[ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP] Nghiên cứu giao thức LoraWAN trong hệ thống IOT

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT

Sự phát triển của IoT

Internet of Things (IoT) là một thuật ngữ mô tả mạng lưới kết nối giữa các đối tượng có khả năng nhận biết và tương tác với nhau thông qua Internet Sự phát triển của IoT xuất phát từ sự kết hợp của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), và Internet Thuật ngữ này được đưa ra vào năm 1999 bởi Kevin Ashton, người sáng lập Trung tâm Auto-ID tại Đại học MIT Tại đây, ông đã đặt ra các tiêu chuẩn toàn cầu cho RFID (phương thức giao tiếp không dây sử dụng sóng radio) và các loại cảm biến khác

Trong lĩnh vực Công nghệ thông tin, IoT đã trở thành một thuật ngữ quen thuộc và được thảo luận rộng rãi trong cộng đồng công nghệ Không chỉ xuất hiện trong các diễn đàn, mà còn trở thành một đề tài quan trọng trong các bài nghiên cứu và phát triển công nghệ IoT không chỉ là một khái niệm khoa học viễn tưởng trong các bộ phim, mà nó đang trở thành hiện thực trong thế giới thực Đối với hiện đại, IoT không chỉ là một công nghệ, mà là một xu hướng đang thay đổi cách chúng ta sống và làm việc

Hình 1.1: Sự phát triển của IoT

Trải qua những năm gần đây, sự phát triển của Internet of Things (IoT) đã chứng kiến một bước tiến vượt bậc, mở ra những triển vọng to lớn trong nhiều lĩnh vực IoT không chỉ là một xu hướng mà đã trở thành một nguồn lực quan trọng thúc đẩy sự chuyển đổi số trong xã hội và kinh tế Giờ đây, chúng ta có thể kết nối các đồ vật hàng ngày - thiết bị nhà bếp, ô tô, máy điều nhiệt, màn hình trẻ em - với internet thông qua các thiết bị nhúng, có thể giao tiếp liền mạch giữa mọi người, quy trình và mọi thứ Bằng công

3 nghệ điện toán chi phí thấp, đám mây, dữ liệu lớn, phân tích và di động, những thứ vật lý có thể chia sẻ và thu thập dữ liệu với sự can thiệp tối thiểu của con người Trong thế giới siêu kết nối này, các hệ thống kỹ thuật số có thể ghi lại, giám sát và điều chỉnh từng tương tác giữa những thứ được kết nối

IoT cung cấp các thiết bị thông minh để tự động hóa ngôi nhà Với IoT, người dùng có thể khởi động các thiết bị trong nhà như hệ thống chiếu sáng, điều hòa, bình nóng lạnh tự động… bằng điện thoại thông minh hay máy tính bảng Các thao tác hẹn giờ, thay đổi nhiệt độ được thực hiện nhanh chóng và dễ dàng trên thiết bị thông minh, giúp tiết kiệm tối đa thời gian sử dụng và lượng điện tiêu thụ, tránh trường hợp quên tắt các thiết bị khi đi ra ngoài

IoT cho phép các công ty tự động hóa các quy trình và giảm chi phí lao động Nó cũng cắt giảm chất thải và cải thiện việc cung cấp dịch vụ, làm cho việc sản xuất và giao hàng ít tốn kém hơn, cũng như mang lại sự minh bạch trong các giao dịch của khách hàng Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng (identifiable) Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được “đánh dấu” để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR,… Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, LoraWAN, hồng ngoại…

Không phải tất cả mọi thứ nằm trong IoT đều nhất thiết phải kết nối vào một mạng lưới toàn cầu, chúng ta có thể hoạt động trong từng hệ thống đơn lẻ (subsystem) Hãy tưởng tượng đến một căn nhà thông minh, trong đó các đồ điện gia dụng có thể tự chúng tương tác với nhau và hoạt động mà không cần phải vào Internet, trừ khi chúng ta cần điều khiển nó từ xa Ngôi nhà này có thể được xem là một subsystem Cũng giống như hiện nay chúng ta có các mạng LAN, WAN, mạng ngang hàng nội bộ chứ không kết nối trực tiếp vào Internet

Như vậy, với sự kết nối ngày càng mạnh mẽ giữa các thiết bị, từ các đối tượng thông minh như điện thoại di động, máy tính, cho đến các thiết bị gia dụng, công nghiệp, y tế, và nhiều lĩnh vực khác, IoT đã tạo ra một hệ sinh thái mạng lưới toàn diện Khả năng thu thập, truyền tải và xử lý dữ liệu từ hàng tỷ thiết bị thông minh đã mở ra những khả năng mới trong việc quản lý, giám sát, và tương tác với môi trường xung quanh Sự phát triển trong IoT đang mở ra một tương lai đầy hứa hẹn, nơi nó có thể tác động tích cực đến nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày và các lĩnh vực kinh tế khác nhau.

Kiến trúc IoT

Công nghệ Internet of Things (IoT) có rất nhiều ứng dụng và việc sử dụng Internet of Things ngày càng phát triển nhanh hơn Tùy thuộc vào các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của Internet of Things, nó hoạt động tương ứng theo thiết kế/phát triển Nhưng nó không có một kiến trúc làm việc được xác định theo tiêu chuẩn được tuân thủ nghiêm ngặt trên toàn cầu Kiến trúc của IoT phụ thuộc vào chức năng và cách triển khai của nó trong các lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, vẫn có một quy trình cơ bản dựa trên việc xây dựng IoT

Kiến trúc cơ bản của IoT bao gồm 4 lớp: lớp cảm biến, lớp mạng, lớp xử lý dữ liệu và lớp ứng dụng

Hình 1.2: Kiến trúc cơ bản của IoT Chú thích:

1 Lớp cảm biến: cảm biến và thiết bị chấp hành (Thu thập dữ liệu)

2 Lớp mạng: Cổng Internet ( Truyền dữ liệu )

3 Lớp xử lý dữ liệu: Quyết định – phân tích (Xử lý thông tin)

4 Lớp ứng dụng: Ứng dụng và quản lý thông minh (Ứng dụng thông minh)

Lớp cảm biến là lớp đầu tiên của kiến trúc IoT và chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các nguồn khác nhau Lớp này bao gồm các cảm biến và bộ truyền động được

5 đặt trong môi trường để thu thập thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh và các thông số vật lý khác Các thiết bị này được kết nối với lớp mạng thông qua các giao thức truyền thông có dây hoặc không dây

Lớp mạng của kiến trúc IoT chịu trách nhiệm cung cấp thông tin liên lạc và kết nối giữa các thiết bị trong hệ thống IoT Nó bao gồm các giao thức và công nghệ cho phép các thiết bị kết nối và liên lạc với nhau cũng như với mạng Internet rộng hơn Ví dụ về các công nghệ mạng thường được sử dụng trong IoT bao gồm WiFi, Bluetooth, Zigbee và các mạng di động như 4G và 5G Ngoài ra, lớp mạng có thể bao gồm các cổng và bộ định tuyến đóng vai trò trung gian giữa các thiết bị và mạng Internet rộng hơn, đồng thời cũng có thể bao gồm các tính năng bảo mật như mã hóa và xác thực để bảo vệ khỏi truy cập trái phép

Lớp xử lý dữ liệu

Lớp xử lý dữ liệu của kiến trúc IoT đề cập đến các thành phần phần mềm và phần cứng chịu trách nhiệm thu thập, phân tích và giải thích dữ liệu từ các thiết bị IoT Lớp này chịu trách nhiệm nhận dữ liệu thô từ thiết bị, xử lý và cung cấp dữ liệu đó để phân tích hoặc hành động thêm Lớp xử lý dữ liệu bao gồm nhiều công nghệ và công cụ khác nhau, chẳng hạn như hệ thống quản lý dữ liệu, nền tảng phân tích và thuật toán học máy Những công cụ này được sử dụng để trích xuất những hiểu biết có ý nghĩa từ dữ liệu và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu đó Ví dụ về công nghệ được sử dụng trong lớp xử lý dữ liệu là hồ dữ liệu, là kho lưu trữ tập trung để lưu trữ dữ liệu thô từ các thiết bị IoT

Lớp ứng dụng của kiến trúc IoT là lớp trên cùng tương tác trực tiếp với người dùng cuối Nó chịu trách nhiệm cung cấp các giao diện và chức năng thân thiện với người dùng cho phép người dùng truy cập và điều khiển các thiết bị IoT Lớp này bao gồm nhiều phần mềm và ứng dụng khác nhau như ứng dụng di động, cổng web và các giao diện người dùng khác được thiết kế để tương tác với cơ sở hạ tầng IoT cơ bản Nó cũng bao gồm các dịch vụ phần mềm trung gian cho phép các thiết bị và hệ thống IoT khác nhau giao tiếp và chia sẻ dữ liệu một cách liền mạch Lớp ứng dụng cũng bao gồm các khả năng phân tích và xử lý cho phép dữ liệu được phân tích và chuyển đổi thành những hiểu biết có ý nghĩa Điều này có thể bao gồm các thuật toán học máy, công cụ trực quan hóa dữ liệu và các khả năng phân tích nâng cao khác

6 Kiến trúc IoT có thể thay đổi tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và môi trường triển khai Sự linh hoạt và tính tương tác giữa các lớp này giúp hệ thống IoT hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.

Các thành phần hệ thống IoT

Các thành phần chính của hệ thống IoT gồm: Thiết bị, Gateway, Cloud, Phân tích, Giao diện người dùng

Hình 1.3: Các thành phần của hệ thống IoT Thiết bị

Chúng được gắn cảm biến và bộ truyền động Các cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường và đưa đến cổng nơi bộ truyền động thực hiện hành động (theo chỉ dẫn sau khi xử lý dữ liệu)

Các cảm biến cung cấp dữ liệu cho Gateway Nó cũng hoạt động như một mức độ bảo mật cho mạng và cho dữ liệu được truyền đi

Dữ liệu sau khi được thu thập sẽ được tải lên đám mây Đám mây là một tập hợp các máy chủ được kết nối với internet 24/7

Dữ liệu sau khi nhận được sẽ được xử lý trên đám mây Các thuật toán khác nhau được áp dụng ở đây để phân tích dữ liệu chính xác (các kỹ thuật như Machine Learning, v.v thậm chí còn được áp dụng), dự đoán, trích xuất những dữ liệu giá trị nhất trong luồng dữ liệu IoT

Cho phép người dùng có thể theo dõi hoặc kiểm soát dữ liệu Qua đó, các thành phần này hoạt động cùng nhau để tạo ra một hệ thống IoT tích hợp, linh hoạt và hiệu quả.

