Nghiên cứu thử nghiệm mạng lora với module cad lora RN2903

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỦ THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÈ TÀI “NGHIÊN cứu, THỬ NGHIỆM MẠNG LORA VỚI MODULE CAD LORA RN2903” Giảng viên hưóng dẫn TS NGUYỀN HOÀI GIANG Sinh viê.

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỦ - THÔNG TIN

ĐÈ TÀI: “NGHIÊN cứu, THỬ NGHIỆM MẠNG LORA VỚI MODULE CAD-LORA RN2903”

Giảng viên hưóng dẫn: TS NGUYỀN HOÀI GIANG

Sinh viên thục hiện: vũ QUÓC HOÀN

Lớp : K16A

Khoá : 2013-2017

Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 5/2017

MỎ DẦU

Trong thời đại cộng nghệ ngày nay, việc truyền nhận thông tin, giao tiếp giữa các thiết bị điện tử ngày càng phổ biến và chiếm một ưu tiên lớn để phát triến Cách đây một vài năm mọi người đã nói về Internet of Things sẽ thay đối thế giới như thế nào Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết bị có những thử thách nhất định đặc biệt là ở phương thức truyền dẫn Tuy nhiên mới đây, một chuẩn giao tiếp không dây mới đã được

ra đời đê giãi quyết cho những khó khăn này có tên là LoraWan Với nhiều ưu điềm so với những mạng không dây khác, dù chỉ mới được ra đời Lora đã được lan rộng và phô biến tại nhiều nơi trên thế giới Nhiều cuộc thứ nghiệm đã được diễn ra đê kiêm chứng cho khả năng cùa mạng này và đều đã thu được những kết quà khả quan Trong đó, với một nước đang phát triển như Việt Nam, đây chính là thời cơ để chúng ta nắm bắt công nghệ cũng như tận dụng đề bứt phá phát triển, đưa vào ứng dụng trong thực tiễn, phát triền những hệ thống IOT trong nước một cách tối ưu, không trờ lên tụt hậu so với xu hướng đi lên cúa các nước trên thế giới nhất là khi thời đại cộng nghiệp 4.0 đang đến gần

Đế bắt kịp với xu hướng công nghệ mới này, tại nước ta cũng đã bắt đầu có những ý tưởng, dự án nhàm ứng dụng Lora vào những mô hình lot thức tế như giao thông thông minh, thiết bị định vị người bị nạn

Thời gian qua, nhờ có cơ hội được học hói, tim hiều về cộng nghệ mạng Lora em đã cho ra sán phầm module truyền nhận sóng R.F Lora “Cad-Lora R.2903” Sản phẩm này hoạt động như môt thiết bị đầu cuối trong cấu trúc mạng LoraWan, với mục đích gứi dữ liệu về các cồng Gateway

Và để trinh bày rô hơn về những vấn đề này, cũng như để giới thiệu module “Cad- Lora R2903”, trong bàn đồ án này cúa em sẽ gồm những nội dung cơ bán sau:

• Giói thiệu khái quát về ÍOT và mạng Lora

• Cấu trúc mạng và các đặc tính của công nghệ mạng Lora

• Mô hình ứng dụng trong thực tế

• Thiết kế module truyền nhận Cad-Lora R2903

Trong quá trình làm đồ án, do thời gian tìm hiếu còn hạn hẹp và kiến thức có phần hạn chế, băn đồ án này của em vẫn còn nhiều thiếu sót, một số nội dung chưa được chi tiết,

em rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý cùa các thầy cô đê em hoàn thiện hơn

LỜI CẢM ON

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp

đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp cùa người khác Trong suốt thời gian từ khi bát đầu học tập ớ giáng đường đại học đến nay - khi em hoàn thành được bản đồ án này,

em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô gia đình và bạn bè.Với lòng biết cm sâu sac nhất, em xin gửi đến quý thầy cô ờ Khoa Công nghệ Điện tử - Thông tin - Viện Đại học Mở Hà Nội lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời càm ơn sâu sác các thầy cô đã dành tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo - TS Nguyễn Hoài Giang đã quan tâm giúp đờ, hướng dẫn em hoàn thành tốt bán báo cáo này trong thời gian qua Neu không có những lời hướng dần, dạy báo của thầy thì em nghĩ bán luận văn này của em rất khó có thế hoàn thiện được Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy.Không thê không nhắc tới sự tin tưởng, giúp đỡ của Ban lãnh đạo Công ty cổ phần công nghệ cao Cadpro, cùng sự hướng dần tận tình cùa các anh chị phòng Thiết Ke công

ty đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian làm việc tại công ty.Cuối cùng, em xin chân thành căm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và làm báo cáo

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm, cơ sờ vật chất còn hạn che của một học viên, báo cáo này không thê tránh dược những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chi bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô đế em có điều kiện bồ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn trong công tác thực tế sau này

Trân trọng cám ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẢN

Điểm: (Bằng chữ: )

Ngày tháng năm 2017 Giàng viên hướng dẫn

MỤC LỤC Mỏ- đầu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VÈ IOT VÀ MẠNG LORA 1

1.1 Giới thiệu về IOT và công nghệ mạng không dây 1

1.2 Khái niệm, nền táng hình thành mạng Lorawan 9

1.3 Kết luận 12

CHƯƠNG 2 CÁU TRÚC MẠNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA ’ 13

2.1 Cấu trúc mạng 13

2.2 Các đặc tính 17

2.2.1 Phạm vi hoạt động 18

2.2.2 Tính bảo mật 19

2.2.3 Tiêu thụ năng lượng 22

2.2.4 Phân chia tần số và ánh hướng đến độ nhiễu 23

2.2.5 Dung lượng mạng 25

2.3 Ưu, nhược điềm 26

2.3.1 Ưu điểm: 26

2.3.2 Nhược điểm: 29

2.4 Kết luận 30

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH ÚNG DỤNG TRONG THỤC TÉ 31

3.1 Triển khai mạng Lora trên thế giới 31

3.1.1 Thí nghiệm đánh giá khả năng phù sóng mạng Lora cùa SEMTECH 31

3.1.2 Mạng lưới toàn cầu dựa trên LoRaWan của Inmarsat 36

3.1.3 Bộ điều khiến đèn chiếu sáng InteliLIGHT Lora ở Szada 37

3.1.4 ứng dụng trong một số lĩnh vực khác 40

3.2 Mạng Lora tại Việt Nam 41

3.2.1 Thiết bị đeo hồ trợ tìm kiếm người bị nạn trên biến 41

3.3 Kết luận 47

CHƯƠNG 4 THIÉT KÉ MODULE TRUYỀN NHẬN “CAD - LORA RN2903” 48

4.1 Giới thiệu khái quát về sản phẩm 48

4.2 Quy trinh thiết kể 52

4.2.1 Thiết kế phần cứng 52

4.2.2 Lập hồ sơ thiết kế 53

4.2.3 Thử nghiệm sản phẩm trên thực tế 55

4.3 Phần mềm điều khiển Module 56

4.4 Kết luận 60

Kết luận 61

Tài liệu tham khảo 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hỉnh giám sát cây trồng ứng dụng IOT 3

Hình 1.2: Các thống kê dự đoán về IOT tới năm 2020 5

Hình 1.3 Một số loại mạng không dây và phạm vi sử dụng 7

Hình 1.4: So sánh đặc điếm của Lora với các mạng không dây khác 10

Hình 2.1 Cấu trúc mạng LoraWan 13

Hình 2.2 Các loại thiết bị đầu cuối mạng dùng trong mạng Lora 14

Hình 2.3: Biểu đồ tốc độ truyền tin phụ thuộc vào SF và dung lượng gói tin 16

Hình 2.4 Tồng thể mô hình bảo mật cùa mạng Lora 21

Hình 2.5 Cấu trúc bào mật cùa một gói tin khi truyền trong mạng LoRaWan 22

Hình 2.6 Phân chia tần số và các thống số kĩ thuật với mạng Lora của từng khu vực 24

