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].