdot \cos(Lat_{node})$$

$$x = \cos(Lat_{relay}) \cdot \sin(Lat_{node}) - \sin(Lat_{relay}) \cdot \cos(Lat_{node}) \cdot \cos(\Delta L)$$

$$\theta = \operatorname{atan2}(y, x) \pmod{360^\circ}$$

Căn cứ vào $\theta$, Relay sẽ điều khiển 2 chân GPIO kết nối switch SP4T để chọn antenna tối ưu:

  • Nếu $0^\circ \le \theta < 120^\circ \rightarrow$ Kích hoạt Directional Antenna 1
  • Nếu $120^\circ \le \theta < 240^\circ \rightarrow$ Kích hoạt Directional Antenna 2
  • Nếu $240^\circ \le \theta < 360^\circ \rightarrow$ Kích hoạt Directional Antenna 3
#include <Arduino.h>
#include <EEPROM.h>
#include <math.h>

// Định nghĩa chân điều khiển SP4T RF Switch SKY13414-485LF
#define RF_SW_V1_PIN  PA4
#define RF_SW_V2_PIN  PA5

enum AntennaIndex {
    ANT_OMNI  = 0,
    ANT_DIR_1 = 1, // Sector 0° - 120°
    ANT_DIR_2 = 2, // Sector 120° - 240°
    ANT_DIR_3 = 3  // Sector 240° - 360°
};

// Cấu hình trạng thái Switch SP4T
void selectAntenna(AntennaIndex ant) {
    switch (ant) {
        case ANT_OMNI:  // V1=0, V2=0
            digitalWrite(RF_SW_V1_PIN, LOW);  digitalWrite(RF_SW_V2_PIN, LOW);  break;
        case ANT_DIR_1: // V1=1, V2=0
            digitalWrite(RF_SW_V1_PIN, HIGH); digitalWrite(RF_SW_V2_PIN, LOW);  break;
        case ANT_DIR_2: // V1=0, V2=1
            digitalWrite(RF_SW_V1_PIN, LOW);  digitalWrite(RF_SW_V2_PIN, HIGH); break;
        case ANT_DIR_3: // V1=1, V2=1
            digitalWrite(RF_SW_V1_PIN, HIGH); digitalWrite(RF_SW_V2_PIN, HIGH); break;
    }
}

// Giải thuật tính toán góc phương vị và chọn Antenna
AntennaIndex calculateDirection(double lat1, double lon1, double lat2, double lon2) {
    double radLat1 = radians(lat1);
    double radLat2 = radians(lat2);
    double dLon    = radians(lon2 - lon1);

    double y = sin(dLon) * cos(radLat2);
    double x = cos(radLat1) * sin(radLat2) - sin(radLat1) * cos(radLat2) * cos(dLon);
    double bearingRad = atan2(y, x);
    double bearingDeg = fmod((degrees(bearingRad) + 360.0), 360.0);

    if (bearingDeg >= 0.0 && bearingDeg < 120.0) {
        return ANT_DIR_1;
    } else if (bearingDeg >= 120.0 && bearingDeg < 240.0) {
        return ANT_DIR_2;
    } else {
        return ANT_DIR_3;
    }
}

+-----------------------------------------------------------------------------+
|               RELAY OPERATION & DUAL-ALGORITHM WORKFLOW                     |
|                                                                             |
|                           [Relay Power On]                                  |
|                                  |                                          |
|                                  v                                          |
|                        {Is GPS in EEPROM?}                                  |
|                         /               \                                   |
|                     (No)                 (Yes)                              |
|                      /                     \                                |
|         [Enable L86 GPS Power]              |                               |
|         [Get 3D Fix & Save]                 |                               |
|         [Power Gating GPS OFF]              |                               |
|                      \                     /                                |
|                       v                   v                                 |
|                       [Listen on Omni Antenna]                              |
|                                  |                                          |
|                                  v                                          |
|                         [Receive Packet]                                    |
|                                  |                                          |
|                                  v                                          |
|                     {Is Node in Whitelist?}                                 |
|                      /                   \                                  |
|                  (No)                    (Yes)                              |
|                   /                        \                                |
|        [Execute ADDN Handshake]             |                               |
|                                             v                               |
|                                   {Direction in EEPROM?}                    |
|                                    /                  \                     |
|                                (Yes)                  (No)                  |
|                                 /                       \                   |
|              [Switch to Cached Direction]                v                  |
|              [Forward Packet to Gateway]        {Contains Node GPS?}        |
|                                                 /                  \        |
|                                             (Yes)                  (No)     |
|                                              /                        \     |
|                             [Calculate Azimuth θ]             [Send RFRQ]   |
|                             [Switch SP4T & Save]              [Scan 3 Ants] |
|                             [Forward Packet]                  [Pick Max RSSI|
|                                                               [Send RQFI]   |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Đo đạc, thử nghiệm và kết quả thực nghiệm

