thiết kế và thi công thiết bị hỗ trợ tìm kiếm và liên lạc trong trường hợp khẩn cấp

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.67 MB, 79 trang )

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ HỖ TRỢ TÌM KIẾM VÀ LIÊN LẠC TRONG TRƯỜNG HỢP KHẨN CẤP

TRẦN MINH HUY GVHD: TS. ĐỖ DUY TÂN SVTH: DƯƠNG KIẾN BẢO

S K L 0 1 2 3 5 0

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

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

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

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

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 09 năm 2023

• Tìm hiểu về yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhận LoRa.

3. Nội dung thực hiện đề tài:

• Tìm hiểu về module ESP32 và truyền nhận không dây công nghệ LoRa. • Tính tốn lựa chọn linh kiện và thiết kế hệ thống.

• Vẽ sơ đồ nguyên lý và mạch in trên phần mềm Proteus. • Thiết kế giao diện Web bằng phần mềm Visual Studio Code. • Thiết kế phần cứng của toàn hệ thống.

• Tiến hành điều chỉnh và kiểm tra hoạt động của các thành phần phần cứng trong hệ thống.

• Thi cơng mơ hình thiết bị liên lạc và tìm kiếm trong trường hợp khẩn cấp.

4. Sản phẩm:

Mơ hình thiết bị hỗ trợ tìm kiếm và liên lạc trong trường hợp khẩn cấp.

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----***----

Trần Minh Huy MSSV: 19161007 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện tử - Viễn thông Lớp: 19161CLĐT1B Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Duy Tân

10/09/2023 05/01/2024

1. Tên đề tài: Thiết bị hỗ trợ tìm kiếm và liên lạc trong trường hợp khẩn cấp. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:

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

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Đỗ Duy Tân, người

đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ nhóm trong suốt q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, thầy đã nhiệt tình chia sẻ những kinh nghiệm, các kiến thức chuyên ngành và tạo điều khiện thuận lợi cho nhóm để hồn thành tốt đề tài.

Nhóm muốn gửi lời cảm ơn đến các bạn bè đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến trong q trình thực hiện đề tài. Đồng thời, nhóm cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, vì đã tạo điều kiện tốt nhất, hỗ trợ nhóm về mặt tài chính lẫn tinh thần.

Mặc dù nhóm đã cố gắng hết sức, nhưng nhóm nhận thấy rằng vẫn cịn nhiều điểm chưa hồn thiện. Vì vậy, nhóm mong muốn rằng nhận được sự góp ý q báu từ thầy cơ để có thể cải thiện và tích lũy kinh nghiệm để thành công hơn trong các dự án tương lai.

Cuối cùng, nhóm thực hiện xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến quý thầy cô trong sự nghiệp cao cả của mình.

Nhóm xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài

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

TĨM TẮT

Cơng nghệ Internet of Things (IoT) đang trở thành động lực quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp. Tuy nhiên, trong bối cảnh đặc biệt của tìm kiếm cứu nạn rừng, việc ứng dụng công nghệ LoRa (tầm xa) đang mang lại tiềm năng đặc biệt quan trọng.

Việc ứng dụng công nghệ LoRa (tầm xa) vào sản xuất thiết bị tìm kiếm rừng mang lại nhiều lợi ích đáng kể. LoRa là một cơng nghệ truyền thông không dây được thiết kế để cung cấp kết nối đường dài, tiêu thụ điện năng thấp và chi phí thấp. Trong bối cảnh tìm kiếm rừng, điều này trở nên quan trọng đối với các thiết bị theo dõi và định vị.

Các thiết bị tìm kiếm sử dụng cơng nghệ LoRa có thể truyền dữ liệu từ sâu trong rừng và bao trùm nhiều khu vực. Cảm biến và GPS tích hợp trên thiết bị giúp theo dõi vị trí chính xác và thu thập thơng tin môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng.

Công nghệ này không chỉ giúp nâng cao khả năng tìm kiếm cứu nạn mà cịn giúp quản lý và bảo vệ mơi trường rừng. Theo dõi vị trí của động vật quý hiếm hoặc nguy cơ cháy rừng thông qua hệ thống LoRa giúp quản lý rừng và bảo vệ đa dạng sinh học.

Nhìn chung, việc ứng dụng cơng nghệ LoRa trong chế tạo thiết bị tìm kiếm rừng khơng chỉ giúp nâng cao hiệu suất tìm kiếm cứu nạn mà còn giúp đạt được mục tiêu bảo vệ tài nguyên rừng và quản lý bền vững.

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

DANH MỤC CÁI TỪ VIẾT TẮT ... vii

DANH MỤC CÁI BẢNG BIỂU ... viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ... 1

1.1 GIỚI THIỆU ... 1

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ... 2

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ... 2

1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ... 3

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ... 3

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu ... 3

2.1.2 Màn hình OLED giao tiếp I2C trắng 0.96" 12864 ... 13

2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRONG DỰ ÁN ... 14

2.2.1 Chuẩn SPS SIS ... 14

2.2.2 Chuẩn IEEE 802.11 Wi-Fi – Wireless Fidelity ... 15

2.2.3 Chuẩn IEEE 802.15 Wireless PAN ... 16

2.2.4 Công nghệ LoRa. ... 17

2.2.4.1 Khái niệm và vai trị của cơng nghệ LoRa trong IoT ... 17

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

2.2.4.2 Nguyên lý hoạt động của công nghệ LoRa ... 18

2.2.4.3 Ưu điểm và nhược điểm của LoRa trong truyền dẫn IoT ... 19

2.2.4.4 Ứng dụng của LoRa ... 20

2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ... 21

2.3.1 Chuẩn giao tiếp SPI trong truyền nhận không dây LoRa ... 21

2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C ... 23

2.3.3 Chuẩn giao tiếp UART ... 24

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ... 24

2.4.1 Giới thiệu về Visual Studio Code (VS Code) ... 24

2.4.2 Platform I/O IDE for VS Code ... 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ... 27

3.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ... 27

3.1.1 Yêu cầu hệ thống ... 27

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống và chức năng từng khối ... 28

3.1.3 Hoạt động của hệ thống ... 29

3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ... 30

3.2.1 Thiết kế phần cứng khối xử lý trung tâm 1 (Master) ... 30

3.2.1.1 Khối thu tín hiệu LoRa ... 30

3.2.1.2 Khối hiển thị ... 31

3.2.1.4 Khối xử lý trung tâm 1 (Master) ... 31

3.2.2 Thiết kế phần cứng hai khối xử lý trung tâm 2 (Slave 1) ... 32

3.2.2.1 Khối thu phát tín hiệu LoRa ... 32

3.3 SƠ ĐỒ NGUN LÝ TỒN HỆ THỐNG ... 38

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ... 39

4.1 GIỚI THIỆU ... 39

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ... 39

4.2.1 Thi công vẽ mạch in của hệ thống ... 39

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

4.2.2 Thi công lắp ráp các linh kiện lên trên board mạch ... 40

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ... 42

4.3.1 Đóng gói hệ thống ... 42

4.4: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ... 44

4.4.1: Lưu đồ giải thuật hệ thông Master ... 44

4.4.2: Lưu đồ giải thuật hệ thông Slave ... 45

4.4.2.1: Lưu đồ giải thuật khối GPS ... 47

4.4.2.2: Lưu đồ giải thuật khối LoRa ... 49

4.4.2.3: Lưu đồ giải thuật Khối hiển thị ... 51

4.4.3 Lưu đồ giải thuật truyền nhận dữ liệu của hệ thống với Firebase ... 53

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ... 54

5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LÝ THUYẾT ... 54

5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ... 54

5.2.1 Kết quả đo khoảng truyền nhận giữa các LoRa thực tế ... 54

5.2.2 Kết quả phần cứng ... 58

5.2.2.2 Giao diện màn hình hiển thị của Slave ... 59

5.2.3 Kết quả giao diện Web ... 59

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

DANH MỤC CÁI TỪ VIẾT TẮT

IoT Internet of Things LoRa Long Range

GPS Global Positioning System Wi-Fi Wireless Fidelity

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IDE Integrated Development Environment

