Chương 1: Các vấn đề chung về IOT, mạng LoRaWAN và thành phố thông minh Internet of Things đang là một xu hướng phát triển mạnh mẽ trên thế giới, là một phần không thể thiếu trong nền công nghiệp 4. Càng ngày càng có nhiều hơn các thiết bị kết nối với nhau và kết nối với Internet, giúp con người có thể tạo ra các thành phố thông minh với khả năng theo dõi, điều khiển tất cả các lĩnh vực như môi trường, năng lượng, giao thông, tự động hoá, …Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu về Internet of Things, về thành phố thông minh và về mạng LoRaWAN.1 Giới thiệu về Internet of Things 1.1 Khái niệm về Internet of Things Internet of Things hay cụ thể hơn là mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị kết nối và thiết bị thông minh được nhúng các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu.[1] Năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IOT-GSI) định nghĩa IOT là “hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực và ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp”. Hệ thống IOT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người. Chúng ta có thể hiểu 1 cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau.
Việc kết nối có thể qua Wifi, 3G, 4G, Bluetooth… các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, tai nghe, thậm chí cả tivi, tủ lạnh, bóng đn… 12 Luan van Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B 1.2 Kiến trúc cơ bản của IoT Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers).[2] • Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối. • Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây.
Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. • Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): - Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. - Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối.
• Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra 13 Luan van Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.3 Ứng dụng IoT đang là một xu hướng công nghệ mới và rất phát triển trên thế giới. Dựa trên các miền ứng dụng, IOT có thể chia thành 5 loại khác nhau: thiết bị đeo thông minh, nhà thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh, và doanh nghiệp thông minh. IoT có ứng dụng vô cùng rộng, có thể kể đến các ứng dụng sau: • Quản lý chất thải • Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị • Quản lý môi trường • Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp • Mua sắm thông minh • Quản lý các thiết bị cá nhân • Đồng hồ đo thông minh • Tự động hoá ngôi nhà 1.2 Thành phố thông minh Thành phố thông minh hay đô thị thông minh như là một hệ thống hữu cơ tổng thể được kết nối từ nhiều hệ thống thành phần với hệ thống trí tuệ nhân tạo có thể hành xử thông minh như con người, gồm mạng viễn thông số (dây thần kinh), hệ thống nhúng thông minh (não bộ), các cảm biến (giác quan) và phần mềm (tinh thần và nhận thức) để nâng cao chất lượng cuộc sống, cải thiện chất lượng phục vụ của chính quyền thành phố, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, quản lý hiệu quả các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Thành phố thông minh là sản phẩm của sự phát triển thời đại công nghệ hiện nay mà ở đó, tất cả mọi thứ của thành phố: đn, phương tiện giao thông, bãi đỗ xe, … đều được theo dõi, kiểm soát và điều khiển tự động.
14 Luan van Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B Hình 1.1: Mô hình thành phố thông minh Hình 1.1 là hình ảnh về một thành phố thông minh khi mà tất cả mọi thứ đều trở nên thông minh như đn đường được quản lý từ xa giúp tiết kiệm năng lượng, các ngôi nhà thông minh điều khiển tự động hay bằng giọng nói, … 1.3 Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN 1.1 Định nghĩa và đặc điểm 1.1 LoRa LoRa viết tắt của Long Range Ratio công nghệ truyền dữ liệu sử dụng phương pháp điều chế FSK, GFSK, OOK. Chi phí, tiêu thụ năng lượng thấp, tuổi thọ của các thiết bị cao, lên đến 10 năm với môi trường hoạt động lý tưởng. Trong môi trường đô thị với các tòa nhà cao tầng khi đặt các trạm LoRa ở cách mặt đất từ 1,5-2m thì khoảng cách truyền nhận được là khoảng 1-2km. Ứng dụng của LoRa rộng rãi, ch cần có kết nối Internet, bất cứ thiết bị nào yêu cầu truyền tải, trao đổi dữ liệu, thông tin đều có thể sử dụng công nghệ LoRa được.2 LoRaWAN Giao thức LoRaWAN: 15 Luan van Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B LoRaWAN là chuẩn giao tiếp dựa trên nền tảng công nghệ LoRa và được định nghĩa và phát triển bởi tổ chức LoRa Alliance.
LoRa Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập để để nghiên cứu và định nghĩa các chuẩn giao tiếp LPWAN network dựa trên nền tảng LoRa. Hiện tại, LoRa Alliance đang phát triển chuẩn giao tiếp LoRaWAN để kết nối hàng triệu thiết bị IoT trong các ứng dụng Smart City, Smart Meters. [4] LoRaWAN là mạng “diện rộng” (Low Power Wide Area Network) sử dụng năng lượng thấp trong mạng lưới khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu. Nó nhắm tới mục tiêu là các yêu cầu chính của Internet về truyền thông hai chiều an toàn, các dịch vụ di động và địa phương hoá.
Thông số LoRaWAN cung cấp khả năng tương tác liên tục giữa các thứ thông minh mà không cần cài đặt phức tạp tại địa phương, mang lại sự tự do, chủ động cho người dùng, nhà phát triển, doanh nghiệp triển khai IOT. Kiến trúc mạng LoRaWAN thường được bố trí trong Topo hình sao, trong đó các cổng nối là cây cầu trong suốt chuyển tiếp các thông điệp giữa các thiết bị đầu cuối và máy chủ mạng trung tâm trong phần phụ trợ. Cổng kết nối với máy chủ mạng thông qua kết nối IP tiêu chuẩn trong khi các thiết bị đầu cuối sử dụng giao tiếp không dây một chiều tới một hoặc nhiều cổng. Tất cả truyền thông điểm cuối nói chung là hai hướng, nhưng cũng hỗ trợ các hoạt động như nâng cấp phần mềm multicast cho không khí hoặc các thông điệp phân phối khác để giảm thời gian liên lạc trên không.
Truyền thông giữa các thiết bị đầu cuối và Gateway được trải ra trên các kênh tần số khác nhau và tốc độ dữ liệu. Việc chọn tỷ lệ dữ liệu là sự cân bằng giữa khoảng truyền thông và thời lượng thông điệp. Do công nghệ phổ lan rộng, truyền thông với tốc độ dữ liệu khác nhau không can thiệp lẫn nhau và tạo ra một tập hợp các kênh "ảo" làm tăng khả năng của Gateway. Tốc độ dữ liệu LoraWAN dao động từ 0.3 kbps đến 50 kbps.
Để tối đa hóa tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối và dung lượng mạng tổng thể, máy chủ mạng LoraWAN đang quản lý tốc độ dữ liệu và đầu ra RF cho từng thiết bị đầu cuối riêng lẻ bằng một chương trình ADR. 16 Luan van Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B Hình 1.2: Mô hình mạng LoRaWAN Hình 1.2 mô tả hoạt động của một hệ thống sử dựng LoraWan. Giao thức LoraWan sẽ giúp kết nối các thiết bị: - Device node: là các thiết bị cảm biến, hoặc các thiết bị giám sát được lắp đặt tại các vị trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về trung tâm. - Gateway: là các thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các device node và gửi lên một server trung tâm để xử lý dữ liệu.
Các thiết bị Gateway thường sẽ được đặt tại một vị trí có nguồn điện cung cấp và có các kết nối internet để có thể gửi dữ liệu lên server. LoRaWAN được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực IoT của 1 số quốc gia như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Anh.