Giới thiệu
Các khái niệm về mô hình mạng không dây Tổng quan về công nghệ không dâyLoRa, các thông số cơ bản và kỹ thuật điều chế sóng LoRa Các thông số cơ bản về công nghệ LoRa.
Khái niệm cơ bản về một số mạng không dây: [1]
CELLULAR NETWORK: [1]
Với các ứng dụng Internet of Things yêu cầu khoảng cách truyền tầm xa, thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GSM/3G/H+/LTE là sự lựa chọn hàng đầu nhưng chi phí khá cao mà vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng.
Hiện nay, trong công nghiệp đều hỗ trợ giao tiếp theo các chuẩn: RS232, RS485, RS422 hay Ethernet.
Phương tiện truyền thông qua mạng di động hiện nay đều hỗ trợ đầu vào các cổng Serial hay cổng Ethernet.
Tiêu chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G).
Khoảng cách: 35km max for GSM; 200km max for HSPA.
Tốc độ truyền dữ liệu: 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)
LAN NETWORK: [1]
Bluetooth là một chuẩn công nghệ truyền thông không dây tầm gần sử dụng sóng vô tuyến UHF trong dải tần 2,4 GHz Mục đích của Bluetooth là đơn giản hóa các kết nối giữa các thiết bị điện tử bằng cách kết nối sóng không dây vô hướng.
Hình 1 2 Mô hình công nghệ Bluetooth
Công nghệ hỗ trợ việc truyền dữ liệu khoảng cách ngắn giữa các thiết bị tạo nên hệ thống mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network – PANs), tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt được 1Mb/s và hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 720 Kbps trong phạm vi 10m đến 100m Điểm khác biệt với kết nối hồng ngoại (IrDA).
BLE viết tắt của từ Bluetooth Low Energy là một giao thức được sử dụng trong các ứng dụng IoT với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế nhằm mục đích giảm công suất tiêu thụ hơn mức bình thường.
Các chuẩn kết nối Bluetooth:
+ Chuẩn Bluetooth 1.0: Tốc độ truyền có thể đạt được 1Mbps tuy nhiên còn gặp nhiều vấn đề về khả năng tương thích thiết bị.
+ Chuẩn Bluetooth 1.1: Phiên bản nâng cấp và sửa lỗi của chuẩn 1.0, không có sự thay đổi về tốc độ đường truyền.
+ Chuẩn Bluetooth 1.2: Nâng cấp về thời gian dò tìm và truyền tải dữ liệu so với chuẩn 1.1.
+ Chuẩn Bluetooth 2.0: Ra mắt tháng 7/2007, đây là chuẩn ổn định, tốc độ chia sẻ dữ liệu nhanh và có chế độ tiết kiệm năng lượng.
+ Chuẩn Bluetooth 2.1: Mang ưu điểm của chuẩn Bluetooth 2.0 ngoài ra có cơ chế kết nối trong phạm vi nhỏ.
+ Chuẩn Bluetooth 3.0 + High Speed: Giới thiệu vào 21/4/2009, về lý thuyết đạt đến 24Mbps Nhưng chỉ hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị và truyền tải các file có dung lượng thấp như ảnh, video dung lượng nhẹ…
+ Chuẩn Bluetooth 4.0: Là phiên bản kết hợp của Bluetooth 2.1 - 3.0 - Bluetooth
3.0 + High Speed với Bluetooth smart ready / Bluetooth smart Chuẩn có khả năng tăng cường tối đa tốc độ kết nối và truyền tải trong thời gian cực nhanh, là chuẩn hiện đại nhất và nhanh nhất hiện tại.
+ Chuẩn Bluetooth 5.0: Ra mắt vào tháng 12/2016 có tốc độ nhanh hơn gấp 2 lần và khoảng cách xa hơn gấp 4 lần so với chuẩn 4.0 Ứng dụng của Bluetooth:
+ Kết nối và điều khiển, truyền tải dữ liệu giữa điện thoại và các thiết bị điện tử giải trí như loa, máy in,máy ảnh, thiết bị như bàn phím, chuột không dây + Có mặt trên các thiết bị quét mã vạch, thiết bị y tế.
Những ưu điểm và nhược điểm:
+ Tiện lợi, chi phí thấp và tiêu tốn ít năng lượng.
+ Không làm ảnh hưởng sức khỏe con người.
+ Mang tính bảo mật cao
+ Trong phạm vi 5m các thiết bị có thể kết nối với nhau mà không cần tiếp xúc trực diện.
+ Không ảnh hưởng và gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác.
+ Tính tương thích cao giữa các thiết bị.
+ Tốc độ thấp (tối đa khoảng 720kbps).
+ Kết nối đôi khi bị tín hiệu yếu nếu môi trường có nhiều vật cản. b) ZigBee:
ZigBee là một loại truyền thông giao tiếp trong khoảng cách ngắn được sử dụng với số lượng lớn trong nền công nghiệp
Thông tin kỹ thuật về ZigBee:
+ Tốc độ dữ truyền liệu: 250kbp/s.
Tầng vật lý: Có nhiệm vụ điều biến và gói tín hiệu vào môi trường không gian ngoài ra còn duy trì việc truyền tín hiệu ở các môi trường nhiễu.
Tầng MAC: Xác định hình dạng đường truyền và hình dạng mạng để tránh va chạm giúp hệ thống hoạt động mạnh mẽ.
Application Support sub – Layer (APS)
Tầng mạng NWK: Là tầng phức tạp có nhiệm vụ giúp tìm, kết nối mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Là tầng xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC.
Tầng APS: Là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi để cài đặt những ứng dụng cho ZigBee, loại bớt các gói dữ liệu trùng lặp từ tầng mạng NWK.
Tầng đối tượng thiết bị ZDO: Có nhiệm vụ quản lý các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu và xác định trạng thái thiết bị.
Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng APO: Cho phép người dùng tiếp xúc với thiết bị, tùy biến thêm ứng dụng vào hệ thống.
ZigBee có ba dạng chính:
Hình 1 6 Mô hình mạng ZigBee
Các mô hình mạng ZigBee:
+ Star network: Các nút con sẽ liên kết với nút chủ ở vị trí trung tâm.
+ Mesh network: Các nút trong Mesh network đều có thể liên kết với các nút khác đảm bảo tín hiệu truyền liên tục Nếu có sự cản trở thì hệ thống sẽ tự nhảy sang các nút khác.
+ Cluster network: Là bản mở rộng của Mesh network và có thể phủ sóng và mở rộng cao hơn.
Thành phần trong mạng ZigBee:
+ ZigBee Coordinator: Có nhiệm vụ về kết cấu mạng về việc đánh địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ Mỗi mạng chỉ có duy nhất một ZigBee Coordinator và cũng là thiết bị duy nhất giao tiếp với các mạng khác.
+ ZigBee Router: Có nhiệm vụ định tuyến trung gian trong việc truyền dữ liệu,
ZigBee Router sẽ tự động phát hiện và lập bản đồ các nút xung quanh.
+ ZigBee End Device: Là thiết bị điểm cuối và giao tiếp với ZigBee Coordinator và ZigBee Router ở gần nhất ZigBee End Device có nhiệm vụ đọc thông tin từ các thành phần vật lý ở trạng thái nghỉ và chỉ làm việc khi cần chuyển hoặc nhận thông điệp nào đó.
Dải tần hoạt động của ZigBee:
Khu vực Dải tần Số kênh Tốc độ truyền
Châu Âu 868 – 868.8 (MHz) 1 20kb/s Úc, Mỹ, Canada 902 – 928 (MHz) 10 40kb/s
Các nước khác trên thế giới 2.4 – 2.4835 (GHz) 16 250 kb/s
Các ứng dụng của ZigBee:
+ Nhà thông minh: Kiểm soát và giám sát mức độ tiêu thụ năng lượng, nguồn nước, ánh sáng, …
+ Tự động hóa: Các thiết bị RFID dựa trên công nghệ ZigBee cung cấp quản lý truy cập an toàn trong ngành công nghiệp Các ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình hoạt động, quản lý nguồn năng lượng, theo dõi nhân sự, …
+ Chăm sóc sức khỏe: Theo dõi sức khỏe từ xa, …
+ Quản lý, giám sát năng lượng: Trong lưới điện thông minh bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa, định vị lỗi, công suất phản kháng, … Ưu điểm của ZigBee:
+ Lắp đặt và kết nối mạng Internet dễ dàng.
+ Sử dụng công nghệ mã hóa AES-128 mang tính bảo mật cao.
+ Dễ dàng mở rộng: ZigBee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống.
+ Không thể phủ rộng hết toàn bộ nơi có diện tích quá lớn.
+ Khả năng xuyên tường chưa mạnh nhà có nhiều phòng thì tín hiệu bị giảm c) Wifi:
Wi-Fi (Wireless Fidelity/802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến 802.11 bắt nguồn từ tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
LPWAN NETWORK: [1]
Sigfox là một truyền thông không dây tầm xa giải quyết các vấn đề về ứng dụng Internet of Things Giao thức mạng Sigfox có các trạm gốc được tích hợp với các tín hiệu Radio được xác định bởi các ứng dụng phần mềm Các thiết bị cuối sử dụng điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) để kết nối với các trạm gốc và có ưu điểm là tính tự chủ, kết nối đơn giản, giá thành sử dụng.
SigFox sử dụng băng tần 192kHz Mỗi packet có chiều rộng 100Hz và tốc độ 100-600bit trên giây Ở các nước châu Âu SigFox sử dụng băng tần 868-868.2 MHz, ở những nước khác băng tần là 902-928 MHz.
Mạng Sigfox hỗ trợ giao tiếp hiệu quả đối với mức tiêu thụ điện năng thấp đảm bảo các thiết bị từ xa trên một khu vực địa lý rộng miễn là khu vực có kết nối Internet.
Các tính năng của Sigfox:
+ Dung lượng mạng cao: Do điều chế dải cực hẹp có khả năng chống chịu và chống nhiễu cao.
+ Giải quyết tốt về vấn đề năng lượng: Nhờ các chất bán dẫn tiêu thụ năng lượng thấp được sử dụng trong quá trình sản xuất phần cứng Sigfox Các chất bán dẫn này truyền dữ liệu chỉ khoảng 10mA - 50mA, Sigfox chỉ tiêu thụ một vài Nano Ampe khi không hoạt động.
+ Hiệu quả tầm xa: Ở khu vực nông thôn, mạng Sigfox có phạm vi hoạt động trung bình từ 30km đến 50km do tín hiệu nhiễu ít Ở các trung tâm thành phố nơi có nhiều vật cản, phạm vi hoạt động Sigfox giảm còn 10km. Ứng dụng của Sigfox:
+ Sử dụng trong các ứng dụng đo lường thông minh.
+ Ứng dụng trong các lĩnh vực giao thông.
+ Điều khiển giám sát từ xa các thông số qua mạng Sigfox.
Các tính năng/thông số kỹ thuật của công nghệ Sigfox:
Tần số hoạt động Unlicensed ISM Band
Phạm vi 30 to 50 Km (Rural areas)
Payload size to be transmitted12 bytesTiêu tốn năng lượng Rất ít
Tổng quan về công nghệ LoRa: [2]
Khái niệm
Công ty Cycleo đã nghiên cứu và phát triển ra LoRa (Long Range Radio), vào năm 2012 được mua lại bởi công ty Semtech LoRa là một giao thức truyền thông dựa trên tần số vô tuyến được sử dụng để truyền dữ liệu trên một khoảng cách lớn Với khoảng cách hàng trăm km nhưng việc tiêu thụ năng lượng rất ít Công suất thấp và tầm xa là điểm khiến cho LoRa đặc biệt.
