Chương 1: Tổng quan Chương này sẽ tổng kết tình hình nghiên cứu hiện tại, giải thích sự cần thiết của đề tài, xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đặt ra phạm vi và đối tượng nghiên cứu, trình bày phương pháp thực hiện nghiên cứu, và trình bày bố cục của đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này đề cập đến những lý thuyết cơ bản và quan trọng liên quan đến hệ thống. Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống 4 Chương này sẽ đề cập đến cách thiết kế và tính toán hệ thống, bao gồm sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, lưu đồ giải thuật, thiết kế sơ đồ mạch in PCB, và việc lập trình cho hệ thống. Chương 4: Kết quả thực hiện Chương này sẽ bao gồm kết quả của việc thi công phần cứng, xây dựng trang web, hình ảnh thực tế của mô hình, và nhận xét về sản phẩm.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Chương này sẽ trình bày các kết luận, ưu điểm và nhược điểm của đề tài, cùng với những hướng phát triển tiềm năng trong tương lai. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về mô hình hệ thống mạng không dây 2.1 Giới thiệu Các khái niệm về mô hình mạng không dây. Tổng quan về công nghệ không dây LoRa, các thông số cơ bản và kỹ thuật điều chế sóng LoRa. Các thông số cơ bản về công nghệ LoRa.
Các loại Wireless network[4]: Hình 2.1: Wireless network[5] Hình 2.1: Wireless network Có 3 mô hình Wireless network: - Cellular network (GSM, 2G, 3G, LTE, 5G): Một mô hình truyền dữ liệu phổ biến trên thiết bị di động là mạng di động (cellular network), có tốc độ truyền dữ liệu nhanh nhưng lại tiêu thụ nhiều năng lượng. - LAN network (Wifi, Bluetooth, Zigbee, NFC): Phổ biến trong các mô hình mạng LAN (Local Area Network) nhưng phạm vi sử dụng nhỏ và năng lượng sử dụng cao. 6 - LPWAN network (SigFox, LoRa, LTE-M, NB -IOT): Được phát triển sau mô hình Cellular network và LAN network, điểm đặt biệt là mô hình mạng là truyền dữ liệu tầm xa với mức năng lượng sử dụng ít.2 Cellular network: Với các ứng dụng Internet of Things yêu cầu khoảng cách truyền tầm xa, thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GSM/3G/H+/LTE là sự lựa chọn hàng đầu nhưng chi phí khá cao mà vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng. Hiện nay, trong công nghiệp đều hỗ trợ giao tiếp theo các chuẩn: RS485, RS422, RS232 hay Ethernet.
Đồn thời các phương tiện truyền thông qua mạng di động hiện nay đều hỗ trợ đầu vào các cổng Ethernet hay cổng Serial. - Các tiêu chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G). - Băng tần sử dụng: 900/1800/1900/2100MHz. - Khoảng cách: sử dụng lên đến 200km cho HSPA và 35km tối đa cho GSM.
- Tốc độ truyền dữ liệu: 35 đến 170kps đối với GPRS, 120 đến 384kbps đối với EDGE, 384Kbps đến tận 2Mbps đối với UMTS, 600kbps đến tận 10Mbps dành cho HSPA và cuối cùng là từ 3 đến 10Mbps với LTE .1 Bluetooth: Bluetooth là chuẩn công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn, hoạt động trên băng tần UHF 2,4 GHz. Công nghệ này được phát triển để đơn giản hóa quá trình kết nối giữa các thiết bị điện tử thông qua việc sử dụng sóng vô tuyến không định hướng. Công nghệ này cho phép truyền dữ liệu tầm ngắn giữa các thiết bị, hình thành nên mạng PAN. Tốc độ dữ liệu truyền có thể lên đến 1 Mb/s và hỗ trợ băng thông lên đến 720 Kbps trong khoảng cách từ 10m đến 100m.
