Công nghệ Lora trong Internet of Things

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 triển. Cách đây một vài năm mọi người đã nói về Internet of Things sẽ thay đổi 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 để giải quyết cho những khó khăn này có tên là Lora. Với nhiều ưu điểm so với những mạng không dây khác, dù chỉ mới được ra đời Lora đã được lan rộng và phổ biến tại nhiều nơi trên thế giới. Nhiều cuộc thử nghiệm đã được diễn ra để kiểm chứng cho khả năng của mạng này và đều đã thu được những kết quả 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 để bứt phá phát triển, đưa vào ứng dụng trong thực tiễn, phát triển những hệ thống IOT trong nước một cách tối ưu, không trở lên tụt hậu so với xu hướng đi lên của các nước trên thế giới nhất là khi thời đại cộng nghiệp 4.0 đang đến gần. Để bắt kịp với xu hướng công nghệ mới này, tại nước ta cũng đã bắt đầu có những ý tưởng, dự án nhằm ứng dụng Lora vào những mô hình Iot thức tế như giao thông thông minh, thiết bị định vị người bị nạn… Với hoàn cảnh cụ thể, nhu cầu thực tiễn đề ra nhóm em tiến hành thực hiện đề tài : “Thiết kế module giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường sử dụng mạng LORA”.

Giảng viên hướng dẫn: Ths.

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội:2021

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IOT VÀ LORA 5

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ MẠNG LORA 13

2.1 Khái niệm 13

2.2 Các đặc tính 14

2.2.1 Phạm vi hoạt động 14

2.2.2 Băng tần 14

2.2.3 Kỹ thuật điều chế 14

2.2.4 Tập giao thức 15

2.3 Ứng dụng 15

2.4 Ưu và nhược điểm mạng Lora 16

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ỨNG DỤNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG 17

3.1 Các linh kiện sử dụng 17

3.1.1 Arduino 17

3.1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 22

3.1.3 Module Lora SX1278 (UART) 23

3.2 Phần mềm sử dụng 24

3.3 Giải pháp thiết kế 25

3.3.1 Node con 25

3.3.2 Node trung tâm 27

3.4 Kết quả 30

KẾT LUẬN 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

PHỤ LỤC 34

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1.Mô hình giám sát cây trồng trong ứng dụng IoT 7

Hình 2.Thống kê dự đoán IoT tới năm 2021 9

Hình 3.Một số loại mạng không dây và phạm vi sử dụng 11

Hình 4.Kiến trúc hình sao mạng lora 13

Hình 5.Minh họa biến thiên tần số theo thời gian phát ra bởi bộ phát LoRa 15

Hình 6.Tập giao thức mạng LoRa 15

Hình 7.Arduino Uno 17

Hình 8.Board Arduino Nano 18

Hình 9.Vi điều khiển của Arduino Uno R3 19

Hình 10.Các chân của Arduino Uno R3 21

Hình 11.Sơ đồ chân Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 23

Hình 12.Hình ảnh về Lora SX1278 Ra-02 24

Hình 13.Giao diện của phần mềm Arduino IDE 25

Hình 14.Sơ đồ khối của node con 26

Hình 15:Sơ đồ két nối các node con 26

Hình 16.Lưu đồ thuật toán Node con 27

Hình 17.Sơ đồ khối node trung tâm 28

Hình 18.Sơ đồ kết nối khối trung tâm 28

Hình 19.Lưu đồ thuật toán node trung tâm 29

Hình 20.dữ liệu nhận được từ 2 node với humidity là node 1 và humidity2 là node 2 30

Hình 21.Ảnh node trung tâm 30

Hình 22.Node cảm biến 1 31

Hình 23.Node cảm biến 2 31

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại cộng nghệ ngày nay, việc truyền nhận thông tin, giao tiếp giữacác thiết bị điện tử ngày càng phổ biến và chiếm một ưu tiên lớn để phát triển Cáchđây một vài năm mọi người đã nói về Internet of Things sẽ thay đổi thế giới như thếnào Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết bị có những thử thách nhấtđịnh đặc biệt là ở phương thức truyền dẫn Tuy nhiên mới đây, một chuẩn giao tiếpkhông dây mới đã được ra đời để giải quyết cho những khó khăn này có tên là Lora.Với nhiều ưu điểm so với những mạng không dây khác, dù chỉ mới được ra đời Lora

