Ứng dụng công nghệ lora truyền nhận tín hiệu đi xa

Vietnam J Agri Sci 2022, Vol 20, No 8: 1054-1065 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2022, 20(8): 1054-1065 www.vnua.edu.vn ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ LORA TRUYỀN NHẬN TÍN HIỆU ĐI XA Nguyễn Văn Điều1*, Đặng Thị Thúy Huyền1, Nguyễn Việt Anh2 Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Sinh viên Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam * Tác giả liên hệ: nvdieu@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 17.01.2022 Ngày chấp nhận đăng: 05.07.2022 TÓM TẮT Bài báo nhằm giới thiệu hệ thống mạng cảm biến dựa công nghệ mạng diện rộng nhằm truyền tín hiệu xa, tiết kiệm lượng Hệ thống bao gồm node cảm biến, trạm thu thập liệu (gateway) hệ thống giám sát trực tuyến Hệ thống có nhiệm vụ truyền liệu nối tiếp nhằm mục đích truyền liệu xa Bên cạnh đó, node truyền liệu đến gateway để đưa liệu lên server nhằm giúp người dùng giám sát trực tuyến hệ thống Khoảng cách lớn hệ thống truyền liệu ổn định 900m nơi thử nghiệm khơng có vật cản Tại nơi có nhiều vật cản, tín hiệu truyền ổn định 400m Hệ thống mạng cảm biến có khả “ngủ” không truyền liệu, việc giúp tiết kiệm lượng hệ thống Các thông số hệ thống gửi lên server nhằm giám sát trực tuyến ứng dụng Blynk Kết bước đầu cho thấy giải pháp cho hệ thống truyền nhận tín xa nơng nghiệp Từ khố: Hệ thống mạng không dây LoRa, mạng cảm biến không dây Application of LoRa Technology to Transmit and Receive Signals over Long Distance ABSTRACT This paper introduces a sensor network system based on wide area network technology to transmit signals over long distances, saving energy for concentrated agriculture The system included sensor nodes, data collection station (gateway), and online monitoring system The system performed serial data transmission for the purpose of transmitting data over longer distances Besides, the nodes transmitted data to the gateway to send data to the server, which helped users to monitor the system online The maximum data transmission distance of the system was less than 900m at the test site with no obstructions In places with many obstacles, the signals transmitted stably below 400m This sensor network had a “sleep” state when not transmitting data, which saves system energy The system parameters sent to the server for online monitoring on the Blynk application These initial results suggest a solution for systems that need long distance transmission in agriculture Keywords: LoRa wireless mesh network system, wireless sensor networks ĐẶT VẤN ĐỀ Nông nghiệp th gii ang ng trỵc nhng thỏch thc to ln v ủi húi phõi sõn xuỗt thờm 70% lỵng thc vào nëm 2050 (Clercq & cs., 2018) Việc tích tý, tờp trung rung ỗt