SPI Serial Peripheral Interface UART Universal Asynchronous Receiv I2C Inter – Intergrated Circuit

IC Integrated circuit SCL Serial Clock SDA Serial Data NO Normal Open NC Normal Close

ADC Analog Digital Converter SCLK Serial Clock (SCL, SCK) MOSI Master Out Slave In MISO Master In Slave Out I/O Input/Output

RX Receiver TX Transmitter DC Direct Current

OLED Organic Light-Emitting Diode CSS Cascading Style Sheets

HTML HyperText Markup Language SDK Software Development Kit SPS Strategic Planning System SIS Signal In Space

RF Radio Frequency

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

DANH MỤC CÁI BẢNG BIỂU

Bảng 2. 1: Các chân kết nối ... 13

Bảng 2. 2: Thông số kỹ thuật OLED 12864 [6] ... 13

Bảng 3. 1: Kết nối chân của khối Lora với Raspberry Pi 3B+ ... 31

Bảng 3. 2: Dòng điện tiêu thụ của các thiết bị sử dụng nguồn 5VDC ... 37

Bảng 4. 1: Danh sách các linh kiện trong toàn hệ thống ... 42

Bảng 5. 1: So sánh tốc độ truyền của LoRa trong các trường hợp khác nhau. ... 62

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

Hình 2. 8: So sánh LoRa và các mạng không dây khác [10] ... 18

Hình 2. 9: Chuẩn giao tiếp SPI [14] ... 22

Hình 2. 10: Giao tiếp giữa Master và Slave [15] ... 23

Hình 2. 11: Giao tiếp giữa 2 UART [16] ... 24

Hình 2. 12: Giao diện chính VS Code ... 24

Hình 2. 13:Giao diện vùng lập trình của VS Code ... 25

Hình 2. 14:Giao diện vùng lập trình Platform I/O IDE for VS Code ... 26

Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống ... 28

Hình 3. 2: Sơ đồ kết nối màn hình với Raspberry Pi 3B+ ... 30

Hình 3. 3: Sơ đồ chân Raspberry Pi 3B+ ... 32

Hình 3. 4: Sơ đồ kết nối chân khối Lora với ESP ... 32

Hình 3. 5: Sơ đồ chân kết nối các nút nhấn với ESP ... 34

Hình 3. 6: Sơ đồ chân kết nối GPS với ESP ... 35

Hình 3. 7: Sơ đồ chân kết nối màn hình với ESP... 36

Hình 3. 8: Sơ đồ kết nối chân của khối xử lý trung tâm 2 ... 36

Hình 4. 1: Sơ đồ mạch in của Slave ... 39

Hình 4. 2: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D của hệ thống Slave ... 40

Hình 4. 3: Hình ảnh thực tế hệ thống Slave sau khi lắp các linh kiện ... 40

Hình 4. 4: Hình ảnh thực tế hệ thống Master sau khi lắp các linh kiện ... 41

Hình 4. 5: Hình ảnh mặt trước hệ thống Master ... 42

Hình 4. 6: Hình ảnh hệ thống Slave ... 43

Hình 4. 7: Lưu đồ giải thuật Master ... 44

Hình 4. 8: Lưu đồ giải thuật Slave ... 45

Hình 4. 9: Lưu đồ giải thuật task_gps_uart ... 47

Hình 4. 10: lưu đồ giải thuật task_lora_spi ... 49

Hình 4. 11: Lưu đồ giải thuật task_screen ... 51

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 4. 12: Lưu đồ giải thuật firebase ... 53

Hình 5. 1: Bản đồ tọa độ đo khoảng cách truyền nhận khơng dây LoRa ... 55

Hình 5. 2: Hình ảnh thực tế vị trí đặt hệ thống Master. ... 55

Hình 5. 3: Hình ảnh thực tế hệ thống Slave ở vị trí 250m ... 56

Hình 5. 4: Hình ảnh thực tế hệ thống Slave ở vị trí 1km ... 57

Hình 5. 5: Hình ảnh thực tế hệ thống Slave ở vị trí 1,3km ... 57

Hình 5. 6: Hình ảnh dữ liệu Master nhận được từ Slave ở khoảng cách 1.3km ... 58

Hình 5. 7: Hình ảnh thực tế con đường tại vị trí 1.3km và vị trí đặt Anten hệ thống Master ... 58

Hình 5. 8: Giao diện Oled hiển thị Slave và các giá trị cảm biến ... 59

Hình 5. 9: Giao diện Web ... 60

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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU

Trong thời đại đang phát triển hiện nay, nhiều công nghệ điều khiển, tự động hóa tự động đóng vai trị rất quan trọng trong các lĩnh vực như khoa học công nghệ, nông nghiệp, quản lý công nghiệp. Sự phát triển về cơng nghệ và quy trình giúp tăng năng suất và hiệu quả sản xuất đồng thời giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động và tiết kiệm chi phí. Chúng ta cần ứng dụng hiệu quả cơng nghệ điều khiển tự động, phát triển các giải pháp sáng tạo trong các lĩnh vực liên quan, đóng góp vào sự phát triển khoa học công nghệ và đất nước.

Sự phát triển và phổ biến của Internet of Things là một trong những xu hướng phát triển nổi bật nhất trong thời đại kỹ thuật số hiện nay. Chính sự phát triển của công nghệ và việc sử dụng các thiết bị di động thông minh, cảm biến đã tạo ra sự tiện lợi to lớn cho nhân loại thơng qua các thiết bị được điều khiển hồn tồn tự động. Sự phát triển của IoT đã giúp cho việc liên lạc giữa chúng ta cũng như công tác cứu hộ, cứu nạn đạt được sự tiến bộ đáng kể.

Trong liên lạc và phát hiện vị trí, các yếu tố cần được xem xét bao gồm tốc độ, địa hình và nhiễu để đảm bảo liên lạc thơng suốt và nhanh nhất trong trường hợp khẩn cấp. Thiết bị liên lạc bao gồm hệ thống định vị, thu thập dữ liệu về vị trí hiện tại của người dùng. Dữ liệu thu thập từ các thiết bị này sẽ được phân tích và xử lý bằng phần mềm đặc biệt giúp hoạt động cứu hộ được tiến hành nhanh chóng. Điều này cho thấy sự phát triển của Internet of Things đã trở thành hiện thực và giúp nâng cao hiệu quả tìm kiếm cứu nạn. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nhóm quyết định thực hiện dự án

“THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG THIẾT BỊ TÌM KIẾM VÀ LIÊN LẠC TRONG

TRƯỜNG HỢP KHẨN CẤP”. Mô hình này được thiết kế với hệ thống liên lạc và

tín hiệu và cung cấp vị trí thời gian thực của người dùng, với việc sử dụng LoRa thay thế cho Wifi sẽ giúp giảm lượng điện năng tiêu thụ, tăng tuổi thọ của pin cũng như thời gian sử dụng thiết bị. Mơ hình được trang bị module GPS có độ lệch thấp, giúp tăng độ chính xác so với LoRaWan Geolocation được sử dụng bởi các thiết bị có sẵn trên thị trường và được tích hợp thêm micro, cịi báo để giúp việc cứu hộ có thể được

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

thực hiện dễ dàng hơn. Phần mềm vị trí sử dụng API của Google Maps sẽ giúp việc xác định vị trí dễ dàng và chính xác hơn so với những bản đồ tự vẽ ở những sản phẩm trước đây. Mơ hình giúp tối ưu tìm kiếm, tiết kiệm thời gian và chi phí nhưng vẫn đạt hiệu quả cao. Ở chương trình của Slave nhóm đã thực hiện code trên hệ event-driven dễ dàng phát hiện lỗi và sửa lỗi ở từng module khi xãy ra lỗi và các module hoạt động song song với nhau cho hiệu quả hoạt động tốt nhất, các file giao tiếp với nhau thông qua message và xử lý khi nhận được mesage.

