thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông gsm và lora

Các số liệu, tài liệu ban đầu: Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, nghiên cứu về các công nghệ truyền thông LoRa và GSM trong đề tài, xây dựng mô hình.. Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay

Trong thời đại công nghệ 4.0 ngày nay và sự bùng nổ công nghệ tăng vọt một cách nhanh chóng, đồng hành với đó là sự phát triển mạnh mẽ của Internet of Things (IoT) thúc đẩy việc nghiên cứu trong lĩnh vực này rất lớn, đòi hỏi nhiều kiến thức chuyên môn Các nghiên cứu trong lĩnh vực này nhằm đáp ứng nhu cầu về quản lý và kiểm soát thông minh trong hệ thống được ứng dụng trong các lĩnh vực, ngành nghề khác nhau Việc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng từ xa không chỉ là một yếu tố tiện lợi mà còn là một giải pháp quan trọng cho các thách thức về chi phí và hiệu suất năng lượng trong các môi trường đô thị và công nghiệp

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hiện đang hướng sự chú ý của mình vào việc tối ưu hóa việc quản lý chiếu sáng thông qua việc áp dụng mạng cảm biến không dây, nơi mà sự linh hoạt, tiết kiệm năng lượng và khả năng kết nối từ xa trở thành những yếu tố quyết định Các nghiên cứu trong lĩnh vực này không chỉ tập trung vào việc phát triển công nghệ mới mà còn đưa ra những giải pháp ứng dụng thực tế, từ việc quản lý ánh sáng công cộng đến ứng dụng trong nông nghiệp thông minh và các dự án thành phố thông minh Đồng thời, với sự chú ý đặc biệt vào việc tích hợp các công nghệ truyền thông như GSM và LoRa, các nghiên cứu hiện nay đang hướng tới mục tiêu tối ưu hóa phạm vi truyền dẫn, tăng cường độ tin cậy và giảm thiểu tiêu tốn năng lượng

Hình 1.1 Giải pháp đèn Led đường Điện Quang ứng dụng công nghệ Lo Ra

Hình 1.2 Giải pháp giám sát chiếu sáng thông minh IoT Solar Light

Tính cấp thiết của đề tài

1.2.1 Tối ưu hóa chi phí vận hành

Sự linh hoạt và tính năng tự động hóa của hệ thống giúp giảm chi phí bảo dưỡng và quản lý Việc theo dõi trạng thái của đèn từ xa giúp phát hiện sớm và giải quyết các vấn đề kỹ thuật một cách hiệu quả

1.2.2 Kết hợp giữa LoRa và GSM

Tích hợp các công nghệ truyền thông như LoRa và GSM mang lại sự linh hoạt, ổn định kết nối và khả năng mở rộng phạm vi truyền dẫn, làm tăng cường tính cấp thiết của đề tài trong việc áp dụng thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

• Nghiên cứu về mô hình mạng cảm biến không dây đang được sử dụng phổ biến, ứng dụng các công nghệ truyền thông không dây vào lĩnh vực chiếu sáng và từ đó tiến hành thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng cho phù hợp với mục tiêu đề ra Điều chỉnh và thực hiện các phương pháp kiểm tra để có kết quả tốt nhất khi đưa vào ứng dụng trong thực tế

• Hệ thống có chức năng điều khiển bật và tắt đèn từ xa, đưa ra các cảnh báo về trạng thái sự cố của đèn để kịp thời xử lý

• Tìm hiểu các giao tiếp truyền nhận không dây sử dụng công nghệ LoRa với module TTGO T-CALL ESP32 với SIM800L Tìm hiểu về cách kết nối các nút cảm biến thành mô hình mạng hình sao

• Những dữ liệu từ các nút cảm biến thông qua tín hiệu truyền nhận từ LoRa sẽ được sẽ hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời có thể giám sát và điều khiển thông qua giao diện trên ứng dụng Blynk.

Đối tượng nghiên cứu

1.4.1 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây (WSN)

Các đặc điểm của WSN: Các nút mạng cảm nhận có kích thước nhỏ, năng lượng nạp được và lưu được bị giới hạn, hoạt động ở các điều kiện môi trường khắc nghiệt không cần can thiệp của con người, dễ xảy ra lỗi tại nút mạng, dễ xảy ra lỗi trong truyền dữ liệu, các nút mạng cảm nhận có thể dịch chuyển được mà không cần thay đổi cấu hình, mô hình mạng động linh hoạt Các nút mạng hỗn hợp cho phép khả năng mở rộng cao [7]

1.4.2 Các hệ thống cảm biến và IoT Điều khiển từ xa thông qua ứng dụng điện thoại: Công nghệ không dây cho phép người quản lý hoặc người dùng có thể điều khiển các hệ thống từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại Điều này mang lại sự thuận tiện và linh hoạt, đặc biệt là khi cần thay đổi các thông số dựa trên các điều kiện cụ thể hoặc giảm mức tiêu thụ năng lượng khi không cần thiết

Kết nối không dây: Sử dụng các kỹ thuật kết nối không dây như Wi-Fi, LoRa,

GSM, GPRS, hay các mạng cảm biến không dây chuyên dụng để truyền dữ liệu về các trung tâm giám sát và quản lý

Quản lý và phân tích dữ liệu: Các mô hình sử dụng mạng cảm biến không dây thường đi kèm với hệ thống quản lý và phân tích dữ liệu, giúp cho việc chuyển đổi dữ liệu từ các cảm biến thành thông tin hữu ích và có ích cho việc quản lý Ứng dụng vào các đô thị thông minh: Nghiên cứu về mô hình đô thị thông minh, bao gồm tích hợp công nghệ thông minh và cảm biến vào các khía cạnh khác nhau như giao thông, năng lượng, an ninh, quản lý tài nguyên, …

Phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào hệ thống chiếu sáng

Hình 1.3 Hệ thống chiếu sáng công cộng

Trong xu thế phát triển đô thị thông minh và bền vững thì việc chiếu sáng thông minh đóng góp một vai trò hết sức quan trọng Đi kèm với sự phát triển thì nhu cầu tiêu thụ năng lượng cũng lần lượt tăng theo, do đó việc tiết kiệm năng lượng đang là một trong những thách thức lớn và hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại

Việc thiết kế một hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay đang là mục tiêu được quan tâm về vấn đề tiết kiệm năng lượng Sau đây là những giải pháp thực tế có thể áp dụng tại Việt Nam

1.5.2 Giải pháp thiết kế hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam

Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu ưu nhược điểm của những hệ thống chiếu sáng đã và đang được triển khai trên thế giới cũng như Việt Nam thì đa số hệ thống chiếu sáng đều sử dụng truyền thông có dây Hệ thống này có tín hiệu ổn định tuy nhiên một nhược điểm tồn tại là hệ thống điều khiển rất phức tạp, tốn nhiều chi phí lắp đặt và cần phải bảo trì thường xuyên Bên cạnh đó một số quốc gia cũng đã ứng dụng công nghệ Zigbee vào việc điều khiển đèn đường chiếu sáng Mạng Zigbee có chi phí lắp đặt và năng lượng tiêu thụ thấp Tuy nhiên công nghệ này có vùng phủ sóng hẹp, còn gặp nhiều vấn đề trong truyền tin đi xa Để khắc phục những nhược điểm trên và phát triển thế mạnh của công nghệ đã có, nhóm đề xuất việc sử dụng một mạng cảm biến điều khiển đèn đường sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa và GSM Mạng truyền thông LoRa với những ưu điểm vượt trội về khả năng tiết kiệm năng lượng, giá thành rẻ, dễ dàng thiết kế và độ

5 bền cao Bên cạnh đó khoảng cách truyền tin đi xa là một lợi thế lớn so với Zigbee và các mạng không dây khác Đối với hệ thống sử dụng mạng truyền thông không dây công nghệ LoRa, ngoài việc triển khai tại các đô thị, vùng đồng bằng, ta còn có thể lắp đặt tại các vùng có địa hình hiểm trở, nơi mà việc đấu nối dây về trung tâm điều khiển còn gặp nhiều khó khăn, tốn kém

Ngoài ra việc sử dụng mạng truyền thông GSM còn cho phép điều khiển đèn từ xa thông qua mạng di động, giúp người dùng có thể quản lý từ bất cứ đâu có kết nối mạng di động GSM có độ phủ sóng rộng lớn, đặc biệt là ở các khu vực đô thị và nông thôn Điều này giúp đảm bảo kết nối ổn định và liên tục cho các thiết bị được kết nối

1.5.3 Định hướng xây dựng hệ thống Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm về mặt năng lượng và tích hợp được những ưu điểm đang được sử dụng tại Việt Nam và trên thế giới Xây dựng một mạng cảm biến không dây dùng để giám sát bật/tắt các cột đèn chiếu sáng từ xa bằng công nghệ truyền thông không dây, đồng thời phát hiện khi có sự cố và đưa ra cảnh báo

1.5.4 Tổng quan về hệ thống chiếu sáng

Mô hình hệ thống dự kiến thiết kế bao gồm ba phần chính:

● Hệ thống điều khiển trung tâm: Được đặt tại trung tâm điều khiển có chức năng:

➔ Gửi thông tin điều khiển bật tắt đèn thông qua mạng truyền thông không dây

➔ Nhận dữ liệu phản hồi từ các nút cảm biến

➔ Gửi cảnh báo khi phát hiện đèn hỏng hoặc xảy ra sự cố mất điện

➔ Đưa dữ liệu lên hệ thống giám sát bằng mạng Internet

● Hệ thống chấp hành điều khiển đèn: Trên mỗi cột đèn được gắn một nút cảm biến Các nút cảm biến này có chức năng:

➔ Điều khiển bật/tắt đèn theo thời gian thực

➔ Nhận biết sự cố đèn cháy, hỏng thông qua cảm biến dòng điện

➔ Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để giao tiếp với khối điều khiển trung tâm

➔ Nhận thông tin bật/tắt đèn từ hệ thống điều khiển trung tâm, xử lý và thực hiện điều khiển Gửi dữ liệu về hệ thống điều khiển trung tâm nếu đèn gặp sự cố cháy, hỏng

● Hệ thống quản lý giám sát

➔ Hệ thống này được liên kết với hệ thống điều khiển trung tâm thông qua mạng Internet Có chức năng hiển thị dữ liệu nhận được từ hệ thống điều khiển trung tâm

➔ Người vận hành có thể ngồi tại trung tâm điều khiển và thấy được toàn bộ tình trạng hoạt động khi có bất kỳ sự cố nào liên quan tới hệ thống Việc giám sát từ xa như vậy không chỉ giúp người vận hành hệ thống có thể đưa ra các biện pháp sửa chữa kịp thời khi có sự cố xảy ra mà còn tiết kiệm được chi phí kiểm tra, quản lý và bảo dưỡng.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút mạng được tạo thành bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến của vi điều khiển trong một phạm vi nhất định Như vậy, mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động một cách độc lập trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm điều khiển các thông tin cần thiết như: nhiệt độ, độ ẩm,…

Trong hệ thống WSN gồm trạm gốc (Gateway), nút mạng (Node) và trung tâm điều khiển Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng Internet, qua vệ tinh nhờ đó người giám sát có thể nhận được thông tin dù đang ở bất cứ đâu [7]

Hình 2.1 Mô hình một mạng cảm biến không dây

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây

Mạng gồm các trạm gốc, trung tâm điều khiển và các nút mạng Trạm gốc có vai trò là một cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin nút mạng và chuyển đến trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau

2.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Các đặc điểm của mạng cảm biến không dây gồm:

• Các nút mạng có kích thước nhỏ

• Năng lượng nạp và lưu bị giới hạn

• Hoạt động được ở những môi trường khắc nghiệt và không cần con người can thiệp

• Dễ xảy ra lỗi tại cát nút, và lỗi trong truyền dữ liệu

• Các nút mạng có thể dịch chuyển mà không cần thay đổi cấu hình

• Có khả năng mở rộng cao

2.4 Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây [8]

Một vài cấu trúc thường gặp của mạng cảm biến không dây: Cấu trúc hình sao (Star), hình cây (Tree), liên kết lưới (Mesh)

Hình 2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

2.4.1 Cấu trúc hình sao – Star

Mỗi nút được liên kết trực tiếp với trạm gốc Trạm gốc có thể gửi hoặc nhận tin nhắn từ các nút Các nút không được phép gửi thông báo cho nhau

● Giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từ xa ở mức tối thiểu

● Cho phép thông tin liên lạc có độ trễ thấp giữa các nút từ xa và trạm gốc

● Trạm gốc phải nằm trong phạm vi kết nối của các nút

● Phụ thuộc vào một trạm gốc để quản lý mạng

2.4.2 Cấu trúc hình cây - Tree

Còn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao nhiều tầng Ưu điểm:

● Có thể dễ dàng mở rộng mạng

● Phát hiện lỗi dễ dàng

● Phụ thuộc vào cáp bus, nếu nó bị hỏng tất cả mạng sẽ sụp

2.4.3 Cấu trúc liên kết lưới – Mesh

Cho phép truyền dữ liệu từ nút này sang nút khác, nằm trong phạm vi truyền dẫn vô tuyến của nó Nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngoài phạm vi liên lạc vô tuyến, nó có thể sử dụng một nút trung gian để chuyển tiếp thông điệp đến nút mong muốn Ưu điểm:

● Có lợi thế về khả năng dự phòng và mở rộng

● Nếu một nút bị lỗi, các nút từ xa có thể giao tiếp với bất kỳ nút nào trong phạm vi của nó

● Mạng không bị giới hạn bởi phạm vi giữa các nút riêng lẻ

● Tiêu thụ năng lượng cao

● Làm hạn chế tuổi thọ của pin

● Các bước truyền thông tin đến đích tăng lên làm thời gian gửi thông tin lâu hơn

2.5 Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks)

Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được triển khai dưới nước, dưới lòng đất, trên cạn,…[7]

2.5.1 WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks)

Có khả năng giao tiếp các trạm gốc một cách hiệu quả và bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến không dây được triển khai theo cách phi cấu trúc hoặc có cấu trúc (được lên kế hoạch trước) Trong WSN này, nguồn pin bị hạn chế; tuy nhiên, pin được trang bị pin mặt trời như một nguồn năng lượng thứ cấp

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút mạng được tạo thành bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến của vi điều khiển trong một phạm vi nhất định Như vậy, mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động một cách độc lập trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm điều khiển các thông tin cần thiết như: nhiệt độ, độ ẩm,…

Trong hệ thống WSN gồm trạm gốc (Gateway), nút mạng (Node) và trung tâm điều khiển Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng Internet, qua vệ tinh nhờ đó người giám sát có thể nhận được thông tin dù đang ở bất cứ đâu [7]

Hình 2.1 Mô hình một mạng cảm biến không dây

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây

Mạng gồm các trạm gốc, trung tâm điều khiển và các nút mạng Trạm gốc có vai trò là một cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin nút mạng và chuyển đến trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau

2.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

• Có khả năng mở rộng cao

2.4 Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây [8]

2.5 Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks)

2.5.2 WSN ngầm (Underground WSN) Đắt hơn mạng WSN trên mặt đất về mặt triển khai, bảo trì Mạng WSN bao gồm một số nút cảm biến được ẩn trong lòng đất để theo dõi các điều kiện dưới lòng đất Để chuyển tiếp thông tin từ các nút cảm biến đến trạm gốc, các nút chìm bổ sung được đặt trên mặt đất Được triển khai trong lòng đất rất khó để sạc pin lại Thêm vào đó, môi trường ngầm khiến giao tiếp không dây trở thành một thách thức do mức độ suy giảm và mất tín hiệu cao

Hình 2.3 Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN)

2.5.3 WSN dưới nước (Underwater WSN)

Các mạng này bao gồm một số nút cảm biến và các phương tiện được triển khai dưới nước Các phương tiện tự hành dưới nước được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến này Một thách thức của liên lạc dưới nước là độ trễ truyền dài, băng thông và cảm biến bị lỗi Được trang bị một loại pin hạn chế không thể sạc lại hoặc thay thế Vấn đề bảo tồn năng lượng cho các WSN dưới nước liên quan đến sự phát triển của các kỹ thuật mạng và truyền thông dưới nước

Hình 2.4 Mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater WSN)

2.5.4 WSN đa phương tiện (Multimedia WSN) Được đề xuất để cho phép theo dõi và giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, chẳng hạn như hình ảnh, video và âm thanh Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micro và máy ảnh Các nút này được kết nối với nhau qua kết nối không dây để nén dữ liệu, truy xuất dữ liệu và tương quan

Tiêu thụ năng lượng cao, yêu cầu băng thông cao, xử lý dữ liệu và kỹ thuật nén Ngoài ra, nội dung đa phương tiện yêu cầu băng thông cao để nội dung được truyền tải đúng cách và dễ dàng

Hình 2.5 Mạng cảm biến không dây đa phương tiện

2.5.5 WSN di động (Mobile WSN)

Gồm tập hợp các nút cảm biến có thể tự di chuyển và có thể tương tác với môi trường vật lý Linh hoạt hơn mạng cảm biến tĩnh vì các nút cảm biến có thể được triển khai trong bất kỳ tình huống nào, so với mạng cảm biến tĩnh thì mạng cảm biến không dây di động có phạm vi phủ sóng tốt hơn, hiệu quả năng lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội,…

2.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều vào thực tế, trên mọi lĩnh vực:

● Thu thập thông tin và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống: Trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu,…

Các ứng dụng ở hộ gia đình:

● Cảm biến cửa ra vào và cửa sổ

● Bộ điều khiển bóng đèn

● Thiết bị cảnh báo nguy hiểm

Các ứng dụng trong nông nghiệp

● Kiểm tra môi trường, không khí, đất trồng, biển,

● Phát hiện cháy rừng, lũ lụt, nghiên cứu ô nhiễm mô trường

● Tưới cây tự động, tính toán mùa màng

Các ứng dụng trong y tế:

● Hệ thống báo động khẩn cấp

● Thiết bị theo dõi sức khỏe

● Thiết bị theo dõi bệnh nhân

2.7 Các loại mạng truyền thông không dây thường được sử dụng trong mạng cảm biến không dây

Dựa vào mục đích và nhu cầu sử dụng khác nhau ta có thể sử dụng các chuẩn không không dây cho phù hợp Hiện nay có các bộ truyền dẫn không dây như: Bluetooth, Wifi, LoRa, …

Là công nghệ truyền không dây dựa trên tần số vô tuyến ở khoảng cách ngắn Tần số hoạt động khoảng 2.4GHz, chung tần số của Wifi nhưng bước sóng của Bluetooth ngắn hơn Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 720 Kbps trong phạm vi từ 10 – 100m

Hiện tại đã có thế hệ Bluetooth 5 tốc độ truyền tải đạt được tới 50 Mbps, tuy chưa thể so sánh với các kết nối như Wifi, USB nhưng với mục đích sử dụng để truyền tải những tín hiệu nhẹ nhàng và kết nối các thiết bị với nhau một cách đơn giản nhất Tốc độ 50Mbps được xem là ổn định để truyền dữ liệu trong giao tiếp tầm gần Khoảng cách truyền dữ liệu lên đến 300m ở môi trường không có vật cản và ổn định ở nhất trong khoảng 40m đến 60m [9]

Hình 2.7 Tốc độ Bluetooth ở các thế hệ

Là công nghệ truyền tin không dây bằng sóng vô tuyến, truyền tin ở tần số 2.4GHz – 5GHz Tuy nhiên mạng Wifi có độ trễ và dễ bị chặn sóng (bởi bức tường dày, các vật dụng, …) và nhiễu sóng (do sóng Wifi xung quanh) nên độ ổn định không cao như mạng có dây Điều này dẫn đến một số vấn đề như mất kết nối, ping cao và giảm tốc độ kết nối internet Nhưng so với những sợi dây cáp loằng ngoằng thì wifi là sự lựa chọn tiện lợi hơn, giúp tăng độ cơ động của các thiết bị như smartphone, máy tính bảng, laptop lên rất nhiều [10]

Hình 2.9 Những chuẩn Wifi phổ biến

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

• Có khả năng mở rộng cao.

Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây[8]

Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks)

2.5.2 WSN ngầm (Underground WSN) Đắt hơn mạng WSN trên mặt đất về mặt triển khai, bảo trì Mạng WSN bao gồm một số nút cảm biến được ẩn trong lòng đất để theo dõi các điều kiện dưới lòng đất Để chuyển tiếp thông tin từ các nút cảm biến đến trạm gốc, các nút chìm bổ sung được đặt trên mặt đất Được triển khai trong lòng đất rất khó để sạc pin lại Thêm vào đó, môi trường ngầm khiến giao tiếp không dây trở thành một thách thức do mức độ suy giảm và mất tín hiệu cao

Hình 2.3 Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN)

2.5.3 WSN dưới nước (Underwater WSN)

Các mạng này bao gồm một số nút cảm biến và các phương tiện được triển khai dưới nước Các phương tiện tự hành dưới nước được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến này Một thách thức của liên lạc dưới nước là độ trễ truyền dài, băng thông và cảm biến bị lỗi Được trang bị một loại pin hạn chế không thể sạc lại hoặc thay thế Vấn đề bảo tồn năng lượng cho các WSN dưới nước liên quan đến sự phát triển của các kỹ thuật mạng và truyền thông dưới nước

Hình 2.4 Mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater WSN)

2.5.4 WSN đa phương tiện (Multimedia WSN) Được đề xuất để cho phép theo dõi và giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, chẳng hạn như hình ảnh, video và âm thanh Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micro và máy ảnh Các nút này được kết nối với nhau qua kết nối không dây để nén dữ liệu, truy xuất dữ liệu và tương quan

Tiêu thụ năng lượng cao, yêu cầu băng thông cao, xử lý dữ liệu và kỹ thuật nén Ngoài ra, nội dung đa phương tiện yêu cầu băng thông cao để nội dung được truyền tải đúng cách và dễ dàng

Hình 2.5 Mạng cảm biến không dây đa phương tiện

2.5.5 WSN di động (Mobile WSN)

Gồm tập hợp các nút cảm biến có thể tự di chuyển và có thể tương tác với môi trường vật lý Linh hoạt hơn mạng cảm biến tĩnh vì các nút cảm biến có thể được triển khai trong bất kỳ tình huống nào, so với mạng cảm biến tĩnh thì mạng cảm biến không dây di động có phạm vi phủ sóng tốt hơn, hiệu quả năng lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội,…

Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều vào thực tế, trên mọi lĩnh vực:

● Thu thập thông tin và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống: Trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu,…

Các ứng dụng ở hộ gia đình:

● Cảm biến cửa ra vào và cửa sổ

● Bộ điều khiển bóng đèn

● Thiết bị cảnh báo nguy hiểm

Các ứng dụng trong nông nghiệp

● Kiểm tra môi trường, không khí, đất trồng, biển,

● Phát hiện cháy rừng, lũ lụt, nghiên cứu ô nhiễm mô trường

● Tưới cây tự động, tính toán mùa màng

Các ứng dụng trong y tế:

● Hệ thống báo động khẩn cấp

● Thiết bị theo dõi sức khỏe

● Thiết bị theo dõi bệnh nhân.

Các loại mạng truyền thông không dây thường được sử dụng trong mạng cảm biến không dây

Dựa vào mục đích và nhu cầu sử dụng khác nhau ta có thể sử dụng các chuẩn không không dây cho phù hợp Hiện nay có các bộ truyền dẫn không dây như: Bluetooth, Wifi, LoRa, …

Là công nghệ truyền không dây dựa trên tần số vô tuyến ở khoảng cách ngắn Tần số hoạt động khoảng 2.4GHz, chung tần số của Wifi nhưng bước sóng của Bluetooth ngắn hơn Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 720 Kbps trong phạm vi từ 10 – 100m

Hiện tại đã có thế hệ Bluetooth 5 tốc độ truyền tải đạt được tới 50 Mbps, tuy chưa thể so sánh với các kết nối như Wifi, USB nhưng với mục đích sử dụng để truyền tải những tín hiệu nhẹ nhàng và kết nối các thiết bị với nhau một cách đơn giản nhất Tốc độ 50Mbps được xem là ổn định để truyền dữ liệu trong giao tiếp tầm gần Khoảng cách truyền dữ liệu lên đến 300m ở môi trường không có vật cản và ổn định ở nhất trong khoảng 40m đến 60m [9]

Hình 2.7 Tốc độ Bluetooth ở các thế hệ

Là công nghệ truyền tin không dây bằng sóng vô tuyến, truyền tin ở tần số 2.4GHz – 5GHz Tuy nhiên mạng Wifi có độ trễ và dễ bị chặn sóng (bởi bức tường dày, các vật dụng, …) và nhiễu sóng (do sóng Wifi xung quanh) nên độ ổn định không cao như mạng có dây Điều này dẫn đến một số vấn đề như mất kết nối, ping cao và giảm tốc độ kết nối internet Nhưng so với những sợi dây cáp loằng ngoằng thì wifi là sự lựa chọn tiện lợi hơn, giúp tăng độ cơ động của các thiết bị như smartphone, máy tính bảng, laptop lên rất nhiều [10]

Hình 2.9 Những chuẩn Wifi phổ biến

Sử dụng tín hiệu vô tuyến kỹ thuật số năng lượng thấp cho các mạng khu vực cá nhân Được sử dụng phổ biến trong một hệ thống nhà thông minh, hệ thống sưởi, làm mát và trong các thiết bị y tế Với công nghệ ZigBee, tín hiệu có thể truyền xa tối đa

75m tính từ trạm phát và có khả năng phát xa hơn rất nhiều từ các nút phát khác trong cùng hệ thống Tại Việt Nam sử dụng dải tần sóng 2.4GHz có tới 16 kênh tín hiệu từ

11-26 và tốc độ truyền tải rất cao tới 250kb/s [11]

Là một chuẩn không dây mới trong những năm gần đây, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp Chuyên để kết nối các thiết bị với băng thông thấp, tập trung vào hiệu quả về vùng phủ và điện năng Vùng phủ sóng đạt được từ 3 – 15 km và mức tiết kiệm năng lượng cao với dòng tiêu thụ đỉnh chỉ 28 mA Tốc độ bit của công nghệ LoRa là thấp nhất, chính điều này mạng LoRa lại rất thích hợp để truyền tải các dữ liệu như tín hiệu điều khiển, dữ liệu cảm biến

Với các đặc tính trên, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài Từ các kết quả trên, ta có thêm vài số liệu minh họa để so sánh hiệu năng hoạt động giữa công nghệ LoRa và các công nghệ không dây phổ biến như sau:

Bảng 2.1 So sánh giữa các giao thức không dây [1]

