Ứng dụng mô hình lora network cho bài toán quan trắc môi trường tại thành phố bình dương 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ DUY HÙNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TOÁN QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BÌNH DƯƠNG Chuyên ngành HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số 848 01 04 TÓM TẮT LUẬN[.]

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - LÊ DUY HÙNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TỐN QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BÌNH DƯƠNG Chun ngành: HỆ THỐNG THƠNG TIN Mã số : 848.01.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN Đà Nẵng – Năm 2022 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ANH PHƯƠNG Phản biện 1: TS Nguyễn Thị Ngọc Anh Phản biện 2: PGS.TS Lê Hoàng Sơn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Hệ thống thông tin, họp Trường Đại học Sư phạm vào ngày … … tháng … … năm … … Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Trường Đại học Sư phạm – ĐHĐN Khoa Tin học, Trường Đại học Sư phạm – ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tại Bình Dương, đề án Thành phố Thơng minh Bình Dương giai đoạn 2016-2021 với mục tiêu đẩy mạnh thử nghiệm công nghệ phục vụ cho công tác quản lý Thành phố thông minh Tổng công ty đầu tư Becamex IDC – nhà đầu tư thành phố Bình Dương, Tỉnh Bình Dương giao nhiệm vụ chủ trì tiếp tục thực đề án Với vai trị nhà cung cấp dịch vụ cơng nghiệp kết hợp đô thị tạo điều kiện thuận lợi cho Becamex IDC thực vai trò nhiệm vụ giao Bên cạnh thuận lợi, việc phát triển nhanh chóng Khu cơng nghiệp – thị thách thức đặt vấn đề quản lý mơi trường khơng nhỏ Ví dụ theo dõi tình trạng nhiễm nước thải, nhiễm khơng khí, … Khu cơng nghiệp, thị mà Becamex quản lý Đồng thời, vấn đề quan trắc mơi trường tự động tỉnh Bình Dương Sở tài nguyên môi trường triển khai dẫn đến tình trạng báo cáo hay cảnh báo tình trạng nhiễm nước, khơng khí khó thực Việc tìm kiếm triển khai hệ thống quan trắc môi trường tự động cần thiết Từ thực tế nêu trên, với vai trò đơn vị tư vấn, xây dựng giải pháp cho Tổng công ty Becamex IDC, tác giả đề xuất thực đề tài "ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TỐN QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BÌNH DƯƠNG" nhằm “ứng dụng thử nghiệm mơ hình hệ thống quản lý IoT Platform dựa LoRa network” - tảng hoàn chỉnh, tối ưu, tiêu chuẩn Việt Nam phục vụ việc quản lý quan trắc môi trường tự động cho Becamex IDC nói riêng Tỉnh Bình Dương nói chung Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 2.1 Mục tiêu • Nghiên cứu, phân tích đánh giá giải pháp công nghệ truyền dẫn IoT • Nghiên cứu mơ hình quản lý hạ tầng IoT dựa LoRaWAN • Ứng dụng mơ hình quản lý IoT Network sử dụng LoRaWAN phục vụ yêu cầu quản lý quan trắc mơi trường cho Bình Dương 2.2 Nhiệm vụ • Với mục tiêu nghiên cứu, phân tích đánh giá giải pháp công nghệ truyền dẫn IoT có: luận văn cần nghiên cứu cơng nghệ truyền dẫn LoRa, Zigbee, NB-IoT, 4G…phân tích ưu nhược điểm giải pháp, ứng dụng triển khai,… • Mục tiêu nghiên cứu mơ hình quản lý hạ tầng IoT dựa LoRaWAN: luận văn cần nghiên cứu thu thập báo cáo đánh giá mơ hình