Ứng Dụng Công Nghệ Lora Trong Việc Thu Thập Dữ Liệu Tại Cảng Hàng Không

Công nghệ Lora đang trở thành một phần quan trọng trong việc thu thập dữ liệu tại các cảng hàng không. 88 trang · Học viện Hàng không Việt Nam · 2023.

• Tác giả: Vũ Quyết Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quốc Khải
• Trường học: Học viện Hàng không Việt Nam
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ Lora Trong Thu Thập Dữ Liệu Tại Cảng Hàng Không
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kết cấu của đề tài
• 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
• 2.1. Hệ sinh thái Internet of Things - IoT
• 2.1.1. Khái niệm Internet of Things
• 2.1.2. Kiến trúc Internet of Things
• 2.2. Các đơn vị thường dùng trong ngành Viễn thông (dB, dBm, dBd, dBi)
• 2.3. Tần số sử dụng trong ngành Hàng Không
• 2.4. Khái niệm về truyền sóng VHF
• 2.5. Giới thiệu về thiết bị vô tuyến hàng không VHF (118-137MHz)
• 2.6. Sử dụng thiết bị truyền sóng VHF tại Việt Nam
• 2.7. Giới thiệu về công nghệ mạng Lora
• 2.7.1. Khái niệm về sóng truyền RF
• 2.7.2. Khái niệm về mạng Lora
• 2.7.3. Đặc điểm của Lora
• 2.7.4. Kỹ thuật điều chế Lora
• 2.7.5. Nguyên lí hoạt động Lora
• 2.7.6. So sánh sự khác giữa mạng LoRa và LoRaWAN
• 2.7.7. Cách xác định địa chỉ của các Slave/Node
• 2.8. Phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA
• 2.8.1. Định nghĩa CDMA
• 2.8.2. Nguyên tắc hoạt động của CDMA
• 2.9. Phương pháp đa truy cập theo thời gian TDMA
• 2.9.1. Định nghĩa TDMA
• 2.9.2. Nguyên tắc hoạt động của TDMA
• 2.10. Giới thiệu về Thingsboard
• 2.10.1. Trực quan hóa dữ liệu
• 2.10.2. Tổng quan về Thingsboard
• 2.10.3. Các tính năng của Thingsboard
• 2.11. Mô hình TCP/IP
• 2.11.1. Khái niệm
• 2.11.2. Các tầng của mô hình TCP/IP
• 2.11.3. Ứng dụng mô hình TCP/IP trong IOT
• 2.12. Giới thiệu về DHCP
• 2.12.1. Định nghĩa về DHCP
• 2.12.2. Nguyên kí hoạt động
• 2.12.3. Ưu điểm và nhược điểm
• 2.13. Giới thiệu về IP tĩnh
• 2.13.1. Định nghĩa về IP
• 2.13.2. Static IP – địa chỉ IP tĩnh
• 2.13.2.1. Định nghĩa về Static IP
• 2.13.2.2. Lợi thế của địa chỉ IP tĩnh
• 2.13.2.3. Nhược điểm IP tĩnh
• 2.14. Các chuẩn giao thức
• 2.14.1. Giao thức HTTP
• 2.14.2. Giao thức MQTT
• 2.14.3. So sánh 2 chuẩn giao thức HTTP và MQTT
• 2.15. Chuẩn giao tiếp SPI
• 2.16. Giao tiếp chuẩn I2C
• 2.17. Thiết kế một mô hình hệ thống mạng
• 2.18. Sự ảnh hưởng của sóng truyền RF trong mạng LoRa với sóng truyền VHF trong Hàng Không
• 3. PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ
• 3.1. Sơ đồ tổng quan về đề tài
• 3.2. Cài đặt phần mềm
• 3.2.1. Cài đặt Arduino IDE
• 3.2.2. Cài đặt Visual Studio Code
• 3.2.3. Cài đặt Thingsboard
• 3.3. Thuật toán xử lí LoRa Slave
• 3.4. Thuật toán xử lí LoRa GateWay
• 4. THI CÔNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công phần cứng
• 4.2. Quy trình thực hiện in mạch
• 4.3. Bố trí linh kiện
• 4.4. Hình ảnh thực tế của mô hình
• 4.5. Triển khai hệ thống
• 4.6. Vị trí thử nghiệm đặt LoraGateway
• 4.6.1. Tín hiệu thu tốt
• 4.6.2. Tín hiệu thu yếu
• 4.6.3. Tín hiệu không ổn định
• 4.7. Vị trí thử nghiệm 2
• 4.7.1. Tín hiệu thu tốt
• 4.7.2. Tín hiệu thu yếu
• 4.7.3. Tín hiệu không ổn định
• 4.8. Vị trí thử nghiệm 3
• 5. KẾT QUẢ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả hoạt động của mạch so với mục tiêu đề ra
• 5.2. Nhược điểm
• 5.3. Định hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng công nghệ Lora trong thu thập dữ liệu

Công nghệ Lora đang trở thành một phần quan trọng trong việc thu thập dữ liệu tại các cảng hàng không. Với khả năng kết nối không dây và tầm phủ sóng lớn, Lora giúp cải thiện quy trình giám sát và quản lý thiết bị. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả trong việc thu thập và phân tích dữ liệu. Các cảm biến thông minh được kết nối qua mạng Lora có thể theo dõi tình trạng thiết bị, từ đó đưa ra các quyết định kịp thời nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.

