Hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN ứng dụng phát thanh cảnh báo lũ lụt VFASS

Bài viết đề xuất hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN với băng tần 923Mhz ứng dụng phát thanh cảnh báo lũ lụt VFASS. Giải pháp này nhằm tăng độ tin cậy, chính xác trong việc truyền tin cảnh báo lũ lụt và không phụ thuộc vào mạng viễn thông và nguồn điện lưới. Hệ thống cảnh báo lũ lụt thông minh VFASS đã được lắp đặt thử nghiệm thực tế tại Đà Nẵng.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Hệ Thống IoT Tích Hợp Cơng Nghệ LPWAN Ứng Dụng Phát Thanh Cảnh Báo Lũ Lụt VFASS Ngơ Đình Thanh1, Đỗ Thế Cần1, Fabien Ferrero2, Lê Thành Nhân2, Trần Anh Tuấn1, Dương Minh Quân1, Hà Vĩnh Long3, Trịnh Thế Trường3 Đại học Đà Nẵng – Trường Đại học Bách Khoa; Email: ndthanh@dut.udn.vn LEAT Universite Cote d’Azur, LEAT, CNRS; Email: Fabien.ferrero@unice.fr Công ty CP Tư vấn Phát triển Kỹ thuật Tài nguyên nước; Email: tainguyenuoc@watec.vn Abstract— Sự bùng nổ công nghệ IoT tất lĩnh vực đời sống với thách thức liên quan đến tiêu thụ lượng thấp trao đổi liệu khoảng cách xa Công nghệ truyền tin LPWAN đời nhằm góp phần giải thách thức Trong báo này, chúng tơi đề xuất hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN với băng tần 923Mhz ứng dụng phát cảnh báo lũ lụt VFASS Giải pháp nhằm tăng độ tin cậy, xác việc truyền tin cảnh báo lũ lụt không phụ thuộc vào mạng viễn thông nguồn điện lưới Hệ thống cảnh báo lũ lụt thông minh VFASS lắp đặt thử nghiệm thực tế Đà Nẵng thiết kế để hỗ trợ triển khai đa dạng ứng dụng IoT [1] Giải pháp cảnh báo lũ lụt VFASS tích hợp cơng nghệ LPWAN nhóm nghiên cứu phối hợp với công ty WATEC thiết kế, sản xuất thiết bị phát cảnh báo tự động truyền tín hiệu thơng qua mạng LoRaWAN mạng viễn thông, hệ thống cho phép kích hoạt cảnh báo qua giao tiếp mạng LoRaWAN [3] nhằm giải bất cập phương thức thông tin cảnh báo lũ lụt trường hợp sóng 3G/4G yếu sóng thời điểm cảnh báo, đặc biệt tính chủ động thích ứng với tình thiên tai, khẩn cấp Với kích thước nhỏ gọn, sử dụng nguồn lượng mặt trời, tiêu hao lượng thấp, kết nối không dây, vận hành kích hoạt cảnh báo khơng phụ thuộc vào mạng viễn thông, dễ dàng lắp đặt nên giải pháp khả thi, ứng dụng IoT để phát cảnh báo theo thời gian thực, phù hợp xu hướng cách mạng công nghệ 4.0 xây dựng đô thị thơng minh Phần cịn lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả mơ hình đề xuất Trong phần III, chúng tơi đánh giá hiệu hệ thống Phần IV cung cấp kết triển khai thực nghiệm Cuối cùng, kết luận báo phần V Keywords- LoRaWAN, phát cảnh báo lũ lụt, công nghệ LPWAN, IoT I GIỚI THIỆU Việt Nam nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng nặng biến đổi khí hậu Biểu rõ nét tình hình thiên tai, lũ lụt ngày cực đoan, bất thường khó dự đốn Để góp phần giải thách thức cần có hệ thống cảnh báo kịp thời để người dân quyền ứng phó Một yêu cầu quan trọng hệ thống thông tin cảnh báo phải tức thời, thông tin nhanh đến người dân, cộng đồng khu vực bị ảnh hưởng.Tuy nhiên, phương thức thông tin cảnh báo đến cộng đồng loa cầm tay hệ thống truyền xã thực phổ biến khơng đáp ứng tính kịp thời thông tin cảnh báo, dễ gây rủi ro Một số hồ chứa thủy điện lớn lắp đặt hệ thống phát cảnh báo tự động, kích