Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Hệ Thống LoRaWAN - IoT Đo Lường Cảm Biến Từ Xa

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế và thi công hệ thống lorawan iot đo lường cảm biến từ xa, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Mai Văn Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hệ Thống Nhúng Và IoT
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống LoRaWAN - IoT Đo Lường Cảm Biến Từ Xa
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.1. PHẠM VI GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4. BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LORA
• 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIAO THỨC MẠNG LORAWAN
• 2.2.1. Kiến trúc LoRaWAN
• 2.2.2. Thiết bị đầu cuối sử dụng class A
• 2.2.3. Khung truyền dữ liệu class A
• 2.2.4. Phương pháp kích hoạt vào mạng LoRaWAN OTAA
• 2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY CHỦ MẠNG CHIRPSTACK
• 2.4. CƠ SỞ VỀ GIAO THỨC ỨNG DỤNG UDP PACKET FORWARDER
• 2.4.1. Giới thiệu chung
• 2.4.2. Các loại gói tin cơ bản trong giao tiếp giữa gateway với server
• 2.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ INFLUXDB
• 2.6. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GRAFANA
• 2.7. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ WEBSOCKET
• 2.7.1. Giới thiệu chung
• 2.7.2. Nguyên lý hoạt động của WebSocket
• 2.8. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG UART
• 2.9. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHUẨN GIAO TIẾP RS-232
• 2.10. CHUẨN GIAO TIẾP RS-485 VÀ CHUẨN GIAO THỨC MODBUS RTU
• 2.10.1. Chuẩn giao tiếp RS-485
• 2.10.2. Chuẩn giao thức Modbus RTU
• 2.11. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU DÒNG ĐIỆN 4-20MA
• 2.12. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN ÁP 0-10VDC
• 2.13. MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP-AMP VÀ ỨNG DỤNG
• 2.14. MODULE LORA RAK3172
• 2.15. VI ĐIỀU KHIỂN ESP32-C3
• 2.16. MÁY TÍNH NHÚNG ORANGEPI
• 2.17. MODULE LORAWAN GATEWAY ED-GW1302S-915M
• 2.18. IC QUẢN LÝ NGUỒN-SẠC PIN BQ24075
• 2.19. IC CHUYỂN ĐỔI NGUỒN DC-DC TPS63000
• 2.20. IC HẠ ÁP DC-DC XL1509
• 2.21. IC TĂNG ÁP MT3608
• 2.22. IC HẠ ÁP TPS5430-TPS5450
• 2.23. IC ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN NHẬN RS-232 MAX3232
• 2.24. IC TRUYỀN NHẬN RS-485 MAX3485
• 2.25. CÁC PHẦN MỀM VÀ KHUNG PHẦN MỀM (FRAMEWORK) SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 3.2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH
• 3.2.1. Thiết kế phần cứng
• 3.2.2. Thiết kế phần mềm
• 3.3. KẾT QUẢ MÔ HÌNH THI CÔNG
• 3.3.1. Các Thiết bị đầu cuối (Node)
• 3.4. KẾT QUẢ PHẦN MỀM THIẾT KẾ
• 3.4.1. Thiết bị đầu cuối (Node)
• 3.4.2. Máy chủ mạng LoRaWAN
• 3.4.3. Máy chủ ứng dụng LoRaWAN
• 3.5. HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống LoRaWAN IoT Đo Lường Cảm Biến Từ Xa

Hệ thống LoRaWAN là một giải pháp kết nối không dây hiệu quả cho các ứng dụng IoT, đặc biệt trong việc đo lường cảm biến từ xa. Công nghệ này cho phép truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Việc thiết kế hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa việc thu thập dữ liệu mà còn đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Giới Thiệu Về Công Nghệ LoRaWAN

LoRaWAN là một giao thức mạng không dây được phát triển để tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu trong các ứng dụng IoT. Công nghệ này cho phép kết nối nhiều thiết bị cảm biến mà không cần dây dẫn, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian lắp đặt.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Hệ Thống LoRaWAN

Hệ thống LoRaWAN mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, khả năng truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa và khả năng mở rộng linh hoạt. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như nông nghiệp thông minh và giám sát môi trường.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống LoRaWAN Đo Lường Cảm Biến

Mặc dù công nghệ LoRaWAN mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc thiết kế và triển khai hệ thống. Các vấn đề như độ tin cậy của kết nối, khoảng cách truyền tải và tiêu thụ năng lượng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Tin Cậy Trong Kết Nối

Độ tin cậy của kết nối là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo dữ liệu được truyền tải chính xác. Các yếu tố như nhiễu sóng và khoảng cách truyền tải có thể ảnh hưởng đến chất lượng kết nối.

2.2. Tiêu Thụ Năng Lượng Của Thiết Bị

Tiêu thụ năng lượng của các thiết bị cảm biến là một vấn đề cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa thiết kế phần cứng và phần mềm có thể giúp giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng, kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống LoRaWAN Đo Lường Cảm Biến

Để thiết kế một hệ thống LoRaWAN hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm. Việc tích hợp các chuẩn giao tiếp khác nhau như RS-232, RS-485, 4-20mA và 0-10V là rất quan trọng.

3.1. Tích Hợp Các Chuẩn Giao Tiếp

Hệ thống cần tích hợp nhiều chuẩn giao tiếp để đảm bảo khả năng tương thích với các thiết bị cảm biến khác nhau. Việc này giúp mở rộng khả năng thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau.

3.2. Thiết Kế Giao Diện Quản Lý

Giao diện quản lý qua trình duyệt web giúp người dùng dễ dàng theo dõi và cấu hình các thông số của hệ thống. Điều này không chỉ nâng cao tính tiện lợi mà còn giúp người dùng dễ dàng tương tác với hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống LoRaWAN Đo Lường Cảm Biến

Hệ thống LoRaWAN đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, quản lý đô thị và giám sát môi trường. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả công việc mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống.