1.1. Khái niệm về công nghệ Lora và IoT

Công nghệ Lora (Long Range) là một giải pháp truyền thông không dây với tầm phủ lớn, phù hợp cho các ứng dụng IoT. IoT (Internet of Things) cho phép các thiết bị kết nối và giao tiếp với nhau, tạo ra một hệ sinh thái thông minh. Việc kết hợp Lora với IoT giúp tối ưu hóa quy trình thu thập dữ liệu tại cảng hàng không.

1.2. Lợi ích của việc thu thập dữ liệu tại cảng hàng không

Việc thu thập dữ liệu tại cảng hàng không giúp cải thiện quy trình quản lý và giám sát. Các cảm biến có thể theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và tình trạng thiết bị, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn cho hành khách và thiết bị.

II. Thách thức trong việc áp dụng công nghệ Lora tại cảng hàng không

Mặc dù công nghệ Lora mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai nó tại cảng hàng không cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên là vấn đề về độ phủ sóng và khả năng tương thích với các thiết bị hiện có. Thứ hai, việc bảo mật dữ liệu trong quá trình truyền tải cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét. Cuối cùng, việc đào tạo nhân viên để sử dụng và bảo trì hệ thống cũng là một thách thức không nhỏ.

2.1. Vấn đề về độ phủ sóng và tương thích

Độ phủ sóng của mạng Lora có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như địa hình và vật cản. Điều này có thể dẫn đến việc mất tín hiệu hoặc giảm chất lượng dữ liệu. Hơn nữa, việc tích hợp Lora với các thiết bị hiện có cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.2. Bảo mật dữ liệu trong quá trình truyền tải

Bảo mật dữ liệu là một yếu tố quan trọng trong việc triển khai công nghệ Lora. Các biện pháp bảo mật cần được áp dụng để đảm bảo rằng dữ liệu không bị rò rỉ hoặc bị tấn công trong quá trình truyền tải.

III. Phương pháp triển khai công nghệ Lora tại cảng hàng không

Để triển khai công nghệ Lora hiệu quả tại cảng hàng không, cần thực hiện một số bước quan trọng. Đầu tiên, cần tiến hành khảo sát và đánh giá khu vực để xác định vị trí lắp đặt các thiết bị Lora. Tiếp theo, cần thiết kế hệ thống mạng Lora phù hợp với yêu cầu thu thập dữ liệu. Cuối cùng, việc đào tạo nhân viên và bảo trì hệ thống cũng rất quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục.

3.1. Khảo sát và đánh giá khu vực lắp đặt

Khảo sát khu vực lắp đặt giúp xác định vị trí tối ưu cho các thiết bị Lora. Việc này đảm bảo rằng tín hiệu được truyền tải một cách hiệu quả nhất, giảm thiểu các vấn đề về độ phủ sóng.

3.2. Thiết kế hệ thống mạng Lora

Thiết kế hệ thống mạng Lora cần phải đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu. Cần xác định số lượng thiết bị cần thiết và cách thức kết nối giữa các thiết bị với nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ Lora tại cảng hàng không

Công nghệ Lora đã được áp dụng thành công tại nhiều cảng hàng không trên thế giới. Các ứng dụng bao gồm theo dõi tình trạng thiết bị, giám sát môi trường và quản lý logistics. Việc sử dụng Lora giúp cải thiện hiệu suất hoạt động và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

4.1. Theo dõi tình trạng thiết bị

Các cảm biến Lora có thể theo dõi tình trạng hoạt động của thiết bị, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời khi có sự cố xảy ra. Điều này giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn trong hoạt động.

4.2. Giám sát môi trường

Việc giám sát môi trường tại cảng hàng không là rất quan trọng. Các cảm biến Lora có thể theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố khác, từ đó đảm bảo điều kiện hoạt động tốt nhất cho thiết bị.