hoạt điện thoại số lượng cịn bất cập lớn hồn tồn phụ thuộc vào mạng viễn thơng Khi có bão lũ xảy ra, mạng viễn thơng bị gián đoạn khơng thể kích hoạt dược hệ thơng phát cảnh báo Để giải thách thức trên, mạng diện rộng công suất thấp LPWANs (Low-Power Wide Area Network) ứng dụng vào hệ thống phát cảnh báo LPWAN công nghệ truyền thông không dây ISBN 978-604-80-5958-3 II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Do đặc thù hệ thống cảnh báo lũ lụt thường đặt đa phần nơi mà sóng wifi hay nguồn điện khơng sẵn có cần nghiên cứu giải pháp truyền tin xa, tiêu tốn lượng thấp để dùng nguồn lượng mặt trời công suất thấp 158 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Mơ hình mạng LoRaWAN hình hệ thống gồm lớp: - Lớp end-node cảm biến đo mực nước thiết bị kích hoạt cảnh báo kết nối khơng dây với mạng LoRaWAN, cảm biến thiết bị kích hoạt gán ID để nhận diện đảm bảo truyền liệu an toàn, tin cậy theo chuẩn truyền thông LoRaWAN Dữ liệu từ cảm biến/thiết bị kích hoạt gửi đến gateway Một end-node gửi liệu lúc đến gateway vùng phủ sóng mạng LoRaWAN - Lớp LoRaWAN gateway: nhận liệu từ cảm biến/ thiết bị kích hoạt chuyển liệu lên LoRaWAN network server thơng qua kết nối internet, ethernet 3G/4G Gateway hỗ trợ chiều truyền liệu, liệu từ endnode gửi lên gọi uplink từ gateway gửi xuống endnode gọi downlink - Lớp network server: lớp quản lý toàn mạng LoRaWAN thiết lập bảo mật kết nối trao đổi liệu mạng - Lớp application server: ứng dụng smartphone, máy tính, web để giám sát điều khiển hệ thống Hình Giải pháp cảnh báo lũ lụt VFASS Hiện công nghệ LPWAN (Low Power Wide Area Network) công nghệ truyền thông không dây thiết kế để hỗ trợ triển khai đa dạng ứng dụng IoT tầm xa tiêu thụ công suất thấp LPWAN gồm cơng nghệ LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, LTE-M … LoRaWAN công nghệ thành công phổ biến hoạt động dựa lớp vật lý LoRa băng tần miễn phí theo khu vực giới LoRaWAN cho phép kết nối diện rộng quy mô lớn cho thiết bị công suất thấp, chi phí thấp tốc độ liệu thấp [2][3] Với giải pháp này, cho phép trạm cảnh báo lũ lụt truyền liệu gateway khoảng cách xa từ đến km với tần số 923 MHz (tần số cấp phép miễn phí VN) Giải pháp đề xuất hình cho phép kích hoạt cảnh báo khơng có sóng 3G/4G nhờ vào cơng nghệ LoRaWAN hình điểm khác biệt hệ thống so với hệ thống có mặt thị trường ngồi nước Thơng qua gateway kết nối gửi liệu lên cloud, server từ giúp nhà quản lý, quyền địa phương theo dõi trạng thái, liệu cảm biến, thông báo cảnh báo đâu thời gian Hệ thống cảnh báo VFASS có kết cấu nhỏ gọn gồm thiết bị bản: cảm biến thiết bị kích hoạt, thiết bị điều khiển, thiết bị cảnh báo tảng quản lý Các thiết bị kết nối thơng qua giao thức truyền tin LoRaWAN hình đồng thời với mạng 3G/4G hình 3, hệ thống phát cảnh báo hoạt động nguồn pin lượng mặt trời Ưu vượt trội hệ thống so với hệ thống cảnh báo khác không phụ thuộc vào nguồn điện mạng viễn thơng Giải pháp đề xuất VFASS hình tháp báo lũ vị trí gần khu vực dân cư đặt thước đo mực nước điện tử trạm điều khiển gần Tại trung tâm khu dân cư đặt trạm cảnh báo trời với đèn báo loa phát cơng suất tối đa 600W Trạm điều khiển ngồi trời kết hợp thêm chức truyền cộng đồng qua tảng web quản lý điện thoại di động Khi