TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI
TRƯỜNG NƯỚC
Ngành:

KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

Chun ngành: TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Th.s Trần Quang Vinh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Vượng
MSSV: 1651050124 Lớp: TD16B
Sinh viên thực hiện: Đặng Hưng
MSSV: 1651050109 Lớp: TD16B

TP. Hồ Chí Minh, 2022

BM-TN-05


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM
KHOA: ĐIỆN TỬ- ĐIỆN VIỄN THÔNG

-----

BÁO CÁO ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THÔNG SỐ

MÔI TRƯỜNG NƯỚC

GVHD: Th.S TRẦN QUANG VING
SVTH: NGUYỄN QUANG VƯỢNG
LỚP: TD16B
MSSV: 1651050124
SVTH: ĐẶNG HƯNG
LỚP: TD16B
MSSV: 1651050082

TP HCM 21/03/2022


Khoa: Điện – Điện Tử Viễn Thông
Bộ môn: Tự động hố cơng nghiệp
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
(Phiếu này được dán ở trang đầu tiên của quyển báo cáo LVTN)
1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm: 02):
(1) Nguyễn Quang Vượng MSSV: 1651050124 Lớp: TD16B
(2) Đặng Hưng
MSSV: 1651050082 Lớp: TD16B
Ngành
: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Chuyên ngành : Tự động hố cơng nghiệp
2. Tên đề tài:
Giám sát điều khiển thông số môi trường nước
..........................................................................................................................................
3. Các dữ liệu ban đầu:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

......................................................................................................................................
4. Các yêu cầu chủ yếu
a) ..................................................................................................................................
b) .................................................................................................................................
c) ..................................................................................................................................
d) .................................................................................................................................
5. Kết quả tối thiểu phải có:
a) ..................................................................................................................................
b) .................................................................................................................................
c) ..................................................................................................................................
d) .................................................................................................................................
Ngày giao đề tài: ……/……/201… Ngày nộp báo cáo: ……/……/201….
TP. HCM, ngày…. tháng …… năm 201…
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG KHOA
(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

BM-TN-02


Khoa: Điện – Điện Tử Viễn Thông
Bộ môn: Tự động hố cơng nghiệp
BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
6. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm: 02):

(1) Nguyễn Quang Vượng MSSV: 1651050124 Lớp: TD16B
(2) Đặng Hưng
MSSV: 1651050082 Lớp: TD16B
Ngành
: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Chuyên ngành : Tự động hố cơng nghiệp
1. Tên đề tài:
Điều khiển giám sát thông số môi trường nước ...........................................................
..........................................................................................................................................
2. Tổng quát về LVTN:
Số trang:
....................... Số chương:
........................................
Số bảng số liệu:
....................... Số hình vẽ:
........................................
Số tài liệu tham khảo: ....................... Phần mềm tính tốn: ........................................
Số bản vẽ kèm theo: ....................... Hình thức bản vẽ:
........................................
Hiện vật và sản phẩm kèm theo: .................................................................................
3. Nhận xét:
a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
b) Những kết quả đạt được của LVTN:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
c) Những hạn chế của LVTN:

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
4. Đề nghị:
Được bảo vệ (hoặc nộp LVTN để chấm) 
Khơng được bảo vệ 
5. Điểm thi (nếu có):
TP. HCM, ngày …… tháng …… năm 201…
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

BM-TN-06


Khoa: Điện – Điện Tử Viễn Thông
Bộ môn: Tự động hố cơng nghiệp
BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
7. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm: 02):
(1) Nguyễn Quang Vượng MSSV: 1651050124 Lớp: TD16B
(2) Đặng Hưng
MSSV: 1651050082 Lớp: TD16B
Ngành
: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Chuyên ngành : Tự động hố cơng nghiệp ....................................................................
1. Tên đề tài:
Điều khiển giám sát thông số môi trường nước ...............................................................
..........................................................................................................................................
2. Nhận xét:

a) Những kết quả đạt được của LVTN:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
b) Những hạn chế của LVTN:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
3. Đề nghị:
Được bảo vệ 
Bổ sung thêm để bảo vệ 
Không được bảo vệ 
4. Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng:
(1) ................................................................................................................................
................................................................................................................................
(2) ................................................................................................................................
................................................................................................................................
(3) ................................................................................................................................
................................................................................................................................
5. Điểm:
TP. HCM, ngày …… tháng …… năm 201…
Giảng viên phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm LVTN.


BM-TN07


LỜI CAM ĐOAN
Tên đề tài: Điều khiển giám sát thông số môi trường nước
GVHD: Th.s Trần Quang Vinh
Lớp: TD16B
Khoa: ĐIỆN TỬ - ĐIỆN VIỄN THƠNG
Lời cam kết: “Chúng tơi xin cam đoan đề tài này là cơng trình do chính tôi
nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã
được công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi
phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày…..tháng…..năm 2022
Ký tên

Nguyễn Quang Vượng

Đặng Hưng

Trang 6


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô của trường Đại học Giao Thông
Vận Tải TP Hồ Chí Minh, cũng như quý thầy cơ trong khoa Điện – Điện Tử Viễn
Thông đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức hữu ích cũng như kinh nghiệm quý
báu cho em trong suốt 4 năm qua.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Trần Quang Vinh, người đã tận
tình hướng dẫn nhóm hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.