Các giao thức trong IoT

Internet of Things (IOT) là công nghệ cho phép chúng ta truyền dữ liệu và ra lệnh đến các thiết bị thông minh trong thời gian thực IoT là mạng lưới các thiết bị được kết nối qua Internet, với một trung tâm có thể phân tích dữ liệu tổng hợp Điểm cuối IoT có thể là một người, một động vật, một ngôi nhà, một trang trại, một tòa nhà hoặc toàn bộ thành phố Nhưng trong mọi trường hợp, chúng kết nối với nhau mà không cần bất kỳ sự can thiệp nào của con người thông qua giao thức IoT

Có các giao thức khác nhau cho các lớp khác nhau trong kiến trúc IoT Dưới đây là một số giao thức phổ biến trong IoT

Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một lựa chọn quan trọng trong lĩnh vực truyền thông IoT Với mô hình Publish/Subscribe, MQTT cho phép các thiết bị gửi và nhận thông điệp một cách hiệu quả

Giao thức này được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường IoT, nơi có băng thông thấp và kết nối không đồng đều Sự nhẹ nhàng và hiệu quả của MQTT giúp nó trở thành một giải pháp phổ biến trong việc truyền thông giữa các thiết bị và máy chủ IoT

MQTT hỗ trợ cấp độ chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của thông điệp Nó bao gồm các thành phần chính như Broker (máy chủ quản lý thông điệp), Publisher (người xuất bản thông điệp), Subscriber (người đăng ký nhận thông điệp), và Topic (chủ đề định rõ nội dung của thông điệp)

8 MQTT rất phù hợp với các ứng dụng sử dụng thiết bị M2M và IoT cho các mục đích như phân tích thời gian thực, bảo trì phòng ngừa và giám sát trong môi trường, bao gồm nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe, hậu cần, công nghiệp và sản xuất

Facebook hiện đang sử dụng MQTT cho ứng dụng Messenger của mình, không chỉ vì giao thức này tiết kiệm pin trong quá trình nhắn tin giữa điện thoại di động với điện thoại mà còn vì giao thức này cho phép gửi tin nhắn một cách hiệu quả trong vài mili giây (ms), mặc dù kết nối internet không nhất quán trên toàn cầu

HTTP (HyperText Transfer Protocol - Giao thức truyền tải siêu văn bản) là một trong các giao thức chuẩn về mạng Internet, được dùng để liên hệ thông tin giữa Máy cung cấp dịch vụ (Web server) và Máy sử dụng dịch vụ (Web client), là giao thức Client/Server dùng cho World Wide Web – WWW

HTTP hoạt động theo mô hình yêu cầu/đáp ứng, trong đó trình duyệt web gửi yêu cầu đến máy chủ và máy chủ phản hồi bằng cách cung cấp dữ liệu yêu cầu Định dạng thông điệp HTTP thường chia thành hai phần: yêu cầu (request) chứa các tham số và thông tin từ trình duyệt, và phản hồi (response) chứa dữ liệu được máy chủ trả về

Giao thức HTTP được sử dụng để khởi động World Wide Web để truyền dữ liệu dưới dạng văn bản, âm thanh, hình ảnh và video từ Máy chủ Web đến trình duyệt web của người dùng và ngược lại HTTP hiện là nền tảng truyền dữ liệu của ứng dụng duyệt web ngày nay và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống Internet of Things Mặc dù giao thức HTTP có nhiều nhược điểm trong việc truyền dữ liệu và không phù hợp bằng các giao thức thông dụng như MQTT, CoAP, AMQP sử dụng cho IoT, nhưng giao thức

9 này vẫn phổ biến trong ngành công nghiệp nhà thông minh cũng như nhiều bộ vi điều khiển và vi xử lý tiên tiến Ví dụ: các hệ thống dựa trên thế hệ Raspberry Pi mới sử dụng giao thức http để truyền dữ liệu Arduino cũng sử dụng giao thức này để giao tiếp với các thiết bị khác Ngoài ra còn có thêm 3 phiên bản HTTP mới ra đời nhằm bù đắp những nhược điểm của phiên bản cũ và áp dụng cho những tình huống cụ thể

CoAP hay giao thức ứng dụng bị ràng buộc là một giao thức truyền web chuyên biệt để sử dụng với các nút bị ràng buộc và mạng bị hạn chế trong IoT CoAP được xây dựng trên nền tảng UDP (User Datagram Protocol), giúp giảm độ trễ truyền tải và yêu cầu ít tài nguyên so với giao thức HTTP truyền thống Nó sử dụng các phương thức như GET, POST, PUT và DELETE để thực hiện các hoạt động truy vấn và kiểm soát trên các thiết bị IoT

CoAP được thiết kế để cho phép các thiết bị đơn giản, bị hạn chế tham gia IoT ngay cả thông qua các mạng bị hạn chế với băng thông thấp và tính khả dụng thấp Nó thường được sử dụng cho các ứng dụng giữa máy và máy (M2M) như năng lượng thông minh và tự động hóa tòa nhà Giao thức được thiết kế bởi IETF, CoAP được quy định trong IETF RFC 7252

Mô hình tương tác CoAP tương tự như mô hình máy khách/máy chủ của HTTP CoAP sử dụng cấu trúc hai lớp Lớp dưới cùng là lớp thông báo được thiết kế để xử lý UDP và chuyển mạch không đồng bộ Lớp yêu cầu/phản hồi liên quan đến các phương thức giao tiếp và xử lý các thông báo yêu cầu/phản hồi

10 Thiết bị thông tin, thiết bị điều khiển và thiết bị liên lạc trong mạng Nhà thông minh có đặc điểm chi phí thấp và nhẹ Do đó, CoAP có thể được coi là lựa chọn giao thức tốt nhất cho mạng truyền thông gia đình

Mạng gia đình thông minh cung cấp khả năng kiểm soát và giám sát năng lượng của các thiết bị trong nhà Hệ thống kiểm soát năng lượng sử dụng quản lý ổ cắm thông minh và giám sát thiết bị tiêu thụ điện năng để cung cấp thông tin về điện áp, dòng điện và năng lượng khác Nó có thể nhận ra cảnh báo tai nạn, điều khiển từ xa và tiết kiệm năng lượng động Mọi nút thu thập dữ liệu có máy khách CoAP đều có thể trao đổi thông tin với các nút khác CoAP đều có thể được cài đặt trong mạng LAN hoặc Internet Không giống như nhiều giao thức không dây dành cho thiết bị ô tô gia đình, CoAP được thiết kế không bị hạn chế trong mạng cục bộ nhưng cung cấp nền tảng cơ bản của web

Ứng dụng IoT

Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi Dự án Internet Pew Research, một phần lớn các chuyên gia công nghệ đã hưởng ứng tham gia sử dụng Internet of Things với 83% đồng ý quan điểm cho rằng Internet / Cloud of Things, nhúng và tính toán đeo (và các hệ thống năng động, tương ứng )sẽ có tác động rộng rãi và mang lại lợi ích đến năm 2025 Như vậy, rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với Internet

Tích hợp với mạng Internet có nghĩa rằng thiết bị này sẽ sử dụng một địa chỉ IP như là một định danh duy nhất Tuy nhiên, do sự hạn chế không gian địa chỉ của IPv4 (cho phép 4,3 tỷ địa chỉ duy nhất), các đối tượng trong IoT sẽ phải sử dụng IPv6 để phù hợp với không gian địa chỉ cực kỳ lớn cần thiết Các đối tượng trong IoT sẽ không chỉ có các thiết bị có khả năng cảm nhận xung quanh, mà còn cung cấp khả năng truyền

13 động Ở một mức độ lớn, tương lai của Internet of Things sẽ không thể không có sự hỗ trợ của IPv6 và do đó việc áp dụng toàn cầu của IPv6 trong những năm tới sẽ rất quan trọng cho sự phát triển thành công của IOT trong tương lai

Khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ giới hạn và năng lượng bền bỉ IoT được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Hệ thống như vậy có thể có nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho các tòa nhà và các nhà máy, do đó việc tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị

Mặt khác, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động, không chỉ cảm nhận mọi thứ xung quanh Hệ thống mua sắm thông minh, ví dụ, có thể theo dõi thói quen mua người dùng cần ở một cửa hàng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ Người dùng sau đó có thể được cung cấp các cập nhật trên sản phẩm yêu thích của họ, hoặc thậm chí là vị trí của các mục mà họ cần, hay tủ lạnh của họ cần Tất cả đã tự động chuyển vào điện thoại ví dụ bổ sung các cảm biến trong các ứng dụng phản ứng lại với nhiệt độ môi trường, điện và quản lý năng lượng, cũng như hỗ trợ hành trình của các hệ thống giao thông vận tải

Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong các lĩnh vực này Trường hợp sử dụng chuyên ngành khác của IoT cũng có thể tồn tại Một cái nhìn tổng quan về một số lĩnh vực ứng dụng nổi bật nhất được cung cấp ở đây Dựa trên các miền ứng dụng, sản phẩm IoT có thể chia thành năm loại khác nhau: thiết bị đeo thông minh, nhà thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh, và doanh nghiệp thông minh Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của IoT: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp Đối với việc trồng cây trong nhà, IoT biến việc giám sát và quản lý các điều kiện vi khí hậu trở thành hiện thực, từ đó làm tăng sản lượng Đối với việc trồng trọt bên ngoài, các thiết bị sử dụng công nghệ IoT có thể cảm nhận độ ẩm và chất dinh dưỡng của đất, kết hợp với dữ liệu thời tiết, kiểm soát tốt hơn hệ thống tưới tiêu và phân bón thông minh Ví dụ, nếu hệ thống phun nước chỉ phân phối nước khi cần thiết, điều này sẽ tránh lãng phí nguồn tài nguyên quý giá

Hình 1.10: IoT trong nông nghiệp Ứng dụng IoT trong sử dụng của người tiêu dùng Đối với người dân, các thiết bị IoT dưới dạng thiết bị đeo và nhà thông minh giúp cuộc sống dễ dàng hơn Các thiết bị đeo bao gồm các phụ kiện như Fitbit, điện thoại thông minh, đồng hồ Apple, máy theo dõi sức khỏe, v.v Những thiết bị này cải thiện khả năng giải trí, kết nối mạng, sức khỏe và thể lực

Nhà thông minh đảm nhiệm những việc như kích hoạt kiểm soát môi trường để ngôi nhà luôn thoải mái nhất An ninh cũng trở nên dễ tiếp cận hơn, với việc người tiêu dùng có khả năng điều khiển các thiết bị và đèn từ xa, cũng như kích hoạt khóa thông minh để cho phép những người thích hợp vào nhà ngay cả khi họ không có chìa khóa

