Luận văn tốt nghiệp: Phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN cho ứng dụng IoT

Luận văn trình bày việc phát triển mô hình thử nghiệm dựa trên LoRaWAN cho các ứng dụng IoT, khám phá công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

Chuyên ngành

Kỹ thuật Máy tính

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2022

156
2
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

Commitment

Acknowledgements

Abstracts

Contents

1. Introduction

1.1. Purpose and Motivation

1.2. Scope and Objectives

1.3. Structure of Thesis

2. Background and Methodologies

2.1. Challenges for contemporary agriculture

2.2. Overview of wireless network technologies

2.3. LoRa Radio Modulation

2.4. General network architecture

2.5. Confirmed data message

2.6. End-device classes

2.7. Advantages and disadvantages

2.8. Metadata and time-series data

2.9. Relational database in IoT application

2.10. RS-485 & Modbus RTU

3. The proposed LoRaWAN-based Testbed

3.1. Solution proposal structure

3.2. Hardware-dependent infrastructure

3.2.1. RS-485 - LoRa controller integration

3.3. Software-based infrastructure

3.3.1. Web Server & Web Application

3.3.2. Application Server access control

3.3.3. LoRaWAN control synchronization

3.4. End-device types

3.5. RS-485 - LoRa converter

3.6. Slaves and other components

3.7. Database Management System

3.8. LoRa/LoRaWAN coverage capability testing

3.9. Web Server load tolerance testing

3.10. RS-485 - LoRa integration capability

3.11. Control synchronization capability

3.12. Web Server capability

3.13. User interface usability

3.14. Capability of validating various LoRaWAN deployments

3.15. Test Deployment in Urban Environment

List of Figures

List of Tables

Terms

Tóm tắt

I. Tổng quan về phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN cho ứng dụng IoT

Nền tảng thử nghiệm LoRaWAN đang trở thành một phần quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng Internet of Things (IoT). Với khả năng truyền thông không dây hiệu quả, LoRaWAN cho phép kết nối nhiều thiết bị mà không cần dây dẫn. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong nông nghiệp, thành phố thông minh và nhiều lĩnh vực khác. Việc phát triển nền tảng thử nghiệm này không chỉ giúp kiểm tra hiệu suất mà còn tối ưu hóa việc triển khai các giải pháp IoT.

1.1. Ứng dụng của LoRaWAN trong IoT

LoRaWAN được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT như giám sát môi trường, quản lý tài nguyên và theo dõi sức khỏe. Công nghệ này cho phép truyền tải dữ liệu từ các cảm biến IoT đến các máy chủ mà không cần kết nối mạng phức tạp.

1.2. Lợi ích của nền tảng thử nghiệm LoRaWAN

Nền tảng thử nghiệm LoRaWAN giúp các nhà phát triển kiểm tra và tối ưu hóa các ứng dụng IoT trước khi triển khai thực tế. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí trong quá trình phát triển.

II. Thách thức trong việc phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN

Mặc dù LoRaWAN mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc phát triển nền tảng thử nghiệm cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tin cậy của mạng, khả năng mở rộng và bảo mật dữ liệu là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc đảm bảo rằng các thiết bị có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau là một thách thức lớn.

2.1. Độ tin cậy của mạng LoRaWAN

Độ tin cậy của mạng LoRaWAN phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách giữa các thiết bị và cổng, cũng như các vật cản trong môi trường. Việc nghiên cứu và cải thiện độ tin cậy là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.2. Bảo mật trong ứng dụng IoT

Bảo mật là một trong những thách thức lớn nhất trong các ứng dụng IoT. Việc bảo vệ dữ liệu và đảm bảo rằng các thiết bị không bị tấn công là rất quan trọng trong việc phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN.

III. Phương pháp phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN hiệu quả

Để phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng các công cụ mã nguồn mở và các nền tảng IoT có thể giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển. Hơn nữa, việc tích hợp các cảm biến và thiết bị thông minh vào hệ thống cũng là một phần quan trọng trong quá trình này.

3.1. Sử dụng công nghệ mã nguồn mở

Công nghệ mã nguồn mở cho phép các nhà phát triển dễ dàng truy cập và tùy chỉnh các giải pháp IoT. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn thúc đẩy sự đổi mới trong phát triển ứng dụng.

3.2. Tích hợp cảm biến IoT

Việc tích hợp các cảm biến IoT vào nền tảng thử nghiệm giúp thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Điều này rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các ứng dụng IoT.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nền tảng thử nghiệm LoRaWAN

Nền tảng thử nghiệm LoRaWAN đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến thành phố thông minh. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân. Việc giám sát môi trường, quản lý tài nguyên và theo dõi sức khỏe là những ví dụ điển hình cho sự thành công của công nghệ này.