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong bối cảnh các hoạt động mạo hiểm núi rừng ngày càng phổ biến hiện nay, việc thiết kế các thiết bị tìm kiếm và liên lạc trong các tình huống khẩn cấp là điều cấp thiết. Điều này đặt ra yêu cầu phải kiểm soát tốt để đảm bảo an toàn cho người tham gia sự kiện. Việc ứng dụng công nghệ truyền dẫn, định vị và cịi báo động khơng dây LoRa sẽ giúp nhân viên chịu trách nhiệm giám sát, cứu nạn ứng phó nhanh chóng khi cần thiết, từ đó giảm thiểu rủi ro cho những người tham gia hoạt động.

Từ những vấn đề thực tế trên, nhóm đã tiến hành và nghiên cứu đề tài "Thiết kế

và thi công thiết bị tìm kiếm và liên lạc trong trường hợp khẩn cấp” sử dụng

module ESP32 giao tiếp truyền nhận khơng dây với cơng nghệ LoRa, một cơng nghệ có thể truyền dữ liệu đi xa lên đến hàng chục kilomet trong điều kiện thuận lợi.

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

• Nghiên cứu những dạng thiết bị liên lạc hiện nay để tiến hành thiết kế và thi công thiết bị cho phù hợp với yêu cầu để có kết quả kiểm tra tốt nhất trước khi đưa vào ứng dụng

• Hệ thống thu thập được từ các giá trị từ những cảm biến. Các thông số về vị trí, tần suất thu phát tín hiệu khẩn cấp và khoảng cách liên lạc tối đa

• Tìm hiểu các giao tiếp truyền nhận khơng dây của cơng nghệ LoRa với module ESP32.

• Những dữ liệu từ các cảm biến thơng qua tín hiệu truyền nhận từ LoRa được hiển thị lên màn hình LCD, xuất dữ liệu lên Web

• Sử dụng phương pháp nghiên cứu các ứng dụng IoT để thực hiện đề tài.

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

1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

• Tiến hành tìm hiểu và nghiên cứu về cấu trúc phần cứng, nguyên tắc hoạt động và tính năng của module ESP32, giao tiếp khơng dây sử dụng cơng nghệ LoRa, các cảm biến.

• Tìm hiểu về lập trình Web, tìm hiểu về ngơn ngữ lập trình, lập trình giao diện trên phần mềm Visual Studio Code và phần mềm lập trình Arduino IDE, thiết kế và in mạch PCB trên Proteus.

• Tìm hiểu và xây dựng cơ sở dữ liệu trên Firebase.

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

➢ Về phần cứng:

• Module ESP32.

• Module thu phát tín hiệu LoRa SX1278. • Mạch định vị GPS GY-NEO 6M V2. • Module LCD Oled 12864.

➢ Về phần mềm:

• Lập trình bằng ngơn ngữ C trên trình biên dịch Arduino IDE. • Thiết kế giao diện Web trên Visual Studio Code, HTML. • Đưa dữ liệu các cảm biến lên Firebase.

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và vẽ mạch in trên Proteus 8.12 Professional.

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài thực hiện và dừng lại ở mức độ, thiết kế và thi cơng thiết bị tìm kiếm và liên lạc trong trường hợp khẩn cấp bao gồm:

• Thi cơng hệ thống mơ hình có kích thước dài, rộng, cao là 30 x 20 x 15 cm

nguyên vật liệu bằng khung sắt, mạch đồng và nhựa mica.

• Module ESP32 giao tiếp thơng qua truyền khơng dây thu phát từ tín hiệu

LoRa.

• Web dùng để giám sát thông số cảm biến.

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

• Tồn bộ hệ thống hoạt động được khi có nguồn điện cấp vào và khơng có

nguồn dự phịng.

• Nguồn điện cấp cho các động cơ hoạt động có giá trị: 12V 5A.

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đề tài này, nhóm đã tiến hành nghiên cứu về nguyên tắc hoạt động của các module và giao tiếp với công nghệ LoRa, cảm biến, cũng như truyền nhận dữ liệu qua Internet và đồng bộ dữ liệu với Web. Đồng thời, nhóm sử dụng ngơn ngữ lập trình C, CSS và HTML, cùng với các phần mềm để phát triển chương trình điều khiển, thiết kế giao diện và mơ phỏng phần cứng.

1.7 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, xác định

được mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp

nghiên cứu và bố cục đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về sự phát triển của rau

muống, các chuẩn giao tiếp trong IoT, trình bày tổng quan về các cơ sở lý thuyết và các linh kiện được sử dụng trong mơ hình.

Chương 3: Tính tốn và thiết kế: Trình bày tính tốn và thiết kế, giới thiệu

tổng quan về yêu cầu của đề tài để thiết kế và thực hiện các tính tốn, bao gồm việc thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch và các tính tốn thiết kế mạch.

Chương 4: Thi công hệ thống: Thi công hệ thống, mô tả quá trình lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mơ hình, thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình

và viết chương trình cho hệ thống, cũng như hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá: Trình bày về những kết quả đạt được sau q trình nghiên cứu và thi cơng thơng qua hình ảnh và video đã được quay về quá trình vận hành của hệ thống, đánh giá mức độ hoàn thành của đề tài dựa trên các kết quả đạt được. Qua đó nhận xét và đánh giá kết quả của hệ thống dựa trên những yêu cầu đặt ra.

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

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Thơng qua các kết quả đã có được từ chương 5, đưa ra các kết luận về những ưu điểm và nhược điểm của toàn hệ thống. Qua đó đưa ra những định hướng cải thiện và phát triển hệ thống.

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

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN CÁC PHẦN CỨNG SỬ DỤNG 2.1.1 Module Lora RF 433Mhz SPI SX1278 Ra-02

LoRa là viết tắt của Long Range. Đó là cơng nghệ không dây dành cho tần số vô tuyến được phát triển bởi Semtech. Cơng nghệ LoRa này có khả năng truyền thông tin đến cả hai đầu của khoảng cách xa mà khơng tiêu tốn nhiều năng lượng. Thuộc tính này có thể được sử dụng bởi các cảm biến từ xa chỉ cần một cục pin nhỏ để truyền thơng tin [1].

LoRa có thể đạt khoảng cách 15-20 km và có thể hoạt động bằng pin trong hơn một thập kỷ.