Hình 1.11: IoT trong sử dụng của người tiêu dùng

15 Ứng dụng IoT trong chăm sóc sức khỏe

Các thiết bị IoT có thể đeo được cho phép các bệnh viện theo dõi sức khỏe của bệnh nhân tại nhà, từ đó giảm thời gian nằm viện trong khi vẫn cung cấp thông tin cập nhật từng phút theo thời gian thực có thể cứu sống Trong bệnh viện, giường thông minh giúp nhân viên luôn được thông báo về tình trạng sẵn có, từ đó giảm thời gian chờ đợi để có chỗ trống Việc đưa các cảm biến IoT vào các thiết bị quan trọng đồng nghĩa với việc ít hỏng hóc hơn và tăng độ tin cậy Việc chăm sóc người cao tuổi trở nên thoải mái hơn đáng kể với IoT Ngoài tính năng theo dõi tại nhà theo thời gian thực nêu trên, các cảm biến còn có thể xác định xem bệnh nhân có bị ngã hay đang bị đau tim hay không

Hình 1.12: IoT trong chăm sóc sức khỏe Ứng dụng IoT trong Tiện ích/Năng lượng

Cảm biến IoT có thể được sử dụng để theo dõi các điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng Thông tin được cung cấp bởi cảm biến IoT có thể hỗ trợ tạo ra các thuật toán điều chỉnh việc sử dụng năng lượng và thực hiện các điều chỉnh phù hợp

16 Với khả năng kiểm soát môi trường dựa trên IoT, các doanh nghiệp và khu dân cư tư nhân có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể, điều này về lâu dài sẽ mang lại lợi ích cho tất cả mọi người, bao gồm cả môi trường Ở quy mô lớn hơn, dữ liệu do Internet of Things thu thập có thể được sử dụng để giúp vận hành lưới điện thành phố hiệu quả hơn, phân tích các yếu tố như mức sử dụng Ngoài ra, các cảm biến có thể giúp xác định chính xác tình trạng mất điện nhanh hơn, từ đó tăng thời gian phản hồi của đội sửa chữa và giảm thời gian mất điện Ứng dụng IoT trong giám sát giao thông

Internet of Things có lợi trong việc quản lý giao thông phương tiện ở các thành phố lớn Sử dụng điện thoại di động làm cảm biến để thu thập và chia sẻ dữ liệu từ phương tiện của chúng ta thông qua các ứng dụng như Google Maps hoặc Waze là một ví dụ về việc sử dụng IoT Nó thông báo về tình trạng giao thông của các tuyến đường khác nhau, thời gian đến ước tính và khoảng cách từ điểm đến đồng thời góp phần giám sát giao thông.

Kết luận chương

Như vậy, ta thấy Internet of Things (IoT) là một xu hướng cách mạng có ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều lĩnh vực của cuộc sống và công nghiệp Trong chương tổng quan về IoT, đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về Hệ thống IoT, bao gồm sự phát triển của IoT, kiến trúc cơ bản, các thành phần hệ thống, những giao thức quan trọng và ứng dụng rộng rãi IoT không chỉ mở ra một thế giới của sự thuận tiện và tiết kiệm, mà còn làm thay đổi cách chúng ta tương tác với môi trường xung quanh Từ các hệ thống đô thị thông minh đến quản lý nông nghiệp, IoT đã thúc đẩy sự đổi mới và tạo ra những cơ hội mới cho sự tối ưu hóa và tự động hóa Chúng ta đã tìm hiểu về các thành phần cơ bản của IoT, từ các thiết bị đến các nền tảng phần mềm và giao thức kết nối Sự đa dạng của các ứng dụng IoT đã đặt ra những thách thức về quản lý dữ liệu, bảo mật và tính tương thích Đồng thời, chúng ta cũng đã thấy sự phát triển của các công nghệ hỗ trợ như trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu lớn, đóng vai trò quan trọng trong việc làm nổi bật tiềm năng của IoT Mặc dù IoT mang lại nhiều cơ hội, nhưng cũng đặt ra những thách thức, bao gồm vấn đề bảo mật, quyền riêng tư và chuẩn hóa Điều này đặt ra nhu cầu cho sự hợp tác chặt chẽ giữa các bên liên quan, từ doanh nghiệp đến chính phủ và cộng đồng nghiên cứu

Như vậy, IoT không chỉ là một xu hướng công nghiệp mà còn là một động lực quan trọng đằng sau sự tiến bộ và sự thay đổi trong xã hội hiện đại Chúng ta đang chứng kiến sự hình thành của một thế giới kết nối, thông minh và có khả năng tương tác mạnh

17 mẽ Tiếp theo, chương 2 sẽ mở ra một cái nhìn chi tiết hơn về một trong những công nghệ truyền thông quan trọng hỗ trợ sự phát triển của IoT, đó là LoRaWAN Trong bối cảnh thế giới ngày nay đang chứng kiến sự hình thành của một thế giới kết nối, thông minh và có khả năng tương tác mạnh mẽ, LoRaWAN đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu kết nối và giải quyết những thách thức đặc biệt của việc kết nối hàng tỷ thiết bị trên khắp thế giới

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC LORAWAN

Giới thiệu về LoraWAN

2.1.1 Khái niệm và đặc điểm

LoRaWAN, hay Long Range Wide Area Network, là một giao thức mạng không dây được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của Internet of Things (IoT) Được xây dựng trên công nghệ truyền thông LoRa, LoRaWAN đặc biệt nổi bật với khả năng kết nối hàng triệu thiết bị IoT với sự linh hoạt cao và tiết kiệm năng lượng Điều đặc biệt về LoRaWAN là khả năng truyền dữ liệu ở khoảng cách rất xa, có thể lên đến vài chục ki-lô-mét, tùy thuộc vào điều kiện môi trường Điều này làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng cần phạm vi truyền tải rộng, như giám sát môi trường, quản lý thành phố thông minh, và theo dõi tài sản di động

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của LoRaWAN là khả năng tiết kiệm năng lượng, giúp kéo dài tuổi thọ pin cho các thiết bị IoT Nó sử dụng kỹ thuật truyền thông điều chế LoRa để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu, giảm độ trễ và tiêu thụ năng lượng chỉ khi cần thiết, điều này rất quan trọng trong môi trường IoT đòi hỏi sự linh hoạt và bền vững

LoRaWAN cung cấp một kiến trúc mạng phân tán, giúp kết nối hàng ngàn thiết bị IoT đồng thời Mô hình này giúp tối ưu hóa quản lý và thu thập dữ liệu từ các thiết bị khác nhau, cũng như dễ dàng mở rộng hệ thống theo quy mô Đồng thời, giao thức này hỗ trợ tính bảo mật đầu cuối, đảm bảo an toàn cho dữ liệu truyền tải trong mạng LoRaWAN

2.1.2 Thành phần và nguyên lý hoạt động

LoRaWAN, hay Long Range Wide Area Network, là một giao thức mạng không dây hoạt động như một lớp Kiểm soát Truy cập Phương tiện (Media Access Control – MAC) và được triển khai trên lớp vật lý LoRa Được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của Internet of Things (IoT), LoRaWAN cung cấp một giải pháp linh hoạt và hiệu quả cho việc kết nối hàng triệu thiết bị IoT

Thông số kỹ thuật của LoRaWAN đặc tả chi tiết về giao thức truyền thông và kiến trúc mạng Giao thức này giúp đảm bảo khả năng giao tiếp an toàn cho các thiết bị đầu cuối, đồng thời đảm bảo khả năng liên thông hoạt động trong mạng một cách hiệu quả Với sự kết hợp giữa lớp vật lý LoRa và giao thức LoRaWAN, mạng này có khả năng truyền dữ liệu ở khoảng cách xa và tiết kiệm năng lượng, làm cho nó trở

19 thành một lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phạm vi truyền tải rộng và tuổi thọ pin cao

Mạng LoRa gồm các bộ phận cấu thành: thiết bị Lora End Device, Lora Gateway, Lora Network server, Lora Application Server, Join Server

Thiết bị Lora End Device Đây là các thiết bị IoT nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng, được trang bị một mô- đun Lora để truyền tải dữ liệu Thiết bị End-Devices phục vụ các ứng dụng khác nhau và có các yêu cầu khác nhau Để tối ưu hóa nhiều loại cấu hình của thiết bị end-node, LoRaWAN sử dụng các lớp thiết bị khác nhau Các lớp thiết bị đánh đổi tốc độ xử lý downlink của mạng so với thời lượng pin Trong ứng dụng kiểu điều khiển hoặc cơ cấu chấp hành, tốc độ xử lý downlink là một yếu tố quan trọng:

▪ Lớp A: Truyền nhận dữ liệu hai hướng: Các thiết bị thuộc Loại A cho phép truyền nhận theo hai hướng, có thể gửi tin nhắn đường lên bất cứ lúc nào Sau khi quá trình truyền tải đường lên hoàn tất, thiết bị sẽ mở hai cửa sổ nhận ngắn để nhận các tin nhắn đường xuống từ mạng Có một độ trễ giữa thời điểm kết thúc quá trình truyền tải đường lên và thời điểm bắt đầu của mỗi cửa sổ nhận, tương ứng được gọi là Độ trễ RX1 và Độ trễ RX2 Nếu máy chủ mạng không phản hồi trong hai cửa sổ nhận này, đường xuống tiếp theo sẽ được lên lịch ngay sau lần truyền đường lên tiếp theo

Hình 2.1: Hoạt động của Class A – End-devices

Thiết bị đầu cuối loại A có mức tiêu thụ điện năng rất thấp Vì vậy, chúng có thể hoạt động bằng nguồn pin Chúng dành phần lớn thời gian ở chế độ ngủ và thường có khoảng thời gian dài giữa các đường lên Ngoài ra, các thiết bị Loại A có độ trễ đường xuống cao vì chúng yêu cầu gửi đường lên để nhận đường xuống

▪ Lớp B: Các thiết bị lớp B mở rộng khả năng của các lớp A bằng cách định kỳ mở các cửa sổ nhận gọi là khe Ping để nhận tin nhắn đường xuống Mạng phát sóng đèn hiệu được đồng bộ hóa theo thời gian (unicast và multicast) định kỳ thông qua các cổng mà thiết bị cuối sẽ nhận được Các đèn hiệu này cung cấp tham chiếu thời gian cho các thiết bị cuối, cho phép chúng căn chỉnh đồng hồ bên trong của chúng với mạng Thời gian giữa hai đèn hiệu được gọi là chu kỳ báo hiệu Sau khi thực hiện uplink, hai cửa sổ nhận ngắn RX1 và RX2 sẽ mở tương tự như các thiết bị Loại A