V. Kết luận và tương lai của công nghệ Lora tại cảng hàng không

Công nghệ Lora đang mở ra nhiều cơ hội mới cho việc thu thập dữ liệu tại cảng hàng không. Với khả năng kết nối không dây và tầm phủ sóng lớn, Lora hứa hẹn sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong hệ thống quản lý và giám sát. Tương lai của công nghệ này sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn nữa, đặc biệt trong bối cảnh ngày càng nhiều thiết bị được kết nối.

5.1. Tiềm năng phát triển của công nghệ Lora

Công nghệ Lora có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không. Việc áp dụng Lora sẽ giúp cải thiện quy trình quản lý và giám sát, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động.

5.2. Hướng đi tương lai cho cảng hàng không

Cảng hàng không sẽ tiếp tục áp dụng công nghệ Lora để tối ưu hóa quy trình thu thập dữ liệu. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả mà còn đảm bảo an toàn cho hành khách và thiết bị.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hoạt động hàng không dân dụng, công tác giám sát kỹ thuật, bảo dưỡng thiết bị và quản lý an toàn vận hành tại các khu vực trọng yếu đóng vai trò sống còn. Việc theo dõi liên tục các chỉ số môi trường và tình trạng thiết bị như nhiệt độ, độ ẩm, điện áp tiêu thụ tại các trạm dẫn đường hay các phòng chức năng giúp phát hiện sớm nguy cơ hỏng hóc, phòng ngừa sự cố và nâng cao hiệu quả phòng cháy chữa cháy. Tuy nhiên, các giải pháp truyền dẫn dữ liệu truyền thống bằng dây dẫn phức tạp bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí thi công, khó triển khai tại những khu vực địa hình xa xôi hoặc không gian rộng lớn của cảng hàng không. Các công nghệ không dây phổ thông như Wi-Fi, Bluetooth hay NFC lại bị giới hạn về tầm xa và tiêu hao nhiều năng lượng. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Ứng dụng công nghệ LoRa trong việc thu thập dữ liệu tại Cảng Hàng Không" được thực hiện nhằm khai thác ưu thế của công nghệ mạng công suất thấp, cự ly xa phục vụ thu thập dữ liệu tự động.

Mục tiêu chung của đồ án là thiết kế và thi công hệ thống mạng LoRa phục vụ thu thập dữ liệu tại các trạm dẫn đường và các phòng chức năng của cảng hàng không, đưa dữ liệu hiển thị tập trung lên giao diện máy chủ web. Cụ thể, các nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản phân định như sau:

1. Nghiên cứu và phát triển hệ thống mạng LoRa và triển khai việc khai thác mạng LoRa tại Cảng Hàng Không.
2. Phát triển ứng dụng IoT sử dụng mạng LoRa: Theo dõi, giám sát các thiết bị từ xa thông qua hệ thống máy chủ, thu thập số liệu từ xa tại các vị trí đặt mạng LoRa.
3. Đánh giá tầm phủ sóng và thời gian phản hồi của hệ thống mạng.
4. Đưa ra các đề xuất kỹ thuật để cải tiến hệ thống mạng LoRa.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thiết bị phần cứng gồm các nút mạng cảm biến (LoRa Slave) và trạm thu thập trung tâm (LoRa Gateway). Các LoRa Slave đảm nhiệm chức năng đọc giá trị cảm biến rồi phát không dây về Gateway; LoRa Gateway chịu trách nhiệm tiếp nhận, xử lý và trung chuyển dữ liệu lên máy chủ giám sát.

Phạm vi nghiên cứu được xác định trên các phương diện:

• Phạm vi lý thuyết: Tập trung vào nguyên lý truyền dẫn sóng vô tuyến RF, kỹ thuật điều chế trải phổ LoRa, các mô hình đa truy cập vô tuyến (CDMA, TDMA), bộ giao thức TCP/IP, kiến trúc nền tảng IoT và đánh giá tính tương thích giữa sóng vô tuyến LoRa với hệ thống VHF hàng không.
• Phạm vi thực nghiệm: Triển khai thiết kế mạch in, tích hợp vi điều khiển ESP32, module LoRa SX1278 và các cảm biến; thử nghiệm đo đạc tầm phủ sóng và đánh giá độ ổn định của hệ thống tại các khu vực thực tế trong khuôn viên Học viện Hàng không Việt Nam (khu vực cổng quân đội, khuôn viên ký túc xá, khu dân cư lân cận).
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 04/09/2023 đến ngày 20/11/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên hệ sinh thái Internet vạn vật (IoT) 4 tầng cơ bản: tầng thiết bị (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud), cùng tầng tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers). Đề tài sử dụng các đơn vị chuẩn trong ngành viễn thông như Decibel (dB), dBm, dBi (độ lợi anten so với anten đẳng hướng) và dBd (độ lợi anten so với anten lưỡng cực đối xứng) để phân tích công suất và độ nhạy thu phát.