Đây là điểm khác biệt so với kết nối hồng ngoại (IrDA). 7 BLE viết tắt của từ Bluetooth Low Energy là một giao thức được sử dụng trong các ứng dụng IoT với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế nhằm mục đích giảm công suất tiêu thụ hơn mức bình thường. Ứng dụng của Bluetooth: - Truyền tải dữ liệu giữa điện thoại và các thiết bị điện tử giải trí như loa, bàn phím, chuột không dây, máy in, máy ảnh,. Những ưu điểm và nhược điểm: - Ưu điểm: + Tiện lợi, chi phí thấp và tiêu tốn ít năng lượng.
+ Không làm ảnh hưởng sức khỏe con người. + Mang tính bảo mật cao. + Trong phạm vi 5 mét các thiết bị có thể kết nối với nhau không cần tiếp xúc trực diện. + Không ảnh hưởng và gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác.
+ Tính tương thích cao giữa các thiết bị. - Nhược điểm: + Tốc độ thấp (tối đa khoảng 720kbps). + Kết nối đôi khi bị tín hiệu yếu nếu môi trường có nhiều vật cản.2 ZigBee: ZigBee là một giao thức truyền thông không dây được thiết kế cho việc truyền dẫn dữ liệu trong khoảng cách ngắn, Thường được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và IoT. Thông tin kỹ thuật về ZigBee: + Phạm vi: 10-20m.
+ Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbp/s. 8 Cấu trúc của ZigBee: Hình 2.2: Cấu trúc của Zigbee[6] - Tầng vật lý: Đảm nhận nhiệm vụ điều biến và đóng gói tín hiệu để truyền qua môi trường không gian, đồng thời duy trì việc truyền tín hiệu ổn định trong các môi trường nhiễu. - Tầng MAC: Xác định hình dạng đường truyền và hình dạng mạng để tránh va chạm giúp hệ thống hoạt động mạnh mẽ. - Tầng mạng NWK: Tầng này có cấu trúc phức tạp và chịu trách nhiệm chủ yếu trong việc tìm kiếm và kết nối mạng, cũng như mở rộng từ cấu trúc chuẩn 802.4 thành cấu trúc lưới.
Nó đóng vai trò xác định đường truyền trong mạng ZigBee và quản lý địa chỉ ZigBee, khác với việc sử dụng địa chỉ tầng MAC. - Tầng APS: Tầng này đóng vai trò kết nối với tầng mạng và là nơi triển khai các ứng dụng cho ZigBee. Ngoài ra, chức năng quan trọng của nó là loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp từ tầng mạng NWK. - Tầng đối tượng thiết bị ZDO: Tầng này chịu trách nhiệm quản lý các thiết bị, cũng như cấu hình tầng ứng dụng và tầng mạng.
Nó cho phép các thiết bị thực hiện các chức năng như tìm kiếm, quản lý yêu cầu, và xác định trạng thái hoạt động của các thiết bị. - Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng APO: Tầng này cho phép người dùng tương tác trực tiếp với thiết bị và thêm các ứng dụng tùy chỉnh vào hệ thống. 9 Mô hình mạng ZigBee: ZigBee có ba dạng chính: - Star network. Các mô hình mạng ZigBee: - Star network: Các nút con sẽ được kết nối với nút chủ tại vị trí trung tâm.
- Mesh network: Các nút trong Mesh network đều có thể liên kết với các nút khác đảm bảo tín hiệu truyền liên tục. Nếu có sự cản trở thì hệ thống sẽ tự nhảy sang các nút khác. - Cluster network: Là bản mở rộng của Mesh network và có thể phủ sóng và mở rộng cao hơn. Thành phần trong mạng ZigBee: - ZigBee Coordinator: Tầng này chịu trách nhiệm về cấu trúc mạng, bao gồm việc gán địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ.