Hình 2.7: Một số ưu điểm khi sử dụng LoraWan 27

Hình 3.1 Ví trí module LoraMote được đặttrên nóc xe ô tô 32

Hình 3.2 Ví trí module LoraMote được đặt được đặt trên thuyền 32

Hình 3.3 Bản đồ nhiệt tín hiệu vô tuyển trong thí nghiệm ở Oulu 34

Hình 3.4 Mô hình hệ thống chiếu sáng đường phố ở Szada 38

Hình 3.5 Thiết bị điều khiến inteliLIGHT LoRa 39

Hình 3.6 Hệ thống cân tại trạm thu phí đường cao tốc Pháp Vân - Ninh Binh 43

Hình 3.7 Mô phỏng thiết bị tại trạm cân 46

Hình 4.1: Sơ đồ khối module Cad-Lora RN2903 49

Hình 4.2 Chip RN2303 cùa SEMTECH 50

Hình 4.3 Kết nổi phần cứng của RN2903 51

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch 52

Hình 4.5 Sơ đồ mạch in của mạch 53

Hình 4.6: Mô tả linh kiện đặt lớp dưới mạch 54

Hình 4.7: Mô tà linh kiện đặt lớp trên mạch 54

Hình 4.9 Mạch hoàn chinh sau khi cấp nguồn 55

Hình 4.10 Giao diện phần mcm LORA DEVELOPMENT UTILITY 56

Hình 4.11 Danh sách các thiết bị ABP được lưu trữ trong Server 57

Hình 4.12 Các bước gửi một gói tin từ module 57

Hình 4.13 Hiển thị số gói tin đã nhận ở Gateway 57

Hình 4.14 Thông tin các gói tin mà Gateway đã nhận được 58

Hình 4.15 Giao diện phần mềm điều khiển module 59

DANH MỤC BẢNG BIẾU

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của mạng Lora 17

Bảng 3.1 Các kênh tần số và quy định 33

Bàng 3.2 Kết quả đo với cảm biến gắn trên ô tô 35

Bảng 3.3 Kết quà đo với cảm biển gắn trên thuyền 35

Báng 4.1 Cài đặt UART của Chip RN2903 51

Báng 4.2 Kết quà thí nghiệm đo khoáng cách mạng Lora 55

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẤT

thời gian

Cường độ tín hiệu thu được

Métrologic Legale

Tiêu chuẩn của tố chức đo lường pháp

lý quốc tế

IOT VẤ MẠNG LORA

CHUÔNG 1 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VÈ IOT VÀ MẠNG LORA

Ngày nay, đi cùng với sự phát triên cúa xã hội, nhu cầu và đòi hói về chất lượng cuộc sống, giảm áp lực công việc ngày càng tàng cao Đe đáp ứng được các nhu cầu thiết yếu

đó, khoa học kĩ thuật cũng đang ngày một phát triển và được ứng dụng phố biến trong mọi lĩnh vực giúp tăng năng suất, hiệu quá lao động và giảm thiểu tối đa sức lao động cùa con người Và đinh cao cùa sự phát triển đó là tiến tới một mạng lưới các hệ thống tự vận, tự điếu khiển và kết nối được với nhau Ớ đó, mọi đồ vật, con vật hoặc con người được cung cấp các định danh riêng và khả nàng tự động truyền tài dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máy tính Người ta gọi đó là IOT (internet of things) - mạng lưới thiết bị kết nối Internet Thế giới đang chuyến minh mạnh mẽ trước xu the IOT và làn sóng đó cũng nhanh chóng du nhập vào các quốc gia đang phát triến như Việt Nam Với nền tảng dựa trên các loại mạng không dây đang được phố biến hiện nay như Wifi, Bluetooth , ZigBee và mới nhất là Lora với những ưu điểm riêng, hứa hẹn mang lại một bước tiến mới cho công nghệ mạng không dây và giúp cho IOT trờ lên hoàn thiện hơn

1.1 Giói thiệu về 1OT và công nghệ mạng không dây

1OT về cơ bân là sự kết nối của các đối tượng với nhau qua Internet Trong một nghĩa rộng hơn, đây là sự ảo hóa và là một xu hướng công nghệ hiện đại, với mục tiêu thu thập

dữ liệu từ những đối tượng chúng ta quan tâm và chuyến đổi chúng thành dạng có thể xử

lý trên máy tính, mang lại những giá trị mới, phục vụ cho lợi ích cùa con người Trong

mô hình IOT, mọi đồ vật, con vật hay kế cà con người đều có thê được nhận biết và định dạng (identifiable) đế phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh nhờ đó chúng dễ dàng trao đổi và truyền tài thông tin, dữ liệu một cách hiệu quả, tiện lợi thông qua mạng Internet mà không cần sự tương tác trực tiếp giữa người với thiết bị hay giữa người với người Điều đó có nghĩa là khi mọi thiết bị đã được “Internet hóa”, chỉ với một thiết bị thông minh, chang hạn như Smart tivi, Smartphone hay thậm chí chì bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay đã được hỗ trợ loT, người dùng có thể điều khiển chúng mọi lúc mọi nơi mà không bị giới hạn về mặt thời gian và không gian; nhờ đó tiết kiệm

IOT VẤ MẠNG LORA

được tối đa thời gian, công sức và giảm tài áp lực cho con người, mang lại lợi ích về kinh

tế vô dùng to lớn, được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực trong đời sống thường ngày cũng như trong sân xuất, công, nông nghiệp Theo nghiên cứu của hãng nghiên cứu và phân tích thị trường Machina Research ước tính sẽ có 27 tỷ kết nối loT vào năm 2022 và

cơ hội thu nhập của ngành này sẽ đạt tới 3 nghìn tỷ dollar Mỹ

Đề thấy rò được những gì mà 1OT mang lại chúng ta sẽ tìm hiểu qua một số ứng dụng trong ba lĩnh vực chính mà mô hình IOT đang được áp dụng: nông nghiệp, sản xuất và trong cuộc sống Một trong những ngành có sự thay đồi nhiều nhất kế từ khi IOT ra đời

đó chính là nông nghiệp thông minh So với nên nông nghiệp thù công truyền thống, thì nông nghiệp có sử dụng các ứng dụng IOT đem lại hiệu quá lớn hơn rất nhiều, đồng thời tiết kiệm đáng kế sức lao động của con người Với những thiết bị đã được tự động hóa, người ta dễ dàng theo dõi được vị trí và tình trạng của vật nuôi, giám sát các điều kiện phát triến các loại cây trồng, và toi ưu hóa hiệu suất của thiết bị nông nghiệp Các loại cây trồng có giá trị cao có thê được theo dõi bời các cảm biến không dây nhằm giúp ghi nhận các thông số (nhiệt độ không khí, độ am, nhiệt độ đất, độ ấm cùa đất, áp suất khí quyển, bức xạ mặt trời, đường kính thân cây/ gốc/ quà, tốc độ và hướng gió, lượng mưa ), với các dữ liệu thời gian thực được thu thập đường lưu trữ và xử lý thông qua điện toán đám mây cho phép truy cập thông qua máy tính kết nối internet hoặc smartphone Thông tin này tiện lợi trong việc đồng bộ hệ thống tưới tiêu và sử dụng các biện pháp can thiệp khác để phù họp với điều kiện trồng tại tìrng địa phương

IOT VẤ MẠNG LORA

Hình 1.1 MÔ hình giám sát cây trồng ứng dụng IOT

Hình 1.1 mô tả khái quát một mô hình giam sát cây trồng thông minh Tại đó, các càm biến được sử dụng để đo độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng, độ PH, của cây trồng rồi truyền về máy tính qua mạng không dây đế người dùng có the dễ dàng theo dõi Các dữ liệu này được lưu trừ trực tuyến ờ trong Cloud