Decibel, dBm, dBi, dBd
Decibel (dB) là một đơn vị đo lường được sử dụng để biểu thị tỷ lệ của luỹ thừa, áp suất âm thanh hoặc những thứ khác trên thang logarit Decibel được phát minh bởi Bell Labs và đặt theo tên tên của Alexander Graham Bell.
Decibel được sử dụng để biểu thị tỷ lệ công suất điện (Watts).
Trong đó: P o là công suất ra.
Chuyển đổi dB sang tỷ lệ công suất: P P o i = 10 ( 10 A )
Thang đo logarit được sử dụng để tránh các số rất lớn hoặc rất nhỏ, nghĩa là các tỷ lệ Sử dụng dB dễ làm việc hơn.
- Tỷ lệ công suất 1.000.000 (1 triệu) có thể biểu thị bằng 60 dB.
- Tỷ lệ công suất 0,000001 có thể biểu thị bằng -60 dB.
- Tỷ lệ công suất 1,000,000,000,000,000 có thể biểu thị bằng 150 dB.
- Tỷ lệ công suất 0,000000000000001 có thể biểu thị bằng -150 dB.
- Tỷ lệ công suất 1,000,000,000,000,000,000,000,000 có thể biểu thị bằng 240 dB.
- Tỷ lệ công suất 0,000000000000000000000001 có thể biểu thị bằng -240 dB. Đơn vị dB là một tỷ lệ, nó không đại diện cho một giá trị tuyệt đối.
Thiết bị có mức tăng 3dB.
Có một cách dễ dàng để chuyển đổi giá trị dBm thành giá trị công suất tuyệt đối của nó (Po).
3 dB = x2 -3 dB = ÷2 dB Tỷ lệ công suất (P o /P i ) Tỷ lệ công suất (P o /P i )
Bảng 1 Bảng quy đổi dB sang công suất tuyệt đối
Có thể tính bất kỳ số nào bằng cách chỉ sử dụng các giá trị 10 và 3.
Ví dụ: Máy phát có 6 dB thì có công suất phát (thông thường Pi = 1 mW):
Ví dụ: Máy phát có 17 dBm thì có công suất phát:
Đặc điểm nổi bật của LoRa
- Tốc độ truyền dữ liệu: Khoảng từ 0.3kbps đến 5.5kbps.
- Gateway xử lý nhiều thiết bị Node cùng một lúc.
- Các Gateway có thể nhận đồng thời nhiều tần số, trong mọi hệ số lan truyền (Spreading Factor) ở mỗi tấn số.
- Tốc độ truyền dữ liệu càng chậm thì khả năng truyền càng mạnh và phạm vi dài.
- Ở chế độ nghỉ, LoRa hoạt động 1àA.
Kỹ thuật điều chế sóng LoRa: [2]
a) Tần số truyền của LoRa: Điều chế có nghĩa là các thông tin tương tự hoặc kỹ thuật số được mã hóa thành tín hiệu sóng mang.
Kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum được sử dụng trong LoRa Tín hiệu băng tần cơ sở được mở rộng đến một băng tần rộng hơn bằng cách đưa tín hiệu tần số cao hơn Đặc điểm cơ bản là băng thông của tín hiệu dùng để truyền thông tin lớn hơn nhiều so với băng thông của chính thông tin Hiểu đơn giản nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (gọi là chipped)
Trong hệ thống truyền thống hoặc DSSS, pha sóng mang của tín hiệu máy phát thay đổi theo một chuỗi mã Khi nhận tín hiệu dữ liệu với một mẫu bit được xác định trước ở tốc độ cao hơn nhiều, còn được gọi là mã trải rộng (hoặc chuỗi chip), một tín hiệu “nhanh hơn” được tạo ra có các thành phần tần số cao hơn tín hiệu dữ liệu gốc.Điều có có nghĩa là băng thông tín hiệu được trải rộng ra ngoài băng thông của tín hiệu ban đầu Trong thuật ngữ RF, các bit của chuỗi mã được gọi là chip Khi tín hiệu được truyền đến máy thu RF, nó sẽ được nhân với một bản sao giống hệt của mã trải phổ được sử dụng trong máy phát RF, dẫn đến một bản sao của tín hiệu dữ liệu gốc.
Thông qua phép này giúp cho link budget RF cao hơn, vì vậy có thể truyền đi phạm vi dài.
Hình 1 11 Thay đổi tín hiệu máy phát pha sóng mang hệ thống DSSS
Tỷ lệ log10 của tốc độ chip của chuỗi mã và tốc độ bit của tín hiệu dữ liệu được gọi là độ lợi xử lý (Gp) Độ lợi này cho phép máy thu khôi phục tín hiệu dữ liệu ban đầu, ngay cả khi kênh có tỷ lệ tín hiệu nhiễu âm (SNR) LoRa có Gp vượt trội so với điều chế FSK, cho phép giảm mức công suất đầu ra của máy phát trong khi vẫn duy trì cùng tốc độ dữ liệu và Link budget tương tự.
Sử dụng công nghệ trải phổ:
C là dung lượng kênh tính bằng bit trên giây [bps], là tốc độ dữ liệu tối đa được cho phép theo tỷ lệ lỗi bit có thể chấp nhận được về mặt lý thuyết (BER).
B là băng thông kênh yêu cầu tính bằng Hz.
N là tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu.
C đại diện cho lượng thông tin mà kênh giao tiếp cho phép và cũng đại diện cho hiệu suất mong muốn Dựa vào công thức, có thể thấy nếu tăng băng thông (B), hiệu suất giao tiếp (C) có thể được duy trì và thậm chí công suất tín hiệu có thể thấp hơn tầng nhiễu (thể hiện là chống nhiễu mạnh, truyền xa hơn).
Một trong những nhược điểm của hệ thống DSSS là nó yêu cầu đồng hồ tham chiếu chính xác cao (đắt tiền) Công nghệ CSS của Semtech cung cấp giải pháp thay thế DSSS chi phí thấp và công suất thấp nhưng mạnh mẽ, không yêu cầu đồng hồ tham chiếu có độ chính xác cao Trong điều chế LoRa, sự trải phổ của tín hiệu đạt được bằng cách tạo ra một tín hiệu chirp liên tục thay đổi về tần số.
Hình 1 12 Hình minh hoạ LoRa Chirp Spread Spectrum
Một ưu điểm của phương pháp này là hiệu số thời gian và tần số giữ máy phát và máy thu là tương đương nhau, làm giảm đáng kể độ phức tạp của thiết kế máy thu. Băng thông tần số của chirp này tương đương với băng thông phổ của tín hiệu Tín hiệu dữ liệu mang dữ liệu từ thiết bị đầu cuối đến cổng kết nối được xử lý ở tốc độ dữ liệu cao hơn và được điều chế thành tín hiệu sóng mang chirp Điều chế LoRa cũng bao gồm một sơ đồ sửa đổi thay đổi để cải thiện độ mạnh của tín hiệu được truyền. Đối với mỗi bốn bit thông tin gửi đi, một bit thứ năm của thông tin chẵn lẻ được gửi đi.
LoRa xử lý độ lợi được đưa vào kênh RF bằng cách nhân tín hiệu với mã trải rộng hoặc chỗi chip Bằng cách tăng tốc độ chip, tăng các thành phần tần số của tổng phổ tín hiệu Nói cách khác, năng lượng của tổng tín hiệu giờ đây được trải rộng trên một dải tần số rộng hơn, cho phép máy nhận phân biệt tín hiệu có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp hơn.
Hình 1 13 Hình ảnh minh hoạ chip SX1278 SEMTECH
Tiếp theo tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hóa theo các chuỗi chirp signal là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian.
Có 2 loại chirp signal trong đó:
Phân loại Chirp Mô tả tần số về mặt thời gian Nguyên tắc mã hóa
Tín hiệu sẽ được mã hóa theo 2 loại chirp signal trước khi truyền đến anten để gửi đi Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu LoRa hoạt động trong băng tần vô tuyến ISM không được cấp phép có sẵn trên thế giới.
Khu vực Tần số (MHz)
Europe (Châu Âu), Russia (Nga), India (Ấn Độ),
Bảng 2 Bảng tần số được phép sử dụng từng khu vực
Ưu điểm của băng tần ISM:
+ Bất kỳ ai cũng được phép sử dụng các tần số này.
+ Không có lệ phí giấy phép được yêu cầu.
Nhược điểm của băng tần ISM:
+ Tốc độ dữ liệu thấp.
Các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau nhờ sử dụng chirp signal mà có thể hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên đồng thời nhiều kênh (mỗi kênh cho 1 chirprate). b) Tính chất truyền trong LoRa:
- Suy hao không gian trống (Free space losses):
Trong đó: L(fs): Suy hao không gian trống tính bằng dB.
D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng km.
F: Tần số tính bằng MHz.
- Fresnel zone là một phần thân có hình elip xung quanh đường thẳng truyền trực tiếp giữa Node và Gateway Bất kỳ chướng ngại vật nào trong phạm vi này (ví dụ như tòa nhà, cây cối, đỉnh đồi hoặc mặt đất) có thể làm suy yếu tín hiệu được truyền ngay cả khi có một đường truyền thẳng trực tiếp giữa Node và Gateway.
D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng ki-lô-mét
[km]. f: là tần số tính bằng GHz.
- Ảnh hưởng bởi độ cong của Trái Đất:
(8 R earth ) Trong đó: H: Độ cao (hoặc độ cong cho phép) tính bằng mét [m].
D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng ki-lô-mét
R earth = 8504 là Bán kính của Trái Đất tính bằng ki-lô-mét [km].
Khoảng cách (km) Độ cao (m)
Bảng 3 Bảng tính độ cao H dựa vào từng khoảng cách
- Nếu vượt quá 40% mức tắc nghẽn, mất tín hiệu (mất dữ liệu) có thể xảy ra.
Node Fresnel zone, khoảng trống 60%
Trong đó: r = 8,657 √ 0,6 f D : Là bán kính Fresnel zone tính bằng mét [m].
D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng ki-lô-mét
[km]. f: Tần số tính bằng GHz.
H: Độ cong Trái đất cho phép. r + H: Tối thiểu Node và Gateway so với mặt đất.
Bảng 4 Bảng tính bán kính (r) với khoảng trống 100% (trái) và 60% (phải)
Để có hiệu suất tín hiệu vô tuyến tốt nhất: An-ten Gateway phải được đặt ngoài trời ở vị trí cao (tránh chướng ngại vật trong Fresnel zone).
Thiết kế an-ten cho cả hai Gateway và Node phải được tối ưu hóa cho tần số khu vực của nó.
Giữ phân cực an-ten thẳng đứng cho cả Gateway và Node và sử dụng an- ten đa hướng để bao phủ một khu vực rộng lớn. c) Điều chế:
Nếu một tín hiệu đầu vào (=message) được áp dụng cho một tín hiệu sóng mang thì quá trình này được gọi là điều chế Tín hiệu đã được điều chế được phát tới máy thu.