Hình 2. 1:Lora SX1278 [1]

Như hình 2.1 là Mô-đun LoRa LoRa1278-C1 chứa chip SX1278 của bộ xử lý Semtech RF, được sử dụng cùng với phổ truyền và nhảy tần LoRa Spread Spectrum. Khoảng cách giữa q trình giao tiếp và thu tín hiệu của nó lớn hơn khoảng cách hiện tại giữa FSK và GFSK, đó là lý do tại sao kỹ thuật này được gọi là Demikian. Nhiều tín hiệu khơng tương tác với nhau ở tần số cao. Mơ-đun này có khả năng chống nhiễu mạnh mẽ. Công tắc của ăng-ten được kết hợp với bộ vi xử lý và được điều khiển bởi bộ vi xử lý này. Với thiết kế nhỏ gọn và cơng suất truyền 100mW, nó có thể được sử dụng trong nhiều hoạt động đọc kỹ thuật số không dây, điều khiển từ xa các thiết bị công nghiệp và các ứng dụng khác [1].

Thông số kỹ thuật:

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

• Kích thước gói tin: 256 Byte • Độ nhạy: 148 Db

• Kỹ thuật Modulation: FSK, GFSK, MSK, GMSK, LORA • Giao tiếp: Half-Duplex SPI

• Tần số hoạt động: 433 MHz • Điện áp hoạt động: 3.3V

2.1.2 Module ESP32-WROOM-32

Như hình 2.2 là module ESP32-WROOM-32 gồm thành phần MCU Wi-Fi + Bluetooth + Bluetooth LE mạnh mẽ và linh hoạt, dành cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cảm biến mạng tiết kiệm năng lượng hoặc các dự án đòi hỏi khắt khe như mã hóa giọng nói, phát nhạc trực tuyến hoặc giải mã MP3.

Cốt lõi của mô-đun là bộ vi xử lý ESP32-D0WDQ6*. Bộ xử lý tích hợp được xây dựng cho tính linh hoạt và khả năng mở rộng. Hai lõi CPU riêng biệt có thể được điều khiển và tần số của CPU được thay đổi từ 80 MHz thành 240 MHz. Con chip này cịn có bộ xử lý tiết kiệm năng lượng có thể thay thế CPU để giảm điện năng trong khi thực hiện các tác vụ khơng địi hỏi nhiều sức mạnh tính tốn, chẳng hạn như giám sát các thiết bị bên ngoài.. ESP32 chứa nhiều thành phần ngoại vi, bao gồm cả cảm ứng cảm biến điện dung, thẻ dựa trên SD, Ethernet, giao tiếp SPI nhanh, UART, I2S và I2C [2].

Hình 2. 2:ESP32-WROOM-32 [2]

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

Thông số kỹ thuật:

• Vi xử lý 32-bit LX6 Single hoặc Dual-Core với tần số đồng hồ lên đến 240 MHz.

• 520 KB SRAM, 448 KB ROM và 16 KB RTC SRAM.

• Hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n với tốc độ lên đến 150 Mbps. • Hỗ trợ cả Bluetooth Classic v4.2 và BLE.

• 34 GPIO có thể lập trình.

• 18 kênh ADC 12-bit SAR và 2 kênh DAC 8-bit.

• Giao tiếp Serial bao gồm 4 x SPI, 2 x I2C, 2 x I2S, 3 x UART.

• Ethernet MAC cho việc giao tiếp LAN vật lý (yêu cầu PHY ngoại vi). • 1 bộ điều khiển Host cho SD/SDIO/MMC và 1 bộ điều khiển Slave cho

2.1.3 Máy tính Raspberry Pi 3 model B

Ở hình 2.3 là module Raspberry Pi, một máy tính mã nguồn mở miễn phí, nhỏ hơn một chiếc PC mini. Pi là một phương tiện thú vị và đơn giản để cải thiện khả năng lập trình và máy tính ở mọi lứa tuổi. Bằng cách kết nối Pi với TV, màn hình và bàn phím cũng như bằng cách lập trình các chức năng phù hợp, Pi có thể thực hiện

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

nhiều hành động giống như máy tính để bàn, bao gồm duyệt internet và chơi trị chơi điện tử. Ngồi ra, Pi cịn lý tưởng cho những nỗ lực sáng tạo mà bạn muốn thử - các mơ hình mới phù hợp với các dự án Internet of Things vì sức mạnh tính tốn của chúng. Với việc phát hành Pi 3, LAN không dây và Bluetooth Low Energy cũng được tích hợp [3].

Hình 2. 3: Raspberry Pi 3 model B [3]

Các chân Raspberry Pi 3 model B bao gồm: • 27 chân là chân GPIO

• 8 chân là chân GND (đất) • chân cung cấp điện áp 5V • chân cung cấp điện áp 3.3V

• 2 chân còn lại là ID_SD và ID_SC được sử dụng trong giao tiếp I2C • Hình 2.4 là danh sách các chân có trong Raspberry Pi 3 model B

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

Hình 2. 4: Raspberry Pi 3 model B GPIO [4]

Các chân GPIO được sử dụng để kết nối với các thiết bị điện tử và có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra. GPIO 2 và 3 có thể được sử dụng cho giao tiếp I2C vì chúng là các chân SDA và SCL tương ứng [4].

Các chân 5V có thể được sử dụng để cung cấp nguồn 5V cho bất kỳ thiết bị điện tử nào. Tương tự, đối với chân 3.3V.

Các thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 3:

• CPU Broadcom BCM2837 64bit Quad-Core 1.2GHz • 2GB RAM

• BCM43438 wireless LAN và Bluetooth Low Energy (BLE) tích hợp trên bo mạch

• GPIO mở rộng 40 chân • 4 cổng USB 2.0

• Cổng âm thanh stereo 4 cực và cổng video composite

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

• HDMI chuẩn đầy đủ

• Cổng camera CSI để kết nối camera Raspberry Pi

• Cổng hiển thị DSI để kết nối màn hình cảm ứng Raspberry Pi • Cổng Micro SD để tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu

• Nguồn Micro USB có thể điều chỉnh lên đến 2.5A

2.1.4 GPS GY-NEO6MV2

Mô-đun GY-NEO6MV2 là một họ các bộ thu GPS độc lập hiệu suất cao sử dụng động cơ định vị u-blox 6. Mơ-đun xác định vị trí của nó trên Trái đất và cung cấp dữ liệu đầu ra về vĩ độ và kinh độ của nó. GY-NEO6MV2 đi kèm với một pin nhỏ để khởi động nhanh chóng, cùng với một EEPROM tích hợp. Để tăng cường thu sóng, có một ăng-ten gốm bên ngoài được kết nối với bo mạch thơng qua một kết nối U.FL.

Ở hình 2.5 là mơ-đun GPS GY-NEO6MV2 có thể theo dõi lên đến 22 vệ tinh thông qua 50 kênh và đạt độ nhạy cao nhất trong ngành công nghiệp, đạt -161 dB trong khi chỉ tiêu thụ 45 mA dòng điện. Kiến trúc nhỏ gọn, thiết kế mô-đun, tùy chọn nguồn điện và lựa chọn bộ nhớ làm cho các mô-đun NEO6MV2 trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị di động hoạt động bằng pin với các ràng buộc về chi phí và khơng gian nghiêm ngặt [5].

Hình 2. 5: GPS GY-NEO6MV2 [5]

Các tính năng chính của GY-NEO6MV2:

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

• Dựa trên module GPS u-Blox NEO-6M với pin dự phịng tích hợp và EEPROM tích hợp trên bo mạch.

• Được trang bị ăng-ten gốm U.FL bên ngồi để thu sóng tốt hơn.

• Tương thích với các bo mạch điều khiển bay khác nhau được thiết kế để hoạt động với module GPS, như APM2.0 và APM2.5 chỉ là một vài ví dụ.