4.1. Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp Thông Minh

Hệ thống LoRaWAN giúp nông dân theo dõi tình trạng đất đai, độ ẩm và nhiệt độ, từ đó đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc tưới tiêu và chăm sóc cây trồng.

4.2. Giám Sát Môi Trường

Việc sử dụng hệ thống LoRaWAN trong giám sát môi trường giúp theo dõi các chỉ số ô nhiễm không khí, nước và đất, từ đó đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Hệ thống LoRaWAN - IoT đo lường cảm biến từ xa đã chứng minh được tính hiệu quả và tiềm năng trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để khắc phục các hạn chế hiện tại.

5.1. Định Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Nghiên cứu cần tập trung vào việc cải thiện độ tin cậy của kết nối và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Các công nghệ mới như AI có thể được áp dụng để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

5.2. Mở Rộng Ứng Dụng

Cần mở rộng ứng dụng của hệ thống LoRaWAN trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, giao thông và an ninh. Điều này sẽ giúp nâng cao giá trị của công nghệ trong cuộc sống hàng ngày.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu thu thập dữ liệu và giám sát từ xa đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp công nghệ cao, quản lý hạ tầng đô thị và sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, việc triển khai các mạng cảm biến tại những khu vực có địa hình hiểm trở, diện tích rộng lớn hoặc khoảng cách lên tới hàng kilomet thường gặp khó khăn về hạ tầng truyền dẫn có dây và chi phí năng lượng. Công nghệ truyền thông không dây diện rộng công suất thấp LoRa (Long Range) giải quyết được bài toán kết nối cự ly xa với mức tiêu thụ điện năng tối thiểu. Mặc dù vậy, LoRa thuần túy chỉ là công nghệ điều chế ở tầng vật lý, chưa có cấu trúc quản lý mạng và bảo mật chuẩn hóa. Để khắc phục điều này, liên minh LoRa Alliance đã phát triển giao thức LoRaWAN nhằm cung cấp khung truyền dữ liệu, tối ưu hóa kết nối, hỗ trợ tính năng tự thích ứng tốc độ truyền dữ liệu (ADR) và bảo vệ an toàn thông tin qua các cơ chế mã hóa.

Các nghiên cứu và sản phẩm thương mại hiện hữu vẫn tồn tại một số hạn chế về tính tương thích với nhiều dòng cảm biến công nghiệp khác nhau cũng như sự phức tạp trong quá trình cài đặt thông số tại hiện trường. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống LoRaWAN - IoT đo lường cảm biến từ xa" của tác giả Mai Văn Anh và Trần Đình Hoàng Anh (ngành Hệ thống Nhúng và IoT, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 06/2024) tập trung giải quyết bài toán tích hợp đa chuẩn giao tiếp công nghiệp trên cùng một nền tảng thu thập dữ liệu không dây, kết hợp giao diện cấu hình trực quan qua trình duyệt web.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống thu thập, đo lường cảm biến hỗ trợ đồng thời các chuẩn giao tiếp công nghiệp phổ biến: RS-232, RS-485 (giao thức Modbus RTU), tín hiệu dòng điện tương tự 4-20mA và tín hiệu điện áp tương tự 0-10VDC thông qua mạng LoRaWAN.
2. Xây dựng giao diện web cục bộ trên thiết bị đầu cuối để người dùng trực tiếp giám sát dữ liệu và cấu hình các thông số vận hành (thông số truyền thông cảm biến, thông số mạng LoRaWAN) mà không cần nạp lại mã nguồn.
3. Triển khai hạ tầng máy chủ mạng (Network Server) và máy chủ ứng dụng (Application Server) để tiếp nhận dữ liệu từ trạm thu phát (Gateway), lưu trữ vào cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian và trực quan hóa dữ liệu trên giao diện giám sát trung tâm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ vô tuyến LoRa và giao thức mạng LoRaWAN 1.0.3; các chuẩn truyền thông nối tiếp UART, RS-232, RS-485 và giao thức công nghiệp Modbus RTU; chuẩn tín hiệu công nghiệp 4-20mA, 0-10VDC; các dòng vi điều khiển và mạch tích hợp chuyên dụng (RAK3172, ESP32-C3, OrangePi Zero 3, ED-GW1302S-915M, BQ24075, TPS63000, MT3608, MAX3232, MAX3485); hệ thống máy chủ ChirpStack, cơ sở dữ liệu InfluxDB 2.7 và công cụ giám sát Grafana.
• Phạm vi và giới hạn: Đề tài giới hạn triển khai trên thiết bị LoRaWAN Class A với phương thức kích hoạt qua mạng vô tuyến OTAA (Over-The-Air Activation); băng tần hoạt động tuân thủ dải AS923-2 (920–923 MHz) theo quy chuẩn QCVN 122:2020/BTTTT của Việt Nam; phạm vi thực nghiệm cự ly truyền nhận không dây trong môi trường đô thị với khoảng cách dưới 3000m; nghiên cứu tập trung vào khả năng thu thập và truyền nhận dữ liệu của các chuẩn giao tiếp, không đi sâu vào việc hiệu chuẩn cấp chứng nhận độ chính xác đo lường chuyên dụng cho cảm biến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu về kiến trúc mạng truyền thông với phương pháp thực nghiệm thiết kế, chế tạo phần cứng và phát triển phần mềm nhúng.