Về phương diện hàng không, đồ án phân tích đặc tính của hệ thống vô tuyến mặt đất VHF hoạt động trong dải tần 118–137 MHz sử dụng kỹ thuật điều chế biên độ (AM), phục vụ thoại điều hành bay giữa kiểm soát viên không lưu và phi công. Tại Việt Nam, Tổng công ty Quản lý bay vận hành hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát (CNS) với các trạm VHF sân bay, 03 trạm VHF tiếp cận (Nội Bài, Đà Nẵng, Tân Sơn Nhất) và 07 trạm VHF đường dài (Mộc Châu, Hà Nội, Vinh, Sơn Trà, Qui Nhơn, Tân Sơn Nhất, Cà Mau) có cự ly phủ sóng tối đa 450 km. Nghiên cứu khẳng định công nghệ LoRa hoạt động tại băng tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) không cần cấp phép (tần số 433 MHz tại khu vực Châu Á) hoàn toàn tách biệt về mặt tần số với dải VHF hàng không (118–137 MHz), do đó không gây can nhiễu đến hệ thống liên lạc điều hành bay.

Khu vực	Băng tần ISM cho phép (MHz)
Châu Á	433
Châu Âu, Nga, Ấn Độ, Châu Phi	863 – 870
Mỹ	902 – 928
Úc	915 – 928
Canada	779 – 787
Trung Quốc	779 – 787; 470 – 510

Công nghệ LoRa (Long Range Radio) do Cycleo nghiên cứu và Semtech mua lại vào năm 2012, hoạt động bằng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS). Tín hiệu được trải trên băng thông rộng bằng chuỗi tín hiệu chirp biến thiên tần số theo thời gian: xung Up-Chirp (tần số tăng theo thời gian) đại diện cho bit 1 và Down-Chirp (tần số giảm theo thời gian) đại diện cho bit 0. Nhờ đó, LoRa có thể giải điều chế tín hiệu từ -7,5 dB đến -20 dB dưới mức nhiễu nền, dòng tiêu thụ ở chế độ nghỉ chỉ 1 µA. Chất lượng đường truyền được đo lường qua hai thông số: cường độ tín hiệu nhận RSSI (từ -30 dBm là tín hiệu mạnh đến -120 dBm là ngưỡng tối thiểu) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (nằm trong dải -20 dB đến +10 dB).

Ở tầng mạng và ứng dụng, đồ án phân biệt rõ LoRa (lớp vật lý RF) và LoRaWAN (kiến trúc giao thức mạng gồm LoRa MAC Class A, B, C). Cơ chế định địa chỉ nút sử dụng mã 8-bit trên module SX1278: địa chỉ 1 gán cho trạm trung tâm Gateway, các địa chỉ từ 2 đến 255 dành cho tối đa 254 nút Slave. Về phương thức đa truy cập, đề tài phân tích cơ chế phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA). Dữ liệu từ Gateway được chuyển tiếp lên máy chủ thông qua mô hình TCP/IP 4 tầng (Link, Internet, Transport, Application), sử dụng địa chỉ IP tĩnh hoặc cấu hình động qua DHCP. Đề tài so sánh giao thức HTTP và MQTT, lựa chọn MQTT theo mô hình Publish/Subscribe (với Broker, Client, Topics, Sessions, Subscriptions) để truyền dữ liệu nhẹ và tiết kiệm băng thông lên nền tảng IoT mã nguồn mở ThingsBoard. Các chuẩn giao tiếp phần cứng nội bộ bao gồm SPI (với các chân SCK, MISO, MOSI, CS) để kết nối vi điều khiển với module RF và I2C để đọc cảm biến.

Tiêu chí	Giao thức MQTT	Giao thức HTTP
Hình thức truyền	Xếp hàng tin nhắn từ xa (Message Queuing Telemetry)	Truyền tải siêu văn bản (HyperText Transfer)
Định hướng thiết kế	Hướng trung tâm dữ liệu (Data-centric)	Hướng trung tâm tài liệu (Document-centric)
Kiến trúc kết nối	Publish/Subscribe thông qua Broker trung gian	Yêu cầu / Đáp ứng (Request/Response Client-Server)
Định dạng dữ liệu	Dữ liệu nhị phân (Binary) tối ưu dung lượng	Dữ liệu văn bản (Text/HTML) có tiêu đề lớn
Môi trường tối ưu	Mạng IoT công suất thấp, băng thông hẹp	Ứng dụng web, tải trang và tài nguyên lớn

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết viễn thông và thực nghiệm thi công hệ thống nhúng. Tác giả tiến hành thiết kế mạch in, lập trình nhúng, bố trí thiết bị thực địa và đo đạc trực tiếp các chỉ số kỹ thuật thông qua cổng Serial Monitor và bảng điều khiển ThingsBoard. Nguồn dữ liệu sử dụng là các giá trị quan trắc thực tế về nhiệt độ, độ ẩm, điện áp cùng dữ liệu đường truyền vô tuyến (RSSI, SNR, cự ly) thu được trong quá trình thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng hình sao (Star topology), bao gồm 3 nút cảm biến LoRa Slave đặt tại các vị trí phân tán, 1 trạm LoRa Gateway đặt tại vị trí trung tâm và máy chủ ThingsBoard Webserver phục vụ quản lý và trực quan hóa dữ liệu.

Phần cứng của hệ thống được xây dựng trên nền tảng vi điều khiển ESP32 kết hợp với module thu phát sóng vô tuyến LoRa SX1278 hoạt động ở tần số 433 MHz. Module SX1278 kết nối với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp nối tiếp tốc độ cao SPI. Khối cảm biến tại các nút Slave thực hiện thu thập ba thông số chính: nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí và điện áp tiêu thụ của thiết bị. Tác giả đã thiết kế sơ đồ nguyên lý riêng cho mạch Gateway, Slave 1, Slave 2 và Slave 3; thực hiện quy trình vẽ mạch in (PCB), bố trí linh kiện, thi công mạch in, hàn linh kiện lên board mạch, kiểm thử hoạt động từng khối trên Testboard và hoàn thiện mô hình thực tế có vỏ bao bọc thiết kế 3D.

Về mặt phần mềm, hệ thống được phát triển bằng môi trường Arduino IDE (tích hợp gói hỗ trợ vi điều khiển ESP32) và trình biên soạn Visual Studio Code (sử dụng các tiện ích hỗ trợ như Auto Close Tag, Color Picker, Image Preview). Nền tảng ThingsBoard được cài đặt để cung cấp bảng điều khiển (Dashboard) với các widget trực quan hóa, hiển thị đồ thị đường thời gian thực và quản lý ngưỡng cảnh báo.

Quy trình xử lý của thuật toán diễn ra như sau:

• Tại các nút LoRa Slave: Sau khi khởi tạo cấu hình chân và kết nối module SX1278 với địa chỉ mạng xác định (gán địa chỉ 2, 3 hoặc 4), vi điều khiển định kỳ đọc tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến điện áp. Dữ liệu thô được chuẩn hóa, đóng gói thành bản tin theo cấu trúc khung truyền LoRa kèm theo mã nhận diện Slave và gửi không dây qua sóng RF.
• Tại trạm LoRa Gateway: Thiết bị được cấu hình địa chỉ nút trung tâm bằng 1, hoạt động ở chế độ chờ nhận dữ liệu liên tục. Khi bắt được gói tin LoRa trong không gian, Gateway tiến hành giải mã, kiểm tra tính hợp lệ của địa chỉ nguồn, đồng thời trích xuất các thông số chất lượng kênh truyền RSSI và SNR. Sau đó, ESP32 tại Gateway đóng vai trò MQTT Client, thiết lập phiên kết nối TCP/IP qua mạng không dây và đẩy dữ liệu lên máy chủ ThingsBoard Broker theo các Topic được định nghĩa sẵn.

Hệ thống được triển khai thử nghiệm thực tế với trạm LoRa Gateway đặt cố định, khảo sát hoạt động của 3 nút LoRa Slave tại các vị trí khác nhau để đánh giá khả năng truyền xuyên vật cản và cự ly hoạt động:

• Nút LoRa Slave 1: Thử nghiệm tại 3 điểm đo gồm vị trí trước cổng quân đội (đạt trạng thái tín hiệu thu tốt, đường truyền ổn định), vị trí gần quán Coffee (tín hiệu thu yếu do khoảng cách tăng và suy hao) và vị trí gần quán Cơm (tín hiệu không ổn định do mật độ vật cản che chắn cao).
• Nút LoRa Slave 2: Thử nghiệm tại khu vực Ký túc xá (ghi nhận tín hiệu thu ổn định), vị trí phía cuối Ký túc xá (tín hiệu thu ổn định) và vị trí trước cửa Ký túc xá (tín hiệu không ổn định).
• Nút LoRa Slave 3: Thử nghiệm tại khu vực trước cửa Ký túc xá (ghi nhận tín hiệu thu ổn định).

Tại mỗi vị trí đo, hệ thống ghi nhận giá trị RSSI và SNR trên giao diện Serial Monitor của Arduino IDE, đồng thời giám sát tính liên tục của dữ liệu hiển thị trên đồ thị dạng đường của ThingsBoard.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc hiện đại hóa công tác thu thập số liệu tại cảng hàng không bằng công nghệ IoT không dây. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu theo dõi kỹ thuật, bảo dưỡng thiết bị và phòng cháy chữa cháy tại các trạm dẫn đường và phòng chức năng; công bố mục tiêu tổng quát, nhiệm vụ nghiên cứu 4 điểm, đối tượng và phạm vi nghiên cứu (lý thuyết, phát triển hệ thống và thực nghiệm đo đạc cự ly cựu bộ), kết cấu 5 chương của đồ án cùng kế hoạch thực hiện kéo dài 10 tuần.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng toàn diện gồm: kiến trúc IoT 4 tầng; các đơn vị đo lường viễn thông (dB, dBm, dBi, dBd); tổng quan hệ thống vô tuyến VHF hàng không (118–137 MHz), phân tích các chuẩn truyền dữ liệu VDL mode 1, 2, 3, 4 và hệ thống trạm VHF điều hành bay của Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam. Nội dung chuyên sâu tập trung vào công nghệ LoRa: kỹ thuật điều chế CSS (Up-Chirp, Down-Chirp), băng tần ISM 433 MHz, phân biệt LoRa và LoRaWAN, phương thức gán địa chỉ 8-bit cho nút mạng, các kỹ thuật đa truy cập CDMA, TDMA. Chương này cũng phân tích mô hình TCP/IP, cơ chế cấp phát IP qua DHCP so với IP tĩnh, so sánh hai giao thức HTTP và MQTT, các chuẩn giao tiếp vi điều khiển SPI, I2C, kiến trúc nền tảng ThingsBoard và đánh giá việc không can nhiễu giữa sóng RF LoRa với sóng VHF hàng không.

Chương 3: Thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết bản vẽ kỹ thuật và sơ đồ tổng quan của toàn bộ hệ thống. Tác giả thiết lập sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho mạch LoRa Gateway và 3 mạch LoRa Slave riêng biệt tích hợp ESP32 và module LoRa SX1278. Chương này cũng mô tả các bước cài đặt và cấu hình phần mềm công cụ gồm Arduino IDE, Visual Studio Code và nền tảng ThingsBoard, đồng thời xây dựng chi tiết hai lưu đồ giải thuật điều khiển: thuật toán xử lý dữ liệu và truyền tin của LoRa Slave cùng thuật toán lắng nghe, giải điều chế, phân tích gói tin và đẩy dữ liệu lên máy chủ của LoRa Gateway.

Chương 4: Thi công và triển khai hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế từ quy trình in mạch PCB, bố trí chân linh kiện, hàn linh kiện lên board mạch đến lắp ráp mô hình hoàn chỉnh kèm ảnh dựng 3D và hình ảnh thực tế của 1 Gateway và 3 Slave. Tiếp đó, tác giả ghi nhận quy trình triển khai hệ thống tại thực địa: thiết lập vị trí Gateway và tiến hành thử nghiệm đo đạc tại 3 khu vực với các kịch bản môi trường truyền sóng khác nhau (vị trí thử nghiệm 1 với Slave 1, vị trí thử nghiệm 2 với Slave 2, vị trí thử nghiệm 3 với Slave 3). Từng thử nghiệm đều có số liệu khoảng cách thực tế, hình ảnh giao diện đăng nhập hệ thống, bảng hiển thị thông số 3 Slave, biểu đồ dạng đường trên ThingsBoard và bản chụp thông số RSSI, SNR thu thập từ Serial Monitor.

Chương 5: Kết quả và định hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết mức độ hoàn thành của hệ thống so với các mục tiêu kỹ thuật ban đầu, chỉ ra những nhược điểm còn tồn tại của hệ thống mạch phần cứng và đường truyền vô tuyến trong điều kiện vật cản đô thị, từ đó đề xuất các định hướng phát triển nhằm nâng cao năng lực phủ sóng và tính ứng dụng của đề tài trong thực tế khai thác hàng không.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống giám sát vô tuyến hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công 04 mạch phần cứng chuyên dụng (01 mạch LoRa Gateway và 03 mạch LoRa Slave) hoạt động ổn định trên nguồn điện độc lập, tích hợp thành công module LoRa SX1278 với vi điều khiển ESP32 qua giao tiếp SPI.
• Thu thập chính xác 03 thông số kỹ thuật phục vụ giám sát gồm: nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí và điện áp tiêu thụ của thiết bị.
• Triển khai thành công giao thức truyền nhận vô tuyến tầm xa sử dụng kỹ thuật điều chế CSS tại tần số 433 MHz, áp dụng cơ chế phân định địa chỉ 8-bit (Gateway nhận địa chỉ 1, các Slave nhận địa chỉ riêng biệt từ 2 đến 4).
• Tích hợp thành công Gateway với máy chủ ThingsBoard qua giao thức MQTT trên nền TCP/IP, cho phép hiển thị các thông số tức thời và vẽ biểu đồ giám sát theo thời gian thực trên giao diện web.
• Đo kiểm và ghi nhận định lượng chất lượng kênh truyền qua các chỉ số RSSI và SNR tại nhiều vị trí có điều kiện che chắn khác nhau, phân định rõ các vùng tín hiệu: thu tốt, thu yếu và không ổn định.

Nút mạng	Vị trí thử nghiệm thực tế	Trạng thái tín hiệu ghi nhận
LoRa Slave 1	Trước cổng quân đội	Tín hiệu thu tốt
LoRa Slave 1	Gần quán Coffee	Tín hiệu thu yếu
LoRa Slave 1	Gần quán Cơm	Tín hiệu không ổn định
LoRa Slave 2	Tại Ký túc xá	Tín hiệu thu ổn định
LoRa Slave 2	Phía cuối Ký túc xá	Tín hiệu thu ổn định
LoRa Slave 2	Trước cửa Ký túc xá	Tín hiệu không ổn định
LoRa Slave 3	Trước cửa Ký túc xá	Tín hiệu thu ổn định

Về mặt đóng góp, đồ án đã chứng minh khả năng ứng dụng công nghệ mạng LoRa công suất thấp trong môi trường cảng hàng không để thu thập dữ liệu kỹ thuật từ xa mà không gây can nhiễu đến các tần số VHF điều hành bay. Hệ thống cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả cho các đường dây truyền dẫn phức tạp, giúp giảm chi phí bảo trì và tăng cường năng lực giám sát an toàn, phòng ngừa sự cố cháy nổ tại các trạm chức năng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự đánh giá của tác giả, công trình còn một số hạn chế nhất định:

• Phạm vi thử nghiệm thực tế mới chỉ thực hiện trong khuôn viên nhỏ (khuôn viên trường, ký túc xá và khu vực dân cư lân cận), chưa được đo kiểm trực tiếp bên trong các khu vực tác nghiệp thực tế của cảng hàng không thương mại như khu bay, đường cất hạ cánh hoặc đài dẫn đường chuyên dụng.
• Khả năng đâm xuyên và độ ổn định của tín hiệu LoRa 433 MHz bị suy giảm rõ rệt khi gặp các vật cản phức tạp (tường bê tông dày, mật độ công trình xây dựng dày đặc), dẫn đến tình trạng tín hiệu bị yếu hoặc chập chờn tại một số điểm đo như khu vực quán cơm hay trước cửa ký túc xá.
• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm 3 nút Slave; thuật toán điều khiển mạng chưa áp dụng cơ chế chống xung đột gói tin nâng cao khi số lượng nút tăng lên quy mô lớn.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng bao gồm:

• Mở rộng phạm vi và công suất phát sóng của hệ thống nhằm nâng cao tầm phủ sóng vô tuyến trong môi trường thực địa có nhiều vật cản.
• Thử nghiệm lắp đặt hệ thống trực tiếp tại các trạm dẫn đường hàng không và các phân khu chức năng để kiểm chứng độ bền bỉ trong môi trường khai thác thực tế.
• Tích hợp thêm các cảm biến cảnh báo chuyên sâu phục vụ công tác an toàn hàng không và tối ưu hóa thuật toán quản lý mạng để mở rộng số lượng nút Slave kết nối đồng thời vào Gateway.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Hàng không và Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT và Hệ thống nhúng). Tài liệu cũng hữu ích cho các kỹ sư đang nghiên cứu thiết kế các hệ thống đo lường, giám sát thông số từ xa hoạt động trong các môi trường đặc thù có không gian rộng.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong khóa luận bao gồm:

• Quy trình thiết kế mạch in (PCB) tích hợp module LoRa SX1278 với vi điều khiển ESP32 và các cảm biến đo lường.
• Phương pháp cấu hình và định địa chỉ 8-bit trên tầng vật lý LoRa để thiết lập mạng riêng (Private LoRa Network) theo mô hình 1 Gateway - nhiều Slave mà không cần phụ thuộc hạ tầng mạng LoRaWAN công cộng.
• Cách thức kết nối và đẩy dữ liệu vi điều khiển lên nền tảng IoT ThingsBoard thông qua giao thức MQTT để xây dựng giao diện giám sát trực quan.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm và đánh giá các chỉ số RSSI, SNR trong môi trường thực tế để xác định mức độ suy hao kênh truyền vô tuyến.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống mạng LoRa trong đồ án phân chia và quản lý địa chỉ của Gateway và các Slave như thế nào?
Hệ thống sử dụng cơ chế gán địa chỉ 8-bit được tích hợp trong module LoRa SX1278. Trong mô hình mạng này, địa chỉ 0 và 1 được dành riêng cho nút trung tâm (Gateway được gán cố định địa chỉ 1), còn các địa chỉ từ 2 đến 255 được phân bổ tuần tự cho các nút cảm biến Slave (trong đồ án triển khai cho 3 Slave), cho phép mạng quản lý tối đa 254 nút Slave trên cùng một hệ thống.