Thiết bị đầu cuối tối đa 255 Hơn 64000 Phụ thuộc vào địa chỉ IP 10000

Dòng tiêu thụ đỉnh 30mA 30mA 100mA 28mA

Tốc độ bit 1Mbps 250kbps 11Mbps và

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

DSSS (Direct- Sequence Spread Spectrum)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Mạng không dây LoRa

LoRa là viết tắt của Long Range được phát triển bởi Semtech, là một kỹ thuật điều chế có nguồn gốc từ kỹ thuật “Chirp Spread Spectrum” (CSS), trong đó Chirp là viết tắt của “Compressed High Intensity Radar Pulse”, là một kỹ thuật sử dụng rất phổ biến trong sonar và radar Tín hiệu Chirp có biên độ không đổi và tần số thay đổi, nếu tần số thay đổi từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất thì được gọi là up-chirp và thay đổi từ tần số cao nhất đến thấp nhất được gọi là down-chirp

Dựa trên kỹ thuật này, điều chế LoRa giúp làm tăng phạm vi truyền thông đáng kể với công suất sử dụng rất thấp Cụ thể một module truyền dữ liệu với công suất phát 100mW với một vài tham số cấu hình cơ bản kèm theo thì có thể truyền xa đến hơn 3 km, còn với công suất phát 1W thì khoảng cách tương ứng là gần 10 km Với ưu điểm này, chúng ta có thể sử dụng LoRa để xây dựng các hệ thống IoT với các node được đặt ở khoảng cách xa hàng kilomet, sử dụng nguồn cung cấp dung lượng thấp như pin với thời gian duy trì lên đến vài năm, giá thành thấp và không cần đến hệ thống internet bao phủ

2.8.2 Các thông số của LoRa

Khi truyền đi một gói tin, thì hai thông số chúng ta quan tâm đó là khoảng cách truyền (range) và tốc độ truyền (data rate) Đối với LoRa thì 2 giá trị trên phụ thuộc vào

3 thông số có thể điều chỉnh được: Băng thông (BW), hệ số trải phổ (SF) và tốc độ mã hóa (CR)

● Bandwidth – BW: xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi Các chip LoRa khác nhau sẽ cho phép tùy biến cấu hình các mức băng thông khác nhau, nhưng thông thường sẽ cấu hình ba mức băng thông phổ biến là 125kHz,

250 kHz và 500 kHz Băng thông cao sẽ cho phép mã hóa tín hiệu nhanh hơn, giúp thời gian truyền dữ liệu nhanh hơn nhưng bù lại khoảng cách truyền cũng sẽ ngắn đi

● Spreading Factor – SF: xác định số lượng tín hiệu chirp khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu, SF là các giá trị nguyên từ 7 đến 12 Ví dụ nếu SF = 12 có nghĩa là 1 mức logic của tín hiệu sẽ được mã hóa bởi 12 xung tín hiệu chirp Giá trị SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng đổi lại tỉ lệ lỗi bit BER sẽ giảm và khoảng cách truyền cũng sẽ xa hơn

● Coding Rate – CR: là số lượng bit được tự thêm vào trong payload gói tin LoRa để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi lại một số bit dữ liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu payload CR là các giá trị nguyên từ 1 đến

4 và thường biểu thị ở dạng 4/CR+4 (ví dụ: 4/5, 4/6, 4/7, 4/8) Do đó, sử dụng

CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng, nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn và làm tăng thời gian truyền

⇒ Tóm lại tùy vào mục đích ứng dụng ưu tiên hơn về khoảng cách hay tốc độ truyền mà chúng ta có thể cấu hình các tham số BW, SF, CR phù hợp Ví dụ nếu mục đích của ứng dụng là thu thập các giá trị của cảm biến cần truyền ở khoảng cách xa không quá yêu cầu về thời gian, vì vậy sẽ không yêu cầu băng thông lớn nên chúng ta sẽ cấu hình các hệ số BW thấp (125 kHz), SF cao (12) và CR có thể tùy chỉnh

2.8.3 Các tần số của LoRa

Khi nói đến truyền thông không dây, một vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu khi sử dụng để nghiên cứu hoặc triển khai thực tế đó là dải ẩn số hay băng tần hoạt động của công nghệ đang sử dụng Dựa vào mục đích sử dụng, có thể chia thành 2 loại là băng tần cần được cấp phép (phải trả phí để sử dụng), gọi là licensed band và băng tần không cần cấp phép (miễn phí trong điều kiện ràng buộc nhất định), gọi là unlicensed và thường được biết đến với tên gọi là dải tần ISM (chuẩn băng tần được dành cho vô tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế)

Sóng LoRa hoạt động trong dải tần ISM nghĩa là chúng ta không cần phải trả thêm bất kỳ chi phí nào để sử dụng nhưng bù lại sẽ phải tuân thủ các quy định về công suất phát, và dĩ nhiên là dễ chịu ảnh hưởng bởi các loại nhiễu Các khu vực khác nhau trên thế giới sẽ sử dụng ở các băng tần khác nhau: 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Châu Âu) và 915 (Châu Mỹ) Ở Việt Nam chúng ta hiện LoRa có thể sử dụng ở băng tần 433 MHz

2.8.4 Một số module LoRa hiện nay Để có thể xây dựng ứng dụng với LoRa, hiện nay trên thị trường có rất nhiều module, kit phát triển để chúng ta có thể sử dụng Các module truyền nhận hiện nay bên trong đều tích hợp chip LoRa SX1276/77/78/79 của hãng Semtech, trong đó chip SX1278 là phổ biến nhất với các module sử dụng băng tần 433 MHz và SX1276 thường dùng cho các module hỗ trợ băng tần 868/915 MHz Các chip này hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn SPI, sử dụng chuẩn này có thể cấu hình được đầy đủ các thông số mình nhắc đến bên trên như BW, SF, CR và các thông số khác như thay đổi tham số điều chế, băng tần, data rate, địa chỉ, công suất phát, các chế độ hoạt động, cấu hình tiết kiệm năng lượng… nên ứng dụng có độ linh động và tùy biến cao Chúng ta có thể tham khảo một vài module giao tiếp theo chuẩn SPI: Heltec Wifi LoRa 32, Dragino LoRa Shield, RFM95/96/97/98W

Hình 2.13 Module Heltec WiFi LoRa 32

Ngoài ra còn có các module hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn UART, bên trong module đã tích hợp sẵn một vi điều khiển trung gian (như STM8, STM32,…) và một LoRa chip, các module loại này thường sẽ không hỗ trợ lập trình các tham số gốc như BW, SF, CR mà thông qua giao tiếp UART chỉ hỗ trợ cấu hình các tham số cơ bản khác để xây dựng ứng dụng truyền nhận đơn giản nhất có thể như: băng tần, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, công suất phát, data rate, các chế độ hoạt động đã tùy biến,… Module này phổ biến là các dòng E32 của hãng EByte, và AS32 của hãng AShining

LoRaWAN hay Long Range Wireless Area Network là một kiến trúc hệ thống và giao thức truyền thông trong mạng dựa trên Lora LoRaWAN, là một giao thức mạng mở cung cấp các kết nối giữa các cổng LPWAN với các thiết bị IoT ở nút cuối được tiêu chuẩn hóa và duy trì bởi LoRa Alliance (liên minh LoRa vơi hơn 500 công ty thành viên) LoRaWAN cũng chịu trách nhiệm quản lý tần số giao tiếp và tốc độ dữ liệu, năng lượng cho tất cả các thiết bị trong mạng

Một LoRaWAN sẽ gồm 4 phần cơ bản như sau:

Hình 2.16 Các thành phần của LoRaWAN

● End Nodes: gồm một hay nhiều thiết bị chứa cảm biến, sẽ mã hóa các dữ liệu thu thập được thành các gói tin rồi gửi về gateway

● Concentrator/Gateway: đảm nhận vai trò thiết bị trung gian giúp liên kết các nodes với internet Trong môi trường truyền thì một gateway có thể nhận nhiều gói tin từ các node sensor khác nhau Việc của gateway là sắp xếp các gói tin nhận được rồi đưa qua network servers để xử lí

Mạng thông tin di động

Mạng thông tin di động được tạo thành từ một số lượng lớn các máy phát đặc biệt thuộc sở hữu của các công ty điện thoại hoặc internet Những máy phát này thường được tìm thấy trên các tòa tháp hoặc tòa nhà cao tầng và được đặt đều đặn trên khắp vùng nông thôn cũng như ở các thành phố và thị trấn Chúng truyền tín hiệu để cho phép điện thoại di động kết nối với internet cũng như thực hiện và nhận cuộc gọi Hầu hết điện thoại di động ngày nay đều là điện thoại thông minh, giống như những chiếc máy tính cầm tay nhỏ Họ kết nối Internet bằng tháp điện thoại di động gần nhất