Hay một ví dụ khác, thứ mà đang được nhắc đến rất nhiều hiện nay là hệ thống nhà thông minh Một mô hình “Smart house” dien hình sẽ có các tính năng cơ bàn: khi chúng ta bước gần về đến cửa nhà, cơ chế điều khiển tự động tích hợp trong chìa khóa (hay thậm chí là điện thoại, thẻ tín dụng, smartwatch) của chúng ta sẽ tự động mở cửa từ xa Khóa cửa sẽ gửi tín hiệu không dây đến hệ thống mạng nội bộ trong nhà, trước hết là khiến đèn cửa và hàng lang được kích hoạt Hệ thống điều hòa, vốn đã chuyến sang trạng thái chờ khi chúng ta rời đi, sè tiếp tục hoạt động trở lại Chiếc tủ lạnh thông thường của bạn khi không được kết nối với thiết bị nào Nếu muốn ghi lại nhiệt độ ờ từng thời điểm cùa tủ để theo dõi, chúng ta chi có cách đo đạc và ghi lại thủ công rồi nhập vào một máy tính hay thiết bị lưu trữ nào đó Nhưng nếu chi cần có thêm cùa một thiết bị cảm biến rất nhỏ, tất

cà các số liệu này sẽ được tự động chuyến về máy tính một cách đầy đủ và chính xác mà không cần bất cứ tác động nào cũa con người Trong các ngành công nghiệp, săn xuất, IOT cũng dần trở lên phố biến và đang được áp dụng rất hiệu quả Tập đoàn General Electric (GE) của Mỹ được xem là một ví dụ tiêu biểu trong việc khai thác loT Tập đoàn này có thể tiên liệu được chu trình báo trì cúa một động cơ máy bay hay tua-bin điện gió

IOT VẤ MẠNG LORA

nhờ tích hợp loT Bằng cách phân tích dữ liệu thu thập được, GE tiết kiệm được rất nhiều thời gian và chi phí Các kỹ sư của GE biết được khi nào sẽ phải tiến hành bảo dưỡng một động cơ thay vì cách làm truyền thống là tự đặt ra lịch trình bào dưỡng cứng nhắc nhưng chưa chắc đã thực sự cần thiết với thiết bị Không những thế, việc lập lịch cho các thiết bị tự hoạt mà không cần đến sự tác động của con người giúp giảm bớt các chi phí về nhân công, nâng cao hiệu quả lao động và rút ngắn thời gian trong sản xuất Ngoài ra, còn rất nhiều lĩnh vực khác cũng đang được sử dụng các ứng dụng IOT và đem lại hiệu quà tích cực Có thế kế đến ngay như trong bán lẻ hàng hóa, y tế, bảo vệ môi trường, vận tài hay giao thông thông minh

Sự phát triên cùa loT được thúc đấy bới 4 yếu tố quan trọng Đầu tiên là cảm biến chi phí thấp, thứ hai là công nghệ di động, tiếp theo đó là khả năng phân tích dữ liệu lớn, và cuối cùng là điện toán đám mây Cảm biến giá rẻ đang nổi lên như là một trinh điều khiên rất quan trọng đối với sự phát triển của hệ thống IOT, với đặc điếm tiện lợi và nhỏ gọn hơn bao giờ hết để có thể gán vào bất kì đối tượng, thiết bị nào, chúng sẽ là con mắt và đôi tai điện tử của người sử dụng với khả năng phát hiện và ghi lại chính xác mọi thay đồi của thế giới xung quanh Còn đối với doanh nghiệp thì tính di động lại đang là yếu tố thiết yếu và tập trung tất cả mọi thứ trong một ứng dụng Doanh nghiệp phải phát triển các ứng dụng cùa mình để có thế biết và theo dõi vị trí một cách tự động của bất cứ thiết

bị CNTT nào Và khi có nhiều kết nối được thực hiện, sẽ dẫn đến khối lượng dữ liệu lớn

và là tiền đề cho khái niệm bùng no dĩr liệu Ví dụ khi nói về thành phố thông minh thì bản chất ớ đây là thu thập tất cà dữ liệu từ những đối tượng kết nối và chuyển chúng thành thông tin Khả năng phân tích dữ liệu lớn đóng vai trò quan trọng đề điều khiển, quàn lý cả hệ thống Cuối cùng, nơi lưu trữ, xử lý những dữ liệu đó cùa chính là điện toán đám mây Tại sự kiện NetEvent 2016 diễn ra hồi tháng 5/2016 vừa qua tại Singapore với chù đề “The loT Will Disrupt Everything - Or Will It? You Be the Judge”, nhiều chuyên gia đã nhận định rằng điện toán đám chính là nơi tạo ra khả năng, sức mạnh và là nguồn lưu trữ khống lồ cho loT với những ưu điểm như an toàn, báo mật cao, dung lượng không giới hạn, tối đa chi phí, tốc độ và đơn giản, dỗ sử dụng

Mặc dù khái niệm Internet of Things đã được đưa ra từ lâu (bới Kevin Ashton vào năm 1999) Nhưng chi trong vài năm gần đây nó mới được nhiều doanh nghiệp cũng như

Dự báo Internet of Things đến năm 2020:

Theo ước tính của công ty ABI Research về IOT đến năm 2020 cho kết quả:

+ 4 tỷ người kết nối với nhau

+ 4 ngàn tỷ USD doanh thu

đó có thế làm việc với tất cả các loại xe ô tô của các hãng sản xuất khác nhau Tiếp đến

đó là chưa có những giải pháp bảo mật tương xứng loT có hai chức năng chính là: thu thập/phân tích thông tin tự động từ các thiết bị và điều khiến hoạt động cùa chúng từ xa

Cả hai chức năng này đều truyền thông tin qua mạng Internet và lưu trữ dữ liệu trên điện toán đám mây, nơi vẫn luôn tiềm ấn khả năng bị tấn công Vì vậy, nguy cơ bảo mật đối với tất cả các thiết bị kết nối tới Internet nói chung đều khó có thể tránh khỏi Ngoài việc phát triển thiết bị và các bộ giao thức để chúng giao tiếp với nhau, một hệ sinh thái cũng cần phải có các phần mềm bảo mật tương xứng đi kèm, thậm chí là còn phải được chú trọng hơn Khả năng bào mật sẽ phải được hồ trợ bởi hạ tầng đám mây chứ không chỉ ở phạm vi thiết bị Bời với loT, các thiết bị không chi còn đơn thuần liên quan tới công việc

mà liên quan rất nhiều tới cá nhân người dùng loT cũng làm dấy lên mối lo ngại về vấn

đề tính riêng tư của các dữ liệu cá nhân Các thông tin trong thời gian thực về vị trí vật lý, hay các thông tin cập nhật về cân nặng, huyết áp, tình trạng sức khỏe, thói quen có thế được sử dụng bời các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe Người dùng có the được

sử dụng các ứng dụng với mức phí rè song các thông tin này có thê sẽ được nhà cung cấp

IOT VẤ MẠNG LORA

bán cho bên thứ ba để phục vụ quảng cáo hay một mục đích kinh doanh khác Điều này làm gia tãng sự lo ngại về tính riêng tư của mỗi người Yếu tố cuối cùng nhưng cũng quan trọng không kém đó là sự tiêu hao năng lượng và nguồn sử dụng cho các thiết bị Cấp nguồn cho các thiết bị trong hệ thống loT và mạng kết nối chúng cũng là một trong những vấn đề cần phái giải quyết, đặc biệt là với các thiết bị không thể cấp nguồn trực tiếp như đồng hồ đo nước, vật nuôi, cây trồng Việc cấp nguồn cho các thiết bị cảm ứng này sẽ làm gia tăng đáng kế chi phí, kích thước của thiết bị và đôi khi là cần những công nghệ cấp nguồn mới tốn kém Từ đó có thế thấy, đê khai thác được hết những tiềm năng lớn và nguồn lợi khổng lồ mà loT mang lại, vẫn còn khá nhiều vấn đề cần phải giải quyết dành cho những nhà phát triển công nghệ