cỹng l xu hỵng tỗt yu sõn xuỗt nụng nghip trờn th gii v ồy cỹng l chỷ trỵng cỷa nỵc ta nhỡm õm bõo an ninh lỵng thc v ũng gũp ln cho xuỗt khèu nông 1054 sân Theo Nghð đðnh 98: “Vùng sân xuỗt nụng nghip hng húa tờp trung l vựng sõn xuỗt tờp trung mt hay mt nhúm sõn phốm nụng nghiệp lội có quy mơ phù hợp vĆi tÿng loọi hỡnh sõn xuỗt v iu kin cỷa mi a phỵng (Chớnh phỷ, 2018) ồy l nhng tin nn phỏt trin nn nụng ngip nỵc nh Bờn cọnh nhĂng sách đị, să đąi cûa nơng nghip 4.0 l dỗu mc cho s cõi tin mọnh m v cụng ngh ỵc ỏp dýng nụng nghip Nguyễn Văn Điều, Đặng Thị Thúy Huyền, Nguyễn Việt Anh Cú th k n nhỵ cỏc thụng s v mụi trỵng, cỏc trọng thỏi cỷa thit b mỏy múc quỏ trỡnh sõn xuỗt nụng nghip ỵc thu thờp v ỵa vo cỏc thuờt toỏn mi chuyn i d liệu thành hệ thống thơng tin có giá trð Trên c s ũ, ngỵi sõn xuỗt cú th quõn lý khụng gian v thi gian nhỡm ti ỵu hũa cỏc sõn phốm, giõm rỷi ro v họn ch tn thỵng t cỏc tỏc ng bờn ngoi nhỵ s c mỏy móc, thąi tiết bệnh têt (Bùi Thð Lâm & cs., 2019) Kt quõ l, h thng sõn xuỗt t ng hũa cao ỵc hon chợnh Nhng iu ny tọo nờn bỵc tin to ln nn nụng nghip thụng minh Góp phỉn vào đị, cị thể kể tĆi să phát triển cûa mäng câm biến không dây phýc vý cho nông nghiệp têp trung Hệ thống mäng câm biến khơng dây kết hợp thit b bay khụng ngỵi lỏi (Unmanned Aerial Vehicle UAV) giám sát vùng trồng nơng nghiệp nhìm thu thêp dĂ liệu điều kiện thąi tiết, tình träng ỗt, sc kho cõy trng giỳp ngỵi trng ỵa giõi phỏp phự hp nhỗt v tỵi tiờu, x lý sâu bệnh, chëm bịn vĆi lội cåy trồng (Nguyễn Trỵng Sn & cs., 2021; Mọnh Cỵng, 2017) Cỏc h thống sā dýng UAV giúp thu thêp dĂ liệu ć xa hc nhĂng nĄi cị đða hình him tr Tuy nhiờn, vic ổu tỵ ban ổu mt hệ thống có sā dýng UAV gây khó khën v mt kinh t cho ngỵi s dýng l nụng dân Việt Nam Một số hệ thống mäng câm biến hin chợ s dýng cỏc cụng ngh nhỵ WiFi, GPRS, 3G, Zigbee, LoRa cüng cò thể giúp truyền tín hiệu xa NhĂng cơng nghệ giúp cho việc giám sát trć nên dễ dàng hĄn, tëng hiệu quâ trình quân lý giám sát Nhỵ h thng quan trớc t ng cỏc tham s khớ tỵng thỷy vởn v mụi trỵng theo thi gian thăc dăa mäng câm biến không dây Zigbee (Nguyễn Anh Tuỗn & cs., 2020) hay mọng cõm bin khụng dõy nụng nghip chớnh xỏc (Lờ ỡnh Tuỗn & Thỏi Doón Ngc, 2013) Nhng h thng ny cỹng ỵc nghiờn cu v phỏt trin tọi nỵc ngoi ỏp dýng nhà kính Họ sā dýng mäch giao tiếp ỵc ch tọo sùn hoc phỏt trin sõn phốm riờng dăa công nghệ ZigBee (Ahonen & cs., 2008; Akkaş & Sokullu, 2017) Tuy nhiên hệ thống mĆi ỵc th nghim tọi cỏc khoõng cỏch họn ch hoc cổn rỗt nhiu khu vc giỏm sỏt v iu hnh mi truyn d liu i xa ỵc LoRa l mt hệ thống viễn thơng khơng dây tỉm xa vĆi cơng suỗt thỗp v ỵc xuỗt l mt giõi phỏp cĄ sć hä tæng cho lïnh văc vän vêt kết ni (Internet of Things) Thụng thỵng mọng LoRa bao gm