Đề tài tìm hiểu truyền dữ liệu qua lora và mạch ứng dụng

khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền nhận dữ liệu.Vì sao phải sử dụng công nghệ Lora?Các cảm biến ngày nay đã trở nên thông minh hơn nhờ tích hợp côn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO

MÔN HỌC: KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU TRUYỀN DỮ LIỆU QUA LORA VÀ MẠCH ỨNG DỤNGGVHD: ThS NGUYỄN NGÔ LÂM

Nhận xét của giảng viên Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Ngô Lâm

Bảng đánh giá mức độ hoàn thành của các thành viên trong nhóm 1

Họ và TênMSSVHạng mục tham gialàm việc

Mức độ hoàn thành

Nguyễn Tuấn Anh21143236Ứng dụng của LoRaXuất Sắc

Trần Nhật Huy21161454Làm file báo cáo vàpoweroint

Xuất Sắc

Nguyễn Văn Lân21161464Phương pháp điều chếXuất Sắc

Phạm Văn Thế21161014Module của LoRaXuất Sắc

MỤC LỤCChương 1: GIỚI THIỆU VỀ LORA1.1 Lora là gì ?

1.2 Nguyên lý hoạt động của Lora1.3 Sơ đồ nguyên lý cho hệ thống Lora1.4 Module RF lora SX1278

1.5 Phương pháp điều chế của LoraChương 2: ỨNG DỤNG CỦA LORA

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ LORA1.1 Lora là gì?

LoRa là một hệ thống viễn thông không dây tầm xa với công suất thấp và được đề xuất là một giải pháp cơ sở hạ tầng cho lĩnh vực vạn vật kết nối (Internet of Things) Thông thường mạng LoRa bao gồm các thiết bị đầu cuối (End devices), các cổng kết nối (Gateways) và một máy chủ mạng (Network server).

Công nghệ Lora: Lora là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cyxleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lớn và với nhiều nút mạng (Node) mà không cần các mạch

khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền nhận dữ liệu.

Vì sao phải sử dụng công nghệ Lora?

Các cảm biến ngày nay đã trở nên thông minh hơn nhờ tích hợp công nghệ mới Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của cảm biến hiện nay là năng lượng Wi-Fi là giao thức tiêu tốn năng lượng rất nhiều, dẫn đến việc thiết bị phải được cấp nguồn liên tục Trong khi đó, Zigbee tiết kiệm năng lượng hơn, nhưng khoảng cách truyền tối đa chỉ đạt 75m Với LoRa, hai vấn đề này đã được giải quyết hoàn toàn Nó tiêu thụ ít năng lượng hơn nhưng vẫn có thể truyền tín hiệu xa vài km Một ứng dụng tiềm năng của cảm biến và LoRa là sử dụng chúng trong việc phát hiện các vết rạn nứt trên đường hoặc các xe quá tải Những cảm biến này có thể được đặt trong nhựa đường khi đổ để giám sát tình trạng của đường Để làm được điều này, LoRa là công nghệ tốt nhất để sử dụng.

Ưu điểm của công nghệ LoRa

Dễ dàng phổ biến: Công nghệ LoRa hiện nay (22/02/2021) có thể được

sử dụng một cách rộng rãi và miễn phí (không có bản quyền) Quá trình lắp đặt các thiết bị cảm biến có giá cả phải chăng, đồng thời kiến trúc cũng đơn giản Hiện nay công nghệ LoRa đã được ứng dụng nhiều trong IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này.

Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp: Như đã đề

cập, lợi thế lớn nhất của công nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp, nhưng vẫn có thể dẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được Ngoài ra, công suất hoạt động không vì thế mà bị giảm sút, và công nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ trạm gốc.

Độ bảo mật cao: Các tín hiệu này sẽ được mã hoá 2 lớp, bao gồm 1 lớp

dành cho ứng dụng có mã hoá AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng.

Nhược điểm của công nghệ LoRa

Tải trọng và tốc độ thấp hơn: Đây có lẽ là nhược điểm lớn nhất của

công nghệ LoRa, bởi việc phát ra sóng ở tần số đó sẽ làm giảm tốc độ truyền tải, đồng thời tải trọng của công nghệ cũng sẽ đạt đến mức 100 byte Cũng vì vậy mà độ trễ của công nghệ LoRa sẽ cao hơn so với các phương pháp khác.

Hạn chế trong việc lắp đặt gateway: Việc khó lặp đặt cá gateway trong

nội thành cũng là cản trở trong việc phổ biến công nghệ LoRa trong khu đông dân cư.

1.2 Nguyên lý hoạt động của Lora

Kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum là nền tảng để phát triển công nghệ LoRa Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu gốc sẽ được khuếch đại tần số cao hơn, sau đó nó được mã hóa thành chuỗi tín hiệu chirp, cuối cùng thì sẽ được gửi đi từ anten.