Giải điều chế thì ngược lại, trong đó tín hiệu ban đầu (=message) được khôi phục từ sóng mang đã điều chế.
Hình 1 14 Điều chế tín hiệu d) Link budget:
Link Budget là tổng các gain (có ích) và losser (suy hao) từ thiết bị phát, thông qua trung gian (không gian trống), đến máy thu trong một hệ thống viễn thông Đó là một cách để định lượng hiệu suất liên kết.
Máy phát: giá trị máy phát vô tuyến phải được tính bằng dBm.
Gains (độ lợi): An-ten (đơn vị: dBi).
Losser (suy hao): Cáp, đầu nối, tín hiệu truyền qua thiết bị (Đơn vị: dB).
Khi một tín hiệu truyền qua môi trường, tín hiệu sẽ mất cường độ Đây được gọi là suy hao đường dẫn
Công thức tính link budget:
Truyền Cáp Path loss Cáp Nhận
Công suất thiết bị nhận = Công suất thiết bị truyền + độ lợi – suy hao
Công suất thiết bị nhận = 20 - 5 + 10 – 115 + 12 – 2 = -80 dBm Độ nhạy của máy thu là mức công suất thấp nhất mà máy thu có thể nhận hoặc giải điều chế tín hiệu.
Ví dụ: Độ nhạy của máy thu = -90 dBm Link Margin là sự khác biệt giữa công suất suất nhận được và độ nhạy thu của máy thu.
Link Margin (dBm) = Công suất thiết bị nhận (dBm) – Độ nhạy thu (dBm)
Công suất thiết bị nhận = -80dB. Độ nhạy của máy thu = -90dB.
Bộ thu có giải điều chế tín hiệu RF ở mức công suất thấp hơn thì bộ thu đó tốt hơn.
Nếu Link Margin quá lớn hoặc quá nhỏ, cần có các hoạt động khắc phục để đảm bảo hệ thống sẽ hoạt động tốt hơn.
Link Margin phải dương (công suất nhận > độ nhạy máy thu) và ít nhất phải là vài dB để máy thu có thể giải điều chế thành công tín hiệu.
Máy thu LoRa rất nhạy và cung cấp độ nhạy xuống -148dBm, do sử dụng chip CSS.
Link Buget tối đa có thể được sử dụng làm giá trị cơ sở để so sánh một máy phát với máy phát tiếp theo.
Link Buget tối đa (dBm)
= Công suất truyền tối đa (dBm) – Độ nhạy máy thu thấp nhất(dBm)
Công suất truyền tối đa = 20dBm, độ nhạy máy thu thấp nhất = -148dBm.
Link Budget tối đa = 20 – (-148) = 168 dBm
Hình 1 16 Link budget e) EIRP và ERP
- EIRP là tổng công suất được phát ra bởi một an-ten đẳng hướng theo tính toán.
EIRP = Tx power (dBm) + độ lợi an-ten (dBi) - suy hao trên cáp (dBm)
= 168 dBm Độ nhạy máy thu thấp nhất = -148 dBm
Công suất truyền tối đa = 20 dBm
Các thông số cơ bản: [2]
Chip Rate: (Tỷ lệ chip) Đơn vị của băng thông (BW) là Hertz (Hz) là số lượng dao động hoặc chu kỳ sóng trong một giây Băng thông này có thể hoán đổi cho nhau với tốc độ chip.
BW = R c = chip rate (tốc độ chip) [chips/s].
Chip Duration (Thời lượng chip)
Trong đó: BW tính bằng Hz.
Vớ dụ: Với BW = 125 kHz, Tc = 125000 1 = 8 [às].
- Symbol mang 9bit thông tin thô.
Bandwidth (BW) fhigh – flow fcenter
Bandwidth (BW) fhigh – flow fcenter
Symbol Duration (Thời lượng Symbol)
Trong đó: BW tính bằng Hz.
SF có nhiệm vụ xác định về số lượng chrip signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu Nó tác động đến hiệu suất giao tiếp của LoRa, sử dụng SF từ 7 đến 12 SF thì tín hiệu chậm nhất, cung cấp mạnh SF càng lớn sẽ làm tăng thời gian phát sóng, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, giảm tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện phạm vi liên lạc
Trong đó: R c : Tỷ lệ chip.
2 SF là tỷ lệ symbol (kí hiệu)
Ví dụ SF có nghĩa là 1 mức logic của chipped signal sẽ được mã hóa bởi 12 xung chirp signal Giá trị cho SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng khoảng cách truyền sẽ xa hơn.
Trong LoRa, lượng mã trải rộng được áp dụng cho tín hiệu dữ liệu gốc được gọi là hệ số trải phổ (SF) Hệ số trải phổ được sử dụng càng lớn, tín hiệu có thể truyền đi xa hơn và vẫn được bộ thu RF thu được mà không bị lỗi.
Một Symbol (biểu tượng) đại diện cho một hoặc nhiều bit dữ liệu Ví dụ Symbol
Số lượng bit thô có thể được mã hóa bằng Symbol là 7 Điều này giống như nói
Hệ số lan truyền (SF) = 7. fhigh
Bandwidth (BW) fhigh – flow fcenter
Symbol có giá trị 2 SF Nếu SF = 7, các giá trị nằm trong khoảng từ 0 – 127 Giá trị ký hiệu được mã hóa thành tín hiệu quét (Up-chirp).
Tín hiệu quét được chia thành các 2 SF bước hoặc chirp.
Ví dụ: Symbol = 1011111 (decimal = 95), số bit có thể được mã hóa bằng ký hiệu là 7 (SF = 7) Tín hiệu quét được chia thành 2 SF = 2 7 = 128 chip.
Hệ số lan truyền (SF) xác định 2 giá trị:
- Số lượng bit thô có thể được mã hóa bởi ký hiệu đó: SF.
- Mỗi ký hiệu có thể chứa 2 SF chip.
Một Symbol chứa 2 SF chip.
Chirp là tín hiệu trong đó tần số tăng (chirp tăng) hoặc giảm (chirp xuống).
Thời gian trực tuyến (ToA) là khoảng thời gian an-ten của máy phát được cấp năng lượng và truyền dữ liệu Không phải thời gian truyền từ máy phát (Tx) tới máy nhận (Rx). fhigh fcenter flow
ToA, còn được gọi là thời lượng gói tin (Tpacket) được tính:
Trong đó: T preamble tính bằng giây (s)
T payload tính bằng giây (s) Thời lượng phần mở đầu được tính (Tpreamble):
Trong đó: n preamble = 8 symbols (thời lượng symbols (Ts) tính bằng giây(s)).
Phạm vi (phụ thuộc vào địa hình)
Thời gian trực tuyến (ToA) cho
Hình 1 28 Các yếu tố lan truyền LoRa
Mất 530ms thời gian truyền để gửi dữ liệu
Thời lượng payload (Tpayload) được tính:
T payload = T s ( 8+ max ( ceil ( 8 PL−4 SF 4 −28+ ( SF −2 16 DE) CRC −20 H ) (CR + 4) , 0 ) )
Trong đó: PL là số byte của payload.
CRC (bật CRC = 1, tắt CRC = 0).
Header (H) (bật H =1 [ẩn], tắt H = 0 [rõ ràng]).
LowDataRateOptimize (DE) (bật DE = 1, tắt DE = 0).
Quan trọng là các hệ số điều chế trải rộng vốn là trực giao Điều này có nghĩa là các tín hiệu được điều chế với các hệ số làn truyền khác nhau và được truyền trên cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm không gây nhiễu lẫn nhau Thay vào đó, các tín hiệu ở các yếu tố lan truyền khác nhau chỉ đơn giản là nhiễu lẫn nhau.
Tối ưu hóa tốc độ dữ liệu thấp
Với thời gian dài có thể xảy ra của gói ở các hệ số lan truyền cao, tuỳ chọn tối ưu hóa tốc độ dữ liệu thấp (Low Data Rate Optimize) có thể cải thiện mức độ mạnh mẽ của việc truyền với các biến thể về tần số trong suốt thời gian truyền và nhận gói. Khi bật tối ưu hóa tốc độ dữ liệu thấp, sẽ làm tăng độ bền liên kết LoRa ở những tốc độ dữ liệu hiệu quả thấp Việc nó được bắt buộc sử dụng khi thời lượng Symbol vượt quá 16 ms Lưu ý rằng cho cả bộ phát và bộ thu phải có cùng cài đặt Low Data Rate Optimize.
Low Data Rate Optimize được bật khi cho hệ số lan truyền SF ≥ 11 và băng thông 125 kHz hoặc thấp hơn làm giảm đi số bit được truyền trên mỗi Symbol đi 2.
SF và Thời lượng Symbol
Tổng quan về thời lượng Symbol liên quan đến các hệ số lan truyền khác nhau.Nếu SF tăng lên 1 thì thời lượng Symbol tăng gấp đôi.
-Thì thời lượng Symbol hoặc thời gian quét tăng gấp đôi so với SF trước đó.
-Nó làm giảm tốc độ bit khoảng một nửa so với SF trước đó.
-Thời gian trực tuyến (ToA) (=khoảng thời gian an-ten của máy phát được cung cấp năng lượng và truyền dữ liệu) tăng lên có nghĩa là khoảng cách tăng lên. Để cung cấp ý tưởng về thời gian trực tuyến đối với Payload 10byte, BW = 125 kHz SF7: ToA = 41 ms; SF12 :: ToA = 991 ms.
BW có nhiệm vụ là xác định biên độ tần số mà chirp signal thay đổi Nếu tăng
Bandwidth, tốc độ truyền dữ liệu tăng thì làm giảm thời gian mã hóa chipped signal và thời gian truyền dữ liệu xuống từ đó khoảng cách truyền mà ta cần sẽ ngắn lại BW có thể lấy một trong các giá trị 125, 250, hoặc 500Hz.
Thời gian truyền (ms) Thời gian truyền (ms)
Bandwidth (BW) fh fc fl
Bảng 7 Ảnh hưởng của băng thông tới tốc độ truyền
BW (kHz) SF 5 bytes 10 bytes
Thời gian truyền (ms) Thời gian truyền (ms)
Bảng 8 Ảnh hưởng của hệ số trải phổ đến thời gian truyền
FEC (Sửa lỗi chuyển tiếp) là quá trình mà các bit sửa lỗi được thêm vào dữ liệu được truyền.
Các bit dự phòng này giúp khôi phục dữ liệu khi dữ liệu bị hỏng do can thiệp. Nếu thêm nhiều bit sửa lỗi, dữ liệu có thể được sửa chữa dễ dàng hơn.
Tuy nhiên, bằng cách thêm nhiều bit sửa lỗi, nhiều dữ liệu được truyền hơn làm giảm tuổi thọ của pin.
CR là số lượng bit tự thêm vào mỗi Payload trong gói tin LoRa Radio để các mạch nhận sử dụng để phục hồi lại 1 số bit dữ liệu nhận sai và có thể phục hồi nguyên vẹn dữ liệu từ Payload Tỷ lệ của các phần hữu ích trong Data Flow Nếu tốc độ mã hóa là k n , với mỗi k bit thông tin hữu ích, bộ mã hóa tạo ra n bit dữ liệu tổng cộng Do vậy, nếu sử dụng CR càng nhiều thì việc nhận dữ liệu đúng càng chính xác; nhưng chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn (tăng thời gian về việc truyền dữ liệu trong không khí).