• Mơ-đun này có bộ điều tiết điện áp tích hợp và đơi khi được gọi là GPS6MV2.

GY-• Thu được tín hiệu ở mức -162 dBm và -148 dBm khi khởi động lạnh. • EEPROM để lưu cài đặt cấu hình.

• Tăng tốc độ thu sóng với AssistNow Autonomous. • Quản lý điện năng có thể điều chỉnh được.

• Động cơ GPS/SBAS hỗ trợ (WAAS, EGNOS, MSAS). • Bộ thu GPS độc lập.

• Cơng nghệ chống nhiễu.

• Tương thích với Giải pháp GPS của u-Blox cho Android.

• A-GPS: Dịch vụ AssistNow Online và AssistNow Offline tuân thủ OMA SUPL.

• Dưới 1 giây thời gian đến vị trí đầu tiên cho khởi động nóng và hỗ trợ. • Thời gian đến vị trí đầu tiên: 32 giây cho khởi động lạnh, 23 giây cho

khởi động ấm, dưới 1 giây cho khởi động nóng.

• Giao tiếp UART tại các chân ra (có thể sử dụng SPI, I2C và USB bằng cách hàn chân vào lõi chip).

Các chân kết nối được liệt kệ ở bảng 2.1:

Vcc Điện áp cấp cho chip

rx Chân nhận UART

tx Chân truyền UART

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

gnd Chân nối đất

Bảng 2. 1: Các chân kết nối 2.1.2 Màn hình OLED giao tiếp I2C trắng 0.96" 12864

Hình 2.6 là module hiển thị ma trận chấm đen trắng 128x64 điểm với giao diện I2C này là một bảng hiển thị OLED I2C 1.3" tiện dụng. Đây là một lựa chọn lý tưởng khi bạn cần một màn hình siêu nhỏ. So với màn hình LCD, màn hình OLED có nhiều ưu điểm hơn, bao gồm độ sáng cao, tự phát sáng, tỷ lệ tương phản cao, thiết kế mỏng, góc nhìn rộng, khả năng hoạt động ở nhiều nhiệt độ khác nhau và tiêu thụ điện năng thấp. Bạn có thể sử dụng module này với bất kỳ vi điều khiển 3.3V-5V nào, chẳng hạn như Arduino [6]. Bảng 2.2 liệt kê các thông số kỹ thuật của màn hình LCD OLED 12864.

Hình 2. 6:OLED [6]

1 Điện áp đầu vào 2.2~5V DC

2 Công suất tiêu thụ 0.04W

3 Góc hiển thị Lớn hơn 160 độ

4 Số điểm hiển thị 128x64 điểm

5 Độ rộng màn hình 0.96 inch

7 Giao tiếp với máy tính I2C

Bảng 2. 2: Thông số kỹ thuật LCD OLED 12864 [6]

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

2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRONG DỰ ÁN 2.2.1 Chuẩn SPS SIS

SPS SIS (Chuẩn Giao diện Đoạn Vệ tinh) phải tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến giao diện giữa Đoạn Vệ tinh và các bộ thu SPS theo quy định của phiên bản hiện tại của IS-GPS-200 và phiên bản hiện tại của IS-GPS-705. Trong trường hợp xung đột giữa các đặc tính giao diện SPS SIS được mô tả trong tài liệu này và các IS, ưu tiên sẽ được đưa ra để tuân theo các IS.

Ở hình 2.7 là q trình tạo và truyền thơng tin vị trí của hệ thống SIS GPS cho một vệ tinh được minh họa trong Hình 2.6. Tiêu chuẩn tần số nguyên tử tạo ra một cơ sở thời gian ổn định cho vệ tinh. Tín hiệu xung clock 10,23 MHz được tổng hợp và các tín hiệu đồng bộ code/carrier tín hiệu được phân phối bởi bộ tạo tần số tới các hệ thống phụ của vệ tinh. Máy tính nhiệm vụ nhận dữ liệu định vị (NAV) đã tải từ Control Segment (CS) thông qua hệ thống Telemetry, Tracking, and Command (TT&C). Hệ thống Đồng bộ Điều hướng tạo ra các mã mã hóa tần số ngẫu nhiên (PRN) và thêm dữ liệu NAV vào các mã PRN. Hệ thống Băng tần L module hóa các chuỗi nhị phân kết quả lên các tần số L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,6 MHz) và L5 (1176,45 MHz) sau đó được phát sóng qua anten vịng xoắn [7].

Hình 2. 7:GPS SIS [7]

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

Đối với một tàu vũ trụ (SV) nhất định, tất cả các thành phần tín hiệu được truyền (bước sóng, mã và dữ liệu) được tạo ra từ cùng một nguồn tần số trên vệ tinh. Tín hiệu L1: Vệ tinh truyền tín hiệu ở tần số 1575,42 MHz theo quy định của IS-GPS-200. Tín hiệu L1 được truyền với công suất đủ để đảm bảo mức cơng suất tín hiệu nhận được tối thiểu là -158,5 dBW cho mã C/A tại L1 trong các điều kiện được xác định trong IS-GPS-200.

Tín hiệu L2: Vệ tinh truyền tín hiệu ở tần số 1227,60 MHz theo quy định của IS-GPS-200. Khi có tín hiệu L2C, tín hiệu L2 được truyền với công suất đủ để đảm bảo mức cơng suất tín hiệu nhận được tối thiểu ít nhất là -160,0 dBW đối với mã tổng hợp L2C của mã CM cộng với CL (tức là, đa nhiệm từng chip sự kết hợp). code) theo các điều kiện được xác định trong ISGPS-200.

Tín hiệu L5: Một số vệ tinh phát tín tại 1176.45 MHz như được quy định trong IS-GPS-705. Khi tín hiệu L5 có mặt, các tín hiệuL5 được phát với đủ cơng suất để đảm bảo mức cơng suất tín hiệu nhận tối thiểu ít nhất là -157.9 dBW cho mã I5 và -157.9 dBW cho mã Q5 dưới điều kiện được xác định trong IS-GPS-705 [7].

2.2.2 Chuẩn IEEE 802.11 Wi-Fi – Wireless Fidelity

IEEE 802.11, còn được biết đến là Wi-Fi, là một tập hợp các quy định và thông số kỹ thuật cho các mạng LAN không dây. Wi-Fi sử dụng sóng radio tần số cao để kết nối các thiết bị mạng thay vì sử dụng dây cáp. Với Wi-Fi, các thiết bị trong mạng có thể di chuyển mà khơng bị hạn chế về vị trí. Tiêu chuẩn này được thiết kế để hỗ trợ các thiết bị di động tham gia tích cực trong việc quản lý mạng, và có thể dễ dàng tích hợp với các mạng di động như 2G, 3G và 4G [8].

IEEE 802.11 bao gồm nhiều tiêu chuẩn và bổ sung khác nhau như 802.11a, 802.11b, 802.11e, 802.11g, 802.11n, vv. Các đặc điểm và ưu điểm của chuẩn IEEE 802.11 Wi-Fi trong IoT bao gồm:

• Phạm vi hoạt động: Wi-Fi có phạm vi hoạt động lớn, cho phép kết nối từ xa

giữa các thiết bị IoT và trạm cơ sở. Phạm vi hoạt động của Wi-Fi phụ thuộc vào môi trường xung quanh và công suất phát của thiết bị, nhưng trong điều

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

kiện lý tưởng, nó có thể hoạt động trong phạm vi từ vài chục mét đến vài trăm mét.

