CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Công nghệ Lora 1. Khái niệm LoRa LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, người sử dụng có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên đến hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu.
Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như mạng cảm biến trong đó các nút cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với pin trong thời gian dài trước khi cần thay pin. 1: Công nghệ LoRa Công nghe LoRa đã tạo một bước tiến lớn bằng cách cho phép truyền nhận dữ liệu trong một khoảng cách xa trong khi tiêu thụ rất ít năng lượng. Các nhược điểm của các công nghệ không dây khác như là yêu cầu băng thông cao, năng lượng tiêu thụ cao và giới hạn vể khoảng cách truyền đều được LoRa khắc phục. Trên thực tế, công nghê LoRa có thể sử dụng rất linh hoạt trong các ứng dụng như thành phố thông minh, nhà thông minh, nông nghiệp thông minh và chuỗi cung ứng thông minh,….
SVTH: Nguyễn Văn Tùng Lớp: D14DT&KTMT Downloaded by ANH BACH (bachvan15@gmail.com) lOMoARcPSD|39150642 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyên lý hoạt động của LoRa Hình 1. Sơ đồ tín hiệu Up chirp và Down chirp theo miền thời gian(trái) theo miền tần số(phải) LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có được hiểu là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chirpped), sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian, có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian, và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.
Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu, hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LoRa có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả cường độ tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh. Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: 430MHz cho châu Á 780MHz cho Trung Quốc SVTH: Nguyễn Văn Tùng Lớp: D14DT&KTMT Downloaded by ANH BACH (bachvan15@gmail.com) lOMoARcPSD|39150642 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Vũ Ngọc Châm 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu 915MHz cho Hoa Kỳ Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời , mỗi kênh được đặc trưng bởi một chirp rate riêng biệt.
Cấu trúc của gói dữ liệu LoRa như hình sau: Hình 1. 3: Cấu trúc gói dữ liệu của LoRa Cấu trúc gói dữ liệu của LoRa, bao gồm: Preamble: Là chuỗi nhị phân để bộ nhận phát hiện được tín hiệu của LoRa packet trong không khí. Header: Chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay không. Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo.
Payload: Là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa. Payload CRC: Giá trị CRC của Payload. Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không. Các thông số hoạt động của LoRa Các thông số radio chính của LoRa ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu, có thể điều chỉnh cho phù hợp với ứng dụng thực tế.
SVTH: Nguyễn Văn Tùng Lớp: D14DT&KTMT Downloaded by ANH BACH (bachvan15@gmail.com) lOMoARcPSD|39150642 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Vũ Ngọc Châm Hình 1. 4: Các thông số của LoRa 1. Spreading Factor (SF) SF xác định số lượng chirp signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu.
Ví dụ nếu SF=12 có nghĩa là 1 mức logic của chipped signal sẽ được mã hóa bởi 12 xung chirp signal. Với chipset SX1276 của SemTech thì SF có giá trị từ 6 đến 12. Giá trị cho SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng khoảng cách truyền sẽ xa hơn. Bandwidth (BW) BW xác định biên độ tần số mà chip signal có thể thay đổi.
Nếu bandwidth càng cao thì thời gian mã hóa chipped signal càng ngắn, từ đó thời gian truyền dữ liệu cũng giảm xuống nhưng đổi lại khoảng cách truyền cũng ngắn lại. Coding Rate (CR) CR là số lượng bit được tự thêm vào mỗi trong Payload trong LoRa radio packet bởi LoRa chipset để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi lại 1 số bit dữ liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu trong Payload. Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng, nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn, có thể kéo dài thời gian truyền tin. Có thể nói SF, BW và CR là 3 thông số cơ bản và quan trọng của chipset LoRa.
Trong đó, SF và BW sẽ ảnh hưởng thời gian và khoảng cách truyền dữ liệu, CR chỉ SVTH: Nguyễn Văn Tùng Lớp: D14DT&KTMT Downloaded by ANH BACH (bachvan15@gmail.com) lOMoARcPSD|39150642 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Vũ Ngọc Châm ảnh hưởng thời gian truyền dữ liệu. Tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng về khoảng cách, tốc độ truyền dữ liệu, và các yếu tố khác, các thông số này sẽ được điều chỉnh cho phù hợp. Ngoài 3 thông số cơ bản trên thì còn có: RSSI là công suất tín hiệu thu được ở máy thu, đo bằng mW hoặc dBm.
Thường là giá trị âm khi đo bằng dBm, càng gần 0 tín hiệu càng mạnh. Trong thực tể thì khi truyền LoRa: 30dBm (tín hiệu mạnh), 120dBm (tín hiệu yếu). Data Rate (hay còn gọi là Bit Rate) là số lượng bit truyền đi trong 1 đơn vị thời gian. Symbol rate là đại diện cho 1 hoặc nhiều bit tín hiệu.