đã được lan rộng và phổ biến tại nhiều nơi trên thế giới Nhiều cuộc thử nghiệm đãđược diễn ra để kiểm chứng cho khả năng của mạng này và đều đã thu được những kếtquả 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 để bứt phá phát triển, đưa vàoứng dụng trong thực tiễn, phát triển những hệ thống IOT trong nước một cách tối ưu,không trở lên tụt hậu so với xu hướng đi lên của các nước trên thế giới nhất là khi thờiđại cộng nghiệp 4.0 đang đến gần Để bắt kịp với xu hướng công nghệ mới này, tạinước ta cũng đã bắt đầu có những ý tưởng, dự án nhằm ứng dụng Lora vào những môhình Iot thức tế như giao thông thông minh, thiết bị định vị người bị nạn… Với hoàn

cảnh cụ thể, nhu cầu thực tiễn đề ra nhóm em tiến hành thực hiện đề tài : “Thiết kế

module giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường sử dụng mạng LORA”

Nội dung bao gồm các chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về IOT và Lora

Chương 2: Công nghệ mạng Lora

Chương 3: Thiết kế ứng dụng giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường

Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việcgiải quyết đề tài không thế tránh khỏi những thiếu sót Do đó rất mong sự chỉ bảo thêmcủa quý thầy cô cũng như sự đóng góp của các bạn bạn sinh viên

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IOT VÀ LORA

Ngày nay, đi cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu và đòi hỏi về chất lượngcuộc sống, giảm áp lực công việc ngày càng tăng cao Để đáp ứng được các nhu cầu

thiết yếu đó, khoa học kĩ thuật cũng đang ngày một phát triển và được ứng dụng phổbiến trong mọi lĩnh vực giúp tăng năng suất, hiệu quả lao động và giảm thiểu tối đasức lao động của con người Và đỉnh cao của sự phát triển đó là tiến tới một mạng lướicác hệ thống tự vận, tự điểu khiển và kết nối được với nhau Ở đó, mọi đồ vật, con vậthoặc con người được cung cấp các định danh riêng và khả năng tự động truyền tải dữliệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặccon người với máy tính Người ta gọi đó là IOT ( internet of things) - mạng lưới thiết

bị kết nối Internet Thế giới đang chuyển mình mạnh mẽ trước xu thế IOT và làn sóng

đó cũng nhanh chóng du nhập vào các quốc gia đang phát triển như Việt Nam Vớinền tảng dựa trên các loại mạng không dây đang được phổ biến hiện nay như Wifi,Bluetooth , ZigBee… và mới nhất là Lora với những ưu điểm riêng, hứa hẹn mang lạimột bước tiến mới cho công nghệ mạng không dây và giúp cho IOT trở lên hoàn thiệnhơn

IOT về cơ bản là sự kết nối của các đối tượng với nhau qua Internet Trong mộtnghĩa rộng hơn, đây là sự ảo hóa và là một xu hướng công nghệ hiện đại, với mục tiêuthu thập dữ liệu từ những đối tượng chúng ta quan tâm và chuyển đổi chúng thànhdạng có thể xử lý trên máy tính, mang lại những giá trị mới, phục vụ cho lợi ích củacon người Trong mô hình IOT, mọi đồ vật, con vật hay kể cả con người đều có thểđược nhận biết và định dạng (identifiable) để phân biệt bản thân đối tượng đó vớinhững thứ xung quanh nhờ đó chúng dễ dàng trao đổi và truyền tải thông tin, dữ liệumột cách hiệu quả, tiện lợi thông qua mạng Internet mà không cần sự tương tác trựctiếp 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, chẳng hạn như Smart tivi,Smartphone hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay đã được hỗtrợ IoT, người dùng có thể điều khiển chúng mọi lúc mọi nơi mà không bị giới hạn vềmặt thời gian và không gian; nhờ đó tiết kiệm được tối đa thời gian, công sức và giảmtải áp lực cho con người, mang lại lợi ích về kinh tế vô dùng to lớn, được ứng dụngtrong hầu hết các lĩnh vực trong đời sống thường ngày cũng như trong sản xuất, công,nông nghiệp… Theo nghiên cứu của hãng nghiên cứu và phân tích thị trường MachinaResearch ước tính sẽ có 27 tỷ kết nối IoT vào năm 2022 và cơ hội thu nhập của ngànhnày sẽ đạt tới 3 nghìn tỷ dollar Mỹ