Nhờ có nguyên lý hoạt động như trên, tín hiệu LoRa có thể được truyền đi xa với lượng công suất thấp và cả tín hiệu không mạnh bằng tín hiệu nhiễu bên ngoài môi trường.

Chirp Spread Spectrum (CSS) là một kỹ thuật sử dụng các xung chirp

(chuỗi tín hiệu về tần số) để mã hóa các thông tin.

1.3 Sơ đồ nguyên lý cho hệ thống Lora

Một node cảm biến sẽ bao gồm 4 khối chính: khối cảm biến, khối xử lý, khối truyền thông và khối nguồn

Khối nguồn có chức năng cung cấp điện áp một chiều cho khối xử lý thực thi Bộ nguồn là các pin cung cấp năng lượng cho các node cảm biến và gateway

Khối cảm biến: bao gồm các loại cảm biến dùng để đo lường tham số khác nhau của môi trường vật lý: nhiệt độ, độ ẩm không khí sử dụng cảm biến DHT11, cảm biến đo độ đục nước, cảm biến ánh sáng và cảm

biến độ ẩm đất Khối cảm biến có chức năng thu thập dữ liệu từ môi trường chuyển đổi và gửi dữ liệu đến khối xử lí

Khối xử lí: có nhiệm vụ xử lí dữ liệu và có ở cả các node cảm biến và ở khối Gateway.

Khối xử lí ở node cảm biến: Giao tiếp với các khối cảm biến để nhận và gửi dữ liệu tới khối truyền thông.

Khối xử lí ở gateway thì hoạt động với tần suất nhiều hơn và liên tục hơn khối xử lí ở các node cảm biến Nó nhận dữ liệu từ các node cảm biến xử lý lưu trữ và gửi thông tin lên server

Khối truyền thông (LoRa và anten): có chức năng thu nhận và phát thông tin giữa các node Dựa trên yêu cầu ứng dụng và sự liên quan để truyền đạt nó thường sử dụng sóng phù hợp như radio.

1.4 Module của LORA

Có nhiều module LoRa khác nhau trên thị trường, được sản xuất bởi các nhà cung cấp khác nhau Dưới đây là một số ví dụ về các module LoRa phổ biến:

1 Module SX127x: Đây là các module dựa trên chip SX127x của Semtech, là chip LoRa phổ biến nhất Các module trong dòng SX127x bao gồm SX1276, SX1278, SX1272, và nhiều phiên bản khác Chúng cung cấp chức năng LoRa trên các băng tần khác nhau (ví dụ: 433MHz, 868MHz, 915MHz) và thường đi kèm với các tính năng khác như Bluetooth hoặc Wi-Fi.

2 Module RN2483/RN2903: Đây là các module của Microchip (trước đây là công ty Roving Networks) sử dụng chip RN2483 hoặc RN2903 Chúng hỗ trợ giao thức LoRaWAN và có tích hợp sẵn các chức năng quan trọng như mã hóa và xác thực Module này thường được sử dụng cho các ứng dụng IoT và thành phố thông minh.

3 Module RFM95/RFM96: Đây là các module dựa trên chip

RFM95/RFM96 của công ty HopeRF Chúng hỗ trợ LoRa trên các băng tần khác nhau và có tích hợp sẵn các tính năng như mã hóa và điều khiển công suất.

4 Module LSN50/LGT92: Đây là các module của công ty Dragino, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng IoT và thành phố thông minh

Chúng hỗ trợ LoRaWAN và đi kèm với các tính năng như GPS, nhiệt độ, độ ẩm, và cảm biến khí.

Ngoài ra, còn nhiều module LoRa khác nhau trên thị trường từ các nhà sản xuất khác nhau Mỗi module có đặc điểm riêng và hỗ trợ các chức năng và tính năng khác nhau Khi chọn module LoRa, quan trọng là kiểm tra các yêu cầu của dự án và đảm bảo rằng module được lựa chọn phù hợp với các yêu cầu cụ thể của bạn

1.5 Phương pháp điều chế của LORA

Phương pháp điều chế của LoRa được gọi là Chirp Spread Spectrum (CSS) Đây là một kỹ thuật điều chế tín hiệu cho phép truyền dữ liệu xa và tiêu thụ ít năng lượng

Nguyên lý hoạt động của CSS trong LoRa như sau:

1 Băm tín hiệu (Chipping): Dữ liệu ban đầu được băm bằng cách thay đổi tần số của nó Mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bằng một chuỗi tần số chạy dài Bit 1 sẽ được biểu diễn bằng một chuỗi tần số tăng dần (up-chirp), và bit 0 sẽ được biểu diễn bằng một chuỗi tần số giảm dần (down-chirp).

2 Mã hoá (Encoding): Sau khi băm tín hiệu, tín hiệu sẽ được mã hoá để tạo ra các chuỗi chirp signal Chuỗi chirp signal là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian.