mực nước lũ vị trí thước đo điện tử dâng cao đến mức báo động (mức báo động cài đặt tối đa mức tùy theo yêu cầu điều kiện cụ thể khu vực dân cư) thông qua giao tiếp LoraWAN, 3G/4G toàn thiết bị điều khiển thiết bị cảnh báo kích hoạt Thiết bị cảnh báo trời đặt gần khu dân cư phát cảnh báo đến cộng đồng ISBN 978-604-80-5958-3 Hình Kết nối mạng LoRaWAN hệ thống cảnh báo lũ VFASS Hình thể hệ thống tích hợp truyền liệu cảnh báo đồng thời qua mạng viễn thông nhằm tăng độ tin cậy cảnh báo hệ thống Hình Kết nối mạng 3G/4G hệ thống cảnh báo lũ VFASS III ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG Để đánh giá hiệu hoạt động, báo đánh giá, so sánh công nghệ LPWAN khác [1] Như kết bảng 1, LoRaWAN Sigfox công nghệ tiềm cho ứng dụng tầm xa với thời gian pin lên đến 10 năm giá thành thấp cho end-node Tuy nhiên xét đến tính bảo mật cơng nghệ LoRaWAN ưu Sigfox Bên cạnh đó, LoRaWAN khắc phục nhược điểm công nghệ khác Wifi, ZigBee … [1] Bảng So sánh cơng nghệ LPWAN [1] Đặc tính LoRaWAN NB-IoT Sigfox LTE-M Thành thị 2-5 km 1.5 km 3-10 km 200 km 159 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Nông 45 km thôn Thời gian ~10 năm pin Giá thành Thấp Tốc độ 290 bps – liệu 50 kbps Bảo mật Có 4G 20-40 km 30-50 km ~10 năm ~10 năm < 10 năm Cao Thấp Cao 20 kbps - 100 bps 200kbps250 kbps 1Mbps Có Khơng Có LoRa sử dụng ba băng thơng BW 125kHz, 250kHz 500kHz Băng thơng rộng thời gian mã hóa tín hiệu ngắn, từ thời gian truyền liệu giảm xuống khoảng cách truyền giảm theo Trong hệ thống chọn giá trị BW=125kHz Hệ số trải phổ SF xác định số lượng tín hiệu chirp mã hóa tín hiệu điều chế tần số (chipped signal) liệu Trong thử nghiệm mong muốn truyền liệu xa nên chọn SF=12, mức logic tín hiệu chirp điều chế mã hóa 12 xung tín hiệu chíp Để đánh giá mức độ phủ sóng, hệ thống mạng LoRaWAN cấu hình thơng số bảng cho gateway cảm biến Bảng Thông số gateway end-node LoRa Thông số Gateway Node Tần số 923 MHz 923 MHz Băng thông 125 kHz 125 kHz Hệ số trải phổ SF 12 12 Công suất phát 14 dBm 14 dBm Tốc độ mã hóa 4/5 4/5 Hình Đo mức độ phủ sóng gateway LoRaWAN IV KẾT QUẢ Trong phần này, thực thiết kế phần cứng phần mềm hệ thống cảnh báo lũ Bảng trình bày thơng số kỹ thuật hệ thống điều khiển phát cảnh báo Bảng Thông số kỹ thuật điều khiển phát cảnh báo Kết nối LoRaWAN/3G/4G Phương thức kích hoạt LoRa/SMS/Website Bộ xử lý ARM Cortex-M4, CPU 32 bit 80MHz Nhiệt độ làm việc tối 00C ÷ 500C ưu Độ ẩm mơi trường 35 ÷ 85%RH Băng tần LoRa AS923-2 Cơng suất phát loa 100W/loa, tối đa loa Mạch điều khiển sạc Công suất 60W, Vout 24VDC lượng mặt trời Acquy 24V 30Ah Để đánh giá khả mức độ phủ sóng mạng LoRaWAN, nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm đánh giá mức độ phủ sóng điều kiện môi trường khác thông qua mạng LoRaWAN thành phố Đà Nẵng thuộc dự án “Free-LoRa” Đây tảng mạng LoRaWAN cộng đồng thành phố Đà Nẵng phục vụ cho ứng dụng IoT Viện Công nghệ Quốc tế DNIIT kết hợp với Sở Thông tin truyền thông Thành phố Đà Nẵng phối hợp xây dựng Kết đánh giá mức độ phủ sóng hình cho thấy khoảng cách truyền liệu từ cảm biến đến gateway mạng LoRaWAN lên đến 12 km Kết cho thấy tính khả thi triển khai hệ thống cảnh báo lũ lụt công nghệ LoRaWAN mà trạm phát cảnh báo đặt khoảng cách xa (< 6km) so