2.9.1 Sự khác nhau giữa mạng thông tin di động và WiFi

Mạng di động và WiFi đều cho phép bạn kết nối thiết bị với Internet mà không cần cắm cáp nhưng chúng khác nhau ở một số điểm Bạn có thể kết nối thiết bị được kích hoạt với điện thoại di động và có thể sử dụng dữ liệu di động bất cứ khi nào bạn có sóng và các khoản thanh toán gói điện thoại di động của bạn được cập nhật mạng dữ liệu ở hầu hết mọi nơi Để sử dụng mạng Wi-Fi, bạn phải ở trong phạm vi giới hạn – khoảng 30 mét – tính từ mạng Wi-Fi Nếu bạn ở trong thành phố, bạn hầu như luôn có kết nối dữ liệu di động tốt, vùng phủ sóng di động có thể không đồng đều ở một số khu vực, nhưng hầu hết các thị trấn lớn đều có Internet di động tốt

2.9.2 Các loại mạng thông tin di động [15]

Mạng 2G là thế hệ mạng di động thứ hai, dựa trên hệ thống truyền thông di động toàn cầu (GSM) Được thiết kế để đáp ứng số lượng điện thoại di động ngày càng tăng, 2G đã giới thiệu các dịch vụ di động như SMS, nhắn tin đa phương tiện và hội thoại thoại được mã hóa kỹ thuật số Nó cũng sử dụng phổ tần số vô tuyến (RF) hiệu quả hơn để nhiều thiết bị hơn có thể chia sẻ cùng một dải tần

GSM là viết tắt của Global System for Mobile Communication (Hệ thống thông tin di động toàn cầu) Đây là một tiêu chuẩn được phát triển bởi Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) để mô tả các giao thức cho mạng di động kỹ thuật số thế hệ thứ

23 hai (2G) Nó là sự thay thế cho các mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) GSM là mạng vô tuyến di động kỹ thuật số mở hoạt động tại hơn 200 quốc gia trên toàn thế giới Nó không chỉ được sử dụng cho các cuộc gọi thoại, nó còn có thể được sử dụng để tính toán dữ liệu và gửi tin nhắn văn bản

• Cấu trúc của mạng GSM

Mạng GSM gồm có 3 thành phần: đó là trạm di động cung cấp khả năng liên lạc, hệ thống trạm gốc điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động và hệ thống mạng có chức năng thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi giữa các thuê bao di động Kiến trúc GSM được tạo thành từ ba hệ thống trung tâm: Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo, Hệ thống trạm gốc (Base Station Subsystem), Hệ thống chuyển mạch (Switching system) và Hệ thống vận hành và hỗ trợ (Operations and support system)

Hệ thống chuyển mạch (SS): chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng xử lý cuộc gọi và liên quan đến thuê bao Hệ thống chuyển mạch bao gồm các khối chức năng sau:

- Bộ ghi địa chỉ - Home Location Register (HLR): Là cơ sở dữ liệu được sử dụng cho lưu trữ và quản lý đăng ký HLR được coi là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất vì nó lưu trữ dữ liệu cố định về người đăng ký, bao gồm hồ sơ dịch vụ của người đăng ký Khi người dùng mua các gói dịch vụ từ nhà cung cấp họ sẽ được đăng ký vào HLR của nhà cung cấp đó

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC): thực hiện các chức năng chuyển mạch điện thoại của hệ thống Nó kiểm soát các cuộc gọi đến và đi từ các hệ thống điện thoại và dữ liệu khác Nó cũng thực hiện các chức năng như thu phí, giao tiếp mạng, báo hiệu kênh chung và các chức năng khác

- Đăng ký vị trí khách truy cập - Visitor Location Register (VLR): Là cơ sở dữ liệu chứa thông tin tạm thời về các thuê bao ghé thăm VLR luôn được tích hợp với MSC Khi một trạm di động chuyển vùng vào vùng MSC mới, VLR kết nối với MSC đó sẽ yêu cầu dữ liệu về trạm di động từ HLR Sau đó, nếu tram di

24 động thực hiện cuộc gọi, VLR sẽ có thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi mà không cần phải thẩm vấn HLR mỗi lần

- Trung tâm xác thực - Authentication Center (AuC): AUC là đơn vị cung cấp các yếu tố xác minh và mã hóa để đảm bảo danh tính người dùng và quyền riêng tư trong mọi cuộc gọi Trung tâm xác minh là một tệp bảo mật chứa khóa riêng của người dùng trong thẻ SIM AUC bảo vệ các nhà khai thác mạng khỏi nhiều loại gian lận phổ biến trong thế giới di động hiện đại

- Đăng ký nhận dạng thiết bị - Equipment Identity Register (EIR): Đây là thành phần quyết định xem người ta có thể sử dụng thiết bị di động cụ thể trên hệ thống hay không Danh sách này bao gồm danh sách mọi thiết bị di động đang hoạt động trên hệ thống, trong đó mỗi thiết bị di động được nhận dạng bằng số Nhận dạng Thiết bị Di động Quốc tế (IMEI) riêng của thiết bị đó

• Trạm di động - Mobile Station (MS)

Trạm di động là điện thoại di động có màn hình, bộ xử lý tín hiệu số và bộ thu phát vô tuyến được điều chỉnh bởi thẻ SIM hoạt động trên hệ thống Phần cứng và thẻ SIM là hai thành phần thiết yếu nhất của MS MS (Trạm di động) được công nhận rộng rãi nhất bởi điện thoại di động, là thành phần của mạng truyền thông di động GSM mà nhà điều hành giám sát và hoạt động Hiện tại, quy mô của họ đã bị thu hẹp đáng kể trong khi khả năng của họ lại tăng vọt Ngoài ra, thời gian giữa các lần sạc đã được cải thiện đáng kể

• Hệ thống trạm cơ sở - Base Station System (BSS)

Tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến đều được thực hiện trong BSS, bao gồm các bộ điều khiển trạm gốc (BSC) và các trạm thu phát gốc (BTS)

- Bộ điều khiển trạm gốc - Base Transceiver Station (BTS): Cung cấp tất cả các chức năng điều khiển và liên kết vật lý giữa MSC và BTS Đây là một bộ chuyển mạch công suất cao cung cấp các chức năng như chuyển giao, dữ liệu cấu hình ô và điều khiển mức năng lượng tần số vô tuyến (RF) trong các trạm thu phát cơ sở Một số BSC được phục vụ bởi MSC

Kết luận

Trong chương 2 nhóm đã giới thiệu tổng quan về các mạng cảm biến không dây và các công nghệ truyền thông không đang có hiện nay Qua việc phân tích ưu và nhược điểm của từng mạng, nhóm đã lựa chọn công nghệ truyền thông LoRa và GSM để ứng dụng vào đề tài của mình

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Yêu cầu hệ thống

Các yêu cầu sau đã được áp dụng trong quá trình thiết kế hệ thống:

• Hệ thống có khả năng thu thập dữ liệu từ các LoRa Node như giá trị dòng điện để hiển thị trạng thái của đèn

• Hệ thống có thể điều khiển các đèn ở khoảng cách xa bằng mạng truyền thông không dây

• Hệ thống được thiết kế có khả năng giám sát và điều khiển đèn thông qua giao diện người dùng.

Đặc tả hệ thống

3.2.1 Mô tả tổng quát toàn hệ thống

Hình 3.1 Mô hình tổng quát của hệ thống

Hình 3.1 mô tả chi tiết hệ thống gồm một phần mềm quản lý thông qua điện thoại, máy tính Một LoRa Gateway có chức năng gửi các lệnh điều khiển và xử lý các tín hiệu gửi về để hiển thị lên giao diện phần mềm Mỗi cột đèn được gắn một LoRa Node có chức năng nhận và phân tích tín hiệu từ LoRa Gateway và gửi tín hiệu phản hồi về cho LoRa Gateway

Mỗi LoRa Node được thiết lập một địa chỉ mã hóa khác nhau Bản tin LoRa Gateway gửi đi sẽ bao gồm địa chỉ, kênh của đèn nhận và trạng thái đèn mong muốn

(bật, tắt) Các LoRa Node sẽ so sánh địa chỉ của bản tin gửi đến và địa chỉ của mình, nếu địa chỉ khác thì các LoRa Node sẽ bỏ qua LoRa Node nào có cùng địa chỉ thì vi xử lý sẽ nhận và phân tích tín gói dữ liệu đó, sau đó thực hiện lệnh điều khiển LoRa Node gắn trên đèn sử dụng cảm biến dòng điện để nhận biết đèn có hư hỏng hay gặp sự cố gì không Sau đó LoRa Node sẽ gửi lại cho LoRa Gateway một bản tin bao gồm trạng thái của đèn (hoạt động, hư hỏng) và số hiệu đèn LoRa Gateway sẽ phân tích gói dữ liệu để biết đèn có gặp sự cố hay không và đèn nào gặp sự cố Mạng cảm biến thiết kế cần được đảm bảo rằng LoRa Gateway gửi đủ các bản tin đến tất cả địa chỉ đèn đường và nhận bản tin đầy đủ Các LoRa Node gắn trên cột đèn có khả năng:

• Nhận biết trạng thái hoạt động của đèn thông qua cảm biến Bóng đèn có hai trạng thái: hoạt động bình thường và bị hỏng