Đế kết nối trên diện rộng và khoảng cách xa, thực chất các thiết bị trong thế giới Internet of Things sẽ phải tận dụng rất nhiều kênh truyền tải dữ liệu không dây khác nhau

Personal Area Local Area Wide Area

Hình 1.3 Một số loại mạng không dây và phạm vi sử dụng

IOT VẤ MẠNG LORA

Hiện nay có rất nhiều các mạng không dây đang được sứ dụng trong ứng dụng IOT như Wifi, Bluetooth, hay các mạng di động Bluetooth thích họfp đề dùng cho việc điều khiến thiết bị ở khoảng cách gần, xung quanh người sử dụng Wifi có khoảng cách xa hơn, kết nối được trong phạm vi một vài tòa nhà còn mạng di động thì thuộc mạng diện rộng, có khoảng cách rất xa nhờ có các trạm thu phát sóng Chúng ta đã khá quen thuộc với Wi-Fi và Bluetooth vì chúng xuất hiện thường trực xung quanh, được áp dụng rộng rãi theo tiêu chuẩn và phục vụ các ứng dụng liên quan đến truyền thông thiết bị cá nhân khá tốt Hiện tại rất nhiều thiết bị đã dùng một trong hai hoặc cả hai kết noi này, từ smartphone, tablet, TV, tủ lạnh, lò vi sóng cho đến các bóng đèn thông minh Bên cạnh

đó, những thiết bị mang tính công nghiệp hơn, chẳng hạn như máy bơm, van áp suất, robot thì dùng Wi-Fi, hoặc có thể là Zigbee ZigBcc còn được gọi là chuẩn 802.15.4, nó

là một giao tiếp tầm gần được kỳ vọng sẽ tăng trường mạnh trong vòng 5 năm tới Trong khi đó, mạng di động thi có thế được dùng để theo dõi xem những tài sản, gói hàng đang luân chuyến đến đâu, hoặc đế giám sát các phương tiện giao thông công cộng nhờ khà năng bao phú tầm xa cùa mạng Ví dụ, nhà mạng AT&T ở Mỹ đã cung cấp một dịch vụ

sử dụng thè SIM đê theo dõi các tác phàm nghệ thuật khi chúng được chuyên giữa các cuộc triển lãm, hoặc khi đóng thùng đế chuyến đi những nơi xa hơn

Tuy nhiên tất cà các mạng không dây kế trên mồi loại đều có những hạn chế nhất định riêng Rõ ràng Wi-Fi và ZigBec không thế phù sóng đi xa Nếu chi dùng trong nhà thi ổn, nhưng khi đưa vào các xướng sàn xuất, các cánh đồng hàng trăn hecta, hệ phức hợp khai thác dầu mỏ, đèn đường và nông trại thì Wi-Fi không còn là lựa chọn tốt Còn mạng di động thì luôn tiêu tốn rất nhiều năng lượng và gần như yêu cầu bát buộc phải có bộ sạc nguồn đi kèm cho mồi thiết bị Vì thế, các mạng kế trên đều chưa phải là những lựa chọn tối ưu nhất Bởi vậy, việc sử dụng một loại sóng radio điện năng thấp có thể phát sóng xa chính là thứ còn thiếu trong lĩnh vực loT Và gần đây nhất mạng Lorawan ra đời như là chiếc chìa khóa để giải quyết cho vấn đề này và khắc phục được điểm yếu của các mạng không dây khác

IOT VẤ MẠNG LORA

1.2 Khái niệm, nền tảng hình thành mạng Lorawan

Điều chế LoRa nằm ở lớp vật lý (physical layer) cũa LoRaWAN, sừ dụng điều chế dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum Chirp và một biến thế Spread Spectrum (CSS), một

kỹ thuật phố lan rộng, ở đó tín hiệu được điều chế bởi các xung chirp (xung tần số thay đối có dạng hình sin) do đó tăng khá năng phục hồi và chống nhiều, hiệu ứng Doppler và multipath Nó là một MAC protocol cho high capacity long range và Low Power Wide Area Networks (LPWAN) cho phép hoạt động trên các băng tần ISM 433, 868 hoặc 915 MHz, tùy thuộc vào khu vực mà nó được triển khai Tải trọng cùa mồi lần truyền có thế dao động từ 2-255 octet Và tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 50 Kbps LoRa Alliance là một

tố chức mờ phi lợi nhuận với các thành viên làm việc đế chuẩn hóa LoRa Wide Area Network protocol (a.k.a LoRaWAN) cho LPWAN LoRaWAN chú trong vào những nhu cầu cơ bán của loT như bào mật giao tiếp 2 chiều (bidirection communication), tính di động và các dịch vụ nội địa

Công nghệ LoRaWAN được Semtech phát triển đầu tiên trong một số đòng chip của mình và lần đầu tiên được trình diễn tại triển lãm điện từ tại Munich năm 2014 Một mạng LoRaWAN đã được triên khai thử nghiệm ờ nhiều khu vực của Munich với khoảng 1.000 thiết bị loT để phục vụ cho việc trình diễn này Tại hai Triển lãm lớn nhất về điện

tử viễn thông trong năm 2015 là Triển lăm hàng điện tử tiêu dùng CES 2015 tại Mỹ và Triển lãm di động toàn cầu MWC 2015 diễn ra hồi tháng 3/2015 tại Barcelona, công nghệ này cũng đã có mặt và trở thành tâm điểm được chú ý

• Low data -Low data rate

• Very low power •Lwpw*

• Very short distance *Mesh s,ruc,ure

• Medium data rate

• Low data rate

• Very low power

Hỉnh 1.4: So sánh đặc diem của Lora với các mạng không dây khác

Có thế dỗ dàng nhận thấy điểm nối bật của mạng Lora khi so sánh với từng loại mạng không dây khác được thế hiện cụ thể như sau:

chục kilometer

• So với Bluetooth: mạng Lora có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, nhưng truyền được xa hơn đến hàng nghìn lần và tốn ít năng lượng hơn

• So với Zigbee: Tiết kiệm năng lượng và truyền xa hơn

trăm lần nhưng tốc độ truyền tài lại thấp hơn khá nhiều

giao tiếp không bằng so với mạng di động Nhưng bù lại, có ưu điểm về vấn đề năng lượng và chi phí đế triển khai, xây dưng cơ sở hạ tầng thấp

Từ đó thấy được tại sao Lora được đánh giá là vượt trội so với các mạng không dây khác trong ứng dụng hệ thống IOT bởi nó giãi quyết được vấn đề quan trọng trong triển khai các ứng dụng IOT trước đây là yêu cầu chỉ cần truyền rất ít bít dữ liệu để theo dõi

IOT VẤ MẠNG LORA

(monitor) các thiết bị tầm xa LPWAN thích hợp cho việc gửi một lượng nhở dữ liệu, hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn, nhưng lại tiêu tốn rất ít năng lượng.Chính vì những lợi ích vượt trội và tầm quan trọng có thể nhận thấy rõ của lorawan

mà hiệp hội Alliance LoraWan đã được hình thành (2015) đê hỗ trợ sư phát trền của công nghệ này với nhiều gương quen thuộc trong làng công nghệ như: Cisco, IBM, Actility, Semtech, Microchip Technology, Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom Tính đến nay hiệp hội này đã có tới 450 thành viên bao gồm các nhà khai thác mạng di động, các nhà sản xuất Sensor, Gateway và cà các nhà cung cấp, quản lý phần mềm ứng dụng trên Web