thiết bð đæu cuối (End devices), cổng kết nối (Gateways) máy chû mäng (Network server) Các thiết bð đæu cuối gāi dĂ liệu đến máy chû mäng thông qua cổng kết nối (Chall & cs., 2019; Iborra & cs., 2018; Augustin & cs., 2016; Nguyễn Chí Nhân & cs., 2020) NhĂng nghiên cĀu có thiết bð đỉu cuối liên kết khơng dây vĆi cổng kết nối thông qua điều chế Lora, cỏc cng kt ni v mỏy chỷ mọng thỵng ỵc kết nối thơng qua liên kết có dây hc liên kết 3G/4G Tuy nhiên, nhĂng nghiên cĀu têp trung nghiên cĀu tĆi să giao tiếp LoRa giĂa thiết bð đæu cuối Nếu thay cổng kết ni bỡng cỏc thit b ổu cui s giõm ỵc chi phớ cho h thng vỡ trờn th trỵng, giỏ cûa LoRa gateway đít, thiết bð ổu cui LoRa cú chi phớ thỗp hn rỗt nhiu (Ciuffoletti, 2018) Bên cänh đị, việc truyền thơng giĂa thiết bð đỉu cuối nhìm tránh nhĂng vùng khơng có hoc d mỗt liờn kt 3G/4G, nú õnh hỵng ti truyền dĂ liệu tÿ cổng kết nối tĆi máy chû mọng giõi quyt cỏc vỗn trờn, nhúm tỏc giõ xuỗt mt h thng s dýng cụng ngh LoRa giúp truyền dĂ liệu xa cò thể giám sát trăc tuyến Āng dýng Blynk Qua đò cho thỗy ỵc ỵu im cỷa cụng ngh LoRa việc phát triển mäng câm biến không dåy giúp tëng khoâng cách truyền dĂ liệu xa PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 2.1.1 Công nghệ LoRa LoRa l vit tớt cỷa Long Range Radio ỵc nghiờn cu phát triển bći Cycleo sau 1055 Ứng dụng cơng nghệ LoRa truyền nhận tín hiệu xa ỵc mua lọi bi cụng ty Semtech nởm 2012 Vi cơng nghệ này, truyền dĂ liệu vĆi không cách lĆn vĆi nhiều nút mäng (Node) mà không cổn cỏc mọch khuch ọi cụng suỗt; t ũ giỳp tit kim nởng lỵng tiờu thý truyn nhờn d liệu (Ayele & cs., 2017) Do đò, nhòm đề tài Āng dýng công nghệ LoRa vào hệ thống Tuy nhiên, tín hiệu sóng LoRa vén bð suy giâm thăc tế bći khoâng cách truyền, vêt cân nhiễu bći nguồn sóng radio khác LoRa sā dýng kỹ thuêt điều chế gọi Chirp Spread Spectrum Nguyên lý ny l d liu s ỵc bởm bỡng cỏc xung cao tỉn để täo tín hiệu có dãy tỉn số cao hĄn tæn số cûa dĂ liệu gốc, sau ũ tớn hiu cao tổn ny tip týc ỵc mó hóa theo chuỗi 16 chirp signal (là tín hiệu hình sin có tỉn số thay đổi theo thąi gian, có lội chirp signal up-chirp có tỉn số tëng theo thąi gian down-chirp có tỉn số giâm theo thąi gian việc mã hóa theo nguyên tíc bit sā dýng up-chirp bit - s s dýng down-chirp) trỵc truyn anten gāi 2.1.2 ATmega328 ATmega328 cị tên đỉy đû ATmega328PPU Nũ ỵc gớn mọch cú sùn arduino Mọch Arduino cho phộp gi mó chỵng trỡnh cho ATmega328 thụng qua truyền thông nối tiếp (dùng cổng COM) Các thông số cûa vi điều khiển Atmega328P-PU: kiến trúc: AVR 8bit, xung nhp ln nhỗt: 20Mhz, b nh chỵng trỡnh (FLASH): 32KB, nhĆ EEPROM: 1KB, nhĆ RAM: 2KB, điện áp hoät động rộng: 1,8-5,5V, số timer: timer gồm timer 8-bit timer 16-bit, số kênh xung PWM: kênh (1 timer kênh) 