CHƯƠNG 1. TONG QUAN DE TÀI 2 1. BÀI TOÁN ĐẶT RA. 3 143 TOM TAT LUẬN VAN 7 CHUONG 2.
TONG QUAN CÔNG NGHỆ 8 2. Công nghệ truyền tin hiệu hiện tại 9 © — IBEE 802.4 9 « Wifi H © — Mạngdiđộng 10 2. Một số công nghệ LPWAN 10 © — SIGFOX " © — Ingenu " © — LoRaWAN " Các lớp LoRaWAN [1] 15 MAC Commands 20 End-device activation [12] 20 22. CAC NGHIÊN CUU LIÊN QUAN 22 221.
A LoRa Based Wireless Relay Network for Actuator Data (Use Arduino Nano and Modtronix LoRa inair9) [2] 22 2. A LoRa Relay Based System for Detonating Explosives in Underground Mines. Inereased flexibility in long-range IoT deployments with transparent and light-weight 2-hop LoRa approach. — Research and Design LoRa Relay, Huy Trinh Thanh, University of Information Technologies — Ho Chi Minh Vietnam National University [13] 23 2.
Bang so sánh wu nhược điểm của các dé tài nghiên cứu trên: 24 243. CÁC MODULE LIEN QUAN 24 2. |MCU STM32L476RGTx 24 2. SEVER THE THINGS NETWORK 28 25.
CHUAN GIAO TIẾP SPI 29 CHƯƠNG 3. PHAN TÍCH VÀ THIET KE 31 3. Mach Receiver bắt g 32 3. Mach Sender chuyển tiếp g 33 3.
Phân tích gói tin LoRa 35 3. Giải thuật truyền nhận 37 3. Tiết kiệm năng lượng 38 3. Application layer 39 © Device application 39.
Relay Application 41 © Decoder géi tin tir Device 42 3. Relay Manager 44 CHƯƠNG 4. KET QUA VA DANH GIÁ 48 41. CÁC THONG SO ĐÁNH GIÁ [11] 48 4.
Signal to Noise Ratio (SNR) 48 4. Chi so RSSI 49 4. KHOANG CACHGIAO TIẾP GIỮA HAI THIẾT BI LORA 49 4. Truyén tin hiệu LOS ( Line-Of-Sight).
Truyén tín hiệu NLOS (Non-Line-of-sight) 341 4. Spreading Factor sl 43, MG RONG VUNG PHU SONG 53 44. NANG LƯỢNG TIÊU THY 55 45. TAN SUÁT GUI TÔI UU 57 CHƯƠNG 5.
KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN 63 Sl KET LUAN 63 3. Những ton đọng của đề tài 63 5. HƯỚNGPHÁTTRIỀN 64 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Vùng khảo sát tín hiệu LoRaWAN Hình 1.2 Quang cảnh quanh môi trường đo đạc Hình 1.3 Mô hình tham khảo của Relay mode Hình 1.4 Class A khi nhận được ACK tại khung Rx2 Ai Hình 2.1 Kiến trúc LoRaWAN 13 Hình 2.2 Mô hình hệ thống mạng LoRaWAN 14 Hình 2.3 Các lớp LoRaWAN 15 Hình 2.4 LoRa receive windows 17 Hình 2.5 Cấu trúc gói tin Unconfirmed Data uplink 21 Hinh 2.6 MCU STM32L476RGTx 25 Hinh 2.8 GPS L86 Quectel 27 Hình 2.10 Giao diện Sever TheThingsNetwork 29 Hình 3.1 Mô hình hệ thống.2 Mạch Receiver bắt gói tin từ Device 32 Hình 3.3 Mạch Sender chuyền tiếp gói tin 33 Hình 3.4 LoRaWAN Relay 34 Hình 3.5 Hình ảnh Gateway nhận gói tin 35 Hình 3.6 Các thành phan của gói tin Uplink va Downlink 36 Hình 3.7 Giải thuật truyền nhận 37 Hình 3.8 Device gửi thành công packet ở wake-up channel 2 39 Hình 3.9 Hoạt động của Device 40 Hình 3.10 Giải thuật ưu tiên chon Gateway 41 Hình 3.11 Cac thông tin của Device được lưu tai Relay và các thông tin của Relay 42 Hình 3.12 Thông tin Device trên Application Server 4 Hình 3.13 Mã nguồn decoder 44 Hình 3.14 Thông tin gói tin Device 44 Hình 3.15 mô hình hoạt động LoRa Relay [5] 46 Hình 4.4 Kết quả đo đạc trong môi trường LOS 50 Hình 4.5 Kết quả đo đạc trong môi trường NLOS 51 Hình 4.6 Spreading Factor 9 53 Hình 4.7 Địa điểm lắp đặt LoRa Relay 54 Hình 4.8 