Cảm ơn tất cả các Thầy cùng với các bạn, các anh/chị đã tận tình giúp đỡ cũng
như hỗ trợ và quan tâm tới em trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt
nghiệp.
Kính chúc q Thầy/Cơ và các bạn dồi dào sức khỏe, đạt nhiều thành công trong
công việc và cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện:

Đặng Hưng
Nguyễn Quang Vượng

Trang 7


MỤC

LỤC

Mục lục
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 6
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 7
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 8
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... 11
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................. 15
1.1

Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 15

1.2


Lora là gì? ........................................................................................................ 16

Kiến trúc mạng LoRa .............................................................................................. 16
1.2.1 Điểm cuối ....................................................................................................... 16
1.2.2 Cổng LoRa ..................................................................................................... 16
1.2.3 Máy chủ mạng LoRa ..................................................................................... 17
1.2.4 Máy tính điều khiển từ xa .............................................................................. 17
1.2.5 Cơ bản về công nghệ LoRa............................................................................ 18
1.2.6 Băng tần, khoảng cách truyền ........................................................................ 19
1.2.1 Điều chế vô tuyến trong LoRa ....................................................................... 19
1.3

Tổng quan về mạng cảm biến không dây ........................................................ 20

1.3 Lịch sử về sự ra đời của LoRa và LoRaWAN ..................................................... 21
1.4 Công nghệ LoRaWAN ......................................................................................... 22
1.5 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ..................................................................... 26
1.6. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................... 26
1.7 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................ 27
CHƯƠNG 2: PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG ......................................... 29
2.1 Chọn phần cứng phù hợp đáp ứng yêu cầu đề tài ................................................ 29
2.1.1 Kit RF Thu Phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU-32 V1.2 Ai-Thinker ............ 29
2.1.2 Arduino Nano ................................................................................................ 31
2.1.3 Mạch Thu Phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 .................................. 34
2.1.4 Anten 433mhz cho bộ thu phát Lora ............................................................. 37
2.1.5 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ......................................................................... 38
Trang 8



2.1.6 Cảm biến DO đo lượng Oxy hòa tan ............................................................. 39
2.1.7 Cảm biến pH .................................................................................................. 41
2.1.8 Cảm biến siêu âm chống nước ( đo mức nước) ............................................. 43
2.1.9 Cảm biến đo tổng chất rắn hoà tan TDS ........................................................ 45
2.1.10 Biến tần Yaskawa V1000 ............................................................................ 47
Cài đặt thông số biến tần Yaskawa V1000 ................................................................ 50
2.2

Phần mềm sử dụng ........................................................................................... 54

2.2.1 Phần mềm Visual Studio Code ................................................................... 54
2.2.2 Phần mềm Proteus ......................................................................................... 54
2.2.3 Phần mềm Altium designer ........................................................................... 55
2.2.4 Phần mềm Arduino IDE ................................................................................ 56
2.2.5 Phần mềm Android Stuio............................................................................... 57
2.3.1 Firebase là gì? ................................................................................................ 58
2.3.2 Lý do chọn firebase ....................................................................................... 59
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ....................................................................... 61
3.1 Tổng quan tính năng phần cứng ........................................................................... 61
3.2 Các chuẩn truyền thông giao tiếp sử dụng trong mơ hình ................................... 64
3.2.1 Giao tiếp 1 dây OneWire ............................................................................... 64
3.2.3 Giao tiếp SPI .................................................................................................. 66
3.2.4 Kết nối ESP32 với Wifi Router sử dụng Arduino Core ................................ 70
3.2.5 Truyền thông RS485 ...................................................................................... 72
3.2.6 Giao tiếp I2C.................................................................................................. 75
3.2.7 CRC ............................................................................................................... 81
3.3 Làm việc với Firebase .......................................................................................... 82
3.3.1 Khởi tạo và cài đặt Firebase Realtime Database ........................................... 85
3.3.2 Khởi tạo cấu trúc dữ liệu cho Realtime Database Firebase ........................... 87
3.4 Kết nối ESP32 với Firebase truyền nhận dữ liệu ................................................. 89

3.4.1 Thêm thư viện và kết nối với Realtime Database Firebase ........................... 89
3.4.2 Lập trình ESP32 truyền dữ liệu lên Firebase ................................................. 92
3.5 Quy trình thực hiện .............................................................................................. 97
3.6 Master ................................................................................................................... 98
3.5 Slave ...................................................................................................................108
Trang 9


3.5.1 Sơ đồ khối của điều khiển PID ....................................................................114
3.5.2 Cách tính tốn các khâu trong điều khiển PID ............................................116
3.5.3 Phần cứng trạm 1 thực tế .............................................................................119
3.5.4 Phần cứng trạm 2 thực tế .............................................................................122
3.5.5 Phần cứng trạm 3 thực tế .............................................................................124
3.5.6 Phần cứng trạm 4 thực tế .............................................................................128
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ APP ANDROID VÀ WEBSITE ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
HỆ THỐNG .................................................................................................................131
4.1 Thiết kế ứng dụng android .................................................................................132
4.1.1 Ngơn ngữ lập trình Kotlin............................................................................132
4.1.2 Khởi tạo và thiết lập dự án...........................................................................135
4.2.1 Thiết kế giao diện đăng nhập .......................................................................138
4.2.2 Giao diện Profile ..........................................................................................141
4.2.3 Giao diện màn hình giám sát chính .............................................................142
4.2.4 Giao diện màn hình cài đặt các giá trị .........................................................144
4.2.5 Giao diện data ..............................................................................................145
4.2.6 Giao diện biểu đồ thể hiện các thông số ......................................................147
4.2 Thiết kế website giám sát hệ thống ....................................................................148
4.2.1 Nodejs ..........................................................................................................148
4.2.2 Giao diện đăng nhập websiste .....................................................................150
4.2.3 Giao diện chính ............................................................................................151
4.2.4 Giao diện biểu đồ .........................................................................................151

