ĐỀ TÀI: BÁO CÁO ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG LORA TRONG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

30 1 0
ĐỀ TÀI: BÁO CÁO ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG LORA TRONG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

IOT (Internet of Things) là một hệ thống kết nối các thiết bị điện tử thông minh với nhau thông qua internet, cho phép trao đổi dữ liệu và tương tác với nhau một cách tự động và thông minh. Hệ thống IoT bao gồm các cảm biến, máy tính nhúng và các thiết bị điều khiển, cho phép thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh và truyền tải thông tin đến các hệ thống điều khiển. Một hệ thống IoT cơ bản sẽ bao gồm các thành phần cơ bản sau:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG LORA TRONG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG Sinh viên thực hiện: Lại Tiến Cường Giáp Anh Đức Lê Văn Tuấn Linh Nguyễn Đăng Thắng Lê Xuân Tổng Tuần Lớp: 63ĐTVT1 Khoa: Điện – Điện tử Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Văn Hội TS Mai Văn Lập Hà Nội, 5-2023 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG Tổng quan truyền thông Lora .3 1.1 Giới thiệu IOT .3 1.2 Truyền thông LoRa 1.2.1 LoRa 1.2.2 LoRaWan 1.2.3 Công nghệ LoRa .6 1.3 Giám sát tham số môi trường 15 CHƯƠNG Thiết kế mơ hình hệ thống 16 2.1 Thiết kế hệ thống 16 2.2 Chức hệ thống .16 2.3 Lựa chọn linh kiện 17 2.3.1 Raspberry pi 17 2.3.2 Seeeduino LoRaWAN .18 2.3.3 Gateway module RHF0M301 – 868 .19 2.3.4 PRI Bridge RHF4T002 20 2.3.5 Cảm biến bụi sharp gp2y1010 20 2.3.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 11 21 CHƯƠNG Chế tạo lập trình thử nghiệm .22 3.1 Chế tạo mạch điều khiển, hệ thống 22 3.2 Lắp ráp hệ thống 23 3.3 Lập trình thử nghiệm .24 3.4 Thử nghiệm hệ thống .25 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .27 Tài liệu tham khảo .28 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG LORA GIỚI THIỆU VỀ IOT IOT (Internet of Things) hệ thống kết nối thiết bị điện tử thông minh với thông qua internet, cho phép trao đổi liệu tương tác với cách tự động thông minh Hệ thống IoT bao gồm cảm biến, máy tính nhúng thiết bị điều khiển, cho phép thu thập liệu từ môi trường xung quanh truyền tải thông tin đến hệ thống điều khiển Một hệ thống IoT bao gồm thành phần sau: Hình 1.1  Things (Thiết bị): Tất thiết bị hệ thống tham gia kết nối, chia sẻ thông tin  Gateways (Trạm kết nối): Nơi kết nối cụm thiết bị để truyền tải thông tin đến hệ thống máy chủ hoắc đến trạm kết nối khác  Network and Cloud (Hạ tầng mạng): Cơ sở hạ tầng tảng để xây dựng hệ thống IOT  Services – creation and Solution Layers (Bộ phân tích xử lý liệu): Máy chủ quản lý, phân tích liệu thiết bị hệ thống, đưa mệnh lệnh, giải pháp dựa chương trình có sẵn  Các giao thức thường dùng:  CoAP (Constrained Application Protocol) giao thức ràng buộc ứng dụng tập đoàn CoRE (Constrained Resource Environments) IETF  MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) an