Hệ thống lý thuyết và công nghệ nền tảng được tác giả sử dụng bao gồm:

• Công nghệ điều chế vô tuyến LoRa: Kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS), hệ số trải phổ (Spreading Factor từ SF7 đến SF12), băng thông (Bandwidth: 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz), thời gian chiếm dụng không gian truyền dẫn (Time on Air), chu kỳ hoạt động (Duty Cycle), các chỉ số chất lượng sóng vô tuyến gồm cường độ tín hiệu nhận RSSI (Received Signal Strength Indication) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal-to-Noise Ratio).
• Giao thức mạng LoRaWAN: Kiến trúc mạng hình sao lồng nhau (star-of-stars); mô hình truyền thông thiết bị Class A với hai cửa sổ nhận RX1 và RX2; cơ chế kích hoạt mạng OTAA dựa trên việc trao đổi các định danh và khóa mã hóa (DevEUI, AppEUI/JoinEUI, AppKey, DevNonce, AppNonce, NwkSKey, AppSKey, DevAddr, CFList); định dạng khung gói tin tường minh (explicit packet) gồm Preamble, Physical Header, Payload và mã kiểm tra tính toàn vẹn thông điệp MIC (Message Integrity Code).
• Giao thức chuyển tiếp Semtech UDP Packet Forwarder: Cơ chế chuyển tiếp gói tin vô tuyến giữa phần cứng Gateway và máy chủ mạng qua kết nối IP/UDP với các loại gói tin chuẩn: Push Data (0x01 Push Ack), Pull Data (0x02, 0x04 Pull Ack), Tx_Ack (0x05) và Pull Resp (0x03).
• Nền tảng máy chủ và cơ sở dữ liệu: Máy chủ mạng ChirpStack (bao gồm ChirpStack Gateway Bridge giao tiếp qua MQTT, ChirpStack Network Server, giao diện quản lý web và API gRPC); cơ sở dữ liệu InfluxDB 2.7 tổ chức dữ liệu theo mô hình chuỗi thời gian (Buckets, Measurements, Tags, Fields, Timestamps, API v2); công cụ trực quan hóa dữ liệu Grafana (Data Sources, Dashboards, Panels, Queries).
• Chuẩn giao tiếp công nghiệp và xử lý tín hiệu tương tự: Chuẩn RS-232 với mức điện áp đảo logic (mức cao: -3V đến -15V, mức thấp: +3V đến +15V); chuẩn RS-485 sử dụng tín hiệu vi sai trên cặp dây xoắn A-B (ngưỡng phân biệt tối thiểu 200mV, trở kháng đầu cuối 100–120Ω); giao thức Modbus RTU hoạt động theo mô hình Master-Slave với các mã chức năng đọc/ghi (Function Code 01, 02, 03, 04, 05, 06, 10) và mã kiểm tra dư thừa tuần hoàn CRC-16; tín hiệu dòng điện 4-20mA (loại thụ động 2 dây và chủ động 3 dây, ngưỡng 0-4mA dùng để nhận diện lỗi đứt dây); tín hiệu điện áp 0-10VDC; các cấu hình mạch khuếch đại thuật toán Op-Amp (khuếch đại vi sai, khuếch đại không đảo, mạch đệm điện áp).
• Giao thức tầng ứng dụng cục bộ: Giao thức WebSocket (RFC 6455) thiết lập kết nối song công hai chiều qua TCP cổng 80/443 phục vụ truyền nhận dữ liệu thời gian thực giữa trình duyệt và thiết bị đầu cuối.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ các mô hình mạch phần cứng tự chế tạo kết nối với các cảm biến công nghiệp thực tế trên thị trường, thông số đo kiểm công suất tiêu thụ qua thiết bị chuyên dụng và dữ liệu đo khoảng cách truyền sóng thực tế tại khu vực đô thị TP. Hồ Chí Minh.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ phần cứng thiết bị đầu cuối (Node), trạm thu phát trung gian (Gateway) đến hệ thống phần mềm máy chủ và giao diện web cấu hình cục bộ.

Thành phần hệ thống	Khối chức năng / Module chính	Linh kiện / Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật
Thiết bị đầu cuối (Node)	Khối xử lý trung tâm & LoRa	Module RAK3172 (SoC STM32WLE5CC)	Thu thập dữ liệu cảm biến, quản lý stack LoRaWAN Class A, phát sóng vô tuyến.
	Khối giao tiếp Web & WiFi	Vi điều khiển ESP32-C3	Tạo Access Point WiFi, chạy Web Server & WebSocket phục vụ cài đặt thông số.
	Khối quản lý nguồn	IC BQ24075, TPS63000, MT3608, XL1509-5.0 / TPS5430	Quản lý sạc pin Li-ion, ổn áp nguồn 3.3VDC cho mạch và boost 24VDC nuôi cảm biến.
	Khối ghép nối cảm biến	IC MAX3485, MAX3232, Op-Amp chuyên dụng	Chuyển đổi mức tín hiệu RS-485, RS-232, dòng 4-20mA, áp 0-10VDC về mức điện áp vi điều khiển.
Trạm thu phát (Gateway)	Khối xử lý trung tâm Gateway	Máy tính nhúng OrangePi Zero 3	Chạy hệ điều hành Linux, thực thi dịch vụ UDP Packet Forwarder và kết nối Internet.
	Khối thu phát tập trung LoRa	Module ED-GW1302S-915M (Semtech SX1302)	Thu phát đồng thời đa kênh gói tin vô tuyến LoRaWAN qua giao tiếp SPI/USB.
	Khối định vị & đồng bộ	Module GPS Quectel L70-R	Cung cấp tọa độ địa lý trạm và cấp tín hiệu xung đồng bộ thời gian thực cho mạng.
Hạ tầng máy chủ (Server)	Máy chủ mạng & ứng dụng	ChirpStack, ChirpStack Gateway Bridge	Tiếp nhận bản tin UDP từ Gateway, giải mã định dạng MQTT, xử lý OTAA và MAC layer.
	Cơ sở dữ liệu & Giám sát	InfluxDB 2.7, Grafana Dashboard	Lưu trữ dữ liệu chuỗi thời gian đo lường và hiển thị biểu đồ theo dõi trực quan.