4.2.5 Giao diện cài đặt các thông số .....................................................................152
4.2.6 Giao diện lịch sử, xuất data .........................................................................152
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................154
5.1 Kết quả ..............................................................................................................154
Lượng pin tiêu thụ ................................................................................................154
Các thông số thực tế môi trường nước sinh hoạt đo được ....................................155
Khoảng cách thực tế giữa các trạm:......................................................................156
Bộ điều khiển PID.................................................................................................157
5.2 Hướng phát triển ................................................................................................160
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................162
Trang 10


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
GVHD: giáo viên hướng dẫn
SVTH : sinh viên thực hiện
MSSV: mã số sinh viên
LVTN: luận văn tốt nghiệp
DC: Direct Current
USB: Universal Serial Bus
IOT: Internet of Things
I/O: input/output

Trang 11


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình: LoRa ................................................................................................................. 16
Hình: Khoảng cách sử dụng của LoRa ...................................................................... 17
Hình: Ứng dụng cơng nghệ LoRa .............................................................................. 18

Hình: Cấu trúc lora ..................................................................................................... 19
Hình: Biểu đồ tạo tín hiệu. ......................................................................................... 20
Hình: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây đơn giản.................................................. 20
Hình: ESP32 ............................................................................................................... 30
Hình: Arduino Nano ................................................................................................... 31
Hình: Sơ đồ chân Arduino Nano ................................................................................ 34
Hình: Mạch thu phát Lora ra-02 ................................................................................ 35
Hình: Pinout module Lora .......................................................................................... 36
Hình: Anten 433mhz cho module Lora...................................................................... 37
Hình: Cảm biến Do Oxy hồ tan ................................................................................ 39
Hình: Cảm biến pH .................................................................................................... 41
Hình: Cảm biến siêu âm chống nước ......................................................................... 43
Hình: Sơ đồ chân tín hiệu........................................................................................... 44
Hình: Ngun lý làm việc .......................................................................................... 44
Hình: Cảm biến đo chất rắn hồ tan ........................................................................... 45
Hình: Biến tần Yaskawa V1000 ................................................................................. 47
Hình: Sơ đồ đấu dây biến tần V1000 ......................................................................... 48
Hình: Giao diện phần mềm Visual Studio Code ........................................................ 54
Hình: Giao diện phần mềm Proteus ........................................................................... 55
Hình: Giao diện phần mềm Altium degisner ............................................................. 56
Hình: Giao diện phần mềm Arduino .......................................................................... 56
Hình: Giao diện phần mềm Android Studio .............................................................. 58
Hình: Giao diện cài đặt wifi ....................................................................................... 62
Hình: Giao diện nạp code không dây qua WiFi(chế độ STATION trê ESP32). ....... 62
Hình: RS485 2 dây ..................................................................................................... 73
Hình: Giao tiếp I2C .................................................................................................... 76
Hình: Cách hoạt động của I2C ................................................................................... 77
Hình: Một master với nhiều slave .............................................................................. 79
Trang 12



Hình: Nhiều Master với nhiều Slave .......................................................................... 80
Hình: Sơ đồ khối master............................................................................................. 98
Hình: Master hồn thiện ............................................................................................. 98
Hình: Khối nguồn hạ áp ............................................................................................. 99
Hình: Khối nguồn tăng áp board master ..................................................................102
Hình: Mạch nguyên lý mcu ......................................................................................104
Hình: Mạch PCB chưa hàn linh kiện .......................................................................104
Hình: Pcb đã hàn linh kiện .......................................................................................105
Hình: Thuật tốn chính.............................................................................................105
Hình: Thuật tốn ......................................................................................................106
Hình: Thuật tốn ......................................................................................................107
Hình: Thuật tốn ......................................................................................................107
Hình: Thuật tốn ......................................................................................................107
Hình: Sơ đồ khối slave .............................................................................................108
Hình: Sơ đồ khối nguồn hạ áp slave ........................................................................109
Hình: Sơ đồ khối nguồn tăng áp slave .....................................................................109
Hình: Pcb slave chưa có linh kiện ............................................................................110
Hình: Thuật tốn. .....................................................................................................111
Hình: Cấu trúc gói tin lora slave 1 ...........................................................................111
Hình: Thuật tốn slave 2 ..........................................................................................112
Hình: Cấu trúc gói tin slave2 ...................................................................................112
Hình: Cấu trúc gói tin slave 3 ..................................................................................113
Hình minh họa giải thích các giá trị trong sơ đồ. .....................................................115
Hình: Cơng thức tổng qt về điều khiển PID. ........................................................116
Hình: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S ...........................................................117
Hình: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ......................117
Hình: Cấu trúc gói tin lora Slave 4. ........................................................................118
Hình: Trạm 1 hồn thiện ..........................................................................................119
Hình: Trạm 3 hồn thiện ..........................................................................................124

Hình: Module Max17043 .........................................................................................126
Hình: Sơ đồ nguyên lý .............................................................................................126
Hình: Mạch sạc pin ..................................................................................................127
Trang 13