2. Tại sao việc phát sóng công nghệ LoRa không gây can nhiễu đến hệ thống thông tin liên lạc VHF tại cảng hàng không?
Hệ thống thông tin vô tuyến hàng không phục vụ điều hành bay hoạt động trong dải tần VHF 118–137 MHz với điều chế biên độ AM. Trong khi đó, module LoRa sử dụng trong đề tài hoạt động ở dải tần vô tuyến ISM 433 MHz (chuẩn cho khu vực Châu Á). Hai dải tần này hoàn toàn cách biệt nhau trong phổ tần số điện từ, do đó sóng truyền RF của LoRa không gây can nhiễu đến các tần số VHF hàng không.

3. Giao thức MQTT và nền tảng ThingsBoard đóng vai trò gì trong kiến trúc thu thập dữ liệu của đề tài?
Giao thức MQTT hoạt động theo mô hình Publish/Subscribe trên nền TCP/IP, cho phép LoRa Gateway đóng gói các dữ liệu cảm biến thành các thông điệp nhị phân có kích thước nhỏ và tiêu tốn rất ít băng thông để gửi lên máy chủ. ThingsBoard đóng vai trò là MQTT Broker và nền tảng IoT máy chủ, tiếp nhận các gói tin, phân tích dữ liệu đo từ xa, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu và trực quan hóa các chỉ số nhiệt độ, độ ẩm, điện áp thông qua giao diện đồ thị đường thời gian thực.

4. Kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) mã hóa các bit dữ liệu 0 và 1 theo nguyên lý nào?
Kỹ thuật CSS điều chế dữ liệu bằng cách sử dụng các xung chirp có tần số biến thiên theo thời gian. Nguyên tắc mã hóa trong đồ án sử dụng hai loại tín hiệu chirp: xung Up-Chirp (tần số tăng tuyến tính theo thời gian) được sử dụng để mã hóa cho bit 1, và xung Down-Chirp (tần số giảm tuyến tính theo thời gian) được sử dụng để mã hóa cho bit 0 trước khi đưa tín hiệu ra anten phát.

5. Kết quả đo kiểm tín hiệu của LoRa Slave 1 tại 3 điểm thử nghiệm thực tế diễn ra như thế nào?
Khi đặt Gateway cố định và di chuyển LoRa Slave 1 đến 3 vị trí đo: tại vị trí trước cổng quân đội, hệ thống thu được tín hiệu tốt với các chỉ số RSSI và SNR cao; tại vị trí gần quán Coffee, cự ly tăng lên khiến tín hiệu thu được ở mức yếu; khi đưa đến vị trí gần quán Cơm, do mật độ vật cản che chắn dày đặc nên tín hiệu đường truyền chuyển sang trạng thái không ổn định.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Quyết Thắng đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống mạng LoRa phục vụ thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và điện áp tiêu thụ tại cảng hàng không. Hệ thống phần cứng gồm 1 trạm Gateway và 3 nút Slave hoạt động đồng bộ với vi điều khiển ESP32, module SX1278 và nền tảng máy chủ ThingsBoard thông qua giao thức MQTT. Kết quả thử nghiệm thực tế đã chứng minh tính khả thi, khả năng truyền dữ liệu tầm xa công suất thấp và sự an toàn về tần số vô tuyến đối với liên lạc hàng không VHF, đồng thời mở ra hướng ứng dụng hiệu quả cho công tác giám sát kỹ thuật và phòng chống cháy nổ tại các trạm chức năng của sân bay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Cơ sở lí thuyết  Phần II: Nội dung và kết quả Chương 3: Thiết kế Chương 4: Thi công và triển khai hệ thống Trang 3 Chương 5: Kết quả và định hướng phát triển Trang 4 CƠ SỞ LÍ THUYẾT Hệ sinh thái Internet of Things - IoT Khái niệm Internet of Things Internet Vạn Vật (Hình 2.1) hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là thiết bị kết nối“ và thiết bị thông minh“), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với 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 thể thu thập và truyền tải dữ liệu. 1: Internet Of Things Kiến trúc Internet of Things 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). 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 Trang 5 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 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. Các đơn vị thường dùng trong ngành Viễn thông (dB, dBm, dBd, dBi)  Decibel( dB): Decibel (dB) là một đơn vị đo lường được sử dụng để biểu thị tỷ lệ của luỹ thừa, áp suất âm thanh hoặc những thứ khác trên thang logarit.

Decibel được phát minh bởi Bell Labs và đặt theo tên tên của Alexander Graham Bell.