Quy trình thiết kế và triển khai phần cứng:

1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và mạch in (PCB) 2 lớp cho Gateway và 4 biến thể Node cảm biến riêng biệt (Node RS-485, Node RS-232, Node dòng điện 4-20mA, Node điện áp 0-10VDC). Khối nguồn hỗ trợ dải điện áp ngõ vào công nghiệp từ 7VDC đến 40VDC kết hợp mạch pin sạc dự phòng.
2. Thiết kế firmware cho RAK3172: Khởi tạo ngăn xếp giao thức LoRaWAN OTAA, định kỳ đọc giá trị cảm biến thông qua giao tiếp UART/ADC, đóng gói khung tin và truyền uplink lên trạm Gateway, đồng thời quản lý chế độ tiết kiệm năng lượng giữa các chu kỳ đo.
3. Thiết kế firmware cho ESP32-C3: Khi nhận tín hiệu ngắt từ nút bấm chuyển chế độ của người dùng, ESP32-C3 khởi động trạm phát WiFi (AP), phục vụ các tệp giao diện HTML/CSS/JavaScript và mở kết nối WebSocket. Người dùng kết nối vào mạng WiFi để tùy chỉnh địa chỉ cảm biến, tốc độ baud, thanh ghi Modbus, DevEUI, AppEUI, AppKey. Sau khi lưu, thông số được nạp vào bộ nhớ bất biến và đồng bộ sang RAK3172 qua kênh UART.
4. Triển khai hạ tầng máy chủ: Thiết lập chương trình Semtech UDP Packet Forwarder trên OrangePi Zero 3, kết nối với ChirpStack Gateway Bridge qua giao thức MQTT. Cấu hình máy chủ ChirpStack Network Server để quản lý danh sách thiết bị, giải mã payload dữ liệu và đẩy bản ghi sang cơ sở dữ liệu InfluxDB 2.7, từ đó Grafana truy vấn hiển thị lên Dashboard.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu

Chương 1 thiết lập cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Tác giả trình bày tổng quan về nhu cầu giám sát môi trường và công nghiệp từ xa, phân tích ưu nhược điểm của công nghệ LoRa và chuẩn giao thức LoRaWAN. Nội dung chương xác định cụ thể mục tiêu thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm nhúng đa chuẩn cảm biến, xây dựng giao diện web cấu hình, giới hạn phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ thiết bị Class A kích hoạt OTAA tại tần số AS923-2 khu vực đô thị với cự ly dưới 3000m, đồng thời khái quát phương pháp nghiên cứu và bố cục 5 chương của quyển báo cáo.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và cơ sở kỹ thuật phục vụ việc thiết kế hệ thống:

• Phân tích cơ chế vô tuyến LoRa, kỹ thuật trải phổ CSS, mối tương quan giữa Spreading Factor (SF7–SF12), Bandwidth (125–500 kHz) và Time on Air, kèm theo trích dẫn quy chuẩn tần số vô tuyến QCVN 122:2020/BTTTT của Bộ Thông tin và Truyền thông quy định cho dải AS923-2 (920–923 MHz, công suất phát tối đa 25mW / 14dBm).
• Trình bày kiến trúc 4 lớp của LoRaWAN, nguyên lý truyền nhận hai cửa sổ RX1/RX2 của thiết bị Class A, cấu trúc khung tin Explicit và tiến trình kích hoạt mạng OTAA thông qua thông điệp Join-Request / Join-Accept.
• Giới thiệu kiến trúc máy chủ ChirpStack, giao thức truyền thông chuyển tiếp gói Semtech UDP Packet Forwarder (chi tiết các mã lệnh Pull Data, Push Data, Tx_Ack, Pull Resp, Pull Ack, Push Ack), cơ sở dữ liệu InfluxDB 2.7, công cụ giám sát Grafana và giao thức kết nối thời gian thực WebSocket (RFC 6455).
• Khái quát các chuẩn giao tiếp vật lý và giao thức công nghiệp: UART, RS-232, RS-485, Modbus RTU (cấu trúc khung ADU/PDU và các mã chức năng 01, 02, 03, 04, 05, 06, 10), chuẩn tín hiệu dòng 4-20mA (chủ động và thụ động), chuẩn áp 0-10VDC và các mạch ứng dụng của khuếch đại thuật toán Op-Amp.
• Tổng hợp bảng thông số kỹ thuật của các linh kiện phần cứng then chốt: module RAK3172, vi điều khiển ESP32-C3, máy tính nhúng OrangePi Zero 3, module Gateway ED-GW1302S-915M, module GPS L70-R, IC quản lý sạc BQ24075, các IC chuyển đổi nguồn (TPS63000, XL1509-5.0, MT3608, TPS5430/TPS5450) và các IC giao tiếp (MAX3232, MAX3485).

Chương 3. Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết phương án kỹ thuật và thiết kế triển khai:

• Thiết kế sơ đồ khối phần cứng tổng thể cho trạm Gateway LoRaWAN và các Node cảm biến đầu cuối.
• Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý (Schematic): khối nguồn hạ áp BUCK 7–40VDC xuống 5VDC, mạch sạc pin và quản lý nguồn BQ24075, mạch ổn áp 3.3VDC TPS63000, mạch tăng áp MT3608 lên 24VDC cấp nguồn cảm biến, khối mạch vi điều khiển trung tâm RAK3172 và ESP32-C3, các khối mạch đọc tín hiệu tương tự 4-20mA và 0-10VDC dùng Op-Amp, các khối điều khiển truyền nhận RS-485 (MAX3485) và RS-232 (MAX3232).
• Trình bày kết quả thiết kế layout mạch in PCB 2 lớp cho bo mạch Gateway và 3 biến thể bo mạch Node (Node kết hợp dòng 4-20mA / áp 0-10VDC, Node RS-485, Node RS-232).
• Xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết: chương trình khởi tạo và vòng lặp chính của RAK3172, chương trình con lấy dữ liệu và truyền gói tin Uplink, chương trình phục vụ ngắt nút nhấn chuyển chế độ cấu hình; thuật toán khởi tạo WiFi AP, xử lý yêu cầu HTTP và điều phối dữ liệu WebSocket trên ESP32-C3; các lưu đồ xử lý dữ liệu cấu hình cảm biến RS-485, RS-232, 4-20mA/0-10VDC và cài đặt thông số LoRaWAN trên giao diện trình duyệt web.

