Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LORA TRONG NÔNG NGHIỆP 1. Công nghệ Lora ứng dụng trong nông nghiệp 1. Giới thiệu về công nghệ LoRa Hình 1. Một số ứng dụng Lora trong nông nghiệp [7] LoRa (Long Range Radio) là một công nghệ truyền dẫn không dây tầm xa được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị.
Công nghệ này được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Lora đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc triển khai IoT quy mô lớn với mức năng lượng thấp, bao gồm cả các ứng dụng nông nghiệp thông minh. Với công nghệ này, dữ liệu có thể truyền với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu [7]. LoRa hoạt động trên các băng tần vô tuyến công nghiệp, khoa học và y tế (ISM-Industrial, Scientific and Medical)) được miễn giấy phép sử dụng.
Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor Slave có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km. Ngoài ra, công suất phát của LoRa được quy định nghiêm ngặt với mỗi quốc gia công suất phát tối đa là 25mW (14 dBm), băng thông có thể cấu hình 125, 250 hoặc 500 kHz và chu kỳ hoạt động (duty cycle) là 0,1%, 1,0% và 10%, cho phép tiêu thụ năng lượng thấp. Vì vậy, nó có thể hoạt động với pin trong thời gian dài tuỳ vào chu kỳ hoạt động [3]. So sánh công nghệ LoRa với các công nghệ truyền thông khác Thông số Công nghệ truyền thông 10 Bluetooth ZigBee Wi-Fi LoRa Phụ thuộc Thiết bị đầu cuối 255 Hơn 64000 vào số đại chỉ 10000 tối đa IP Dòng tiêu thụ đỉnh 30 mA 30mA 100 mA 28 Ma Vùng phủ sóng 10 m 10 – 100 m 100 m 3 – 15 km 11 Mbps và Tốc độ bit 1 Mbps 250 kbps 5.5 kbps 55 Mbps FHSS DSSS OFDM CSS (Frequyency (Direct (Orthogonal (Chirp Hopping Spread Frequency Công nghệ điều chế spread Spread Spectrum Division spectrum) Spectrum) Sequency) Multiplexing) Hình 1.
Bộ thu phát sóng lora trên thị trường - Các thông số cơ bản: Spreading Factor - SF: SF xác định số lượng chrip signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu. Ví dụ nếu SF=12 có nghĩa là 1 mức logic của chipped signal sẽ được mã hóa bởi 12 xung chirp signal. Giá trị cho SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng khoảng cách truyền sẽ xa hơn. Bandwidth - BW: BW xác định biên độ tần số mà chirp signal có thể thay đổi.
Nếu bandwidth càng cao thì thời gian mã hóa chipped signal càng ngắn; từ đó thời gian truyền dữ liệu cũng giảm xuống nhưng đổi lại khoảng cách truyền cũng ngắn lại. Coding Rate - CR: CR là số lượng bit được tự thêm vào mỗi trong Payload trong LORA radio packet bởi LoRa chipset để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi lại 1 số bit dữ 11 liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu trong Payload. Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng; nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn (có thể làm tăng thời gian truyền dữ liệu trong không khí). - LoRaWAN network: LoRaWAN là chuẩn giao tiếp dựa trên nền tảng công nghệ LoRa và được định nghĩa và phát triển bởi tổ chức LoRa Alliance.
Ở mỗi vùng khác nhau trên thế giới thì thiết bị LoRaWAN phải cấu hình cho chip LoRa hoạt động ở dãy băng tần cho phép như 433Mhz, 915MHz,. Mô hình LoRaWAN Do đó trong 1 mạng LoRaWAN sẽ có 2 loại thiết bị: ➢ Device node: là các thiết bị cảm biến, hoặc các thiết bị giám sát được lắp đặt tại các vị trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm. ➢ Gateway: là các thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các device node và gửi lên 1 server trung tâm để xử lý dữ liệu. Các thiết bị Gateway thường sẽ được đặt tại 1 vị trí có nguồn cung cấp và có các kết nối network như Wifi, LAN, GSM để có thể gửi dữ liệu lên server - Nguyên lý hoạt động của LORA 12 Hình 1.
Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của Lora LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là (CSS) Chirp Spread Spectrum, kỹ thuật này sử dụng các dữ liệu được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (gọi là chipped), sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian, việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi. Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu. Hơn nữa, LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa, vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả khi tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh. Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau.
Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate). So sánh các module LoRa trên thị trường Part Frequency Spreading Bandwidth Effective Est. Number Range Factor Bitrate Sensitivity SX1276 137 - 1020 6 - 12 7.5 -111 to - MHz kHz kbps 148 dBm 13 SX1277 137 - 1020 6-9 7.5 -111 to - MHz kHz kbps 139 dBm SX1278 137 - 525 6- 12 7.5 -111 to - MHz kHz kbps 148 dBm SX1279 137 – 960 6- 12 7.5 -111 to - MHz kHz kbps 148 dBm Kỹ thuật điều chế - Kỹ thuật điều chế CSS (Chirp Spread Spectrum): Chirp Spread Spectrum (CSS) là cơ sở của phương pháp hiệu chỉnh được sử dụng trong công nghệ truyền thông không dây LoRa, sử dụng tần số chirp với một biến đổi tuyến tính của tần số theo thời gian để mã hóa thông tin, kỹ thuật này giúp cho độ lệch về tần số giữa bộ phát và bộ thu dễ dàng được loại bỏ trong bộ giải mã. Độ lệch tần số giữa bộ phát và bộ thu có thể lên đến 20% băng thông mà không ảnh hưởng đến hiệu suất giải mã.
Ngoài ra, các module có thể chuyển sang sử dụng kỹ thuật điều chế FSK hoặc GFSK tùy nhu cầu. Các tham số dùng để tùy biến điều chế LoRa là: băng thông (Bandwidth – BW), hệ số lan truyền (Spreading Factor – SF) và tỉ lệ mã hóa (Code Rate – CR) [5]. Minh họa biến thiên tần số theo thời gian phát ra bởi bộ phát LoRa[5] - Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:430MHz, 920MHz cho châu Á, 780MHz cho Trung Quốc, 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu, 915MHz cho USA, 915 MHz Úc, 433 MHz Nam Phi [6]. Ưu nhược điểm của công nghệ LoRa a) Ưu điểm - Tầm xa rộng: LoRa (Long Range) có thể truyền tín hiệu qua khoảng cách lớn, thường là từ 10 km đến 15 km trong khu vực nông thôn và từ 2 km đến 5 km trong đô thị, vượt trội so với nhiều công nghệ truyền không dây khác.
14 - Tiêu thụ năng lượng thấp: LoRa được thiết kế để tiêu thụ năng lượng thấp, lý tưởng cho các thiết bị IoT (Internet of Things) dùng pin với thời gian sử dụng dài, có thể kéo dài đến vài năm mà không cần thay pin. - Khả năng thâm nhập tốt: Tín hiệu LoRa có khả năng xuyên qua vật cản tốt hơn, giúp nó duy trì kết nối ổn định trong môi trường có nhiều vật cản như tòa nhà hay khu công nghiệp. - Chi phí thấp: Công nghệ LoRa sử dụng phổ tần không được cấp phép, giúp giảm chi phí cho việc triển khai mạng lưới và hoạt động của hệ thống. b) Hạn chế - Tốc độ truyền dữ liệu thấp: LoRa có tốc độ truyền dữ liệu thấp (khoảng từ 0.3 kbps đến 50 kbps), không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu băng thông cao như truyền video hoặc âm thanh.
- Giới hạn về dung lượng mạng: Mạng LoRaWAN có thể bị quá tải nếu số lượng thiết bị quá lớn, dẫn đến xung đột và mất gói tin. - Không thích hợp cho ứng dụng thời gian thực: Do độ trễ và tốc độ truyền thấp, LoRa không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh và thời gian thực. - Yêu cầu triển khai hạ tầng riêng: Mặc dù có thể sử dụng phổ tần không được cấp phép, việc triển khai mạng LoRaWAN vẫn yêu cầu hạ tầng riêng, bao gồm các gateway và hệ thống điều khiển, điều này có thể là một thách thức cho những khu vực chưa có sẵn hạ tầng. Ứng dụng công nghệ LoRa trong nông nghiệp hiện nay a) Công nghệ Lora trong nông nghiệp thông minh Nông nghiệp thông minh là việc sử dụng công nghệ thông tin hiện đại đa dạng để thực hiện giám sát, quản lý và kiểm soát nhiều yếu tố trong sản xuất nông nghiệp.
Thông qua các công nghệ thông minh này, các yếu tố môi trường như độ ẩm và nhiệt độ có thể được thu thập và cảm nhận kịp thời. Thông tin nông nghiệp khổng lồ sẽ được tích hợp và xử lý thông qua mạng không dây và đường truyền Internet, và cuối cùng là phục vụ giám sát quy trình sản xuất nông nghiệp, ra quyết định khoa học và dịch vụ thời gian thực của thiết bị đầu cuối hoạt động thông minh. Nông nghiệp thông minh LoRa là một trong những ứng dụng cụ thể của IoT trong sản xuất nông nghiệp, hoạt động, quản lý và dịch vụ. Bằng cách tích hợp công nghệ LoRa vào canh tác truyền thống, IoT đang thay đổi tương lai của nông nghiệp toàn cầu.
Nền nông nghiệp 15 kết nối được hình thành bởi LoRa và LoRaWAN sẽ tự động điều chỉnh và can thiệp vào quá trình sản xuất, qua đó nâng cao chất lượng nông sản và nâng cao hiệu quả, sức cạnh tranh của sản xuất nông nghiệp. b) Một số ứng dụng công nghệ LoRa trong nông nghiệp thông minh ❖ Theo dõi gia súc Năm 2022, Semtech công bố đã hợp tác với công ty Úc Smart Paddock.