Cuối tháng 3/2016 vừa qua, Bouygucs Telecom cũng chính thức công bố kết thúc dự

án thừ nghiệm công nghệ này và đánh giá hiệu quà hoạt động trong điều kiện thực tế tại Pháp trong vòng 16 tháng Công ty Bouygues cho biết: “công nghệ mạng LoRa rất phù hợp với nhiều chuẩn mạng, đồng thời có thể áp dụng trong nhiều ngành như năng lượng, giao thông, logistic, nông nghiệp, thương mại, môi trường và các ngành sản xuất ” Với kết quà khả quan thu được, nhà mạng này cho biết sẽ hợp tác cùng Semtech và chính thức bat tay vào triến khai mạng loT đầu tiên tại Pháp dựa trên công nghệ này Theo đó, mạng

đã chính thức đi vào hoạt động từ tháng 6 năm ngoái tại Issy-les-Moulineaux và một phần của Paris, sử dụng những thiết bị quan trọng trên mạng bằng sán phẩm cúa Bouygues Telecom với hơn 15.000 trạm Từ cuối năm nay, khoáng 500 thị trấn và thành phố sẽ được bao phù bởi mạng loT này, bao gồm Paris, Marseille, Lyon, Lille, Nice, Rennes, Montpellier và Angers Các mạng LoRaWAN tương tự cũng đang được triển khai tại một vài nước khác như Tây Ban Nha, Thuỵ sĩ, Belgacom bởi các nhà mạng tham gia hiệp hội

Với lực lượng hỗ trợ hùng hậu hiện có, LoraWan đang phát triển với tốc độ khá nhanh

và đánh dấu một bước đột phá trong công nghệ truyền mạng không dây, góp phần không nhở vào phát triển hệ thống IOT phố biến trên toàn thế giới Với công nghệ mạng Lora, khá năng thích nghi trong nhiều ứng dụng cùa nó hứa hẹn sẽ vượt xa so với các mạng hiện hành và sẽ được chọn đê sứ dụng trong phần lớn các mô hình 1OT ờ tương lai không

xa với dự tính sẽ có khoảng 11% các kết nối loT sẽ sử dụng LPWAN vào năm 2025

IOT VẤ MẠNG LORA

1.3 Kết luận

Qua phần này, chúng ta đã thấy được khái niệm về IOT, vai trò của IOT trong cuộc sống hiện nay, một bức tranh toàn cành về “Thời đại Internet hoá” qua một vài ví dụ trong một số lĩnh vực cụ thể, nhũng thuận lợi cũng như thách thức mà IOT gặp phải trên con đường phát triển Đi kèm với đó là những chuấn giao tiếp không dây đang được sử dụng phổ biến cho IOT và M2M Tuy nhiên do các môi trường truyền dẫn hiện có đều gặp phải nhũng hạn chế nhất định, một chuẩn giao tiếp mới đã ra đời - LoraWan với nhiều ưu điếm vượt trội và đang được rất nhiều các doanh nghiệp, nhà phát triển mạng viễn thông coi như là chìa khỏa đế giải quyết những vấn đề còn tồn đọng trong việc đưa IOT đến gần hơn với tất cà mọi người Khá nhiều những thừ nghiệm đã được diễn ra và

cả một hiệp hội có tên Alliance Lorawan đã được hình thành nhàm mục đích hợp tác giữa các doanh nghiệp để cũng hồ trợ phát triển chuẩn giao thức mới này Chương tiếp theo sẽ giúp chúng ta hiếu được điều gi đã đem lại cho LoraWan sức hấp dẫn lớn đến vậy

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

CHUÔNG 2 CẤU TRÚC MẠNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH

CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

2.1 Cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng LoRaWAN thông thường dựa trên cấu trúc mạng hình sao (Star topology), được liên kết như trong hình 2.1, bao gồm các thành phần chính:

• Thiết bị đầu cuối (1)

• Bộ phận trung tâm (gateway) (2)

• Server (3)

Hình 2.1 Cấu trúc mạng LoraWanTrong đó các gateway đóng vai trò hết sức quan trọng, là cầu nối giữa các thiết bị đầu cuối và một máy chủ mạng trung tâm ở phía cuối Các gateway này được kết nối để trâ lời và chuyển tiếp các gói tin đã nhận từ thiết bị đầu cuối lên Server sau khi đã bổ sung thêm thông tin về chất lượng của gói tin đã nhận Mồi cổng có thể hồ trợ từ 8 đến 64 kênh, cho phép hàng triệu tin nhắn mỗi ngày được xử lý bởi một mạng Việc truyền từ

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

Gateway lên Server được thực hiện thông qua các kết nối IP của mạng có thông lượng cao hơn như Ethernet, di động 3G hay các mạng vô tuyến, hữu tuyến khác Máy chủ Server nam trong Cloud, xử lý các gói tin từ nhiều Gateway và hướng đến một ứng dụng Server - nơi quản lý các ứng dụng người sử dụng Người dùng có thế thiết lập các

“event” nhất định hoặc kết hợp các event đó qua trình duyệt web với giao diện đơn giàn,

dễ sử dụng Nhờ đó dề dàng sừ dụng và kết nối các úng dụng LoraWan qua một chiếc Smartphone hay một chiếc máy tính thông thường Các ứng dụng này sẽ được tích hợp với các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn như Amazon Web Services và Microsoft Azure Còn các thiết bị đầu cuối sẽ sứ dụng phương thức truyền dần vô tuyến dạng single hop để truyền tới 1 hoặc nhiều gateway Việc thiết lập mạng đơn giản, dễ dàng cấu hình lại mạng (thêm, bớt các trạm) và có thể kiểm soát, khắc phục sự cố nhanh, đồng thời tận dụng được tối đa tốc độ truyền của đường truyền vật lý Đe phục vụ cho nhiều mục đích trong từng ứng dụng cụ thế, ngoài các kỹ thuật tiên tiến, LoRaWAN phân loại 3 loại thiết

bị đầu cuối khác nhau dành cho các ứng dụng khác nhau Cụ thể:

Battery powered sensors

* Most energy efficient

• Must be supported by all devices

* Downlink available only alter sensor TX

B

£

r

Battery Powered actuators

• Energy efficient with latency controlled downlink

• Slotted communication synchronized with a beacon

í

c Main powered actuators

• Devices which can afford IO listen continuously

• No latency lor downlink communication

Hình 2.2 Các loại thiết bị đầu cuối mạng dùng trong mạng Lora

- Loại A: Được hồ trợ dùng được cho tất cà các thiết bị Dành cho những ứng dụng yêu cầu việc gửi nhận thông tin hai chiều bảo mật Trong đó mỗi đường truyền uplink sẽ kết hợp với 2 đường downlink dung lượng nhở Kênh truyền dẫn được sắp xếp một cách ngẫu nhiên dựa trên nhu cầu truyền dẫn thực tế của thiết bị với độ sai lệch tương đối thấp

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

Thiết bị loại A có công suất hoạt động thấp nhất, dành cho các ứng dụng mà thông tin truyền từ server tới thiết bị ngắn gọn, tốn ít dung lượng

- Loại B: Nếu như với loại A, kênh truyền dẫn dành cho đường downlink được phân

bô ngầu nhiên thì với loại B một đường downlink bô sung sẽ được mở tại một thời diêm

đã được lên lịch sẵn sau khi nhận được tín hiệu đồng bộ thời gian từ gateway Nó cho phép server biết được khi nào thiết bị sẵn sàng nhận thông tin Thiết bị loại này dành cho các ứng dụng mà máy chù cần gửi thông tin điều khiến về các thiết bị đầu cuối tại những thời diêm nhất định

- Thiết bị truyền dẫn hai chiều với kênh nhận dữ liệu lớn (Loại C): Với loại này, chiều nhận dữ liệu cùa thiết bị đầu cuối gần như mở liên tục Dành cho các ứng dụng mà chiều nhận dừ liệu từ server về là chính