4.1. Giám sát môi trường

Nền tảng thử nghiệm LoRaWAN cho phép giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí. Điều này giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định kịp thời và chính xác.

4.2. Quản lý tài nguyên hiệu quả

Việc sử dụng LoRaWAN trong quản lý tài nguyên giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước và năng lượng. Các cảm biến có thể cung cấp dữ liệu thời gian thực để điều chỉnh các hoạt động một cách hiệu quả.

V. Kết luận và tương lai của nền tảng thử nghiệm LoRaWAN

Nền tảng thử nghiệm LoRaWAN đang mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng IoT trong tương lai. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc tối ưu hóa và cải thiện hiệu suất của nền tảng này sẽ là một trong những ưu tiên hàng đầu. Các nghiên cứu và phát triển tiếp theo sẽ giúp giải quyết các thách thức hiện tại và mở rộng khả năng ứng dụng của LoRaWAN.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ IoT

Công nghệ IoT đang phát triển nhanh chóng, và LoRaWAN sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị. Sự phát triển của các tiêu chuẩn mới sẽ giúp cải thiện khả năng tương tác giữa các thiết bị.

5.2. Tương lai của nền tảng thử nghiệm LoRaWAN

Tương lai của nền tảng thử nghiệm LoRaWAN hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến về hiệu suất và bảo mật. Việc nghiên cứu và phát triển liên tục sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

10/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Vietnam National University Ho Chi Minh City Ho Chi Minh City University of Technology Faculty of Computer Science and Engineering ——————– * ——————— Thesis graduation Developing A LoRaWAN-based Testbed for IoT Applications Committee : Computer Engineering Supervisor : Dr. Pham Hoang Anh Reviewer : A/Prof. Pham Quoc Cuong Students : Nguyen Duy Tinh - 1852797 Ho Hoang Thien Long - 1852161 Doan Anh Tien - 1852789 Ho Chi Minh City, Sep 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KH & KT MÁY TÍNH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------- Ngày 16 tháng 9 năm 2022 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn/phản biện) 1. Họ và tên SV: Hồ Hoàng Thiên Long MSSV: 1852161 Ngành: Kỹ thuật Máy tính Đoàn Anh Tiến MSSV: 1852789 Ngành: Kỹ thuật Máy tính Nguyễn Duy Tịnh MSSV: 1852797 Ngành: Kỹ thuật Máy tính 2.

Đề tài: Developing A LoRaWAN-based Testbed for IoT Applications 3. Họ tên người hướng dẫn/phản biện: Phạm Quốc Cường 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: Số chương: Số bảng số liệu Số hình vẽ: Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán: Hiện vật (sản phẩm) 5. Tổng quát về các bản vẽ: - Số bản vẽ: Bản A1: Bản A2: Khổ khác: - Số bản vẽ vẽ tay Số bản vẽ trên máy tính: 6.

Những ưu điểm chính của LVTN: - students almost fulfilled the basic requirements of the topic - students wrote a good report, although there are some typos. - students published a paper at an international conference based on the results of the thesis 7. Những thiếu sót chính của LVTN: - The testbed is not quite developed. For example, there is no way to test a new system automatically.

- Students seem only to develop an IoT-based system and test the system instead of developing a testbed. Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ  Không được bảo vệ  9. 3 câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng: - It seems that the proposed system is an IoT-based air quality monitoring system instead of a testbed as requirement. Could you please explain this mismatch? - How can a new IoT-based system be tested? 10.

Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Good Điểm: 9/10 Ký tên (ghi rõ họ tên) Phạm Quốc Cường Commitment We certify that we worked on the project and wrote this thesis entirely on our own and that it has not been presented in whole or in part in any prior application for a degree. Unless otherwise stated by reference or credit, the work presented is entirely our own. Ho Hoang Thien Long, Nguyen Duy Tinh, Doan Anh Tien 1 Acknowledgements This thesis has completely reached its result thanks to the continuous efforts of the three members, the support and encouragement of our lecturers, friends and families. We would like to express our sincere attitude to those who have helped us throughout the study, research and during working on the thesis.

First and foremost, we would like to give our warmest thanks to our super- visor, Dr. Pham Hoang Anh, who has always supported us with not only crucial equipment to carry on the thesis but also immense knowledge and guidance so we could follow the right direction. He continually motivated us and gave us a chance to embrace a very interesting work which was composed from a lot of knowledge that we have learnt in our university life. He has always been a caring, patient teacher who supports us to adjust the work and this thesis throughout different modifications.

It was an honor for us to work with him and to gain experience under his supervision. Besides our supervisor, we would like to thank all councilors at the Thesis Defense date for their insightful comment and advice so we could refine our work in a better way. We would also like to give our appreciation to all of the teachers in the Faculty of Computer Science and Engineering, in particular, and all of the teachers at Ho Chi Minh City University of Technology in general, for their dedication to teaching and assisting us in grasping the core knowledge and understanding the role of an engineer. We also want to thank all of our friends for guiding and assisting us during our times at the university.

