thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông gsm và lora

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.92 MB, 109 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

<b> KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP</b>

<b>NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG</b>

<b> THÁI THIÊN THỊNH </b>

S K L 0 1 2 3 7 4

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Thái Thiên Thịnh 19161168

<b>Ngành: CNKT Điện tử - Viễn thông Lớp: 19161CLĐT1A Giảng viên hướng dẫn: GVC. Ths. Trương Ngọc Anh </b>

1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG GSM VÀ LORA.

2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Tìm hiểu về mạng cảm biến khơng dây, nghiên cứu về các công nghệ truyền thông LoRa và GSM trong đề tài, xây dựng mơ hình.

3. Nội dung thực hiện đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng có chức năng điều khiển và giám sát đèn, gửi dữ liệu lên giao diện điện thoại thơng qua mạng Internet để người dùng có thể giám sát và điều khiển.

4. Sản phẩm: Gồm 01 Lora Gateway, 03 LoRa Node để điều khiển đèn. Các đèn sẽ gửi tín hiệu về LoRa Gateway thơng qua sóng LoRa, đồng thời đưa ra cảnh báo về trạng thái đèn thông qua mạng GSM.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Sinh viên cam đoan rằng đề tài này do sinh viên tự thực hiện dựa vào kiến thức tổng quát và chun ngành. Bên cạnh đó, sinh viên tìm hiểu từ nhiều nguồn tài liệu để hoàn thành đề tài. Các kết quả nghiên cứu và kết luận trong báo cáo là trung thực, nếu có sao chép từ bất kỳ nguồn nào sinh viên thực hiện đề tài xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Nguyễn Hữu Khánh Thái Thiên Thịnh

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Để có thể hồn thành đề tài này, nhóm sinh viên thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô trong khoa Đào tạo Chất lượng cao, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt những kiến thức quý báu, chỉ dẫn và định hướng cho nhóm trong q trình học tập. Đây là những tiền đề để nhóm có thể hồn thành được đề tài cũng như trong sự nghiệp sau này.

<b> Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Trương Ngọc Anh đã tận tình hướng </b>

dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhóm xin được phép gửi đến thầy lịng biết ơn và lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Kiến thức, kinh nghiệm và cái tâm nghề nghiệp của thầy đã khơng những đã giúp đỡ nhóm hồn thành tốt đề tài mà cịn là tấm gương để nhóm học tập và noi theo trên con đường sau này.

Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạn sinh viên trong lớp đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẽ kinh nghiệm để giúp nhóm hồn thành đề tài này.

Nhóm xin chân thành cảm ơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>TÓM TẮT </b>

Với những tiến bộ gần đây trong ngành công nghệ bán dẫn, lĩnh vực mạng viễn thông và khoa học vật liệu đang thúc đẩy việc triển khai khắp nơi các mạng cảm biến không dây với quy mô lớn (WSN). Các công nghệ này đã kết hợp cùng với nhau tạo ra một làn sóng WSN hiện đại hơn so với các mạng cảm biến không dây được phát triển và triển khai cách đây 5 đến 10 năm. Các WSN ngày nay, có chi phí triển khai và bảo trì thấp hơn, tồn tại lâu hơn và hoạt động bền bỉ hơn. Các nhà thiết kế mạng không còn phải dựa vào các giải pháp mạch rời hoặc nhiều chip cồng kềnh và ngốn nhiều điện năng nữa. Thay vào đó, các sản phẩm được đưa ra thị trường hiện nay giúp tối ưu hóa phần cứng, chẳng hạn như MCU không dây – thiết bị hệ thống trên chip (SoC) chứa các MCU đa năng và bộ thu phát RF trong một chip đơn. Các SoC này bao gồm đủ các thiết bị ngoại vi hiệu suất cao (bộ khuếch đại, ADC, DAC) và bộ nhớ ổn định để xử lí tất cả các ứng dụng và ngăn xếp giao thức mạng, đồng thời cung cấp liên kết RF tới mạng.

Mỗi ứng dụng WSN được kết hợp một tổ hợp các phần cứng/phần mềm theo một tiêu chuẩn hóa, nhưng những khó khăn của các nhà thiết kế mạng và hệ thống hiện tại đang phải đối mặt là phải hiểu rõ sự cân bằng phức tạp giữa nhiều vấn đề như chi phí triển khai, phần cứng và phần mềm, độ tin cậy của hệ thống, bảo mật và hiệu suất hoạt động. Điều này dựa trên nhiều đánh giá và lựa chọn như cơng nghệ pin và đầu dị, tần số hoạt động không dây, công suất đầu ra và giao thức mạng, từ đó mới có thể đưa ra quyết định triển khai một hệ thống WSN tối ưu nhất.

Điểm qua những ưu điểm và lợi ích mà mạng cảm biến khơng dây (WSN) mang lại thì có rất nhiều hệ thống có thể ứng dụng WSN. Chẳng hạn như việc điều khiển bật tắt đèn từ xa sử dụng công nghệ truyền thông không dây LORA và GSM, hệ thống này có thể được triển khai ở quy mơ lớn hoặc nhỏ tùy theo nhu cầu. Ví dụ như bật tắt đèn chiếu sáng trong khuôn viên trường học hoặc có thể ứng dụng trong các tịa nhà, nhà máy, khu cơng nghiệp. Đây cũng chính là ứng dụng mà nhóm em hướng đến trong đề

<b>tài: “Thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông GSM và LoRa”. </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Đề tài này tập trung vào việc thiết kế một mạng cảm biến không dây dùng để bật/tắt đèn từ xa với quy mơ nhỏ có thể ứng dụng trong khuôn viên trường học. Hệ thống được thử nghiệm với ba điểm chiếu sáng hoạt động bằng nguồn 220V. Nội dung đề tài được viết gồm 05 chương:

<b>● Chương 1: Tổng quan về hệ thống ● Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan ● Chương 3: Thiết kế hệ thống </b>

<b>● Chương 4: Thi công hệ thống </b>

<b>● Chương 5: Kết luận và hướng phát triển </b>

Trong quá trình thực hiện đề tài, xin chân thành cảm ơn thầy Trương Ngọc Anh đã hướng dẫn tận tình và hỗ trợ khi gặp khó khăn.

Mặc dù đã cố gắng thực hiện để có được kết quả tốt nhất, nhưng cũng khơng tránh được những sai sót trong q trình thực hiện. Do đó, nhóm mong nhận được nhiều nhận xét cũng như đánh giá từ các Quý Thầy (Cơ) để nhóm có thể khắc phục những nhược điểm và hoàn thành đề tài trong thời gian sắp tới.