Với chipset SX127x thì chúng ta có 4 giá trị cho CR là 4/5, 4/6, 4/7 và 4/8
Tương ứng mỗi giá trị của CR thì số lượng dữ liệu tăng thêm như sau:
Bảng 9 Bảng dữ liệu gia tăng
Nếu CR = 4/8 thì cứ mỗi 4 bits dữ liệu sẽ được mã hóa bởi 8 bits, có nghĩa là chipset LoRa phải gửi dữ liệu cần truyền gấp đôi Do đó việc sử dụng CR thấp để tăng tỉ số xuất lượng (Throughput) nhưng sẽ giảm độ nhạy do quá trình tự phục hồi dữ liệu của chipset LoRa giảm.
Ví dụ: SF = 8 (Các bit được truyền đi = 8)
Mang thông tin Để sửa lỗi
Ba thông số cơ bản và quan trọng của chipset LoRa là SF, BW và CR
+ SF và BW tác động đến thời gian và khoảng cách truyền dữ liệu.
+ CR tác động đến thời gian truyền dữ liệu
Tùy yêu cầu của ứng dụng cụ thể về khoảng cách, tốc độ gửi dữ liệu chúng ta có thể chọn lựa các giá trị phù hợp để tối ưu quá trình truyền nhận qua LoRa.
Lưu ý: Các thông số phải thống nhất giữa máy phát mà máy thu để giao tiếp thành công.
Tham số tốc độ dữ liệu:
Tỷ lệ chip luôn cao hơn tỷ lệ Symbol: Rc > Rs Để tính tốc độ dữ liệu (DR) hoặc tốc độ bit (Rb):
Data rate (DR) = R b = SF BW
Trong đó: BW tính bằng Hz.
Nếu tăng băng thông, tốc độ bit hoặc tốc độ dữ liệu sẽ tăng.
Ví dụ: BW = 125kHz, CR =1
Nếu tăng Hệ số lan truyền, tốc độ bit hoặc tốc độ dữ liệu sẽ giảm.
Ví dụ: Với CR = 4 5 , BW = 125 kHz., Ta được bảng thuộc tính của SF
Thời gian mỗi Symbol (s/Symbol)
2 SF Nếu BW của LoRa không đổi, tốc độ chirp khác nhau theo SF Đối với mỗi SF, tính trực giao của chirp ngăn cản sự giao thoa với bất kỳ SF nào khác Khi có hai hoặc nhiều máy phát sử dụng cùng một kênh để truyền thông tin đồng thời với các SF khác nhau, các gói tin không gây nhiễu lẫn nhau.
Tham số độ nhạy nhận cho LoRa:
Sensitivity = -174 + 10log (BW) + NF + SNR
Trong đó: NF là tầng nhiễu được cố định cho một phần cứng nhất định và tỷ lệ nghịch với SF.
Do đó, khi BW giảm và tăng SF, độ nhạy giảm, cho phép kéo dài khoảng cách truyền nhận.
LÝ THUYẾT VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠNG LORA 42
Giới thiệu
Nội dung chương trình bày về tổng quan các thành phần trong mạng LoRa Đặc điểm, yêu cầu, giao thức của hệ thống thu thập- đo lường và điều khiển không dây.
Các thành phần trong mạng LoRa
Hình 2 1 Cấu trúc hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng LoRa.
Lora Sensor Node: Là các thiết bị cuối có kết nối Lora giúp thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống Nhận tín hiệu điều khiển từ Gateway để đóng cắt thiết bị điều khiển.
Lora Gateways: Gateway có nhiệm vụ tiếp nhận các dữ liệu gửi đến từ các
Lora Sensor Node và đưu lên Cloud server qua các kết nối Internet như Wifi/3G/4G và nhận lệnh từ Server và gửi đến các Lora Sensor Node thông qua kết nối Lora.
Cloud Server: Cloud Server có nhiệm vụ nhận và lưu trữ các gói dữ liệu từ
User Application: Giúp người dùng có thể quan sát, theo dõi các thông tin gửi về, phổ biến nhất là một ứng dụng web hoặc mobile App.
LoRa Connection Wifi/3G/Ethernet Connection
LoRa Sensor Node
+ Thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm không khí.
+ Gửi về Gateway thông qua truyền thông LoRa.
+ Điều khiển các thiết bị tải từ việc nhận tín hiệu điều khiển từ Gateway.
Tiến hành lựa chọn thiết bị:
+ Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí (DHT22).
+ Vi điều khiển Arduino Uno R3.
+ AI – Thinker RA – 02 SX1278 LoRa Module.
2.3.1 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22: [3]
Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 là cảm biến rất thông dụng, thu thập dữ liệu qua giao tiếp 1 dây, mang lại độ chính xác rất cao.
Môi trường làm việc đề xuất:
+ Độ ẩm: 60% RH trở xuống.
Module LoRa Ra-02 SX1278 hoạt động ở nhiều mức tần số, module có kích thước nhỏ gọn là sản phẩm chất lượng cao Bộ thu phát SX1287 sử dụng bộ khuếch đại dài LoRa TM cung cấp dải phổ siêu dài, khả năng chống nhiễu cao và giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng và cóphạm vi hoạt động lên đến 10Km.
Sử dụng kỹ thuật điều chế LoRa TM của Semtech, SX1287 có thể đạt được độ nhạy -148dBm
Hình 2 3 Module LoRa RA – 02 và anten PCB
+ Công suất phát: 20dBm - 100mW Ổn áp RF ổn định khi điện áp đầu vào thay đổi.
+ Giao tiếp SPI half-duplex.
+ Tốc độ bit lập trình đạt đến 300kbps.
+ Hỗ trợ chế độ FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRaTM và OOK Modulation. + Dải sóng RSSI 127dB.
+ Tự động phát hiện tín hiệu RF, chế độ CAD và tốc độ siêu cao AFC.
+ Với công cụ dữ liệu CRC 256 byte.
+ Điện áp hoạt động: 1.8 - 3.7V, mặc định 3.3V
+ Làm việc hiện tại, nhận được: ít hơn 10.8mA
Chân số Tên Mô tả
4 Reset Làm mới trạng thái module
Bảng 10 Bảng mô tả chức năng chân của module LoRa RA – 02
Dùng với các mạch thu phát wifi băng tần 2.4GHz nâng cao khả năng về tăng khoảng cách thu phát, ổn định và tốc độ tín hiệu.
+ Chỉ số chi tiết: hiệu suất điện điện.
+ Phân cực: Phân cực dọc
+ Tròn không tuần hoàn: ± 0,5 (dB)
+ Tối đa sức mạnh công suất tối đa đầu vào: 50 (W)
+ Hình thức kết nối: Loại SMA
+ Kích thước (mm) 110 (Unbend) 92 (Bend)
+ Chiều dài cáp Tailing:100/120/200 (mm).
2.3.4 Vi điều khiển Arduino Uno R3: [6]
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Microchip ATmega328 được Arduino.cc phát triển Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào, đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp Vin khuyên dung 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital 14 (có 6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên từng chân I/
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB (bootloader)
Tốc độ thạch anh 16 MHz
Bảng 11 Bảng thông số kỹ thuật Arduino Uno R3
+ LED: Chân D13 nối với đèn led tích hợp trên board mạch.
+ VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
+ 5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
+ 3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
+ GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
Hình 2 7 Trạng thái mức điện áp Arduino Uno R3 SMD
+ Bộ nhớ Flash 32 KB: Bootloader chiếm 0.5KB.
+ Bộ nhớ SRAM 2 KB: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo sẽ được lưu tại đây bộ nhớ RAM sẽ bị chiếm dụng nhiều nếu khai báo càng nhiều biến và khi mất điện thì dữ liệu sẽ bị mất.
+ 1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu và không bị mất dữ liệu khi mất điện.
Có 14 chân Digital có nhiệm vụ làm chân đầu vào, đầu ra và sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite (), digitalRead () Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V chịu dòng là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50 Ohm Dòng điện tối đa trên mỗi chân không vượt mức 40mA.
Hình 2 8 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 SMD
Một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
+ PWM: Các chân 3, 5, 6, 9, 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải
+ Chân giao tiếp SPI: 10 – SS, 11 – MOSI, 12 – MISO, 13 – CK.
+ LED: Chân D13 nối với đèn led tích hợp trên board mạch
+ Analog Pin: có 6 chân từ A0 – A5 Cung cấp đầu vào với độ phân giải 10 bit.
Phần mềm lập trình Arduino IDE (Intergrated Development Environment)
Hình 2 9 Arduino IDE (Intergrated Development Environment).
Kiểm tra chất lượng không khí trong môi trường, cảm biến có độ nhạy cao, tốc độ phản hồi nhanh và có thể điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.
Cảm biến chất lượng không khí thường được dùng để phát hiện các nhóm khí NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2, …
+ Điện áp của heater: 5V±0.1 AC/DC.
+ Điện trở tải: thay đổi được (2kΩ-47kΩ).
+ Công suất tiêu thụ của heater: ít hơn 800mW.
+ Phạm vi phát hiện các nhóm khí: 10 – 300 ppm NH3, 10 – 1000 ppm Benzene, 10 – 300 Alcol.
Hình 2 11 Sơ đồ nguyên lý MQ-135
Bảng 12 Bảng mô tả chức năng chân module MQ – 125
Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 dùng để so sánh mức độ dẫn điện có trong cảm biến với độ dẫn điện của khí trong môi trường và được chuyển đổi tương ứng thành mức tín hiệu điện.
Hình 2 12 Cảm biến khí gas MQ – 02
Cảm biến khí gas MQ – 02 có độ nhạy cao với các nhóm khí như khí LPG, CO, Hydrogen, Metan, Cảm biến xuất ra hai dạng tín hiệu là Analog và Digital và tín hiệu Digital được điều chỉnh mức báo bằng biến trở.
+ Phạm vi phát hiện rộng, tín hiệu phản hồi nhanh.
Hình 2 13 Sở đồ nguyên lý MQ-2
Bảng 13 Bảng mô tả chức năng chân module MQ – 02
Thông số kỹ thuật LCD 16×02:
+ LCD 16×02 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số.
+ LCD 16×02 có 8 chân dữ liệu từ D0 đến D7.
+ LCD 16×02 có 3 chân điều khiển là RS, RWvà EN.
+ 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×02.
+ Chúng còn giúp cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
+ LCD 16×02 có thể sử dụng ở chế độ 4bit hoặc 8bit tùy theo nhu cầu người sử dụng.
Màn hình LCD20x04 xanh lá sử dụng driver HD44780, hiển thị 4 hàng và mõi hang chứa 20 ký tự
Thông số kỹ thuật của màn hình LCD 20x04:
+ Điện áp hoạt động là 5 V.
+ Chữ trắng, phông nền chữ màu xanh.
+ Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 2.54mm
+ Module I2C LCD sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
+ Module I2C sử dụng driver HD44780, hỗ trợ (LCD 16×2, LCD 20×4, …). + Tại A0, A1, A2 để lựa chọn địa chỉ Khi để hở thì bằng 0, khi nối với nhau thì bằng 1.
Bảng 14 Bảng địa chỉ cho Module I2C LCD Ưu điểm:
+ Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
+ Dễ dàng kết nối với LCD.
+ Điện áp hoạt động: 2.5 ~ 6V DC.