Chương 4. Kết quả

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu đo kiểm và hình ảnh thực nghiệm của đề tài:

• Hình ảnh hoàn thiện phần cứng thực tế và vỏ đóng gói của thiết bị Gateway LoRaWAN cùng 4 loại Node cảm biến (RS-485, RS-232, 4-20mA, 0-10VDC).
• Kết quả thu thập dữ liệu thành công từ các cảm biến thương mại: cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT31 và cảm biến AM1000-3-BV qua chuẩn RS-485 Modbus RTU; cảm biến đo mức nhiên liệu LiGo SP RS-232 qua chuẩn RS-232; cảm biến nhiệt độ PT100 qua module chuyển đổi ngõ ra 4-20mA và module chuyển đổi ngõ ra 0-10VDC.
• Kết quả kiểm tra quá trình kích hoạt mạng OTAA trên máy chủ ChirpStack (trích xuất thông tin DevEUI, JoinEUI, AppKey, bản tin Join-Request/Join-Accept trong mục Events) và giao diện giám sát dữ liệu Uplink.
• Hình ảnh kiểm thử giao diện web chạy trên trình duyệt: trang xác thực người dùng (Login), trang cấu hình thông số thanh ghi cảm biến RS-485, trang cấu hình thông số mạng LoRaWAN và thông báo thiết lập thành công.
• Kết quả đo kiểm dòng điện tiêu thụ của thiết bị đầu cuối RS-485 (khi không cắm cảm biến) bằng thiết bị phân tích công suất chuyên dụng Nordic Power Profiler Kit II.
• Kết quả thử nghiệm cự ly truyền nhận vô tuyến thực địa trong môi trường đô thị tại hai mốc khoảng cách: 1300m (1,3 km) và 3000m (3,0 km), ghi nhận khả năng thu nhận gói tin của hệ thống.

Chương 5. Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu đề ra ban đầu, chỉ rõ những đóng góp về mặt kỹ thuật phần cứng và phần mềm. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các điểm còn hạn chế về mức tiêu thụ điện năng và cự ly truyền sóng trong đô thị, từ đó đề xuất các hướng hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo và vận hành thực nghiệm hoàn chỉnh, đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

Hạng mục kiểm thử	Cảm biến / Thiết bị đo kiểm	Chuẩn giao tiếp / Kết quả ghi nhận
Đo lường cảm biến RS-485	Cảm biến SHT31 & AM1000-3-BV	Đọc chính xác nhiệt độ, độ ẩm và dữ liệu đo lường qua giao thức Modbus RTU.
Đo lường cảm biến RS-232	Cảm biến mức nhiên liệu LiGo SP RS-232	Giao tiếp nối tiếp mức logic RS-232, trích xuất dữ liệu mức nhiên liệu ổn định.
Đo lường tín hiệu tương tự	Cảm biến nhiệt độ PT100 qua module chuyển đổi	Mạch Op-Amp đọc tuyến tính tín hiệu dòng 4-20mA và tín hiệu áp 0-10VDC.
Kích hoạt & truyền mạng	Máy chủ LoRaWAN ChirpStack	Gia nhập mạng thành công qua OTAA (băng tần AS923-2), ghi nhận đầy đủ Events và Uplink.
Cấu hình cục bộ qua Web	Trình duyệt kết nối WiFi ESP32-C3	Đăng nhập bảo mật, lưu trữ thông số Modbus và LoRaWAN vào bộ nhớ Flash thành công.
Đo dòng điện tiêu thụ	Nordic Power Profiler Kit II	Thu được biểu đồ dòng điện tiêu thụ chi tiết của Node cảm biến RS-485.
Khảo sát cự ly truyền sóng	Môi trường đô thị (TP. Hồ Chí Minh)	Truyền nhận dữ liệu thành công ở các mốc cự ly 1300m và kiểm thử tới 3000m.

Đóng góp kỹ thuật do nhóm tác giả tự xác định:

• Thiết kế thành công kiến trúc phần cứng thiết bị đầu cuối đa năng, có khả năng tương thích linh hoạt với hầu hết các chuẩn tín hiệu công nghiệp hiện hành (RS-485 Modbus RTU, RS-232, 4-20mA, 0-10VDC) trên cùng một cấu trúc nền tảng.
• Tích hợp giải pháp cấu hình thiết bị hiện trường thông minh thông qua việc kết hợp vi điều khiển phụ ESP32-C3 phát WiFi cục bộ và máy chủ Web Server/WebSocket. Giải pháp này cho phép người vận hành dễ dàng thay đổi địa chỉ cảm biến, sơ đồ thanh ghi và khóa mạng LoRaWAN qua điện thoại hoặc máy tính mà không cần tháo lắp thiết bị hay nạp lại firmware.
• Xây dựng trọn vẹn chuỗi hạ tầng IoT LoRaWAN cục bộ từ phần cứng Node, Gateway sử dụng vi xử lý nhúng kết hợp chip tập trung SX1302 đến hệ thống phần mềm quản lý máy chủ nguồn mở ChirpStack, InfluxDB và Grafana.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận trong báo cáo:

• Mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị đầu cuối vẫn chưa đạt mức tối ưu tuyệt đối, cần tiếp tục tinh chỉnh phần cứng và quản lý trạng thái ngủ sâu (Deep Sleep) để kéo dài thời lượng sử dụng pin.
• Khoảng cách truyền nhận thực nghiệm đo được bị giới hạn ở mức dưới 3000m. Nguyên nhân xuất phát từ chất lượng độ lợi của anten sử dụng trong nghiên cứu và môi trường khảo sát thực tế diễn ra tại khu vực đô thị có mật độ nhà cao tầng dày đặc, nhiều nguồn gây nhiễu vô tuyến, khiến kết quả đánh giá cự ly truyền sóng chưa thực sự toàn diện so với lý thuyết LoRa trong môi trường thông thoáng.
• Hệ thống mới chỉ tập trung vào lớp thiết bị Class A và phương thức kích hoạt OTAA, chưa mở rộng cho các chuẩn Class B hoặc Class C.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Tiếp tục tối ưu hóa mạch nguồn và giải thuật phần mềm để giảm thiểu dòng rò và dòng hoạt động ở chế độ nghỉ của các khối ngoại vi.
• Thay thế và đánh giá các dòng anten thu phát có độ lợi cao hơn; mở rộng địa bàn khảo sát thực nghiệm sang các khu vực nông thôn, đồng trống hoặc đồi núi để đánh giá đầy đủ cự ly truyền dẫn tối đa.
• Nghiên cứu mở rộng hỗ trợ chế độ LoRaWAN Class B (đồng bộ thời gian) và Class C (lắng nghe liên tục) nhằm phục vụ các ứng dụng điều khiển thiết bị chấp hành từ xa theo thời gian thực.
• Bổ sung các giải thuật tự động hiệu chuẩn sai số cho kênh đọc cảm biến tương tự 4-20mA và 0-10VDC.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích đối với:

• Sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Hệ thống Nhúng & IoT, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính và Tự động hóa đang thực hiện các đề tài nghiên cứu liên quan đến mạng không dây diện rộng công suất thấp LPWAN.
• Kỹ sư phát triển sản phẩm IoT công nghiệp (IIoT) cần tài liệu tham khảo thực tế về thiết kế mạch nguyên lý, bố trí layout PCB cho các giao tiếp RS-485 chống nhiễu, mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến dòng 4-20mA/áp 0-10V dùng Op-Amp và mạch quản lý nguồn pin công nghiệp dải rộng 7–40VDC.
• Những người phát triển hệ thống cần giải pháp mẫu về việc kết hợp vi điều khiển LoRaWAN chuyên dụng (RAK3172) với vi điều khiển WiFi (ESP32-C3) để giải quyết bài toán giao diện cấu hình tại chỗ qua giao thức WebSocket và Web Server.
• Các nhóm nghiên cứu đang xây dựng hạ tầng máy chủ IoT mã nguồn mở cục bộ (On-premises) với bộ công cụ ChirpStack, InfluxDB và Grafana.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài hỗ trợ thu thập những chuẩn giao tiếp và dạng tín hiệu cảm biến công nghiệp nào?
Hệ thống thiết kế 4 biến thể bo mạch đầu cuối hỗ trợ 4 chuẩn tín hiệu phổ biến: chuẩn giao tiếp nối tiếp RS-485 (kết hợp giao thức Modbus RTU), chuẩn nối tiếp RS-232, chuẩn dòng điện tương tự 4-20mA (hỗ trợ cả cảm biến 2 dây thụ động và 3 dây chủ động) và chuẩn điện áp tương tự 0-10VDC.

2. Trạm thu phát LoRaWAN Gateway trong đồ án được xây dựng từ những khối phần cứng nào?
Trạm Gateway gồm máy tính nhúng OrangePi Zero 3 chạy hệ điều hành Linux làm bộ điều khiển trung tâm, module thu phát LoRaWAN tập trung đa kênh ED-GW1302S-915M (dựa trên chip Semtech SX1302) giao tiếp qua bus SPI/USB, module GPS Quectel L70-R phục vụ định vị và đồng bộ xung thời gian, cùng khối mạch nguồn hạ áp công nghiệp.

3. Người dùng cấu hình thông số cảm biến và mạng LoRaWAN cho thiết bị đầu cuối bằng cách nào?
Người dùng nhấn nút chuyển chế độ trên thiết bị đầu cuối để kích hoạt vi điều khiển ESP32-C3 phát một điểm truy cập WiFi (Access Point). Khi kết nối vào mạng WiFi này bằng điện thoại hoặc máy tính, người dùng truy cập giao diện web cục bộ để đăng nhập và tùy chỉnh các thông số thanh ghi Modbus, tốc độ baud, DevEUI, AppEUI, AppKey thông qua giao thức truyền nhận thời gian thực WebSocket.

4. Quy định tần số vô tuyến LoRa được áp dụng trong đề tài tại Việt Nam là gì?
Hệ thống hoạt động trên băng tần AS923-2 với dải tần số từ 920 MHz đến 923 MHz và công suất phát vô tuyến giới hạn ở mức 25mW (14dBm), tuân thủ đúng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 122:2020/BTTTT của Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam.

5. Những dòng cảm biến thương mại cụ thể nào đã được kết nối thực nghiệm thành công?
Đồ án đã kiểm thử thực tế và đọc dữ liệu chính xác từ: cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT31 và cảm biến AM1000-3-BV (chuẩn RS-485 Modbus RTU), cảm biến đo mức nhiên liệu LiGo SP RS-232 (chuẩn RS-232), cùng cảm biến nhiệt độ PT100 thông qua các module chuyển đổi trung gian sang tín hiệu 4-20mA và 0-10VDC.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Mai Văn Anh và Trần Đình Hoàng Anh đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống đo lường cảm biến từ xa hoàn chỉnh ứng dụng công nghệ LoRaWAN Class A và phương thức kích hoạt OTAA. Thiết bị đầu cuối đáp ứng khả năng ghép nối linh hoạt với 4 chuẩn tín hiệu công nghiệp (RS-485 Modbus RTU, RS-232, 4-20mA, 0-10VDC) và tích hợp giải pháp cấu hình thông số hiện trường trực quan qua mạng WiFi do vi điều khiển ESP32-C3 cung cấp. Toàn bộ chuỗi thu thập dữ liệu từ phần cứng Node, trạm Gateway đa kênh (OrangePi Zero 3 kết hợp SX1302) đến máy chủ ChirpStack, InfluxDB và Grafana đã được kiểm chứng hoạt động ổn định và đo kiểm thực tế trong môi trường đô thị với cự ly truyền sóng đạt 3000m.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương này trình bày về đề tài nghiên cứu, bao gồm lý do lựa chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và các giới hạn trong phạm vi của đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này sẽ đi sâu vào các lý thuyết liên quan đến công nghệ LoRa, LoRaWAN, các chuẩn giao tiếp và giao thức được sử dụng trong đề tài. Bên cạnh đó, phần này cũng sẽ trình bày về các công cụ mã nguồn mở được sử dụng để thiết lập máy chủ mạng LoRaWAN, cơ sở dữ liệu InfluxDB và công cụ hiển thị dữ liệu Grafana. Cuối cùng là lý thuyết về phần cứng, bao gồm các vi điều khiển và IC, các công cụ được sử dụng trong đề tài.