Nhóm xin chân thành cảm ơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>MỤC LỤC </b>

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ... i

LỜI CAM ĐOAN ... ii

LỜI CẢM ƠN ... iii

1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay ... 1

1.2. Tính cấp thiết của đề tài ... 2

1.2.1. Tối ưu hóa chi phí vận hành ... 2

1.2.2. Kết hợp giữa LoRa và GSM ... 2

1.3. Mục tiêu nghiên cứu ... 2

1.4. Đối tượng nghiên cứu ... 3

1.4.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây (WSN) ... 3

1.4.2. Các hệ thống cảm biến và IoT ... 3

1.5. Phạm vi nghiên cứu ... 4

1.5.1. Ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào hệ thống chiếu sáng ... 4

1.5.2. Giải pháp thiết kế hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam ... 4

1.5.3. Định hướng xây dựng hệ thống ... 5

1.5.4. Tổng quan về hệ thống chiếu sáng ... 5

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

2.1. Mạng cảm biến không dây ... 7

2.2. Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây ... 8

2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ... 8

2.4. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến khơng dây[8] ... 8

2.4.1. Cấu trúc hình sao – Star ... 8

2.4.2. Cấu trúc hình cây - Tree ... 9

2.4.3. Cấu trúc liên kết lưới – Mesh ... 9

2.5. Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) ... 10

2.5.1. WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks) ... 10

2.5.2. WSN ngầm (Underground WSN)... 10

2.5.3. WSN dưới nước (Underwater WSN) ... 11

2.5.4. WSN đa phương tiện (Multimedia WSN) ... 11

2.5.5. WSN di động (Mobile WSN) ... 12

2.6. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây ... 12

2.7. Các loại mạng truyền thông không dây thường được sử dụng trong mạng cảm biến không dây ... 13

2.7.1. Công nghệ Bluetooth ... 13

2.7.2. Công nghệ WiFi ... 14

2.7.3. Công nghệ ZigBee ... 15

2.7.4. Công nghệ LoRa ... 16

2.8. Mạng không dây LoRa ... 17

2.8.1. Khái niệm về LoRa ... 17

2.8.2. Các thông số của LoRa ... 17

2.8.3. Các tần số của LoRa ... 19

2.8.4. Một số module LoRa hiện nay ... 19

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

2.8.5. Mạng LoRaWAN ... 20

2.9. Mạng thông tin di động ... 22

2.9.1. Sự khác nhau giữa mạng thông tin di động và WiFi ... 22

2.9.2. Các loại mạng thông tin di động ... 22

3.2.1. Mơ tả tổng qt tồn hệ thống ... 30

3.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống ... 31

3.3. Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng ... 33

3.4. Tính toán và thiết kế ... 34

3.4.1. Thiết kế LoRa Node ... 34

3.4.1.1. Lựa chọn vi điều khiển ... 34

3.4.1.2. Lựa chọn khối điều khiển ... 36

3.4.1.3. Lựa chọn khối cảm biến dòng ... 38

3.4.1.4. Lựa chọn cho khối truyền nhận dữ liệu ... 40

3.4.1.5. Tính tốn lựa chọn nguồn cho LoRa Node ... 43

3.4.1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch LoRa Node ... 44

3.4.2. Thiết kế mạch LoRa Gateway ... 45

Tổng quan về LoRa Gateway ... 45

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

3.4.2.2. Lựa chọn cho khối xử lí trung tâm ... 45

3.4.2.4. Khối thời gian thực ... 49

3.4.2.5. Khối hiển thị ... 51

3.4.2.6. Khối nút nhấn điều khiển ... 53

3.4.2.7. Tính tốn lựa chọn nguồn cho LoRa Gateway... 53

3.4.2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch LoRa Gateway ... 54

3.5. Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống ... 55

3.6. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ... 56

3.7. Thiết kế phần mềm ... 56

3.7.1. Thiết kế phần mềm cho LoRa Gateway ... 57

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ... 73

4.1. Giới thiệu ... 73

4.2. Thi công hệ thống ... 73

4.3. Thi công và đóng gói mơ hình ... 75

4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển ... 75

4.3.2. Thi cơng mơ hình ... 76

4.4. Kiểm tra và đánh giá ... 77

4.4.1. Đo khoảng cách truyền nhận của LoRa ... 77

4.4.2. Giao diện màn hình hiển thị LCD ... 79

4.4.3. Trạng thái khi đèn gặp sự cố ... 80

4.5. Tài liệu hướng dẫn thao tác ... 80

4.5.1. Tài liệu hướng dẫn sử dụng ... 80

4.5.2. Quy trình thao tác ... 81

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ... 83

5.1. Kết luận ... 83

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT </b>

IoTs Internet of Things

UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

GSM Global System for Mobile Communications

LoRa Long Range

VDC Voltage Direct Current VCC Voltage Common Collector

VIN Voltage Input

TTL Transistor–transistor logic PCB Printed Circuit Board LED Light-emitting Diode

GPRS <small> General Packet Radio Service </small>WSN Wireless Sensor Network ADC Analog-to-Digital Converter DAC Digital Analog Converter

SoC System on a Chip I2C Inter-Integrated Circuit SPI Serial Peripheral Interface

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU </b>

Bảng 2.1. So sánh giữa các giao thức không dây ... 16

Bảng 3.1. So sánh các loại vi điều khiển ... 34

Bảng 3.2. Thông số của cảm biến dòng điện ACS712 ... 38

Bảng 3.3: Tính tốn chọn lựa nguồn cho LoRa Node ... 43

Bảng 3.4. Tính tốn lựa chọn nguồn cho LoRa Gateway ... 53

Bảng 4.1. Kết quả đo khoảng cách ... 78

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1.1. Giải pháp đèn Led đường Điện Quang ứng dụng cơng nghệ LoRa ... 1