quản lý hạ tầng LoRaWAN giới, phân tích ưu nhược điểm mơ hình • Ứng dụng mơ hình quản lý IoT platform sử dụng LoRaWAN: luận văn cần nghiên cứu, phân tích quy trình quản lý mơi trường Bình Dương, từ xây dựng thử nghiệm việc quản lý thích hợp với địa phương, tận dụng tối ưu cho phép doanh nghiệp, viện trường tham gia sử dụng Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu • Cơng nghệ LoRa mạng LoRaWAN, sách quản lý hạ tầng truyền dẫn Bộ Thông tin Truyền thông, trạng hạ tầng truyền dẫn IoT Thành phố Bình Dương, Quy trình quan trắc mơi trường Bình Dương • Các dự án sử dụng LoRa Việt Nam 3.2 Phạm vi nghiên cứu • Cơng nghệ LoRa nước giới • Số liệu mơi trường, thơng tin địa lý, hành Bình Dương Phương pháp nghiên cứu • Nghiên cứu lý thuyết cài đặt thực nghiệm 4.1 Nghiên cứu lý thuyết Thu thập, chọn lọc, phân loại, ghi nghiên cứu tài liệu tổng hợp, phân tích phương pháp state-of-the-art IoT platform 4.2 Cài đặt thực nghiệm Bài toán thực nghiệm bao gồm việc xây dựng thử nghiệm hiệu xuất truyền liệu, lưu trữ, quản lý biểu diễn liệu môi trường thu thập Về liệu thu thập thiết bị trực tiếp trình thực luận văn 4 Chương CÁC VẤN ĐỀ VỀ INTERNET OF THINGS (IOT), MẠNG LORAWAN VÀ THÀNH PHỐ THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu Internet of Things (IoT) Internet of Things hay mạng vạn vật kết nối (IoT) liên kết mạng, nơi thiết bị kết nối nhờ tích hợp linh kiện điện tử, phần mềm, cảm biến, giúp chúng có khả kết nối với mạng máy tính (internet) để truyền liệu [1] 1.2 Thành phố thông minh Thành phố thông minh định nghịa thành phố xây dựng tảng công nghệ thông tin IoT giúp kết nối tạo nên hệ thống tổng thể kết nối từ nhiều hệ thống thành phần với hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) 1.3 Giới thiệu LoRa LoRaWAN 1.3.1 Định nghĩa 1.3.1.1 LoRa LoRa từ viết tắt Long Range Radio công nghệ truyền liệu không dây cho mạng diện rộng với khả tiêu thụ lượng thấp, tuổi thọ thiết bị cao 1.3.1.2 LoRaWAN LoRaWAN mạng diện rộng sử dụng lượng thấp hoạt động khu vực, quốc gia tồn cầu Nó nhắm tới mục tiêu yêu cầu Internet truyền thơng hai chiều an tồn, dịch vụ di động địa phương hố 5 Hình 1.6: Mơ hình hoạt động hệ thống LoRaWAN Hoạt động hệ thống LoRaWAN mơ tả Hình 1.6 1.3.2 So sánh LoRa với công nghệ truyền dẫn khác Bảng 1.1: Mức độ phổ biến công nghệ dùng IOT Các LAN LPWAN GSM phương Phạm vi truyền IoT LTE pháp ngắn Ưu điểm Truyền thống Tiêu chuẩn thiết Tiêu thụ Phủ sóng rộng lập tốt lượng Triển khai nhanh Chi phí thấp tòa nhà Khoảng cách xa khắp Tốc độ truyền liệu cao Nhược Tuổi thọ pin thấp Tốc độ truyền Tất phải phụ điểm Phải trì chi liệu thấp thuộc nhà phí mạng phụ Mới, chưa phổ mạng thuộc nhà mạng biến Tỷ lệ 45% 40% Ví dụ Bluetooth,, LoRa, NB-IoT, GSM, 3G, 4G cơng nghệ Zigbee, Wifi Sigox 15% Tỷ lệ sử dụng công nghệ truyền liệu dùng IOT thể bảng Bảng 1.1 1.4 Các ứng dụng LoRaWAN 1.5 Các thành phố thông minh giới 1.6 Kết luận chương Chương trình bày khái quát Internet of Things khái niệm, cấu trúc hệ thống IoT hoàn chỉnh ứng dụng IoT, thành phố thông minh, công nghệ truyền dẫn không dây LoRa, mạng lưới LoRaWAN kết nối với nhau, nghiên cứu LoRaWAN Việt Nam 7 Chương PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ LORA 2.1 Kĩ thuật LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum Cũng phương pháp trải phổ khác, Chirp Spread Spectrum sử dụng toàn băng thơng phân bổ để phát tín hiệu, làm cho tín hiệu trở nên mạnh mẽ nhiễu kênh Hơn nữa, chirp sử dụng dải rộng phổ, nên Chirp Spread Spectrum có khả chống lại đa đường dẫn tới suy giảm cường độ xoay pha tín hiệu (multi-path fading) hoạt động công suất thấp 2.1.1 Bảo mật 2.1.1.1 Mã hóa AES Advanced Encryption Standard (AES, hay Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến) thuật tốn mã hóa khối phủ Hoa kỳ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa Thuật tốn thiết kế hai nhà mật mã học người Bỉ: Joan Daemen Vincent Rijmen 2.1.1.2 Mã hóa AES mơ hình LoRaWAN Bảo mật LoRaWAN sử dụng mật mã AES kết hợp với số chế độ hoạt động: CMAC2 để bảo vệ tính tồn vẹn CTR3 để mã hóa Mỗi thiết bị LoRaWAN cá nhân hóa khóa AES 128bit (được gọi AppKey) số nhận dạng (DevEUI dựa EUI-64), hai sử dụng trình xác thực thiết bị 8 Hình 2.1: Mơ hình bảo mật LoRaWAN 2.1.2 LoRaWAN mơ tả theo ngăn xếp MAC Hình 2.2: Ngăn xếp giao thức LoRa Ngắn xếp giao thức LoRa thể Hình 2.2, ngăn sếp bao gồm lớp lớp ứng dụng, lớp MAC cuối lớp vật lý 2.1.3 LoRa mơ hình OSI 2.1.3.1 Mơ hình OSI 2.1.3.2 LoRa mơ hình OSI LoRa nằm lớp vật lý mơ hình OSI Chức thực điều chế (modulation), biến đổi tín hiệu số (digital data) thiết bị (sensor) tín hiệu tương ứng truyền qua kênh truyền (communication channel) 9 2.1.4 Cấu trúc gói tin Gói tin truyền không dây LoRa phân biệt rõ ràng dạng: gói tin gửi (uplink) gói tin nhận (downlink) 2.1.5 Băng tần 2.1.6 Hình 2.9: Băng tần LoRa giới Trải phổ tín hiệu (SF) 2.1.6.1 Lý thuyết trải phổ Định lý Shannon – Hartley Trong lý thuyết thông tin, định lý Shannon – Hartley xác định tốc độ tối đa mà thơng tin truyền qua kênh truyền có băng thơng xác định Định lý xác định công suất kênh Shannon cho liên kết truyền thông xác định tốc độ liệu tối đa (thơng tin) truyền băng thông quy định với xuất nhiễu 2.1.6.2 Điều chế LoRa 2.1.7 - RSSI SNR Chỉ số cường độ tín hiệu nhận - RSSI Chỉ số cường độ tín hiệu nhận (RSSI) cơng suất tín hiệu nhận tính mW đo dBm Giá trị sử dụng phép đo mức độ người nhận "nghe" tín hiệu từ người gửi - Tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) 10 Tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR), mơ tả Hình 2, tỷ lệ tín hiệu nhiễu tỷ số tín hiệu cơng suất nhận mức cơng suất nhiễu (noise floor) 2.1.8 Ký thuật ADR (ADR) ADR chế tối ưu hóa tốc độ liệu, thời gian sử dụng dung lượng mạng LoRaWAN cung cấp lệnh MAC để hỗ trợ ADR 2.1.9 Tham số hệ thống 2.1.9.1 Hệ số trải phổ (Spreading Factor – SF) Hệ số trải phổ (SF) xác định số lượng tín hiệu chip mã hóa tín hiệu điều chế tần số (chipped signal) liệu 2.1.9.2 Băng thông (Bandwidth – BW) LoRa sử dụng ba BW 125kHz, 250kHz 500kHz 2.1.9.3 Tốc độ mã hóa (Coding Rate – CR) Tốc độ mã hóa (CR) số lượng bít tự thêm vào trọng tải gói tin LoRa LoRa chipset để mạch nhận sử dụng để phục hồi lại số bít liệu nhận sai từ phục hồi nguyên vẹn liệu tải trọng 2.1.10 Độ nhạy LoRa FSK Điều chế LoRa có băng thơng rộng điều chế FSK LoRa nhận tín hiệu hữu ích