Hình 2.2: Hoạt động của Class B - End-devices

Thiết bị đầu cuối loại B có độ trễ cho đường xuống thấp so với thiết bị đầu cuối loại A vì chúng mở khe ping định kỳ Tuy nhiên, chúng có độ trễ cao hơn nhiều so với các thiết bị đầu cuối Loại C Các thiết bị loại B thường chạy bằng pin Thời lượng pin ở Loại B ngắn hơn so với Loại A vì thiết bị dành nhiều thời gian hơn ở chế độ hoạt động do nhận được đèn hiệu và có các khe ping mở Do độ trễ thấp đối với các đường xuống, chế độ Loại B có thể được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu truyền động tới hạn ở mức trung bình, chẳng hạn như các đồng hồ đo tiện ích

▪ Lớp C: Các thiết bị Lớp C mở rộng khả năng của Lớp A bằng cách giữ cho các cửa sổ nhận mở trừ khi truyền một đường lên, như minh họa trong hình bên dưới Do đó, các thiết bị Lớp C có thể nhận tin nhắn đường xuống hầu như bất kỳ lúc nào, do đó có độ trễ rất thấp đối với đường xuống Những thông báo đường xuống này có thể được sử dụng để kích hoạt một số chức năng nhất định của thiết bị, chẳng hạn như giảm độ sáng của đèn đường hoặc bật van ngắt của đồng hồ nước

Thiết bị loại C mở hai cửa sổ nhận, RX1 và RX2, tương tự như Loại A Tuy nhiên, cửa sổ nhận RX2 vẫn mở cho đến lần truyền đường lên tiếp theo Sau khi thiết bị gửi đường lên, một cửa sổ nhận RX2 ngắn sẽ mở ra, theo sau là cửa sổ nhận RX1 ngắn và sau đó cửa sổ nhận RX2 liên tục sẽ mở Cửa sổ nhận RX2 này vẫn mở cho

21 đến khi đường lên tiếp theo được lên lịch Đường lên được gửi khi không có đường xuống nào được thực hiện

Hình 2.3: Hoạt động của Class C - End-devices

So với các thiết bị Loại A và Loại B, thiết bị Loại C có độ trễ thấp nhất Tuy nhiên, chúng tiêu thụ nhiều điện năng hơn do phải mở các khe nhận liên tục Do đó, các thiết bị này không thể hoạt động bằng pin trong thời gian dài nên chúng thường sử dụng nguồn điện lưới

Cổng LoraWAN là nút chuyển tiếp dữ liệu giữa thiết bị cuối và các ứng dụng đám mây (là đầu nối mạng chuyển đổi giao thức truyền thông Lora thành TCP, giao thức IP và truyền dữ liệu của thiết bị LoRaWAN vào mạng, làm giảm khả năng lỗi gói cũng giảm chi phí pin cho các cảm biến di động có tính năng xác định vị trí) Nó thu thập dữ liệu từ các thiết bị cuối và gửi chúng đến một máy chủ đám mây thông qua kết nối mạng có dây hoặc không dây

Mạng Lorawan cũng sử dụng một giao thức điều khiển truyền tải (MAC protocol) để đồng bộ hóa quá trình truyền tải dữ liệu giữa thiết bị cuối và trạm cơ sở

Nó cũng giúp quản lý tài nguyên mạng và tối ưu hóa quá trình truyền tải để tiết kiệm năng lượng cho thiết bị cuối

Cấu trúc phân lớp mạng LoraWAN

LoRaWAN là giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) dành cho mạng diện rộng (WAN) sử dụng liên lạc không dây tầm xa, năng lượng thấp để kết nối các thiết bị Internet of Things (IoT) Nó dựa trên kỹ thuật điều chế LoRa, cho phép liên lạc tầm xa ở tốc độ dữ liệu thấp và được thiết kế để sử dụng trong các dải tần dưới 1GHz không được cấp phép Mạng LoRaWAN thường bao gồm các cổng được kết nối với Internet và các thiết bị đầu cuối là các thiết bị IoT giao tiếp với cổng

Hình 2.6: Cấu trúc phân lớp mạng LoraWAN

Regional ISB band: Băng tần ISM khu vực

LoRa Modulation: Điều chế Lora

LoRa MAC options: Tùy chọn Lora MAC

Lớp 1: LoRa Physical Layer (Lớp vật lý LoRa):

Lớp này đảm nhiệm truyền dữ liệu qua sóng vô tuyến Nó xác định các thông số vật lý như tần số, độ nhạy, băng thông và công suất để truyền dữ liệu giữa các thiết bị Các thiết bị LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) để mã hóa thông tin và có khả năng liên lạc ở khoảng cách xa

Lớp 2: LoRaWAN Data Link Layer (Lớp dữ liệu LoRaWAN):

Lớp này đảm bảo việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị mạng (end devices) và các gateway thông qua các kênh truyền khác nhau Nó chịu trách nhiệm về việc mã hóa và giải mã dữ liệu để đảm bảo tính bảo mật trong quá trình truyền dữ liệu Lớp dữ liệu cũng quản lý các quy tắc kiểm soát truy cập phương tiện (MAC) để đồng bộ hóa truyền dữ liệu giữa các thiết bị

Lớp 3: LoRaWAN Application Layer (Lớp ứng dụng LoRaWAN):

Lớp này định nghĩa giao thức và các quy tắc cần thiết để truyền dữ liệu giữa các thiết bị IoT và các ứng dụng Lớp ứng dụng quản lý thông tin đăng ký, xác thực và quản lý thiết bị trên mạng LoRaWAN Nó cung cấp giao diện giữa thiết bị IoT và ứng dụng, cho phép truyền dữ liệu và nhận lệnh từ ứng dụng đến thiết bị

Kiến trúc này giúp LoRaWAN đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của IoT, đặc biệt là trong việc kết nối hàng triệu thiết bị với khả năng truyền dẫn tầm xa và tiêu thụ năng lượng thấp.

Kĩ thuật điều chế LoraWAN

Nền tảng của công nghệ Lora nằm ở kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), sử dụng các xung chirp để mã hóa thông tin Điều chế LoraWAN, một biến thể của CSS, dựa trên kỹ thuật trải phổ Nó duy trì các đặc tính công suất thấp của điều chế FSK trong khi mở rộng đáng kể phạm vi liên lạc, cho phép truyền trên khoảng cách xa hơn so với các kỹ thuật khác Quá trình điều chế thực hiện chuyển dịch phổ tín hiệu ở vùng băng tần gốc lên vùng tần số cao hơn Tín hiệu sau đó được chuyển thành chuỗi xung chirp và truyền qua ăng-ten Dữ liệu được xử lý bằng cách sử dụng xung cao để tạo ra một tín hiệu có dải tần vượt xa so với dữ liệu gốc Sau đó, tín hiệu tần số cao sẽ được mã hóa thêm dựa trên chuỗi tín hiệu chirp Các chuỗi này tuân theo nguyên tắc tín hiệu hình sin thay đổi tần số theo thời gian Có hai loại tín hiệu chirp: up-chirp, trong đó tần số tăng theo thời gian và down-chirp, trong đó tần số giảm theo thời gian Nguyên tắc mã hóa quy định rằng bit 1 tương ứng với xung lên, trong khi bit 0 tương ứng với xung xuống Cuối cùng, tín hiệu được mã hóa sẽ được truyền qua ăng-ten

Hình 2.7: Kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS)

Kỹ thuật Chirp Spread Spectrum giúp LoRaWAN có khả năng truyền thông ổn định ở khoảng cách xa và trong môi trường có nhiều nhiễu Nó cũng mang lại những ưu điểm quan trọng như tiết kiệm năng lượng và khả năng truyền thông hiệu quả, đặc biệt là trong Internet of Things (IoT), nơi LoRaWAN được sử dụng để kết nối hàng tỷ thiết bị trên khắp thế giới.

Bảo mật trong LoraWAN

2.4.1 Lý thuyết mã hóa AES

AES, viết tắt của Advanced Encryption Standard, là một tiêu chuẩn mã hóa đối xứng được sử dụng phổ biến để đảm bảo tính bảo mật của dữ liệu Thuật toán này hoạt động trên các khối dữ liệu và sử dụng cùng một khóa cho cả quá trình mã hóa và giải mã Có ba kích thước khóa chính: 128-bit, 192-bit và 256-bit, tùy thuộc vào mức độ an toàn mong muốn Quá trình mã hóa bao gồm các vòng thay thế, hoán vị, và trộn dữ liệu, được thực hiện theo số lượng vòng tùy thuộc vào độ dài khóa AES sử dụng một bảng thay thế (S-Box) để tăng độ phức tạp của quá trình và bảo vệ khỏi các loại tấn công Được biết đến với hiệu suất và an toàn, AES đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế trong nhiều ứng dụng bảo mật, đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của thông tin truyền tải

32 AES được sử dụng rộng rãi để mã hóa các thông tin quan trọng, đảm bảo tính bảo mật và chống lại các cuộc tấn công mạng AES được sử dụng trong các giao thức bảo mật như SSL/TLS, SSH, IPSec, Wi-Fi Protected Access (WPA) và Virtual Private Networks (VPN)

AES còn giúp thực hiện mã hóa dữ liệu trong các thiết bị lưu trữ như USB, ổ cứng di động và thẻ nhớ, đảm bảo tính riêng tư và chống lại việc truy cập trái phép vào các thông tin quan trọng AES cũng được sử dụng để bảo vệ phần mềm khỏi việc sao chép trái phép hoặc truy cập trái phép Nhiều ứng dụng mã hóa phần mềm sử dụng AES để bảo vệ các thông tin nhạy cảm và đảm bảo tính bảo mật của phần mềm

AES mã hóa dữ liệu trong trò chơi điện tử, bảo vệ các thông tin quan trọng như tài khoản người dùng, thông tin thanh toán và các thông tin khác Đặc biệt, thuật toán này được sử dụng để bảo vệ thông tin cá nhân trong các ứng dụng di động, bảo vệ các thông tin nhạy cảm trong các ứng dụng y tế và chống lại các cuộc tấn công độc hại trên các hệ thống máy tính

2.4.2 Mã hóa AES trong LoraWAN

Trong LoRaWAN, mã hóa AES được sử dụng để đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn của dữ liệu truyền tải giữa thiết bị cuối và mạng LoRaWAN Quá trình mã hóa AES trong LoRaWAN gồm:

Khởi Tạo Khóa (Key Initialization):

Trong quá trình gia nhập mạng (Joining), thiết bị cuối (End Device) và máy chủ mạng (Network Server) thiết lập một kết nối an toàn và chia sẻ khóa bí mật Quá trình này đặc biệt quan trọng để đảm bảo tính bảo mật của dữ liệu truyền tải giữa thiết bị cuối và mạng LoRaWAN

Tạo Khóa Phiên (Session Key Derivation):

Sau khi khóa được khởi tạo, quá trình tạo khóa phiên bắt đầu Cả thiết bị cuối và Network Server sẽ tạo ra khóa phiên để sử dụng trong quá trình truyền dữ liệu Có hai khóa phiên được tạo ra:

• AppSKey (Application Session Key) được sử dụng cho việc mã hóa và giải mã dữ liệu ở cấp ứng dụng

• NwkSKey (Network Session Key) được sử dụng cho việc mã hóa và giải mã dữ liệu ở cấp mạng

Mã Hóa Dữ Liệu (Data Encryption):

Dữ liệu được chia thành các khối nhỏ hơn và mỗi khối được mã hóa riêng lẻ bằng AES

• AppSKey được sử dụng để mã hóa dữ liệu ở cấp ứng dụng

• NwkSKey được sử dụng để mã hóa dữ liệu ở cấp mạng

Một Message Integrity Code (MIC) được tính toán dựa trên dữ liệu đã được mã hóa và khóa NwkSKey MIC đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu truyền tải, và máy chủ mạng có thể kiểm tra nó để đảm bảo rằng dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền tải

Giai Đoạn Giải Mã (Decryption Phase):

Khi dữ liệu đến từ thiết bị cuối, NwkSKey được sử dụng để giải mã dữ liệu cấp mạng, trong khi AppSKey được sử dụng để giải mã dữ liệu cấp ứng dụng Điều Chỉnh Khóa (Key Rotation): Để nâng cao tính bảo mật, LoRaWAN hỗ trợ việc điều chỉnh khóa theo thời gian Quá trình này liên quan đến việc thay đổi khóa mã hóa định kỳ, giúp giảm thiểu rủi ro bảo mật và làm khó khăn hơn cho bất kỳ kẻ tấn công nào muốn giải mã hoặc thực hiện các hành động xấu

Như vậy, quá trình mã hóa AES trong LoRaWAN bao gồm việc tạo khóa, chia sẻ khóa, mã hóa dữ liệu, tính toàn vẹn và giải mã dữ liệu Điều này đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải an toàn và bảo mật giữa thiết bị cuối và mạng LoRaWAN.

Băng tần của LoraWAN

LoRaWAN hoạt động ở dải tần dưới gigahertz và thông số kỹ thuật của nó thay đổi tùy theo từng vùng do yêu cầu quy định Việc sử dụng các dải tần thấp mang lại một số lợi ích, bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa và có khả năng xâm nhập vào cấu trúc vật lý mạnh mẽ hơn so với các dải tần cao hơn

Hình 2.9: Bằng tần của LoraWAN trên thế giới

• Ở Châu Âu, LoRaWAN xác định có mười kênh Trong đó có 8 kênh là đa tốc độ dữ liệu từ 250 bps đến 5,5 kbps Một kênh có thể hoạt động ở tốc độ dữ liệu cao hơn với tốc độ 11 kbps Và, một kênh FSK ở tốc độ 50 kbps Công suất tối đa cho phép là +14dBm

• Ở Bắc Mỹ, LoRaWAN thường sử dụng các băng tần trong khoảng 902 MHz đến

928 MHz Điều này bao gồm phổ bình thường được sử dụng cho các triển khai LoRaWAN ở Hoa Kỳ và Canada Tuy nhiên, cụ thể hóa các phổ sử dụng có thể thay đổi tùy thuộc vào quy định của từng quốc gia và khu vực cụ thể Trong các chương trình hợp nhất (harmonized), một số quốc gia Bắc Mỹ đã thống nhất với các băng tần nhất định để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị LoRaWAN trong khu vực

• Ở Australia, mạng LoRaWAN thường sử dụng băng tần trong khoảng từ 915 MHz đến 928 MHz Điều này bao gồm một dải tần số được cấp phép và quy định để hỗ trợ triển khai của LoRaWAN trong quốc gia này.Các thiết bị LoRaWAN ở Australia thường sử dụng phổ tần số không được cấp phép từ 915 MHz đến 928 MHz để gửi và nhận dữ liệu Tuy nhiên, các quy định chi tiết về công suất, thời gian truy cập và các yêu cầu khác có thể được xác định bởi cơ quan quản lý tần số ở Australia

• Ở Châu Á, băng tần LoRaWAN thường được chia thành khoảng từ 920 MHz đến

925 MHz, tạo ra một dải tần số rộng để hỗ trợ truyền thông của các thiết bị LoRaWAN

• Ở Việt Nam, mạng LoRaWAN thường sử dụng băng tần xung quanh 923 MHz

Cụ thể, dải tần số này thường được chia thành khoảng từ 920 MHz đến 925 MHz Các quy định chi tiết về công suất truyền, thời gian truy cập và các yêu cầu khác thường được quy định và giám sát bởi cơ quan quản lý tần số tại Việt Nam, chẳng hạn như Bộ Thông tin và Truyền thông.

Tốc độ truyền tín hiệu của LoraWAN

Tốc độ truyền tín hiệu của LoRaWAN thường được đo bằng ký hiệu "bps" (bits per second) Tuy nhiên, tốc độ truyền tín hiệu trong mạng LoRaWAN không giống như các mạng truyền thông truyền thống và không được xác định dựa trên bảng thông số như các công nghệ truyền thông khác như Wi-Fi hoặc 4G

Thay vào đó, LoRaWAN thường tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng và có khả năng truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa Tốc độ truyền tín hiệu thực tế của LoRaWAN thường thấp hơn so với mạng truyền thông có dây hoặc mạng di động, và nó thường được đo lường theo "payload rate" (tỷ lệ dữ liệu thực sự được truyền) Tốc độ dữ liệu trong mạng LoRaWAN phụ thuộc vào hệ số trải phổ (SF) được sử dụng, đây là tham số xác định thời lượng của mỗi ký hiệu được truyền

Hệ số trải phổ là một yếu tố quan trọng trong mạng LoRaWAN và nó nằm trong khoảng từ SF7 đến SF12 Hệ số trải phổ càng cao thì thời gian truyền càng dài nhưng phạm vi hoạt động và độ bền càng cao trong môi trường đầy thách thức Điều này giúp LoraWAN phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phạm vi truyền thông rộng và tiết kiệm năng lượng, như trong các ứng dụng IoT và giám sát từ xa

Hình 2.10: Hệ số trải phổ

36 Các tốc độ dữ liệu có thể thay đổi tùy thuộc vào việc triển khai cụ thể và cấu hình mạng LoRaWAN được tối ưu hóa để liên lạc tầm xa với mức tiêu thụ điện năng thấp, giúp nó phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp và thời lượng pin kéo dài, chẳng hạn như giám sát môi trường, nông nghiệp và theo dõi tài sản.

Kết luận chương

Như vậy, ta thấy LoRaWAN là một công nghệ truyền thông không dây độc đáo và hiệu quả, được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu ngày càng đa dạng của ứng dụng IoT Với khả năng truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa, LoRaWAN thích hợp cho nhiều lĩnh vực, từ đô thị thông minh đến nông nghiệp thông minh và giám sát môi trường Mạng LoRaWAN không chỉ có khả năng kết nối hàng triệu thiết bị trong một mạng lưới, mà còn hỗ trợ đa dạng các loại thiết bị IoT Cấu trúc lớp thiết bị khác nhau (Class A, B, C) cung cấp sự linh hoạt cho việc quản lý tốc độ truyền và tiêu thụ năng lượng, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng Bảo mật là một yếu tố quan trọng của LoRaWAN, tích hợp các biện pháp như mã hóa AES để đảm bảo an toàn trong việc truyền tải và xử lý dữ liệu Mô hình mạng cung cấp tính riêng tư cho dữ liệu người dùng, làm tăng độ tin cậy và chấp nhận của người dùng Khả năng sử dụng các băng tần mở (Open Spectrum) tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai toàn cầu và giảm chi phí Qua đó, LoRaWAN không chỉ là một giải pháp hiệu quả về kinh tế mà còn là một công nghệ có thể thích ứng và mở rộng linh hoạt để đáp ứng thách thức ngày càng phức tạp của thế giới IoT ngày nay Đặc biệt trong lĩnh vực về giao thông, việc ứng dụng LoraWAN trong tàu thủy- một trong những phương tiện hàng hải phổ biến nhất, được coi là cách giải quyết tối ưu cho bài toán vận tải khi áp dụng công nghệ tiên tiến Đến với chương 3, em sẽ tìm hiểu chi tiết cách vận hành cũng như tính thực tiễn mà LoraWAN sử dụng trong hệ thống giám sát tàu thuyền ở vùng nước nông

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG GIAO THỨC LORAWAN CHO HỆ THỐNG

GIÁM SÁT TÀU THUYỀN Ở VÙNG NƯỚC NÔNG

Trong bối cảnh ngày nay, quản lý và giám sát hoạt động của tàu thuyền, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông biển và vận chuyển hàng hóa, đang đối mặt với những thách thức lớn đối với cả các quốc gia trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam Để giải quyết những khía cạnh phức tạp của ngành công nghiệp này, ứng dụng công nghệ LoRaWAN đã trở thành một giải pháp tiên tiến, mang lại sự thuận tiện và nâng cao hiệu quả quản lý cũng như an toàn biển và các vùng sông nước

LoRaWAN, hay Long Range Wide Area Network, là một công nghệ truyền thông không dây phù hợp cho việc giám sát và quản lý tàu thuyền Sự linh hoạt của LoRaWAN cho phép thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến trên tàu và truyền thông qua khoảng cách xa một cách hiệu quả Các thông số như vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, và điều kiện môi trường có thể được gửi về trung tâm giám sát một cách nhanh chóng và chính xác Ứng dụng LoRaWAN trong giám sát giao thông tàu thuyền không chỉ giúp cải thiện quá trình quản lý hàng hóa mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm an toàn biển Nhờ vào khả năng truyền thông xa, dữ liệu có thể được thu thập từ các tàu thuyền ở cả những khu vực xa xôi và biển cả sâu Điều này giúp cung cấp thông tin đầy đủ và chính xác, hỗ trợ quyết định nhanh chóng và giảm thiểu rủi ro liên quan đến vấn đề quản lý và an toàn biển và vùng sông nước.

Mục tiêu thiết kế

Các tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển nhanh chóng của Internet of Things (IoT), đặc biệt là trong lĩnh vực vận tải biển Việc kết nối một lượng lớn các thiết bị như cảm biến, mạng, và bộ kích hoạt với các thiết bị IoT trên tàu đã mang lại những đổi mới quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất trong hoạt động hàng hải

Thuật ngữ IoT ban đầu được phát triển trong lĩnh vực sản xuất ở Hoa Kỳ và được áp dụng để kết nối các thiết bị và máy móc trong các lĩnh vực thương mại, doanh nghiệp, và công nghiệp Với sự tiến bộ ngày càng nhanh chóng, các ứng dụng của IoT trong vận tải biển đang ngày càng phong phú, tuy nhiên, vẫn còn thách thức trong việc giám sát tàu gỗ nhỏ ở các vùng nước nông và khu vực đồng bằng sông

Hệ thống LoRaWAN, một công nghệ truyền thông không dây, có tiềm năng lớn trong môi trường biển Nó có khả năng theo dõi tọa độ GPS của tàu và nhận tín hiệu

38 truyền từ chính tàu Tuy nhiên, trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, việc truyền tín hiệu có thể gặp khó khăn Để vượt qua thách thức này, nghiên cứu đã đề xuất một mô hình mới của hệ thống IoT có thể được áp dụng trong giám sát tàu thuyền, giúp xác định lưu lượng tàu thuyền một cách chính xác và hiệu quả Mô hình này có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến điều kiện thời tiết khó khăn, cung cấp thông tin đáng tin cậy cho quản lý và an ninh trong lĩnh vực vận tải biển.