Hình: Trạm 4 và cơ cấu bơm sục oxy ......................................................................128
Hình: Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển .....................................................................130
Hình: Ưu điểm của Kotlin ........................................................................................133
Hình: Tạo project .....................................................................................................136
Hình: Thiết lập project .............................................................................................137
Hình: Giao diện đăng ký tài khoản ..........................................................................140
Hình: Popup hiện lên để reset mật khẩu ..................................................................140
Hình: Giao diện profile ............................................................................................141
Hình: Giao diện màn hình chính ..............................................................................142
Hình: Giao diện history ............................................................................................145
Hình: Popup cho phép chọn xuất theo thời gian ......................................................146
Hình: Giao diện chart ...............................................................................................147
Hình: Nodejs ............................................................................................................148
Hình: Giao diện biểu đồ giám sát.............................................................................151
Hình: Giao diện lịch sử ............................................................................................153
Hình: Kết quả từ dữ liệu lịch sử cho thấy lượng pin tiêu thụ ..................................155
Hình: Thơng số thực tế đo đạc được ........................................................................156
Hình: Kết quả trên web ............................................................................................158
Hình: Kết quả trên app android ................................................................................158
Hình: Biểu đồ thơng số Oxy hồ tan với bộ điều khiển PID ...................................159
Hình: Biểu đồ thơng số Oxy hồ tan với bộ điều khiển PID chạy trong 1 tiếng .....159

Trang 14



CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay việc giám sát các thông số môi trường rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực
khác nhau như trồng trọt, thủy sản, chăn nuôi, chất thải khí cơng nghiệp và nhiều lĩnh
vực khác. Cơng nghiệp 4.0 với tâm điểm thế giới vạn vật (IoT – Internet of Things) sẽ
giúp cho việc giám sát các thông số môi trường tại mọi lúc mọi nơi. Chỉ với một chiếc
điện thoại thông minh (smartphone) giúp hiển thị các cảnh báo khi các thông số môi
trường cần giám sát ở ngoài ngưỡng cho phép. Kết quả giám sát sẽ giúp cho bộ phận
chức năng có biện pháp xử lý kịp thời nhằm giảm rủi ro và hạn chế các tác động từ
môi trường đến đời sống con người.
- Trong tình hình thời đại cơng nghệ 4.0 phát triển việc ứng dụng công nghệ cao vào
việc sản xuất công nông nghiệp là nhu cầu thiết yếu phải nắm bắt và áp dụng vào sản
xuất. Từ các nhu cầu đó chúng em phát triển ý tưởng ứng dụng mạng Lora không dây
để áp dụng vào sử dụng trong môi trường nuôi trồng thủy sản, giúp theo dõi giám sát
tình trạng của các ao hồ nuôi trồng thủy sản. Nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm
giám sát các chỉ số ao hồ góp phần đạt hiệu quả cao trong sản xuất ni trồng.
- Ngồi ra mạng khơng dây Lora có thể ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay vì
tính ứng dụng công nghệ cao vào nhiều lĩnh vực như môi trường (giám sát địa chất,
nồng độ các chất trong không khí, nước, đất….). Ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng,
các trạm quan trắc, các mỏ than khoáng sản(theo dõi cảnh báo các chỉ số).
nghệ LoRa hiện nay có thể được sử dụng một cách rộng rãi và miễn phí (khơng có
bản quyền). Q trình lắp đặt các thiết bị cảm biến có giá cả phải chăng, đồng thời
kiến trúc cũng đơn giản. Hiện nay công nghệ LoRa đã được ứng dụng nhiều trong
IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này.
Dễ dàng phổ biến
- Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp
Như đã đề cập, lợi thế lớn nhất của cơng nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp,
nhưng vẫn có thể dẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được. Ngồi ra, cơng suất hoạt động
khơng vì thế mà bị giảm sút, và cơng nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ

trạm gốc.
- Độ bảo mật cao
Các tín hiệu này sẽ được mã hố 2 lớp, bao gồm 1 lớp dành cho ứng dụng có mã hố
AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng.

Trang 15


1.2 Lora là gì?
Chắc hẳn chúng ta đã ít nhất một lần được nghe đến công nghệ này hay cụm từ này.
Đây là một khái niệm công nghệ mới. LoRa là một công nghệ không dây dùng để
truyền dữ liệu tầm xa, năng lượng thấp và an toàn cho các ứng dụng M2M và IoT.
LoRa được sử dụng để kết nối không dây giữa các thiết bị với nhau. Các thiết bị đó là
cảm biến đo lường, sinh trác học, con người, động vật … với dữ liệu nền tảng đám
mây.

LoRa là tín hiệu tầm xa dựa trên tần số radio. Nó được nhúng trong bất kỳ lớp
PHY nào của PHT. LoRa được phát triển và sở hữu bởi Semtech, một cơng ty có
trụ sở tại California. Bạn có thể sử dụng modem LoRa để chuyển đổi bất kỳ tập dữ
liệu nào thành tín hiệu tần số radio này.
Có rất nhiều tín hiệu tần số vơ tuyến phổ biến hiện nay. Ví dụ, Wifi, Bluetooth, ...
Tuy nhiên, LoRa nổi tiếng với phạm vi giao tiếp vượt trội, tăng cường độ nhạy thu,
và khả năng truyền dữ liệu lớn. Vì thế, LoRa là lý tưởng để triển khai các ứng dụng
IoT mạnh mẽ trên các khu vực rộng lớn.