+ Hỗ trợ màn hình: LCD16x02, 16x04, 20x04 (driver HD44780).
+ Tích hợp biến trở xoay để điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
LoRa Gateway
+ Nhận dữ liệu về các thông số của môi trường từ phía LoRa Sensor Node. + Xử lý dữ liệu nhận được từ phía LoRa Sensor Node, truyền dữ liệu thu thập đến Cloud Server.
+ Xuất tín hiệu điều khiển đến các thiết bị tải để đóng cắt phù hợp với yêu cầu thực tế của hệ thống.
+ AI – Thinker RA – 02 SX1278 LoRa Module.
+ Module Wifi BLE ESP32 Node MCU LuaNode32 CP2102.
Phần giới thiệu về module đã được đề cập trong mục 2.2.2.
2.4.2 Module Wifi Node MCU ESP32: [10]
Hình 2 15 Module Wifi Node MCU BLE ESP32
Module Wifi Node MCU BLE ESP32 – là module thu phát Wifi, Bluetooth dựa trên nền chip Wifi SoC ESP32 và chip giao tiếp CP2102 Dùng cho các ứng dụng IOT liên quan đến việc thu thập dữ liệu, điều khiển qua Wifi, Bluetooth.
Module được tối ưu hóa về tiêu thụ năng lượng: ESP32 được thiết kế để phù hợp với các thiết bị di động, các thiết bị và ứng dụng IoT Và được tích hợp các cảm biến như cảm biến nhiệt, bản biến Hall và cảm ứng chạm
Sử dụng phần mềm của Arduino IDE để lập trình và nạp code Sử dụng với chirp nạp CP2102 và giao tiếp UART.
+ IC chính: ESP32 (ESP32-WROOM-32)
+ Phiên bản Firmware: NodeMCU Lua
+ Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.
+ GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU
+ GIPO giao tiếp mức: 3.3VDC
+ Nguồn sử dụng: 5VDC (qua MicroUSB hoặc Vin)
+ Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
+ Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch: Arduino IDE
+ Chuẩn giao giao tiếp không đồng bộ: SPI, I2C, I2S.
+ Chuẩn giao tiếp không đồng bộ: UART.
Hình 2 16 Sơ đồ chân Module Wifi BLE ESP32 Node MCU LuaNode32 CP2102
Các chân tốt để sử dụng
Các chân tốt để sử dụng, nhưng cần chú ý vì chúng có thể có hành vi bất ngờ chủ yếu là khi khởi động
Các chân không được khuyến khích sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra do được dùng kết nối với các thành phần đi cùng module ESP32
GPIO INPUT OUTPUT Ghi chú
0 Pulled up OK Xuất tín hiệu PWM khi khởi động
1 TX pin OK Đầu ra gỡ lỗi UART khi khởi động
3 OK RX pin Ra mức cao khi khởi động
5 OK OK Xuất tín hiệu PWM khi khởi động
6 X X Kết nối với bộ nhớ SPI flash
7 X X Kết nối với bộ nhớ SPI flash
8 X X Kết nối với bộ nhớ SPI flash
9 X X Kết nối với bộ nhớ SPI flash
10 X X Kết nối với bộ nhớ SPI flash
11 X X Kết nối với bộ nhớ SPI flash
14 OK OK Xuất tín hiệu PWM khi khởi động
15 OK OK Xuất tín hiệu PWM khi khởi động
34 OK Chỉ nhận tín hiệu làm INPUT
35 OK Chỉ nhận tín hiệu làm INPUT
36 OK Chỉ nhận tín hiệu làm INPUT
39 OK Chỉ nhận tín hiệu làm INPUT
Bảng 15 Bảng chức năng chân của ESP32
Cloud Server
Nhiệm vụ: Cloud Server có nhiệm vụ nhận và lưu trữ các gói dữ liệu từ Gateway truyền lên Chúng ta có thể sử dụng ứng dụng trên điện thoại để theo dõi những dữ liệu lưu trên Cloud Server.
ThingSpeak™ một dịch vụ nền tảng phân tích IoT từ MathWorks®, nhà sản xuất MATLAB® và Simulink® ThingSpeak cho phép thực hiện quá trình tổng hợp, tổng quan hóa và thực hiện việc phân tích Data Flow trực tiếp trên đám mây ThingSpeak cung cấp trực quan hóa dữ liệu được đưa lên, thực hiện phân tích và xử lý dữ liệu
ThingSpeak đẩy nhanh sự phát triển của các hệ thống IoT đặc biệt là những hệ thống yêu cầu phân tích Có thể xây dựng hệ thống IoT mà không cần thiết lập các thông số máy chủ hoặc phát triển các ứng dụng phần mềm Web Đối với các hệ thốngIoT vừa và nhỏ, ThingSpeak cung cấp một giải pháp được lưu trữ có thể được sử dụng trong sản xuất.
Hình 2 18 Mô phỏng các đường đi trong ThingSpeak
ThingSpeak cho phép tổng hợp, trực quan hóa và phân tích các luồng dữ liệu trực tiếp trên đám mây Với ThingSpeak, dữ liệu được lưu trữ trong các kênh Mỗi kênh lưu trữ tối đa 8 trường dữ liệu.
Kết nối phần cứng với ThingSpeak:
Bạn có thể sử dụng bất kỳ thiết bị kết nối Internet nào với ThingSpeak, có thể sử dụng thư viện gốc cho các nền tảng tạo mẫu phần cứng nhúng phổ biến như Arduino®, ESP, Particle và Raspberry Pi™
Hình 2 19 Cấu hình từ Gateway đến Cloud ThingSpeak
Cũng có thể gửi dữ liệu đến ThingSpeak từ máy hoặc cổng cục bộ bằng API REST hoặc API MQTT Ngoài ra, các nhà cung cấp sau đây đã xây dựng tích hợp với ThingSpeak để giúp thiết lập dễ dàng hơn nữa:
Nếu người dùng Simulink, có thể sử dụng các khối Simulink trong các mô hình để ghi dữ liệu vào ThingSpeak.
ThingSpeak cho phép truy cập dữ liệu trực tuyến và ngoại tuyến:
Hình 2 20 Truy cập dữ liệu cả trực tuyến và ngoại tuyến
ThingSpeak lưu trữ tất cả thông tin dữ liệu tại vị trí trung tâm đám mây, vì vậy có thể dễ dàng truy cập dữ liệu để phân tích trực tuyến hoặc ngoại tuyến Dữ liệu riêng tư cá nhân được bảo vệ bằng key API được kiểm soát Có thể tải xuống dữ liệu được lưu trữ một cách an toàn từ đám mây, cũng có thể đọc dữ liệu theo lập trình ở định dạng CSV hoặc JSON bằng lệnh gọi REST API và key API thích hợp Bạn có thể sử dụng dữ liệu lưu trong đám mây cùng với dữ liệu đang thu thập từ các thiết bị gateway gửi đến để so sánh.
Trực quan về dữ liệu thu thập từ các cảm biến:
Hình 2 21 Biểu đồ thời gian dữ liệu được thu thập
ThingSpeak tự động xây dựng biểu đồ dữ liệu thu thập từ gateway đưa đến Vì vậy có thể giám sát từ xa, xem dữ liệu từ bất kỳ trình duyệt web hoặc thiết bị di động nào Chia sẻ chế độ xem chỉ đọc dữ liệu của bạn với khách hàng và đồng nghiệp mà bạn chỉ định.
User Application
User Application: Giúp người dùng có thể quan sát, theo dõi các thông tin gửi về, phổ biến nhất là một ứng dụng web hoặc mobile App.
Khái niệm: Đây là một ứng dụng phần mềm web cung cấp bởi Google là mã nguồn mở cho phép mọi người sử dụng được Hiện tại MIT App Inventor được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) MIT App Inventor cho phép xây dựng các ứng dụng bằng các thao tác kéo thả các khối Blocks để thiết kế giao diện đồ họa giúp đỡ những người chưa có kiến thức về ngôn ngữ lập trình xây dựng ra những App ứng dụng có ích trên thiết bị Android Đến thời điểm hiện tại 07/2017, Thunkable được đưa vào thử nghiệm trên phiên bản hệ điều hành IOS.
Những tính năng có trên MIT App Inventor:
+ Xây dựng các thành phần cấu trúc cơ bản của một ứng dụng nền tảng Android.
+ Có các tính năng như trên điện thoại: Chụp ảnh, quay phim, thu âm,… + Đọc mã vạch, tính giờ, xác định địa điểm (locationSensor), NFC, đo tốc độ (pedometer), đo khoảng cách xa gần với vật thể (proximitySensor).
+ Chức năng danh bạ, liên kết email, thực hiện cuộc gọi, nhắn tin, trình duyệt. + Tạo cơ sở dữ liệu đơn giản.
+ Điều khiển robot thông qua LegoMindstorms.
+ Ứng dụng mở rộng: Floating button, báo thức, kết nối dữ liệu SQLite…
Nhược điểm của App Inventor:
+ Chưa đầy đủ các tính năng như trên thiết bị Android Và khắc phục bằng cách tự xây dựng những ứng dụng mở rộng cho App Inventor.
+ MIT App Inventor không hỗ trợ quảng cáo.
+ Giao diện lập trình chưa được chuyên nghiệp
+ Chuyển những đoạn mã từ ngôn ngữ kéo thả sang ngôn ngữ Java còn khó.
Truy cập vào đường dẫn http://ai2.appinventor.mit.edu và sử dụng tài khoản Google để đăng nhập Tiến hành tạo các dữ án mới.
Hình 2 23 Giao diện quản lý project
Hình 2 24 Giao diện thiết kế (Design)
Hình 2 25 Giao diện lập trình (Blocks) Để thiết kế là việc rất đơn giản là các thao tác kéo và thả, bao gồm cả phần thiết kế giao diện và viết code.
Chuẩn giao tiếp
Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Bus) được Motorola sáng chế là chuẩn truyền thông nối tiếp có tốc độ cao Một chirp Slaves điều phối quá trình truyền thông và các chirp Slaves được điều khiển bởi Master, SPI truyền song công (full duplex và chuẩn giao tiếp SPI có 4 đường giao tiếp.
Serial Clock (SCK): Là tín hiệu xung Clock giúp quá trình truyền ít bị lỗi, chirp
Master tạo ra tín hiệu xung nhịp.
Master Input / Slave Output (MISO): Nếu là chirp Master là đường dữ liệu đi vào, nếu là chirp Slave là đường dữ liệu đi ra và MISO của Master và các Slaves được kết nối trực tiếp với nhau
Master Output / Slave Input (MOSI): Nếu là chirp Master là đường dữ liệu đi ra, nếu là chirp Slave là đường dữ liệu đi vào và MOSI của Master và các Slaves được kết nối trực tiếp với nhau.
Slave Select (SS/CS): SS là chân chọn Slave, ở chirp Slave chân chọn Slave sẽ ở mức HIGH khi ở trạng thái không làm việc Nếu chirp Master kéo chân chọn Slave nào đó xuống mức LOW thì quá trình bắt tay sẽ xảy ra Trên mỗi Slave chỉ có 1 đường tín hiệu để điều khiển Slave Select nhưng trên Master có thể có nhiều đường tín hiệu điều khiển Slave Select.