• Điều khiển bật/tắt đèn

• Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để truyền các bản tin giữa các LoRa Node và LoRa Gateway

3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống

❖ Sơ đồ khối của LoRa Node

Hình 3.2 Sơ đồ khối của Lora Node

• Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò trung tâm của hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ khối cảm biến dòng, truyền nhận gói dữ liệu thông qua LoRa

• Khối cảm biến dòng: Thu thập giá trị và gửi đến khối cảm biến trung tâm

• Khối truyền nhận dữ liệu: Truyền nhận dữ liệu thông qua LoRa (LoRa

Gateway – LoRa Node, LoRa Node – LoRa Gateway)

• Khối điều khiển đèn: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để bật, tắt đèn

• Khối đèn: Có chức năng chiếu sáng

• Khối nguồn: Cấp nguồn 220V cho đèn chiếu sáng và cấp 5V cho những khối còn lại

❖ Sơ đồ khối của LoRa Gateway

Hình 3.3 Sơ đồ khối của LoRa Gateway

• Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò trung tâm của hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ khối nút nhấn và khối thời gian thực, truyền nhận gói dữ liệu thông qua LoRa

• Khối thời gian thực: Thực hiện chức năng tắt/mở đèn theo thời gian thực

• Khối truyền nhận dữ liệu: Truyền nhận dữ liệu thông qua LoRa (LoRa

Gateway – LoRa Node, LoRa Node – LoRa Gateway)

• Khối nút nhấn: Có chức năng bật tất cả đèn ở các LoRa Node và tắt tất cả đèn ở LoRa Node

• Khối hiển thị: Hiển thị trạng thái bật/tắt của đèn, trạng thái đèn hỏng hoặc đèn bình thường

• Khối nguồn: Cấp nguồn 5V cho toàn hệ thống.

Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng

Hệ thống giám sát và chiếu sáng bao gồm mạng lưới các LoRa Node và LoRa Gateway Trong đó trên mỗi LoRa Node được gắn một cảm biến phục vụ cho việc điều khiển và giám sát hệ thống đèn chiếu sáng Các LoRa Node sẽ trực tiếp liên hệ với LoRa Gateway tạo thành một mạng hình sao (hình 3.3) Cụ thể: khi người điều khiển gửi bản tin bật/tắt đèn trong hệ thống, bản tin sẽ được lan truyền từ LoRa Gateway tới trực tiếp LoRa Node đó

Hình 3.4 Kiến trúc hình sao của hệ thống sử dụng công nghệ LoRa

Tính toán và thiết kế

3.4.1.1 Lựa chọn vi điều khiển

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại vi điều khiển, có thể dễ dàng tiếp cận và sử dụng như: PIC, Arduino, ESP32, ESP8266… Thông qua quá trình khảo sát một vài vi điều khiển phổ biến như bảng 3.1, nhóm đã đưa ra lựa chọn phù hợp với nhu cầu và mục đích sử dụng

Giao thức truyền thông có dây

UART, USART, SPI, I2C, I2S, USB, Ethernet, SDIO

UART, USART, SPI, I2C, I2S CAN, USB, Ethernet, LIN,

UART, SPI, HSPI, I2C, Ethernet, I2S, SD card/SDIO

UART, SPI, HSPI, I2C, CAN, Ethernet, I2S,

Không có Không có Bluetooth,

Tốc độ xử lý tối đa

USB A-to-B Sử dụng mạch nạp

Bảng 3.1 So sánh các loại vi điều khiển

Dựa vào bảng trên, nhóm đã đưa ra quyết định lựa chọn Arduino vì tính tiện lợi và dễ tiếp cận trong các dự án nghiên cứu, với dòng tiêu thụ thấp, hiệu năng cao mà giá thành hợp lý Việc lựa chọn Arduino Uno làm khối xử lý trung tâm cho các LoRa Node phù hợp đề tài mà nhóm đang thực hiện

● Điện áp ngõ vào khuyên dùng: 7-12V

● Điện áp ngõ vào giới hạn: 6-20V

● Số chân Digital I/O: 14(6 chân PWM)

● Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA

● Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối của khối xử lý trung tâm

3.4.1.2 Lựa chọn khối điều khiển

Khối điều khiển đèn có chức năng điều khiển bật/tắt đèn, việc sử dụng relay để điều khiển bóng đèn bật/tắt phụ thuộc vào từng ứng dụng mà người dùng muốn sử dụng cho hệ thống Trên thị trường hiện nay có nhiều loại module relay phù hợp cho từng nguồn cấp khác nhau, dựa vào các yêu cầu mà nhóm em đã đề ra là thực hiện việc điều khiển đèn sử dụng nguồn 220VAC với nguồn cấp 5VDC từ vi điều khiển Thì việc lựa chọn module relay 5V đáp ứng được những nhu cầu đã đề tài đã đưa ra

● Điện áp hoạt động: 5VDC

● Điện thế đóng ngắt tối đa: DC 30V/10A, AC 250V/10A

● Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper

● Đèn báo nguồn (màu xanh lá cây), đèn báo trạng thái relay (màu đỏ)

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý module relay 5V

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển

● Chân IN kết nối với chân tín hiệu D11 của Arduino

● Chân DC+ kết nối với nguồn 5V

● Chân DC- kết nối với GND

● Chân COM kết nối với một chân của LED chiếu sáng

● Chân COM kết nối với dây nguồn 220V

3.4.1.3 Lựa chọn khối cảm biến dòng Để theo dõi trạng thái của đèn nhóm đã đưa ra giải pháp, sử dụng một cảm biến dòng điện kết nối với đèn LED Khi đèn LED hoạt động cảm biến sẽ đo được điện áp và khi không hoạt động điện áp sẽ bằng 0 từ đó ta có thể giám sát được trạng thái của đèn, và xử lý kịp thời khi đèn hỏng Cảm biến được nhóm lựa chọn là module cảm biến dòng điện ACS712, có thể đo được dòng AC và DC

Hình 3.10 Module cảm biến dòng ACS712

Bảng 3.2 Thông số của cảm biến dòng điện ACS712

Nguồn cung cấp 5VDC 5VDC 5VDC

Phạm vi đo lường -5A → +5A -20A → +20A -30A → +30A Điện áp tại 0A VCC/2

Hệ số tỷ lệ 185mV/A 100mV/A 66mV/a

Chip ACS712ELC-05A ACS712ELC-10A ACS712ELC-30A

Chân analog sử dụng bộ ADC 10 bit (0 → 1023), hoạt động ở điện áp 5V với điện áp tham chiếu là 5V để chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital Vi điều khiển sẽ đọc các giá trị của ADC từ 0 đến 1023 và sử dụng công thức sau đây để tính toán đầu ra của ADC:

Vout(mV) = (Giá trị ADC / 1023) *5000

Sau khi tính điện áp đầu ra, có thể tính giá trị của dòng điện từ điện áp analog của module với công thức dưới đây:

Dòng điện qua module (A) = (Vout (mv) -2500) / Hệ số tỷ lệ (phụ thuộc vào Module)

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến dòng

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối của khối cảm biến dòng

● Cấp nguồn 5V từ vi điều khiển cho cảm biến

● Chân GND nối với GND của vi điều khiển

● Chân tín hiệu OUT nối với chân A0

● 2 cổng còn lại một đầu nối với đèn đầu kia nối với 1 dây nguồn 220V

3.4.1.4 Lựa chọn cho khối truyền nhận dữ liệu

Theo yêu cầu ta cần thiết kế một nút cảm biến nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và loại LoRa phải dễ mua ở Việt Nam Do đó nhóm lựa chọn Module LoRa AS32 TTL-

Module thu phát AS32-TTL-100 là module LoRa được sản xuất bởi hãng Ashining sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT

Module được tích hợp phần chuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART giúp việc giao tiếp và sử dụng rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với Software của hãng để cấu hình địa chỉ, tốc độ và công suất truyền là có thể sử dụng

Hình 3.13 Module thu phát AS32-TTL-100

● Tần số hoạt động: 410 ~ 441 Mhz

● Tốc độ truyền: 0.3 - 19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps)

● Tốc độ truyền cổng nối tiếp: Hoạt động trong 8 mức: 1200bps – 115200 bps (mặc định 9600bps)

Theo Thông tư 08/2021/TT-BTTTT Danh mục thiết bị vô tuyến điện được miễn giấy phép sử dụng tần số vô tuyến điện: Phụ lục 2 – Điều 1 – Băng tần 433.05 ÷ 434.79 MHz

Các bước chuẩn bị để cấu hình LoRa:

● Mạch chuyển USB UART PL2303 hoặc 2102

● Phần mềm cấu hình: AS.DS.2.2.1

● Sơ đồ kết nối: Chân MD0, MD1 nối lên VCC để có thể cấu hình

Hình 3.14 Sơ đồ kết nối cấu hình thông số LoRa

Hình 3.15 Phần mềm cấu hình thông số mạch LoRa AS32 – TTL – 100

2 Tốc độ truyền trong không khí;

4 Kênh truyền: tần số tương ứng = 410 + (Channel*1) MHz (có 32 kênh)

5 Công suất phát (chọn 10dbm < 13.98dbm theo thông tư 08/2021/TT-BTTTT)

Hình 3.16 Sơ đồ kết nối của khối truyền nhận dữ liệu

● Chân GND nối với GND của Arduino

● Chân VCC nối với chân VIN của Arduino

● Chân TXD nối với chân D6 của Arduino

● Chân RXD nối với chân D7 của Arduino

● Chân MD1 nối với chân D12 của Arduino

● Chân MD0 nối với chân D13 của Arduino

3.4.1.5 Tính toán lựa chọn nguồn cho LoRa Node

Bảng 3.3: Tính toán chọn lựa nguồn cho LoRa Node

Tên Linh Kiện Số Lượng Điện Áp

Dòng Tiêu Thụ tối đa

(khi truyền tín hiệu ở công suất 10dbm)

Sau khi thống kê các giá trị của các linh kiện trong hệ thống, ta có thể thấy rằng mô hình sử dụng nguồn 5VDC và dòng 70mA Nhóm chọn sử dụng adapter nguồn 5V -1A cho các module trong mạch Riêng đèn chiếu sáng được cấp nguồn 220VAC từ nguồn điện dân dụng

3.4.1.6 Sơ đồ nguyên lý mạch LoRa Node

Sơ đồ nguyên lý được trình bày một cách tổng quát và chi tiết cấu tạo của một thiết bị nhưng không theo trật tự về lắp đặt; chỉ vẽ sao cho dễ nhìn nhất Sơ đồ lắp đặt được trình bày cụ thể vị trí chính xác từng linh kiện (bộ phận) từng mạch điện trong một thiết bị Để thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch thì các phần mềm công dụng hiện tại là Proteus, Kicard, Altium Designer… Với các phần mềm này thì Proteus sẽ là phần mềm được nhóm lựa chọn bởi Proteus có giao diện đẹp và các phím tắt giúp cho việc thiết kế trở nên thuận tiện hơn Cùng với đó việc thực hiện rất nhiều môn học sử dụng phần mềm này đã giúp nhóm thông thạo nên việc thiết kế trở nên nhanh chóng hơn

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch LoRa Node

3.4.2 Thiết kế mạch LoRa Gateway

3.4.2.1 Tổng quan về LoRa Gateway

LoRa Gateway là một nút mạng được sử dụng trong viễn thông nhằm kết nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau có thể giao tiếp được với nhau Nhiệm vụ chính của LoRa Gateway là thu thập dữ liệu và chuyển đổi giao thức ở cấp cao thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm Qua LoRa Gateway, các máy tính trong các mạng sử dụng cách thức khác nhau có thể dễ dàng “nói chuyện” được với nhau

LoRa Gateway được sử dụng chủ yếu trong các tình huống cá nhân hoặc doanh nghiệp muốn đơn giản hóa việc kết nối internet cho một thiết bị

Từ các yêu cầu trên nhóm đã đưa ra lựa chọn LoRa Gateway như sau: TTGO T-

Call ESP32 làm bộ xử lý trung tâm kết nối với module LoRa AS32-TTL-100 để gửi tín hiệu đi xa và module thời gian thực DS1302 để điều khiển đèn theo thời gian thực

3.4.2.2 Lựa chọn cho khối xử lí trung tâm

Với những yêu cầu nhóm đã đưa ra thì khối xử lý trung tâm phải có chức năng kết nối với Web Server thông qua Internet Nhóm đã lựa chọn module TTGO T-Call

ESP32 là module kết hợp từ hai module ESP32 và module Sim 800L Có chức năng

46 hoạt động như vi điều khiển ESP32 bên cạnh đó còn có khả năng gọi điện, nhắn tin và sử dụng mạng GPRS để kết nối với Internet

Hình 3.18 Module TTGO T-Call ESP32

Hình 3.19 Sơ đồ kết nối của khối xử lý trung tâm

Thông số kỹ thuật phần cứng:

● Chipset: ESPRESSIF-ESP32 240MHz Xtensa® single-/dual-core 32-bit bộ vi xử lý LX6

● Bộ nhớ FLASH: QSPI flash 4MB / PSRAM 8MB

● USB đến TTL IC: CP2104

● Cổng kết nối module: UAR, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, TV PWM, I2S, IRGPIO, Cảm biến cảm ứng tụ điện, ADC, bộ tiền khuếch đại DACLNA

● Đồng hồ trên bo mạch: Bộ giao động thạch anh 40MHz

● Dòng điện hoạt động: khoảng 70m

● Dòng điện nghỉ: About 300uA

● Thẻ SIM: Chỉ hỗ trợ thẻ Nano SIM

● Dải nhiệt độ hoạt động: -40℃ ~ +85℃

● Pin: lithium 3.7V (Không bao gồm)

● Đầu kết nối JST: 2 chân 1.25mm

● Tiêu chuẩn: FCC/CE-RED/IC/TELEC/KCC/SRRC/NCC

● Giao thức: 802.11 b/g/n (802.11n, tốc độ lên đến 150Mbps)A- MPDU và A-MSDU hỗ trợ 0.4μS Khoảng bảo vệ

● Dải tần số: 2.4GHz~2.5GHz(2400M~2483.5M)

● Kết nối với bất kỳ mạng GSM toàn cầu nào với SIM 2G

● Gửi và nhận tin nhắn SMS

● Gửi và Nhận dữ liệu GPRS (TCP/IP, HTTP, v.v.)

● Cổng kết nối lệnh AT với phát hiện "tự động baud"

3.4.2.3 Lựa chọn cho khối truyền nhận dữ liệu

Tương tự như cho LoRa Node việc lựa chọn linh kiện cho LoRa Gateway là như nhau, sử dụng module LoRa AS32 làm khối thu phát tín hiệu

Hình 3.20 Sơ đồ kết nối của khối truyền nhận dữ liệu

● Sử dụng nguồn USB 5V/1A để cấp nguồn cho bộ xử lý trung tâm

● Chân GND của LoRa nối với GND của vi điều khiển

● Chân VCC của LoRa nối với chân 5V của vi điều khiển

● Chân TXD của LoRa nối với chân RXD của vi điều khiển

● Chân RXD của LoRa nối với chân TXD của vi điều khiển

● Chân MD1 của LoRa nối với chân GPIO12 của vi điều khiển

● Chân MD0 của LoRa nối với chân GPIO14 của vi điều khiển

3.4.2.4 Khối thời gian thực Để thuận tiện cho việc điều khiển đèn LED chiếu sáng nhóm đã thêm khối thời gian thực vào LoRa Gateway để khi đến một thời gian nhất định LoRa Gateway sẽ gửi tín hiệu điều khiển bật tắt đèn tự động Module thời gian thực DS1302 được lựa chọn để giải quyết vấn đề

Hình 3.21 Module thời gian thực DS1302

● Chip chính: DS1302 IC thời gian thực

● Điện áp làm việc: DC 3.3~ 5V

● Phạm vi nhiệt độ chịu đựng được (độ C): 0 ~ 70

● Giao tiếp: 3-Wires Interface (Reset, Data, Clock)

● Lưu trữ và cung cấp các thông tin thời gian thực: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,

● Có pin backup duy trì thời gian trong trường hợp không cấp nguồn

Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực

Hình 3.23 Sơ đồ kết nối của khối thời gian thực

● Chân VCC nối với nguồn 5V

● Chân GND nối với GND

● Chân CLK nối với chân GPIO15 của vi điều khiển

● Chân DAT nối với chân GPIO2 của vi điều khiển

● Chân RST nối với chân GPIO0 của vi điều khiển

3.4.2.5 Khối hiển thị Để thuận tiện cho việc quan sát trạng thái của đèn LED chiếu sáng, bên cạnh việc hiển thị trên Server thì Gateway cần có một màn hình LCD để hiển thị Nhóm đã lựa chọn LCD16x2 tích hợp sẵn module i2c để hỗ trợ dễ dàng cho việc kết nối với vi điều khiển

● Màu hiển thị LCD 1602: đèn nền xanh dương

● Góc quan sát rộng với độ tương phản cao

● Bên trong tích hợp chip HD44780 cho điều khiển LCD

● Dạng hiển thị: ký tự Hiển thị: 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự

● Điện áp hoạt động: 5V DC

● Kích thước Module: 80mm x 35mm x 9mm

● Kích thước hiển thị: 64.5mm x 16mm

Hình 3.25 Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị

Hình 3.26 Sơ đồ kết nối của khối hiển thị

● Chân VCC kết nối với nguồn 5V

● Chân GND kết nối với GND

● Chân SDA kết nối với chân SDA của vi điều khiển

● Chân SCL kết nối với chân SCL của vi điều khiển

3.4.2.6 Khối nút nhấn điều khiển

Gồm 2 nút nhấn vật lý điều khiển mở và tắt tất cả đèn

Hình 3.27 Sơ đồ kết nối của khối nút nhấn

● Nút nhấn On kết nối với chân GPIO25 của vi điều khiển

● Nút nhấn Off kết nối với chân GPIO32 của vi điều khiển

3.4.2.7 Tính toán lựa chọn nguồn cho LoRa Gateway

Bảng 3.4 Tính toán lựa chọn nguồn cho LoRa Gateway

Tên Linh Kiện Số Lượng Điện Áp

Dòng Tiêu Thụ tối đa

(khi truyền tín hiệu ở công suất 10dbm)