Hình: LoRa
Kiến trúc mạng LoRa
1.2.1 Điểm cuối
Các điểm cuối là các yếu tố của mạng LoRa nơi điều khiển hoặc cảm biến được thực
hiện. Chúng thường được đặt ở xa.


1.2.2 Cổng LoRa
Cổng nhận được các cơ sở hạ tầng từ các điểm cuối LoRa và sau đó chuyển chúng vào
hệ thống backhaul. Phần này của mạng LoRa có thể là di động, Ethernet hoặc bất kỳ
Trang 16


liên kết viễn thơng khác khơng dây hoặc có dây. Các cổng được kết nối với máy chủ
mạng bằng các kết nối IP thông thường. Theo cách này, dữ liệu sử dụng một giao thức
điển hình nhưng có thể được kết nối với bất kỳ mạng viễn thông nào, dù là tư nhân hay
công cộng. Theo quan điểm về sự giống nhau của mạng LoRa với mạng di động, Các
cổng LoRaWAN thường có thể được đặt cùng với một trạm cơ sở di động. Theo cách
này, họ có thể sử dụng thêm dung lượng trên mạng backhaul.

Hình: Khoảng cách sử dụng của LoRa

1.2.3 Máy chủ mạng LoRa
Máy chủ mạng LoRa thành công trong mạng và là một phần chức năng của nó, nó hoạt
động để loại bỏ các gói trùng lặp, điều chỉnh tốc độ dữ liệu và xác nhận lịch trình.
Trong đánh giá về cách thức có thể triển khai và kết nối, giúp triển khai mạng LoRa rất
dễ dàng.

1.2.4 Máy tính điều khiển từ xa
Sau đó, một máy tính từ xa có thể điều khiển hành động của các điểm cuối hoặc thu
thập dữ liệu từ các điểm cuối – Mạng LoRa gần như mờ.
Về mặt kiến trúc xác thực cho mạng LoRa, các nút thường nằm trong cấu trúc liên kết
giữa các vì sao với các cổng tạo thành cầu nối xuyên qua. Các tin nhắn chuyển tiếp
giữa máy chủ mạng trung tâm và các thiết bị cuối trong phần phụ trợ.
Trang 17



Truyền thông đến các nút điểm cuối thường là hai chiều, nhưng cũng có thể hỗ trợ
hoạt động phát đa hướng, và điều này hữu ích cho các tính năng như tương tự hoặc các
thông báo phân phối hàng loạt hoặc nâng cấp phần mềm khác.

1.2.5 Cơ bản về công nghệ LoRa
Có một số yếu tố chính của cơng nghệ LoRa. Một số tính năng chính của nó bao gồm
những điều sau đây:
•

Lên đến hàng triệu nút

•

Pin tốt; trong mười năm

•

Tầm xa; 15-20 km.

Có nhiều yếu tố khác nhau đối với công nghệ LoRa cung cấp kết nối và chức năng
tổng thể.
Ngăn xếp giao thức LoRa: LoRa Alliance cũng đã định nghĩa một ngăn xếp giao thức
mở. Việc tạo ra ngăn xếp nguồn mở này đã cho phép khái niệm LoRa được nâng lên.
Vì tất cả các loại cơng ty khác nhau liên quan đến phát triển LoRa, triển khai và sử
dụng đã có thể kết hợp với nhau để tạo ra một giải pháp chi phí thấp và dễ sử dụng để
kết nối với tất cả các cách sử dụng của các thiết bị IoT được kết nối.

Hình: Ứng dụng công nghệ LoRa


Trang 18


1.2.6 Băng tần, khoảng cách truyền
Băng tần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khác nhau
trên thế giới:
– 430MHz cho châu Á
– 780MHz cho Trung Quốc
– 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu
– 915MHz cho USA
Các gói tin LoRa có thể truyền xa đến 5 Km trong khu vực thành thị và đến 15 Km
ở khu vực ngoại ô với tốc độ dữ liệu khoảng 0,3 đến 22 Kbps (điều chế LoRa) hoặc
100 Kbps (điều chế GFSK). Do đó thường sử dụng ở mơi trường ngồi trời như các
nơng trường, trang trại…

1.2.1 Điều chế vô tuyến trong LoRa
Sử dụng một kỹ thuật điều chế trải phổ độc quyền có nguồn gốc từ cơng nghệ Chirp
Spread Spectrum (CSS), LoRa cung cấp sự cân bằng giữa độ nhạy thu với tốc độ dữ
liệu, hoạt động trong kênh băng thông cố định 125 KHz hoặc 500 KHz (đối với kênh
uplink), và 500 KHz (cho các kênh downlink). Ngoài ra, LoRa sử dụng các hệ số lan
truyền trực giao, cho phép duy trì tuổi thọ pin của các nút cuối bằng cách tối ưu hóa
mức cơng suất và tốc độ dữ liệu.
LoRa nằm hoàn toàn ở lớp vật lý trong mơ hình OSI, tuy nhiên thay vì đi cáp, khơng
khí được sử dụng như một phương tiện để vận chuyển sóng vơ tuyến từ một bộ phát
RF trong thiết bị IoT đến bộ thu RF trong gateway và ngược lại.