• Độ tin cậy cao: Wi-Fi đã được phát triển và kiểm chứng trong nhiều năm,

điều này đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy cao. Các thiết bị Wi-Fi phổ biến và dễ dàng tương thích với nhau, cho phép kết nối và giao tiếp mượt mà giữa các thiết bị khác nhau trong mạng IoT.

• Tiêu thụ năng lượng: mặc dù Wi-Fi cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao,

nhưng nó tiêu tốn năng lượng khá lớn. Điều này có thể là một hạn chế trong các ứng dụng IoT yêu cầu tuổi thọ pin lâu dài hoặc sử dụng nguồn năng lượng hạn chế.

• Bảo mật: Wi-Fi cung cấp các phương thức bảo mật mạnh như WPA2 để đảm

bảo an toàn cho dữ liệu truyền qua mạng. Điều này quan trọng trong các ứng dụng IoT, nơi bảo mật thông tin là yếu tố quan trọng.

Mạng IEEE 802.15 là mạng vô tuyến cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network - WPAN), được thiết kế để kết nối các thiết bị vào không gian làm việc của cá nhân. Mạng này có phạm vi phủ sóng nhỏ trong khoảng vài chục mét, phù hợp cho mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi [9]. Các cơng nghệ phổ biến trong nhóm này bao gồm Bluetooth, Wibree, Zigbee và nhiều công nghệ khác.

Các ưu điểm của chuẩn IEEE 802.15 trong IoT bao gồm:

• Tiết kiệm năng lượng: chuẩn này được thiết kế để tiết kiệm năng lượng, cho

phép các thiết bị hoạt động trong thời gian dài trên pin hoặc nguồn năng lượng hạn chế.

•Phạm vi hoạt động: chuẩn IEEE 802.15 hỗ trợ phạm vi hoạt động trong

khoảng vài mét đến hàng chục mét, tùy thuộc vào tần số sử dụng và mơi trường.

• Tốc độ truyền dữ liệu: chuẩn IEEE 802.15.4 hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu từ

vài Kbps đến hàng trăm Kbps, tuỳ thuộc vào cấu hình và thiết lập của mạng.

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

• Độ tin cậy cao: chuẩn này được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và độ tin

cậy cao trong việc kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị IoT.

• Tương thích và mở rộng: chuẩn IEEE 802.15 hỗ trợ khả năng tương thích

và mở rộng, cho phép các thiết bị IoT khác nhau có thể hoạt động cùng nhau trong cùng một mạng.

2.2.4 Công nghệ LoRa.

Từ các tiêu chuẩn truyền giao tiếp trong IoT ở trên, nhóm đã xem xét và quyết định sử dụng công nghệ truyền không dây là LoRa để thực hiện cho đề tài của nhóm. Vì cơng nghệ LoRa được coi là lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng IoT trong thông tin liên lạc và các mơi trường khác có u cầu phủ sóng xa và đặc biệt là tiêu thụ năng lượng thấp. Công nghệ LoRa cho phép giám sát các thông số cảm biến, truyền nhận dữ liệu ở khoảng cách xa. Các cảm biến LoRa có thể được đặt ở nhiều vị trí trong rừng có thể giúp việc liên lạc thuận lợi hơn mà khơng cần sóng điện thoại.

2.2.4.1 Khái niệm và vai trị của cơng nghệ LoRa trong IoT

LoRa là một công nghệ điều chế RF cho mạng lưới diện rộng, tiết kiệm năng lượng (LPWAN). Tên gọi LoRa ám chỉ đến các liên kết dữ liệu siêu xa mà công nghệ này cho phép. Được Semtech tạo ra để tiêu chuẩn hóa LPWANs, LoRa cho phép truyền thơng siêu xa: 5 Km trong khu vực đô thị và lên đến 15 Km hoặc hơn trong khu vực nông thôn (khu vực ít vật cản). Đặc tính quan trọng của các giải pháp dựa trên LoRa là yêu cầu năng lượng thấp, cho phép tạo ra các thiết bị hoạt động bằng pin có thể kéo dài tới 10 năm. Triển khai theo cấu trúc dạng sao (star topology), một mạng dựa trên giao thức mở LoRaWAN là lựa chọn hoàn hảo cho các ứng dụng yêu cầu truyền thông xa hoặc sâu trong tòa nhà giữa một lượng lớn thiết bị có yêu cầu năng lượng thấp và thu thập lượng dữ liệu nhỏ [10].

Ở hình 2.8 cho thấy Sự khác biệt giữa LoRa và các công nghệ mạng khác thường được sử dụng trong IoT hoặc các giải pháp kết nối máy với máy (M2M) truyền thống:

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

Hình 2. 8: So sánh LoRa và các mạng không dây khác [10] 2.2.4.2 Nguyên lý hoạt động của công nghệ LoRa

Công nghệ LoRa được xây dựng dựa trên kỹ thuật điều chế "Chirp Spread Spectrum" để phát triển mạng IoT. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật là tín hiệu dữ liệu gốc sẽ được khuếch đại tần số cao hơn, mã hóa thành chuỗi tín hiệu chirp và phát từ Anten. Nhờ đó, tín hiệu LoRa có thể được truyền đi xa với lượng công suất thấp mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu và khả năng chống lại nhiễu bên ngoài [11]. Tùy theo khu vực, băng tần của LoRa sẽ khác nhau, ví dụ:

-Châu Á: 430MHz.

-Châu Âu: 433MHz hoặc 866MHz. -USA: 915MHz.

-Trung Quốc: 780MHz.

Công nghệ LoRa tích hợp 4 yếu tố cơ bản để phát triển mạng IoT:

• Điểm cuối: đây là yếu tố đầu tiên của mạng LoRa, thường đặt ở khoảng cách

xa để thực hiện quá trình điều khiển và thu thập dữ liệu.

• Cổng LoRa: nơi cơ sở dữ liệu từ điểm cuối được truyền đến hệ thống

backhaul thông qua các cổng Liên kết viễn thông Ethernet, di động hoặc không dây thông qua các kết nối IP. Các cổng LoRa cho phép kết nối dữ liệu với mạng viễn thông công cộng hoặc riêng tư.

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

• Máy chủ LoRa: Được xem là một phần quan trọng trong công nghệ LoRa,

máy chủ LoRa hoạt động để loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp, tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu, ghi nhận lịch trình và đơn giản hóa triển khai mạng LoRa.

• Thiết bị điều khiển từ xa: Đảm nhận nhiệm vụ điều khiển hoạt động và thu

thập dữ liệu từ các thiết bị cuối, chuyển tiếp tin nhắn giữa máy chủ LoRa và các thiết bị cuối trong phạm vi bổ sung thông qua kết nối với cổng LoRa.

2.2.4.3 Ưu điểm và nhược điểm của LoRa trong truyền dẫn IoT

➢ Ưu điểm

• Phạm vi truyền dẫn rộng: LoRa có khả năng truyền dữ liệu trên khoảng

cách rất xa, với phạm vi truyền dẫn lên đến vài km trong môi trường đô thị và hàng chục km trong mơi trường nơng thơn. Điều này rất hữu ích khi triển khai các ứng dụng IoT phủ sóng rộng như truyền thông trong nông nghiệp, đô thị thông minh và mạng cảm biến.

