Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu tổng quan về đề tài, lý do chọn đề tài, nội dung nghiên cứu, phạm vi giới hạn và bố cục của đồ án. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giải thích những khái niệm, lý thuyết, công nghệ, kỹ thuật hoặc quy trình cần thiết để hiểu được đề tài. - Chương 3: Thiết kế hệ thống Mô tả quá trình phân tích, thiết kế hệ thống hoặc giải pháp để giải quyết vấn đề của đề tài. - Chương 4: Kết quả Tiến hành thi công mô hình phần cứng và phần mềm dựa trên bản thiết kế hệ thống.
Đánh giá và nhận xét kết quả thu được sau khi kiểm tra. - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Nêu ra các mặt hạn chế của hệ thống và đề xuất ra các hướng phát triển phù hợp với đề tài. 4 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ LORA 2.1 Khái niệm công nghệ LoRa LoRa (Long Range Radio) là công nghệ truyền thông dữ liệu không dây dựa trên các kỹ thuật điều chế trải phổ bắt nguồn từ công nghệ trải phổ Chrip được nghiên cứu bởi công ty Cycleo nhưng phát triển bởi Semtech vào năm 2012. LoRa được sử dụng trong các ứng dụng truyền tải các khối dữ liệu nhỏ với tốc độ bit thấp.
So với các công nghệ như: Wifi, Bluetooth hay Zigbee thì LoRa truyền dữ liệu đi trên phạm vi xa hơn. Những đặc tính này phù hợp với các cảm biến và thực hiện hoạt động trong chế độ năng lượng thấp. Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là có khả năng truyền dữ liệu ở khoảng cách xa đạt tới 15km ở môi trường mở. Với mức tiêu thụ điện năng thấp, công nghệ này kéo dài tuổi thọ pin, tiết kiệm được chi phí sử dụng, khả năng chống nhiễu tốt và giao tiếp ở khoảng cách xa với công suất thấp [3].2 Nguyên lý hoạt động công nghệ LoRa Công nghệ LoRa phát triển dựa trên kỹ thuật điều chế Chrip Spread Spectrum (CSS).
Khi dữ liệu được tạo xung với tần số cao sẽ tạo ra tín hiệu có dải tần cao được mã hóa thành các chuỗi tín hiệu hình sin thay đổi theo thời gian (chirp signal) trước khi gửi đi qua anten. Có hai loại chirp signal: tần số up-chirp tăng theo thời gian và down-chirp giảm dần theo thời gian. Nguyên tắc hoạt động trên giúp giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác cho mạch để giải mã và điều chỉnh dữ liệu. LoRa vẫn truyền đi xa mà không yêu cầu nhiều công suất phát.
Các tín hiệu LoRa có sử dụng tín hiệu chirp hoạt động không gây nhiễu lẫn nhau và thiết bị được phép trao đổi trên nhiều kênh trong cùng một khu vực [3].3 Ưu điểm và nhược điểm công nghệ LoRa Một số ưu điểm của công nghệ truyền thông LoRa: - Hỗ trợ truyền đường dài: hỗ trợ máy tính truyền dữ liệu không cần bộ khuếch đại công suất. 5 - Mức điện năng tiêu thụ thấp: mức tiêu thụ điện năng tương ứng với bình ắc quy lên đến 10 năm tuổi, tiết kiệm chi phí thay thế cho các doanh nghiệp và nhà máy. - Bảo mật cao: sở hữu mã hóa AE128 cho phép xác thực lẫn nhau giúp tăng tính bảo mật. - Chi phí thấp: giảm chi phí thay pin, chi phí vận hành và đầu tư các cơ sở hạ tầng [3].