Để thấy rõ được những gì mà IOT mang lại chúng ta sẽ tìm hiểu qua một sốứng 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 đổi nhiều nhất kể từkhi IOT ra đời đó chính là nông nghiệp thông minh So với nên nông nghiệp thủ côngtruyền thống, thì nông nghiệp có sử dụng các ứng dụng IOT đem lại hiệu quả lớn hơnrất nhiều, đồng thời tiết kiệm đáng kể sức lao động của con người Với những thiết bị

đã được tự động hóa, ta dễ dàng theo dõi được vị trí và tình trạng của vật nuôi, giámsát các điều kiện phát triển các loại cây trồng, và tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị nôngnghiệp… Các loại cây trồng có giá trị cao có thể được theo dõi bởi các cảm biếnkhông dây nhằm giúp ghi nhận các thông số (nhiệt độ không khí, độ ẩm, nhiệt độ đất,

độ ẩm của đất, áp suất khí quyển, bức xạ mặt trời, đường kính thân cây/ gốc/quả, tốc độ và hướng gió, lượng mưa…), với các dữ liệu thời gian thực được thuthập đường lưu trữ và xử lý thông qua điện toán đám mây cho phép truy cậpthông qua máy tính kết nối internet hoặc smartphone Thông tin này tiện lợi trongviệc đồng bộ hệ thống tưới tiêu và sử dụng các biện pháp can thiệp khác để phù hợpvới điều kiện trồng tại từng địa phương

Hình 1 mô tả khái quát một mô hình giam sát cây trồng thông minh Tại đó, cáccảm biến được sử dụng để đo độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng, độ PH,…của cây trồng rồitruyền về máy tính qua mạng không dây để người dùng có thể dễ dàng theo dõi Các

dữ liệu này được lưu trữ trực tuyến ở trong Cloud

Hình 1.Mô hình giám sát cây trồng trong ứng dụng IoT

Hay một ví dụ khác, thứ mà đang được nhắc đến rất nhiều hiện nay là hệ thốngnhà thông minh Một mô hình “Smart house” điển hình sẽ có các tính năng cơ bản: khichúng 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, trướchết là khiến đèn và hàng lang được kích hoạt Hệ thống điều hòa, vốn đã chuyển sangtrạng thái chờ khi chúng ta rời đi, sẽ tiếp tục hoạt động trở lại Chiếc tủ lạnh thôngthường của bạn khi không được kết nối với thiết bị nào Nếu muốn ghi lại nhiệt độ ởtừng thời điểm của tủ để theo dõi, chúng ta chỉ có cách đo đạc và ghi lại thủ công rồinhập vào một máy tính hay thiết bị lưu trữ nào đó Nhưng nếu chỉ cần có thêm của mộtthiết bị cảm biến rất nhỏ, tất cả các số liệu này sẽ được tự động chuyển về máy tínhmột cách đầy đủ và chính xác mà không cần bất cứ tác động nào của con người Trongcác ngành công nghiệp, sản xuất, IOT cũng dần trở lên phổ biến và đang được ápdụng rất hiệu quả Tập đoàn General Electric (GE) của Mỹ được xem là một ví dụ tiêubiểu trong việc khai thác IoT Tập đoàn này có thể tiên liệu được chu trình bảo trì củamột động cơ máy bay hay tua-bin điện gió nhờ tích hợp IoT Bằng cách phân tích dữliệu thu thập được, GE tiết kiệm được rất nhiều thời gian và chi phí Các kỹ sư của GEbiết được khi nào sẽ phải tiến hành bảo dưỡng một động cơ thay vì cách làm truyềnthống là tự đặt ra lịch trình bảo dưỡng cứng nhắc nhưng chưa chắc đã thực sự cần thiếtvới 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 quảlao động và rút ngắn thời gian trong sản xuất Ngoài ra, còn rất nhiều lĩnh vực kháccũng đang được sử dụng các ứng dụng IOT và đem lại hiệu quả tích cực Có thể kểđến ngay như trong bán lẻ hàng hóa, y tế, bảo vệ môi trường, vận tải hay giao thôngthông minh…