Hình 1.2. Giải pháp giám sát chiếu sáng thông minh IoT Solar Light ... 2

Hình 1.3. Hệ thống chiếu sáng cơng cộng ... 4

Hình 2.1. Mơ hình một mạng cảm biến khơng dây ... 7

Hình 2.2. Cấu trúc của mạng cảm biến khơng dây ... 8

Hình 2.3. Mạng cảm biến khơng dây ngầm (Underground WSN) ... 10

Hình 2.4. Mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater WSN) ... 11

Hình 2.5. Mạng cảm biến khơng dây đa phương tiện ... 12

Hình 2.12. Băng thơng LoRa ... 18

Hình 2.13. Module Heltec WiFi LoRa 32 ... 20

Hình 2.14. Module LoRa UART ... 20

Hình 2.15. Mạng LoRaWAN ... 20

Hình 2.16. Các thành phần của LoRaWAN ... 21

Hình 3.1. Mơ hình tổng qt của hệ thống ... 30

Hình 3.2. Sơ đồ khối của Lora Node ... 31

Hình 3.3. Sơ đồ khối của LoRa Gateway ... 32

Hình 3.4. Kiến trúc hình sao của hệ thống sử dụng công nghệ LoRa ... 33

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 3.9. Sơ đồ kết nối của khối điều khiển ... 37

Hình 3.10. Module cảm biến dịng ACS712 ... 38

Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý cảm biến dịng ... 39

Hình 3.12. Sơ đồ kết nối của khối cảm biến dịng ... 39

Hình 3.13. Module thu phát AS32-TTL-100... 40

Hình 3.14. Sơ đồ kết nối cấu hình thơng số LoRa ... 41

Hình 3.15. Phần mềm cấu hình thơng số mạch LoRa AS32 – TTL – 100 ... 42

Hình 3.16. Sơ đồ kết nối của khối truyền nhận dữ liệu 43 Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý mạch LoRa Node ... 45

Hình 3.18. Module TTGO T-Call ESP32 ... 46

Hình 3.19. Sơ đồ kết nối của khối xử lý trung tâm ... 46

Hình 3.20. Sơ đồ kết nối của khối truyền nhận dữ liệu ... 48

Hình 3.21. Module thời gian thực DS1302 ... 49

Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực ... 50

Hình 3.23. Sơ đồ kết nối của khối thời gian thực ... 50

Hình 3.24. LCD 16x2 với module I2C ... 51

Hình 3.25. Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị ... 52

Hình 3.26. Sơ đồ kết nối của khối hiển thị ... 52

Hình 3.27. Sơ đồ kết nối của khối nút nhấn ... 53

Hình 3.28. Sơ đồ nguyên lý mạch LoRa Gateway ... 54

Hình 3.29. Sơ đồ ngun lý tồn hệ thống ... 55

Hình 3.30. Lưu đồ giải thuật cho LoRa Gateway ... 58

Hình 3.31. Lưu đồ giải thuật “Mở, tắt đèn theo giờ” ... 60

Hình 3.32. Lưu đồ giải thuật cho chương trình con “Nút nhấn ON” và chương trình con “Nút nhấn OFF” ... 61

Hình 3.33. Lưu đồ giải thuật chương trình con “Kiểm tra trạng thái đèn” ... 62

Hình 3.34. Lưu đồ giải thuật cho chương trình con “Mở đèn” và “Tắt đèn” ... 63 Hình 3.35. Lưu đồ giải thuật cho chương trình con “Kiểm tra trạng thái nhận” 64

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 3.37. Lưu đồ giải thuật của chương trình con “Kiểm tra trạng thái OFF” .. 66

Hình 3.38. Lưu đồ giải thuật của Node ... 67

Hình 3.39. Lưu đồ giải thuật của chương trình con”Điều khiển đèn” ... 68

Hình 3.40. Lưu đồ giải thuật của chương trình con”Kiểm tra trạng thái đèn” .... 70

Hình 3.41. Lưu đồ giải thuật của chương trình “Hệ thống điều khiển và giám sát Blynk” ... 71

Hình 4.1. Mạch PCB LoRa Gateway ... 73

Hình 4.2. Mạch LoRa Gateway ... 73

Hình 4.3. Mạch PCB LoRa Node ... 74

Hình 4.4. Mạch LoRa Node ... 74

Hình 4.6. Hộp mạch LoRa Gateway hồn chỉnh ... 75

Hình 4.7. Hộp mạch LoRa Node hồn chỉnh ... 75

Hình 4.8. Mơ hình cột đèn ... 76

Hình 4.9. Hình ảnh khoảng cách đo lần 1 của LoRa ... 77

Hình 4.10. Hình ảnh khoảng cách đo lần 2 của LoRa ... 77

Hình 4.11. Hình ảnh trước và sau khi thay đổi anten ... 78

Hình 4.12. Hình ảnh đo khoảng cách sau khi thay đổi anten ... 79

Hình 4.13. Màn hình LCD hiển thị đang kết nối ... 79

Hình 4.14. Màn hình LCD hiển thị trạng thái của đèn ... 80

Hình 4.15. Hệ thống khi có sự cố. ... 80

Hình 4.16: Giao diện điều khiển và giám sát Blynk ... 82

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG </b>

<b>1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay </b>

Trong thời đại công nghệ 4.0 ngày nay và sự bùng nổ cơng nghệ tăng vọt một cách nhanh chóng, đồng hành với đó là sự phát triển mạnh mẽ của Internet of Things (IoT) thúc đẩy việc nghiên cứu trong lĩnh vực này rất lớn, đòi hỏi nhiều kiến thức chuyên môn. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này nhằm đáp ứng nhu cầu về quản lý và kiểm sốt thơng minh trong hệ thống được ứng dụng trong các lĩnh vực, ngành nghề khác nhau. Việc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng từ xa không chỉ là một yếu tố tiện lợi mà còn là một giải pháp quan trọng cho các thách thức về chi phí và hiệu suất năng lượng trong các môi trường đô thị và công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hiện đang hướng sự chú ý của mình vào việc tối ưu hóa việc quản lý chiếu sáng thông qua việc áp dụng mạng cảm biến không dây, nơi mà sự linh hoạt, tiết kiệm năng lượng và khả năng kết nối từ xa trở thành những yếu tố quyết định. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này không chỉ tập trung vào việc phát triển công nghệ mới mà còn đưa ra những giải pháp ứng dụng thực tế, từ việc quản lý ánh sáng công cộng đến ứng dụng trong nông nghiệp thông minh và các dự án thành phố thông minh. Đồng thời, với sự chú ý đặc biệt vào việc tích hợp các cơng nghệ truyền thông như GSM và LoRa, các nghiên cứu hiện nay đang hướng tới mục tiêu tối ưu hóa phạm vi truyền dẫn, tăng cường độ tin cậy và giảm thiểu tiêu tốn năng lượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<i><b>Hình 1.2. Giải pháp giám sát chiếu sáng thơng minh IoT Solar Light </b></i>

<b>1.2. Tính cấp thiết của đề tài 1.2.1. Tối ưu hóa chi phí vận hành </b>

Sự linh hoạt và tính năng tự động hóa của hệ thống giúp giảm chi phí bảo dưỡng và quản lý. Việc theo dõi trạng thái của đèn từ xa giúp phát hiện sớm và giải quyết các vấn đề kỹ thuật một cách hiệu quả.