Finally, We would like to express our gratitude to our parents, who always create good conditions for our growth and encourage us when we have challenges in both studies and life. Ho Hoang Thien Long, Nguyen Duy Tinh, Doan Anh Tien 2 Abstracts This thesis proposes, studies and examines an approach on Developing A LoRaWAN-based Testbed for IoT Applications, including hardware and software components regarding LoRaWAN network architecture specification, allowing end- users to be able to monitor, control and validate their LoRaWAN network and wide range of end-devices before any actual deployment in a flexible manner. Additionally, the proposed testbed employs an efficient and reliable mechanism for status synchronization between a physical control device and a web-app-based control device to reduce the uplink packet loss rate as well as uplink frequency for saving power. The experimental results show that the packet loss rate is proportional to the distance between the gateway and end-devices, and is affected by building walls, obstacles, and hardware capabilities.

Moreover, leveraging a network server and MQTT broker with high availability and scalability enables our proposed testbed to possibly accommodate up to 1000 users accessing the web application deployed on a VPS with a dual-core CPU and 2GB RAM without failure. Parts of this thesis have been accepted and presented at an international con- ference as follows: Hoang Thien Long Ho, Anh Tien Doan, Duy Tinh Nguyen, and Hoang-Anh Pham, "A LoRaWAN based IoT Testbed for Performance Investigation," in Proceedings of 37th International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers, and Communications (ITC-CSCC), July 2022.org/) 3 Contents Commitment 2 Acknowledgements 3 Abstracts 4 List of Figures 11 List of Table 13 Terms 14 1 Introduction 1 1.1 Purpose and Motivation .2 Scope and Objectives .3 Structure of Thesis. 4 2 Background and Methodologies 5 2.1 Challenges for contemporary agriculture .1 Overview of wireless network technologies .1 LoRa Radio Modulation .1 General network architecture .3 Confirmed data message .4 End-device classes .5 Advantages and disadvantages .5 Metadata and time-series data .6 Relational database in IoT application .7 RS-485 & Modbus RTU. 28 3 The proposed LoRaWAN-based Testbed 31 3.1 Solution proposal structure .2 Hardware-dependent infrastructure .1 RS-485 - LoRa controller integration .3 Software-based infrastructure .3 Web Server & Web Application .4 Application Server access control .2 LoRaWAN control synchronization .1 End-device types .2 RS-485 - LoRa controller integration .2 RS-485 - LoRa converter .3 Slaves and other components .4 Software-based infrastructure .2 Database Management System .3 Web Server & Web Application .4 Application Server access control .2 LoRaWAN control synchronization .1 LoRa/LoRaWAN coverage capability testing .2 Web Server load tolerance testing .1 RS-485 - LoRa integration capability .2 Control synchronization capability .3 Web Server capability .4 User interface usability .5 Capability of validating various LoRaWAN deployments .1 Test Deployment in Urban Environment.

135 7 List of Figures 1.1 Number of Internet of Things (IoT) connected devices worldwide from 2019 to 2030 .1 Unmodulated signal and modulate signal in time-frequency rela- tionship .2 Network stack of LoRaWAN [1] .3 A typical LoRaWAN Network Architecture .7 Advantages of a LoRaWAN network deployment [1] .8 Traditional client-server model .9 pub/sub model .10 MQTT on TCP/IP stack .11 MQTT connection establishment .12 MQTT topic structure .13 A complex topic organization represented as a tree .14 Modbus RTU and RS-485 representation on OSI stack .16 A differential signalling example .17 The data frame format used in Modbus RTU .18 The format of one transmitted byte. 30 8 List of Figures 3.1 The proposed LoRaWAN-based Testbed overall architecture .2 Our solution proposal structure .3 The proposed RS-485 - LoRa integration system architecture .4 The proposed Physical controller firmware design .5 The proposed Physical controller hardware block diagram .6 The flowchart of sending 1 command running on each Master .7 Application topics hosted on the Streaming Broker .8 EER diagram for LoRaWAN-based Testbed Application .9 Web Application Sitemap .10 Authentication sequence diagram .11 CRUD sequence diagram .12 Sensor widget execution sequence .13 Controller widget execution sequence .14 Overall uplink testing phases .15 Overall downlink testing phases .16 The format and example of clientid .17 Two phases of the Access Control mechanism illustrated via se- quence diagrams .18 The state machine describes the behaviors of a virtual control device (switch or button) .19 Four possible scenarios for synchronizing the status of physical and virtual control devices .1 The schematic of the Central MCU board .2 The schematic of the Button Matrix board .3 The PCB bottom view of the Central MCU board .4 The PCB bottom view of the Button Matrix board .5 The UART - RS-485 mutual conversion circuit .6 The flowchart of RS-485 handler task .7 The interface of the Dragino RS485-LN. 77 9 List of Figures 4.8 three-phase process to read data from Slaves .9 Relay 4 channels RS-485/Modbus RTU developed and manufac- tured by Vietnic .10 Full topic tree representation of all topics provided by TTS .11 An example of 2 MQTT clients subscribing to the 2 downlink topics of the Network Server created by EMQ X .12 EMQ X Rule engine with uplink and downlink examples .13 Mapping model for Testbed Application .14 MVC model applied in Web Server .15 Authentication Pages Flow .16 Dashboard page UI .17 Dashboard dropdown and Add board action .18 Configure board and Delete board actions .19 Add widget action .20 Delete widget action .23 Push Button Widget .24 Toggle Button Widget .25 Uplink testing metric evaluator .26 A phase diagram expresses the PLR computation of uplink testing 101 4.27 A phase diagram expresses the RSSI computation of uplink testing 102 4.28 Downlink testing metric evaluator .29 A phase diagram expresses the PLR computation of downlink testing103 4.30 A phase diagram expresses the RSSI computation of downlink testing104 4.31 A phase diagram expresses the RTT computation of downlink testing105 4.32 A phase diagram expresses the RESP computation of downlink testing .33 Device page UI .34 Add widget action. 108 10 List of Figures 4.35 Add widget action .36 User page UI .37 Language conversion feature .39 An actual example of a control synchronization scenario from phys- ical device terminal view .40 An actual UI corresponding to each state of the virtual button .1 B4 building in indoor measurements.