Giao thức LoRaWAN 1. Khái niệm Giao thúrc LoRaWAN là giao thức được xây dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị sử dụng công nghệ truyển thông tẩm xa năng lượng thấp với Server. Giao thúc LoRaWAN đuợc xây dựng bởi liên minh LoRa, trong đó SemTech là thành viên sáng lập Thông số khu vực: LoRaWAN hoạt động trong phổ vô tuyền không cần cấp phép, điều này có nghĩa là bất kỳ ai cũng có thể sử dụng mà không phải trả phí. Nó tuơng tự như WiFi, sử dụng băng tần ISM 2.4GHz và 5GHz trên toàn thể giới.
Bất kỳ ai cũng được phép thiết lập bộ định tuyến WiFi và truyền tín hiệu WiFi mà không cần giấy phép. LoRaWAN sử dụng tần số vô tuyến thấp hơn với phạm vi xa hơn. Thực tế là các tần số có pham vi dài hơn cũng đi kèm với nhiều hạn chế hơn thường mang tính quốc gia cụ thể. Điều này đặt ra một thách thức cho LoRaWAN, đó là cố gắng đồng nhất ở tất cá các khu vực khác nhau trên thế giới.
Do đó, LoRaWAN được chỉ định cho một số băng tần cho các vùng này. LoRaWAN có thông số kỹ thuật khu vực chính thức đuợc quy định bởi liên minh LoRa như 433Hz, 915Hz,… SVTH: Nguyễn Văn Tùng Lớp: D14DT&KTMT Downloaded by ANH BACH (bachvan15@gmail.com) lOMoARcPSD|39150642 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Cấu trúc của hệ thống LoRaWAN Hình 1. 5:Mạng hình sao LoRaWAN Kiến trúc của hệ thống LoRaWAN được triển khai theo cấu trúc liên kết hình sao bao gồm: Nodes: cảm biến lấy dữ liệu từ môi trường, sẽ mã hóa các dữ liệu thu thập được thành các gói tin rồi gửi về gateway.
Gateways: đảm nhận vai trò như một thiết bị trung gian giúp liên kết các nodes với internet. Trong môi trường truyền thì một gateway có thể nhận nhiều gói tin từ các node sensor khác nhau. Việc của gateway là sắp xếp các gói tin nhận được rồi đưa qua network servers để xử lí. Network Servers: đây là trung tâm điều khiển, quản lí các gói tin.
Bởi trong hệ thống sẽ có nhiều gateway, các gateway này có thể nhận trùng gói tin của nhau hoặc việc nhận các gói tin bị trễ, không đồng thời. Network server sẽ chờ cho các gói tin được nhận đủ sau đó so sánh để loại bỏ các gói tin trùng lặp, rồi giải mã chúng về dạng dữ liệu mà người dùng cần. Application Servers: có thể là một website hoặc app, người dùng chỉ cần truy cần vào để xem được giá trị mà từ node gửi về. Ưu, nhược điểm của LoRaWAN Ưu điểm: SVTH: Nguyễn Văn Tùng Lớp: D14DT&KTMT Downloaded by ANH BACH (bachvan15@gmail.com) lOMoARcPSD|39150642 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS.
Vũ Ngọc Châm - Hoạt động trên tần số miễn phí, không cần cấp phép. - Một gateway LoRa đơn được thiết kế để chăm sóc hàng ngàn thiết bị đầu cuối hoặc node. - Tầm xa cho phép các giải pháp ứng dụng như thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh,. - Truyền thông tầm xa, lên đến hàng chục km.
- Tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ pin. - Chi phí thấp. - Bảo mật gói tin. Nhược điểm: - Dữ liệu thời gian thực.
- Không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu băng thông cao. - Vì là tần số mở nên có thể bị nhiễu và tốc độ truyền không ổn định. Ứng dụng truyền thông LoRa trên thế giới và Việt nam Công nghệ cảm biến không dây LoRa cho hệ thống quản lý Tòa nhà thông minh của Advantech Advantech cung cấp các giải pháp truyền thông không dây LoRa (Long Range Radio) vừa khả thi về mặt kỹ thuật và giá cả phải chăng. Để chứng minh điều này, Advantech đang xây dựng các tòa nhà thông minh tại Trung tâm R&D Kunshan ở Trung Quốc cũng như tại trụ sở chính Linkou ở Đài Loan.
Mục tiêu của dự án này là để làm sáng tỏ hơn tầm nhìn và công nghệ của Advantech cho thế hệ các tòa nhà thông minh tiếp theo.