Tích hợp các cơng nghệ truyền thơng như LoRa và GSM mang lại sự linh hoạt, ổn định kết nối và khả năng mở rộng phạm vi truyền dẫn, làm tăng cường tính cấp thiết của đề tài trong việc áp dụng thực tế.

<b>1.3. Mục tiêu nghiên cứu </b>

• Nghiên cứu về mơ hình mạng cảm biến không dây đang được sử dụng phổ biến, ứng dụng các công nghệ truyền thông không dây vào lĩnh vực chiếu sáng và từ đó tiến hành thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng cho phù hợp với mục tiêu đề ra. Điều chỉnh và thực hiện các phương pháp kiểm tra để có kết quả tốt nhất khi đưa vào ứng dụng trong thực tế.

• Hệ thống có chức năng điều khiển bật và tắt đèn từ xa, đưa ra các cảnh báo về

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

• Tìm hiểu các giao tiếp truyền nhận không dây sử dụng công nghệ LoRa với module TTGO T-CALL ESP32 với SIM800L. Tìm hiểu về cách kết nối các nút cảm biến thành mơ hình mạng hình sao.

• Những dữ liệu từ các nút cảm biến thơng qua tín hiệu truyền nhận từ LoRa sẽ được sẽ hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời có thể giám sát và điều khiển thông qua giao diện trên ứng dụng Blynk.

<b>1.4. Đối tượng nghiên cứu </b>

<b>1.4.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây (WSN) </b>

<b>Các đặc điểm của WSN: Các nút mạng cảm nhận có kích thước nhỏ, năng lượng </b>

nạp được và lưu được bị giới hạn, hoạt động ở các điều kiện môi trường khắc nghiệt không cần can thiệp của con người, dễ xảy ra lỗi tại nút mạng, dễ xảy ra lỗi trong truyền dữ liệu, các nút mạng cảm nhận có thể dịch chuyển được mà khơng cần thay đổi cấu hình, mơ hình mạng động linh hoạt. Các nút mạng hỗn hợp cho phép khả năng mở rộng cao [7].

<b>1.4.2. Các hệ thống cảm biến và IoT </b>

<b>Điều khiển từ xa thông qua ứng dụng điện thoại: Công nghệ không dây cho </b>

phép người quản lý hoặc người dùng có thể điều khiển các hệ thống từ xa thơng qua ứng dụng trên điện thoại. Điều này mang lại sự thuận tiện và linh hoạt, đặc biệt là khi cần thay đổi các thông số dựa trên các điều kiện cụ thể hoặc giảm mức tiêu thụ năng lượng khi không cần thiết.

<b>Kết nối không dây: Sử dụng các kỹ thuật kết nối không dây như Wi-Fi, LoRa, </b>

GSM, GPRS, hay các mạng cảm biến không dây chuyên dụng để truyền dữ liệu về các trung tâm giám sát và quản lý.

<b>Quản lý và phân tích dữ liệu: Các mơ hình sử dụng mạng cảm biến khơng dây </b>

thường đi kèm với hệ thống quản lý và phân tích dữ liệu, giúp cho việc chuyển đổi dữ liệu từ các cảm biến thành thơng tin hữu ích và có ích cho việc quản lý.

<b>Ứng dụng vào các đơ thị thơng minh: Nghiên cứu về mơ hình đơ thị thơng </b>

minh, bao gồm tích hợp cơng nghệ thơng minh và cảm biến vào các khía cạnh khác nhau như giao thông, năng lượng, an ninh, quản lý tài nguyên, …

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Việc thiết kế một hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay đang là mục tiêu được quan tâm về vấn đề tiết kiệm năng lượng. Sau đây là những giải pháp thực tế có thể áp dụng tại Việt Nam.

<b>1.5.2. Giải pháp thiết kế hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam </b>

Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu ưu nhược điểm của những hệ thống chiếu sáng đã và đang được triển khai trên thế giới cũng như Việt Nam thì đa số hệ thống chiếu sáng đều sử dụng truyền thơng có dây. Hệ thống này có tín hiệu ổn định tuy nhiên một nhược điểm tồn tại là hệ thống điều khiển rất phức tạp, tốn nhiều chi phí lắp đặt và cần phải bảo trì thường xuyên Bên cạnh đó một số quốc gia cũng đã ứng dụng công nghệ Zigbee vào việc điều khiển đèn đường chiếu sáng. Mạng Zigbee có chi phí lắp đặt và năng lượng tiêu thụ thấp. Tuy nhiên công nghệ này có vùng phủ sóng hẹp, cịn gặp nhiều vấn đề trong truyền tin đi xa.

Để khắc phục những nhược điểm trên và phát triển thế mạnh của công nghệ đã có, nhóm đề xuất việc sử dụng một mạng cảm biến điều khiển đèn đường sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa và GSM. Mạng truyền thông LoRa với những ưu điểm vượt trội về khả năng tiết kiệm năng lượng, giá thành rẻ, dễ dàng thiết kế và độ

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

bền cao. Bên cạnh đó khoảng cách truyền tin đi xa là một lợi thế lớn so với Zigbee và các mạng không dây khác. Đối với hệ thống sử dụng mạng truyền thơng khơng dây cơng nghệ LoRa, ngồi việc triển khai tại các đơ thị, vùng đồng bằng, ta cịn có thể lắp đặt tại các vùng có địa hình hiểm trở, nơi mà việc đấu nối dây về trung tâm điều khiển cịn gặp nhiều khó khăn, tốn kém.

Ngồi ra việc sử dụng mạng truyền thơng GSM cịn cho phép điều khiển đèn từ xa thơng qua mạng di động, giúp người dùng có thể quản lý từ bất cứ đâu có kết nối mạng di động. GSM có độ phủ sóng rộng lớn, đặc biệt là ở các khu vực đô thị và nông thôn. Điều này giúp đảm bảo kết nối ổn định và liên tục cho các thiết bị được kết nối.