Sơ đồ kiến trúc

Sơ đồ liên lạc giữa tàu và trạm cơ sở canh gác cảng biển

Hệ thống LoRaWAN có chi phí thấp và có thể được sử dụng để truyền tín hiệu bằng bộ thu phát Hệ thống bao gồm các cảm biến, thiết bị thu phát RAK, cấp độ bảo mật mở của phần mềm WRT bên trong cổng RAK và các cơ chế dữ liệu truyền tín hiệu từ thuyền đến cổng LoRaWAN

Hình 3.1: Sơ đồ liên lạc giữa tàu và trạm cơ sở canh gác cảng biển

Trong quá trình theo dõi chuyển động thuyền, hệ thống sử dụng kết hợp giữa ăng- ten LoRaWAN và Bluetooth Low Energy (BLE) để thu thập và quản lý dữ liệu một cách hiệu quả Dữ liệu cảm biến thô từ GPS được truyền đến ăng-ten LoRaWAN, nơi LoRaWAN đảm nhiệm vai trò chính trong việc thu thập và chuyển tiếp dữ liệu đến cổng LoRaWAN

39 Bluetooth Low Energy (BLE) được tích hợp trực tiếp trên thuyền, chịu trách nhiệm xác định vị trí của thuyền Với khả năng truyền thông hiệu quả, BLE không chỉ giữ thông tin về vị trí, mà còn lưu trữ các thông tin tĩnh như ID của thuyền và dữ liệu nhận dạng chủ sở hữu trong bộ nhớ lớn có thể lên đến 4 MB

Bên cạnh đó, LoraWAN đảm nhận nhiệm vụ quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ cảm biến GPS trên thuyền, bao gồm thông tin chi tiết về vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, và các thông số khác liên quan đến chuyển động của thuyền Dữ liệu GPS được truyền đến ăng-ten LoRaWAN và từ đó, LoRaWAN chuyển tiếp nó đến thiết bị BLE trên thuyền

Việc kết hợp linh hoạt giữa LoRaWAN và BLE không chỉ giúp thu thập dữ liệu một cách hiệu quả mà còn mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt là trong việc nhận dạng thuyền và xác minh quyền sở hữu Dữ liệu nhận được từ cảm biến GPS được quản lý một cách dễ dàng, tăng cường khả năng giám sát và xác minh quyền sở hữu của thuyền một cách chính xác

40 Cổng LoRaWAN là một thành phần quan trọng trong hệ thống mạng LoRaWAN

Nó bao gồm một ăng-ten LoRa được cài đặt và kết nối với cấu trúc vật lý của mạng Cổng này được triển khai và chịu trách nhiệm thu thập và truyền tải dữ liệu giữa thiết bị đầu cuối (End Devices) và mạng LoRaWAN

Thành phần chính của mạng LoRaWAN tại cổng bao gồm cấu trúc vật lý của cách bố trí cổng LoraWAN Điều này liên quan đến việc đặt ăng-ten LoRa và các cảm biến LoRaWAN khác trên cổng để thu thập dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối trong phạm vi tầm sóng Cổng tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối và hạ tầng mạng LoRaWAN, đảm bảo kết nối hiệu quả và liên tục trong hệ thống IoT.

Các thành phần của kiến trúc

Cảm biến thời tiết Ăng-ten Lora được trang bị các cảm biến về nhiệt độ không khí và đất cũng như độ ẩm không khí Với sự trợ giúp của các cảm biến môi trường gắn trên ăng-ten Lora, đã giúp cung cấp thông tin chi tiết về điều kiện môi trường xung quanh Kết hợp với GPS, ăng-ten LoRa có khả năng xác định vị trí địa lý, cung cấp thông tin về nơi đặt ăng-ten Điều này hữu ích trong việc theo dõi và quản lý

Truyền dữ liệu từ thuyền đến cổng

Cổng thu thập dữ liệu từ tàu thuyền được triển khai thông qua ba bước quan trọng Trước hết, dữ liệu từ tàu thuyền được lưu trữ tạm thời trong bộ nhớ trong của kết nối Bluetooth Low Energy (BLE) Mục tiêu ở đây là kết nối tín hiệu BLE từ tàu thuyền vào mạng LoRaWAN, một hệ thống mạng không dây rộng lớn dành cho Internet of Things (IoT) Thứ hai, điều chỉnh dữ liệu từ các cảm biến trên tàu thuyền để theo dõi chuyển động của nó Khi cổng thu thập dữ liệu tàu thuyền ngoại tuyến, các nút cảm biến trên tàu thuyền sẽ lưu trữ các giá trị cảm biến trong bộ nhớ tạm thời Bộ nhớ này có khả năng lưu trữ lên đến 4 MB dữ liệu (tương đương với khoảng 210,000 ký tự) từ ba lần đọc cảm biến theo thời gian Thứ ba, cổng thu thập dữ liệu cũng được thiết lập để lưu trữ dữ liệu, đặc biệt là khi máy chủ chính ngoại tuyến Điều này giúp đảm bảo rằng mạng LoRaWAN vẫn có thể thu thập tín hiệu từ tàu thuyền trong các tình huống giám sát ngoại tuyến, mà không cần đường truyền trực tuyến đến Internet

Sự tích hợp giữa BLE và LoRaWAN giúp đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong việc thu thập và truyền dữ liệu từ tàu thuyền, kể cả khi tàu không có kết nối Internet trực tiếp

Bảo vệ chống sét và nhiễu loạn môi trường

Bảng mạch in đặc biệt (PCB) và bảng chiếu sáng được bổ sung để theo dõi sự cố chiếu sáng, nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối tại ăng-ten LoRaWAN Các thành phần có thể dễ dàng kết nối với bất kỳ cổng I2C nào Nó có mục đích giám sát hoạt động của tàu thuyền quanh cảng theo thời gian thực, ngay cả khi thời tiết xấu Hệ thống này kết hợp hệ thống giám sát thời gian thực với các ứng dụng trên máy tính để bàn để giảm thiểu sự cố mất điện và chiếu sáng Bộ lọc tín hiệu được thêm vào vì cảm biến có thể chấp nhận tín hiệu rộng hơn trong thời tiết bình thường và khắc nghiệt Cảm biến sẽ xác định rằng ánh sáng mặt trời trực tiếp tương ứng với cường độ từ 100.000 lx đến 120.000 lx, có thể vượt quá giá trị tối đa là 1.048.575 (cấu hình 20 bit) khi nhân với giá trị khuếch đại analog tối đa

3.3.2 Thành phần trong hệ thống cổng LoraWAN

Mô-đun hỗ trợ nhiều chức năng khác nhau, chẳng hạn như tốc độ mẫu, tốc độ tín hiệu và mức đầu ra kỹ thuật số khác nhau, được liên kết với hai loại chế độ hoạt động Mô-đun này được kết nối với giao diện lập trình ứng dụng (API) và ứng dụng trong suốt (AT) Cổng có thể giám sát thuyền trong một khoảng thời gian tương đối dài và theo thời gian thực tại cảng và giao thông Với hệ thống cổng này, cứ 20 phút lại có ba cảm biến được đọc Dữ liệu từ cổng được tải lên máy chủ và được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu hàng ngày Thông thường, tuổi thọ của pin lithium-ion là khoảng 3 năm 6 tháng khi hết công suất Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, công suất hiệu dụng của pin lithium-ion giảm nhanh chóng Điều này sẽ làm giảm tuổi thọ sử dụng hiệu quả của BLE và sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết

Bộ thu phát RAK để xử lý dữ liệu từ tín hiệu sang kỹ thuật số theo tiêu chuẩn LoRaWAN RAK4631 được sử dụng làm bộ thu phát được kết nối với mô-đun lõi LoRaWAN Mô-đun này không chỉ hỗ trợ kết nối LoRaWAN mà còn tích hợp Bluetooth 5.0 và Bluetooth Low Energy (BLE), mang lại tính linh hoạt trong việc truyền dữ liệu Sự kết hợp của RAK4631 với thư viện Arduino giúp đơn giản hóa quá trình phát triển và lập trình Sau khi cài đặt RAK4631, dữ liệu từ thiết bị sẽ được truyền đến máy chủ, và từ đó, nó sẽ được đưa vào cơ sở dữ liệu Quá trình truyền này cung cấp một cách hiệu quả để giám sát và theo dõi các thông số từ các thiết bị LoRaWAN kết nối Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của mô-đun, việc kết nối nó với một ăng-ten là rất quan trọng, đặc biệt khi sử dụng các tính năng như LoRaWAN hoặc Bluetooth

42 Kết nối đúng và ổn định giữa mô-đun và ăng-ten đảm bảo hiệu suất và phạm vi truyền dữ liệu tốt nhất

Hình 3.3: Bộ thu phát RAK Open VPN để bảo mật dữ liệu Để tăng cường bảo mật trong quá trình truyền tải dữ liệu từ thuyền đến cổng LoRaWAN, việc triển khai VPN là một biện pháp hiệu quả Dịch vụ OpenVPN được sử dụng để thiết lập kết nối an toàn giữa cổng LoRaWAN và nền tảng máy chủ mạng LoRaWAN và IoT Bằng cách đảm bảo quyền truy cập vào tất cả các kết nối LoraWAN, không kể loại kết nối là LAN/VLAN/3G/4G, thông qua các giao thức như SSH, Web, và các phương tiện khác giúp cải thiện bảo mật giữa thuyền và cổng LoraWAN Dịch vụ OpenVPN được kích hoạt để cung cấp địa chỉ IP mới và cấu hình

IP cho máy chủ, tạo ra một môi trường mã hóa dữ liệu từ thuyền đến hệ thống Điều này giúp đảm bảo tính toàn vẹn và an toàn của dữ liệu truyền qua kết nối OpenVPN cũng tương thích với hầu hết các thiết bị IoT, bao gồm cả cổng LoRaWAN RAK, tạo ra một hệ thống bảo mật toàn diện Bảo mật cổng được tăng cường bằng các tính năng mã hóa, đặc biệt là sử dụng các gói HMAC, đảm bảo rằng dữ liệu từ máy khách đến máy chủ được bảo vệ một cách an toàn Điều này quan trọng để ngăn chặn các mối đe