Các chân giao tiếp SPI trên Arduino Uno:
Theo mỗi chu kỳ tín hiệu xung Clock khi tín hiệu ở chân SS được thiết lập ở mức LOW Dữ liệu sẽ được truyền qua lại giữa 2 đường MISO và MOSI
Hình 2 26 Nguyên lý hoạt động giao tiếp SPI
Trên chirp Master và Slave có một thanh ghi 8 bits để ghi dữ liệu.
Các bước truyền dữ liệu SPI:
Bước 1 Master tạo ra tín hiệu xung nhịp Clock.
Bước 2 Master chuyển chân SS / CS sang trạng thái LOW, điều này sẽ kích hoạt slave.
Bước 3 Master gửi dữ liệu từng bit một tới Slave theo đường MOSI Slave sẽ đọc các bit khi nó nhận được dữ liệu từ Master.
Bước 4 Nếu cần phản hồi, Slave sẽ trả lại dữ liệu từng bit một cho Master theo đường MISO Master đọc các bit khi nó nhận được dữ liệu từ Slave. Ưu và nhược điểm của SPI:
+ Dữ liệu được truyền liên tục mà không bị ngắt đoạn vì không có bit bắt đầu và bit dừng.
+ Hơn I 2 C về tốc độ truyền dữ liệu và hệ thống định địa chỉ Slave.
+ Hệ thống các đường MISO và MOSI được tách biệt, cho nên dữ liệu có thể được gửi và nhận cùng một lúc.
+ Không xác nhận được dữ liệu đã nhận thành công hay chưa.
+ Không có hình thức kiểm tra lỗi như các bit chẵn lẻ trong giao tiếp UART. + Chỉ duy nhất một Master cho phép.
I 2 C (Inter-Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors có chức năng truyền, nhận dữ liệu giữa một hoặc nhiều Master với một hoặc nhiều Slave Giao tiếp I 2 C truyền tín hiệu qua hai đường dây SCL và SDA.
Hình 2 27 Mô hình kết nối sử dụng giao tiếp I2C
Tại một thời điểm nào đó khi chỉ có một thiết bị Master hoạt động trên đường bus I 2 C, Master sẽ điều khiển đường bus xung Clock SCL và quyết định những hoạt động được thực hiện trên bus dữ liệu SDA Những thiết bị đáp ứng yêu cầu từ thiết bị master là slave và mỗi thiết bị slave có một địa chỉ 7-bit cố định để trong một hệ thống phân biệt được các thiết bị slave đang kết nối.
Khi một thiết bị master muốn truyền hoặc nhận dữ liệu từ một thiết bị slave, master sẽ kiểm tra địa chỉ thiết bị slave ở trên đường SDA Nếu slave phản hồi tín có nghĩa là quá trình bắt tay diễn ra và tiến hành truyền dữ liệu Các thiết bị slave khác sẽ không gửi tín hiệu phản hồi.
Các bước truyền dữ liệu I2C:
Bước 1 Master gửi điều kiện khởi động đến các Slave đã được kết nối bằng cách thay đổi mức điện áp SDA xuống mức điện áp thấp trước khi thay đổi SCL từ mức cao xuống mức thấp.
Bước 2 Master gửi cho Slave địa chỉ mà nó muốn giao tiếp với Slave cùng với bit dữ liệu đọc / ghi.
Bước 3 Thiết bị Slave tiến hành so sánh địa chỉ vừa được nhận từ Master với địa chỉ của bản thân Nếu giống nhau Slave sẽ phản hồi cho Master biết.Nếu địa chỉ khác nhau Slave rời khỏi đường giao tiếp SDA.
Bước 4 Master gửi hoặc nhận khung dữ liệu.
Bước 5 Sau khi mỗi khung dữ liệu được truyền đi, thiết bị nhận trả về một bit
ACK khác cho thiết bị gửi để phản hồi rằng đã nhận thành công khung truyền.
Bước 6 Để dừng truyền dữ liệu, master sẽ chuyển đổi mức điện áp cao SCL trước khi chuyển mức điện áp cao SDA.
Các thành phần trong khung truyền: a) Điều kiện STAT, STOP:
Giao tiếp I2C được khởi tạo bằng cách thực hiện điều kiện bắt đầu và điều kiện kết thúc kết thúc từ master Quá trình thay đổi logic từ mức HIGH sang mức LOW trên đường truyền SDA trong khi đường truyền SCL ở mức HIGH gọi là điều kiện bắt đầu Quá trình chuyển logic từ mức LOW sang mức HIGH trên đường truyền SDA trong khi đường SCL ở mức HIGH gọi là điều kiện kết thúc
Hình 2 28 Giảng đồ tín hiệu của điều kiện bắt đầu và điều kiện kết thúc b) Các bit địa chỉ:
Các bit địa chỉ có nhiệm vụ xác định, phân biệt các slave khác nhau trên hệ thống đường bus I 2 C Thông thường có 7bit địa chỉ Bit địa chỉ được gửi cùng với bit cấu hình dữ liệu đọc/ghi. c) Bit cấu hình dữ liệu đọc/ghi (R/W):
Bit có nhiệm vụ xác định hướng truyền dữ liệu: Nếu master cần truyền dữ liệu đến Slave thì bit Read / Write được thiết lập mức HIGH và ngược lại nếu master cần nhận dữ liệu từ Slave thì bit Read / Write được thiết lập mức LOW. d) Bit ACK/NACK:
Mỗi byte dữ liệu đều được xác nhận bởi một bit ACK từ phía nhận gửi cho phía gửi để báo rằng byte đã được nhận thành công và có thể tiếp tục gửi các byte dữ liệu tiếp theo Bit ACK có giá trị LOW khi có giá trị HIGH được gọi là bit NACK, bit được gửi đi trong các trường hợp:
+ Phía nhận đang bận và không thể nhận hay truyền dữ liệu vì đang thực hiện một tính năng khác
+ Trong quá trình truyền nhận, dữ liệu/địa chỉ không hợp lệ, không tồn tại
+ Trong quá trình truyền, phía nhận không thể nhận thêm các byte dữ liệu nữa
+ Trong trường hợp master yêu cầu dữ liệu từ slave, master đã nhận đủ và không nhận thêm dữ liệu e) Các bit dữ liệu (Data):
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Giới thiệu
Trong chương này sẽ tính toán lựa chọn thông số LoRa, vẽ sơ đồ khối LoRaSensor Node và LoRa Gateway, thiết kế phần cứng, phần mềm, xây dựng sơ đồ nguyên lý, lưu đồ thuật toán Và Anten sử dụng có chiều dài 10 cm.
Tính toán hệ thống
3.2.1 Tính toán, lựa chọn thông số LoRa: a) Lựa chọn tần số
Vì đang ở khu vực Châu Á nên chọn tần số 433 MHz. b) Chọn băng thông (BW)
Việc chọn băng thông ảnh hưởng tới:
- Tốc độ truyền dữ liệu: băng thông càng cao thì tốc độ truyền càng tăng.
- Khoảng cách giữa các Node và Gateway: băng thông càng cao thì khoảng cách càng ngắn.
Tuỳ thuộc vị trí đặt các Node xa hay gần Gateway và mục đích sử dụng (cầng cập nhật nhanh hay chậm dữ liệu từ các Node) Mà chọn băng thông sao cho phù hợp. c) Chọn Hệ số trải phổ (SF)
SF có nhiệm vụ xác định về số lượng chrip signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu Nó tác động đến hiệu suất giao tiếp của LoRa, sử dụng SF từ 7 đến 12 SF thì tín hiệu chậm nhất, cung cấp mạnh SF càng lớn sẽ làm tăng thời gian phát sóng, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, giảm tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện phạm vi liên lạc Tuỳ thuộc vào nhu cầu phạm vi ứng dụng mà chọn SF sao cho phù hợp:
SF 7 8 9 10 11 12 Giá trị Symbol = 2 SF 0-127 0-255 0-511 0-1023 0-2047 0-4095 Symbol Rate:
BW5kHz 1,024 2,048 4,096 8,192 16,384 32,768 BW%0kHz 0,512 1,024 2,048 4,096 8,192 16,384 BWP0kHz 0,256 0,512 1,024 2,048 4,096 8,192
Thời gian trực tuyến (ToA) còn được gọi là thời lượng gói tin:
ToA = T packet = T preamble + T payload [ms].
(n preamble = 8 symbols (thời lượng symbols (Ts) tính bằng giây(s))). Dựa vào T s bảng trên ta tính được T preamble [ms]:
T payload = T s ( 8+ max ( ceil ( 8 PL−4 SF 4 −28+ ( SF −2 16 DE) CRC −20 H ) (CR + 4) , 0 ) ) [ms].
Trong đó: PL là số byte của payload (Gateway: 3 byte; Node: 12 byte).
Gateway Node Gateway Node Gateway Node
Gateway Node Gateway Node Gateway Node
Suy ra, thời gian trực tuyến ToA = T packet = T preamble + T payload [ms].
Gateway Node Gateway Node Gateway Node
Gateway Node Gateway Node Gateway Node
500 kHz 25,088 52.938 50,176 100.816 100,352 193.192 d) Chọn tốc độ mã hóa (CR)
Nhằm tăng tốc độ mã hóa và gói tin lúc gửi/nhận ít bị lỗi thì chọn CR = 4 8.
Tốc độ truyền dữ liệu (DR):
500 13,67 7,81 4,39 2,44 1,34 0,73 Độ nhạy của máy thu: S = -174 + 10log (BW) + NF + giới hạn SNR [dBm]. Với NF = 6.
Thiết kế hệ thống
1.1 Thiết kế mạch giao tiếp LoRa Sensor Node:
Phần cứng của Node 1 gồm:
+ Module thu phát LoRa SX1278 RA – 02.
+ Board mạch điều khiển Arduino Uno.
+ Cảm biến DHT22, LCD hiển thị.
Phần cứng của Node 2 gồm:
+ Module thu phát LoRa SX1278 RA – 02.
+ Board mạch điều khiển Arduino Uno.
+ Cảm biến nồng độ khí MQ – 135, MQ – 02, LCD hiển thị.
Sơ đồ khối của LoRa Sensor Node:
Hình 3 1 Sơ đồ khối của LoRa Sensor Node
Khối điều khiển trung tâm (Arduino Uno) Khối cảm biến
Khối điều khiển ngoại viKhối hiển thị
Khối xử lý trung tâm: Sử dụng Board mạch Arduino Uno R3 để làm khối điều khiển chính của hệ thống để thực hiện quá trình xử lý tín hiệu từ khối cảm biến đồng thời đưa dữ liệu thu thập lên kênh truyền dẫn LoRa, thực hiện điều khiển khối thiết bị ngoại vi và khối hiển thị.
Hình 3 2 Khối xử lý trung tâm của Node
Khối cảm biến: Có nhiệm vụ thu thập thông số từ môi trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, chất lượng không khí và gửi đến khối xử lý trung tâm
Khối điều khiển thiết bị ngoại vi: Là các thiết bị tải như quạt,máy bơm chịu sự điều khiển từ nút điều khiển hoạt động trên Gateway và Websever
Hình 3 4 Khối điều khiển thiết bị ngoại vi
Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị số gói tin được gửi, các thông số môi trường đo được từ các LoRa Sensor Node và trạng thái hoạt động của các thiết bị ngoại vi.
Khối nguồn: Sử dụng Adapter 5V - 2A để cung cấp nguồn điện cho hệ thống Node.
Hình 3 7 Module thu phát LoRa SX1278 RA – 02.