Mỗi mạng chỉ có một ZigBee Coordinator duy nhất, và đây cũng là thiết bị duy nhất có thể giao tiếp với các mạng khác. - ZigBee Router: Nhiệm vụ của ZigBee Router là đóng vai trò làm điểm định tuyến trung gian trong quá trình truyền dữ liệu. Thiết bị này tự động phát hiện và xây dựng bản đồ các nút lân cận để tối ưu quá trình truyền dữ liệu. - ZigBee End Device: là một thiết bị điểm cuối, giao tiếp trực tiếp với ZigBee Coordinator và ZigBee Router gần nhất.
Nhiệm vụ của nó là đọc thông tin từ các thành phần vật lý khi đang trong trạng thái nghỉ, và chỉ hoạt động khi cần nhận hoặc chuyển thông điệp.1: Các dải tần hoạt động của ZigBee các khu vực Các ứng dụng của ZigBee: - Nhà thông minh: dùng để theo dõi và quản lý mức độ tiêu thụ năng lượng, nguồn nước và ánh sáng, … - Tự động hóa: Trong ngành công nghiệp, ZigBee được sử dụng trong các hệ thống RFID để cung cấp quản lý truy cập an toàn. Ngoài ra, nó còn được áp dụng trong các ứng dụng khác như kiểm soát quá trình hoạt động, quản lý nguồn năng lượng, và theo dõi nhân sự, … - Quản lý, giám sát năng lượng: Trong hệ thống lưới điện thông minh, bao gồm các chức năng như giám sát nhiệt độ từ xa, định vị lỗi, và đo công suất phản kháng, … - Chăm sóc sức khỏe: Chăm sóc và theo dõi sức khỏe từ xa, … Ưu điểm của ZigBee: - Lắp đặt và kết nối mạng Internet dễ dàng. - Tiết kiệm năng lượng. - Sử dụng công nghệ mã hóa AES-128 mang tính bảo mật cao.
- Dễ dàng mở rộng: ZigBee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống. Nhược điểm của ZigBee: - Không thể phủ rộng hết toàn bộ nơi có diện tích quá lớn. - Khả năng xuyên tường chưa mạnh nhà có nhiều phòng thì tín hiệu bị giảm.3 Wifi Wireless Fidelity thường được viết tắt là Wifi, là công nghệ mạng không dây cho phép các thiết bị kết nối với internet hoặc mạng nội bộ thông qua sóng radio, được sử dụng 11 rộng rãi trên các thiết bị như laptop, máy tính bảng, điện thoại di động và các thiết bị thông minh khác Hoạt động của mạng Wifi Để có thể kết nối sử dụng Wifi, cần có một Router cần: - Router nhận thông tin từ mạng Internet qua kết nối dây, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu không dây và phát sóng tín hiệu này ra môi trường không dây. - Các thiết bị di động có bộ chuyển đổi tín hiệu không dây nhận tín hiệu, giải mã và sử dụng dữ liệu cần thiết.
Một số chuẩn kết nối Wifi hiện nay: Bảng 2.2: Các chuẩn Wifi được sử dụng ngày nay - Chuẩn 802.11: IEEE ra mắt chuẩn mạng không dây đầu tiên vào năm 1997, với tên gọi là 802. Ban đầu, tốc độ xử lý của mạng này chỉ đạt 2 Mbps, và hoạt động trên băng tần 2.11b: Tháng 7/1999, chuẩn 802.11b được ra đời và xử lí tốc độ lên đến 11 Mbps. Chuẩn này cũng hoạt động trên băng tần 2.4 GHz, dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác.11g có hiệu suất vượt trội hơn so với chuẩn b, mặc dù cả hai đều hoạt động trên tần số 2.4GHz, nơi có nguy cơ gặp nhiễu. Tuy nhiên, chuẩn 802.11g có khả năng xử lý tốc độ lên tới 54 Mbps.4 NFC: NFC là một chuẩn kết nối không dây hoạt động trong phạm vi gần, dựa trên cảm ứng từ trường để kết nối các thiết bị hỗ trợ NFC đặt gần nhau, trong khoảng cách tối đa 4 cm hoặc tiếp xúc với nhau.
NFC yêu cầu hai thiết bị: một thiết bị phát sóng và một thiết bị nhận.