tồn thiết kế cho truyền tải máy với máy)  HTTP (giao thức web) hẳn biết Và ứng dụng sử dụng giao thức để truyền liệu thành phần  XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol ) hay cịn gọi giao thức truyền tải thơng điệp, tin nhắn (message) Các thông điệp trao đổi định dạng XML  LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): giao thức mạng thiết kế để kết nối thiết bị truyền thông LoRa quản lý việc truyền nhận liệu mạng LoRaWAN cung cấp số tính kiểm sốt truy cập đa cấp, bảo mật liệu quản lý thiết bị từ xa  Ứng dụng  Quản lý chất thải  Quản lý môi trường  Quản lý lập kế hoạch quản lý đô thị      1.2 Mua sắm thông minh Quản lý thiết bị cá nhân Phản hồi tình khẩn cấp Đồng hồ đo thơng minh Tự động hóa ngơi nhà TRUYỀN THƠNG LORA 1.2.1 LoRa LoRa viết tắt Long Range Ratio công nghệ truyền liệu sử dụng phương thức điều chế FSK, GFSK, OKK Chi phí, tiêu thụ lượng thấp, tuổi thọ thiết bị cao, lên đến 10 năm với môi trường hoạt động lý tưởng Khoảng cách truyền không gian tự lên đến 15km với mơi trường khơng có vật cản tầm nhìn thẳng Trong mơi trường thị với tịa nhà cao tầng đặt trạm LoRa cách mặt đất từ 1,5 – 2m khoảng cách truyền nhận khoảng 1,5 – 2,5km Ứng dụng LoRa rộng dải cần có kết nối Internet, thiết bị yêu cầu truyền tải, trao đổi liệu thông tin sử dụng cơng nghệ LoRa 1.2.2 LoRaWan Giao thức LoRaWan: LoRaWan chuẩn giao tiếp dựa tảng công nghệ LoRa định nghĩa phát triển tổ chức LoRa Alliance LoRa Alliance tổ chức phi lợi nhuận thành lập để nghiên cứu định nghĩa chuẩn giao tiếp LPWAN network dựa tảng LoRa Hiện LoRa Alliance phát triển chuẩn giao tiếp LoRaWan để kết nối hàng triệu thiết bị IOT ứng dụng Smart city, Smart meters,… LoRaWAN mạng diện rộng (Low Power Wide Area Network) sử dụng lượng thấp mạng lưới khu vực, quốc gia toàn cầu Nó nhắm tới mục tiêu yêu cầu Internet truyền thơng hai chiều an tồn, dịch vụ di động địa phương hóa Thơng số LoraWAN cung cấp khả tương tác liên tục thiết bị thông minh mà không cần cài đặt phức tạp địa phương, mang lại tự do, chủ động cho người dùng, nhà phát triển, doanh nghiệp triển khai IOT Kiến trúc mạng LoRaWAN thường bố trí Topo hình sao, cổng nối cầu suốt chuyển tiếp thông điệp thiết bị đầu cuối máy chủ mạng trung tâm phần phụ trợ Cổng kết nối với máy chủ mạng thông qua kết nối IP tiêu chuẩn thiết bị đầu cuối sử dụng giao tiếp không dây chiều tới nhiều cổng Tất truyền thơng điểm cuối nói chung hai hướng, hỗ trợ hoạt động nâng cấp phần mềm multicas cho khơng khí hoắc thơng điệp phân phối khác để giảm thời gian liên lạc không Truyền thông thiết bị đầu cuối Gateway trải kênh tần số khác tốc độ liệu Việc chọn tỷ lệ liệu cân khoảng truyền thông thời lượng thông điệp Do công nghệ phổ lan rộng, truyền thông với tốc độ liệu khác không can thiệp lẫn tạo tập hợp kênh ảo làm tăng khả Gateway Tốc độ liệu LoraWan dao động từ 0.3 kbps đến 50 kbps Để tối đa hóa tuổi thọ pin thiết bị đầu cuối dung lượng mạng tổng thể, máy chủ mạng LoRaWAN quản lý tốc độ liệu đầu RF cho