(Khi điện áp làm việc là 2V

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển

Do đề tài của nhóm em xoay quanh việc triển khai một mạng cảm biến không dây, nên việc xây dựng một Web Server để giám sát và điều khiển đối với nhóm em gặp nhiều khó khăn vì không đủ thời gian và kiến thức Vì vậy, nhóm đã quyết định lựa chọn một giải pháp khác là sử dụng ứng dụng Blynk để giám sát và điều khiển hệ thống Trước hết chúng ta hãy tìm hiểu Blynk, Blynk là một nền tảng IoT (Internet of Things) cung cấp các công cu và dịch vụ để tạo ứng dụng điều khiển từ xa cho các thiết bị IoT Một số ưu điểm mà Blynk có thể mang lại sau đây:

- Dễ dàng trong việc sử dụng: Bynk được thiết kế để dễ sử dụng, đặc biệt là cho người mới bắt đầu với IoT và lập trình Có giao diện người dùng đồ họa trực quan và thân thiện

- Khả năng linh hoạt: Blynk hỗ trợ nhiều loại thiết bị và nền tảng, từ Arduino, ESP8266, ESP32, Raspberry, Tích hợp sẵn các thư viện hỗ trợ cho nhiều ngôn ngữ lập trình, giúp nhanh chóng tích hợp nhiều loại dự án

- Tích hợp dễ dàng: Blynk cung cấp thư viện mã nguồn mở để tích hợp vào mã nguồn của bạn, giúp giảm độ phức tạp của việc kết nối và gửi dữ liệu lên điện toán đám mây

- Giao diện người dùng đồ họa: Blynk cho phép bạn tạo giao diện người dùng tùy chỉnh mà không cần viết mã lập trình frontend Bạn có thể kéo và thả các phần tử để tạo nút bấm, thanh trượt, biểu đồ, và nhiều thành phần khác

- Thực hiện điều khiển từ xa: Với Blynk, bạn có thể kiểm soát thiết bị của mình từ bất kỳ đâu trên thế giới, miễn là có kết nối internet

- Phụ Thuộc vào Internet: Blynk yêu cầu kết nối internet để hoạt động Điều này có thể là một vấn đề nếu bạn làm việc trong môi trường không ổn định hoặc khi thiết bị của bạn không thể kết nối Internet

- Giới Hạn các chức năng miễn phí: Phiên bản miễn phí của Blynk có giới hạn về số lượng dự án và thiết bị bạn có thể thêm vào tài khoản của mình Điều này có thể gây rắc rối nếu bạn đang phát triển nhiều dự án hoặc có nhiều thiết bị

- Dữ liệu được lưu trữ trên đám mây: Blynk lưu trữ dữ liệu trên đám mây của họ Mặc dù điều này tiện lợi cho việc theo dõi từ xa, nhưng có thể tạo ra lo ngại về bảo mật cho những dự án yêu cầu tính bảo mật cao

- Khả năng mở rộng hạn chế: Trong một số trường hợp, khi dự án của bạn phức tạp và yêu cầu tính năng đặc biệt, bạn có thể gặp khó khăn trong việc mở rộng với Blynk mà không phải tạo mã lệnh tự custom

- Phụ thuộc vào Server Blynk: Việc sử dụng server Blynk có thể tạo ra vấn đề nếu server gặp sự cố hoặc ngừng hoạt động Điều này có thể làm gián đoạn quá trình giám sát và điều khiển.

Thiết kế phần mềm

Hệ thống bao gồm các chức năng sau:

Giao diện Blynk sẽ lấy dữ liệu từ LoRa Gateway gửi lên giao diện Blynk với các tính năng như sau:

- Nhận dữ liệu, hiển thị lên trên ứng dụng Blynk các trạng thái của đèn, cho phép giám sát hệ thống chiếu sáng

- Yêu cầu của ứng dụng được thiết kế gồm phần nút nhấn trên Blynk đề điều khiển bật tắt đèn từ xa, có các đèn báo để hiển thị trạng thái bật/tắt đèn, giám sát lỗi

- Hệ thống cho phép người dùng có thể theo dõi các sự cố như: mất điện, đèn hư của từng đèn ở LoRa Node thông qua ứng dụng Blynk

- Hệ thống có chế độ tự động (Auto) sẽ tự động bật tắt đèn thông qua giá trị mà người dùng đã cài đặt

- Ở chế độ thủ công (Manual) người dùng có thể bật/tắt đèn từ xa thông qua ứng dụng Blynk

3.7.1 Thiết kế phần mềm cho LoRa Gateway

Nhận dữ liệu từ phần mềm quản lý giám sát và điều khiển trên Blynk và gửi dữ liệu về cho các LoRa Node thực hiện nhiệm vụ Chuyển tiếp các dữ liệu thông báo tình trạng hoạt động của các LoRa Node về phần mềm Blynk

• Lưu đồ giải thuật cho LoRa Gateway

Hình 3.30 Lưu đồ giải thuật cho LoRa Gateway

Sau khi được cấp nguồn điện, LoRa Gateway bắt đầu hoạt động, LoRa được khởi tạo ở tần số 433MHz, đồng thời khởi tạo module sim800L, màn hình LCD sẽ hiển thị trạng thái đang kết nối LoRa Gateway sẽ kiểm tra hai trạng thái kết nối WiFi và GPRS

+ Nếu có WiFi thì sẽ sử dụng để kết nối với ứng dụng Blynk để hoạt động + Không có WiFi thì sẽ sử dụng GPRS để kết nối với Blynk

Kiểm tra thời gian để mở tắt đèn theo giờ Sau đó sẽ lần lượt kiểm tra trạng thái của 2 nút nhấn để điều khiển tắt mở đèn Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển từ người dùng, LoRa Gateway sẽ tiến hành gửi các lệnh đến LoRa Node tương ứng thông qua LoRa, tùy theo các tác vụ mà người dùng mong muốn

Mỗi LoRa Node trong hệ thống sẽ được cài đặt một địa chỉ và kênh riêng biệt, khi LoRa Gateway gửi bản tin tới tất cả các LoRa Node trong hệ thống LoRa Node nào có địa chỉ trùng với địa chỉ và kênh trong bản tin gửi từ Lora Gateway sẽ thực hiện lệnh điều khiển Vì vậy trong bản tin gửi đi sẽ bao gồm địa chỉ của LoRa Node, kênh truyền và gói dữ liệu điều khiển hoặc gói dữ liệu kiểm tra Trong trường hợp nhận được bản tin từ các LoRa Node, hàm main sẽ chuyển sang chương trình “Kiểm tra trạng thái đèn” để kiểm tra trạng hoạt động của từng đèn và đưa các bản tin đọc về hiển thị lên trên màn hình LCD

• Lưu đồ giải thuật chương trình con “Mở, tắt đèn theo giờ”

Hình 3.31 Lưu đồ giải thuật “Mở, tắt đèn theo giờ”

Chương trình thiết lập thời gian thực dựa vào module DS1302, sau đó so sánh thời gian thực với thời gian thiết lập để mở đèn, nếu giống nhau thì thực hiện chương trình mở đèn Sai thì tiếp tục kiểm tra với thời gian tắt đèn, giống nhau thì thực hiện chương trình tắt đèn còn sai thì kết thúc chương trình

• Lưu đồ giải thuật cho chương trình con “Nút nhấn ON” và chương trình con “Nút nhấn OFF”

Hình 3.32 Lưu đồ giải thuật cho chương trình con “Nút nhấn ON” và chương trình con “Nút nhấn OFF”

Chương trình sẽ kiểm tra xem người dùng có sử dụng nút nhấn hay không Nếu không có nhấn thì bỏ qua, nếu có thì sẽ chờ 20ms để bỏ qua thời gian dội phím Sau đó kiểm tra còn tiếp tục nhấn hay không, không bỏ qua, còn sẽ thực hiện lệnh:

+ Đối với nút nhấn ON thì sẽ thực hiện chương trình con “Mở đèn”

+ Đối với nút nhấn OFF thì sẽ thực hiện chương trình con “Tắt đèn”

Chờ nhả nút và kết thúc chương trình quay lại chương trình chính

• Lưu đồ giải thuật chương trình con “Kiểm tra trạng thái đèn”

Hình 3.33 Lưu đồ giải thuật chương trình con “Kiểm tra trạng thái đèn”

Tăng biến giây thêm 1 đơn vị Sau đó kiểm tra giá trị của biến giây nếu:

- Giây

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Đèn Chiếu Sáng Sử Dụng Công Nghệ Truyền Thông Gsm Và Lora
Tác giả	Nguyễn Hữu Khánh, Thái Thiên Thịnh
Người hướng dẫn	GVC. ThS. Trương Ngọc Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	8,92 MB