<b>1.5.3. Định hướng xây dựng hệ thống </b>

Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm về mặt năng lượng và tích hợp được những ưu điểm đang được sử dụng tại Việt Nam và trên thế giới. Xây dựng một mạng cảm biến không dây dùng để giám sát bật/tắt các cột đèn chiếu sáng từ xa bằng công nghệ truyền thông không dây, đồng thời phát hiện khi có sự cố và đưa ra cảnh báo.

<b>1.5.4. Tổng quan về hệ thống chiếu sáng </b>

<b>Mơ hình hệ thống dự kiến thiết kế bao gồm ba phần chính: </b>

<b>● Hệ thống điều khiển trung tâm: Được đặt tại trung tâm điều khiển có chức năng: </b>

➔ Gửi thơng tin điều khiển bật tắt đèn thông qua mạng truyền thông không dây.

➔ Nhận dữ liệu phản hồi từ các nút cảm biến.

➔ Gửi cảnh báo khi phát hiện đèn hỏng hoặc xảy ra sự cố mất điện. ➔ Đưa dữ liệu lên hệ thống giám sát bằng mạng Internet.

<b>● Hệ thống chấp hành điều khiển đèn: Trên mỗi cột đèn được gắn một nút cảm biến. Các nút cảm biến này có chức năng: </b>

➔ Điều khiển bật/tắt đèn theo thời gian thực.

➔ Nhận biết sự cố đèn cháy, hỏng thơng qua cảm biến dịng điện. ➔ Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để giao tiếp với

khối điều khiển trung tâm.

➔ Nhận thông tin bật/tắt đèn từ hệ thống điều khiển trung tâm, xử lý và thực hiện điều khiển. Gửi dữ liệu về hệ thống điều khiển trung tâm nếu đèn gặp sự cố cháy, hỏng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<b>● Hệ thống quản lý giám sát </b>

➔ Hệ thống này được liên kết với hệ thống điều khiển trung tâm thơng qua mạng Internet. Có chức năng hiển thị dữ liệu nhận được từ hệ thống điều khiển trung tâm.

➔ Người vận hành có thể ngồi tại trung tâm điều khiển và thấy được tồn bộ tình trạng hoạt động khi có bất kỳ sự cố nào liên quan tới hệ thống. Việc giám sát từ xa như vậy không chỉ giúp người vận hành hệ thống có thể đưa ra các biện pháp sửa chữa kịp thời khi có sự cố xảy ra mà cịn tiết kiệm được chi phí kiểm tra, quản lý và bảo dưỡng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT </b>

<b>2.1. Mạng cảm biến không dây </b>

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút mạng được tạo thành bộ thu phát sóng vơ tuyến và bộ cảm biến của vi điều khiển trong một phạm vi nhất định. Như vậy, mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động một cách độc lập trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm điều khiển các thông tin cần thiết như: nhiệt độ, độ ẩm,…

Trong hệ thống WSN gồm trạm gốc (Gateway), nút mạng (Node) và trung tâm điều khiển. Trạm gốc đóng vai trị cổng kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau. Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng Internet, qua vệ tinh... nhờ đó người giám sát có thể nhận được thơng tin dù đang ở bất cứ đâu. [7]

<i><b>Hình 2.1. Mơ hình một mạng cảm biến không dây </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<b>2.2. Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây </b>

Mạng gồm các trạm gốc, trung tâm điều khiển và các nút mạng. Trạm gốc có vai trò là một cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin nút mạng và chuyển đến trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau.

<b>2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây </b>

Các đặc điểm của mạng cảm biến khơng dây gồm:

<b>• Các nút mạng có kích thước nhỏ. • Năng lượng nạp và lưu bị giới hạn. </b>

<b>• Hoạt động được ở những mơi trường khắc nghiệt và không cần con </b>

người can thiệp.

<b>• Dễ xảy ra lỗi tại cát nút, và lỗi trong truyền dữ liệu. </b>

<b>• Các nút mạng có thể dịch chuyển mà khơng cần thay đổi cấu hình. • Mơ hình linh hoạt. </b>

<b>2.4. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây [8] </b>

Một vài cấu trúc thường gặp của mạng cảm biến không dây: Cấu trúc hình sao (Star), hình cây (Tree), liên kết lưới (Mesh).

<i><b>Hình 2.2. Cấu trúc của mạng cảm biến khơng dây </b></i>

Mỗi nút được liên kết trực tiếp với trạm gốc. Trạm gốc có thể gửi hoặc nhận tin

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

● Đơn giản.

● Giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từ xa ở mức tối thiểu.

● Cho phép thông tin liên lạc có độ trễ thấp giữa các nút từ xa và trạm gốc.

<b>Nhược điểm: </b>

● Trạm gốc phải nằm trong phạm vi kết nối của các nút. ● Phụ thuộc vào một trạm gốc để quản lý mạng.

Cịn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao nhiều tầng.

● Có thể dễ dàng mở rộng mạng. ● Phát hiện lỗi dễ dàng.

<b>Nhược điểm: </b>

● Phụ thuộc vào cáp bus, nếu nó bị hỏng tất cả mạng sẽ sụp.

Cho phép truyền dữ liệu từ nút này sang nút khác, nằm trong phạm vi truyền dẫn vơ tuyến của nó. Nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngồi phạm vi liên lạc vơ tuyến, nó có thể sử dụng một nút trung gian để chuyển tiếp thông điệp đến nút mong muốn.

● Các bước truyền thơng tin đến đích tăng lên làm thời gian gửi thông tin lâu hơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<b>2.5. Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) </b>

Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được triển khai dưới nước, dưới lòng đất, trên cạn,…[7]

<b>2.5.1. WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks) </b>

Có khả năng giao tiếp các trạm gốc một cách hiệu quả và bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến khơng dây được triển khai theo cách phi cấu trúc hoặc có cấu trúc (được lên kế hoạch trước). Trong WSN này, nguồn pin bị hạn chế; tuy nhiên, pin được trang bị pin mặt trời như một nguồn năng lượng thứ cấp.

<b>2.5.2. WSN ngầm (Underground WSN) </b>

Đắt hơn mạng WSN trên mặt đất về mặt triển khai, bảo trì. Mạng WSN bao gồm một số nút cảm biến được ẩn trong lòng đất để theo dõi các điều kiện dưới lịng đất. Để chuyển tiếp thơng tin từ các nút cảm biến đến trạm gốc, các nút chìm bổ sung được đặt trên mặt đất.