2.1.3 Gateway Bëng tæn làm việc cûa LoRa tÿ 430MHz đến 915MHz cho tÿng khu văc khác giĆi: 430MHz cho châu Á, 780MHz cho Trung Quốc, 433MHz hoðc 866MHz cho châu Âu, 915MHz cho USA Công nghiệp 4.0 xu hỵng hin thi vic t ng hũa v trao i d liu cụng ngh sõn xuỗt Mt nhĂng yếu tố cốt lõi cûa 4.0 IoT, giúp cho hệ thống dễ dàng trao đổi dĂ liệu, giám sát điều khiển tÿ xa Trong hệ thống giám sát, điều khiển, giâi phỏp tớch hp Gateway thỵng ỵc ỵa nhỡm giõi toán kết nối hệ thống tĆi mäng Internet, tham gia vào hệ sinh thái IoT Thiết bð Gateway l thit b ỵc s dýng liờn kt hệ thống mäng khác Nhiệm vý cûa Gateway l chuyn i giao thc cỗp cao, thỵng ỵc thc hin bỡng cỏc thnh phổn phổn mm Nh sā dýng chirp signal mà tín hiệu LoRa vĆi chirp rate khác hột động khu văc mà không gây nhiễu cho Điều cho phép nhiều thiết bð LoRa trao đổi dĂ liệu nhiều kênh đồng thąi Gateway cho phép nối ghép hai loäi giao thĀc vĆi Ví dý: mäng sā dýng giao thĀc IP mäng sā dýng giao thĀc IPX, Novell, DECnet, SNA„ hoðc giao thĀc đị Gateway chuyển đổi tÿ loäi giao thĀc sang loäi khác Ghi chú: Sensor: Cảm biến; Gateway: Cổng kết nối; Mobile app: Ứng dụng điện thoại; Cloud server: Máy chủ điện đám mây; Web server: Máy chủ trang mạng Hình Mơ hình IoT kết hợp Gateway 1056 Nguyễn Văn Điều, Đặng Thị Thúy Huyền, Nguyễn Việt Anh Hình Sơ đồ khối hệ thống Qua Gateway, máy tính mäng sā dýng giao thĀc khác dễ dàng núi chuyn ỵc vi Núi cỏch khỏc, Gateway ũng vai trñ “cāa ngõ” giĂa hai mäng network (có thể IP - IP hoðc IP - LoRa„) Do node khơng thể kết nối thỵng vào server ỵc nờn phõi nh mt thit b trung gian gāi dĂ liệu đi, thiết bð đị gọi Gateway 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý cho hệ thống LoRa 2.2 Phương pháp nghiên cứu - Khối câm biến: bao gm cỏc loọi cõm bin dựng o lỵng tham s khỏc cỷa mụi trỵng vờt lý: nhit , độ èm khơng khí sā dýng câm biến DHT11, câm bin o ýc nỵc, cõm bin ỏnh sỏng v cõm bin ốm ỗt Khi cõm bin cú chc nởng thu thờp d liu t mụi trỵng chuyn i gāi dĂ liệu đến khối xā lí 2.2.1 Sơ tng quan Hỡnh cho thỗy cỏch b trớ hệ thống làm việc Ở đåy, Node có câm biến DHT11 để đo nhiệt độ độ èm mụi trỵng vỡ nhit v ốm l hai thụng s rỗt quan trng v nú cú mt hổu nhỵ mi h thng nụng nghip Cỏc cõm bin khỏc ỵc ỵa vo th nghim s nhỵ: cõm bin quang, cõm bin ốm ỗt, cõm bin o ýc nỵc Sau cỏc Node cỏch Dx m (vĆi x số nguyên) tiến hành thā nghiệm kết nối vĆi Sau đò, gòi dĂ liệu tÿ Node gāi đến Node DĂ liệu täi Node gāi ng thi d liu nhờn ỵc t Node v dĂ liệu cûa nò đến Node Node nhên ỵc d liu ny s gi ng thi tỗt cõ dĂ liệu đến Gateway Việc nhìm mýc đích tëng không cách truyền nhên tín hiệu cûa Node đỉu tiên v Node cui cựng, ng thi họn ch ỵc vic sā dýng nhiều Gateway cho hệ thống lĆn phĀc täp hĄn Một node câm biến bao gồm khối