Vùng phủ sóng được mở rộng 55 Hình 4.13 Otii DC Power Analyzer 56 Hình 4.14 Biểu đồ dòng điện tiêu thụ trong chu kì 5s 56 Hình 4.15 Năng lượng tiêu thụ ở các tỉ lệ gửi / chuyền tiếp khác nhau 58 Hình 4.16 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 5s 58 Hình 4.17 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 5s 59 Hình 4.18 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 10s 59 Hình 4.19 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 10s 60 Hình 4.20 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 20s 60 Hình 4.21 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 20s 61 Hình 4.22 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 40s 61 Hình 4.23 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 40s 62 DANH MỤC BANG Bảng 2.1 LoRa radio physical layer 16 Bang 2.2 Physical Payload được cấu trúc như một thông báo LoRaWAN 17 Bảng 2.3 LoRaWAN MAC Header 17 Bảng 2.4 LoRaWAN message Types 17 Bảng 2.5 LoRaWAN MAC Payload 18 Bảng 2.6 LoRaWAN Frame Header 18 Bảng 2.7 LoRaWAN Frame Control 18 Bảng 2.8 Các nghiên cứu liên quan 22 Bảng 3.1 Giải thuật truyền nhận 33 Bảng 3.2 Gói tin wake-up 35 Bảng 4.1 Thông số thí nghiệm trong nhà 44 Bảng 4.5 Bảng đo độ nhiễu, độ nhạy tín hiệu SF9 45 Bảng 4.9 Thông số thí nghiệm ngoài trời.10 Thông số thí nghiệm kiểm soát gói tin 50 DANH MỤC TỪ VIET TAT LoRa: Long Range Radio LPWAN: Low-Power Wide-Area Network LoRaWAN: Long Range Wireless Area Network TTFF: Time To First Fix - Chỉ số thời gian thiết bị định vị được kề từ khi cấp nguồn cho GPS LOS: Line Of Sight - Môi trường truyền tín hiệu thuận lợi NLOS: Non-Line-Of-Sight - Môi trường truyén tín hiệu bị che khuất) RSSI: Received Signal Strength Indicator - Đặc trưng chỉ cường độ tín hiệu đã nhận) SNR: Signal-to-noise ratio - Ty lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR hoặc S/N) là một phép đo được sử dụng trong khoa học và kỹ thuật để so sánh mức độ của một tín hiệu mong muốn với mức độ nhiễu SF: Spreading Factor - Quyết định về số lượng chirps, tín hiệu mạng dữ liệu, được gửi đi mỗi giây. Giá trị càng lớn thì càng làm tăng độ nhạy tín hiệu và khoảng cách truyền, nhưng đồng thời cũng làm tăng thời gian truyền TOM TAT KHÓA LUẬN Đề tài nghiên cứu và hoàn thiện phần mềm cho thiết bị chuyên tiếp gói tin LoRaWAN.
Thiết bị hoạt động như một LoRa Gateway, có thể gọi là Relay virtual Gateway. Thiết bị giải quyết được vấn đề lắp đặt khó khăn, mở rộng vùng phủ sóng, giá thành thấp và tiết kiệm năng lượng. Giải quyết các vấn đề còn tồn đọng của những nghiên cứu trước đó [1] [2] [3] [4]như là chưa có phép đo chỉ tiết về hiệu suất hoạt động của thiết bị. Ngoài ra, thiết bị còn có thể kết nói nhiều thiết bị khác trong phạm vi hoạt động và có các cơ chế tiết kiệm năng lượng nhờ có các giao thức mới và riêng biệt.
Đề tài đưa ra các đo đạc và đánh giá mức độ hiệu quả của thiết bị chuyền tiếp gói tin như đo đạc khoảng cách giao tiếp, vùng phủ sóng được mở rộng, tỉ lệ rớt gói tin và năng lượng tiêu thụ. Tổng quan đề tài 1. Giới thiệu Hiện nay, mặc dù khái niệm IoT va công nghệ cảm biến không dây đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng.
Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Nỗi bật hơn cả là công nghệ truyền không dây LPWAN — Low Power Wide Area Network. LPWAN là các công nghệ không dây. Có các đặc điểm: phủ sóng rộng, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và tudi thọ pin dai.
LPWAN được thiết kế dé hỗ trợ việc truyền thông không dây cho sự phát triển của IoT. Nó cung cấp các kết nối công suất thấp với số lượng thiết bị lớn, phân bố rộng. Tập trung hiệu quả về vùng phủ sóng, năng lượng, băng thông thấp. LPWAN sử dụng cho các ứng dụng IoT với các tiêu chí đó.
Công nghệ LPWAN cho phép triển khai các cảm biến thông minh trên toàn khu vực rộng lớn. Trong số các công ty công nghệ lớn, Semtech đã tham gia vào nghiên cứu và phát triển góp phần nâng tầm công nghệ LPWAN lên một tầm cao mới, tuy vậy Semtech chỉ quyết định giữ độc quyền sản xuất bộ thu phát, khiến LoRa có sẵn cho các nhà phát triển ngay từ đầu. Hơn nữa, họ quyết định mở đặc điểm kỹ thuật của LoRaWAN, lớp MAC chạy trên LoRa. Thông thường các mô hình mạng LoRaWAN được bó trí theo cầu trúc hình sao, do đó bị hạn chế về khả năng mở rộng mạng lưới cũng như tăng tầm phủ sóng.
Mục tiêu của luận án này là tiếp bước nghiên cứu và phát triển một thiết bị LoRa Relay có chức năng chuyền tiếp gói tin trong mạng LoRa theo giao thức 2-hop, nhằm tăng vùng phủ sóng của các Gateway đến các thiết bị đầu cuối, mở rộng được vùng. phủ sóng mà không cần nhiều gateway. Thiết bị hoạt động trong phạm vi 923MHz. Bên cạnh đó, có thể quản lý ưu tiên định tuyến truyền nhận gói tin cũng như các giải pháp tiết kiệm năng lượng.
Bài toán đặt ra Mạng LoRaWAN thường được bố trí theo cấu trúc liên kết hình sao, trong đó các thiết bị đầu cuối giao tiếp trực tiếp với một hoặc nhiều Gateway. Do đó thông thường đầu cuối chỉ cần một giao tiếp LoRa đề truy cập mạng IP. Kiến trúc này đơn giản hóa đáng ké giao thức, loại bỏ sự cần thiết của các cơ chế định tuyến, nhưng mặt khác, nó đòi hỏi phải cài đặt các Gateway mới đê mở rộng vùng phủ sóng của mạng. Điều này ảnh hưởng đến khả năng mở rộng của hệ thống và phụ thuộc vào khoảng cách giao tiếp hoặc sự ôn định của thiết bị đầu cuối đến Gateway.
Việc lắp đặt thêm các Gateway như cách thông thường gây tốn kém do chỉ phí xây dựng Gateway thường đắt đỏ. Hon thé nữa, một số trường hợp thực tế cần lắp đặt Gateway ở những nơi khó khăn ví dụ như khu vực nông thôn không có vùng phủ sóng di động hoặc ở giữa sông, biển. có thé là một yêu cầu bat khả thi. Qua quá trình khảo sát dữ liệu mẫu tại vị trí 10.7517402070796, ta có thê thấy được vùng tín hiệu trong môi trường có nhiều tòa nhà cao tang, xe cơ giới và cây chắn, khoảng cách giao tiếp của công nghệ LoRaWAN bị hạn chế rõ rệt.
Trên hình khảo sát, vùng màu đỏ là vùng có tín hiệu dữ liệu mạnh, các ving màu vàng là vùng có tín hiệu yếu, và vùng màu xanh là vùng có tín hiệu dữ liệu thấp, gần như không có tín hiệu. Mũi tên màu vàng thê hiện vị trí đặt Gateway. Để giải quyết bài toán tăng khoảng cách giao tiếp, ta có thé thực biện lắp đặt thêm nhiều gateway nhằm mục đích tăng vùng phủ sóng. Tuy nhiên, giải pháp này có vẻ như rất tốn kém.