tối đa 20 dB mức nhiễu tốc độ liệu chậm ≤ 0,5 kbit/s 2.2 Mô hình chung cho ứng dụng sử dụng LoRaWAN Một mạng LoRaWAN sử dụng để tạo mạng khơng dây riêng, đồng thời dịch vụ sở hạ tầng cung cấp bên thứ ba, cho phép chủ sở hữu cảm biến triển khai chúng mạng mà không cần đầu tư Gateway 11 2.3 Kết luận chương Trong chương 2, tác giả sâu phân tích đặc điểm kỹ thuật công nghệ LoRa: bảo mật, băng tầng, điều chế LoRa, trải phổ tín hiệu, kỹ thuật ADR,, Mơ hình chung cho ứng dụng sử dụng LoRaWAN 12 Chương ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TỐN QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BÌNH DƯƠNG 3.1 Băng tần LoRa Việt Nam 3.2 Khái quát dự án AirSENSE sử dụng module LoRaM2B SPARC LAB 3.3 Hiện trạng hạ tầng truyền dẫn hệ thống quan trắc mơi trường Bình Dương 3.3.1 Về hạ tầng truyền dẫn IoT - LoraWAN: Mặc dù thuộc “Top 21” Thành phố có chiến lược phát triển Thành phố thơng minh Thế giới, tỉnh Bình Dương chưa có Hạ tầng IoT thức để phục vụ hệ thống quản lý Quan trắc môi trường tự động 3.3.2 Về hệ thống quan trắc môi trường tự động: Tại Bình Dương, việc theo dõi quan trắc môi trường thực Trung tâm quan trắc kỹ thuật – tài nguyên môi trường thuộc Sở tài ngun mơi trường Bình Dương Các phương pháp đo đạc thực nghiệm thực nhân trực tiếp phụ trách trường 3.4 Ứng dụng mô hình LoRaWAN vào tốn quan trắc mơi trường tự động Bình Dương 3.4.1 Quy trình xây dựng hệ thống ứng dụng mạng LoRa cho toán quan trắc mơi trường tự động Bình Dương Quy trình xây dựng hệ thống đề xuất cho việc quan trắc môi trường tự động Bình Dương mơ tả Hình 3.1: 13 Lựa chọn mơ hình Lựa chọn thiết bị Xây dựng kết nối hệ thống Thu thập liệu Tổng kết, so sánh, đánh giá Kết luận Hình 3.2: Quy trình xây dựng hệ thống quan trắc mơi trường tự động 3.4.1.1 Lựa chọn mơ hình Hình 3.3: Mơ hình đề xuất cho việc quan trắc mơi trường tự động Bình Dương 3.4.1.2 Lựa chọn thiết bị 3.4.1.3 Xây dựng, kết nối hệ thống Xây dựng hệ thống Network Application Server 3.4.1.4 Thu thập liệu 3.4.2 LoRaWAN gateway cơng nghiệp Thiết bị gateway ngồi trời Kerlink Wirnet Station 923 Thiết bị gateway nhà Kerlink Wirnet iFemtoCell 923 14 3.4.3 Cảm biến LPWAN 3.4.3.1 Trạm quan trắc chất lượng khơng khí Thiết bị quan trắc chất lượng khơng khí Dragino LAQ4 3.4.3.2 Thiết bị đồng hồ nước Thiết bị đồng hồ nước LoRa - Baylan VK4-RF 3.5 Thực nghiệm đánh giá hiệu 3.5.1 Kiểm tra khoảng cách truyền nhân gói tin Tác giả Mơ hình AirSENSE Khoảng xa ~ 8,5km ~ 9km Số gói tin nhận Liên tục Ngắt quãng ~ 600bytes ~ 20bytes Dung lượng gói tin Đánh giá: So sánh kết lần với mô hình LoRa M2B dự án AirSENSE thấy rằng: khoảng cách truyền nhận liệu tác giả chút khả truyền gói tin hệ thống đề xuất tốt, tốt nhiều so với mơ hình LoRa M2B 3.5.2 Kiểm tra gói tin Kết quả: Kết cho thấy phụ thuộc vào vị trí đặt thiết bị ảnh hưởng đến số gói tin bị Đánh giá: So sánh kết lần với mơ hình LoRa M2B dự án AirSENSE thấy rằng: kết tương tự với tất tình đặt Điều dễ hiểu với thiết bị sử dụng phương thức truyền dẫn không dây gặp vật cản 15 3.5.3 Kiểm tra độ trễ gói tin Kết quả: Hình 3.15: Độ trễ tín hiệu từ thiết bị đến gateway Kết thời gian trễ tín hiệu truyền từ thiết bị gateway mơ tả Hình 3.15 Thời gian trễ tín hiệu từ gateway lên server dường không đáng kể đa số tốt (trung bình ~1s) 3.5.4 Kiểm tra gói tin ACK Kết Kết kiểm tra truyền nhận gói tin 12% Tỷ lệ nhận gói tin ACK Tỷ lệ khơng nhận gói tin ACK 88% Hình 3.18: Biểu đồ so sánh kết thử nghiệm truyền nhận gói tin 3.5.5 Thử nghiệm độ nhiễu sóng chất lượng gói tin Kết 16 Hình 3.19: Biểu đồ kết RSSI Hình 3.20: Biểu đồ kết SNR 3.6 Nhận xét đánh giá Với kết thu minh chứng rõ ràng khả truyền dẫn không dây LoRa Với khả truyền xa đạt gần 8,5km khu vực đô thị, khả truyền nhận gói tin liên tục dù vị trí khuất sóng, mơ hình tác giả đề xuất chứng minh LoRa cơng nghệ tương lai cho việc phát triển Thành phố thơng minh nói chung giải vấn đề Quan trắc môi trường tự động Bình Dương nói riêng 17 KẾT LUẬN Kết đạt Luận văn nghiên cứu tổng quan vấn đề công nghệ Internet of Things, xu hướng phát triển Việt Nam giới, đưa khái niệm mơ hình, kiến trúc ứng dụng IoT áp dụng LoRaWAN Như LoRaWAN hiểu đơn giản mạng kiến trúc truyền dẫn không dây với khả truyền xa với mức độ tiêu thụ lượng thấp, đặc biệt cho phép kết nối với hàng ngàn thiết bị lúc Đó ưu điểm LoRaWAN việc xây dựng Thành phố thông minh tương lai Trong luận văn đưa khái niệm kỹ thuật, công nghệ mạng LoRaWAN điều chế LoRa, bảo mật AES, kỹ thuật ADR định nghĩa liên quan đến gói tin LoRa Trong chương 3, tác giả đề xuất thử nghiệm mơ hình ứng dụng LoRaWAN cho tốn quan trắc mơi trường cách tự động Với kết đạt khả quan, công nghệ LoRaWAN hứa hẹn mang lại nhiều hiệu Hạn chế Bên cạnh kết đạt được, tác giả gặp khó khăn thực luận văn Đó kiến thức LoRa cịn công nghệ chưa sử dụng nhiều Việt Nam, cịn quốc gia sử dụng cơng nghệ thường khơng cơng khai tài liệu Đây thử thách cho nhóm việc triển khai mạng LoRa Bên cạnh đó, chất lượng cảm biến đo lường, chip module LoRa không đồng dẫn đến việc hiệu chỉnh xử lý liệu gặp khó khăn Việc đánh giả thử nghiệm thời gian không dài nên kết khó đánh giá hết tồn trường hợp gặp phải thực tế 18 Hướng phát triển Trong tương lai dự án nhiều triển vọng để triển khai vào thực tế Đặc biệt nhờ giúp đỡ quý công ty TNHH giải pháp VNTT – công ty Tổng công ty Becamex IDC, thực nghiên cứu có đề án đề xuất thử nghiệm diện rộng cho Thành phố Bình Dương Đề án cộng tác với Sở Khoa học Công nghệ tỉnh Bình Dương thực theo tinh thần đạo Đề án Thành phố thông minh Tỉnh Bình Dương giai đoạn 20202025 Với kết thử nghiệm trên, tác giả đồng nghiệp tiếp tục hoàn thiện hệ thống Tạo tiền đề để ứng dụng tảng mạng không dây LoRaWAN phát huy hết tính ưu việt hiệu  ... dụng sử dụng LoRaWAN 12 Chương ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TỐN QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BÌNH DƯƠNG 3 .1 Băng tần LoRa Việt Nam 3.2 Khái quát dự án AirSENSE sử dụng module LoRaM2B... quản lý Quan trắc môi trường tự động 3.3.2 Về hệ thống quan trắc môi trường tự động: Tại Bình Dương, việc theo dõi quan trắc mơi trường thực Trung tâm quan trắc kỹ thuật – tài nguyên môi trường. .. thống ứng dụng mạng LoRa cho tốn quan trắc mơi trường tự động Bình Dương Quy trình xây dựng hệ thống đề xuất cho việc quan trắc môi trường tự động Bình Dương mơ tả Hình 3 .1: 13 Lựa chọn mơ hình