Quá trình kiểm thử thực tế được thực hiện tại 3 điểm đo đạc địa hình thực tế tại UIT (Tòa nhà E, Khu thí nghiệm và Sân vận động) có vật cản bê tông và tán cây. Thiết bị đo công suất chuyên dụng OTII DC Energy Analyzer (Otii Arc) được sử dụng để phân tích dòng tiêu thụ chi tiết.

Kết quả cải thiện chỉ số tín hiệu và tỷ lệ mất gói tin (Packet Loss Rate)

Kịch bản đo đạc Khoảng cách truyền Direct RSSI (Không qua Relay) Relayed RSSI (Qua Solar Relay) Direct PLR (%) Relayed PLR (%) Đánh giá cải thiện
Node 1 (Tầm nhìn thông thoáng) $1.2\text{ km}$ $-102\text{ dBm}$ $-78\text{ dBm}$ $14.2%$ $0.8%$ Giảm $94.3%$ lỗi mất gói
Node 2 (Khuất góc tòa nhà) $850\text{ m}$ $-118\text{ dBm}$ $-84\text{ dBm}$ $48.5%$ $2.1%$ Khắc phục hoàn toàn góc mù
Node 3 (Xuyên vật cản tán cây) $2.4\text{ km}$ $-124\text{ dBm}$ (Mất tín hiệu) $-91\text{ dBm}$ $88.0%$ $4.5%$ Mở rộng liên lạc thông suốt 
Tỷ lệ mất gói tin (PLR %) - So sánh trực tiếp vs Qua Relay
Direct   [████████████████████████████████████████████████] 88.0% (Node 3 - NLOS)
Relayed  [██] 4.5%

Direct   [████████████████████████] 48.5% (Node 2 - Blind spot)
Relayed  [█] 2.1%

Direct   [███████] 14.2% (Node 1 - LOS)
Relayed  [ ] 0.8%

Định lượng năng lượng tiêu thụ theo chu kỳ làm việc (Duty Cycle)

Công thức tính Duty Cycle ($DC$):

$$DC = \frac{t_{on}}{t_{on} + t_{off}} \times 100%$$

Thử nghiệm trên máy đo OTII DC Energy Analyzer với điện áp cung cấp $3.7\text{V}$:

  • Chế độ Deep Sleep (MCU Standby + LoRa Sleep): Dòng rò cực thấp $I_{sleep} = 1.42\ \mu\text{A}$.
  • Chế độ Lắng nghe (LoRa Rx Continuous - CAD Mode): Dòng tiêu thụ $I_{rx} = 11.2\text{ mA}$.
  • Chế độ Phát chuyển tiếp (LoRa Tx @ +22dBm): Dòng đỉnh $I_{tx} = 118.0\text{ mA}$ trong khoảng thời gian $t = 82\text{ ms}$.
  • Chế độ GPS Fix (Chỉ kích hoạt lần đầu): $I_{gps} = 26.5\text{ mA}$ trong $t = 28\text{ s}$ (Cold start). Sau khi lưu vào EEPROM, module L86 bị ngắt nguồn hoàn toàn qua P-MOSFET Switch, giảm hao tổn năng lượng về $0\text{ mA}$.
Dòng điện tiêu thụ trung bình theo Duty Cycle
Duty 1%   | [███] 0.14 mA  ---> Tuổi thọ pin dự phòng: > 1500 giờ (~62 ngày không nắng)
Duty 5%   | [████████] 0.68 mA  ---> Tuổi thọ pin dự phòng: > 380 giờ (~16 ngày không nắng)
Duty 10%  | [███████████████] 1.35 mA  ---> Tuổi thọ pin dự phòng: > 190 giờ (~8 ngày không nắng)

Với cell pin kép 18650 dung lượng $5200\text{ mAh}$ kết hợp tấm pin mặt trời $6\text{V} - 2\text{W}$, hệ thống đạt trạng thái cân bằng năng lượng dương (Energy Harvesting Neutrality), cho phép thiết bị duy trì hoạt động liên tục không giới hạn thời gian.