Được triển khai trong lịng đất rất khó để sạc pin lại. Thêm vào đó, mơi trường ngầm khiến giao tiếp khơng dây trở thành một thách thức do mức độ suy giảm và mất tín hiệu cao.

<i><b>Hình 2.3. Mạng cảm biến khơng dây ngầm (Underground WSN) </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<b>2.5.3. WSN dưới nước (Underwater WSN) </b>

Các mạng này bao gồm một số nút cảm biến và các phương tiện được triển khai dưới nước. Các phương tiện tự hành dưới nước được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến này. Một thách thức của liên lạc dưới nước là độ trễ truyền dài, băng thông và cảm biến bị lỗi.

Được trang bị một loại pin hạn chế không thể sạc lại hoặc thay thế. Vấn đề bảo tồn năng lượng cho các WSN dưới nước liên quan đến sự phát triển của các kỹ thuật mạng và truyền thơng dưới nước.

<i><b>Hình 2.4. Mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater WSN) </b></i>

<b>2.5.4. WSN đa phương tiện (Multimedia WSN) </b>

Được đề xuất để cho phép theo dõi và giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, chẳng hạn như hình ảnh, video và âm thanh. Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micro và máy ảnh. Các nút này được kết nối với nhau qua kết nối không dây để nén dữ liệu, truy xuất dữ liệu và tương quan.

Tiêu thụ năng lượng cao, yêu cầu băng thông cao, xử lý dữ liệu và kỹ thuật nén. Ngoài ra, nội dung đa phương tiện yêu cầu băng thông cao để nội dung được truyền tải đúng cách và dễ dàng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<i><b>Hình 2.5. Mạng cảm biến khơng dây đa phương tiện </b></i>

<b>2.5.5. WSN di động (Mobile WSN) </b>

Gồm tập hợp các nút cảm biến có thể tự di chuyển và có thể tương tác với mơi trường vật lý. Linh hoạt hơn mạng cảm biến tĩnh vì các nút cảm biến có thể được triển khai trong bất kỳ tình huống nào, so với mạng cảm biến tĩnh thì mạng cảm biến khơng dây di động có phạm vi phủ sóng tốt hơn, hiệu quả năng lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội,…

<b>2.6. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây </b>

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều vào thực tế, trên mọi lĩnh vực:

<b>Trong công nghiệp: </b>

● Thu thập thông tin và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống: Trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu,…

<b>Các ứng dụng trong nông nghiệp </b>

● Kiểm tra mơi trường, khơng khí, đất trồng, biển,.

● Phát hiện cháy rừng, lũ lụt, nghiên cứu ô nhiễm mô trường. ● Tưới cây tự động, tính tốn mùa màng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b>Các ứng dụng trong y tế: </b>

● Hệ thống báo động khẩn cấp. ● Thiết bị theo dõi sức khỏe. ● Thiết bị theo dõi bệnh nhân.

<b>2.7. Các loại mạng truyền thông không dây thường được sử dụng trong mạng cảm biến khơng dây </b>

Dựa vào mục đích và nhu cầu sử dụng khác nhau ta có thể sử dụng các chuẩn không không dây cho phù hợp. Hiện nay có các bộ truyền dẫn không dây như: Bluetooth, Wifi, LoRa, …

<b>2.7.1. Công nghệ Bluetooth </b>

Là công nghệ truyền không dây dựa trên tần số vô tuyến ở khoảng cách ngắn. Tần số hoạt động khoảng 2.4GHz, chung tần số của Wifi nhưng bước sóng của Bluetooth ngắn hơn. Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 720 Kbps trong phạm vi từ 10 – 100m.

<i><b>Hình 2.6. Cơng nghệ Bluetooth </b></i>

Hiện tại đã có thế hệ Bluetooth 5 tốc độ truyền tải đạt được tới 50 Mbps, tuy chưa thể so sánh với các kết nối như Wifi, USB... nhưng với mục đích sử dụng để truyền tải những tín hiệu nhẹ nhàng và kết nối các thiết bị với nhau một cách đơn giản nhất. Tốc độ 50Mbps được xem là ổn định để truyền dữ liệu trong giao tiếp tầm gần. Khoảng cách truyền dữ liệu lên đến 300m ở mơi trường khơng có vật cản và ổn định ở nhất trong khoảng 40m đến 60m. [9]

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<i><b>Hình 2.9. Những chuẩn Wifi phổ biến </b></i>

<b>2.7.3. Cơng nghệ ZigBee </b>

Sử dụng tín hiệu vơ tuyến kỹ thuật số năng lượng thấp cho các mạng khu vực cá nhân. Được sử dụng phổ biến trong một hệ thống nhà thông minh, hệ thống sưởi, làm mát và trong các thiết bị y tế... Với công nghệ ZigBee, tín hiệu có thể truyền xa tối đa 75m tính từ trạm phát và có khả năng phát xa hơn rất nhiều từ các nút phát khác trong cùng hệ thống. Tại Việt Nam sử dụng dải tần sóng 2.4GHz có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao tới 250kb/s. [11]

<i><b>Hình 2.10. Công nghệ ZigBee </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

Là một chuẩn không dây mới trong những năm gần đây, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp. Chuyên để kết nối các thiết bị với băng thông thấp, tập trung vào hiệu quả về vùng phủ và điện năng. Vùng phủ sóng đạt được từ 3 – 15 km và mức tiết kiệm năng lượng cao với dòng tiêu thụ đỉnh chỉ 28 mA. Tốc độ bit của công nghệ LoRa là thấp nhất, chính điều này mạng LoRa lại rất thích hợp để truyền tải các dữ liệu như tín hiệu điều khiển, dữ liệu cảm biến.

Với các đặc tính trên, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài. Từ các kết quả trên, ta có thêm vài số liệu minh họa để so sánh hiệu năng hoạt động giữa công nghệ LoRa và các công nghệ không dây phổ biến như sau:

<i><b>Bảng 2.1. So sánh giữa các giao thức không dây [1] </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>Vùng phủ sóng </b> 10m 10-100m 100m 3-15 km

55Mbps <sup>5.5 kbps </sup>

FHSS (Frequency Hopping Spread

Spectrum)

DSSS (Direct-Sequence Spread

Spectrum)

OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing)

CSS (Chirp Spread

Dựa trên kỹ thuật này, điều chế LoRa giúp làm tăng phạm vi truyền thông đáng kể với công suất sử dụng rất thấp. Cụ thể một module truyền dữ liệu với công suất phát 100mW với một vài tham số cấu hình cơ bản kèm theo thì có thể truyền xa đến hơn 3 km, cịn với cơng suất phát 1W thì khoảng cách tương ứng là gần 10 km. Với ưu điểm này, chúng ta có thể sử dụng LoRa để xây dựng các hệ thống IoT với các node được đặt ở khoảng cách xa hàng kilomet, sử dụng nguồn cung cấp dung lượng thấp như pin với thời gian duy trì lên đến vài năm, giá thành thấp và không cần đến hệ thống internet bao phủ.