Hình: Cấu trúc lora

Trang 19



LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) của Semtech cung cấp giải pháp thay thế cho
công nghệ điều chế truyền thống DSSS với chi phí và cơng suất thấp những vẫn rất
mạnh mẽ. Trong điều chế LoRa, sự trải rộng phổ của tín hiệu đạt được bằng cách tạo
ra một tín hiệu chirp thay đổi liên tục về tần số.

Hình: Biểu đồ tạo tín hiệu.
1.3 Tổng quan về mạng cảm biến khơng dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các
thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang
học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô
lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến khơng dây có
thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một
điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút
cảm biến khơng dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều
khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thơng minh;
khảo sát đánh giá chính xác trong nơng nghiệp; trong lĩnh vực y tế; … Lợi thế chủ yếu
của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các
mơi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.

Hình: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây đơn giản

Trang 20


Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng
mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo
nên một thiết bị cảm biến khơng dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về khơng gian.
Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như

nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra
giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công
nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời
sống hàng ngày.
1.3 Lịch sử về sự ra đời của LoRa và LoRaWAN
Câu chuyện về LoRa bắt đầu vào năm 2009, khi hai người bạn ở Pháp hướng đến
việc phát triển công nghệ điều chế tầm xa, công suất thấp. Mặc dù vấp phải sự phản
đối, như với hầu hết các công nghệ đột phá, Nicolas Sornin và Olivier Seller vẫn tiếp
tục dành thời gian của mình để biến ý tưởng thành hiện thực. Năm 2010, Nicolas và
Olivier gặp đối tác thứ ba ca h, Franỗois Sforza, v h cựng nhau thnh lp công ty
Cycleo. Ban đầu, ba nhà sáng lập nhắm mục tiêu vào ngành đo lường và nhằm bổ sung
khả năng giao tiếp khơng dây cho đồng hồ đo khí, nước và điện. Với mục đích này, họ
đã sử dụng cơng nghệ điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), một công nghệ được sử
dụng rộng rãi cho Sonar trong ngành hàng hải và Radar trong hàng khơng. Ngồi ra,
trong thế giới động vật, chúng ta thấy hiện tượng vật lý này là cá heo và dơi sử dụng
để phát hiện cá hoặc côn trùng. Trên thực tế, Cycleo không phát minh ra cơng nghệ
CSS, thay vào đó, họ đã khởi xướng việc sử dụng công nghệ này để gửi dữ liệu.
Khi đã được thuyết phục về tầm xa và khả năng tiêu thụ điện năng thấp của phát
minh, Semtech đã mua lại Cycleo vào tháng 5 năm 2012. Semtech đã hợp tác vi
Nicolas, Olivier v Franỗois ci tin hn na cụng nghệ và hoàn thiện các chip cần
thiết cho các thiết bị cuối cùng (SX1272 và SX1276), cũng như là gateway (SX1301).
Đồng thời, việc tạo ra giao thức MAC độc quyền được gọi là “LoRaMAC”, trong số
những thứ khác, chỉ định các định dạng thông báo và các lớp bảo mật cho một giao
thức mạng thực sự. Vào tháng 2 năm 2015, LoRa Alliance® được thành lập và giao
thức mạng được đổi tên thành “LoRaWAN”. Mục tiêu của LoRa Alliance vẫn là “hỗ
trợ và thúc đẩy việc áp dụng tiêu chuẩn LoRaWAN trên toàn cầu bằng cách đảm bảo
khả năng tương tác của tất cả các sản phẩm và công nghệ của LoRaWAN”.

Trang 21



1.4 Công nghệ LoRaWAN
Cấu trúc mạng
Hiện nay trên thị trường có nhiều hệ thống mạng sử dụng kiến trúc mạng lưới. Trong
một mạng lưới, các End-node chuyển tiếp thông tin độc lập tới các nút khác để nhằm
tăng phạm vi truyền thơng và kích thước ơ của mạng. Vì điều này làm tăng phạm vi
của nó nên cũng làm tăng thêm độ phức tạp, giảm dung lượng mạng và giảm thời
lượng pin do các nút nhận và chuyển tiếp thông tin từ các nút khác có thể khơng liên
quan đến chúng. Kiến trúc hình sao có ý nghĩa nhất là để bảo tồn thời lượng pin khi có
thể đạt được kết nối tầm xa.

Hình: Cấu trúc của mạng lorawan
Trong một mạng LoRaWAN, các nút mạng không được liên kết với một gateway cụ
thể. Thay vào đó, dữ liệu được truyền bởi một nút thường được nhận bởi nhiều
gateway. Mỗi cổng sẽ chuyển tiếp gói tin đã nhận từ nút cuối đến máy chủ mạng dựa
trên đám mây thông qua một số loại backhaul (mạng di động, Ethernet, vệ tinh hoặc
Wi-Fi). Sự thơng minh và phức tạp đó sẽ được đẩy lên server, nơi quản lý hệ thống
mạng và lọc các gói đã nhận dư thừa, thực hiện kiểm tra bảo mật, lập lịch báo nhận
thông qua cổng tối ưu và thực hiện tốc độ dữ liệu thích ứng, v.v. Nếu một nút di động
hoặc đang di chuyển thì khơng cần chuyển giao từ gateway đến gateway, đây là một
tính năng quan trọng để kích hoạt các ứng dụng theo dõi vật thể – một ngành ứng dụng
chính cho IoT.
Các thành phần của mạng LoRaWAN bao gồm:
- End Devices (thiết bị cuối) hỗ trợ LoRaWAN: là một cảm biến hoặc thiết bị truyền động
được kết nối không dây với mạng LoRaWAN thông qua các gateway sử dụng công nghệ điều
chế LoRa. Các thiết bị này phần lớn hoạt động bằng pin và thực hiện các chức năng số hóa