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc Antenna Sectorized tích hợp SP4T thông minh: Khác biệt với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng 1 antenna đẳng hướng duy nhất ([3], [6], [7]) gây suy hao lớn và dễ nhiễu đồng kênh, đề tài tiên phong tích hợp 03 antenna định hướng $120^\circ$ kết hợp 01 antenna đẳng hướng chuyển mạch động bằng IC SKY13414-485LF. Giải pháp này giúp tăng độ lợi vô tuyến thêm $6.5\text{ dBi}$, cải thiện độ nhạy thu và tập trung năng lượng bức xạ RF chính xác về phía mục tiêu.
  2. Cơ chế xác định hướng kép (Dual-Mode Bearing Estimation): Đề tài đề xuất hai phương pháp định hướng linh hoạt:
    • Phương thức chủ động (Geometry-based): Sử dụng công thức lượng giác cầu tính vector tọa độ giữa Relay và Node.
    • Phương thức thụ động (RSSI Probing): Sử dụng tập lệnh RFRQ/RQFI quét lần lượt 3 sector antenna để gán hướng cho các Node giá rẻ không tích hợp GPS, giúp tối ưu chi phí cho toàn mạng.
  3. Quản lý năng lượng thông minh và Power Gating: Thiết kế mạch ngắt nguồn phần cứng riêng biệt cho module GPS và đưa vi điều khiển STM32L476 vào chế độ ngủ sâu kết hợp module LoRa SX1262 Channel Activity Detection (CAD). Mức tiêu thụ dòng trung bình ở Duty Cycle 1% chỉ $0.14\text{ mA}$, giảm hơn $85%$ năng lượng tiêu thụ so với các mô hình relay công nghiệp dạng e-Node trong công bố [4].

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Quan trắc nông nghiệp công nghệ cao / Rừng thông minh: Triển khai tại các trang trại sầu riêng, cao su, đồn điền cà phê có diện tích lớn, nơi cây cối rậm rạp làm triệt tiêu sóng vô tuyến truyền thẳng. Các Node cảm biến độ ẩm đất, pH đất truyền dữ liệu về Solar Relay đặt trên ngọn đồi, Relay định hướng và bắn tín hiệu về Gateway trung tâm cách xa $5 - 10\text{ km}$.
  • Hệ thống cảnh báo ngập úng và giám sát môi trường đô thị: Lắp đặt trên các cột đèn chiếu sáng công cộng hoặc cầu vượt tại các "vùng chết" vô tuyến (Blind spots) do các khối chung cư cao tầng che khuất. Relay sử dụng pin mặt trời độc lập $100%$, không cần can thiệp đấu nối lưới điện thành phố.
       +-------------------------------------------------------------------+
       |              HƯỚNG DẪN TRIỂN KHAI VẬN HÀNH (4 BƯỚC)               |
       |                                                                   |
       |  [Bước 1] Khảo sát RF & Xác định tọa độ vị trí lắp đặt Relay       |
       |     |     (Cố định Relay tại điểm cao, hướng tấm Solar về hướng   |
       |     |      Nam góc nghiêng 15°-20° để đón nắng tối đa).           |
       |     v                                                             |
       |  [Bước 2] Cấu hình Network & Application Keys trên TTN v3         |
       |     |     (Đăng ký DevEUI, AppEUI, AppKey chuẩn mã hóa AES-128).  |
       |     v                                                             |
       |  [Bước 3] Khởi động nguồn & Tự động định vị (Self-Localization)   |
       |     |     (Relay bật GPS L86, lấy 3D Fix, lưu tọa độ vào EEPROM   |
       |     |      rồi tự động chuyển về chế độ Power Gating Sleep).      |
       |     v                                                             |
       |  [Bước 4] Đăng ký End-Node vào Whitelist & Vận hành chuyển tiếp   |
       |           (Node phát gói tin ADDN, Relay xác định Sector Antenna  |
       |            tương ứng và bắt đầu chu trình Store-and-Forward).     |
       +-------------------------------------------------------------------+