<b>2.8.2. Các thông số của LoRa </b>

Khi truyền đi một gói tin, thì hai thơng số chúng ta quan tâm đó là khoảng cách truyền (range) và tốc độ truyền (data rate). Đối với LoRa thì 2 giá trị trên phụ thuộc vào 3 thơng số có thể điều chỉnh được: Băng thơng (BW), hệ số trải phổ (SF) và tốc độ mã

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

● Bandwidth – BW: xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi. Các chip LoRa khác nhau sẽ cho phép tùy biến cấu hình các mức băng thơng khác nhau, nhưng thơng thường sẽ cấu hình ba mức băng thông phổ biến là 125kHz, 250 kHz và 500 kHz. Băng thơng cao sẽ cho phép mã hóa tín hiệu nhanh hơn, giúp thời gian truyền dữ liệu nhanh hơn nhưng bù lại khoảng cách truyền cũng sẽ ngắn đi.

<i><b>Hình 2.12. Băng thơng LoRa </b></i>

● Spreading Factor – SF: xác định số lượng tín hiệu chirp khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu, SF là các giá trị nguyên từ 7 đến 12. Ví dụ nếu SF = 12 có nghĩa là 1 mức logic của tín hiệu sẽ được mã hóa bởi 12 xung tín hiệu chirp. Giá trị SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng đổi lại tỉ lệ lỗi bit BER sẽ giảm và khoảng cách truyền cũng sẽ xa hơn.

● Coding Rate – CR: là số lượng bit được tự thêm vào trong payload gói tin LoRa để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi lại một số bit dữ liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu payload. CR là các giá trị nguyên từ 1 đến 4 và thường biểu thị ở dạng 4/CR+4 (ví dụ: 4/5, 4/6, 4/7, 4/8). Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng, nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn và làm tăng thời gian truyền.

<b>⇒ Tóm lại tùy vào mục đích ứng dụng ưu tiên hơn về khoảng cách hay tốc độ </b>

truyền mà chúng ta có thể cấu hình các tham số BW, SF, CR phù hợp. Ví dụ nếu mục đích của ứng dụng là thu thập các giá trị của cảm biến cần truyền ở khoảng cách xa không quá yêu cầu về thời gian, vì vậy sẽ khơng u cầu băng thơng lớn nên chúng ta sẽ cấu hình các hệ số BW thấp (125 kHz), SF cao (12) và CR có thể tùy chỉnh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Khi nói đến truyền thơng khơng dây, một vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu khi sử dụng để nghiên cứu hoặc triển khai thực tế đó là dải ẩn số hay băng tần hoạt động của cơng nghệ đang sử dụng. Dựa vào mục đích sử dụng, có thể chia thành 2 loại là băng tần cần được cấp phép (phải trả phí để sử dụng), gọi là licensed band và băng tần không cần cấp phép (miễn phí trong điều kiện ràng buộc nhất định), gọi là unlicensed và thường được biết đến với tên gọi là dải tần ISM (chuẩn băng tần được dành cho vô tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế).

Sóng LoRa hoạt động trong dải tần ISM nghĩa là chúng ta không cần phải trả thêm bất kỳ chi phí nào để sử dụng nhưng bù lại sẽ phải tuân thủ các quy định về công suất phát, và dĩ nhiên là dễ chịu ảnh hưởng bởi các loại nhiễu. Các khu vực khác nhau trên thế giới sẽ sử dụng ở các băng tần khác nhau: 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Châu Âu) và 915 (Châu Mỹ). Ở Việt Nam chúng ta hiện LoRa có thể sử dụng ở băng tần 433 MHz.

<b>2.8.4. Một số module LoRa hiện nay </b>

Để có thể xây dựng ứng dụng với LoRa, hiện nay trên thị trường có rất nhiều module, kit phát triển để chúng ta có thể sử dụng. Các module truyền nhận hiện nay bên trong đều tích hợp chip LoRa SX1276/77/78/79 của hãng Semtech, trong đó chip SX1278 là phổ biến nhất với các module sử dụng băng tần 433 MHz và SX1276 thường dùng cho các module hỗ trợ băng tần 868/915 MHz. Các chip này hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn SPI, sử dụng chuẩn này có thể cấu hình được đầy đủ các thơng số mình nhắc đến bên trên như BW, SF, CR và các thông số khác như thay đổi tham số điều chế, băng tần, data rate, địa chỉ, công suất phát, các chế độ hoạt động, cấu hình tiết kiệm năng lượng… nên ứng dụng có độ linh động và tùy biến cao. Chúng ta có thể tham khảo một vài module giao tiếp theo chuẩn SPI: Heltec Wifi LoRa 32, Dragino LoRa Shield, RFM95/96/97/98W.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

<i><b>Hình 2.13. Module Heltec WiFi LoRa 32 </b></i>

Ngồi ra cịn có các module hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn UART, bên trong module đã tích hợp sẵn một vi điều khiển trung gian (như STM8, STM32,…) và một LoRa chip, các module loại này thường sẽ khơng hỗ trợ lập trình các tham số gốc như BW, SF, CR mà thông qua giao tiếp UART chỉ hỗ trợ cấu hình các tham số cơ bản khác để xây dựng ứng dụng truyền nhận đơn giản nhất có thể như: băng tần, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, cơng suất phát, data rate, các chế độ hoạt động đã tùy biến,… Module này phổ biến là các dòng E32 của hãng EByte, và AS32 của hãng AShining.

<i><b>Hình 2.14. Module LoRa UART </b></i>

<b>2.8.5. Mạng LoRaWAN [13] </b>

<i><b>Hình 2.15. Mạng LoRaWAN </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

LoRaWAN hay Long Range Wireless Area Network là một kiến trúc hệ thống và giao thức truyền thông trong mạng dựa trên Lora. LoRaWAN, là một giao thức mạng mở cung cấp các kết nối giữa các cổng LPWAN với các thiết bị IoT ở nút cuối được tiêu chuẩn hóa và duy trì bởi LoRa Alliance (liên minh LoRa vơi hơn 500 công ty thành viên). LoRaWAN cũng chịu trách nhiệm quản lý tần số giao tiếp và tốc độ dữ liệu, năng lượng cho tất cả các thiết bị trong mạng.