3 Điều chế (Modulation): Các chuỗi chirp signal sau đó được điều chế lên tần số truyền Một bộ điều chế RF sẽ tạo ra tín hiệu RF (Radio Frequency) từ các chuỗi chirp signal.

4 Truyền tín hiệu (Transmission): Tín hiệu RF được truyền qua anten để gửi đi.

Khi nhận được tín hiệu LoRa, quá trình ngược lại sẽ xảy ra để giải mã dữ liệu Tín hiệu nhận được sẽ được xử lý để trích xuất các chuỗi chirp signal ban đầu, sau đó được giải mã để tái tạo dữ liệu ban đầu Phương pháp CSS của LoRa cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa mà không cần công suất phát lớn, đồng thời tiêu thụ ít năng lượng Nó cũng cho phép nhiều thiết bị LoRa cùng tồn tại trong cùng một khu vực và truyền dữ liệu trên các kênh khác nhau mà không gây nhiễu cho nhau Điều này làm cho LoRa trở thành một công nghệ hữu ích cho các ứng dụng IoT và thành phố thông minh

Chương 2: Ứng dụng của Lora2.1 Ứng dụng trong nông nghiệp

Một hệ thống tưới thông minh sẽ sử dụng cảm biến LoRa để thu thập thông số đầu vào như: nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất, …và các yếu tố

môi trường khác Sau đó cảm biến thu thập dữ liệu, và căn cứ vào đây thì hệ thống sẽ quyết định tưới nước/tưới phân với số lượng bao nhiêu cho tiết kiệm và phù hợp

Ưu điểm của hệ thống tưới tiêu công nghệ cao trong nông nghiệp khi có sử dụng LoRa:

Nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước theo nguyên tắc tưới đúng – tưới đủ – không lãng phí.

Tiết kiệm tối đa chi phí đầu tư ban đầu (đầu tư dây nối tín hiệu, hệ thống vỏ bảo vệ dây) và tăng độ ổn định hệ thống

Có thể vận hành giám sát ở bất kỳ đâu, chỉ cần có Internet

Sơ đồ khối hệ thống thu thập và điều khiển các thông số môi trường

2.2 Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh

Chúng ta đã biết rằng, LoRa cho phép các cảm biến hoạt động trong nhiều năm mà không cần nguồn điện liên tục Một số ứng dụng phổ biến của LoRa trong các tòa nhà thông minh đó là:

Quản lý năng lượng: LoRa tập hợp tất cả các hệ thống liên quan đến

năng lượng để quản lý tòa nhà thông minh gồm: chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, an toàn cháy nổ Giao thức truyền thông LoRa kết nối chúng một cách hiệu quả để giúp kiểm soát và giảm mức tiêu thụ điện năng.

Phát hiện rò rỉ nước: Trong các tòa nhà thông minh, LoRa là một phần

không thể thiếu trong cơ sở hạ tầng cấp nước thông minh Bằng cách sử dụng các cảm biến ở đồng hồ nước, hệ thống LoRa có thể giảm đáng kể

chi phí vận hành liên quan đến rò rỉ nước và ngăn ngừa thiệt hại nghiêm trọng cho các tòa nhà.

Kiểm tra an toàn tòa nhà: Ngay cả ở những vùng xa xôi, các tòa nhà

có thể được trang bị nhiều cảm biến LoRa trên tường, mái nhà hoặc móng Bằng cách này, chủ sở hữu tòa nhà hoặc thanh tra viên có thể kiểm soát biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số hóa học, cơ học và vật lý khác của tòa nhà

.

Ứng dụng của LoRa trong nhà thông minh

2.3 Ứng dụng của LoRa trong bán lẻ

Trong một thông báo gần đây, công nghệ dựa trên LoRa đã được Deutsche Telekom áp dụng tại các cửa hàng bán lẻ ở Đức – đặc biệt là các chuỗi nhà hàng Theo đó LoRa được đặt tại các lối vào cửa hàng, sẽ giúp quản lý lưu lượng khách hàng ghé thăm mỗi ngày Nhân viên được thông báo qua một ứng dụng, nếu ai đó vào cửa hàng Đồng thời, LoRa, được sử dụng để thu thập, phân tích dữ liệu lịch sử viếng thăm của khách hàng theo ngày và theo tuần Điều này cho phép các nhà bán lẻ

lên kế hoạch chính xác hơn để phân bổ nhân viên phù hợp để thực hiện các hoạt động như dọn dẹp hoặc bổ sung hàng dự trữ.

Chương 3 : Mạch , IC , Phần mềm của LORA 3.1 Mạch của LORA

Phần mạch của LORA chúng em xài ở đây là dòng RL78/G14 thuộc họ của dòng RL78 , được phát triển chế tạo ra bới công ty phần mềm RENESAS