43 dọa an ninh và đảm bảo rằng thông tin quan trọng không bị xâm phạm trong quá trình truyền tải

Hình 3.4: Sơ đồ bảo mật cho cổng LoraWAN 3.3.3 Thành phần trong hệ thống cơ chế mạng LoraWAN

Bộ thu phát cổng RAK đóng vai trò quan trọng trong cơ chế mạng LoRaWAN, và nó được lập trình bằng phần mềm WRT nguồn mở Được đặt gần anten để theo dõi tín hiệu từ tàu, bộ thu phát cổng RAK có nhiệm vụ phát hiện tín hiệu từ tàu thuyền và truyền tải chúng đến hệ thống LoraWAN Qua việc sử dụng bộ thu phát RAK, hệ thống có khả năng xác định và giám sát lộ trình cũng như vị trí của tàu dựa trên tọa độ GPS

Bộ thu phát này sẽ thu thập dữ liệu tín hiệu từ tàu thuyền, bao gồm tọa độ GPS (vị trí của tàu), địa chỉ BLE ID, và danh tính của chủ thuyền Tọa độ GPS được lưu trữ theo cả vĩ độ và kinh độ, cung cấp thông tin chi tiết về vị trí của tàu Đồng thời, danh tính thuyền chứa thông tin như tên và danh tính của chủ thuyền

(a) Hộp thu phát RAK từ phía trên (b) Hộp thu phát RAK từ bên trái (c) Ký hiệu của hộp thu phát RAK

Hình 3.5: Hộp thu phát RAK

Triển khai kiến trúc

Phần nghiên cứu này tập trung vào việc đo tín hiệu LoRaWAN dựa trên nhiều thông số quan trọng như cường độ, công suất máy phát, tải trọng gói, băng thông, đơn vị giám sát điện tử, các thành phần được triển khai và đơn vị giám sát di động Quá trình giám sát tiến hành thông qua một số bước

• Đầu tiên, tập trung vào các thông số vô tuyến LoRaWAN như tần số hoạt động, công suất phát, tải trọng gói và hệ số truyền sóng để giám sát việc truyền tín hiệu từ tàu đến mạng LoRaWAN Điều này xảy ra ở vùng nước nông trong điều kiện thời tiết bình thường và thời tiết khắc nghiệt

• Thứ hai, bằng cách kết hợp dữ liệu từ ăng-ten và cảm biến, tín hiệu của tàu được phát hiện trong điều kiện thời tiết bất lợi Thông tin về vị trí GPS của tàu được gửi qua thiết bị BLE và trộn vào các gói tiêu đề, sau đó được xử lý và hiển thị trên điện thoại và bảng điều khiển

• Thứ ba, theo dõi mức độ tiếng ồn của biển và gió để giữ thuyền ở vùng nước nông khi thời tiết xấu Mức nhiễu cao có liên quan đến tốc độ sóng và hướng gió

• Thứ tư, so sánh việc phát hiện tín hiệu của tàu trong điều kiện thời tiết bất lợi và điều kiện thời tiết thuận lợi MQTT được dùng để kết hợp tín hiệu từ nhiều thời điểm khác nhau, giúp theo dõi tàu thuyền theo thời gian thực và kết nối với hệ thống

• Thứ năm, đánh giá mức độ dương tính giả và dương tính giả trong tín hiệu từ các tàu được triển khai Sử dụng Visual Studio C# để trích xuất dữ liệu và tải lên máy chủ MySQL, nơi dữ liệu được phân tích và hiển thị trên trang web với sự trợ giúp của thiết bị cảm biến chuyển động

45 Như vậy, nghiên cứu đã kết hợp nhiều thông số để cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng và vị trí của tàu thuyền trong điều kiện thời tiết khác nhau Đồng thời trong quá trình này cho thấy tính linh hoạt và độ chính xác của LoraWAN trong việc thu thập và giám sát tín hiệu từ các thiết bị trên tàu

Trong phần này của nghiên cứu, cơ chế LoraWAN đã được mô tả chi tiết, đặc biệt là trong việc thu thập và quản lý dữ liệu từ thuyền Sau khi dữ liệu thô được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, hệ thống LoRaWAN tương tác thông qua bộ thu phát RAK Gateway Được xây dựng trên mã nguồn mở, phần mềm WRT đảm nhận vai trò quản lý hoạt động của bộ thu phát RAK Gateway Điều này giúp phát hiện tín hiệu từ thuyền đến cổng LoraWAN thông qua cơ sở hạ tầng mạng LoRaWAN Mô hình này đặt ưu tiên trong việc xác định và giám sát lộ trình cũng như vị trí của thuyền dựa trên thông tin tọa độ GPS

Quá trình này bắt đầu bằng việc BLE thu thập dữ liệu tọa độ GPS, sau đó lưu trữ và truyền chúng đến mạng LoRaWAN Mạng LoRaWAN sử dụng phiên bản 1.0.3 và không chỉ lưu trữ tọa độ GPS mà còn thông tin khác như địa chỉ ID BLE và dữ liệu về chủ thuyền Các thông tin này được biểu diễn dưới dạng số vĩ độ và kinh độ, cùng với thông tin định danh về chủ thuyền

Mô hình nghiên cứu được thiết kế để triển khai ở các vùng nước nông và sông đồng bằng, nơi có vùng phủ sóng tín hiệu ổn định Tín hiệu BLE được thu thập dựa trên các thông số cụ thể để phân tích hành vi của thuyền Cấu hình BLE cho phép thiết bị kết nối với mạng thông qua tính năng yêu cầu tham gia, và mạng LoRaWAN sẽ yêu cầu khóa BLE trước khi truyền dữ liệu Để đảm bảo hoạt động liên tục, BLE tự động tham gia lại mạng LoRaWAN nếu có khóa hoặc mã thông báo ID hạ lưu trong mạng Quá trình này đảm bảo hoạt động ổn định ngay cả khi mạng bị lỗi Qua hình 3.6 cho thấy quá trình kết nối dữ liệu từ thiết bị tới ứng dụng/bảng điều khiển máy tính để bàn

Hình 3.6: Cơ chế mạng LoraWAN

Như vậy, cơ chế mạng LoraWAN đã được kết hợp một cách hiệu quả với BLE để tạo ra hệ thống giám sát linh hoạt và đáng tin cậy thông qua việc thu thập và quản lý thông tin từ các vùng nước nông và đồng bằng sông

3.4.3 Truyền dữ liệu từ thuyền đến cổng LoraWAN

Trong quá trình truyền tín hiệu từ tàu đến hệ thống LoRaWAN, LoRaWAN nhận tín hiệu thông qua cầu ăng-ten được Client trên tàu khởi tạo bằng giao thức TLSv 1.2 Quá trình bắt đầu bằng việc truyền gói thông qua giao thức bảo mật của Hello Handshake và bộ mật mã TLS DH anon WITH RC 4 128 MD 5 Sau khi giao thức được chấp thuận, gói sẽ được liên kết với MQTT broker và mã xác thực được thêm vào siêu dữ liệu nhằm xác minh mức độ bảo mật của gói

Với lý do bảo mật Cấp 2, tin nhắn tiếp tục được lọc bằng giao thức SSL Nếu máy chủ ảo của Client cũng sử dụng cùng cấu hình SSL thì dữ liệu tin nhắn sẽ được phép truyền Việc truyền dữ liệu xảy ra khi tàu gửi tín hiệu qua kênh an toàn, nếu không thì mạng yêu cầu mã hóa bất đối xứng (khóa chung)

Hình 3.7: Cơ chế truyền tín hiệu

Tọa độ GPS của tàu được truyền từ tàu đến trạm cơ sở tại văn phòng cảng Quá trình chuyển đổi tín hiệu thành dữ liệu số được gửi từ BLE trên bo mạch đến cổng LoraWAN thông qua bộ thu phát RAK như hình 3.7 Bộ thu phát RAK gửi tín hiệu tới mạng khi kênh bảo mật được mở để liên lạc khóa bất đối xứng Tín hiệu sau đó được giải mã thành các gói kỹ thuật số thông qua bước xác minh, đảm bảo dữ liệu có thể được giải mã hoặc mã hóa thành công Nếu quá trình giải mã thành công, dữ liệu sẽ được chuyển sang bảng điều khiển máy tính và được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Bảng điều khiển máy tính có thể truy cập dữ liệu gửi qua trình duyệt web hoặc ứng dụng điện thoại thông minh OpenSSL, tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa điện thoại thông minh và bảng điều khiển Khi thao tác trao đổi dữ liệu hoàn tất, máy chủ ngắt kết nối, hệ thống chuyển sang trạng thái dự phòng và quá trình báo hiệu kết thúc (Hình 3.7)

Như vậy, quá trình này cho thấy LoRaWAN đóng vai trò quan trọng trong quá trình thu thập và truyền tải dữ liệu từ thuyền đến hệ thống mạng Với khả năng tiếp nhận tín hiệu qua cầu ăng-ten và sự hỗ trợ của các giao thức bảo mật như TLSv1.2, LoRaWAN cung cấp một cơ sở an toàn và đáng tin cậy để truyền tải thông tin từ thuyền đến cổng LoraWAN

Đánh giá kết quả

Luồng dữ liệu trong nút cảm biến tới cổng LoraWAN

Trong quá trình truyền dữ liệu giữa nút cảm biến và ăng-ten cổng, cả hai thành phần đều đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo giao tiếp hiệu quả Luồng dữ liệu từ ăng-ten cổng đến nút cảm biến được đo dựa trên các tham số của LoRaWAN, biểu thị cường độ tín hiệu mặc định của nó, được thể hiện trong hình 3.8

Thông số vô tuyến Giá trị đã chọn Tần số hoạt động 868 MHz

Phạm vi 10 khu vực Độ dài ACK 2 Byte

Hình 3.8: Thông số LoraWAN 868 MHz

Thông qua nghiên cứu đã cho thấy quá trình kết nối và truyền dữ liệu giữa nút cảm biến và cổng LoRaWAN Các thông số vô tuyến LoRaWAN được đề cập đã được phát triển để xác định cấu trúc và cấu hình của thiết bị, cũng như để cấu hình phương thức liên lạc thông qua chức năng cập nhật máy chủ và thiết bị IoT

Mô tả rõ quá trình truyền dữ liệu từ cảm biến đến cổng, trong đó ăng-ten cổng đóng vai trò quan trọng Mục tiêu là chấp nhận tín hiệu từ cảm biến, bắt đầu bằng mã thông báo của thiết bị cổng và kiểm tra trạng thái Điều này đã giúp đảm bảo luồng dữ liệu chạy trơn tru từ máy chủ đến thiết bị IoT thông qua mã thông báo từ cảm biến