Trang 22



các thông tin vật lý hoặc môi trường như: chiếu sáng đường phố, khóa cửa, ngắt van nước,
ngăn rị rỉ...
- Gateway LoRaWAN (cổng LoRaWAN) : nhận các dữ liệu RF được điều chế LoRa từ các
thiết bị cuối và chuyển tiếp dữ liệu này đến máy chủ ở mạng LoRaWAN. Các cảm biến được
kết nối với gateway thông qua mạng IP backbone, đặc biệt cùng một cảm biến có thể gửi dữ
liệu đến nhiều gateway miễn là có kết nối giữa chúng. Điều này làm giảm đáng kể khả năng
lỗi gói (vì khả năng ít nhất một gateway sẽ nhận được thông báo là rất cao) đồng thời cũng
giảm chi phí pin cho các cảm biến di động có tính năng xác định vị trí.
- Network server (máy chủ mạng): quản lý tồn bộ hệ thống mạng, các thơng số thích hợp để
điều chỉnh hệ thống và thiết lập kết nối AES 128-bit an toàn để truyền tải và kiểm sốt dữ
liệu. Máy chủ mạng đảm bảo tính xác thực của mọi cảm biến trên mạng và tính tồn vẹn của
các thơng báo, tuy nhiên lại khơng thể nhìn thấy hoặc truy cập vào dữ liệu ứng dụng.
- Application servers (máy chủ ứng dụng): chịu trách nhiệm xử lý, quản lý và diễn giải dữ
liệu nhận được từ các cảm biến một cách an toàn, đồng thời tạo ra một downlink payloads tới
các thiết bị đầu cuối.
- Join Server: quản lý q trình kích hoạt cho các end devices được thêm vào mạng. Join
Serve chứa thông tin cần thiết để xử lý các yêu cầu tham gia vào mạng, báo hiệu cho network
server và application servers nào sẽ được kết nối với thiết bị đầu cuối và thực hiện mã hóa các
phiên ứng dụng, mạng.

Tuổi thọ pin
Các nút trong mạng LoRaWAN khơng đồng bộ và giao tiếp khi chúng có dữ liệu sẵn
sàng để gửi dù theo hướng Event hay theo lịch trình định sẵn. Loại giao thức này
thường được gọi là phương pháp Aloha. Trong mạng lưới hoặc với mạng đồng bộ,
chẳng hạn như mạng di động, các nút thường xuyên phải ‘đánh thức’ để đồng bộ hóa
với mạng và kiểm tra thơng báo. Việc đồng bộ hóa này tiêu tốn năng lượng đáng kể và
là nguyên nhân số một làm giảm tuổi thọ của pin. Trong một sô nghiên cứu và so sánh
gần đây được thực hiện bởi GSMA về các cơng nghệ khác nhau trong đó có LPWAN,
LoRaWAN và họ cho thấy lợi thế gấp 3 đến 5 lần so với tất cả các lựa chọn công nghệ
khác.

Dung lượng mạng
Để làm cho một mạng hình sao tầm xa có thể tồn tại, gateway phải có dung lượng rất
cao hoặc khả năng nhận thông điệp từ một lượng rất lớn các nút. Dung lượng mạng
cao trong mạng LoRaWAN đạt được bằng cách sử dụng tốc độ dữ liệu thích ứng và
bằng cách sử dụng bộ thu phát đa mơ-đun đa kênh trong gateway để có thể nhận được
các thông báo đồng thời trên nhiều kênh. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dung
lượng là số lượng kênh hiện thời, tốc độ dữ liệu (thời gian truyền trực tuyến), độ dài tải
trọng truyền và tần suất truyền của các nút. Vì LoRa là một điều chế Spread Spectrum,
các tín hiệu thực tế là trực giao với nhau vì các hệ số lan truyền được sử dùng là khác
nhau. Khi hệ số lan truyền thay đổi, tốc độ dữ liệu hiệu quả cũng thay đổi. Các
gateway tận dụng đặc tính này bằng cách có thể nhận nhiều tốc độ dữ liệu khác nhau
trên cùng một kênh cùng một lúc. Nếu một nút có liên kết tốt với một gateway ở gần
đó, thì khơng có lý do gì để nó luôn sử dụng tốc độ dữ liệu thấp nhất và lấp đầy phổ
Trang 23


khả dụng hơn mức cần thiết. Bằng cách thay đổi tốc độ dữ liệu cao hơn, thời gian
truyền trực tuyến được rút ngắn, mở ra nhiều không gian tiềm năng hơn cho các nút
khác để truyền tải. Tốc độ dữ liệu thích ứng cũng tối ưu hóa thời lượng pin của một
nút. Để tốc độ dữ liệu thích ứng hoạt động, thì phải có tính đối xứng giữa việc dùng dữ
liệu để uplink và downlink phải phù hợp với dung lượng mạng. Các tính năng này cho
phép mạng LoRaWAN có dung lượng rất cao và làm cho mạng có thể mở rộng. Một
mạng có thể được triển khai với số lượng cơ sở hạ tầng tối thiểu và khi cần dung lượng
và gateway nhiều hơn thì có thể được thêm vào, tăng tốc độ dữ liệu, giảm số lượng
tiếp nhận cho các gateway khác và mở rộng dung lượng lên 6-8 lần. Các lựa chọn thay
thế LPWAN khác khơng có khả năng mở rộng của LoRaWAN do đánh đổi công nghệ,
điều này làm hạn chế dung lượng downlink hoặc làm cho phạm vi downlink không đối
xứng với uplink.
Các lớp thiết bị – Không phải tất cả các nút đều được cấu tạo như nhau
Thiết bị End-Devices phục vụ các ứng dụng khác nhau và có các yêu cầu khác nhau.