thiết bị đầu cuối riêng lẻ chương trình ADR Hình 1.2 Mơ hình mạng LoRaWAN Hình 1.2 mơ tả hoạt động hệ thống sử dụng LoRaWan Giao thức LoraWan giúp kết nối thiết bị:  Device node: Là thiết bị cảm biến thiết bị giám sát lắp đặt vị trí làm việc xa để lấy gửi liệu trung tâm  Gateway: thiết bị trung tâm thu thập liệu từ device node gửi lên sever trung tâm để xử lý liệu Các thiết bị Gateway thường đặt vị trí có nguồn điện cung cấp có kết nối Internet để gửi liệu lên server Ứng dụng mạng LoRa  Điều khiển công nghiệp (Industrial Control)  Đo lường (Metering)  Môi trường (Environment)  Thành Phố (Cities)  Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture)  Nhà cao ốc (Home & Buiding) 1.2.3 Công nghệ LoRa LoRa sử dụng băng tần vơ tuyến Gigahertz miễn phí 169 Mhz, 433 Mhz, 868 Mhz 915 Mhz LoRaWAN mạng không dây diện rộng thiết kế phép truyền tầm xa với tốc độ truyền liệu thấp thiết bị sử dụng cảm biến hoạt động pin Đặc điểm công suất thấp, tốc độ bit thấp thiết kế để kết nối người dùng với doanh nghiệp, thu thập nhiều liệu Tốc độ truyền từ 0.3kb/s đến 50kb/s kênh truyền LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nguyên lý liệu băm xung cao tần để tạo tín hiệu có dãy tần số cao tần số liệu gốc, sau tín hiệu cao tần tiếp tục mã hóa theo chuỗi chirp signal ( tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian) trước truyền anten để gửi Theo Semtech cơng bố ngun lý giúp giảm độ phức tạp độ xác cần thiết mạch nhận để giải mã điều chế lại liệu, Lora không cần cơng suất phát lớn mà truyền xa tín hiệu LoRa nhận khoảng cách xa độ mạnh tín hiệu thấp nhiễu môi trường xung quanh  Bảo mật  Lý thuyết mã hóa AES AES (advanced Encrytion Standard, hay Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến) thuật tốn mã hóa khối phủ Hoa Kỳ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa Giống tiêu chuẩn tiền nhiệm DES, AES kỳ vọng áp dụng phạm vi giới đươc nghiên cứu kỹ lưỡng AES chấp thuận làm tiêu chuẩn liên bang Viện tiêu chuẩn công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) sau q trình tiêu chuẩn hóa kéo dài năm AES làm việc với khối liệu (đầu vào đầu ) 128 bits khóa độ dài 128, 192, 256 bits Rịjndael làm việc khóa có độ dài bội số 32 bits nằm khoảng từ 128 đến 256 bits Các khóa sử dụng chu trình tạo q trình tạo khóa Rijndeal Mỗi khóa cột gồm bytes Hầu hết phép toán thuật toán AES thực trường hữu hạn bytes Mỗi khối liệu 128 bits đầu vào chia thành 16 bytes (mỗi bytes bits), xếp thành cột, cột phần tử ma trận 4x4 byte, gọi ma trận trạng thái, hay viết tắt trạng thái (state, trạng thái Rijndeal có thêm cột) Trong q trình thực thuật tốn tốn tử tác động để biến đổi ma trận trạng thái  Mã hóa AES LoRaWAN LoRaWAN biết khóa bảo mật 128 bits riêng biệt Khóa ứng dụng AppSkey biết thiết bị ứng dụng Khi thiết bị tham gia vào mạng, khóa phiên ứng dụng AppSkey khóa phiên mạng NwkSkey tạo Mã NwkSkey chia sẻ với mạng, Trong AppSkey giữ bí mật Các khóa sử dụng suốt trình làm việc Hình 1.3 Khóa mã hóa LoRaWAN