chính: khối câm biến, khối xā lý, khối truyền thơng khối nguồn - Khối nguồn có chĀc nởng cung cỗp in ỏp mt chiu cho x lý thc thi B ngun l cỏc pin cung cỗp nởng lỵng cho cỏc node cõm bin v gateway - Khối xā lí: có nhiệm vý xā lí dĂ liệu có ć câ node câm biến ć khối Gateway - Khối xā lí ć node câm biến: Giao tiếp vĆi khối câm biến để nhên gāi dĂ liệu tĆi khối truyền thông - Khối xā lớ gateway thỡ hoọt ng vi tổn suỗt nhiu hĄn liên týc hĄn khối xā lí ć node câm biến Nó nhên dĂ liệu tÿ node cõm bin x lý lỵu tr v gi thụng tin lên server - Khối truyền thơng (LoRa anten): có chĀc nëng thu nhên phát thông tin giĂa node Dăa yêu cæu Āng dýng să liên quan truyn ọt nũ thỵng s dýng súng phự hp nhỵ radio 1057 ng dng cụng ngh LoRa truyn nhận tín hiệu xa Ứng dụng Blynk Khối cảm biến Khối xử lý Nguồn Khối truyền thông Node cảm biến Khối truyền thơng Getway ESP32 Nguồn Hình Sơ đồ khối node gateway Hình 4a Sơ đồ nguyên lý Node Hình 4b Sơ đồ nguyên lý Node Hình Sơ đồ nguyên lý Node hình ảnh 3D node Hình Sơ đồ nguyên lý Gateway 1058 Nguyễn Văn Điều, Đặng Thị Thúy Huyền, Nguyễn Việt Anh Đối vĆi Gateway gồm có khối nguồn, khối truyền thơng ESP32 ESP32 nhờn cỏc gúi tin t LoRa ỵa lờn server, ngỵi dựng cú th truy cờp ng dýng blynk giám sát dĂ liệu cæn thiết 2.2.3 Thiết kế Node Gateway SĄ đồ nguyên lý Node 1, Node 2, Node gm nhiu nhú nhỵ: Khi ngun, x lý, cõm bin ó ỵc chia thành tÿng phæn riêng biệt mäch Hệ thống Node ỵc thit k trờn phổn mm chuyờn dýng proteus KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình cho thỗy mọch thc t cỷa h thng node v gateway Node ỵc b trớ cõm bin o ốm ỗt, cõm bin o ỏnh sỏng ỵc bố trí täi node 2, node có bố trí cõm bin ýc nỵc v cõ node u cú cõm bin o nhit , ốm mụi trỵng Gateway có chĀc nëng phát tín hiệu u cỉu node thu thêp dĂ liệu, sau đò thu thêp gói dĂ liệu tÿ node gāi đồng thąi gi d liu lờn server nh ESP32 Gateway thỵng ỵc t tọi mt v trớ cú kt ni mọng nhỵ wifi hoðc 3G/4G Hình Mạch thực tế node node Hình Mạch thực tế node gateway Hình Hệ thống lắp đặt thực tế 1059 Ứng dụng cơng nghệ LoRa truyền nhận tín hiệu xa a Mất tín hiệu Node b Mất tín hiệu Node c Mất tín hiệu Node Hình 10 Hệ thống bị tín hiệu 1060 ... Hệ thống lắp đặt thực tế 1059 Ứng dụng cơng nghệ LoRa truyền nhận tín hiệu xa a Mất tín hiệu Node b Mất tín hiệu Node c Mất tín hiệu Node Hình 10 Hệ thống bị tín hiệu 1060 ... ỵc nghiờn cu phát triển bći Cycleo sau 1055 Ứng dụng cơng nghệ LoRa truyền nhận tín hiệu xa ỵc mua lọi bi cụng ty Semtech nởm 2012 Vi cơng nghệ này, truyền dĂ liệu vĆi không cách lĆn vĆi nhiều... tài Āng dýng công nghệ LoRa vào hệ thống Tuy nhiên, tín hiệu sóng LoRa vén bð suy giâm thăc tế bći khoâng cách truyền, vêt cân nhiễu bći nguồn sóng radio khác LoRa sā dýng kỹ thuêt đi? ??u chế gọi