Để tối ưu hóa nhiều loại cấu hình của thiết bị end-node, LoRaWAN ™ sử dụng các
lớp thiết bị khác nhau. Các lớp thiết bị đánh đổi tốc độ xử lý downlink của mạng so
với thời lượng pin. Trong ứng dụng kiểu điều khiển hoặc cơ cấu chấp hành, tốc độ xử
lý downlink là một yếu tố quan trọng.
Lớp A: Truyền nhận dữ liệu hai hướng: Các thiết bị thuộc Loại A cho phép truyền
nhận theo hai hướng, theo đó mỗi lần truyền uplink của các end-device sẽ được theo
sau bởi hai đường nhận downlink. Tiến trình truyền nhận được thiết lập bởi enddevices dựa trên nhu cầu giao tiếp của riêng nó thơng qua sự biến thiên thời gian (dựa
trên cấu trúc giao thức ALOHA). Lớp A hoạt động với các hệ thống end-device tiêu
thụ công suất thấp, phù hợp cho các ứng dụng chỉ yêu cầu giao tiếp downlink từ server
sau khi end-device đã thiết lập đường truyền uplink. Giao tiếp downlink từ máy chủ
vào bất kỳ thời điểm nào khác sẽ phải đợi cho đến khi uplink theo lịch trình tiếp theo.
Lớp B: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với việc tiếp nhận (receive
slots) được thiết lập theo lịch trình. End-devices theo lớp B sẽ mở cửa sổ nhận theo
thời gian đã được thiết lập, nó sẽ nhận được một tín hiệu báo đồng bộ từ Gateway.
Điều này cho phép Server biết được khi nào end-device đang lắng nghe.
Lớp C: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với tiến trình “nhận” (receive
slots) tối đa, mang lại độ trễ nhỏ nhất. End-devices thuộc Class C sẽ liên tục mở luồng
nhận và chỉ đóng khi thực hiện việc truyền dữ liệu.
Security
Điều cực kỳ quan trọng đối với bất kỳ LPWAN nào là tính bảo mật. LoRaWAN ™
sử dụng hai lớp bảo mật: một cho mạng và một cho ứng dụng. Bảo mật mạng đảm bảo
tính xác thực của nút trong mạng trong khi lớp bảo mật ứng dụng đảm bảo nhà khai
Trang 24


thác mạng khơng có quyền truy cập vào dữ liệu ứng dụng của người dùng cuối. Mã
hóa AES được sử dụng với trao đổi khóa bằng cách sử dụng số nhận dạng IEEE EUI
64. Có sự đánh đổi trong mọi lựa chọn cơng nghệ nhưng LoRaWAN ™ có các tính
năng trong kiến trúc mạng, các lớp thiết bị, bảo mật, khả năng mở rộng cho dung
lượng và tối ưu hóa cho tính di động giải quyết nhiều loại ứng dụng IoT tiềm năng

nhất.
Ưu điểm và nhược điểm của LoRaWAN
-Ưu điểm của LoRaWAN
• Các cảm biến được dùng với cơng suất thấp và vùng phủ sóng ở tầm diện rộng
km.
• Hoạt động trên tần số miễn phí (khơng có giấy phép), khơng cần chi phí cấp
phép trả trước để sử dụng cơng nghệ.
• Nguồn điện cấp thấp nên đồng nghĩa với thời lượng pin lâu dài cho các thiết bị.
Pin dùng cho cảm biến có thể kéo dài từ 2–5 năm (Loại A và Loại B).
• Các cổng Gateway được thiết kế để tiếp nhận hàng nghìn thiết bị End-device
hoặc các nút.
• Dễ dàng triển khai do kiến trúc mạng đơn giản.
• Nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng M2M / IoT
• Dung lượng đường truyền lên đến (100 byte), so với SigFox là 12 byte
• Khơng hạn chế số lượng thông điệp tối đa mỗi ngày (so với giới hạn của SigFox
là 140 / ngày)
• LoRaWAN có các lợi ích với cách tiếp cận Mở thay vì độc quyền (SigFox).
• Tầm xa cho phép các giải quyết các ứng dụng phạm vi rộng trong thành phố.
• Băng tần thấp khiến LoRaWAN trở nên lý tưởng cho các ứng dụng IoT thực tế
với ít dữ liệu hơn hoặc với việc truyền dữ liệu khơng liên tục.
• Chi phí kết nối thấp.
• Khơng dây, dễ cài đặt và triển khai nhanh chóng.
• Bảo mật: một lớp bảo mật cho mạng và một lớp cho ứng dụng với mã hóa AES.
• Hồn tồn giao tiếp hai chiều.
• Được hỗ trợ bởi CISCO, IBM và 500 công ty thành viên khác của LoRa
Alliance.

Trang 25