Sự phát triển của IoT được thúc đẩy bởi 4 yếu tố quan trọng Đầu tiên là cảmbiến chi phí thấp, thứ hai là công nghệ di động, tiếp theo đó là khả năng phân tích dữliệu lớn, và cuối cùng là điện toán đám mây Cảm biến giá rẻ đang nổi lên như là mộttrình điều khiển rất quan trọng đối với sự phát triển của hệ thống IOT, với đặc điểmtiện lợi và nhỏ gọn hơn bao giờ hết để có thể gắn vào bất kì đối tượng, thiết bị nào,chúng sẽ là con mắt và mọi thay đổi của thế giới xung quanh Còn đối với doanhnghiệp 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 của mình để có thể biết vàtheo dõi vị trí một cách tự động của bất cứ thiết bị CNTT nào Và khi có nhiều kết nốiđược thực hiện, sẽ dẫn đến khối lượng dữ liệu lớn và là tiền đề cho khái niệm bùng nổ

dữ liệu Ví dụ khi nói về thành phố thông minh thì bản chất ở đây là thu thập tất cả dữliệu từ những đối tượng kết nối và chuyển chúng thành thông tin Khả năng phân tích

dữ liệu lớn đóng vai trò quan trọng để điều khiển, quản lý cả hệ thống Cuối cùng, nơilưu trữ, xử lý những dữ liệu đó của chính là điện toán đám mây Tại sự kiện NetEvent

2016 diễn ra hồi tháng 5/2016 vừa qua tại Singapore với chủ đề “The IoT Will DisruptEverything – Or Will It? You Be the Judge”, nhiều chuyên gia đã nhận định rằng điệntoán đám chính là nơi tạo ra khả năng, sức mạnh và là nguồn lưu trữ khổng lồ cho IoTvới những ưu điểm như an toàn, bảo mật cao, dung lượng không giới hạn, tối đa chiphí, tốc độ và đơn giản, dễ sử dụng

Mặc dù khái niệm Internet of Things đã được đưa ra từ lâu (bởi Kevin Ashtonvào năm 1999) Nhưng chỉ trong vài năm gần đây nó mới được nhiều doanh nghiệpcũng như các nhà khoa học để ý và tập trung phát triển mạnh mẽ, trở thành tâm điểmcho sự đầu tư trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật

Và khi đã gây được sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng pháttriển của mình bằng những con số đáng kinh ngạc:

Dự báo Internet of Things đến năm 2020:

Hình 2.Thống kê dự đoán IoT tới năm 2021

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

+ 4 tỷ người kết nối với nhau

Viễn cảnh thị trường IoT là rất sáng sủa, tuy nhiên đây mới chỉ là dự kiến, đểthực tiễn hóa việc phát triển các thiết bị IoT phụ thuộc khá nhiều vào cách mà nó đếnvới người sử dụng và công nghệ - điều mà các nhà sản xuất hiện vẫn đang nỗ lực tạonên những trải nghiệm tốt nhất Bên cạnh rất nhiều cơ hội mở ra, vẫn còn không ítnhững rào cản, thách thức khiến cho IoT vẫn chưa được đưa vào sử dụng rộng rãitương xứng với những tiềm năng nó đem lại Đầu tiên có thể kể đến đó là thiếu các bộgiao thức chuẩn hóa Bao gồm cả nền tảng giao tiếp và quản lý Việc tạo ra một “ngônngữ giao tiếp” chung là điều cực kỳ cần thiết song hiện vẫn chưa có một ngôn ngữ nàonhư vậy Thực tế thì hầu hết người dùng đều sử dụng các thiết bị của các hãng sản xuấtkhác nhau trong nhà nên việc giao tiếp được giữa hai thiết bị của hai hãng khác nhau làcực kỳ cần thiết Việc đầu tư một số tiền không nhỏ để đồng bộ hóa tất cả thiết bị làđiều khó khả thi Sau ngôn ngữ giao tiếp chung, IoT cần một công cụ quản lý chungcho nhiều hệ thống khác nhau Ví dụ như muốn xây dựng một hệ thống giám sát vàđiều khiển giao thông, trong đó có thể làm việc với tất cả các loại xe ô tô của các hãngsản xuất khác nhau Tiếp đến đó là chưa có những giải pháp bảo mật tương xứng IoT