Hầu hết các thiết bị ngoại vi này có thể được trang bị các loại cảm biến kỹ thuật số I2C khác nhau, cpu Cortex-M3, và phần mềm được viết bằng c như là một khối mã nguyên khối, được lập trình và nạp vào bộ nhớ của thiết bị Bởi phục vụ cho các mục đích hoạt động khác nhau nên thời gian sử dụng và công suất tiêu thụ cúa từng loại thiết

bị cũng tùy thuộc vào từng thiết bị, do đó tuối thọ của pin dùng cho từng loại cũng khác nhau Thiết bị loại c tiêu thụ nhiều năng lượng nhất, trong khi thiết bị loại A lại tốn ít năng lượng nhất và có tuôi thọ pin cao nhất Tính tới thời điềm hiện tại, các thiết bị loại

A và B đã được cung cấp ra ngoài thị trường còn thiết bị loại c vần đang trong quá trình

dự thảo

Cấu trúc vật lý của cả 3 loại thiết bị này là tương tự nhau Giao tiếp giữa các thiết bị đầu cuối và gateway bắt đầu bằng một thủ tục đế tham gia vào mạng có thê xảy ra trên nhiều kênh tần số (ví dụ ở EU863-870 ISM Band có 3 kênh 125 kHz phải được hỗ trợ bởi tất cả các thiết bị đầu cuối và 3 kênh 125 kHz bố sung) Mỗi frame được truyền đi với một Factor Spread (SF) cụ thể, được tính bàng SF = log2 (Rc / Rs), trong đó Rs là tốc độ baud (bit/s) và Rc là tốc độ chip Có sự cân bằng giữa tốc độ truyền đi với khoáng cách giao tiếp Các SF càng cao (nghĩa là việc truyền chậm hơn) thì khoảng cách truyền nhận càng lớn Các mã được sử dụng trong các SF khác nhau là trực giao Điều này có nghĩa là nhiều khung có thế được trao đối trong mạng cùng một lúc, miễn là mồi một gói được gửi

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

đi với một trong sáu SFs khác nhau (từ SF = 7 đến SF = 12) Tùy thuộc vào SF đang được sử dụng, tốc độ dừ liệu LoRaWAN dao động từ 0.3 kbps đến 27 kbps

Cấu trúc một gói tin được truyền đi trong mạng sẽ chứa 2 preamble (thường có 8 ký tự), một tiêu đề (header), tài trọng (có kích thước tối đa từ 51 Bytes đến 222 Bytes, tùy thuộc vào SF) và trường CRC (Cyclic Redundancy Check) đã được cấu hình để cung cấp một tốc độ mã hóa từ 4/5 đến 4/8 Các giá trị băng thông tiêu chuẩn (BW) là 125, 250 và

500 kHz trong dãi HF ISM 868 và 915 MHz, trong khi các băng tần LF 160 và 480 MHz

là 7,8, 10,4, 15,6, 20,8, 31,2, 41,7 và 62,5 kHz Tốc độ truyền dữ liệu thô thay đổi theo

SF và băng thông, và dao động trong khoảng 22 bps (BW = 7,8 kHz và SF = 12) đến 27 kbps (BW = 500 kHz và SF = 7)

MAC pay load size (Bytes)

Hình 2.3: Biểu đồ tốc độ truyền tin phụ thuộc vào SF và dung lượng gói tin.Trong điều kiện với code rate = 4\5 và bandwidth 125 kHz, có thể thấy với hệ số lan truyền SF các thấp thì càng rút ngắn thời gian truyền gói tin Đồng thời, thời gian truyền tin cũng tỉ lệ thuận với kích thước của gói dữ liệu

Nhờ được thiết kế dựa trên cấu trúc mạng hình sao và có những đặc điểm riêng giúp phù hợp cho nhiều loại ứng dụng khác nhau, mạng Lora có tiềm năng để phát triển, thích ứng được trong nhiều mô hình IOT tùy thuộc vào nhu cầu thông tin cần truyền tăi và tính chất của ứng dụng

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

Công suất truyền của

thiết bị đầu cuối

EU:<+14dBmUS:<+27dBm

Tốc độ truyền dừ liệu

(Uplink)

EU: 300 bps to 50 kbpsUS:900-100kbpsTốc độ truyền dữ liệu

(Dowlink)

EU: 300 bps to 50 kbpsUS:900-100kbps

Số thiết bị cho mồi

Access Point

Uplink:>lMDownlink:<100k

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của mạng LoraBáng 2.1 thể hiện các thông số cơ bán đặc trưng cùa mạng Lora Trong đó các nhà phát triển mạng đặc biệt quan tâm đến phạm vi truyền dần, tính báo mật, độ tiêu hao năng lượng và các quy định về tần số cho phép hoạt động Chúng ta sẽ đi tìm hiếu chi tiết về các đặc tính này đê hiêu vi sao LoraWan lại được giới công nghệ ví như là chiếc chìa khóa cho thành công cùa ngành công nghiệp 4.0

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

2.2.1 Phạm vi hoạt động

Như đã giới thiệu, Lora là một mạng diện rộng, hướng tới két nối M2M ở khoảng cách rất xa Phạm vi bao phũ cùa mạng phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn, điều kiện thời tiết và các chướng ngại vật xung quanh phạm vi truyền Trung binh việc truyền dữ liệu từ thiết bị đầu cuối tới Gateway có the lên tới 100km ở trong môi trường điều kiện thuận lợi 15km trong môi trường bán nông thôn và 2-3 km ở khu vực thành thị đông dân

cư với mức năng lượng có sẵn Link budgets từ 158 dB đến 168 dB

Mô hình trên thực tế tại thành phố Amsterdam (Hà Lan) cho thấy chi với 10 cồng Gateway toàn bộ thành phố với tổng diện tích 219,3 km2 đã được báo phù bời sóng Lora Các thiết bị tham gia sẽ được trang bị một loại chip cực nhò do Scmtech sản xuất với giá thành chí khoáng 1 USD mồi sản phâm Bên trong con chip SX1272 này sẽ chứa các cảm biến LoRaWAN có thế giữ kết nối giữa thiết bị với các trạm thu phát trong bán kính lên tới khoảng 16 km Dù rằng tốc độ của mạng mang lại không cao, chỉ dành cho những thiết bị loT đơn giản nhưng chi cần thiết bị có chip LoRaWAN là có thể kết nối vi vu vào mạng cộng đồng tại tất cà mọi nơi trong thành phố Qua đó thế hiện sự vượt trội về khoảng cách truyền tải của mạng Lora so với các mạng không dây khác đang được sử dụng hiện nay Từ đó nâng cao được phạm vi kiếm soát các cảm biến từ trung tâm

* Khả năng định vị vị trí địa lý: Là yêu cầu bát buộc trong ngành công nghiệp 4.0 Tuy nhiên, các giải pháp dựa trên GPS là không khả thi bời chi phí quá cao cũng như điện năng tiêu thụ lớn LoraWan cỏ khă năng cung cấp được chính xác vị trí địa lý cua các thiết bị ngoài trời và di động mà không cần sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đắt tiền mà thay vào đó sừ dụng phương pháp TDOA (Time Difference Of Arrival) và các kỹ thuật lai khác đê xác định vị trí mà không cần có các bộ xử lý bô sung và không mất thêm chi phí cho nút cuối Vị trí của thiết bị sẽ được xác định bằng các thuật toán trong Cloud sử dụng thời điếm đến cùa một gói tin từ một Sensor đến nhiều Gateway mà được đồng bộ chính xác về thời gian Điều chế và băng thông cùa LoRaWAN cũng thích hợp đế kết nối các đối tượng di chuyền nhanh, không giống như các giải pháp băng rộng nhưng tính di động hạn chế khác Ước tính, giải pháp định vị vị trí địa lý của LoRa giúp cải thiện việc sử dụng tài sản và giảm chi phí hoạt động tới 50% Các cảm biến thông

