MANUSCRIPT PREPARATION GUIDELINES 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ NĂM 2020 2021 Tên đề tài NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI C[.]
NTTU-NCKH-04 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ NĂM 2020 - 2021 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ GATEWAY GSM - LORA Số hợp đồng: 2021.01.103 HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS Hồ A Lil Đơn vị cơng tác: Khoa Cơ Khí - Điện - Điện Tử - Ơ Tơ Thời gian thực hiện: tháng TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ NĂM 2020 - 2021 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ GATEWAY GSM - LORA Số hợp đồng: 2021.01.103 HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS Hồ A Lil Đơn vị cơng tác: Khoa Cơ khí – Điện – Điện Tử - Ơ Tơ Thời gian thực hiện: tháng Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Chuyên ngành ThS Bùi Vũ Minh Kỹ thuật Điện Cơ quan cơng tác Khoa Cơ Khí - Điện - Điện Tử - Ơ Tơ Ký tên MỤC LỤC MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 Đặt vấn đề 11 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải mục tiêu nội dung nghiên cứu 13 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Nội dung nghiên cứu 16 2.1.1 Công nghệ LoRa 16 2.1.2 Nguyên lý truyền nhận liệu LoRa 17 2.1.3 Các thông số hoạt động LoRa 19 2.1.4 Ứng dụng mạng LoRa 21 2.1.5 Cấu trúc mạng LoRa 22 2.1.6 Vi xử lý ARM Cortex-M3 23 2.1.7 Module Sim GSM 25 2.2 Phương pháp nghiên cứu 27 2.2.1 Lý thuyết lựa chọn linh kiện 27 2.2.2 Thiết kế phần cứng 32 2.2.2.1 Cổng chuyển đổi LoRa - GSM 32 2.2.2.2 Thiết kế nguyên lý cổng chuyển đổi LoRa - GSM 34 2.2.2.3 Thiết kế mạch cổng chuyển đổi LoRa - GSM 37 2.2.2.4 Nút cảm biến đầu cuối 39 2.2.2.5 Nút điều khiển đầu cuối 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Kết thực nghiệm hoạt động cổng chuyển đổi 42 3.1.1 Kết thực nghiệm truyền - nhận tín hiệu cổng chuyển đổi với nút42 3.1.2 Kết thiết kế giao diện GUI HMI 45 3.1.3 Kết đưa liệu lên máy chủ IoT 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 4.1 Kết luận 48 4.2 Kiến nghị 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt IoT Internet of Things Kết nối vạn vật mạng LoRa Long range Tầm xa RF Radio Frequency Tần số vô tuyến IP Internet Protocol Giao thức mạng GSM Global System for Mobile Communications Hội đồng mạng di đồng toàn cầu LAN Local Area Network Mạng cục MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị WAN Wide area network Mạng diện rộng IEEE I2C IEC ISO MCU UART Institute of Electrical and Electronics Engineers Inter-Integrated Circuit International Viện kỹ sư Điện – Điện tử Giao thức truyền thông Electrotechnical Commission International Organization for Standardization Microprocessor Control Unit Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Tổ chức Quốc tế Tiêu chuẩn hoá Bộ vi xử lý Universal asynchronous receiver Bộ giao tiếp không đồng bộ/ đồng transmitter chuyển giao TX Transmitter Truyền liệu RX Receiver Nhận liệu CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm BW Bandwidth Băng thông SF Spreading Factor Hệ số lan toả CR Coding Rate Tốc độ mã hoá CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra theo chu kỳ HMI Human - Machine Interface Giao diện người dùng máy SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp nối tiếp với ngoại vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Ứng dụng hệ thống IoT – LoRa 12 Hình 1.2: Mơ hình hệ thống 13 Hình 1.3: (a) Mơ hình hệ thống có Gateway, (b) Mơ hình truyền thống 14 Hình 1.4: Các cổng chuyển đổi sử dụng phổ biến 15 Hình 2.1: Một số đặc điểm cơng nghệ LoRa 16 Hình 2.2: Tần số khoảng cách kết nối LoRa 17 Hình 2.3: Nguyên lý truyền liệu LoRa 18 Hình 2.4: Nguyên lý nhận liệu LoRa 19 Hình 2.5: Fix mode cài đặt địa cho LoRa 20 Hình 2.6: Broadcast mode cài đặt địa cho nhiều LoRa 21 Hình 2.7: Các ứng dụng mạng LoRa [3] 21 Hình 2.8: Cấu trúc mạng LoRa [3] 23 Hình 2.9: Moudule Sim808 25 Hình 2.10: Sơ đồ chân moudule Sim808 26 Hình 2.11: Mơ hình thiết kế đề tài 27 Hình 2.12: Màn hình cảm ứng HMI Nextion 28 Hình 2.13: Module chuyển đổi USB - UART 29 Hình 2.14: MCU STM32F103RCT6 29 Hình 2.15: Datasheet STM32F103RCT6 30 Hình 2.16: LoRa Ra-02 31 Hình 2.17: Sơ đồ chân LoRa Ra-02 31 Hình 2.18: Mạch nạp ST-Link V2 32 Hình 2.19: Sơ đồ cổng chuyển đổi 33 Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý khối MCU_STM32F1 34 Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý 35 Hình 2.22: Sơ đồ cổng chuyển đổi 35 Hình 2.23: Sơ đồ cổng chuyển đổi 36 Hình 2.24: Sơ đồ cổng chuyển đổi 36 Hình 2.25 sơ đồ nguyên lý thiết kế kết nối 37 Hình 2.26: Thiết kế 3D mạch 38 Hình 2.27: Cổng chuyển đổi LoRa – GSM hàn lắp hoàn thiện 38 Hình 2.28: Cổng chuyển HMI hoàn thiện 39 Hình 2.29: PCB nút cảm biến LoRa dùng pin 39 Hình 2.30: Nút cảm biến LoRa dùng pin 39 Hình 2.31: PCB nút điều khiển qua LoRa 40 Hình 2.32: Nút điều khiển qua LoRa 40 Hình 3.1: Đo đạc khoảng cách truyền đô thị 43 Hình 3.2: Đo đạc khoảng cách truyền nông thôn 44 Hình 3.3: Giao diện trang 45 Hình 3.4: Giao diện giám sát thông số nút cảm biến HMI 45 Hình 3.5: Giao diện điều khiển tải 46 Hình 3.6: Giao diện cài đặt số điện thoại 46 Hình 3.7: Truyền liên tục thơng số cảm biến lên Internet 47 Hình 3.8: Truyền liên tục thơng số cảm biến lên Internet 47 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kết thực nghiệm đo đạc Gateway LoRa môi trường đô thị 47 Bảng 3.2: Kết thực nghiệm đo đạc Gateway LoRa môi trường nông thôn 47 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU STT Kết quà đạt Công việc thực - Thuyết minh tổng quan Nội dung - Tổng quan tình hình nghiên cứu, lý chọn đề tài - Phương pháp nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết liện quan: - Thuyết minh sở lý thuyết + IoT; + GSM; + LoRa; + HMI; + STM32 - Lựa chọn linh kiện phù hợp; Nội dung - Thiết kế mạch nghiên lý - Chọn phương án thiết kế hợp Gateway; lý - Thiết kế mạch in Gateway - Lập trình giao diện HMI - Chọn phương án thiết kế hợp Nextion: lý, thẩm mỹ + Lập trình giao diện giám sát; + Lập trình giao diện điều khiển - Lập trình STM32: - Xây dựng giải thuật giao tiếp, + Xử lý liệu trung tâm; xử lý liệu; + Kết nối với HMI; - Lập trình hồn thiện chức + Giao tiếp ngoại vi với LoRa qua SPI; + Giao tiếp ngoại vi