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn có một vài nhược điểm cần chú ý: - Không phù hợp truyền các dữ liệu lớn do tốc độ truyền chậm và tải trọng công nghệ bị giới hạn ở 100 bytes sẽ làm tăng độ trễ. - Hạn chế trong việc lắp đặt gateway trong các khu vực đông dân cư. - Để triển khai hệ thống LoRa hoàn chỉnh cần nhiều cổng và thiết bị kết nối tạo một lượng chi phí lớn để triển khai. - Hiệu suất của LoRa còn phụ thuộc vào các yếu tố môi trường [3].4 Ứng dụng công nghệ LoRa Công nghệ LoRa đã được áp dụng trong một số các dự án như: tòa nhà thông minh (Smart Building), là dạng mô hình thu hẹp của Smart City, nhằm để quản lý và tiện ích cho dân cư.
Một số ứng dụng LoRa trong dự án trên: - Giám sát môi trường: các thiết bị LoRa có thể đặt ở nhiều vị trí khác nhau để giám sát chất lượng chất lượng không khí, nhiệt độ và độ ẩm trong các khu vực trong tòa nhà hoặc trong một khu vực nhất định. - Quản lý năng lượng: sử dụng công nghệ LoRa để thu thập dữ liệu và thu thập dữ liệu về lượng tiêu thụ năng lượng của từng thiết bị điện trong các hệ thống điện thông minh, giúp tối ưu hóa quản lý năng lượng hiệu quả hơn. - Quản lý an ninh và an toàn: theo dõi các báo động hoặc các sự cố cháy nổ, xâm nhập trong tòa nhà [4].1: Mô hình Tòa nhà thông minh (Smart Building) [4]. Mô hình như hình 2.1, mỗi văn phòng được lắp thiết bị báo cháy.
Khi phát hiện xảy ra cháy, dữ liệu sẽ gửi về một trạm cơ sở (Gateway). Sau đó, trạm cơ sở sẽ gửi thông tin lên server để phân tích và gửi cảnh báo đến quản lý qua các thiết bị thông minh như: điện thoại hoặc máy tính.2 TỔNG QUAN VỀ ANDROID STUDIO 2.1 Android Studio là gì? Android Studio là môi trường phát triển tích hợp (IDE) chính thức được phát triển bởi Google về phát triển ứng dụng Android. Công cụ cung cấp một giao diện trực quan và có trình gỡ lỗi, trình soạn thảo mã mạnh mẽ của IntelliJ IDEA, một trong những IDE hàng đầu trong ngành. Ngoài ra, Android Studio còn cung cấp các công cụ đa dạng như: thiết kế giao diện ứng dụng hay quản lý tài nguyên và tích hợp Android SDK, kiểm thử và triển khai các ứng dụng Android [5].2 Các tính năng của Android Studio Người dùng có thể tận dụng các tính năng có sẵn của công cụ này như sau: - Hệ thống được xây dựng linh hoạt cho phép quản lý, kiểm thử và đóng gói ứng dụng Android dựa trên Gradle.
- Mô phỏng nhanh, tích hợp nhiều tính năng và kiểm tra ứng dụng hiệu quả. - Sửa lỗi mã code nhanh chóng từ các gợi ý của thư viện giúp tăng độ chính xác hơn. 7 - Hỗ trợ kết nối Firebase và cơ sở dữ liệu gốc được cập nhật liên tục. - Tích hợp Maven và kho lưu trữ của Maven để quản lý thư viện.
- Hỗ trợ Google Cloud Platform giúp việc tích hợp Google Cloud Messaging và App Engine trở nên dễ dàng hơn. Ngoài ra, Android Studio có các công cụ cung cấp các trình biên dịch, trình gỡ lỗi, trình tạo giao diện và sử dụng ngôn ngữ lập trình Java hoặc Kotlin và có sẵn các thư viện quan trọng trong quá trình viết chương trình [5].3 Ưu và nhược điểm của Android Studio Một số ưu điểm của Android Studio trong phát triển các ứng dụng: - Giao diện dễ sử dụng và tiếp cận người dùng, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm thời gian để phát triển ứng dụng. - Hỗ trợ các công cụ phát triển và tích hợp sẵn các thư viện. - Các tính năng mới được thường xuyên cập nhật để tăng hiệu suất cải thiện trải nghiệm.
- Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình như: Java hoặc Kotlin [5]. Bên cạnh đó, Android Studio còn có những nhược điểm: - Yêu cầu tài nguyên máy tính cao: là công cụ chiếm nhiều không gian bộ nhớ và yêu cầu máy tính có cấu hình tương đối cao để chạy mô phỏng nhanh và mượt hơn. - Các hoạt động giả lập đôi khi có gây ảnh hưởng đến máy tính và tiêu tốn pin [5].3 TỔNG QUAN VỀ FIREBASE 2.1 Khái niệm Firebase Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực, hoạt động trên nền tảng đám mây của Google được xây dựng để phát triển các trang web và ứng dụng di động. Firebase có nhiều dịch vụ khác nhau bao gồm: lưu trữ dữ liệu, xác thực người dùng, phân tích và quản lý nhận thức hỗ trợ người [6].2 Đặc điểm và tính năng của Firebase Các chức năng hữu ích và nổi bật của Firebase: 8 - Firebase Realtime Database: là cơ sở dữ liệu thời gian thực, lưu trữ dữ liệu trên đám mây ở dạng tệp JSON và đồng bộ dữ liệu giữa các thiết bị.
- Firebase Authentication: cung cấp các phương thức xác thực người dùng bao gồm: email, tài khoản mạng xã hội và nhiều phương thức khác giúp bảo vệ thông tin cá nhân bị đánh cắp [6].2 cho biết rằng Firebase Authentication hỗ trợ nhiều nhà cung cấp dịch vụ xã hội khác nhau như: Google, Twitter, Facebook hoặc Github để người dùng đăng nhập mà không cần phải tạo tài khoản mới. - Firebase Cloud Storage: dịch vụ cho phép lưu trữ dữ liệu tệp (hình ảnh hoặc video) và quản lý các tập tin. - Firebase Test Lab: dịch vụ kiểm thử tự động trên các ứng dụng khác nhau, có hỗ trợ kiểm tra và phát hiện lỗi trong quá trình phát triển ứng dụng. - Firebase Analytics: dịch vụ sử dụng các tiện ích để phân tích dữ liệu về cách người dùng tương tác với các tính năng của nó và ứng dụng [6].
9 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG Hệ thống có yêu cầu về các tính năng chi tiết để thực hiện và hoàn thành các mục tiêu đã đề ra ở Chương 1: - Thu thập các chỉ số về tình trạng sức khỏe người dùng (nhịp tim, nồng độ oxy máu và nhiệt độ cơ thể). - Hiển thị các chỉ số cảm biến thông qua màn hình, ứng dụng di động và website - Cảnh báo người dùng thông qua còi buzzer khi chỉ số đo vượt ngưỡng cho phép. - Thực hiện cuộc gọi hoặc gửi tin nhắn đến số điện thoại đã đăng ký trước để cảnh báo người giám sát khi người dùng cần sự trợ giúp. - Người dùng hoặc người giám sát có tương tác được với thiết bị đo sức khỏe để trực tiếp phát cảnh báo.
- Người quản lý xem được thông số người dùng dưới dạng biểu đồ, đồ thị hoặc dưới dạng dữ liệu số. - Cập nhật và lưu trữ các giá trị chỉ số trên cơ sở dữ liệu trực tuyến.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG Với yêu cầu đề ra, để xây dựng một hệ thống giám sát dựa trên mạng LoRa hoạt động ổn định về phần cứng và tạo ra giao diện phần mềm giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và tương tác, nhóm đã thiết kế mô hình hoạt động chung của toàn hệ thống như hình 3.1: Mô hình tổng quan toàn hệ thống. Dựa trên mô hình tổng quan ở hình 3.1, hệ thống sẽ có năm khối chính: - Khối Node (Node 1 và Node 2): thu thập dữ liệu từ các cảm biến và trạng thái nút nhấn khẩn cấp mà người dùng tương tác. Dữ liệu sau đó được đóng gói thành gói tin và gửi đến Gateway qua mạng LoRa.