Một LoRaWAN sẽ gồm 4 phần cơ bản như sau:

<i><b>Hình 2.16. Các thành phần của LoRaWAN </b></i>

<b>● End Nodes: gồm một hay nhiều thiết bị chứa cảm biến, sẽ mã hóa các dữ liệu </b>

thu thập được thành các gói tin rồi gửi về gateway.

<b>● Concentrator/Gateway: đảm nhận vai trò thiết bị trung gian giúp liên kết các </b>

nodes với internet. Trong mơi trường truyền thì một gateway có thể nhận nhiều gói tin từ các node sensor khác nhau. Việc của gateway là sắp xếp các gói tin nhận được rồi đưa qua network servers để xử lí.

<b>● Network Server: là trung tâm điều khiển, quản lý các gói tin. Bởi trong hệ thống </b>

sẽ có nhiều gateway, các gateway này có thể nhận trùng gói tin của nhau hoặc việc nhận các gói tin bị trễ, không đồng thời. Network server sẽ chờ cho các gói tin được nhận đủ sau đó so sánh để loại bỏ các gói tin trùng lặp, rồi giải mã chúng về dạng dữ liệu mà người dùng cần.

<b>● Application Server: có thể là một website hoặc app mobile, hay một ứng dụng </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<b>2.9. Mạng thông tin di động [14] </b>

Mạng thông tin di động được tạo thành từ một số lượng lớn các máy phát đặc biệt thuộc sở hữu của các công ty điện thoại hoặc internet. Những máy phát này thường được tìm thấy trên các tịa tháp hoặc tịa nhà cao tầng và được đặt đều đặn trên khắp vùng nông thôn cũng như ở các thành phố và thị trấn. Chúng truyền tín hiệu để cho phép điện thoại di động kết nối với internet cũng như thực hiện và nhận cuộc gọi. Hầu hết điện thoại di động ngày nay đều là điện thoại thông minh, giống như những chiếc máy tính cầm tay nhỏ. Họ kết nối Internet bằng tháp điện thoại di động gần nhất.

<b>2.9.1. Sự khác nhau giữa mạng thông tin di động và WiFi </b>

Mạng di động và WiFi đều cho phép bạn kết nối thiết bị với Internet mà không cần cắm cáp nhưng chúng khác nhau ở một số điểm. Bạn có thể kết nối thiết bị được kích hoạt với điện thoại di động và có thể sử dụng dữ liệu di động bất cứ khi nào bạn có sóng và các khoản thanh tốn gói điện thoại di động của bạn được cập nhật. mạng dữ liệu ở hầu hết mọi nơi.

Để sử dụng mạng Wi-Fi, bạn phải ở trong phạm vi giới hạn – khoảng 30 mét – tính từ mạng Wi-Fi. Nếu bạn ở trong thành phố, bạn hầu như ln có kết nối dữ liệu di động tốt, vùng phủ sóng di động có thể khơng đồng đều ở một số khu vực, nhưng hầu hết các thị trấn lớn đều có Internet di động tốt.

<b>2.9.2. Các loại mạng thông tin di động [15] 2.9.2.1. Mạng thông tin động 2G </b>

Mạng 2G là thế hệ mạng di động thứ hai, dựa trên hệ thống truyền thơng di động tồn cầu (GSM). Được thiết kế để đáp ứng số lượng điện thoại di động ngày càng tăng, 2G đã giới thiệu các dịch vụ di động như SMS, nhắn tin đa phương tiện và hội thoại thoại được mã hóa kỹ thuật số. Nó cũng sử dụng phổ tần số vô tuyến (RF) hiệu quả hơn để nhiều thiết bị hơn có thể chia sẻ cùng một dải tần.

GSM là viết tắt của Global System for Mobile Communication (Hệ thống thơng tin di động tồn cầu). Đây là một tiêu chuẩn được phát triển bởi Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) để mô tả các giao thức cho mạng di động kỹ thuật số thế hệ thứ

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

hai (2G). Nó là sự thay thế cho các mạng di động thế hệ đầu tiên (1G). GSM là mạng vô tuyến di động kỹ thuật số mở hoạt động tại hơn 200 quốc gia trên tồn thế giới. Nó khơng chỉ được sử dụng cho các cuộc gọi thoại, nó cịn có thể được sử dụng để tính tốn dữ liệu và gửi tin nhắn văn bản

Mạng GSM gồm có 3 thành phần: đó là trạm di động cung cấp khả năng liên lạc, hệ thống trạm gốc điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động và hệ thống mạng có chức năng thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi giữa các thuê bao di động. Kiến trúc GSM được tạo thành từ ba hệ thống trung tâm: Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo, Hệ thống trạm gốc (Base Station Subsystem), Hệ thống chuyển mạch (Switching system) và Hệ thống vận hành và hỗ trợ (Operations and support system).

Hệ thống chuyển mạch (SS): chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng xử lý cuộc gọi và liên quan đến thuê bao. Hệ thống chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:

- Bộ ghi địa chỉ - Home Location Register (HLR): Là cơ sở dữ liệu được sử dụng cho lưu trữ và quản lý đăng ký. HLR được coi là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất vì nó lưu trữ dữ liệu cố định về người đăng ký, bao gồm hồ sơ dịch vụ của người đăng ký. Khi người dùng mua các gói dịch vụ từ nhà cung cấp họ sẽ được đăng ký vào HLR của nhà cung cấp đó.

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC): thực hiện các chức năng chuyển mạch điện thoại của hệ thống. Nó kiểm soát các cuộc gọi đến và đi từ các hệ thống điện thoại và dữ liệu khác. Nó cũng thực hiện các chức năng như thu phí, giao tiếp mạng, báo hiệu kênh chung và các chức năng khác.

- Đăng ký vị trí khách truy cập - Visitor Location Register (VLR): Là cơ sở dữ liệu chứa thông tin tạm thời về các thuê bao ghé thăm. VLR ln được tích hợp với MSC. Khi một trạm di động chuyển vùng vào vùng MSC mới, VLR kết nối với MSC đó sẽ yêu cầu dữ liệu về trạm di động từ HLR. Sau đó, nếu tram di

</div>