Hình 1.3 cho thấy cách mà khóa sử dụng Các AppSkey sử dụng để mã hóa đầu cuối (end – to – end) khung truyền tải Thuật toán sử dụng cho điều AES – 128, tương tự thuật toán sử dụng tiêu chuẩn 802.15.4 LoRaWAN có nhiều loại thiết bị đầu cuối khác để đáp ứng nhu cầu khác phản ánh nhiều ứng dụng Thiết bị đầu cuối định hướng hai chiều ( Class A): Thiết bị đầu cuối lớp A cho phép truyền thông hai chiều, Theo thiết bị truyền dẫn đường lên theo sau hai cửa sổ nhận đường xuống ngắn Khoảng cách truyền dẫn theo thiết bị đầu cuối dựa nhu cầu truyền thơng riêng với biến thể nhỏ dựa sở thời gian ngẫu nhiên ( ALOHA – Loại giao thức) Hoạt động Class A hệ thống thiết bị đầu cuối thấp cho ứng dụng mà cần truyền thông đường xuống từ máy chủ sau thiết bị đầu cuối gửi đường truyền lên Liên lạc đường xuống từ máy chủ thời gian khác phải chờ đường lên theo kế hoạch Thiết bị đầu cuối có định hướng hai chiều với khe tiếp nhận theo lịch trình (Lớp B): Ngồi cửa sổ nhận ngẫu nhiên Class A, thiết bị lớp B mở cửa sổ nhận thêm vào thời gian theo lịch Để thiết bị đầu cuối mở cửa sổ nhận vào thời gian, nhận Beacon đồng hóa thời gian từ Gateway Điều cho phép máy chủ biết thiết bị đầu cuối nghe Thiết bị đầu cuối có định hướng hai chiều với khe tiếp nhận cực đại (Class C): Thiết bị cuối Class C gần liên tục mở cửa sổ nhận, đóng lại truyền  LoRa mơ hình OSI Mơ hình OSI Mơ hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, Viết ngắn OSI Model OSI Reference Model) tạm dịch mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở - thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lý giải cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thơng máy vi tính thiết kế giao thức mạng chúng Mơ hình đươc phát triển thành phần kế hoạch kết nối hệ thống mở (Open Systems Interconnection) ISO IUT – T khởi xướng Nó cịn gọi mơ hình bảy tầng OSI hình Hình 1.4 Hình 1.4 Mơ hình OSI  Các tầng mơ hình OSI:  Tầng 1: Tầng vật lý (Physical Layer) định nghĩa đặc tả điện vật lý cho thiết bị Trong bao gồm bố trí chân cắm (pin), hiệu điện đặc tả cap nối (cable) - Dung lượng mạng tăng: Điều chế Lora Semtech dùng hệ số trải phổ trực giao giúp nhiều tín hiệu gửi kênh mà giảm tối thiểu độ nhạy phía thu - Ranging / Localization: Tính chất vốn có Lora khả phân biệt cách tuyến tính sai số tần số sai số thời gian Phương pháp điều chế Lora lý tưởng ứng dụng radar phù hợp với ứng dụng xác định phạm vi vị trí chẳng hạn dịch vụ định vị thời gian thực 1.3 GIÁM SÁT THAM SỐ MÔI TRƯỜNG Hiện nay, biến đổi khí hậu vấn đề quan trọng giới quan tâm hàng đầu Theo NOAA, năm 2021, nhiệt độ trung bình tồn cầu tăng 0,84 độ C so với mức trung bình kỷ XX và năm có nhiệt độ cao thứ tính từ thống kê bắt đầu tiến hành vào năm 1880 Hàng năm biến đổi khí hậu gây thiệt hại lớn cho nhiều quốc gia giới có Việt Nam Biến đổi khí hậu gây thiệt hại lớn người, tài sản, kinh tế, trị,… Bên cạnh vấn đề biến đổi khí hậu vấn đề nhiễm khơng khí vấn đề toàn cầu quan tâm Nó làm ảnh hưởng đến sức khỏe người, tác