MỞ ĐẦU Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật, chúng làm thay đổi cuộc sống của con người từng ngày từng giờ theo hướng hiện đại hóa. Dân số trên thế giới ngày càng tăng và nhu cầu từ đó cũng tăng theo, các dịch vụ tiện ích từ đó cũng phát triển. Ngày nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 nói chung và sự bùng né của Internet of Things đã tạo nên những thay đổi đáng kế cho cuộc sống con người ở hiện tai và trong tương lai. Tuy nhiên việc triển khai, lắp đặt các cảm biến trong một khu vực rộng lớn gặp nhiều khó khăn và có thể tốn kém chi phí nếu như sử dụng các phương pháp nối dây truyền thống.
Giải pháp dé giải quyết cho van dé này là sử dụng các chuẩn giao tiếp không dây dé kết nối và thu thập dữ liệu từ các cảm biến như trong [1] đã thiết kế một hệ thống iot cho phép giám sát các thông số về nhiệt độ, độ 4m và CO» của môi trường thông qua một mạng cảm biến không dây. Một mạng không dây có các thông số quan trọng đã được dé cập trong [2] như độ tin cậy, độ trễ của gói tin, khả năng mở rộng của mạng và mức độ tiêu thụ năng lượng. Có nhiều mô hình mạng không dây được sử dụng phô biến hiện nay như mô hình mạng hình sao, mô hình mạng hình cây và mô hình mạng Mesh, trong mô hình mạng Mesh cũng được phân chia thêm một số loại khác nữa. Bài báo này sẽ chỉ tập trung vào mô hình mạng Mesh.
Hiện tại có một số hệ thong mang không dây sử dung mô hình mang Mesh như BLE Mesh, trong [3] đã đưa ra chỉ tiết những đặc điểm của BLE Mesh, theo bài báo thì BLE Mesh được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống chiếu sáng. Một loại mô hình mạng Mesh không dây cũng được sử dụng phô biến hiện nay đó là ZigBee Mesh, như trong [4] đã thiết kế một hệ thống phát hiện lũ lụt sử dụng công nghệ ZigBee Mesh và các nút trong hệ thống có thể giao tiếp với khoảng cách tối đa là 75 m. Xét về khoảng cách giao tiếp giữa các nút trong mạng thì hai loại mạng Mesh trên còn tương đối ngắn, để đáp ứng các ứng dụng yêu cầu khoảng cách giao tiếp của các nút xa cũng như đảm bảo vẫn tiêu thụ năng lượng thấp thì LoRa Mesh là một lựa chọn phù hợp. Hiện tại đã có một số công trình nghiên cứu và triển khai LoRa Mesh như trong [5] đã đưa ra các ứng dụng của LoRa Mesh như theo đõi sự đóng băng của đường ống nước, hệ thong đèn chiếu sáng và giám sát khí độc trong quá trình đóng tàu có kích thước lớn.
Trong bài báo [6] đã hiện thực hệ thống theo dõi vị trí động vật trong khu vực lớn sử dụng LoRa Mesh tuy nhiên trong bài báo trên phần cứng được sử dụng là Raspberry pi 2 nên có thé dẫn đến tăng chi phi và trong bài báo [7] đã hiện thực mạng LoRa Mesh gồm 19 nút thu thập dữ liệu từ cảm biến và được đặt trong khu vực 800 m x 600 m tuy nhiên trong bài báo trên chưa giải quyết về vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút. Hiện nay, các hướng nghiên cứu về ứng dụng công nghệ cao trong giám sát từ xa các thông số môi trường trong nông nghiệp thường sử dụng các công nghệ truyền thông truyền thống như: Zigbee, Wifi, Bluetooth. Trong những công nghệ truyền thông kể trên, công nghệ Wifi, Zigbee, Bluetooth có phạm vi hoạt động chỉ từ 10 đến 100 m. Với phạm vi hoạt động như vậy, các chuẩn trên chỉ phù hợp cho việc giám sát trong một khu vực nhỏ.
Khi cần sử dụng cho một khu vực rộng lớn hoặc tại nhiều khu vực, thì việc sử dụng các công nghệ trên dé xây dựng hệ thống trở nên phức tạp và tốn kém chi phí hơn. Bên cạnh đó, việc tiêu thụ nhiều năng lượng cũng dẫn đến thời lượng sử dụng pin của nút cảm biến bị giảm xuống. Nhằm mở rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn cảm biến trên phạm vi rộng và tiêu thụ ít năng lượng phục vụ cho nhu cầu vận hành bảo trì, chuẩn truyền thông LoRa là một sự lựa chọn tối ưu so với các công nghệ sẵn có. Công nghệ truyền thông LoRa dựa trên phương pháp điều chế CSS (Chirp Spread Spectrum) với mục đích chính là tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và tăng khoảng cách truyền thông.
Khoảng cách truyền thông có thể lên tới 2 — 20 km. Thời gian có thé duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu lên đến 10 năm với năng lượng pin. Hiện nay, trong nước hướng nghiên cứu về công nghệ LoRa còn khá mới mẻ. Điều này được thé hiện qua những bài báo, công trình nghiên cứu về công nghệ LoRa và ứng dụng còn rất ít.
Trong đề tài này nhóm đã hiện thực hệ thống thu thập dữ liệu từ môi trường sử dụng LoRa Mesh. Hệ thống gồm 25 nút để thu thập các thông số từ môi trường như nhiệt độ, độ ầm. Yêu cầu đối với hệ thống này là phải giảm thiểu việc xung đột gói tin trong mạng đồng thời cũng phải tiết kiệm năng lượng. Lý do chọn đề tai Lĩnh vực IoT là một trong những yếu tổ cốt lõi và đang phát triển nhanh chóng và là công nghệ nền tảng giúp cho sự phát triển của các lĩnh vực khác trong cuộc cách mạng 4.
Đặc biệt là vai trò thu thập dữ liệu của hệ thống IoT và vấn đề được đặt ra là làm thé nào dé có thé thu thập dữ liệu một cách dé dàng, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí nhất. Giải pháp cho vấn đề trên là sử dụng hệ thống cảm biến không dây nhăm thu thập dữ liệu. Hiện tại có một số loại kết nối không dây có thê sử dụng cho các hệ thống cảm biến như là WiFi, Bluetooth, Zigbee, LoRa. Trong các loại giao tiếp không dây trên thì mỗi loại lại có những điểm mạnh và điểm yếu riêng, tuy nhiên nếu nói đến khoảng cách truyền và năng lượng tiêu thụ thì LoRa có ưu thế hơn so với các chuẩn khác nhưng lại có tốc độ truyền thấp hơn nên nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khoảng cách truyền xa, năng lượng tiêu thụ thấp và yêu cầu băng thông thấp.
Mặc dù LoRa có thé truyền rat xa trong môi trường không vat cản nhưng khi triển khai nó trên các thiết bị để thu thập dữ liệu trong các khu vực nhiều vật cản (điển hình là tại các đô thị) thì phạm vi truyền nhận dữ liệu của các thiết bị đó sẽ bị giảm xuống do khoảng cách truyền nhận của LoRa bị giảm xuống còn vài km hoặc thấp hơn còn khoảng vài trăm mét trong các khu vực nay. Đề đảm bảo có thé thu thập dữ liệu tại các khu vực đô thị rộng lớn thì cần có giải pháp dé các thiết bị sử dụng LoRa có thé mở rộng thêm khoảng cách giao tiếp giữa chúng và gải pháp được đưa ra ở đây là sử dụng kết hợp công nghệ Mesh với LoRa. Hiện nay có một số mô hình mang Mesh không dây được sử dụng phố biến như : Mesh WiFi, Mesh Bluetooth, Mesh Zigbee, những loại này có ưu và nhược điêm riêng và ứng dụng cho các mục đích khác nhau. 11 Mb Toc độ bit 1 Mbps 250 kbps ` ps 5.5 kbps va 55 Mbps OFDM (Frequency |(Direct (Orthogonal Công nghệ i Frequency điêu chê Division Spectrum) |Sequence) |Multiplexing) Hình 1.1: So sánh các công nghệ truyền thông không dây Nguồn: https://congnghiepcongnghecao.vn/tin-tuc/t225 16/mang-khong-day-lora- cho-ung-dung-iot-tam-xa.
Một số công trình nghiên cứu liên quan 1. Một số nghiên cứu về Mesh Bluetooth và Mesh Zigbee Hernandez-Solana, angela, - Được hỗ trợtừ |- Triển khai yêu |- Ứng dụng Perez-Diaz-De-Cerio, D., tô chức cầu cấu hình trong tòa nhà Garcia-Lozano, M. Bluetooth SIG thủ công va thông minh V. nên liên tục riêng lẻ của - Thành phố Bluetooth Mesh Analysis, được cập nhật từng thiết bị.
thông minh Issues, and Challenges. IEEE va cai tién. - Các nút relay | - Cham sóc sức Access, 8, 53784-53800.Ì - Được tích hợp phải liên tục khỏe thiết bị đến tiêu hao nhiều năng lượng. - Dé dang trién - Khoang cach - Giám sát môi (2019).
Flooding Detection khai trong thuc truyền của các trường. System Based on Water tế. nút trong - Điều khiển Monitoring and ZigBee Mesh - Tiết kiệm năng mạng ở mức không dây từ Protocol. 2019 4th International lượng.
Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE)., Bangaru, - Băng thông - Năng lượng - Mở rộng tam R. tiêu thụ lớn so phủ sóng WIHI Murugesan, K., & - Tốc độ truyền với LoRa, trong nhà. Concept of Optimal WiFi Mesh Router Placement for Enhanced QoS. 2019 IEEE International Conference on Electronics, Computing and Communication Technologies Đề xuất LoRa Mesh - Năng lượng - Bang thong - Quan trắc môi thấp thap.
trường - Khoảng cách - Định vi vi trí xa hơn so thấp. với WiFi, BLE, Zigbee Bang 1: Một số nghiên cứu về Mesh Bluetooth va Mesh Zigbee 1. Một số nghiên cứu LoRa Mesh Các nghiên cứu Ưu điểm Nhược điềm Ứng dụng Huh, H. - Các đường dẫn Chưa triển khai - Giám sát đóng (2019).
LoRa-based Mesh định tuyến và đánh giá băng đường Network for IoT Applications. được thiết lập trong thực tế ống chữa cháy 2019 TEBE 5th World Forum tự động giữa on Internet of Things (WF- các nút cuối.1109/wf- - Có thể liên lạc 1ot.8767242 hai chiều Lee, H. - Tăng tỉ lệ - Chưa triên - Theo dõi môi (2018). Monitoring of Large- truyền phát gói khai LoRa trường Area loT Cảm biếns Using a tin mà không mesh low LoRa Wireless Mesh Network can str dung power.
System: Design and nhiều Gateway |- Thời gian trễ Evaluation. IEEE Transactions |- Gateway chu từ lúc nút thu on Instrumentation and động yêu cầu thập dữ liệu Measurement, 67(9), 2177— lây đữ liệu từ đến khi 2187. nút, từ đó có Gateway yêu thé hạn chế việc |_ cầu dữ liệu lớn đụng độ., & |- Tudi tho pin lau | - Chi phi lap đặt | - Theo dõi động Kashyap, R. A LoRa (lên đến 10 con cao vat dién rong Wireless Mesh Network for năm) Wide-Area Animal Tracking.
- Đưa ra nhiều 2019 IEEE International mô hình LoRa Conference on Electrical, Mesh dé linh hoat su dung Computer and Communication | trong các Technologies (ICECCT). truong hop khac nhau Đề xuất của nhóm - Chi phí thấp (12 |- Băng thông | -Thu thập dữ USD /board) nhỏ liệu từ môi - Năng lượng tiêu |- Tốc độ truyền | trường (nhiệt thụ thấp (dòng thấp độ, độ am) diện tiêu thụ 800uA rộng trong môi ở trạng thái trường nhiêu sleep). vật cản - Hỗ trợ mạng mesh với 25 nút Bảng 2: Một số nghiên cứu LoRa Mesh 1.