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

minh cho phép các công ty theo dõi vị trí của container cũng như điều kiện của chúng bằng cách thu thập số liệu về rung động, mở / đóng các cứa container, nhiệt độ hoặc độ

ẩm để quàn lý tốt hơn chất lượng hàng, mức tồn kho, tối ưu hóa kế hoạch sử dụng Trong nông nghiệp, vị trí địa lý cung cấp giá trị đầu vào giúp xác định nơi cần tưới đế đạt được năng suất cao nhất hay tỉm địa điểm chăn nuôi, giám sát được tình hình gia súc, gia cầm đang thả giông, kịp thời đưa ra các biện pháp chàm sóc, bảo vệ cần thiết

(EIUI64)

truy nhập vào trong dừ liệu cúa người sử dụng (EIU164)

• AppKey (8 bytes) -Bảo mật ở lớp thiết bị người dùng (EUI 128)Chế độ bảo mật của mạng lora được thiết kế tuân thù các nguyên tắc quy chuẩn nhất: thuật toán mã hóa và giài mã tuân theo chuẩn AES1, dược kiếm tra kỹ lường, có chế độ xác thực lẫn nhau giữa các thiết bị đầu cuối với hệ thống trung tâm mỗi lần kết nối Điều này cho phép chì các thiết bị đã được cho phép mới được truy cập vào môi trường mạng Thêm vào đó, LoRaWAN MAC và các tin nhắn ứng dụng được xác thực nguồn gốc, kiếm tra kĩ lưỡng cũng như mã hóa đảm bảo đường truyền trên mạng không bị thay đổi

và tránh được các tác nhân giả mạo, nghe trộm Lora là một strong số ít các mạng dùng cho IOT có bố sung thêm mã hóa đầu cuối (End to End - E2E) Trong khi một số mạng không dây truyền thống, dữ liệu chỉ được mã hóa trên OTA, nên nó vẫn được truyền đi dưới dạng văn bản thuần túy trong lõi của nhà mạng, dề dẫn đến rò ri thông tin, nôi dung truyền tải

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

CÓ hai phương thức quy chuẩn để một thiết bị đầu cuối được tham gia vào mạng Cách đầu tiên là qua OTAA Mỗi Node sẽ được triển khai với một khoá ứng dụng 128 bít duy nhất (AppKey) được sử dụng khi Node gửi một thông báo yêu cầu tham gia vào mạng Thông báo này không được mã hóa nhưng được xác thực bằng AppKey này bao gồm các giá trị AppEUỈ và DevEUl đặc trưng cộng với một DevNonce (một giá trị hai byte ngẫu nhiên tạo ra) Trong đó, AppEUI phải là mã duy nhất được cấp cho chủ sở hữu của thiết bị DevEUI là một định danh duy nhất toàn cầu cho thiết bị Ngoài ra, ba giá trị này được kí hiệu bới một MIC 4 bytes sừ dụng công thức tính:

mac=aesỉ28_cmac(AppKey, MHDR I AppEUI I DevEUI I DevNonce)

MIC = mac[0 3]

Máy chủ sẽ kiếm tra các giá trị và sau đó tính lại MIC với AppKey Neu hợp lệ, máy chù sẽ trả lời thông báo chấp nhận cho nút tham gia vào mạng Đồng thời, Server tạo ra một giá trị nonce của riêng nó (AppNonce) và tính hai khóa 128-bit mới của nút: khóa phiên làm việc (AppSKey) và khoá phiên mạng (NwkSKey) dựa trên công thức:

NwkSKey = aesl28_encrypt(AppKey, 0x01 AppNonce I NetlD I DevNonce I pad 16) AppSKey = ae.sl28_encrypt(AppKey, 0x02 I AppNonce ị NetlD I DevNonce I pad ỉ 6)

Phản hồi cho phép tham gia bao gồm một AppNonce, địa chi của thiết bị đầu cuối (DevAddr) cùng với dữ liệu cấu hình cho độ trễ RF (RxDelay) và các kênh nút được sử dụng (CFList) Một MIC được tạo ra từ Server bằng cách tính toán sau:

mac = aesl28_cmac(AppKey, MHDRIAppNonceI NetID IDevAddrIRFUIRxDelayICFList)

MIC = mac[0 3]

Dừ liệu này được gửi lại sử dụng AppKey làm khóa mã hóa Bằng cách này, Nút có thề sừ dụng AppKey đế giãi mã dữ liệu và sau đó tính toán phím AppSKey và NwkSKey bằng AppNonce

Cách thứ hai đề được phép truy cập vào mạng là qua ABP ABP khác với OTAA vì các nút được chuyển đi với DevAddr và cà hai khoá phiên (NwkSKey và AppSKey) đặc trưng cho mồi Node Do các Nút đã có thông tin và các mã khóa mà họ cần, nên chúng có

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

thê bắt đầu giao tiếp với Mạng máy chú mà không cần phải gửi các tin nhắn yêu câu truy cập

Device

Manulaơurers

Network Server Servers

Hình 2.4 Tông thể mô hình bão mật cùa mạng Lora

Các thiết bị đầu cuối sau khi được cho phép gia nhập vào mạng qua ABP hoặc OTAA bằng cách xác thực với máy chủ 2 khóa phiên AppSKey và NwkSKey (được tính qua AppKey) Trong đó NwkSKey mã hóa các lệnh MAC LoRaWAN và đế xác minh thiết bị với Server còn AppSKey được xác thực với máy chủ ứng dụng Nhiều thiết bị cảm biến hoặc nhiều ứng dụng mạng có thể cùng 1 Server nhưng sẽ có các khóa phiên riêng Bên cạnh đó còn có bảo mật trong lớp mạng (NetWork Security) từ Gateway đến Server và bào mật trong ứng dụng người dùng (Application Security) từ máy chù Server đến các ứng dụng triển khai

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

MAC Header Frame Header/

-1 -Enơyped with AppSKey

Compute MIC with NwkSKey

Hình 2.5 Cấu trúc bào mật của một gói tin khi truyền trong mạng LoRaWanTrong mã hóa trên đường mạng (NwkSKey), sẽ bao gồm thêm một bộ đếm khung Frame counter (để tránh bị phát lại gói tin) và một mã thông điệp toàn vẹn (Message Integrity Code - MIC) tính bàng AES-CMAC (để tránh các gói tin giá mạo)

Với cấu trúc bão mật chặt chẽ, được xây dựng trên nhiều lớp, từ thiết bị đầu cuối cho tới ứng dụng người dùng, chúng ta có thể yên tâm về độ an toàn trong an ninh mạng cúa mạng LoraWan, làm tiền đề cho phát triển các ứng dụng IOT, M2M vốn đòi hỏi rất cao

về khả năng bào mật

2.2.3 Tiêu thụ năng lượng

Một thách thức không nhỏ với các nhà phát triển IOT đó là làm thế nào hạn chế, tiết kiệm tối đa việc năng lượng tiêu thụ Việc sử dụng các ứng dụng loT như ngôi nhà thông minh hay giao thông thông minh tiêu tốn khá nhiều điện năng do các thiết bị hầu như phái hoạt động liên tục, nếu như sử dụng các mạng viễn thông thông thường sẽ khiến thời gian cho mồi lần sạc pin rút ngán lại Nếu sứ dụng thêm một vài ứng dụng tương tự sẽ khiến người dùng phải kè kè thiết bị sạc bên cạnh Điều này sẽ làm giảm đáng kể sức hấp dẫn cùa ứng dụng Đế giải quyết vấn đề trên, bên cạnh việc sừ dụng năng lượng mặt trời, thân nhiệt đê thay the cho năng lượng pin thông thường thi việc sứ dụng mạng LoraWan cũng là một gợi ý không tệ LoraWAN được thiết kế đề giảm điện năng tiêu thụ và mở rộng tuổi thọ pin của các cảm biến kết nối Hay trong một số hệ thống, việc truyền dữ