1.2 Thiết kế mạch giao tiếp Gateway:
Phần cứng của Gateway gồm:
+ Module thu phát LoRa SX1278 RA – 02.
+ Board mạch điều khiển Node MCU ESP32
Sơ đồ khối mạch giao tiếp của LoRa Gateway:
Hình 3 8 Sơ đồ khối mạch giao tiếp của LoRa Gateway
Khối xử lý trung tâm: Sử dụng Board mạch Module Wifi BLE Node
MCU ESP32 để làm khối điều khiển chính của hệ thống Khối có nhiệm vụ nhận dữ liệu gửi đến từ các LoRa Sensor Node để xử lý đồng thời đưa dữ liệu thu thập được lên trên Web Server, thực hiện điều khiển khối hiển thị.
Module Wifi BLE Node MCU ESP32
Hình 3 9 Khối xử lý trung tâm của Gateway
Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị số gói tin được nhận, các thông số môi trường đo được từ các LoRa Sensor Node gửi đến Gateway.
Khối điều khiển trung tâm (NODEMCU ESP-32)
Khối nguồn: Sử dụng Adapter 5V - 2A để cung cấp nguồn điện cho hệ thống Gateway.
Web Server: Có chức năng nhận các gói tin chứa dữ liệu được thu thập từ
Gateway truyền lên và lưu trữ trên Cloud Server Thông qua một ứng dụng Web hoặc Mobile App có thể giám sát những dữ liệu đã lưu trữ trên Server đồng thời giúp người dùng có thể quan sát, theo dõi các thông tin gửi về và ra lệnh điều khiển các thiết bị điện.
Hình 3 12 Module thu phát LoRa SX1278 RA – 02.
Thiết kế giao diện User Application:
Truy cập vào địa chỉ: http://ai2.appinventor.mit.edu và đăng nhập bằng tài khoản Google Tại đây tiến hành tạo mới project trong giao diện quản lý project.
Hình 3 13 Tạo mới App Inventor project
Cửa sổ giao diện quản lý project:
Hình 3 14 Giao diện quản lý project
Trước tiên kết nối điện thoại với project được tạo để có thể xem ứng dụng đang hình thành trực tiếp trên điện thoại Tải xuống MIT APP từ CH Store và tiến hành cài đặt Sau đó từ Menu Connect chọn AI Companion và mã QR sẽ xuất hiện, mở ứng dụng MIT APP Inventor tiến hành quét mã hoặc điền mã Lúc này project được thiết lập cho phép ta chỉnh sửa trên web và hiển thị trên App điện thoại.
Hình 3 15 Mã QR và ứng dụng MIT APP trên điện thoại
Cửa sổ thiết kế và mục chức năng:
Chúng ta sẽ chọn một số tính năng từ mục User Interface như Button, Label để viết chữ trên giao diện thiết kế, định dạng chiều cao, chiều rộng và căn chỉnh ở mục Layout để phù hợp với giao diện chương trình Ở mục Componects sẽ hiển thị tất cả thành phần mà chúng ta đã thêm cho thiết kế App điện thoại Ở mục Properties chúng ta sẽ thay đổi màu sắc, kiểu định dạng chữ của từng thành phần trong mục Components.
Hình 3 16 Giao diện chức năng.
Hình 3 17 Giao diện đang thiết kế
Tại mục Connectivity và Experimental có chức năng tạo các giao thức kết nối kết nối từ App đang thiết kế truy cập đến ThingSpeak.
Cửa sổ lập trình cho App được thiết kế:
Tại giao diện ta truy cập mục Block để tiến hành viết chương trình điều khiển và hiển thị Ở cột phía bên trái, có tất cả các khối và chức năng liên quan đến các thành phần được thêm vào trước đó.
Hình 3 18 Giao diện lập trình kéo thả các khối Blocks
Hình 3 19 Giao diện hiển thị trên App sau khi thiết kế
Lưu và xuất file APK:
Sau khi thiết kế giao diện App và xây dựng xong chương trình ta tiến hành lưu project và tiến hành xuất thành file *.apk, để xuất được file apk ta chọn ở mục Build và chọn App (provide QR code for apk) còn chọn App (save.apk to my computer) để lưu file vào máy tính.
Hình 3 20 Xuất file QR và lưu App
Hình 3 21 Mã QR App thiết kế
Thuật toán
3.4.1 Thuật toán xử lý trên LoRa Sensor Node:
+ Bước 1: Khởi tạo các chân chuẩn SPI, khởi tạo LoRa, khởi tạo các biến, khởi tạo cảm biến và kết nối LoRa với các thông số băng tầng 433Mhz. + Bước 2: Node sẽ kiểm tra xem có giá trị được đọc về từ cảm biến hay không, nếu có sẽ đọc và lưu giá trị cảm biến kèm địa chỉ Sensor Node 1 và Sensor Node 2.
+ Bước 3: Xây dựng chương trình lưu chuỗi dữ liệu với định dạng gồm: [địa chỉ của node, dữ liệu cảm biến, trạng thái thiết bị tải, …]
+ Bước 4: Xây dựng hàm đọc địa chỉ và chuỗi dữ liệu của Sensor Node 1 và
Sensor Node 2 sau đó truyền chuỗi dữ liệu đến LoRa Gateway Nếu địa chỉ LoRa Sensor Node không hợp lệ thì sẽ bỏ qua gói tin đó.
+ Bước 5: Xây dựng hàm nhận lệnh từ Gateway khi Gateway gửi tín hiệu phản hồi về Node thông báo trạng thái gói tin và tín hiệu điều khiển thiết bị.
Hình 3 22 Lưu đồ giải thuật của Node 1 và Node 2
So sánh địa chỉ nhận từ Gateway và địa chỉ gửi từ Node đã được thiết lập
Nhận gói tin từ Gateway
Sai Đúng Đóng gói tin kèm địa chỉ nhận và địa chỉ của thiết bị này.
Thu thập dữ liêu từ cảm biến, lệnh điều khiển bật/tắt và lưu giá trị.
Thiết lập chân SPI, LoRa, các Module cảm biến.
Thiết lập địa chỉ trên Gateway và 2
Truyền dữ liệu gói tin đến Gateway
Nhận gói tin và thực thi lệnh
3.4.2 Thuật toán xử lý trên Gateway:
+ Bước 1: Khởi tạo các chân chuẩn giao tiếp SPI, khởi tạo LoRa và các châ tín hiệu, Wifi, biến dữ liệu, Server ThingSpeak, kết nối LoRa với các thông số băng tầng 433Mhz.
+ Bước 2: Xây dựng hàm gửi dữ liệu để truyền lên Cloud Server
(ThingSpeak Server) các giá trị của cảm biến từ các Node gửi đến Gateway.
+ Bước 3: Xây dựng chương trình để nhận các gói tin từ các LoRa Node gửi đến, tiến hành phân tích gói tin và khôi phục các giá trị trong gói tin
+ Bước 4: Kiểm tra địa chỉ của LoRa Node 1 và Node 2 hợp lệ hay không, nếu địa chỉ hợp lệ thì lưu dữ liệu vào cấu trúc của LoRa Node đã xây dựng trước đó sau đó truyền dữ liệu lên Cloud Server ThingSpeak Nếu không hợp lệ sẽ bỏ qua gói tin có địa chỉ không hợp lệ.
+ Bước 5: Hiển thị các dữ liệu thu thập từ các Node trên Cloud Server lênApplication.
Hình 3 23 Lưu đồ giải thuật của Gateway
So sánh địa chỉ gửi từ Node và địa chỉ nhận từ Gateway đã được thiết lập
Gửi gói tin đến lần lươt 2
Node Đóng gói tin kèm địa chỉ nhận và địa chỉ của thiết bị này.
Nhận gói tin Đọc lệnh (nút nhấn)
Khởi tạo SPI, LoRa, Wifi, cấu hình chân tín hiệu, Server ThingSpeak
Kết nối LoRa, Wifi, Server ThingSpeak
Thiết lập địa chỉ trên Gateway và 2 Node
Gửi dữ liệu lên Cloud Server
Hiển thị các dữ liệu thu thập từ các Node trên
THI CÔNG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ
Giới thiệu
Trình bày quá trình thi công như vẽ mạch in, lắp ráp các thiết bị, thử nghiệm mô hình, tiến hành chụp một số hình ảnh trong quá trình thi công mô hình hệ thống Phân tích ưu nhược điểm và các hạn chế đề tài, đề ra hướng cải tiến, phát triển
Thi công hệ thống
4.2.1 Thi công phần cứng hệ thống:
Thi công board mạch PCB: Sử dụng phần mềm Proteus 8.9 Phần mềm gồm 2 chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) để mô phỏng mạch và ARES (Advanced Routing and Editing Software) để vẽ mạch in.
Các vật liệu chuẩn bị gồm board đồng, giấy in, dung dịch rửa mạch, bàn ủi, mỏ hàn, một thau nhựa để rửa board đồng, kéo cắt, một bút mực lông để vẽ lại những phần giấy in in lên board đồng bị mất, một máy khoan, một đồng hồ VOM để đo thông mạch.
In mạch vào giấy chuyên in mạch, tiến hành cắt board đồng có kích thước phù hợp với mạch in Áp giấy in vào board đồng rồi ủi nhiệt cho tới khi mạch in in lên hoàn toàn board đồng Sau đó ngâm mạch vừa được in vào nước và tiến hành bóc giấy in ra khỏi board mạch Tiến hành ngâm trong dung dịch muối sắt để loại bỏ hết phần đồng dư trên board mạch, sau đó lấy giấy nhám xoá hết phần mực in tiến hành khoan mạch và hàn gắn linh kiện.
Sơ đồ bố trí linh kiện:
Hình 4 4 Sơ đồ bố trí linh kiện LoRa Sensor Node 1
Hình 4 5 Sơ đồ bố trí linh kiện LoRa Sensor Node 2
Hình 4 6 Sơ đồ bố trí linh kiện LoRa Gateway
Hình 4 7 Sơ đồ mạch in LoRa Sensor Node 1
Hình 4 8 Sơ đồ mạch in LoRa Sensor Node 2
Hình 4 9 Sơ đồ mạch in LoRa Gateway
Thực hiện việc lắp ráp và kiểm tra các chân của các board mạch bao gồm mạch của LoRa Sensor Node 1, Node 2 và LoRa Gateway
Quy trình lắp ráp – kiểm tra Board mạch:
Bước 1: Sau khi quá trình ngâm mạch và làm sạch board mạch, tiến hành khoan các chân gắn linh kiện.
Bước 2: Cắm các thanh hàng rào đực hoặc cái vào board mạch thích hợp vào chân linh kiện thích hợp.
Bước 3: Tiến hành hàn gắn các chân của thanh hàng rào vào board mạch. Bước 4: Dùng đồng hồ VOM để kiểm tra các chân linh kiện, các đường dây trên board mạch giảm khả năng ngắn mạch.
Bước 5: Gắn Board Arduino, Node MCU ESP – 32, Module LoRa RA – 02
SX1278, các module cảm biến và các module linh kiện vào board mạch.
Bước 6: Cấp nguồn cho Arduino Uno, Node MCU ESP – 32, tiến hành nạp chương trình và kiểm tra chương trình.