• Tiêu thụ năng lượng thấp: Công nghệ LoRa được thiết kế để tiết kiệm năng

lượng, cho phép các thiết bị LoRa hoạt động trong thời gian dài với nguồn năng lượng hạn chế như pin hoặc năng lượng mặt trời. Điều này làm cho LoRa phù hợp cho các ứng dụng IoT yêu cầu tuổi thọ pin dài và tiết kiệm năng lượng

• Khả năng xuyên qua vật cản: LoRa có khả năng xuyên qua các vật cản như

tường, cây cối và tịa nhà, cho phép truyền dữ liệu trong mơi trường có nhiều trở ngại. Điều này làm cho LoRa phù hợp cho các ứng dụng IoT trong các môi trường khó khăn và có nhiều vật cản.

• Độ tin cậy cao: công nghệ LoRa sử dụng kỹ thuật truyền dữ liệu có khả năng

chống nhiễu và chống mất mát dữ liệu. Điều này đảm bảo rằng dữ liệu được truyền dẫn một cách đáng tin cậy và ổn định.

➢ Nhược điểm

• Tốc độ truyền dẫn thấp: LoRa có tốc độ truyền dẫn dữ liệu thấp hơn so với

một số công nghệ truyền thông không dây khác như Wi-Fi hoặc Cellular. Điều này có nghĩa là việc truyền dữ liệu lớn và yêu cầu đáp ứng thời gian thực có thể gặp hạn chế.

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

• Băng thơng hạn chế: cơng nghệ LoRa sử dụng các kênh truyền dẫn có băng

thơng hạn chế, giới hạn khả năng truyền tải lượng lớn dữ liệu cùng một lúc. Điều này làm cho LoRa không phù hợp cho các ứng dụng IoT yêu cầu truyền dữ liệu lớn và tốc độ cao.

• Khả năng kết nối đa điểm yếu: LoRa được thiết kế cho mạng truyền dẫn

một chiều từ nút gửi đến gateway hoặc mạng trung tâm. Khả năng kết nối nhiều điểm (mesh networking) trong mạng LoRa có hạn chế và phức tạp hơn so với một số cơng nghệ khác [12].

Tuy có nhược điểm nhất định, nhưng công nghệ LoRa vẫn rất phù hợp cho các ứng dụng IoT yêu cầu phạm vi truyền dẫn xa, tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy cao.

2.2.4.4 Ứng dụng của LoRa

Công nghệ LoRa mang lại sự phát triển đáng kể cho IoT, khi các giới hạn bị xố bỏ bởi tính linh hoạt cao của mạng LoRa. LoRa không giới hạn dung lượng mạng, cho phép các thiết bị hoạt động mà không cần thay pin và đảm bảo khả năng mã hóa truyền dẫn an tồn. Các tính năng được tích hợp trong LoRa mang đến giải pháp toàn diện cho các vấn đề của IoT, góp phần thúc đẩy sự phát triển rộng rãi của IoT [13].

• Mạng cảm biến khơng dây: công nghệ LoRa được sử dụng để tạo ra mạng

cảm biến không dây rộng lớn, cho phép thu thập dữ liệu từ các cảm biến và truyền về trung tâm giám sát. Điều này có thể áp dụng trong các ứng dụng như giám sát môi trường, nông nghiệp thông minh, quản lý năng lượng và quản lý đơ thị thơng minh.

• Quản lý đèn đường thơng minh: LoRa được sử dụng để kết nối các đèn

đường thông minh và tạo ra một hệ thống quản lý đèn đường hiệu quả. Điều này cho phép điều chỉnh đèn đường từ xa, theo dõi trạng thái hoạt động và tiết kiệm năng lượng thông qua việc điều chỉnh độ sáng và thời gian hoạt động.

• Giám sát và quản lý năng lượng: cơng nghệ LoRa có thể được sử dụng để

giám sát và quản lý năng lượng trong các ứng dụng như quản lý hệ thống điện thông minh, đo lường tiêu thụ điện, theo dõi và dự đoán lượng năng lượng tiêu thụ.

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

• Bảo mật và an ninh: LoRa có thể được áp dụng trong các ứng dụng bảo mật

và an ninh như hệ thống báo động, giám sát an ninh, theo dõi tài sản và hệ thống an ninh chung. Nó cung cấp kết nối bảo mật và đáng tin cậy để truyền tải dữ liệu quan trọng và cung cấp thơng báo bảo mật nhanh chóng.

• Quản lý mơi trường và tài ngun: LoRa có thể được sử dụng để giám sát

và quản lý mơi trường như chất lượng khơng khí, chất lượng nước, mức độ ơ nhiễm và sự thay đổi khí hậu. Nó cũng có thể được sử dụng để quản lý tài nguyên như nước, năng lượng và rác thải.

• Theo dõi và quản lý vật nuôi: công nghệ LoRa có thể được áp dụng trong

việc theo dõi và quản lý vật ni trong các ngành chăn ni. Nó cho phép theo dõi vị trí, sức khỏe và hoạt động của vật nuôi từ xa, giúp cải thiện quản lý và giảm thiểu rủi ro.

• Theo dõi và quản lý chuỗi cung ứng: LoRa có thể được sử dụng để theo

dõi và quản lý chuỗi cung ứng trong các ngành công nghiệp như logistics và quản lý kho. Nó cho phép theo dõi vị trí, tình trạng và thơng tin liên quan của hàng hóa từ nguồn gốc đến đích cuối cùng.

Đây chỉ là một số ứng dụng phổ biến của công nghệ LoRa trong lĩnh vực IoT. Cơng nghệ này có khả năng truyền dẫn xa, tiết kiệm năng lượng và khả năng xuyên tường, làm cho nó trở thành một lựa chọn hữu ích cho các ứng dụng IoT trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

2.3.1 Chuẩn giao tiếp SPI trong truyền nhận không dây LoRa

Chuẩn giao tiếp SPI được sử dụng trong truyền nhận LoRa cung cấp một cách hiệu quả để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module LoRa [14]. Các đặc điểm chi tiết của giao tiếp SPI trong truyền nhận LoRa.

• Giao tiếp Full Duplex: Giao tiếp SPI trong truyền nhận LoRa cho phép truyền dữ liệu đồng thời hai chiều (Full Duplex). Vi điều khiển có thể gửi dữ liệu đi (truyền) thông qua chân MOSI và đồng thời nhận dữ liệu từ module LoRa thông qua chân MISO. Điều này cho phép vi điều khiển và module LoRa

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

truyền và nhận dữ liệu một cách đồng thời, tăng tốc độ truyền dữ liệu và hiệu suất.

• Tốc độ truyền dữ liệu cao: Giao tiếp SPI hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ cao. Tốc độ truyền dữ liệu thường được thiết lập và điều chỉnh bởi vi điều khiển, và tùy thuộc vào thiết bị và môi trường ứng dụng. Việc truyền dữ liệu nhanh giúp đảm bảo việc truyền thông LoRa được thực hiện một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

• Đồng bộ hóa: Giao tiếp SPI trong truyền nhận LoRa sử dụng tín hiệu đồng hồ (SCK) để đồng bộ hóa q trình truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module LoRa. Tín hiệu SCK cung cấp xung đồng hồ đồng bộ cho việc truyền và nhận dữ liệu, đảm bảo rằng cả hai thiết bị đang hoạt động cùng một tốc độ và thời gian.

• Đa thiết bị: Giao tiếp SPI cho phép kết nối nhiều thiết bị Slaves với một thiết bị Master duy nhất. Mỗi thiết bị Slave có một chân NSS/CS riêng để được chọn hoặc bỏ chọn. Vi điều khiển sẽ kích hoạt chân NSS/CS tương ứng để chọn module LoRa cần truyền hoặc nhận dữ liệu.

