Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Hệ Thống IoT Tích Hợp Cơng Nghệ
LPWAN Ứng Dụng Phát Thanh Cảnh Báo
Lũ Lụt VFASS
Ngơ Đình Thanh1, Đỗ Thế Cần1, Fabien Ferrero2, Lê Thành Nhân2, Trần Anh Tuấn1, Dương Minh
Quân1, Hà Vĩnh Long3, Trịnh Thế Trường3
1

Đại học Đà Nẵng – Trường Đại học Bách Khoa; Email:
LEAT Universite Cote d’Azur, LEAT, CNRS; Email:
3
Công ty CP Tư vấn và Phát triển Kỹ thuật Tài nguyên nước; Email:
2

Abstract— Sự bùng nổ công nghệ IoT trong tất cả lĩnh
vực của đời sống cùng với thách thức liên quan đến tiêu
thụ năng lượng thấp và trao đổi dữ liệu ở khoảng cách
xa. Công nghệ truyền tin LPWAN ra đời nhằm góp phần
giải quyết những thách thức trên. Trong bài báo này,
chúng tôi đề xuất hệ thống IoT tích hợp cơng nghệ
LPWAN với băng tần 923Mhz ứng dụng phát thanh
cảnh báo lũ lụt VFASS. Giải pháp này nhằm tăng độ tin
cậy, chính xác trong việc truyền tin cảnh báo lũ lụt và
không phụ thuộc vào mạng viễn thông và nguồn điện
lưới. Hệ thống cảnh báo lũ lụt thông minh VFASS đã
được lắp đặt thử nghiệm thực tế tại Đà Nẵng.

được thiết kế để hỗ trợ triển khai đa dạng các ứng dụng
IoT [1].
Giải pháp cảnh báo lũ lụt VFASS tích hợp cơng

nghệ LPWAN do nhóm nghiên cứu phối hợp với công
ty WATEC thiết kế, sản xuất thiết bị phát thanh cảnh
báo tự động truyền tín hiệu thông qua mạng
LoRaWAN và mạng viễn thông, hệ thống cho phép
kích hoạt cảnh báo qua giao tiếp mạng LoRaWAN [3]
nhằm giải quyết các bất cập của phương thức thông tin
cảnh báo lũ lụt hiện nay như trường hợp sóng 3G/4G
yếu hoặc mất sóng tại thời điểm cảnh báo, đặc biệt là
tính chủ động thích ứng với các tình huống thiên tai,
khẩn cấp.
Với kích thước nhỏ gọn, sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời, tiêu hao năng lượng thấp, kết nối không dây,
vận hành và kích hoạt cảnh báo khơng phụ thuộc vào
mạng viễn thông, dễ dàng lắp đặt nên đây là giải pháp
khả thi, ứng dụng IoT để phát thanh cảnh báo theo thời
gian thực, phù hợp xu hướng cách mạng cơng nghệ 4.0
và xây dựng đơ thị thơng minh.
Phần cịn lại của bài báo được tổ chức như sau:
trong phần II, chúng tơi miêu tả mơ hình đề xuất.
Trong phần III, chúng tôi đánh giá hiệu năng của hệ
thống. Phần IV cung cấp các kết quả triển khai thực
nghiệm. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong
phần V.

Keywords- LoRaWAN, phát thanh cảnh báo lũ lụt,
công nghệ LPWAN, IoT.

I.

GIỚI THIỆU


Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa,
chịu ảnh hưởng nặng trong biến đổi khí hậu. Biểu hiện
rõ nét nhất là tình hình thiên tai, lũ lụt ngày càng cực
đoan, bất thường khó dự đốn. Để góp phần giải quyết
các thách thức trên cần có hệ thống cảnh báo kịp thời
để người dân và chính quyền ứng phó.
Một trong các yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống
thông tin cảnh báo là phải tức thời, thông tin nhanh
nhất và đến được mọi người dân, cộng đồng của khu
vực bị ảnh hưởng.Tuy nhiên, phương thức thông tin
cảnh báo đến cộng đồng bằng loa cầm tay hoặc hệ
thống truyền thanh xã đang được thực hiện phổ biến
hiện nay sẽ không đáp ứng được tính kịp thời của thơng
tin cảnh báo, dễ gây rủi ro. Một số hồ chứa thủy điện
lớn hiện nay cũng đã lắp đặt hệ thống phát thanh cảnh
báo tự động, kích hoạt bằng điện thoại nhưng số lượng
cịn ít và bất cập lớn nhất là hồn tồn phụ thuộc vào
mạng viễn thơng. Khi có bão lũ xảy ra, nếu mạng viễn
thơng bị gián đoạn thì khơng thể kích hoạt dược hệ
thơng phát thanh cảnh báo.
Để giải quyết những thách thức trên, mạng diện
rộng công suất thấp LPWANs (Low-Power Wide Area
Network) được ứng dụng vào hệ thống phát thanh cảnh
báo. LPWAN là công nghệ truyền thông không dây

ISBN 978-604-80-5958-3

II.


MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Do đặc thù của các hệ thống cảnh báo lũ lụt thường đặt
đa phần ở những nơi mà sóng wifi hay nguồn điện
khơng sẵn có vì thế cần nghiên cứu giải pháp truyền
tin xa, tiêu tốn năng lượng thấp để có thể dùng nguồn
năng lượng mặt trời công suất thấp.

158


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021)

Mơ hình mạng LoRaWAN như hình 2 của hệ thống
gồm 4 lớp:
- Lớp end-node là cảm biến đo mực nước hoặc thiết bị
kích hoạt cảnh báo được kết nối không dây với mạng
LoRaWAN, cảm biến hoặc thiết bị kích hoạt được gán
một ID để nhận diện và đảm bảo truyền dữ liệu được
an tồn, tin cậy theo chuẩn truyền thơng LoRaWAN.
Dữ liệu từ cảm biến/thiết bị kích hoạt sẽ gửi đến
gateway. Một end-node có thể gửi dữ liệu cùng lúc
đến các gateway trong vùng phủ sóng mạng
LoRaWAN.
- Lớp LoRaWAN gateway: nhận dữ liệu từ cảm biến/
thiết bị kích hoạt và chuyển dữ liệu đó lên LoRaWAN
network server thơng qua kết nối internet, ethernet
hoặc 3G/4G. Gateway hỗ trợ cả 2 chiều truyền dữ liệu,
khi dữ liệu từ endnode gửi lên gọi là uplink và từ
gateway gửi xuống endnode gọi là downlink.

- Lớp network server: lớp này quản lý toàn bộ mạng
LoRaWAN và thiết lập bảo mật kết nối trao đổi dữ
liệu trong mạng.
- Lớp application server: là các ứng dụng trên
smartphone, máy tính, web để giám sát và điều khiển
hệ thống.

Hình 1. Giải pháp cảnh báo lũ lụt VFASS
Hiện nay công nghệ LPWAN (Low Power Wide Area
Network) là công nghệ truyền thông không dây được
thiết kế để hỗ trợ triển khai đa dạng các ứng dụng IoT
tầm xa và tiêu thụ công suất thấp. LPWAN gồm các
cơng nghệ LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, LTE-M …
trong đó LoRaWAN là một trong những công nghệ
thành công và phổ biến hoạt động dựa trên lớp vật lý
LoRa và các băng tần miễn phí theo từng khu vực trên
thế giới. LoRaWAN cho phép kết nối diện rộng và quy
mô lớn cho các thiết bị cơng suất thấp, chi phí thấp và
tốc độ dữ liệu thấp [2][3].
Với giải pháp này, cho phép trạm cảnh báo lũ lụt có
thể truyền dữ liệu về gateway ở khoảng cách xa từ 1
đến 6 km với tần số 923 MHz (tần số hiện cấp phép
miễn phí ở VN). Giải pháp đề xuất như hình 1 cho
phép kích hoạt cảnh báo ngay cả khi khơng có sóng
3G/4G nhờ vào cơng nghệ LoRaWAN như hình 2 và
đây là điểm khác biệt của hệ thống so với các hệ thống
có mặt trên thị trường trong và ngồi nước. Thông qua
gateway sẽ kết nối gửi dữ liệu lên cloud, server từ đó
giúp các nhà quản lý, chính quyền địa phương có thể
theo dõi trạng thái, dữ liệu cảm biến, thông báo cảnh

báo ở bất kỳ đâu và bất kỳ thời gian nào.
Hệ thống cảnh báo VFASS có kết cấu nhỏ gọn gồm
các thiết bị cơ bản: cảm biến và thiết bị kích hoạt, thiết
bị điều khiển, thiết bị cảnh báo và nền tảng quản lý.
Các thiết bị được kết nối thơng qua giao thức truyền
tin LoRaWAN như hình 2 và đồng thời với mạng
3G/4G như hình 3, hệ thống phát thanh cảnh báo hoạt
động bằng nguồn pin năng lượng mặt trời. Ưu thế vượt
trội của hệ thống so với các hệ thống cảnh báo khác là
không phụ thuộc vào nguồn điện và mạng viễn thông.
Giải pháp đề xuất của VFASS như hình 1 là tại các
tháp báo lũ hoặc các vị trí gần khu vực dân cư sẽ đặt
các thước đo mực nước điện tử và trạm điều khiển gần
đó. Tại trung tâm khu dân cư sẽ đặt các trạm cảnh báo
ngoài trời với đèn báo và loa phát thanh cơng suất tối
đa 600W. Trạm điều khiển ngồi trời có thể kết hợp
thêm chức năng truyền thanh tại cộng đồng qua nền
tảng web quản lý hoặc điện thoại di động.
Khi mực nước lũ tại vị trí thước đo điện tử dâng cao
đến mức báo động (mức báo động được cài đặt tối đa
5 mức tùy theo yêu cầu và điều kiện cụ thể của khu
vực dân cư) thông qua giao tiếp LoraWAN, 3G/4G
toàn bộ các thiết bị điều khiển và thiết bị cảnh báo sẽ
được kích hoạt. Thiết bị cảnh báo ngoài trời đặt gần
khu dân cư sẽ phát thanh cảnh báo đến cộng đồng.