Mô hình được làm từ vật liệu bìa xốp trắng Fomex, mô hình có diện tích 30x20cm cho mỗi thành phần gồm 2 LoRa Sensor Node và 1 LoRa Gateway
Các vật liệu cần chuẩn bị:
Bước 1: Tiến hành tác động làm thay đổi thông số môi trường vào hai LoRa
Node 1: Gồm cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm DHT22
+ Dùng quạt thổi vào cảm biến DHT22 + Dùng bật lửa đưa gần cảm biến DHT22
Node 2: Gồm các cảm biến chất lượng không khí, nồng độ khí gas.
+ Đốt mẫu giấy và đưa gần cảm biến MQ – 135 + Sử dụng gas trong bật lửa đưa gần cảm biến MQ – 2
Bước 2: Tiến hành điều khiển thiết bị tải bằng tay và App điện thoại Nhấn các nút điều khiển tín hiệu trên LoRa Gateway và trên App điện thoại để kiểm tra các thiết bị tải trên LoRa Node hoạt động được hay không.
Bước 3: Tiến hành theo dõi sự thay đổi các thông số môi trường và trạng thái điều khiển trên hai LoRa Node qua web và App điện thoại.
Hình 4 10 Board mạch hoàn chỉnh LoRa Sensor Node 1
Hình 4 11 Board mạch hoàn chỉnh LoRa Sensor Node 2
Hình 4 12 Board mạch hoàn chỉnh LoRa Gateway
4.2.2 Thi công phần mềm hệ thống:
Khởi tạo ThingSpeak: Đầu tiên sử dụng các trình duyệt web để truy cập website https://thingspeak.com/ Tiếp theo, trên màn hình website chúng ta nhấn vào nút “Get Started for Free” để bắt đầu tạo một tài khoản ThingSpeak hoặc có thể sử dụng tài khoản Gmail để đăng ký.
Hình 4 13 Giao diện đăng nhập ThingSpeak
Sau khi đăng nhập thành công ta tiến hành di chuyển chuột vào nút “Channels” để tạo các kênh lưu trữ dữ liệu (Channel) trên Server ThingSpeak, tiếp đến điền thông tin vào các mục Name, Description, Field 1, Field 2, Field 3, Field 4 và nhấn nút lưu lại các giá trị vừa điền Dữ liệu từ Gateway sẽ được đưa lên các kênh thiết lập, chúng ta có thể sử dụng các biểu đồ thời gian của ThingSpeak để phân tích và trực quan hóa hiển thị.
Hình 4 14 Cài đặt kênh lưu trữ dữ liệu. Để ghi dữ liệu vào một kênh lưu trữ hoặc đọc dữ liệu từ private channel cần phải sử dụng đến các API Key Nếu mã API Key đang sử dụng không còn an toàn thì có thể thay đổi bằng ở phần cài đặt Generate New Write/Read API Key.
Có hai loại API Key trong đó Write API Key có chức năng để ghi dữ liệu lên kênh lưu trữ và Read API Key có chức năng để cho phép đọc dữ liệu từ kênh lưu trữ.
Giao diện tổng quan sau khi tạo xong các Field hiển thị.
Hình 4 16 Giao diện tổng quan sau khi tạo xong các Field hiển thị.
Hình 4 17 Mô hình hoàn chỉnh của LoRa Sensor Node 1 và Node 2
Hình 4 18 Mô hình hoàn chỉnh của LoRa Gateway
Kết quả
Nhóm chúng em đã tiến hành chạy mô phỏng hệ thống thu thập dữ liệu không dây sử dụng công nghệ thu phát LoRa như sau:
Trước tiên chúng em tiến hành kiểm tra việc truyền, nhận gói tin cơ bản và tín hiệu RSSI giữa các LoRa Node với nhau bằng sử dụng một Node làm thiết bị phát và Node còn lại làm thiết bị nhận Sau khi đo đạc thì khoảng cách giữa hai Node là hơn
500 mét trong khuôn viên trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tiếp đến chúng em tiến hành xây dựng thêm một LoRa Node để gửi dữ liệu và LoRa Gateway để nhận dữ liệu thu thập từ hai Node đã được xây dựng.
LoRa Gateway được đặt tại phòng thí nghiệm Điện tử, kết nối wifi và tiến hành theo dõi việc nhận gói tin và tín hiệu RSSI qua cửa sổ Monitor trên Arduino IDE CácLoRa Node được kết nối nguồn điện và tiến hành di chuyển các Node ra xa để kiểm tra khoảng cách truyền nhận dữ liệu Khoảng cách đo được tăng lên tuy nhiên hệ thống thỉnh thoảng mất các gói tin và bị ảnh hưởng khá nhiều từ môi trường có vật cản.
Kết quả thử nghiệm thực tế:
Sau khi xây dựng thành công Gateway và 2 Node, chúng em sử dụng anten dài 9 cm để tiến hành đo giới hạn khoảng cách mà 2 thiết bị có thể giao tiếp với nhau bằng cách thay đổi các thông số BW, SF và thu được kết quả như sau: Đơn vị: mét [m].
500 kHz 390 437 472 508 523 532 Để cải thiện khoảng cách xa hơn thì phải thay đổi anten dài hơn để thu được tín hiệu tốt nhất và truyền tín hiệu xa hơn.
Qua quá trình khảo sát, chúng em nhận thấy thời gian truyền/nhận một gói tin (dữ liệu) tính toán và thời gian truyền/nhận một gói tin (dữ liệu) thực tế có chút khác biệt, thời gian truyền/nhận một gói tin (dữ liệu) thực tế tốn nhiều thời gian hơn so tính toán thời gian truyền/nhận lý thuyết Nguyên do xảy ra sự khác biệt đó là môi trường có sự pha trộn với nhiều nhiều sóng vô tuyến khác nhau (Wifi, di động,…) làm cho đường truyền bị gián đoạn và gói tín truyền/nhận bị lỗi và một nguyên nhân nữa là phù thuộc vào Module sóng LoRa đang sử dụng. Để kiểm tra xem giao tiếp giữa Gateway và Node có còn hay không thì sau khoảng một thời gian nhất định sẽ xoá hết dữ liệu mà Gateway thu thập từ các Node trước đó và chờ các Node gửi dữ liệu mới nhất vừa thu thập được cho Gateway, ta gọi đó là Thời gian kiểm tra kết nối (tcheck) Chọn tcheck = 10 giây.
Khi Gateway thu thập dữ liệu từ các Node thì sẽ gửi dữ liệu đó lên web hiển thị dưới dạng đồ thị, quá trình truyền dữ liệu lên web phải tốn 5-15 giây để cập nhật lên web Thời gian cập nhật lên web có thể kéo dài hơn cũng phụ thuộc vào tốc độ mạng internet đang sử dụng.
Hệ thống có thể giúp người dùng giám sát được các dữ liệu môi trường ở xa mà không cần phải đến địa điểm giám sát thường xuyên Hệ thống có thể hoạt động trong khoảng thời gian dài, đảm bảo được việc thu thập thông tin từ đối tượng cần giám sát và nhờ đó có thể đưa ra được biện pháp tương ứng để giải quyết về các sự cố xảy ra như rò rỉ khí gas, cháy nổ, … Ưu điểm:
+ Thử nghiệm nhanh chóng, giám sát ở bất kỳ ở khu vực cần giám sát.
+ Hệ thống của các mạch điều khiển hoạt động ổn định
+ Dễ dàng mở rộng thêm nhiều thiết bị cảm biến.
+ Giao diện thiết kế đẹp và dễ dàng sử dụng và thân thiện với người dùng. + Mô hình nhỏ gọn, chi phí kết nối thấp.
+ Phạm vi tác động của hệ thống xa, không dây và dễ cài đặt và triển khai nhanh và thay đổi tùy ý theo thực tế.
+ Năng lượng tiêu thụ của Node tải tương đối thấp, có thể đáp ứng bài toán sử dụng pin trong thời gian dài
+ Khoảng cách truyền nhận dữ liệu từ LoRa Gateway đến các bộ LoRa Node là khá xa.
+ Có lưu trữ giá trị dữ liệu thu thập, tốc độ cập nhật dữ liệu đáp ứng nhanh ôn đinh theo thời gian.
+ Khả năng nhận dữ liệu hiển thị trên App điện thoại di động tốt
+ Gateway yêu cầu cần phải có mạng Internet.
+ Ảnh hưởng về chất lượng đường truyền nếu môi trường có vật cản lớn hoặc hiệu suất thấp từ các anten.
+ Chỉ phù hợp với các mô hình giám sát với gói tin có kích thước nhỏ.
+ Vì sử dụng tần số cho phép miễn phí nên có khả năng bị nhiễu bởi các thiết bị khác nếu trùng BW, SF, CR, SyncWord.
+ Cải thiện và nâng cao khoảng giá trị cần đo, tối ưu hóa bài toán về năng lượng tiêu thụ.
+ Phát triển thêm cùng một số cảm biến khác như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng,
+ Mở rộng quy mô hệ thống, tăng số lượng node cảm biến và node tải để dữ liệu thu thập được thêm chính xác.
+ Bổ sung thêm tính năng điều khiển thiết bị qua web và app.
+ Bổ sung tính năng điều khiển trực tiếp bằng App điện thoại qua giao thức MQTT để hạn chế việc phụ thuộc vào mạng nội bộ như wifi, đồng thời tăng tốc độ cập nhật dữ liệu và điều khiển.
+ Sử dụng các nguồn pin năng lượng mặt trời kết hợp với các nguồn năng lượng gió thay thế pin mặt trời khi không có nắng để hệ thống đáp ứng một cách liên tục.
+ Tăng khả năng truyền nhận dữ liệu giữa các Node và Gateway.
+ Tối ưu hóa việc bật tắt thiết bị theo thời gian, nhiệt độ…
Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và nhờ sự hướng dẫn tận tình của giảng viên hướng dẫn và tham khảo các tài liệu, nhóm chúng em đã giải quyết được tương đối yêu cầu của đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa ” đề tài có khả năng ứng dụng vào thực tiễn cao, đáp ứng được với những yêu cầu cuộc sống hiện đại ngày nay Là một nguồn tài liệu để các sinh viên khóa sau tham khảo và phát triển lên với nhiều chức năng mạnh mẽ hơn Qua đó nhóm cũng bổ sung được những kiến thức hay, bổ ích đáp ứng các nội dung và mục tiêu ban đầu đã đề ra hơn 90%.
+ Có kiến thức về các phần cứng, phần mềm, truyền thông trong LoRa để áp dụng trong đề tài.
+ Biết được cách xây dựng các LoRa Node để lấy dữ liệu từ các cảm biến, hiểu được cách thức gửi gói tin qua truyền thông LoRa
+ Biết được cách truyền và nhận dữ liệu giữa nhiều board mạch LoRa.
+ Thiết kế Gateway dùng Node MCU ESP – 32.
+ Biết được cách xây dựng các trạm Gateway để thu thập dữ liệu từ các Node cảm biến, hiểu được cách thức nhận gói tin qua truyền thông LoRa.
+ Biết được cách đưa dữ liệu từ Gateway lên Cloud Server.
+ Xây dựng App ứng dụng để hiển thị các thông số dữ liệu thu thập, cách lập trình APP MIT Inventor.
+ Có kỹ năng sửa lỗi hệ thống trong quá trình thi công hệ thống, hiểu được định dạng gói tin của Node LoRa gửi đến Gateway, hiểu được cách giải mã gói tin của Gateway.