với cảm biến mực nước Hình Bộ điều khiển cảnh báo VFASS Cảm biến đo mực nước VFASS: với giải pháp cảm biến thước đo điện tử giúp hệ thống cảnh báo lũ ISBN 978-604-80-5958-3 160 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) phân biệt xác mực nước ngập lụt, có mưa tác động vào cảm biến đo mực nước (hình 6) khơng làm sai lệch kết đo ngập lụt Độ phân giải cảm biến đo mực nước 2cm Cảm biến tiêu thụ lượng thấp, sử dụng nguồn pin Lithium Giải pháp khắc phục nhược điểm cảm biến đo mực nước rada, siêu âm, áp suất … thích Hình Giao diện cấu hình hệ thống cảnh báo lũ lụt VFASS Giải pháp hệ thống cảnh báo lũ VFASS lắp đặt hợp đo mực nước tĩnh, độ sâu lớn không phù hợp để đo ngập lụt với độ sâu nhỏ thử nghiệm hình 9, thơn Bắc An, xã Hòa Tiến, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Hình Hệ thống cảnh báo lũ lụt VFASS V KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất tích hợp cơng nghệ LoRaWAN với băng tần AS923-2 với mạng 3G/4G vào hệ thống cảnh báo lũ lụt Việt Nam nhằm giải thách thức hệ thống cảnh báo đảm bảo độ tin cậy, xác kịp thời Hệ thống sử dụng nguồn lượng mặt trời cho phép kích hoạt cảnh báo lũ lụt khơng có sóng 3G/4G Hệ thống cảnh báo lũ VFASS lắp đặt thử nghiệm thực tế xã Hòa Tiến, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Hệ thống cảnh báo lũ VFASS có ý nghĩa quan trọng đời sống nhân dân, vùng thường xuyên xảy vấn đề thiên tai, bão lũ miền Trung Việt Nam Hình Cảm biến mực nước Giao diện phần mềm quản lý hệ thống giúp nhà quản lý giám sát tình trạng hệ thống gồm thông số kết nối mạng LoRaWAN hay 3G/4G, trạng thái nguồn lượng mặt trời, acquy thể hình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Č Gambiroža, T Mastelić, P Šolić and M Čagalj, "Capacity in LoRaWAN Networks: Challenges and Opportunities," in 2019 4th International Conference on Smart and Sustainable Technologies (SpliTech), Split, Croatia, 2019 [2] W Ayoub, A E Samhat, F Nouvel, M Mroue and J Prévotet, "Internet of Mobile Things: Hình Giao diện giám sát thông số hệ thống cảnh báo lũ lụt VFASS Ngồi ra, phần mềm cho phép cấu hình điều khiển hệ thống từ xa hình ISBN 978-604-80-5958-3 161 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Overview of LoRaWAN, DASH7, and NB-IoT in LPWANs Standards and Supported Mobility," IEEE Communications Surveys & Tutorials, pp 1561-1581, 2019 [3] Thanh Dinh Ngo, Fabien Ferrero, Vinh Quang Doan Tuan Van Pham, "Industrial LoRaWAN Network for Danang City: Solution for LongRange and Low-Power IoT Applications," in Research in Intelligent and Computing in ISBN 978-604-80-5958-3 Engineering, 2021 162 ... Hệ thống cảnh báo lũ lụt VFASS V KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất tích hợp cơng nghệ LoRaWAN với băng tần AS923-2 với mạng 3G/4G vào hệ thống cảnh báo lũ lụt Việt Nam nhằm giải thách thức hệ thống. .. bị cảnh báo kích hoạt Thiết bị cảnh báo trời đặt gần khu dân cư phát cảnh báo đến cộng đồng ISBN 978-604-80-5958-3 Hình Kết nối mạng LoRaWAN hệ thống cảnh báo lũ VFASS Hình thể hệ thống tích hợp. .. triển khai hệ thống cảnh báo lũ lụt công nghệ LoRaWAN mà trạm phát cảnh báo đặt khoảng cách xa (< 6km) so với cảm biến mực nước Hình Bộ điều khiển cảnh báo VFASS Cảm biến đo mực nước VFASS: với