với GSM - Thiết kế vỏ hộp cho Gateway - Thiết kế vỏ hộp cho Gateway phần mền thiết kế khí Tiến hành in 3D vỏ hộp - Thử nghiệm khả kết nối - Đánh giá tình bày thơng số kết tầm xa qua LoRa; thực nghiệm - Thử nghiệm khả kết nối với GSM; - Thử nghiệm kết nối với HMI - Đánh giá kết thử nghiệm - Tình trạng hoạt đơng Gateway truyền nhận liệu qua HMI, LoRa, GSM; - Đánh giá mức tiêu thụ lượng; - Đánh giá khả ứng dụng thực tế Nội dung - Lắp ráp, hàn lắp thử nghiệm mơ hình - Mục đích: - Kết nối, thử nghiệm mơ hình - Phương pháp nghiên cứu: - Kết nối hàn linh kiện mạch điện; - Tiến hành đo kiểm tra khoản cách truyền nhận liệu - Lắp ráp hàn lắp linh kiện; - Các công việc thực hiện: - Thực chạy thử tiến hành đo Nội dung - Xây dựng tập thực hành mơ hình - Mục đích: - Lựa chọn tập thí nghiệm - Sản phẩm dự kiến: - Các tập ứng dụng viết chương trình cho ARM 32 bit STT Sản phẩm đăng ký Sản phẩm đạt Gateway IoT GSM – LoRa – HMI (250x250) Tài liệu hướng dẫn sử dụng dùng để giảng dạy Bài báo đăng tạp chí thiết bị giáo dục tạp chí trường Thời gian thực hiện: tháng Thời gian nộp báo cáo: 25/08/2021 1 MỞ ĐẦU Trong giai đoạn phát triển vượt bật công nghệ số, thiết bị Điện – Điện tử giao tiếp với thơng qua thiết bị truyền thơng khơng dây Vì vậy, mạch vi xử lý thiết kế tích hợp hình thức tiện dụng Thường giao tiếp Wifi, Bluetooth thông qua điện thoại, song RF Đối với khu vực khơng có wifi thiết bị nằm rải rác người dùng muốn thu thập tín hiệu từ cảm biến điều khiển đối tượng tầm xa vấn đề không khả thi Giai đoạn công nghiệp 4.0 với hàng trăm triệu thiết bị kết nối mạng, bắt buộc phải tìm giải pháp tối ưu để truyền tín hiệu xa cách hiệu Trong đó, chi phí lượng phải giảm đáng kể so với phương pháp truyền thống điều đáng quan tâm Qua nhu cầu thực tiễn đó, chúng tơi thực nghiên cứu thiết kế thi công Gateway GSM - LoRa Bộ Gateway nhận tín hiệu điều cảm biến từ xa thông qua LoRa mạng diện rộng tiết kiệm lượng, truyền tin nhắn đến điện thoại người dùng liên kết máy chủ chuẩn GPRS/3G/4G Cùng với Gateway thể lên hình cảm ứng chỗ Người dùng gửi tín nhắn điều khiển thơng qua Gateway Chúng thiết kế lập trình Firmware thành cơng cho Gateway GSM - LoRa với mục đích thu thập, giám sát điều khiển đối tượng khoảng cách xa, tiêu tốn lượng thấp đạt hiệu cao truyền thơng Cùng với Gateway giám sát cảm biến không dây tầm xa (Long range), điều khiển không dây qua LoRa, gửi liệu GSM ổn định, kết hợp hình cảm ứng HMI trực tiếp Gateway Bộ Gateway trợ giúp nhiều cho công trình nghiên cứu ứng dụng, hệ sinh thái IoT đề tài tốt nghiệp tương lai 10 ... kiện phù hợp; Nội dung - Thi? ??t kế mạch nghiên lý - Chọn phương án thi? ??t kế hợp Gateway; lý - Thi? ??t kế mạch in Gateway - Lập trình giao diện HMI - Chọn phương án thi? ??t kế hợp Nextion: lý, thẩm...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ NĂM 2020 - 2021 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG BỘ GATEWAY GSM - LORA. .. vi với GSM - Thi? ??t kế vỏ hộp cho Gateway - Thi? ??t kế vỏ hộp cho Gateway phần mền thi? ??t kế khí Tiến hành in 3D vỏ hộp - Thử nghiệm khả kết nối - Đánh giá tình bày thơng số kết tầm xa qua LoRa; thực