có hai chức năng chính là: thu thập/phân tích thông tin tự động từ các thiết bị và điềukhiển hoạt động của chúng từ xa Cả hai chức năng này đều truyền thông tin qua mạngInternet và lưu trữ dữ liệu trên điện toán đám mây, nơi vẫn luôn tiềm ẩn khả năng bịtấn công Vì vậy, nguy cơ bảo mật đối với tất cả các thiết bị kết nối tới Internet nóichung đều khó có thể tránh khỏi Ngoài việc phát triển thiết bị và các bộ giao thức đểchúng giao tiếp với nhau, một hệ sinh thái cũng cần phải có các phần mềm bảo mậttương xứng đi kèm, thậm chí là còn phải được chú trọng hơn Khả năng bảo mật sẽphải được hỗ trợ bởi hạ tầng đám mây chứ không chỉ ở phạm vi thiết bị Bởi với IoT,các thiết bị không chỉ còn đơn thuần liên quan tới công việc mà liên quan rất nhiều tới

cá nhân người dùng IoT 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 tincập nhật về cân nặng, huyết áp, tình trạng sức khỏe, thói quen… có thể được sử dụngbởi các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe Người dùng có thể được sử dụng cácứng dụng với mức phí rẻ song các thông tin này có thể sẽ được nhà cung cấp bán chobên thứ ba để phục vụ quảng cáo hay một mục đích kinh doanh khác Điều này làm giatăng sự lo ngại về tính riêng tư của mỗi người Yếu tố cuối cùng nhưng cũng quantrọng không kém đó là sự tiêu hao năng lượng và nguồn sử dụng cho các thiết bị Cấpnguồn cho các thiết bị trong hệ thống IoT và mạng kết nối chúng cũng là một trongnhững vấn đề cần phải giải quyết, đặc biệt là với các thiết bị không thể cấp nguồn trựctiếp như đồng hồ đo nước, vật nuôi, cây trồng…Việc cấp nguồn cho các thiết bị cảmứng này sẽ làm gia tăng đáng kể chi phí, kích thước của thiết bị và đôi khi là cầnnhững công nghệ cấp nguồn mới tốn kém Từ đó có thể thấy, để khai thác được hếtnhững tiềm năng lớn và nguồn lợi khổng lồ mà IoT mang lại, vẫn còn khá nhiều vấn

đề cần phải giải quyết dành cho những nhà phát triển công nghệ

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

Hình 3.Một số loại mạng không dây và phạm vi sử dụng

Hiện nay có rất nhiều các mạng không dây đang được sử dụng trong ứng dụngIOT như Wifi, Bluetooth, hay các mạng di động… Bluetooth thích hợp để dùng choviệc điều khiển thiết bị ở khoảng cách gần, xung quanh người sử dụng Wifi có khoảngcách xa hơn, kết nối được trong phạm vi một vài tòa nhà còn mạng di động thì thuộcmạng diện rộng, có khoảng cách rất xa nhờ có các trạm thu phát sóng Chúng ta đã kháquen 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 thôngthiết bị cá nhân khá tốt Hiện tại rất nhiều thiết bị đã dùng một trong hai hoặc