- Chương 3: Thiết kế hệ thống Trình bày chi tiết về yêu cầu và giải pháp của hệ thống. Thiết kế phần cứng, trình bày sơ đồ phần cứng, layout PCB, thiết kế phần mềm, trình bày lưu đồ thuật toán về phần mềm. Ngoài ra trình bày thiết lập các mã nguồn mở liên quan đến LoRaWAN và các mã nguồn mở liên quan đến cơ sở dữ liệu và công cụ hiển thị trên máy chủ. - Chương 4: Kết quả -3- Chương này cho thấy các kết quả đạt được của đề tài.

Thực nghiệm việc kết nối với các thiết bị cảm biến có sẵn trên thị trường, cấu hình các thông số liên quan đến cảm biến, thông số LoRaWAN và đưa thiết bị vào mạng LoRaWAN, thực nghiệm việc kết nối với khoảng cách xa. - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Chương này tóm tắt các kết luận từ những kết quả đã đạt được và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LORA Công nghệ truyền thông không dây LoRa được phát triển bởi một công ty khởi nghiệp của Pháp tên là Cycleo, công ty này đã phát triển công nghệ điều chế LoRa. Đến năm 2012, tập đoàn Semtech đã mua lại Cycleo khởi đầu cho một kỷ nguyên về LoRa [1].

LoRa là một công nghệ dựa trên LPWAN-mạng diện rộng công suất thấp (Low Power Wide Area Network), loại hình truyền thông không dây này được thiết kế để gửi các dữ liệu nhỏ trong khoảng cách xa, và tiêu tốn công suất thấp có thể sử dụng pin với tuổi thọ cao [1]. Hình 2-1 So sánh các công nghệ truyền thông không dây [1]. Hình ảnh trên thể hiện một biểu đồ so sánh các công nghệ truyền thông không dây dựa trên hai tiêu chí chính: tốc độ dữ liệu (Data rate) và phạm vi truyền (Range).1 Thông số sự khác nhau giữa LoRa với các chuẩn giao thức không dây khác [1]. Công nghệ Công nghệ kết nối Khoảng cách (m) Công suất không dây phát(mW) Bluetooth Khoảng cách ngắn ~ 10 ~ 2.5 -5- WiFi Khoảng cách ngắn ~ 50 ~ 80 3G/4G Cellular ~ 5000 ~ 500 LoRa LPWAN 2000-5000 (khu vực thành thị), ~ 25 5000-10000 (khu vực nông thôn) LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum.

Nhờ kỹ thuật điều chế này, LoRa có thể truyền tải dữ liệu hiệu quả ở khoảng cách xa với công suất thấp và chi phí mạch nhận giảm. Những đặc điểm này làm cho LoRa trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng IoT và truyền thông không dây trong môi trường khó khăn và nhiều nhiễu. Một vài điểm đặc trưng về LoRa: Tần số: LoRa linh hoạt trong việc hỗ trợ nhiều tần số nhưng tùy thuộc vào chính sách của từng khu vực. Ví dụ như ở Việt Nam, theo QCVN 122:2020/BTTTT ngày 16/11/2020, tiêu chuẩn tần số được cho phép là AS923-2 tần số từ 920MHz-923MHz với công suất phát 25mW (14dBm) [2].

Hình 2-2 Quy định về tấn số sóng vô tuyến tần số 920-923MHz tại Việt Nam [2]. -6- - Bandwidth: LoRa thường sử dụng các dải BandWidth: 125KHz, 250KHz và 500kHz, tùy thuộc vào khu vực hoặc tần số mà BandWidth nào sẽ được sử dụng [3]. Mối liên hệ giữa BandWidth và tần số: Flow = F – BW/2 Fhigh = F + BW/2 Trong đó: + Flow và Fhigh là khoảng giao động tần số thực tế (MHz). + F là tần số trung tâm (MHz).

+ BW là giá trị bandWidth (MHz) Giả sử nếu tần số trung tâm là 923MHz, BandWidth là 125KHz.9375 MHz và Fhigh = 923 + 0. - Time on air: Đây là khoảng thời gian mà gói tin được gửi đi trong không khí, nó tính bằng hiệu thời gian từ lúc gói tin được nhận bởi anten nhận và thời gian lúc anten gửi dữ liệu [4]. - Duty cycle: Đây là tỷ lệ thời gian mà thiết bị hoặc hệ thống hoạt động, ví dụ nếu time on air = 50ms Duty cycle = 1% thì sau thời gian 50ms đó, thiết bị phải chờ (100 – 1) * 50 = 4950 ms để bắt đầu lần gửi tiếp theo. Điều này rất quan trọng khi người dùng muốn cài đặt giá trị tối thiểu giữa mỗi lần gửi của thiết bị, giá trị này tùy thuộc vào từng khu vực.

- RSSI được viết tắt từ Received Signal Strength Indication là một chỉ số cường độ tín hiệu nhận được đo bằng dBm. Giá trị này được sử dụng để thể hiện khả năng bên nhận có thể lắng nghe được dữ liệu hay không. Giá trị của RSSi là âm và gần 0 sẽ là tín hiệu tốt nhất [4]. - SNR được viết tắt từ Signal-to-Noise Ratio là tỷ lệ giữa công suất tín hiệu được nhận và mức công suất của nhiễu nền–là tập hợp của tất cả các nguồn tín hiệu gây nhiễu không mong muốn có thể làm hỏng tín hiệu được truyền, do đó có thể gây ra các lần truyền lại.