Phân tích Chi phí – Hiệu quả (Cost-Benefit Analysis)

So sánh Chi phí Triển khai cho Vùng bao phủ 10 km2:
Phương án 1 (Thêm 03 Gateway ngoài trời):  $1,250 [██████████████████████████████████████]
Phương án 2 (01 Gateway + 03 Solar Relay): $  485 [███████████████]  ---> Tiết kiệm 61.2%
  • Chi phí chế tạo 01 trạm Solar Relay: $\approx $45 - $55\text{ USD}$ (gồm PCB, linh kiện STM32/SX1262/SP4T, vỏ hộp chống nước tiêu chuẩn IP66, 2 cell pin 18650 và tấm pin mặt trời 2W).
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI): Đạt được ngay tại thời điểm triển khai nhờ giảm thiểu chi phí kéo dây điện, thuê vị trí đặt Gateway và mua SIM Data LTE hàng tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ trễ truyền tin chuyển tiếp: Do kiến trúc Store-and-Forward và tuân thủ giới hạn Duty Cycle của băng tần quy định, độ trễ truyền gói tin từ Node qua Relay đến Gateway tăng thêm khoảng $1.2\text{ s} \div 1.8\text{ s}$ so với truyền trực tiếp.
  • Dung lượng Payload bị giới hạn: Khung truyền tối ưu cố định $\le 16\text{ bytes}$ gây hạn chế nếu các Node cảm biến có nhu cầu truyền các chuỗi dữ liệu lớn hoặc hình ảnh độ phân giải thấp.
  • Phụ thuộc định vị ban đầu: Tại các hẻm đô thị quá sâu hoặc dưới tán rừng rậm rạp, thời gian lấy GPS Fix lần đầu (Cold Start) của module Quectel L86 có thể kéo dài $> 60\text{ s}$, làm tiêu hao một lượng năng lượng đột biến khi khởi động.

Hướng phát triển trong tương lai

  • Tích hợp giao thức định tuyến thích ứng ADR (Adaptive Data Rate): Tự động điều chỉnh Spreading Factor (SF7 đến SF12) và băng thông (BW 125kHz / 250kHz) dựa trên chất lượng đường truyền thực tế của từng sector antenna.
  • Mở rộng mô hình Mesh Relay đa chặng: Nâng cấp thuật toán cho phép các Relay tự giao tiếp với nhau (Relay-to-Relay hopping) để vượt qua các chướng ngại địa hình quy mô liên tỉnh.
  • Ứng dụng Machine Learning trên biên (TinyML): Nhúng mô hình học máy siêu nhẹ trên vi điều khiển STM32L476 để dự đoán thói quen phát tín hiệu của Node và tự động điều chỉnh chu kỳ thức ngủ (Sleep/Wakeup Schedule) tối ưu theo điều kiện thời tiết.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính / Điện tử - Viễn thông / IoT: Nguồn tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế schematic bo mạch cao tần, layout PCB phối hợp trở kháng $50\ \Omega$, đến lập trình nhúng Bare-metal/HAL tối ưu công suất cực thấp trên vi điều khiển STM32.
  • Kỹ sư phát triển phần cứng & Firmware IoT: Nắm bắt kỹ thuật thiết kế bộ chuyển mạch antenna vô tuyến SP4T, kỹ thuật quản lý năng lượng Power Gating và kiến trúc giao thức truyền thông LoRaWAN không đồng bộ.
  • Doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao & Đô thị thông minh: Giải pháp kỹ thuật sẵn sàng thương mại hóa giúp mở rộng mạng lưới giám sát từ xa với chi phí hạ tầng giảm hơn $60%$ so với việc mua sắm các trạm Gateway nhập khẩu đắt tiền.
  • Nhà nghiên cứu mạng không dây LPWAN: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết về mối tương quan giữa Duty Cycle, tỷ lệ mất gói tin (PLR), chỉ số RSSI/SNR và công suất tiêu thụ dưới các điều kiện địa hình thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai một trạm Solar LoRaWAN Relay là gì?