ISBN 978-604-80-5958-3

Hình 2. Kết nối mạng LoRaWAN của hệ thống cảnh
báo lũ VFASS

Hình 3 thể hiện hệ thống tích hợp truyền dữ liệu cảnh
báo đồng thời qua mạng viễn thông nhằm tăng độ tin
cậy trong cảnh báo của hệ thống.

Hình 3. Kết nối mạng 3G/4G của hệ thống cảnh báo lũ
VFASS
III.

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

Để đánh giá hiệu năng hoạt động, bài báo đánh giá, so
sánh các công nghệ LPWAN khác [1]. Như kết quả
trong bảng 1, LoRaWAN và Sigfox là công nghệ tiềm
năng cho ứng dụng tầm xa với thời gian pin lên đến 10
năm và giá thành thấp cho một end-node. Tuy nhiên
khi xét đến tính bảo mật thì cơng nghệ LoRaWAN ưu
thế hơn Sigfox. Bên cạnh đó, LoRaWAN khắc phục
nhược điểm của những công nghệ khác như Wifi,
ZigBee … [1]
Bảng 1. So sánh các cơng nghệ LPWAN [1]
Đặc tính LoRaWAN NB-IoT Sigfox
LTE-M
Thành thị 2-5 km
1.5 km 3-10 km 200 km

159


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)


Nông
45 km
thôn
Thời gian ~10 năm
pin
Giá thành
Thấp
Tốc độ dữ 290 bps –
liệu
50 kbps
Bảo mật
Có

4G
20-40 km 30-50
km
~10 năm ~10 năm < 10 năm
Cao
Thấp
Cao
20 kbps - 100 bps 200kbps250 kbps
1Mbps
Có
Khơng
Có

LoRa sử dụng ba băng thơng BW là 125kHz, 250kHz
và 500kHz. Băng thơng càng rộng thì thời gian mã hóa
tín hiệu càng ngắn, từ đó thời gian truyền dữ liệu cũng
giảm xuống nhưng khoảng cách truyền cũng giảm

theo. Trong hệ thống này chúng tôi chọn giá trị
BW=125kHz.
Hệ số trải phổ SF xác định số lượng tín hiệu chirp khi
mã hóa tín hiệu được điều chế tần số (chipped signal)
của dữ liệu. Trong thử nghiệm chúng tôi mong muốn
truyền dữ liệu đi xa nhất nên chọn SF=12, một mức
logic của tín hiệu chirp được điều chế sẽ được mã hóa
bởi 12 xung tín hiệu chíp. Để đánh giá mức độ phủ
sóng, hệ thống mạng LoRaWAN được cấu hình các
thông số như bảng 2 cho gateway và các cảm biến.
Bảng 2. Thông số gateway và end-node LoRa
Thông số
Gateway
Node
Tần số
923 MHz
923 MHz
Băng thông
125 kHz
125 kHz
Hệ số trải phổ SF
12
12
Công suất phát
14 dBm
14 dBm
Tốc độ mã hóa
4/5
4/5


Hình 4. Đo mức độ phủ sóng gateway LoRaWAN
IV.

KẾT QUẢ

Trong phần này, chúng tơi thực hiện thiết kế phần cứng
và phần mềm của hệ thống cảnh báo lũ.
Bảng 3 trình bày các thơng số kỹ thuật hệ thống bộ
điều khiển phát thanh cảnh báo.
Bảng 3. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển phát thanh
cảnh báo
Kết nối
LoRaWAN/3G/4G
Phương thức kích hoạt LoRa/SMS/Website
Bộ xử lý
ARM Cortex-M4, CPU 32 bit
80MHz
Nhiệt độ làm việc tối 00C ÷ 500C
ưu
Độ ẩm mơi trường
35 ÷ 85%RH
Băng tần LoRa
AS923-2
Cơng suất phát loa
100W/loa, tối đa 4 loa
Mạch điều khiển sạc Công suất 60W, Vout 24VDC
năng lượng mặt trời
Acquy
24V 30Ah


Để đánh giá khả năng mức độ phủ sóng của mạng
LoRaWAN, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí
nghiệm đánh giá mức độ phủ sóng trong các điều kiện
môi trường khác nhau thông qua mạng LoRaWAN của
thành phố Đà Nẵng thuộc dự án “Free-LoRa”. Đây là
nền tảng mạng LoRaWAN cộng đồng tại thành phố
Đà Nẵng phục vụ cho các ứng dụng IoT do Viện Công
nghệ Quốc tế DNIIT kết hợp với Sở Thông tin và
truyền thông Thành phố Đà Nẵng phối hợp cùng xây
dựng. Kết quả đánh giá mức độ phủ sóng ở hình 4 cho
thấy khoảng cách truyền dữ liệu từ cảm biến đến
gateway trong mạng LoRaWAN lên đến 12 km. Kết
quả này cho thấy tính khả thi khi triển khai hệ thống
cảnh báo lũ lụt bằng công nghệ LoRaWAN khi mà
trạm phát thanh cảnh báo đặt ở khoảng cách xa (<
6km) so với cảm biến mực nước.

Hình 5. Bộ điều khiển cảnh báo VFASS
Cảm biến đo mực nước VFASS: với giải pháp cảm
biến thước đo điện tử đã giúp hệ thống cảnh báo lũ

ISBN 978-604-80-5958-3

160


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021)

phân biệt chính xác mực nước ngập lụt, khi có mưa tác
động vào cảm biến đo mực nước (hình 6) vẫn khơng

làm sai lệch kết quả đo ngập lụt. Độ phân giải của cảm
biến đo mực nước là 2cm. Cảm biến tiêu thụ năng
lượng thấp, sử dụng nguồn pin Lithium. Giải pháp này
khắc phục được nhược điểm của các cảm biến đo mực
nước hiện nay như rada, siêu âm, áp suất … chỉ thích

Hình 8. Giao diện cấu hình hệ thống cảnh báo lũ lụt
VFASS
Giải pháp hệ thống cảnh báo lũ VFASS hiện lắp đặt

hợp đo mực nước tĩnh, độ sâu lớn không phù hợp để
đo ngập lụt với độ sâu nhỏ hơn.

thử nghiệm như hình 9, tại thơn Bắc An, xã Hịa Tiến,
huyện Hịa Vang, thành phố Đà Nẵng.

Hình 9. Hệ thống cảnh báo lũ lụt VFASS
V.

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tơi đề xuất tích hợp cơng
nghệ LoRaWAN với băng tần AS923-2 cùng với mạng
3G/4G vào hệ thống cảnh báo lũ lụt tại Việt Nam nhằm
giải quyết những thách thức đối với hệ thống cảnh báo
như đảm bảo độ tin cậy, chính xác và kịp thời. Hệ
thống sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và cho phép
kích hoạt cảnh báo lũ lụt ngay cả khi khơng có sóng
3G/4G. Hệ thống cảnh báo lũ VFASS đã được lắp đặt
thử nghiệm thực tế tại xã Hòa Tiến, huyện Hòa Vang,

thành phố Đà Nẵng.
Hệ thống cảnh báo lũ VFASS có ý nghĩa rất quan trọng
đối với đời sống nhân dân, nhất là ở những vùng
thường xuyên xảy ra các vấn đề thiên tai, bão lũ như
miền Trung Việt Nam.

Hình 6. Cảm biến mực nước
Giao diện phần mềm quản lý hệ thống giúp nhà quản
lý giám sát tình trạng hệ thống gồm các thơng số kết
nối mạng LoRaWAN hay 3G/4G, trạng thái nguồn
năng lượng mặt trời, acquy thể hiện ở hình 7.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Č. Gambiroža, T. Mastelić, P. Šolić and M.
Čagalj, "Capacity in LoRaWAN Networks:
Challenges and Opportunities," in 2019 4th
International Conference on Smart and
Sustainable Technologies (SpliTech), Split,
Croatia, 2019.
[2] W. Ayoub, A. E. Samhat, F. Nouvel, M. Mroue
and J. Prévotet, "Internet of Mobile Things:

Hình 7. Giao diện giám sát thơng số hệ thống cảnh báo
lũ lụt VFASS
Ngoài ra, phần mềm cho phép cấu hình và điều khiển
hệ thống từ xa như hình 8.

ISBN 978-604-80-5958-3

161



Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Overview of LoRaWAN, DASH7, and NB-IoT in
LPWANs Standards and Supported Mobility,"
IEEE Communications Surveys & Tutorials, pp.
1561-1581, 2019.
[3] Thanh Dinh Ngo, Fabien Ferrero, Vinh Quang
Doan. Tuan Van Pham, "Industrial LoRaWAN
Network for Danang City: Solution for LongRange and Low-Power IoT Applications," in
Research in Intelligent and Computing in

ISBN 978-604-80-5958-3

Engineering, 2021.

162