49 Vai trò của ăng-ten cổng như một mô-đun tần số vô tuyến linh hoạt, thu phát và nhận dữ liệu từ nhiều nút cảm biến được nhấn mạnh Cấu trúc mạng lưới mở rộng thông qua việc sử dụng bộ định tuyến cảm biến, tăng vùng phủ sóng Cảm biến có khả năng hoạt động như bộ định tuyến thiết bị đầu cuối cảm biến, giúp tiết kiệm pin và năng lượng

Quy trình nhận tín hiệu từ thuyền đến máy chủ được mô tả kỹ lưỡng, từ việc cập nhật địa chỉ IP đến xác nhận thông qua giao thức MQTT Dữ liệu từ thuyền được lưu trữ và quản lý thông qua các thư mục và tệp CERT, tạo ra một cơ sở dữ liệu có tổ chức

Cuối cùng, máy chủ yêu cầu dữ liệu truyền tín hiệu thông qua lệnh tín hiệu mạnh Nếu tín hiệu vẫn yếu hoặc có quá nhiều nhiễu, lệnh sẽ được lặp lại sau vài giây

Dữ liệu này được lưu trữ trong tệp chứng thực, bảo đảm thu thập tín hiệu yếu dưới dạng nhiễu thông qua giao thức MQTT

Phát hiện tín hiệu tàu thuyền khi thời tiết xấu

Trong điều kiện thời tiết xấu, hệ thống đã sử dụng dữ liệu tín hiệu từ ăng-ten để phát hiện tín hiệu của thuyền và thông tin này được tích hợp vào cảm biến thời tiết Các gói tiêu đề trong khối trục của cảm biến thời tiết được sử dụng để tính toán áp suất không khí trong điều kiện thời tiết xấu Mục đích chính là ghi lại dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến trong khoảng thời gian dài, giảm thiểu mất mát dữ liệu do nhiễu tín hiệu

Kết quả của hệ thống này đã mang lại giá trị quan trọng đối với hệ thống tham chiếu trong các tình huống thực tế tại khu vực nghiên cứu Nó cho thấy sự tương quan tốt giữa dữ liệu thu thập bằng cách sử dụng hệ thống này và dữ liệu từ các bộ ghi dữ liệu được thiết lập sẵn có Điện áp đầu ra có thể tăng khi hệ thống chấp nhận tín hiệu nhận được

Ngoài ra, phạm vi điện trở khác nhau giữa các cảm biến công suất đã được đo trong các loại cảm biến khác nhau Sự tích hợp giữa LoraWAN và các cảm biến kết nối với mạch điều hòa không khí, dữ liệu từ những cảm biến này đã được tích hợp để xây dựng mô hình chuyển động của thuyền

Tuy nhiên, trong nghiên cứu đã cho thấy, hệ thống cũng phải đối mặt với thách thức của tín hiệu vô tuyến, đặc biệt trong điều kiện không gian mở và môi trường thời tiết khắc nghiệt Tín hiệu vô tuyến thường bị suy giảm do vật liệu và rào cản, và việc sử dụng thuyền từ chất liệu gỗ có thể làm tăng cường hiện tượng này Điều này đã dẫn đến nhiễu và mất mát tín hiệu, đặt ra thử thách trong việc duy trì độ tin cậy của hệ thống

Hình 3.9: Cơ chế nhận tín hiệu từ Boat đến Server Giao tiếp Client và Server

Trong nghiên cứu đã cho thấy LoraWAN đóng một vai trò quan trọng trong quá trình giao tiếp giữa Client và server, đặc biệt là khi kết hợp với giao thức BLE cùng với việc đảm bảo an toàn thông tin qua giao thức SSL

LoRaWAN là yếu tố quyết định trong việc truyền tải dữ liệu từ thiết bị đến máy chủ Kết quả cho thấy khả năng đối mặt với các yếu tố môi trường khắc nghiệt như sóng biển cao và gió mạnh Điều này chứng minh tính độc lập và bảo mật của LoRaWAN trong việc duy trì kết nối, giúp đảm bảo dữ liệu từ thiết bị được truyền tải một cách hiệu quả và liên tục

51 Hình 3.10 cho thấy hai loại vùng phát hiện tín hiệu tàu thuyền khi thời tiết xấu ở các khu vực gồm 10 địa điểm, dẫn đến hai vùng có độ nhiễu cao và độ nhiễu thấp Kết quả dữ liệu cảm biến cho thấy sóng biển và gió di chuyển về phía biển Sóng tốc độ cao hướng ra biển có thể gây nhiễu tín hiệu của tàu do tiếng ồn quá lớn Trong hình 3.10, mức độ nhiễu ở khu vực A cao và cường độ tín hiệu thấp nên khả năng phát hiện tín hiệu của tàu thuyền yếu Khu vực B có ít nhiễu hơn và công suất tín hiệu cao hơn, giúp tăng khả năng phát hiện tín hiệu của thuyền Tín hiệu bị suy yếu do gió và tốc độ của thuyền Những chiếc thuyền cũng được phát hiện từ trạm căn cứ Màu đỏ thể hiện vùng phát hiện tín hiệu có độ nhiễu cao khi tàu thuyền di chuyển với tốc độ cao và hướng gió tăng nhanh Như vậy, điều này đã cho thấy LoraWAN có khả năng phát hiện tín hiệu tốt trong cả những điều kiện khó khăn nhất Việc sử dụng LoraWAN kết hợp với BLE giúp giải quyết các thách thức về truyền tải dữ liệu từ thiết bị xuống máy chủ một cách hiệu quả và đáng tin cậy

Hình 3.10: Hai loại vùng phát hiện tín hiệu tàu thuyền khi thời tiết xấu được thể hiện ở 10 khu vực tuần tra tượng trưng cho các khu vực tuần tra trên biển, phân chia các khu vực theo mức độ tạp âm

Vùng A: Độ nhiễu cao, cường độ tín hiệu thấp

Vùng B: Độ nhiễu thấp, cường độ tín hiệu cao

52 Hình 3.11 cho thấy có vùng dò tín hiệu ít nhiễu hơn do vị trí thuyền ở gần cổng nên tạp âm nhỏ Màu đỏ thể hiện tín hiệu có độ nhiễu cao Vùng phát hiện tín hiệu có nhiễu cao hơn khi tàu di chuyển nhanh hơn và hướng gió di chuyển nhanh hơn về phía biển Thí nghiệm không hoàn hảo do các yếu tố bên ngoài như tiếng vang tín hiệu do vật liệu thuyền tạo ra tắc nghẽn Để cải thiện chất lượng tín hiệu, nghiên cứu đã tăng cường công suất truyền tải và thực hiện các kịch bản thực tế với sự hợp tác của tình nguyện viên Việc cài đặt được kiểm soát chặt chẽ để đo lường ảnh hưởng của công suất tín hiệu Trong điều kiện tín hiệu nhiễu, vị trí thuyền gần cổng LoraWAN giúp giảm nhiễu Tuy nhiên, mất tín hiệu chủ yếu xảy ra do ảnh hưởng của gió mạnh và sóng biển, cùng với các hướng tàu thuyền khác nhau

Hình 3.11: Tín hiệu thu được tối đa của Anten LoraWAN trong thời tiết xấu

Kết luận chương

Kết quả thí nghiệm đưa ra những phát hiện quan trọng về khả năng và ảnh hưởng của hệ thống mạng LoRaWAN trong việc phát hiện tín hiệu từ tàu thuyền dưới nhiều điều kiện thời tiết và môi trường khác nhau

Thứ nhất, tốc độ di chuyển của tàu thuyền có ảnh hưởng lớn đến tín hiệu thu được từ ăng-ten LoRaWAN Khi thuyền di chuyển khả năng phát hiện tín hiệu tàu thuyền từ cổng LoraWAN cao, nhưng chỉ có thể phát hiện tàu trong khoảng cách ngắn, chỉ khoảng

1 km Điều này làm nổi bật sự quan trọng của việc hiểu rõ về tốc độ thuyền để đảm bảo hiệu suất hệ thống

58 Thứ hai, thời tiết xấu, đặc biệt là trong điều kiện nhiễu cao, tạo ra độ giảm cường độ tín hiệu, ảnh hưởng đến khả năng phát hiện tàu thuyền khi đang đậu ở khoảng cách tối đa 500 mét Điều này đặt ra thách thức lớn trong việc duy trì độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt

Thứ ba, sóng biển mạnh và gió có thể tạo ra tiếng ồn và nhiễu tín hiệu, ảnh hưởng đến khả năng phát hiện tàu thuyền Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng thời tiết có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thu tín hiệu, và việc phân tích các yếu tố này là quan trọng để hiểu rõ về hiệu suất của hệ thống

Cuối cùng, việc kích hoạt chức năng chứng thực và khóa giúp khuếch đại tín hiệu và củng cố bảo mật dữ liệu Tín hiệu tăng lên khi trời nắng, và khả năng phát hiện tàu thuyền từ cổng LoraWAN có thể đạt đến khoảng 3-5 km

Như vậy, kết quả cuối cùng của nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình LoRaWAN mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng giảm nhiễu và cải thiện độ an toàn trong việc giám sát tàu thuyền Mô hình có khả năng phát hiện tàu thuyền dựa trên nhiều yếu tố như thông số thời tiết, cường độ tín hiệu, và khối lượng dữ liệu được truyền đi Điều này thích hợp với mục tiêu của nghiên cứu, là tạo ra một hệ thống giám sát thuyền sử dụng các thông số thời tiết, Bluetooth Low Energy (BLE), và mạng LoRaWAN

Hệ thống được đề xuất đã được kết hợp với các giao thức bảo mật như MQTT, TLS và SSL, đảm bảo tính an toàn của dữ liệu truyền qua mạng Mô hình này đã được đánh giá hiệu suất trong việc phát hiện tàu thuyền thông qua các cổng và cơ chế mạng LoRaWAN

Bằng cách kết hợp BLE và LoRaWAN, hệ thống đã thành công trong việc truyền gói dữ liệu theo thời gian thực để hỗ trợ giám sát tàu thuyền Mạng LoRaWAN đã xử lý dữ liệu thời gian thực và cung cấp thông tin cho bảng điều khiển trên máy tính để bàn và các ứng dụng di động Kết quả đo lường cho thấy rằng việc truyền tín hiệu đạt được tiêu chuẩn sản xuất của LoRaWAN Như vậy, nghiên cứu đã đạt được một hệ thống hiệu quả và an toàn để giám sát và phát hiện tàu thuyền trong thời gian thực, sử dụng kết hợp của các công nghệ như BLE và LoRaWAN, cùng với các biện pháp bảo mật hiện đại