Hệ thống yêu cầu bo mạch tích hợp vi điều khiển Cortex-M4 (như STM32L476), module thu phát LoRa SX1262, switch RF tương thích băng tần 920–925 MHz (như SKY13414-485LF), 01 antenna omni + 03 antenna định hướng $120^\circ$, mạch sạc MPPT CN3791 kết hợp tấm pin mặt trời tối thiểu $6\text{V}/2\text{W}$ và 01 cell pin Li-ion 18650 tối thiểu $2600\text{ mAh}$. Toàn bộ đóng gói trong hộp kín chuẩn kháng nước IP65/IP66.

2. Giới hạn mở rộng số lượng Node của một trạm Relay là bao nhiêu?

Với bộ nhớ EEPROM tích hợp trên STM32L476 và cấu trúc bảng Whitelist lưu trữ 8 bytes cho mỗi Node (4 bytes DevAddr + 1 byte Direction + 3 bytes Timestamp), một trạm Relay có khả năng quản lý danh bạ lên tới $128\text{ End-Nodes}$ đồng thời mà không làm suy giảm hiệu năng xử lý.

3. Relay có làm lộ khóa bảo mật dữ liệu của người dùng không?

Hoàn toàn không. Relay chỉ hoạt động tại tầng liên kết dữ liệu (Data Link / MAC Layer), tiếp nhận khung vô tuyến và chuyển tiếp nguyên vẹn Payload. Khóa bảo mật ứng dụng (AppSKey) và khóa phiên mạng (NwkSKey) được mã hóa AES-128 End-to-End giữa End-Node và Network Server (TTN), Relay không can thiệp vào nội dung giải mã dữ liệu cảm biến.

4. Thiết bị cần bảo trì, bảo dưỡng định kỳ như thế nào?

Nhờ cơ chế sạc bảo vệ pin thông minh của IC CN3791 và trạng thái cân bằng năng lượng mặt trời tự chủ, thiết bị không cần bảo trì phần cứng định kỳ. Người vận hành chỉ cần vệ sinh bề mặt tấm pin năng lượng mặt trời sau $6 - 12\text{ tháng}$ sử dụng ngoài trời để tránh bụi bẩn làm giảm hiệu suất quang điện.

5. Chi phí chế tạo bo mạch Relay và thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI)?

Chi phí linh kiện (BOM) sản xuất mẫu thử nghiệm dao động từ $$45 - $55\text{ USD}$ (khoảng 1.100.000 – 1.350.000 VNĐ). So với việc phải lắp đặt thêm 01 trạm Gateway LoRaWAN ngoài trời chuyên dụng trị giá $$350 - $500\text{ USD}$ kèm chi phí đường truyền Internet hàng tháng, việc triển khai Solar Relay giúp tiết kiệm ngay $60 - 70%$ tổng mức đầu tư ban đầu và hoàn vốn ngay sau khi hòa mạng.

Kết luận

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và hiện thực LoRaWAN Relay sử dụng năng lượng mặt trời tích hợp hệ thống antenna đa hướng" của nhóm sinh viên Khoa Kỹ thuật Máy tính – Trường Đại học Công nghệ Thông tin (ĐHQG TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn và xuất sắc bài toán mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến LPWAN trong điều kiện địa hình phức tạp, bị che khuất vật lý và thiếu thốn nguồn điện lưới.

Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa cấu trúc phân tập antenna thông minh (01 đẳng hướng + 03 định hướng điều khiển qua SP4T switch), thuật toán định hướng kép (GPS Bearing & RSSI Probing) và giải pháp thu hoạch năng lượng mặt trời tự chủ MPPT, đề tài đã chứng minh tính khả thi vượt trội qua các số liệu thực nghiệm: giảm tỷ lệ mất gói tin từ $88%$ xuống dưới $5%$, nâng cao độ lợi tín hiệu thêm $6.5\text{ dBi}$ và duy trì dòng tiêu thụ cực thấp $0.14\text{ mA}$. Đây là giải pháp công nghệ có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho quá trình xây dựng hạ tầng IoT bền vững trong các đô thị thông minh và nền nông nghiệp số hiện đại.