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

liệu được diễn ra theo sự kiện hoặc lịch trình LoraWan sử dụng giao thức truyền dữ liệu không đồng bộ, sau khi thức dậy để nhận tin nhắn từ máy chủ truyền đến hay sau khi thực hiện truyền đi một gói tin, nó sẽ tự động được đặt trờ lại chế độ “Sleep Mode” đế tiết kiệm pin Khi ở chế độ Mode Sleep, dòng sử dụng cho các thiết bị chi ở mức Nano- Amp, còn dòng dùng khi truyền dữ liệu cũng chi có đơn vị là Miliamp LoRaWAN cũng

hồ trợ che độ "beaconing" có tên là Class-B và "chế độ nhận liên tục" được gọi là Class-

c cho các ứng dụng với chi phí tiêu thụ điện năng cao hơn một chút Ngoài ra, nhờ được

hồ trợ Adaptive Data Rate (ADR) mà các nút cảm biến có thế điều chỉnh tốc độ truyền dừ liệu sao cho phù hợp nhất với môi trường Một nút ở gần cống Gateway hơn thì sẽ sử dụng ít năng lượng hơn, thời gian truyền ngắn hơn và tốc độ truyền cao hơn Mặt khác, một nút xa Gateway hơn sẽ sử dụng công suất phát cao hơn, tốc độ truyền nhận thấp hơn Điều này khác với các mạng canh tranh khác là liên tục phải pink mạng đế đồng bộ hóa và luôn sử dụng một tốc độ dừ liệu liên tục bất ke môi trường Bang việc sử dụng các càm biến tiêu thụ rất ít năng lượng, công nghệ tương đối đơn giản, giao thức của Lorawan loại bỏ các đồng bộ hóa ở lớp trên nên giảm thiếu công suất tiêu thụ, cho phép nhiều ứng dụng chạy được đồng thời trên mạng, có thè được triền khai trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong các hệ thống yêu cầu chỉ cần truyền rất ít bít dữ liệu đế theo dõi (monitor) các thiết bị tầm xa

Chúng ta có thể thấy các thiết bị sử dụng 3G, 4G của các nhà mạng viền thông có tính tiện lợi nhưng tiêu tốn năng lượng lớn đến mức nào Một loại mạng không dây khác là Zigbee được xếp vào hàng có mức tiêu thụ năng lượng thấp, thời gian sừ dụng pin dài ( một cặp pin AA có thể sử dụng lên đến 2 năm) nhưng vần sẽ là rất khiêm tốn nếu đem so với lora Trong một nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi GSMA cho kết quá việc sừ dụng mạng LoraWan trong các ứng dụng cộng nghiệp, nhà xưởng cho hiệu quả về năng lượng tốt hơn từ 3-5 lần so với các công nghệ mạng không dây khác Uớc tính thời lượng

đế sử dụng 1 pin AA cho mỗi thiết bị đầu cuối trong mạng lora lên tới 8-10 năm do giảm thiếu được công suất tiêu thụ trên các End-devices

2.2.4 Phân chia tần số và ảnh hưởng đến độ nhiễu

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

Việc giao tiếp giữa các thiết bị đầu cuối và gateway được thực hiện trên nhiều kênh tần số khác nhau ở các băng tần chưa được cấp phép dưới 1GHz (Unlienced Band) và sử dụng các tốc độ truyền dẫn dữ liệu khác nhau

TX Power Up ♦ 14dBm ♦20dBm typ

E o

mà tần số của Lora được chia thành các dài tần số khác nhau:

• Trung Ọuốc: 470-510MHz và 779-787MHZ

• Châu Á: dự kiến sứ dụng 2 tần số tùy thuộc vào các quốc gia:

- Ở Nhật Bàn, Singapore, Malaysia, Thái Lan, Hàn Quốc: 920-923MHZ

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

- Ở Việt Nam, Lào, Campuchia, New Zealand, Indonesia : 923- 925MHZ

Trong đó hiện nay mới chi có Châu Âu và Nam Mỹ là đã xác định được xong các thông số kì thuật đế đưa vào sử dụng với mạng LoraWan

• Châu Âu: được truyền trên 10 kênh, trong đó có 8 kênh có tốc độ từ 250 bps đến 5,5 kbps, một kênh có thể hoạt động với tốc độ dữ liệu cao hơn: ỉ 1 kbps và một kênh FSK ở tốc độ 50 kbps Công suất truyền tối đa so phép là +14 dBm

Hệ số lan truyền SF từ 7-12 tùy cấu hình

• Bắc Mỹ: hỗ trợ truyền trên 64 kênh 125/500 kHz, thêm vào đó là 8 kênh uplink 500kHz ở dải tần từ 903 MHz đến 914 MHz và 8 kênh downlink 500kHz ớ dái tần từ 923.3 MHz đến 927.5 MHz Công suất phát tối đa so phép là +30dBm

Hệ số lan truyền điều chinh từ 7-10 tùy cấu hình

Lựa chọn tốc độ truyền dẫn đế cân bằng giữa khoảng cách giao tiếp với dung lượng của tập tin Giao tiếp với các tốc độ truyền tin khác nhau giúp không làm ánh hưởng đến việc truyền dẫn cùa các thiết bị khác Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng Lora dao động trong khoáng từ 0.3 kbps đến 50 kbps Các kỹ thuật phố lan rộng mạnh hơn các chương trinh băng hẹp trong điều kiện kênh ồn và tốt hơn trong giảm thiếu nhiễu

Nhờ những yếu tố này mà khá năng nhiễu giữa các kênh là rất thấp, hạn chế tối đa được việc thất thoát dữ liệu và có tính ổn định cao

2.2.5 Dung lượng mạng

Đế có thể tạo ra một hệ thống mạng hình sao diện rộng, các Gateway trong mạng phải

có dung lượng hoặc khả năng nhận một khối lượng dữ liệu rất lớn Dung lượng mạng cao trong LoRaWAN đạt được bằng cách thay đổi tốc độ truyền dữ liệu phù hợp và sử dụng

bộ thu phát đa giao thức đa kênh trong công đe có thê nhận được các tin nhắn đồng thời trên nhiều kênh Những yếu tố chù chốt làm ảnh hưởng đến dung lượng cùa mạng là số

ĐẶC TÍNH CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG LORA

lượng các kênh đồng thời, tốc độ truyền dữ liệu (time on air), độ dài tải trọng, và tần suất truyền cùa nút Khi hệ số lan truyền SF thay đổi, tốc độ truyền cũng thay đổi Gateway tận dụng lợi thế của thuộc tính này bằng cách có the nhận dữ liệu từ các nút với nhiều tốc

độ truyền dữ liệu khác nhau trên cùng một kênh cùng một thời điếm Khi một nút ở gần Gateway hơn sẽ truyền với tốc độ nhanh hơn, thời gian truyền được rút ngắn, mở ra không gian cho các node khác truyền tái Nhờ tính năng này cho phép mạng LoRaWAN

có dung lượng rất cao và có thể mờ rộng được Một mạng có thề được triển khai với số lượng tối thiêu của cơ sờ hạ tang, và khi cần tăng công suất, có thế thêm nhiều cổng vào, chuyển đổi tốc độ dữ liệu, giảm số lần nghe đến các cổng khác, và mở rộng dung lượng lên 6-8 lần

2.3 Ưu, nhược điểm

2.3.1 Ưu điểm:

Không phái ngẫu nhiên mà ngay từ khi vừa mới được ra đời, LoraWan đã được gây được sự chú í và được người ta quan tâm phát triển đến vậy Những ưu điếm vượt trội so với các mạng không dây hiện hành giúp Lora thích hợp để sư dụng trong nhiều hệ thống IOT khác nhau