cả hai kết nối này, từ smartphone, TV, tủ lạnh, lò vi sóng cho đến các bóng đènthông minh Bên cạnh đó, những thiết bị mang tính công nghiệp hơn, chẳng hạn nhưmáy bơm, van áp suất, robot thì dùng Wi-Fi, hoặc có thể là Zigbee ZigBee cònđược gọi là chuẩn 802.15.4, nó là một giao tiếp tầm gần được kỳ vọng sẽ tăng trưởngmạnh trong vòng 5 năm tới Trong khi đó, mạng di động thì có thể được dùng để theodõi xem những tài sản, gói hàng đang luân chuyển đến đâu, hoặc để giám sát cácphương tiện giao thông công cộng nhờ khả năng bao phủ tầm xa của mạng Ví dụ, nhàmạng AT&T ở Mỹ đã cung cấp một dịch vụ sử dụng thẻ SIM để theo dõi các tác phẩmnghệ thuật khi chúng được chuyển giữa các cuộc triển lãm, hoặc khi đóng thùng đểchuyển đi những nơi xa hơn

Tuy nhiên tất cả các mạng không dây kể trên mỗi loại đều có những hạn chế nhất địnhriêng Rõ ràng Wi-Fi và ZigBee không thể phủ sóng đi xa Nếu chỉ dùng trong nhà thì

ổn, nhưng khi đưa vào các xưởng sản xuất, các cánh đồng hàng trăn hecta, hệ phứchợp 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 bắt buộcphải có bộ sạc nguồn đi kèm cho mỗi thiết bị Vì thế, các mạng kể trên đều chưa phải

là những lựa chọn tối ưu nhất Bởi vậy, việc sử dụng một loại sóng radio điện năngthấp có thể phát sóng xa chính là thứ còn thiếu trong lĩnh vực IoT Và gần đây nhấtmạng Lorawan ra đời như là chiếc chìa khóa để giải quyết cho vấn đề này và khắcphục được điểm yếu của các mạng không dây khác

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ MẠNG LORA 2.1 Khái niệm

LoRa™ (Long Range) là một kỹ thuật điều chế (modulation) dựa trên kỹ thuậtSpread-Spectrum là một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS) duy trì các đặctính công suất thấp giống như điều chế FSK nhưng làm tăng đáng kể phạm vi truyềnthông, giúp truyền khoảng cách xa hơn đáng kể so với các kỹ thuật khác Kỹ thuậtkhông dây LoRa được phát triển bởi Cycleo SAS và sau này được mua lại bởiSemtech

Cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng điển hình thường được sử dụng với công nghệ LoRa đó là kiếntrúc hình sao (Star topology) Để hiểu thêm, thông thường kiến trúc của một mạngLoRaWAN được tổ chức như sau: các thiết bị cuối (end-device) giao tiếp với gateway

sử dụng kỹ thuật LoRa và giao thức LoRaWAN, gateway sẽ chuyển tiếp gói tin từ thiết

bị đến server thông qua Ethernet hoặc Wifi và server sẽ gửi gói tin đến các end-devicetheo luồng ngược lại

Hình 4.Kiến trúc hình sao mạng lora

2.2 Các đặc tính

2.2.1 Phạm vi hoạt động

Các gói tin LoRa có thể truyền xa đến 5 Km trong khu vực thành thị và đến 15

Km ở khu vực ngoại ô với tốc độ dữ liệu khoảng 0,3 đến 22 Kbps (điều chế LoRa)hoặc 100 Kbps (điều chế GFSK) Do đó thường sử dụng ở môi trường ngoài trời nhưcác nông trường, trang trại,…

2.2.2 Băng tần

Băng tần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khácnhau trên thế giới:

– 430MHz cho châu Á

– 780MHz cho Trung Quốc

– 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

về tần số giữa bộ phát và bộ thu dễ dàng được loại bỏ trong bộ giải mã và còn giúpmiễn dịch với hiệu ứng Doppler Độ lệch tần số giữa bộ phát và bộ thu có thể lên đến20% băng thông mà không ảnh hưởng đến hiệu suất giải mã Ngoài ra, các module cóthể chuyển sang sử dụng kỹ thuật điều chế FSK hoặc GFSK tùy nhu cầu Các tham số

dùng để tùy biến điều chế LoRa là: băng thông (Bandwidth – BW), yếu tố lan truyền(Spreading Factor – SF) và tỉ lệ mã hóa (Code Rate – CR).