• Độ tin cậy cao: Giao tiếp SPI trong truyền nhận LoRa cung cấp độ tin cậy cao, đảm bảo rằng dữ liệu được truyền và nhận một cách chính xác và khơng bị mất mát. Khi vi điều khiển và module LoRa tuân thủ cùng một chuẩn SPI, đảm bảo sự tương thích và khả năng truyền thơng đáng tin cậy.

Hình 2. 9: Chuẩn giao tiếp SPI [14]

Hình 2.9 mơ tả chuẩn giao tiếp SPI. Thông qua giao tiếp SPI, vi điều khiển và module LoRa có thể truyền và nhận dữ liệu một cách nhanh chóng, đồng bộ và tin

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

cậy. Điều này giúp xây dựng các ứng dụng LoRa đáng tin cậy và hiệu quả, như hệ thống cảm biến từ xa, mạng cảm biến không dây, theo dõi và điều khiển từ xa, và nhiều ứng dụng IoT khác.

2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C

I2C là một chuẩn giao tiếp sử dụng hai dây, cho phép vi điều khiển (Master) giao tiếp với các vi điều khiển khác hoặc các module ngoại vi (Slave). Giao tiếp I2C cho phép kết nối một Master với một Slave, một Master với nhiều Slave, hoặc nhiều Master với nhiều Slave.

I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

• SDA (Serial Data): Đường truyền dữ liệu hai chiều giữa master và slave, được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu.

• SCL (Serial Clock): Đường mang tín hiệu xung nhịp, được sử dụng để đồng bộ hoạt động truyền nhận dữ liệu giữa master và slave.

Chuẩn giao tiếp I2C là chuẩn giao tiếp truyền đồng bộ nối tiếp và chuẩn này cần 2 điện trở kéo lên hỗ trợ truyền nhận dữ liệu. Giá trị điện trở tùy thuộc vào mỗi module.

Hình 2. 10: Giao tiếp giữa Master và Slave [15]

Hình 2.10 cho thấy giao tiếp giữa một master với nhiều slave thì các slave khơng được tự giao tiếp lẫn nhau. Chỉ khi master gửi tín hiệu điều khiển đến đúng địa chỉ slave tương ứng thì slave đó mới bắt đầu giao tiếp với master ở chức năng truyền hoặc nhận dữ liệu. Đối với giao thức I2C master chọn slave tương ứng thông qua địa chỉ được gán trên mỗi slave.[15]

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

2.3.3 Chuẩn giao tiếp UART

Ở hình 2.11 cho thấy giao thức truyền thông UART là một chuẩn giao tiếp dữ liệu giữa hai thiết bị, chẳng hạn như giữa vi điều khiển và vi điều khiển, vi điều khiển

và module, hoặc giữa các module hỗ trợ giao tiếp UART.

Chuẩn giao tiếp UART sử dụng ba chân truyền nhận dữ liệu.

Khi giao tiếp giữa hai UART với nhau thì chân truyền (TX) UART thiết bị 1 nối với chân nhận (RX) UART thiết bị 2, chân truyền (TX) UART thiết bị 2 nối với chân nhận (RX) UART thiết bị 1 và chân GND của 2 UART phải được nối chung với nhau để so sánh mức điện áp.

Hình 2. 11: Giao tiếp giữa 2 UART [16]

UART là một chuẩn giao tiếp bất đồng bộ, khác với chuẩn giao tiếp I2C, vì nó khơng sử dụng tín hiệu xung nhịp (clock). Để truyền và nhận dữ liệu, hai thiết bị cần đồng nhất về tốc độ truyền/nhận, được gọi là tốc độ baud.[16]

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 2.4.1 Giới thiệu về Visual Studio Code (VS Code)

VS Code, phát triển bởi Microsoft, là một mơi trường phát triển tích hợp (IDE) đa nền tảng. Nó có thể được cài đặt trên nhiều hệ điều hành như Windows, macOS và Linux. VS Code được thiết kế như một sự kết hợp tối ưu giữa trình chỉnh sửa mã (Code Editor) và mơi trường phát triển tích hợp [19]. Hình 2.15 là giao diện chính của phần mềm VS Code

Hình 2. 12: Giao diện chính VS Code

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

Đối với đề tài này nhóm chọn Visual Studio Code để lập trình cho ESP32, và trang Web. VS Code hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình khác nhau như C/C++, C#, Html, Css, Java,...Trên mơi trường VS Code cịn hỗ trợ nền tảng PlatformmIO IDE. Nền tảng này giúp việc lập trình cho ESP32 được thuận tiện hơn, dễ nhìn hơn. Tuy nhiên, tính năng nổi bật nhất của VS Code là hỗ trợ lập trình nhiều ứng dụng Web, giúp người sử dụng lập trình và thiết kế Web một cách chuyên nghiệp. Hình 2.17 là giao diện vùng lập trình của VS Code.

Hình 2. 13:Giao diện vùng lập trình của VS Code 2.4.2 Platform I/O IDE for VS Code

Hình 2.17 cho thấy Arduino IDE hoạt động tốt cho các ứng dụng nhỏ. Tuy nhiên, đối với các dự án nâng cao với hơn 200 dòng code, nhiều file và các tính năng nâng cao khác như tự động hoàn thành và kiểm tra lỗi, VS Code với phần mở rộng PlatformIO IDE là giải pháp thay thế tốt nhất. [20]

Dưới đây là một số lợi thế của việc sử dụng VS Code với PlatformIO IDE so với Arduino IDE truyền thống:

• Tự động phát hiện cổng COM của board mạch.

• IntelliSense: Tự động hồn thành code khi chúng ta đang gõ. VS Code sẽ cố gắng đoán những gì bạn muốn viết, hiển thị các khả năng khác nhau và cung cấp thông tin chi tiết về các tham số của hàm đang được gọi.

• Tự động phát hiện và gạch chân các lỗi có trong mã trước khi biên dịch. • Mở nhiều tab và file cùng một lúc.

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

• Có thể ẩn đi từng phần của code.

Hình 2. 14:Giao diện vùng lập trình Platform I/O IDE for VS Code

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

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 3.1.1 Yêu cầu hệ thống

-Từ những vấn đề và giải pháp đặt ra trong đề tài: “Thiết kế hỗ trợ tìm kiếm trong rừng”, nhóm đã thiết kế và thi cơng mơ hình thiết bị thực hiện các chức năng sau:

+ Hệ thống nhận và lưu trữ thông tin tín hiệu được phát đi bởi những thiết bị khác.

+ Hệ thống có thể gửi tin nhắn qua lại với các thiết bị khác, có thể truy cập vị trí theo thời gian thực để gửi tín hiệu cầu cứu.

+ Hiển thị thông tin nhận được trên màn hình Oled.

+ Độ trễ thấp, hạn chế nhiễu để thơng tin truyền đi chính xác hơn.

+ Kết nối giữa thiết bị Master và Slave ổn định và khoảng cách xa để thuận tiện cho người dùng.

</div>

thiết kế và thi công thiết bị hỗ trợ tìm kiếm và liên lạc trong trường hợp khẩn cấp

<b>THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ HỖ TRỢ TÌM KIẾM VÀ LIÊN LẠC TRONG TRƯỜNG HỢP KHẨN CẤP </b>

S K L 0 1 2 3 5 0

<b>LỜI CẢM ƠN</b>

<b>TĨM TẮT </b>

<b>DANH MỤC CÁI TỪ VIẾT TẮT </b>

<b>DANH MỤC CÁI BẢNG BIỂU </b>

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN</b>

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT </b>

<b>CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG </b>

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về