Giá trị này thông thường nằm từ -20dB đến +10dB. Giá trị càng gần +10dB tín hiệu nhận càng ít nhiễu hơn [4]. -7- - Spreading factor: đây là hệ số trải số kiểm soát tốc độ truyền dữ liệu. Hệ số lan truyền thấp hơn có nghĩa dữ liệu truyền cao hơn.

Về khoảng cách, hệ số trải phổ lớn hơn có thể được nhận với ít lỗi hơn so với tín hiệu có hệ số trải phổ thấp hơn và do đó truyền đi khoảng cách xa hơn. Tuy nhiên, hệ số trải phổ càng lớn thì thời gian cần truyền song lâu hơn. LoRa có tổng cộng 6 hệ số trải phổ từ SF7 đến SF12 [5]. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIAO THỨC MẠNG LORAWAN Giới thiệu LoRaWAN là một giao thức chuẩn tầng điều khiển truy cập phương tiện (Media Access Control – MAC) được xây dựng trên nền tảng điều chế LoRa.

Có nghĩa là mọi Thiết bị đầu cuối, gateway hoặc server đúng chuẩn LoRaWAN thì sẽ hoạt động được với nhau, bất kể sản xuất bởi công ty hay cá nhân nào. Hình ảnh dưới đây minh họa cấu trúc giao thức (protocol stack) của LoRa và LoRaWAN, chia thành bốn lớp chính.Từng lớp trong cấu trúc này bao gồm [6]: Hình 2-3 Cấu trúc giao thức LoRaWAN - Application Layer (Lớp Ứng dụng): + Đây là lớp trên cùng của giao thức LoRaWAN. + Chịu trách nhiệm cho các ứng dụng cụ thể sử dụng LoRaWAN để truyền và nhận dữ liệu. Ví dụ: cảm biến môi trường, hệ thống quản lý năng lượng, các ứng dụng IoT khác.

- Media Access Control (MAC) Layer (Lớp Kiểm soát Truy cập Phương tiện): + Lớp này thuộc về giao thức LoRaWAN và bao gồm ba lớp con: -8- • Class A: Cơ chế giao tiếp cơ bản, thiết bị có thể gửi dữ liệu bất kỳ lúc nào và sau đó nhận dữ liệu trong hai khoảng thời gian ngắn. • Class B: Ngoài các khoảng thời gian nhận dữ liệu giống như Class A, thiết bị còn có thêm các khoảng thời gian đồng bộ để nhận dữ liệu. • Class C: Luôn mở kênh nhận dữ liệu ngoại trừ khi đang gửi dữ liệu, phù hợp cho các ứng dụng cần nhận dữ liệu liên tục. - Physical (PHY) Layer (Lớp Vật lý): + Lớp này thuộc về LoRa và bao gồm các thành phần liên quan đến việc truyền tín hiệu vô tuyến và điều chế.

+ Chịu trách nhiệm cho việc mã hóa và giải mã tín hiệu, sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) để đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả ở khoảng cách xa với công suất thấp. - Radio Frequency (RF) Layer (Lớp Tần số Vô tuyến) + Lớp này cũng thuộc về LoRa và liên quan đến các tần số vô tuyến được sử dụng để truyền dữ liệu. + Bao gồm các băng tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical) được quy định theo khu vực: • EU (Châu Âu): 863-870 MHz • US (Hoa Kỳ): 902-928 MHz • AU (Úc): 915-928 MHz • CA (Canada): 779-787 MHz • CN (Trung Quốc): 779-787 MHz, 470-510 MHz Giao thức mạng không dây LoRaWAN được thiết kế để kết nối các Thiết bị đầu cuối (end devices) với máy chủ mạng thông qua các Gateways sử dụng công nghệ LoRa (Long Range). LoRaWAN được biết đến với khả năng cung cấp một số tính năng quan trọng như bảo mật, tối ưu hóa năng lượng, khả năng mở rộng và tính hiệu quả trong việc truyền dữ liệu ở khoảng cách xa [6].

-9- Các mạng LoRaWAN được bố trí theo cấu trúc “star-of-stars”, trong đó các Gateway đóng vai trò trung gian giúp chuyển tiếp các gói tin từ Thiết bị đầu cuối đến máy chủ mạng và ngược lại [7]. Gateway sẽ kết nối với máy chủ mạng dựa vào kết nối IP tiêu chuẩn, còn các Thiết bị đầu cuối sẽ gửi dữ liệu đến Gateway bằng cách sử dụng giao tiếp không dây LoRa hoặc FSK tới một hay nhiều Gateway [6]. Các thiết bị đầu cuối và các Gateway giao tiếp với nhau thông qua nhiều tần số LoRa và tốc độ dữ liệu khác nhau [6]: - Các Thiết bị đầu cuối có thể truyền trên bất kênh kênh nào miễn là Thiết bị đầu cuối thay đổi kênh một cách ngẫu nhiên giả định cho mỗi lần truyền. Sự đa dạng tần số này làm cho hệ thống mạnh mẽ hơn trước việc nhiễu loạn.

Thêm vào đó là sự bắt buộc các Thiết bị đầu cuối phải tuân thủ vào dãi băng tần quy định của từng địa phương. - Việc thay đổi tốc độ dữ liệu phù thuộc vào phạm vi liên lạc và thời gian truyền thông điệp. Để tối ưu hóa cả tuổi thọ pin của các Thiết bị đầu cuối, giao thức LoRaWAN sẽ tổ chức quản lý tốc độ dữ liệu và công suất phát RF của từng Thiết bị đầu cuối trên hạ tầng LoRa bằng phương pháp điều chỉnh tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR). Kiến trúc LoRaWAN End devices: một cảm biến hoặc thiết bị gửi tin nhắn không dây được điều chế bằng LoRa dến các gateway hoặc nhận tin nhắn trở lại từ các gateway này [8].

Gateways: nhận các tin nhắn từ end devices và chuyển chúng tới Network Server [8]. Network Server: Là một phần mềm chạy ở server, nó sẽ quản lý toàn bộ mạng LoRaWAN [8].