Hình 5.Minh họa biến thiên tần số theo thời gian phát ra bởi bộ phát LoRa

2.2.4 Tập giao thức

Tập giao thức của LoRa bao gồm các lớp sau:

– LoRa Application Layer

– LoRa MAC Layer

– LoRa PHY Layer

– LoRa RF Layer

Hình 6.Tập giao thức mạng LoRa

2.3 Ứng dụng

Với ưu điểm về khoảng cách truyền, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ LoRa

có thể ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau, điển hình một vài lĩnh vực có thểứng dụng mạng LoRa là:

1 Nông nghiệp thông minh (smart argriculture)

2 Thành phố thông minh (smart city)

4 Giám sát môi trường (smart enviroment)

5 Công nghiệp thông minh (Smart Industrial Control)

2.4 Ưu và nhược điểm mạng Lora

- Có thể bị kẻ xấu lợi dụng thâm nhập vào hệ thống truyền thông nhằm lấy cắpthông tin, làm lộ thông tin cá nhân và bí mật quốc gia, do đó việc bảo mật thông tintrong hệ thống mạng là nhiệm vụ quan trọng

- Sóng radio có ảnh hưởng tới sự phát triển của tế bào sống vì thế cần tôn trọngquy tắc an toàn về điện từ khi làm việc và sống trong môi trường phủ sóng radio

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ỨNG DỤNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI

TRƯỜNG 3.1 Các linh kiện sử dụng

3.1.1 Arduino

a) Giới thiệu chung

Nhắc tới lập trình hay nghiên cứu chế tạo bằng Arduino, dòng đầu tiên mà mọingười thường tìm hiểu là Arduino Uno và hiện tại đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3).Nếu mà người mới tìm hiểu bạn nên nghiên cứu Arduino Uno R3 hơn là tiếp cậnnhững dòng Arduino khác vì dòng Arduino Uno R3 rất dễ sử dụng đối với nhữngngười mới tiếp cận về lập trình

- Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND)

và một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫuArduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụngATMega328

Ngoài ra trong thiết kế còn sử dụng board Arduino Nano Board Arduino Nano

có cấu tạo, số lượng chân vào ra là tương tự như board Arduino Uno tuy nhiên đã đượctối giản về kích thước cho tiện sử dụng hơn Do được tối giản rất nhiều về kích thướcnên Arduino Nano chỉ được nạp code và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng miniUSB

Hình 8.Board Arduino Nano

b) Thông số kỹ thuật

Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

Chân vào/ra (I/O) số: 14 (6 chân có thể cho đầu ra PWM)

Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

Xung nhịp: 16MHz

c) Vi điều khiển của Arduino Uno R3

Hình 9.Vi điều khiển của Arduino Uno R3

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điềukhiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 vớigiá khoảng 90.000đ Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiềnkhông cho phép, bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tươngđương nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giá khoảng 45.000đ hoặcATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ

d) Năng lượng

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồnngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấpnguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB.Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

e) Các chân năng lượng

- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùngcác thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối vớinhau

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dươngcủa nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo

ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từchân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương vớiviệc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

- Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sứccẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO.Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựachặn giấy mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho cácthiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thểlàm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V

Khi mình nói rằng bạn “có thể làm hỏng”, điều đó có nghĩa là chưa chắc sẽhỏng ngay bởi các thông số kĩ thuật của linh kiện điện tử luôn có một sự tương đốinhất định Do đó hãy cứ tuân thủ theo những thông số kĩ thuật của nhà sản xuất nếubạn không muốn phải mua một board Arduino UNO thứ 2.Khi mình nói rằng bạn “cóthể làm hỏng”, điều đó có nghĩa là chưa chắc sẽ hỏng ngay bởi các thông số kĩ thuậtcủa linh kiện điện tử luôn có một sự tương đối nhất định Do đó hãy cứ tuân thủ theo