118 (a) B4 building in reality. 118 (b) B4 building longitudinal cross-section .2 A4 building in reality .3 Indoor experimental results of uplink coverage in bar chart repre- sentation .4 Indoor experimental results of control synchronization in bar chart representation .5 Map of uplink measurements in outdoor environment .6 Outdoor experimental results of uplink coverage in chart represen- tation .7 Map of downlink measurements in outdoor environment .8 Outdoor experimental results of downlink coverage in chart repre- sentation .9 Stress test result on Login page with incremental virtual users .10 Stress test result on Application pages with incremental virtual users130 11 List of Tables 2.1 3 commonly-used wireless technologies .2 MAC message types used in LoRaWAN 1.3 Comparison among 3 devices classes A, B and C .1 Signal descriptions of Physical controller illustrated in Figure 3.2 Description of the topic levels in Figure 3.3 Description of an AC record .4 The AC records for any end-user that own the device dev_id .1 A list of device types and their sensing data .2 The commonly used command provided by device manufacturer .3 A list of RESTful APIs descriptions .4 A list of web API implementation complexity on Web Server side .5 A list of web API implementation complexity on Web Application side 90 4.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài luận văn tốt nghiệp mang tiêu đề "Phát triển nền tảng thử nghiệm LoRaWAN cho ứng dụng IoT" của các tác giả Nguyễn Duy Tinh, Ho Hoang Thien Long và Doan Anh Tien, dưới sự hướng dẫn của Dr. Pham Hoang Anh và A/Prof. Pham Quoc Cuong, được thực hiện tại Trường Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh vào năm 2022. Bài viết tập trung vào việc phát triển một nền tảng thử nghiệm cho công nghệ LoRaWAN, một giao thức không dây được thiết kế cho các ứng dụng Internet of Things (IoT). Nền tảng này không chỉ giúp nâng cao khả năng kết nối giữa các thiết bị IoT mà còn mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng thông minh trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Để tìm hiểu thêm về các ứng dụng công nghệ thông tin trong giáo dục, bạn có thể tham khảo bài viết Quản lý ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học ở trường trung học cơ sở Hoằng Hóa, Thanh Hóa, nơi mà công nghệ thông tin cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện phương pháp giảng dạy.

Ngoài ra, nếu bạn quan tâm đến việc ứng dụng các phương pháp học máy trong nhận diện giọng nói, bài viết Nhận dạng giọng nói tiếng Việt qua học sâu và mô hình ngôn ngữ sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn sâu sắc về cách mà công nghệ có thể được áp dụng trong lĩnh vực này.

Cuối cùng, để có cái nhìn tổng quát hơn về việc phát triển ứng dụng công nghệ thông tin trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bạn có thể tham khảo Nghiên cứu ứng dụng học sâu vào dịch từ vựng mà không cần dữ liệu song ngữ, nơi mà các công nghệ tiên tiến được áp dụng để giải quyết các bài toán thực tiễn.

Những tài liệu này không chỉ giúp bạn mở rộng kiến thức về công nghệ thông tin mà còn cung cấp các góc nhìn đa dạng về ứng dụng của nó trong cuộc sống.