nhân ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu tồn cầu Vì nhóm em ứng dụng cơng nghệ sóng LoRa giám sát tham số mơi trường Nhóm em ứng dụng sóng LoRa để giám sát tham số nhiệt độ, độ ẩm nồng độ bụi khơng khí Hỗ trợ cho việc giám sát biến đổi khí hậu tồn cầu nói chung khí hậu Việt Nam nói riêng, kịp thời đưa giải pháp khắc phục hậu biến đổi khí hậu nhiễm khơng khí 15 16 CHƯƠNG 2.1 THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 CHỨC NĂNG HỆ THỐNG Như trình bày phần 2.1, phần cứng hệ thống gồm hai khối khối Node khối Gateway  Khối Node gồm có Vi điều khiển ( Seeeduino LoRaWan) Cảm Biến (DHT11; PM2.5 GP2Y1010):  Vi điều khiển: Là bo mạch phát triển Arduino dựa chip Atmel AVR Nó sử dụng để điều khiển cảm biến gửi liệu gateway thông qua giao thức LoRa  Cảm Biến: Được sử dụng để đo nhiệt độ, độ ẩm nồng độ bụi khơng khí Cảm biến DHT sử dụng để đo nhiệt độ độ ẩm, cảm biến PM2.5 GP2Y1010 sử dụng để đo nồng độ bụi khơng khí  Khối Gateway: thiết bị kết nối node server Nó sử dụng để thu thập liệu từ node thông qua giao thức LoRa gửi liệu lên server thông qua mạng Internet  Server: Được sử dụng để lưu trữ liệu thu thập từ node thông qua gateway Nó có chức xử lý hiển thị liệu web ứng dụng di động 17  GPS: GPS sử dụng để xác định vị trí node gửi liệu server Nó sử dụng để định vị vị trí thiết bị di động sử dụng ứng dụng  Ứng dụng di động (Application): Ứng dụng di động sử dụng để hiển thị thông tin môi trường, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm nồng độ bụi Nó hiển thị vị trí thiết bị di động sử dụng ứng dụng  Mạng (Network): Mạng sử dụng để truyền thông node, gateway, server thiết bị di động sử dụng ứng dụng Trong trường hợp này, mạng sử dụng giao thức LoRa để truyền liệu 2.3 LỰA CHỌN LINH KIỆN 2.3.1 Raspberry pi Hình 2.2 Raspbery pi Thơng số Kỹ thuật  Vi xử lý: Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC @1.4GHz  RAM: 1GB LPDDR2 SDRAM  Kết nối: 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps)  Cổng USB: x 2.0  Mở rộng: 40-pin GPIO  Video âm thanh: cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display, cổng MIPI CSI Camera, cổng stereo output composite video chân  Multimedia: H.264, MPEG-4 decode (1080p30), H.264 encode (1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 graphics  Lưu trữ: MicroSD 18  Nguồn điện sử dụng: 5V/2.5A DC cổng microUSB, 5V DC chân GPIO, Power over Ethernet (PoE)  (yêu cầu thêm PoE HAT) 2.3.2 Seeeduino LoRaWAN Hình 2.3 Mục vi điều khiển Giá trị ATSAMD21G18, ARM Cortex M0+ 32 bit điện áp hoạt động 3,3V Chân I/O kỹ thuật số 20 Chân PWM Tất trừ chân UART (Tự nhiên Lập trình) Chân đầu vào tương tự kênh ADC 12-bit Chân đầu tương tự 1, giải mã 10-bit Ngắt bên Tất chân ngoại trừ chân Dòng DC chân I/O 7mA Bộ nhớ flash 256KB SRAM 32KB EEPROM Khơng có Tốc độ đồng hồ 48 MHz chiều dài 68 mm Chiều rộng 53 mm Cân nặng 19,6g (khơng có GPS), 19,9 (có GPS) 19

Ngày đăng: 10/05/2023, 15:14

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan