Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Nghiên cứu và thiết kế bảng giá điện tử ứng dụng trong siêu thị thông minh dựa trên công nghệ LORA

Thiết bị trong đề tài sẽ tích hợp công nghệ truyền thông không dây LoRa, với ưu điểm về khoảng cách và tiêu thụ năng lượng thấp.. Các siêu thị hay cửa hàng không thể kết nối số lượng lớn

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

LE XUAN MINH - 19521838 TRAN QUOC SƠN - 19522142

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ THIET KE BANG GIÁ ĐIỆN TỬ

ỨNG DỤNG TRONG SIÊU THỊ THÔNG MINH

DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ LORA

RESEARCH AND DESIGN THE ELECTRONIC SHELF LABEL IN THE SMART SUPERMARKET BASED ON LORA TEHNOLOGY

KY SU NGÀNH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

TP HO CHi MINH, 2023

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm thực hiện khoá luận xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy

Cô tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin - ĐHQG TPHCM nói chung và

khoa Kỹ thuật Máy tính nói riêng Những kiến thức và kinh nghiệm mà các Thầy Cô đã truyền đạt cho chúng tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại

học Công nghệ Thông tin là rất quý báu và giúp chúng tôi trang bị được những

kiến thức và kỹ năng cần thiết để có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thay TS Trịnh Lê Huy, giảng viên khoa Kỹ thuật Máy tính, là người đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ nhóm trong suốt quá trình thực hiện khóa luận Thay đã luôn sẵn sang trả lời các thắc

mắc của nhóm, tận tình hướng dẫn và góp ý với những sai sót trong quá trình

làm việc dé nhóm có thé khắc phục va cải thiện Những góp ý, định hướng của Thầy đã giúp nhóm hoàn thiện khóa luận của mình hơn và cũng là những hành

trang quý báu giúp nhóm tiếp bước trong quá trình học tập và công việc sau này.

Nhóm cũng muốn bày tỏ sự biết ơn đến bạn bè, các anh chị và công ty

RFThings Vietnam vì đã đồng hành cùng nhóm, chia sẻ kinh nghiệm và hỗ trợ

trong quá trình thực hiện khóa luận.

Vì giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của nhóm còn nhiều thiếu sót

và hạn chế, nhóm mong muốn được sự thông cảm, chia sẻ và góp ý từ quý Thầy

Cô đề khóa luận của nhóm được hoàn thiện và nâng cao hơn.

Cuối cùng, nhóm xin chúc quý Thầy Cô tại trường Đại học Công nghệ Thông tin, đặc biệt là khoa Kỹ thuật Máy tính sẽ gặt hái nhiều thành công hơn

nữa trong công tác giáo dục đại học và là người định hướng tận tâm cho nhiều thế hệ sinh viên tiếp theo Nhóm xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô!

TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Lê Xuân Minh, Trần Quốc Sơn

"95271072 Ẽố 3

Chương 1 TONG QUAN VE DE TÀI 2 ESE+SE+E22E2E£EeEEeEEerkerxrrrrei 5 1.1 Tinh hình nguyên cứu trong nước va Ngoal NUGC -5++<<++ss++ 5 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nƯỚC - - s++- + + s+ssseseereserrsrrs 5 1.1.2 Tinh hình nghiên cứu ngoải nƯỚC - 6 5c £ + sseseerrs 6 1.1.3 Một số sản phẩm trên thị tường - -c + k cv sieessereerreree 7 1.2 Mục tiêu và giới hạn của đề tài -©5¿©52+2++ExeEEcEEEEEEEEEkrrkrrrkrrkervees 9 Chương2 CO SỞ LÝ THUYÊT - ¿5£ +E+SE+EE£EE£EEEEE2EEEEEEEeEEerkrrkrree 11 2.1 Công nghệ truyền thông không dây LolRa -2- 2 2 5552 s52 11 2.1.1 Témg quan về LOR@ eceeccecesscsseseessessesscsseseesessessessesucsecsecsessesseesesseese 11 2.1.2 Một số khái niệm co ban trong công nghệ LoRa - 13

2.1.3 LoRaMENeuar >veas | ⁄4 15

2.1.4 Phân loại lớp cho các end-d€vVIC€ - + + seseesseeseeseree 17 2.2 Công nghệ màn hình E-paper [7] eee eee 5+ ++++*£++kE£sEeeeeseeeseeee 19 2.3 Nền tảng hỗ trợ ứng dụng IoT — LOSanI - 2-52 252+S£+E+£E+£xe£EeEssrseẻ 25 2.4 MQTT Ặ 2< 2k t2 2 221121121121121101111211 211.111 26 2.5 Kết luận 2c- 2k 2k2 2212211221127121121112111211211 11a 27 Chương 3 THIẾT KE VÀ HIEN THỰC HE THÓNG -: 29

3.1 Tổng quan mô hình hệ thống - 2 2 2£ +++E£+E++EE+EEzEzEz+Eszrxerxeee 29 3.2 Thiết kế ESL với vi điều khiến STM32WLE5C8U6 -: 30

3.2.1 _ Tổng quan về vi điều khiển STM32WLE5C8U6 - 30

3.2.2 _ Thiết kế thiết bị ESL dựa trên STM32WLE5C§U6 - 32

3.2.3 Kết luận về thiết kế ESL sử dụng STM32WLE5C8U6 36

3.3 Thiết kế thiết bi ESL với module RA31/72 - 2 s+s+z+Es+t+EzEzszxez 38

3.3.1 Tổng quan về module RAK3172 2 ¿+++2z++x++zx++zxe+ 383.3.2 _ Thiết kế thiết bi ESL dựa trên module RAK3172 . - 403.3.3 Kết luận về thiết kế ESL sử dụng RAK3172 -2- 55-552 453.4 Thiết kế antenna cho thiết bị - 2+ 2+5++2x+2x2E+E+Exerxvrrerxerxerseee 463.5 Thiết kế phần mềm - 2-2 2 2 £+E£+E£EE£EE£EEEEESEESEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrkrrkee 50

3.5.1 _ Giải pháp tôi ưu hoạt động cho thiết bị ESL - 5-5522 50

3.5.2 The Things NetWOrK SH ng kg 51

3.5.3 Thiết kế dashboard dé tương tác với thiết bị ESL - - 54Chuong 4 CAC KET QUA VÀ DANH GIÁ - 2 ©5c2c£2cs+cxerxcez 58

4.1 Kết quả thực nghiệm của thiết bị ESIL - - 2-2 s2 2+£2+s£+Ee£xezxzrszxez 584.2 Kết quả thực nghiệm của hệ thống ESL : 2¿ 2 5+2c++2z++cxesr+z 71

4.2.1 _ Kịch bản thực nghiệm của hệ thống ESL 25-5 52 5+: 71

4.2.2 Kết quả và đánh giá sau khi thực nghiệm hệ thống ESL 73Chương 5 KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN -. : -: 77

5.1 KẾt Uae ceccccccccccccsssessessssssessessessussssssessessusssessessussiseseesessussssesessesseesseeseesess 71U20 1.0 Ả 78

TÀI LIEU THAM KHẢO - - St kSEkSE‡EEEEEEEEEEEEEEEEEEEESEEEEEETEEEEEEEkekrrrrkrkee 80

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thiết bị Eink 2.13 inch của nhóm tác giả Tú-Bình 2- 5-2-2 5Hình 1.2 Thiết bị ESL của nhóm tác giả [4] -2- 5+ ©5z2£+++£x+zxz+zzzserxeei 6Hình 1.3 Cấu trúc ESL node của nhóm tác giả [S] .cc Sky 7Hình 1.4 Sản phâm RE-294 NFC của OPTICON -2- 2s+x+£xz+xzzserxeei 8Hình 1.5 Sản phẩm ESL của hãng Mineww -2¿- 2c ©5++2S+2Ex+2Exezxeerxerrxesrxee 8Hình 2.1 Quan hệ giữa băng thông và phạm vi truyền của một số công nghệ 11

Hình 2.2 Kiến trúc mạng LoRaWAN ¿5c tk 2112112112121 111111 xe 16

Hình 2.3 Hoạt động của thiết bị Ở Class A -cc St St EEEEEEEEEErkerrkerkekrree 17Hình 2.4 Hoạt động của thiết bị ở Class Đ - Set tk EkEEEkErkekerkererrrrs 18

Hình 2.5 Hoạt động của thiết bị ở Class C -.Scs St St 2 E1 E123511212111 21512111 Exer 19

Hình 2.6 Cau trúc của màn hình E-paper -¿ -:- 2-2 5¿+x++++x++zx+rxerxeeree 20

Hình 2.7 Module driver và màn hình E-paper 2.13 inch của hãng GoodDisplay 20

Hình 2.8 Chế độ ghi của giao tiếp 4-wire SPI - 2-5-2 2+cz+E££Eerxerxerxersrree 23

Hình 2.9 Chế độ đọc của giao tiếp 4-wire SPI ¿- 2-52 2+ ++ke£kerkerxerxersrree 24

Hình 2.10 Schematic tham khảo của màn hình E-paper 2.13 inch 24

Hình 2.11 Giao diện của website OSaTE 2c 32111113 111 rrsrreerrrre 26

Hình 2.12 Kiến trúc của MQTT public/subscribe - 2-2 2 2s +x+zx+zs+zsz +2 27

Hình 3.1 Tổng quan mô hình hệ thống của đề tài 2-2 s+sz+ss+z++zxzsz 29Hình 3.2 Cấu trúc của dòng chip STM32WLE5x - 2-2 2+scxecxecxerxersrrez 31Hình 3.3 Cấu trúc phan cứng của thiết bi với MCU S§TM32WLE5 - 33Hình 3.4 Schematic của thiết bi ESL với MCU STM32WLE5 5 34Hình 3.5 Layout của thiết bị ESL với MCU STM32WLE5 -5-55c552 35Hình 3.6 3D của layout thiết bị ESL với MCU STM32WLEã5 - .: 36Hình 3.7 Mạch thực tế của thiết bị ESL với MCU STM32WLES5 36

Hình 3.8 Lỗi RX_TIMEOUT trên MCU STM32WLE5C8U6 - 37

Hình 3.9 Module RA K3 1Ï72 - s5 1 019301910 91 910119101191 ng Hư 38

Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống trong RAK3172 ¿+©sz2cxz+z++zx++zs+ 40Hình 3.11 Cấu trúc phần cứng của ESL với RAK3172 ¿ -¿s¿ss+cs+ 40

Hình 3.12 Mạch E-paper trong thiết kế ESL với RAK3172 -:-5¿ 41Hình 3.13 Mach Power Supply trong thiết kế ESL với RAK3172 42Hình 3.14 Mạch RAK3172 controller trong thiết kế ESL với RAK3172 42

Hình 3.15 Schematic của thiết bi ESL sử dụng module RAK3172 -.- 43

Hình 3.16 Layout của thiết bị ESL sử dụng RAK3172 c5 s+cs+cs+se2 43Hình 3.17 3D của layout thiết bi ESL sử dụng RAK3172 -2- s22 s2 44Hình 3.18 Mạch thực tế của thiết bi ESL sử dụng RAK3172 -: 44Hình 3.19 Thiết bị ESL với đóng gói hoàn chỉnh 2: 2 5¿22xz2z+>s+sc+z 45

Hình 3.20 Quá trình nạp firmware cho ESÌ - - - c St series 46

Hình 3.21 Antenna cho thiết bị ESL -c¿225v2c+evEE+verrtrrrterrtrrrkrrrrrrrkeg 47

Hình 3.22 Board mach ESL khi được lắp thêm antenna 5 s22 s2 48

Hình 3.23 Thiết bị đo antenna -.+t+22++++vE+ttcccckrrtrrkrrtrrtrrrrrtkrrrrrrrrrrrrriie 48Hình 3.24 Kết quả tần số hoạt động của antenna -¿ -¿s©s+2cx+zx+zxsersz 49Hình 3.25 Kết quả mô phỏng độ bức xạ của antenna -¿-s¿sz5+=s+ 50Hình 3.26 Sơ đồ luồng hoạt động của thiết bị ESL -2¿ 2 5¿22s2>s++cs2 51Hình 3.27 Dang ký thiết bị trên TIN ceccesccccccccccccscssceseesessessessessessesssecsessesseesesseaee 52

Hình 3.28 Mô tả JoinEUI, DevEUI, AppKey của thiết bị -. 5- 5552552 53

Hình 3.29 Các devices trên 'TÏÏN G1191 HH 54

Hình 3.30 Quá trình uplink từ thiết bị lên TTN ¿22 +z++z+++z++zx+zxezsz 54Hình 3.31 Thiết lập kết nối MQTT giữa Losant và TTN .: -: -5+ 55Hình 3.32 Tao workflow cho các thiết bị ESL ¿+ 2 +x+++E+E+EeExexerxererxers 56Hình 3.33 Dashboard của hệ thống ESL - 2: 2522 £S£+££+E££E+£EeExerxerszrez 57Hình 4.1 Mặt trước của phần cứng ESL - 2 2 +2 + +2 ££+E+EerEerxerxerxxee 60Hình 4.2 Mặt sau của phần cứng ESL 2- ¿2£ 5++S+2Ex2EEtEE+erxzrxerresree 60Hình 4.3 Phần cứng hoàn chỉnh của ESL 2- 2 5¿©2+¿2++2+++£x2zxvzxssrs+ 60

Hinh S29 61

Hình 4.5 Môi trường kiểm tra ant€nnna ¿- ¿5c s x+S++EE+E£+E£E£Eerkerxerxererree 62

Hình 4.6 Kết quả do mức phát xạ của thiết bị -2- 2 2 2 2+E££Ee£x+£xererszsez 62Hình 4.7 Quá trình hoạt động của thiết bi ESL mà nhóm thiết kế - 63

Hình 4.8 Mức năng lượng tiêu thụ của thiết bi ESL mà nhóm thiết kế 64

Hình 4.9 Mức năng lượng tiêu thụ của thiết bị ESL khi uplink và downlink 65

Hình 4.10 Mức tiêu thụ năng lượng cua ESL khi thực hiện cập nhật dtr liệu 66

Hình 4.11 Tuổi thọ của thiết bị với chu kỳ cập nhật 1 lần/ngày 67

Hình 4.12 Tuổi thọ của thiết bị với chu ky cập nhật 2 lần/ngày - 67

Hình 4.13 Tuổi thọ của thiết bị với chu kỳ cập nhật 3 lần/ngày 68

Hình 4.14 Tuổi thọ của thiết bị ESÌL -2- 2: ©5£25£2SE£SE£EE£2EESEEvEEtEEErEkrrkerkrrex 68 Hình 4.15 VỊ trí đặt cla Øat€WAY HH HH TH Hàn HH hư 70 Hình 4.16 Hướng nhìn của các thiết bi trong group tới gateWay - 72

Hình 4.17 Vị trí các node trên bản đỒ - - ¿+ t+k+Ek+E£EESEEEEEEEEEEEkekerkerrrkererrrrs 72 Hình 4.18 Dữ liệu về số gói tin rớt và sé gói tin nhận được trong một node 74

DANH MỤC BANG

Bang 2.1 Cấu trúc chân của E-paper 2.13 inch -s- 2 2 z+s+zxezxerxsrszrszsee 21Bang 3.1 Một số thông số của LDO NCV8170 ccsscsssessessesssessessessssssessessessseeseeseess 33Bảng 4.1 Quy trình kiểm tra chat lượng cho phan cứng ESL . - 58

Bang 4.2 So sánh giữa ESL của nhóm va datasheet RAK3 172 - -«- 69

Bảng 4.3 Bảng so sánh giữa ESL của nhóm và một số nghiên cứu liên quan 70Bảng 4.4 Bảng tổng hợp số liệu về độ rớt gói của thiết bị -2- 2 s52 75

DANH MỤC TỪ VIET TAT

ESL Electronic Shelf Label

LoRa Long Range

MCU Microcontroller Unit

NFC Near Fleld Communication

LoRaWAN Long Range Wide Area Network

RF Radio Frequency

IP Internet Protocol

GPS Global Positioning System

loT Internet of Things

DPI Dots Per Inch

SPI Serial Peripheral Interface

MQTT Message Queuing Telemetry Transport

HTTP Hypertext Transfer Protocol

QoS Quality of Service

PCB Printed Circuit Board

ỨC Inter-Integrated Circuit

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter USB Universal Serial Bus

LP-UART Low Power UART

RTC Real-Time Clock

LDO Low Drop-Out

OTAA Over-The-Air Activation

ABP Activation By Personalization

GPIO General Purpose Input/Output

ADR Adaptive Data Rate

TOM TAT KHÓA LUẬN

Đề tài khóa luận “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KÉ BẢNG GIÁ ĐIỆN TỬ ỨNG

DỤNG TRONG SIÊU THI THONG MINH DỰA TREN CÔNG NGHỆ LORA”thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bảng giá điện tử, được sử dụng dé trungbày thông tin sản phẩm tại các siêu thị thông minh hoặc các cửa hang bán lẻ Sau

khi hoàn thành thiết kế và chế tạo thiết bị, đề tài sẽ tiến hành triển khai một hệthống bảng giá điện tử cơ bản với 25 thiết bị đầu cuối (nodes)

Thiết bị trong đề tài sẽ tích hợp công nghệ truyền thông không dây LoRa, với ưu

điểm về khoảng cách và tiêu thụ năng lượng thấp Bên cạnh đó, đề tài cũng đề cậpđến việc phân tích và thiết kế phần cứng của thiết bị, nhằm tối ưu hóa mức tiêu thụnăng lượng Sau đó, hệ thống sẽ được triển khai với nhiều node dé đánh giá hiệuquả của các node trong hệ thống

Sau cùng, từ các kết quả đo đạc và thực nghiệm, thiết bị bảng giá điện tử hoạt động

đúng chức năng, có phạm vị giao tiếp rộng và tuổi thọ lên đến 6.2 năm, đáp ứngđược nhu cầu thực tế trong các siêu thị hoặc cửa hàng bán lẻ ở Việt Nam

Báo cáo khóa luận bao gồm 5 chương, nội dung cụ thê như sau:

e Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 1 sẽ trình bay, phân tích các đề tài

nghiên cứu và một số sản phâm liên quan, từ đó làm nỗi bật lý do thực hiện

dé tài và đưa ra một số mục tiêu, giới hạn khi thực hiện đề tài này

e_ Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 sẽ trình bày các nội dung lý thuyết của

các công nghệ sẽ được dé cập trong dé tài này và phân tích các nội dungquan trọng khi áp dụng trong đề tài này

e_ Chương 3: Thiết kế và hiện thực hệ thống Chương 3 sẽ trình bay quá trình

thiết kế, chế tạo phần cứng dành cho thiết bị ESL và việc triển khai một hệthống ESL gồm nhiều thiết bị

e Chương 4: Các kết qua và đánh giá Chương 4 sẽ trình bày việc đo đạc, thực

nghiệm với thiết bị và hệ thong ESL, trên cơ sở đó đưa ra những đánh gia về

hiệu quả của thiết bị và hệ thống ESL

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Chương 5 sẽ tổng kết, phân tíchnhững ưu điểm, hạn chế của đề tài và đưa ra các hướng phát triển tiếp theocho đề tài.

MỞ DAU

Hiện nay, tai các siêu thị hay cửa hàng bán lẻ ở Việt Nam, phương pháp hiểnthị thông tin sản phẩm (tên sản phẩm, hãng sản xuất, giá cả của sản phẩm ) chủyêu là thông qua bang giá cứng (hay còn gọi là bảng giá giấy) hoặc bảng giá treo

Việc sử dụng bảng giá cứng đang phổ biến nhờ vào tính đơn giản và giá thành thấp

khi thực hiện Tuy nhiên, việc cập nhật giá cả và thay đổi thông tin trên bảng giácứng lại khá phức tạp, tốn thời gian và nhân công thực hiện Đồng thời, việc sửdụng giấy in và mực in dé tạo ra bảng giá cứng cũng tạo ra những ảnh hưởng khôngtốt đến môi trường

Bang giá điện tử (ESL) là một thiết bị điện tử dùng dé hiển thị những thôngtin của một sản phẩm trong các siêu thị hay cửa hàng băng một màn hình nhỏ, làthiết bị nổi tiếng được sử dụng thường xuyên trong các siêu thị và cửa hàng thựcphẩm, với kỳ vọng phát triển nhanh chóng trong thời gian tới [1] Các thiết bị bang

giá điện tử được gắn phía trước của sản phâm nhằm cung cấp cho người mua hàngcác thông tin về sản phẩm như tên, giá cả, mã vạch, nhà sản xuất, hạn sử dụng

Các siêu thị hay cửa hàng không thể kết nối số lượng lớn các thiết bị với nhau bằngdây, vì thế nên thiết bị phải được chạy bằng pin, sử dụng giao tiếp không dây đểgiao tiếp và cập nhật thông tin trên màn hình [2] Bên cạnh đó, thiết bị phải có giáthành sản xuất thấp dé có thé sử dụng trong các siêu thị hay cửa hang bán lẻ với sốlượng loại sản phẩm lên đến hàng trăm hay hàng nghìn sản phẩm

Trong thời đại hiện đại, khi công nghệ thông tin đang phát triển nhanh

chóng, việc sử dụng bang giá điện tử để hiển thị thông tin về sản pham thay cho

bảng giá cứng tại các siêu thị hay cửa hang bán lẻ đang trở thành một xu hướng phốbiến tại Việt Nam Thay vì sử dụng bảng giá cứng truyền thống, việc sử dụng bảnggiá điện tử giúp cho các siêu thị tiết kiệm chi phí về in ấn, bảo trì và hiển thị thôngtin sản phẩm tới khách hàng nhanh chóng và chính xác Công nghệ LoRa là mộttrong các công nghệ được áp dụng cho các thiết bị bảng giá điện tử vì những ưu

điểm của nó Thiết bị ESL được tích hợp công nghệ LoRa được nhận định là có

khoảng cách giao tiếp rộng, tiết kiệm năng lượng và chỉ phí sản xuất rẻ [1] Và với

ưu điểm khoảng cách giao tiếp rộng của công nghệ LoRa, việc mở rộng hệ thống

ESL là khả thi [3].

Từ những thực trang và nhận định trên, nhóm đề xuất phương pháp pháp

thiết kế và hiện thực thiết bị ESL dựa vào công nghệ truyền thông không dây LoRa

và triển khai hệ thống ESL từ nhiều thiết bị Thiết bị phải nhỏ gọn để có thé đínhkèm trên kệ hàng, có giá thành hợp lý, khoảng cách giao tiếp xa và có tuổi thọ lâudài Thiết bị với mục tiêu là giải quyết một số vấn đề hiện có của một số côngtrình/đề tài nghiên cứu liên quan và một số sản phẩm ESL trên thị trường Đồngthời, việc ứng dụng công nghệ LoRa vào thiết bị ESL trong đề tài này sẽ tạo tiền đề

và cơ sở cho sự phát triển của thiết bị bảng giá điện tử tại Việt Nam, từ đó đưa vào

sử dung trong các ứng dụng trong xu hướng thành phố thông minh nói chung và cácsiêu thị thông minh nói riêng Do đó, nhóm hình thành ý tưởng và mong muốn thực

hiện đề tài “NGHIÊN CỨU VÀ THIET KE BANG GIÁ ĐIỆN TU UNG DUNGTRONG SIÊU THI THONG MINH DỰA TREN CÔNG NGHỆ LORA”

Chương 1 TONG QUAN VE ĐÈ TÀI

1.1 Tình hình nguyên cứu trong nước va ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong khóa luận tốt nghiệp “Xây dựng hệ thống quản lý kho ứng dụng công

nghệ giao tiếp không dây công suất thấp” của nhóm tác giả Trần Thanh Tú

(16521350) và Trương Thanh Bình (16521634) dưới sự hướng dẫn của Th§ Chung

Quang Khánh, nhóm tác giả đã thiết kế và hiện thực một hệ thống quản lý kho sửdụng trong các nhà máy và khu công nghiệp Hệ thống của nhóm tác giả trình sẽcung cấp cho người sử dụng một giao diện để tương tác với hệ thống và thiết bị,

một server dé lưu trữ dit liệu về linh kiện, app điện thoại dé người đảm nhiệm việclay hàng có thé xác định được vi trí cần lấy hàng và cho phép thông báo mình đãhoàn tat việc lay hàng Nhóm tác giả mô phỏng hệ thống quản lý kho này dựa trên

server giao tiếp với gateway qua module WiFi ESP-WROOM-02, gateway sẽ gửi

dữ liệu xuống thiết bị Eink 2.13 inch dé hiền thi số lượng hàng hóa muốn lấy Thiết

bị Eink 2.13 inch được nhóm tác giả đề cập được thiết kế trên chip nRF52810 có sửdụng công nghệ Bluetooth 5.0 và công nghệ màn hình Eink Hình 1.1 mô tả thiết bịEink 2.13 inch mà nhóm tác giả sử dụng trong dé tài

Hệ thống quản lý kho mà nhóm tác giả trình bày hoạt động tốt, thiết bị Eink2.13 inch có thể hiển thị thông tin số lượng hàng hóa muốn lấy (như hình 1.1) Tuynhiên, nhóm tác giả chưa dé cập hay phân tích chi tiết về phương pháp thiết kế đànhcho thiết bị Eink 2.13 inch này cũng như chưa thực hiện các đo đạc thực nghiệm dékhảo sát khoảng cách giao tiếp giữa thiết bị với gateway và tuổi thọ của thiết bị.Cùng với đó, nhóm chưa tác giả chưa đề cập tới triển khai thực nghiệm với hệ thốnggồm nhiều thiết bị.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong nghiên cứu [4], nhóm tác giả đã đề xuất thiết kế cho bảng giá điện tửtrong bài báo Nhóm tác giả sử dụng MCU là MSP430F149 dé điều khiển và chipAVT6202 là driver chip cho E-paper Bài báo tập trung vào phân tích thiết kế điềukhiển driver dùng cho việc hiển thị thông qua việc đề xuất một luồng hoạt độngdành cho driver với mục dich là tối ưu hóa thời gian cần thiết dé hiển thị E-paper.Nhóm tác giả cũng đề cập rằng việc sử dụng màn hình E-paper cho thiết bị ESL làtốt bởi vì ưu điểm mà E-paper có, tức là khi không được cấp nguồn thì hình ảnh trênmàn hình vẫn không biến mắt Hình 1.2 mô tả thiết bị ESL của nhóm tác giả Có thê

thấy, kích thước của thiết bị ESL do nhóm tác giả sử dụng khá lớn, gây khó khăntrong quá trình đóng gói sản phẩm Cùng với đó, nhóm tác giả chưa trình bày dođạc về mức năng lượng tiêu thụ của thiết bị, nhóm tác giả không tích hợp công nghệ

truyền thông không dây nên chưa đề cập tới việc triển khai một hệ thống ESL

Hình 1.2 Thiết bị ESL của nhóm tác giả [4]

Trong nghiên cứu [5], hệ thống ESL do nhóm tác giả trình bày được thiết kếtrên công nghệ truyền thông Zigbee Hệ thống ESL mà nhóm tác giả thiết kế gồm 3

phan: Coordinator, ESL node (như hình 1.3) và router node Đối với ESL node,

nhóm tác gia sử dụng chip CC2430 dé điều khiến và chip S1C05112 làm driver choE-paper Nhóm tác giả cũng trình bày các luồng hoạt động dành cho 3 thành phầntrên nhằm tối ưu mức năng lượng cho một hệ thống ESL Kết quả đo đạc cho thấy

thiết bị của nhóm tác giả tiêu tốn mức năng lượng là 27 mA trong khi hoạt động vàkhoảng cách giao tiếp là 65m Nhóm tác giả chưa đề cập đến nguồn cấp cho thiết bị,

cũng như là tuổi thọ hay là kịch bản kiểm thử khi triển khai hệ thống

Hình 1.3 Cau trúc ESL node của nhóm tác giả [5]

Trong nghiên cứu [6], một thiết kế hệ thống ESL sử dụng công nghệ LoRađược nhóm tác giả trình bày Nhóm tác giả sử dụng chip PICI8F47K40 dé điềukiên, module SX1278 cho việc giao tiếp LoRa, màn hình E-paper dé hién thị Thiết

bị hoạt động ở tần số 433 MHz và dùng nguồn bằng pin LiMnO2 500 mAh Mức

năng lượng tiêu thụ của module LoRa là 20.5 mA ở TX, 10.8 mA ở RX và của màn

hình E-paper là 3.5 mA khi tiến hành cập nhật Sau khi triển khai hệ thống, thiết bị

của nhóm tác giả có thê hoạt động tốt ở phạm vi 8 km ở môi trường đô thị (urban)

Nhóm tác giả còn đề cập tới chi phí cho mỗi thiết bị là đưới 12 đô khi chế tạo hơn

1000 thiết bị

1.1.3 Một số sản phẩm trên thị trường

Sản phẩm RE-294 NFC là sản phẩm ESL mới của hãng OPTICON Sảnphầm được thiết kế dựa trên công nghệ không dây NFC 13.56 MHz và có tan số vôtuyến là 2.4 GHz (2405 — 2480 MHz) đi kèm tốc độ truyền sóng vô tuyến lên tới

250 kbps Giao thức triển khai hệ thống của thiết bị được hãng đề cập là dựa trên

IEEE 802.15.4 Số lượng thiết bị có thé triển khai trong một trạm là 1500 Phạm vi

giao tiếp của thiết bị là 25m khi đặt ở môi trường trong nhà (indoor) và 100m ở môi

trường mở (open-field) Thiết bị này sử dụng nguồn là pin Li-on 12V 135mAh cóthê sạc lại Thiết bị tiêu thụ dòng tối đa 80 mA trong lúc hoạt động Công nghệ mànhình E-ink được sử dụng cho việc hiển thị hình ảnh Hình 1.4 mô tả sản phẩm RE-

294 NFC cua hang OPTICON.

Bio alias oil DISCOUNT

ít hơn 1000 sản phẩm) và sẽ được giảm giá khi chúng ta mua nhiều hơn 1000 sảnphẩm Hình 1.5 mô tả sản phẩm ESL của hãng Minew

Warehousing 500 | Out of stock

Hình 1.5 Sản pham ESL của hãng Minew

(Nguồn: https://vietnamese.alibaba.com)

1.2 Mục tiêu và giới hạn của đề tài

Từ việc tổng hợp và phân tích một số đề tài đã được nghiên cứu ở trong và ngoàinước hay một số sản phẩm đang được giới thiệu trên thị trường, nhóm nhận thấyđược một số kinh nghiệm cả về mặt công nghệ, những ưu điểm lẫn hạn chế của các

đề tài nghiên cứu đó Vì thế, đề tài khóa luận này sẽ phân tích, thiết kế và chế tạo

một thiết bị bảng giá điện tử, sau đó nhóm sẽ triển khai một hệ thống ESL gồm

nhiều thiết bị Mục tiêu cụ thể của đề tài này bao gồm:

e Tổng hop và phân tích về phương diện công nghệ sử dụng, ưu điểm và han

chế của một số dé tài nghiên cứu đã công bố ở trong nước và trên thé giớihoặc một số sản phẩm ESL đang được giới thiệu trên thị trường

e_ Tổng hợp và phân tích các công nghệ được sử dụng cho đề tài này

e Thực hiện thiết kế và chế tạo thiết bi bang giá điện tử dựa trên công nghệ

truyền thông không dây LoRa và công nghệ màn hình E-paper (E-ink) vớitiêu chí tối ưu năng lượng tiêu thụ cho thiết bị ESL này Thiết bị dự kiến sẽ

có tuôi thọ ít nhất 2 năm với số lần cập nhật tối thiếu là 1 lần/ngày Thiết bị

cần được tôi ưu về mặt năng lượng, dự kiến năng lượng tiêu thụ lúc ngủ củathiết bị này là nhỏ hơn 10 uA

e Trình bày giải pháp phần mềm nhằm tối ưu hóa hoạt động cho thiết bị, từ đó

góp phần tối ưu mức năng lượng tiêu thụ của thiết bị

e Tiến hành đo đạc, thực nghiệm và đưa ra đánh giá sau khi hoàn thiện thiết bị

e_ Triển khai một hệ thống ESL gồm 25 thiết bị và đưa ra kịch bản kiểm thử dé

đánh giá hiệu quả hoạt động của thiết bị (phần mềm và phần cứng) trong một

hệ thống

e Đưa ra các kết luận về kết qua đạt được và đề xuất các hướng phát triển cho

dé tài

Bên cạnh những mục tiêu cụ thé ké trên, nhóm cũng đặt ra các giới hạn của đề

tài như sau:

Thiết bị sẽ hoạt động ở khoảng tần số 915-923 MHz (thuộc nhóm KR920),đây là tần số cho phép hoạt động tại Việt Nam.

Do hạn chế về nguồn kinh phí thực hiện, nhóm sẽ triển khai hệ thống ESLvới chỉ 25 thiết bị

Nhóm sẽ triển khai hệ thống trong khuôn viên của trường Đại học Công nghệ

Thông tin - ĐHQG TPHCM.

10

Chương2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Công nghệ truyền thông không dây LoRa

2.1.1 Tổng quan về LoRa

LoRa là một công nghệ truyền thông không dây hiện đang được công ty

Semtech phát triển LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gói tin được gọi là ChirpSpread Spectrum Nhờ vào kỹ thuật này, thiết bị được tích hợp công nghệ này sẽ có

thé giao tiếp với khoảng cách xa

LoRa cung cấp phạm vi liên lạc lớn hơn đáng ké với băng thông thấp so vớicác công nghệ truyền dữ liệu không dây cạnh tranh khác Hình 2.1 cho thấy một sốcông nghệ truyền thông có thé được sử dụng dé truyền dữ liệu không dây và phạm

vi truyền dự kiến của chúng so với băng thông

e_ Khoảng cách tầm xa: LoRa có khả năng kết nối các thiết bị lên đến 30 dam

(48 km) ở vùng nông thôn và khả năng triển khai ở môi trường đô thị (urban)

hoặc môi trường trong nhà có nhiêu tang (deep indoor) với antenna tôi ưu.

11

e Tiết kiệm năng lượng: Các thiết bị LoRa hoạt động ở các chế độ đều yêu cầu

năng lượng tối thiểu, do đó giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị, giảm thiểu chiphí thay thế pin

e_ Tính bảo mật: Công nghệ tích hợp tinh năng mã hóa AES-128 cho thiết bi

đầu cuối, xác thực lẫn nhau, bảo vệ tính toàn vẹn và bảo mật cho dữ liệu

e Tính tiêu chuẩn: Cung cấp khả năng tương tác thiết bị và tính khả dụng toàn

cầu của mạng LoRaWAN để triển khai các ứng dụng IoT ở mọi nơi

e Khả năng định vị: Cho phép các ứng dụng theo dõi mà không sử dung GPS.

e Tinh di động: Dù thiết bị đang di chuyển, việc duy trì kết nối không ảnh

hưởng quá nhiều lên năng lượng tiêu thụ của thiết bị

e Dung lượng truyền tải cao: LoRa hỗ trợ xử lý hàng triệu tin nhắn trên mỗi

trạm sốc (base station)

° Chi phi thap: Giảm chi phí dau tư co sở hạ tang, chi phí thay thé pin, và cuối

cùng là chi phí hoạt động, vận hành.

Các thiết bị LoRa đã cách mang hóa Internet vạn vật (IoT) bang cach cho

phép truyền dữ liệu trên một phạm vi dài trong khi sử dung rat ít năng lượng Khi

được kết nối với mạng LoRaWAN không di động, các thiết bị cảm biến có chipsetLoRa có thé được sử dụng nhiều trong các ứng dụng IoT nhờ vào khả năng truyềnnhận các gói có thông tin quan trọng Công nghệ LoRa có thé được sử dụng trongcác ứng dụng như nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh, IoT công

nghiệp, môi trường thông minh, nhà và tòa nhà thông minh, tiện ích và đo lường

thông minh, chuỗi cung ứng và hậu cần thông minh Thiết bị tích hợp công nghệ

LoRa được thiết kế cho các ứng dụng IoT, một mạng lưới các thiết bị LoRa cơ bản

sẽ bao gôm:

e_ Về phan thiết bị: LoRa là lớp vật lý của thiết bị (hoặc tích hợp các module

không dây), được sử dụng dé tạo liên kết truyền thông tầm xa (còn gọi làLoRa Modulation) Các thiết bị LoRa hay cảm biến (với cấu hình

Transceivers) sẽ được lập trình nhúng thiết kế ứng dụng Các cảm biến thu

12

thập và truyền dữ liệu đến các gateway ở khoảng cách gần và xa, trong nhà

và ngoài trời, với yêu cầu năng lượng tối thiểu

Về phần mạng: Đây sẽ là máy chủ mạng (Network Server) Gateway gửithông tin qua Wi-Fi, Ethernet hoặc Cellular đến máy chủ mạng, chịu trách

nhiệm quan lý mạng như kích hoạt qua mạng, loại bỏ trùng lặp dtr liệu, định

tuyến dit liệu, kiểm soát tốc độ thích ứng (Adaptive rate), quản lý lưu lượng

2.1.2 Một số khái niệm cơ bản trong công nghệ LoRa

Spreading Factor (SF) hay còn gọi là "Hệ số trải phổ" SF được sử dung dé

đánh giá độ rộng của tín hiệu truyền trong công nghệ LoRa Hệ số trải phổ

càng lớn thì tín hiệu truyền đi càng rộng, tốn thời gian truyền đữ liệu hơnnhưng độ chính xác và độ phủ sóng càng cao Ngược lại, nếu hệ số trai phốthấp thì tín hiệu truyền sẽ hẹp hơn, tốn ít thời gian truyền dữ liệu hơn nhưng

độ chính xác và độ phủ sóng sẽ thấp hơn Do đó, việc lựa chọn hệ số trải phổthích hợp là quan trọng nhằm đảm bảo hiệu suất truyền dữ liệu và độ bền của

hệ thống LoRa Các giá trị SF trong LoRa thường từ 7 đến 12, với SF cànglớn thì tốc độ truyền dữ liệu càng chậm, nhưng độ phủ sóng càng rộng và độ

chính xác càng cao.

Bandwidth (BW) hay còn gọi là "Băng thông" BW là thông số đánh giá độ

rộng của băng thông được sử dụng trong công nghệ LoRa Băng thông cảng

lớn, tốc độ truyền dữ liệu càng cao nhưng độ rộng của tín hiệu cũng càng

lớn, dẫn đến tốn nhiều năng lượng và giảm độ phủ sóng Ngược lại, băngthông càng thấp, tốc độ truyền đữ liệu càng chậm nhưng độ phủ sóng và tiêuthụ năng lượng cũng càng giảm Việc lựa chọn băng thông phù hợp cũng rất

13

quan trọng nham đảm bảo hiệu suất truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng

cho hệ thống LoRa Một số giá trị băng thông thông thường được sử dụng

trong LoRa là 125 kHz, 250 kHz va 500 kHz Băng thông 125 kHz được sử

dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng LoRa, vì nó cung cấp sự cân banggiữa tốc độ truyền dữ liệu và độ phủ sóng của hệ thống

Coding Rate (CR) hay còn được gọi là "Ty lệ mã hóa" CR được sử dụng

trong quá trình mã hóa và giải mã tín hiệu trong công nghệ LoRa Ty lệ mã

hóa mô tả tỷ lệ số bit mã hóa được thêm vào trong quá trình truyền tín hiệu,

so với số bit thực tế của tín hiệu đó Tỷ lệ mã hóa càng cao, dẫn đến việcthêm nhiều bit mã hóa và giúp giảm độ nhạy của tín hiệu truyền đi Tuynhiên, việc tăng tỷ lệ mã hóa cũng đồng nghĩa với việc giảm tốc độ truyền dữ

liệu và tăng độ trễ của hệ thống Trong công nghệ LoRa, các giá trị CR thông

thường là 4/5, 4/6, 4/7 và 4/8 Giá trị CR 4/5 là giá trị mặc định được sử

dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng LoRa, nó cung cấp sự cân bằng giữatốc độ truyền dữ liệu và độ nhạy của tín hiệu truyền đi Các gia trị CR caohơn có thê được sử dụng dé tăng độ nhạy của tín hiệu, trong khi các giá tri

CR thấp hơn có thé được sử dụng để tăng tốc độ truyền dữ liệu Việc lựachọn giá trị CR phù hợp là cần thiết nhăm mục đích đảm bảo hiệu suất truyền

dt liệu và độ chính xác của hệ thống LoRa

Signal-to-Noise Ratio (SNR) có nghĩa là "Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu" SNR là một đại lượng đo lường mức độ “sạch” của tín hiệu, so với mức độ nhiễu có

trong tín hiệu đó Tỷ lệ SNR càng cao, tín hiệu càng sạch va dé dàng dé phân

tách ra khỏi nhiễu và ngược lại, tỷ lệ SNR càng thấp, tín hiệu càng bị nhiễu

và khó phân tách ra khỏi nhiễu Trong công nghệ LoRa, SNR là một thông sốquan trọng dé đánh giá độ nhạy của tín hiệu truyền đi Tín hiệu LoRa có thểđược nhận dạng và giải mã ở SNR thấp hơn so với các công nghệ truyền

thông không dây khác, do đó tín hiệu LoRa có độ phủ sóng và độ chính xác

cao hơn ở các môi trường nhiễu và khó khăn Tuy nhiên, việc tăng cường

14

SNR cũng đồng nghĩa với việc tăng công suất truyền tín hiệu và tiêu tốn

nhiều năng lượng hon SNR được biểu diễn dưới dang dB (decibel)

e Received Signal Strength Indicator (RSSI) hay còn gọi là "Chỉ số sức

an"

mạnh tín hiệu đã nhận” RSSI là một đại lượng đo lường mức độ mạnh cua

tín hiệu đã nhận được trên một đường truyền không dây Trong công nghệ

LoRa, RSSI là tham số được dùng để đánh giá độ mạnh yếu của tín hiệu

LoRa đã nhận được tại thiết bị hoặc gateway RSSI thường được đo bằngđơn vị dBm và có giá trị âm, thể hiện mức độ mạnh của tín hiệu đã nhậnđược Các giá trị RSSI thấp hơn -100 dBm thường được coi là tín hiệu yếu,

trong khi các giá trị RSSI cao hơn -70 dBm thường được coi là tín hiệu

mạnh RSSI là một thông số quan trọng dé đánh giá độ phủ sóng và hiệu suất

truyền dit liệu của hệ thống LoRa Nó cũng được sử dụng dé tính toán

khoảng cách giữa các thiết bị và gateway, dựa trên việc tính toán độ lớn củatín hiệu được nhận được và giả định về độ hao hụt của tín hiệu đó khi dichuyền qua không gian

2.1.3 LoRaWAN

LoRaWAN là một giao thức mạng có công suất thấp và diện rộng được sử

dụng để kết nối không dây cho các thiết bị hoạt động bằng pin với internet trong cácmạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu và được ứng dụng vào các ứng dụng IoTchăng hạn như giao tiếp hai chiều, bảo mật đầu cuối, các ứng dụng có tính đi động

và định vỊ.

Hình 2.2 mô tả kiến trúc mạng LoRaWAN Một hệ thống mạng LoRaWANđược triển khai theo cấu trúc liên kết sao, trong đó các công (gateway) chuyên tiếp

thông tin giữa các thiết bị đầu cuối (end devices) và máy chủ mạng trung tâm

(server) Các gateway được kết nối với máy chủ mạng thông qua các kết nối IP tiêuchuẩn và hoạt động như một cầu nối, chuyên đổi các gói tin RF thành gói tin IP vàngược lại Đặc tính tầm xa của LoRa cho phép thiết bị đầu cuối kết nối với một

hoặc nhiều gateway Giao thức không dây này có khả năng giao tiếp hai chiều và hỗ

15

trợ cho các nhóm địa chỉ phát đa hướng dé sử dụng hiệu quả phố tan trong các tác

vụ như cập nhật phần mềm qua mạng (Firmware Over- The-A1r) hoặc gửi các thông

báo phân phối hàng loạt khác

LoRa RF TCP/IP TLS1.2 TCP/IP TLS1.2

LoRaWAN LoRaWAN Secure Payload

AES Secured Payload

Hình 2.2 Kiến trúc mạng LoRaWAN(Nguồn: https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/architecture/)Một mạng LoRaWAN điền hình bao gồm các thành phần sau:

e© Thiết bị đầu cuối (end devices): Day thường là các thiết bị cảm biến hoặc các

thiết bị gửi tin nhắn không dây được điều chế thông qua LoRa đến gateway

hoặc nhận tin nhắn không dây trở lại từ gateway.

e Gateway: Day là thiết bi nhận tin nhắn từ thiết bị đầu cuối, sau đó chuyên

tiếp chúng đến máy chủ mạng (Network Server)

e_ Máy chủ mạng: Đây là một phần mềm trên máy chủ dùng dé quản lý toàn bộ

mạng.

e Máy chủ ứng dụng: Day là một phần mềm trên máy chủ với trách nhiệm xử

lý dữ liệu ứng dụng.

16

2.1.4 Phân loại lớp cho các end-device

LoRaWAN có ba loại thiết bị đầu cuối khác nhau để giải quyết các nhu cầukhác nhau tùy loại ứng dung, cụ thé bao gồm:

Class A — Công suất thấp nhất, thiết bị đầu cuối giao tiếp hai chiều

Class A là lớp mặc định luôn được hỗ trợ trong tất cả các thiết bị đầu cuối(end devices), giao tiếp trong class A sẽ được khởi tạo bởi thiết bị và hoàn toànkhông đồng bộ Hoạt động truyền lên (uplink) có thé được gửi bat cứ lúc nào và tiếp

đó là hai cửa số truyền xuống ngắn (downlink), tạo cơ hội cho giao tiếp hai chiềuhoặc các lệnh điều khiển mạng nếu cần Đây là một loại giao thức ALOHA

Thiết bị đầu cuối này có khả năng chuyền sang chế độ tiết kiệm năng lượng

khi ở trạng thái ngủ trong khoảng thời gian cụ thể được xác định trong chính ứngdung của nó và không yêu cầu mạng đối với các lần đánh thức định kỳ Điều nàylàm cho class A trở thành chế độ hoạt động với công suất thấp nhất, trong khi vẫn

cho phép liên lạc uplink bất cứ lúc nào Vì truyền thông downlink phải luôn tuân

theo truyền tải đường lên với lịch trình được xác định bởi ứng dụng thiết bị đầu

cuối, nên truyền thông downlink phải được lưu vào bộ đệm tại máy chủ mạng chođến khi có sự kiện uplink Hình 2.3 mô tả nguyên tắc hoạt động của thiết bị ở chế

độ class A như đã trình bày.

END DEVICE

BASE STATION

Received by Cloud Network Server

ALL base stations (MAC Controller)

in range selects best base

station

Hình 2.3 Hoạt động của thiết bị ở class A

(Nguồn: https://www.semtech.com)

17

Class B — Thiết bị đầu cuối giao tiếp hai chiều với độ trễ downlink xác định.

Class B trong LoRaWAN là lớp thiết bị hai chiều với độ trễ xác định trong

việc gửi và nhận tin nhắn Các thiết bị ở class B sẽ được đồng bộ hóa với mạng

bằng cách sử dụng tín hiệu định kỳ (còn gọi là beacon) và mở các “ping slots” cho

quá trình downlink vào các thời điểm đã lên lịch Nó sử dụng cửa số nhận downlinkđược đồng bộ với tín hiệu phát từ gateway để đảm bảo độ trễ xác định Class Bdùng tín hiệu phát từ gateway dé đồng bộ thời gian và mở cửa số nhận tín hiệudownlink vào các thời điểm đã được xác định trước Điều này cho phép mạng gửi

tín hiệu downlink với độ trễ xác định, nhưng đồng thời tốn thêm một lượng năng

lượng nhất định cho thiết bị cuối Thời gian độ trễ này có thể được lập trình lên đến

128 giây để phù hợp với các ứng dụng tùy biến và lượng năng lượng tiêu thụ thêm

là đủ thấp dé các ứng dụng này sử dụng nguồn từ pin Hình 2.4 mô tả nguyên tắc

Class C — Độ trễ thấp nhất, thiết bị đầu cuối giao tiếp hai chiều

Class C là lớp thiết bị hai chiều có độ trễ thấp nhất trong LoRaWAN Nógiảm thời gian trễ trên downlink bằng cách giữ bộ nhận của thiết bị mở liên tục khithiết bị không truyền tín hiệu (gọi là half duplex) Vì vậy, máy chủ mạng có thể

18

khởi tạo truyền tải downlink bất kỳ lúc nào dựa trên giả định rằng bộ nhận của thiết

bị cuối đang mở, do đó không có độ trễ Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là năng

lượng tiêu thụ của thiết bị sẽ tăng lên, vì vậy class C thích hợp cho các ứng dụng sử

dụng nguồn điện liên tục Việc chuyên đổi tạm thời giữa class A va class C là khathi đối với các thiết bi sử dụng pin và hữu ích cho các tác vụ không liên tục như cậpnhật phần mềm qua không gian truyền Hình 2.5 mô tả nguyên tắc hoạt động của

thiết bị ở class C như đã trình bày

RxDelay2

Hình 2.5 Hoạt động của thiết bị ở class C

(Nguồn: https://www.semtech.com)

2.2 Công nghệ màn hình E-paper [7]

Màn hình E-paper (hay còn gọi là E-ink) còn được gọi là màn hình giấy điện tử,

là một loại màn hình hiển thị sử dụng công nghệ "mực điện tử" dé tạo ra hình ảnh

Cơ chế hoạt động của màn hình này dựa trên hiện tượng "điện di" Day là hiệntượng mô tả cho sự di chuyển của các vật thể mang điện tích dưới ảnh hưởng của

điện trường Những hạt mực mang điện sẽ được phủ mỏng lên trên các tắm phim có

điện được gắn vào dé tạo thành màn hình E-ink Khi điện trường trên các tắm phim

thay đổi, những hạt mực sẽ phản ứng va di chuyền theo sự thay đổi này Các hạtmực sẽ giữ nguyên vị trí của chúng và màn hình sẽ hiển thị kết quả ngay cả khinguồn điện bị ngắt, do đó hình ảnh trên màn hình E-paper sẽ không bị mat đi Điềunày cho thấy ưu điểm của màn hình E-paper là không tiêu tốn nhiều năng lượng đểduy trì hình ảnh và chỉ sử dụng điện năng khi cần thiết, tức là khi thay đổi thông tin

19

hiển thị Vì những ưu điểm của nó, màn hình E-paper đang được sử dụng phổ biếntrong việc hiển thị thông tin trên các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực bảng

giá điện tử (ESL) Hình 2.6 mô tả cấu trúc của màn hình E-paper

1 điểm hiển thị (1 pixel)

ee

| + | | = | | = | | + | | +| | = | } Tấm nền điện cực trong suốt phío trên

958%6c6ece9625Q© 525929695906 9096Q°55 222 Lap chit ling chứa cóc hat

= = | [=| [=| [=| [+] Tấm nền điện cực phío dưới

[=] |

mi.

các điểm hiển thi (pixels) được nhìn từ trên

4 ^ 4 ann 4

xuống thông qua tam nền điện cực trong suốt

Hình 2.6 Cấu trúc của màn hình E-paper(Nguén: https://vbookshop.com/cong-nghe-man-hinh-giay-dien-tu)

Chính vì E-paper có ưu điểm về mặt năng lượng tiêu thụ nói trên, đề tài này sẽ sử

dụng paper 2.13 inch cho việc hién thị Hình 2.7 mô tả module driver đành cho

E-paper va màn hình E-E-paper 2.13 inch của hãng GoodDisplay.

Thông số kỹ thuật của màn hình E-paper mà nhóm sử dụng trong đề tài:

e Kích thước màn hình: 2.13 inch (DPI: 130)

e Độ phân giải (Resolution): 250 x 122

Màn hình E-paper 2.13 inch là một module được tích hợp các vi mạch bên trong,

bao gồm gate driver và source driver dùng dé điều khiến tín hiệu, giao thức SPI dé

kết nối tới MCU, bộ điều khiến thời gian dé đồng bộ hóa các tín hiệu, thạch anh(oscillator) dé tạo xung clock cho E-paper, bộ điều khiến cấp nguồn DC-DC, bộ

nhớ SRAM, LUT và mạch VCOM có khả năng điều khiển điện áp đầu ra của màn

hình Màn hình E-paper 2.13 inch này sẽ có 24 chân tín hiệu, bảng 2.1 thê hiện mô

tả và lưu ý trong cấu trúc chân của E-paper 2.13 inch

Bang 2.1 Cấu trúc chân của E-paper 2.13 inch

No.| Tên Vo Mô tả Lưu ý

1 NC NC_ | Không kết nỗi với các chân NC khác Luôn hở

2 | GDR O | Điều khién N-Channel MOSFET Gate

Đầu vào cảm biến dòng điện cho mạch

3 RESE I

Control Loop

4 NC NC_ | Không kết nỗi với các chân NC khác Luôn hở

5 | VSH2 | C_ | Điện áp điều khiến nguồn dương (màu đỏ)

6 | TSCL O | Clock pin - ỨC

7 | TSCA | ƯO | Datapin - ỨC

8 BS1 I Pin lựa chọn chế độ Note |

9 | BUSY O | Chân đầu ra trang thái của E-paper Note 2

21

10 | RES# I Tin hiéu Reset Note 3

11 | D/C# I | Pin điều khiến Data /Command Note 4

12| CS# I | Pin điều khiển Chip Select Note 5

13 | SCLK I Clock pin - SPI

14 SDI ƯO_ | Data pin - SPI

15 | VDDIO p Nguồn cung cấp cho các pin interface

(Kết nối với VCI)

16 VCI P_ | Nguồn cung cấp cho chip

17 VSS P| Nguồn ground

is | VDD C Chân cấp nguồn

(Phải có tụ giữa VDD và VSS)

19 VPP P Chân test Luôn hở

20 | VSHI C_ | Điện áp điều khién nguồn dương

21 | VGH C | Pin cấp nguồn cho GDR dương va VSHI

22) VSL C_ | Điện áp điều khién nguồn âm

23 | VGL C_ | Pin cap nguồn cho GDR âm va VSL

24 | VCOM | C_ | Điện áp điều khién VCOM

NC: No Connection, P: Power pin, I: Input, O: Output, I/O: cả Input va Output.

Note 1: Vi dé tai sử dung chuẩn 4-wire SPI nên chân BS1 được kéo LOW

Note 2: Khi BUSY ở HIGH, không được gui command Chân nay HIGH có nghĩa

là E-paper đang xuất ra dang sóng dé hién thị

Note 3: Chan Reset active LOW.

Note 4: Đây là pin điều khién Data/Command (D/C#) kết nỗi với MCU ở chế độ wire SPI Khi chân được kéo HIGH, tại SDA sẽ được hiểu là dữ liệu Khi chânđược kéo LOW, tại SDA sẽ được hiểu là lệnh

4-Note 5: Khi CS# được kéo xuống LOW thì mới cho phép giao tiếp với MCU

22

MCU thực hiện giao tiếp với E-paper thông qua giao tiếp 4-wire SPI sẽ sử dụng

4 chân: SCL, SDA, D/C# và CS# Khi chân CS# LOW, D/C# LOW và có cạnh lên

SCL, đây là chức năng truyền command Còn khi chân CS# LOW, D/C# HIGH và

có cạnh lên SCL thì đây là chức năng truyền data

Ở chế độ ghi (write mode) (như hình 2.8), SDA được chuyền vào thanh ghi dịch

8 bit trên mọi cạnh lên cua SCL theo thứ tự D7, D6, DO Mức D/C# phải được giữ nguyên trên toàn bộ byte Byte dữ liệu trong thanh ghi dịch được ghi vào Graphic Display Data RAM/Thanh ghi Data/Thanh ghi command theo chân D/C#.

Hình 2.8 Chế độ ghi của giao tiếp 4-wire SPI

Ở chế độ đọc (read mode) (như hình 2.9):

e Sau khi CS# xuống mức LOW, MCU cần xác định thanh ghi sẽ được đọc

e SDA được chuyén vào thanh ghi dich 8 bit trên mọi cạnh lên cua SCL theo

thứ tự D7, D6, DO với D/C# giữ ở mức LOW.

e Sau khi SCL chuyển sang mức LOW cho bit cuối cùng của thanh ghi, D/C#

cần tăng lên mức HIGH

e SDA được dịch ra một dữ liệu 8-bit trên mỗi cạnh xuống của SCL theo thứ

tự D7, D6, DO.

e Tùy thuộc vào loại thanh ghi, có thé đọc ra hon 1 byte Sau khi tat ca byte

được đọc, CS# cần tăng lên mức HIGH dé dirng thao tac doc

23

CS# |

D/C# |

: LỆ Register Parameter

ĐÀ fp? DI X D0

(Write Mode)

SDA

(Read Mode D7

Hình 2.9 Chế độ đọc của giao tiếp 4-wire SPI

Hình 2.10 trình bày schematic tham khảo dé giao tiếp với E-paper 2.13 inch củahãng GoodDisplay Chân BS được nối điện trở 3 ôm và nối ground khi chúng ta sửdụng giao tiếp 4-wire SPI, nối điện trở 10K ôm và nối nguén 3.3 V khi chúng ta sửdụng giao tiếp 3-wire SPI QI được đề xuất là sử dụng mosfet N-channel (D-S)thuộc họ Sil304BDL hoặc Sil308EDL Chân RESE phải nối 3 ôm nối ground vớiloại màn hình trắng đen Các giá tri tụ, trở cảm cuộn cảm nên được tham chiếu theogiá trị đề xuất trên schematic tham khảo

PREVGL MBR0530

eos |I: IỆ

GDR a 3

Si130§EDI SCLK a CN:

= = vn RES RES Pra | >

BUSY BUSY PEI3 8

SPT connect

22

TV EVGL 23 47uE/25V PRLVCL PREVGL

2.3 Nền tang hỗ trợ ứng dụng IoT — Losant

Losant là một nền tảng IoT được phát triển dé hỗ trợ các ứng dụng IoT, bao gồm

cả các ứng dụng đơn giản và phức tạp Đây là một nền tảng miễn phí giúp người

dùng dé dàng xây dựng các ứng dung IoT và giám sát các thiết bị IoT từ xa

Các tính năng của Losant hỗ trợ bao gồm:

e Quan lý thiết bị: Các công cụ hỗ trợ trên Losant cho phép quản lý các thiết bị

thông qua đăng ký thiết bị, quản lý trạng thái và quản lý quá trình cập nhậtphần mềm trên thiết bị

e Quản lý dữ liệu: Losant giúp người dùng quản lý và lưu trữ dữ liệu từ các

thiết bị IoT, bao gồm cả dữ liệu bất đồng bộ và đồng bộ

e Xử lý dữ liệu: Losant cung cấp các công cụ hỗ trợ dé xử lý dữ liệu từ các

thiết bị IoT, bao gom cả xu lý sự kiện và tích hợp các hành động tự động dựa

trên dữ liệu.

e_ Điều khiển và giám sát: Losant cung cấp khả năng điều khiển các thiết bị loT

từ xa và theo dõi trạng thái của chúng dé người dùng có thé quan lý thiết bị

e_ Tích hợp và kết nối: Losant có thé tích hợp với các hệ thông khác và kết nối

với các thiết bị IoT qua các giao thức như MQTT va HTTP

e Tính bảo mật: Losant cung cấp các chức năng bảo mật như xác thực và mã

hóa dé bảo vệ dit liệu của người dùng và các thiết bị IoT

Hình 2.11 là platform Losant cho các ứng dụng về IoT

25

BYP Piatrorm update - custom Dashboard 2 view NOW > CONTACTSALES BLOG DOCUMENTATION © SIGN

Our comprehensive suite of tools allows you to easily connect, visualize, and automate your devices and data, leading to

real-time insights and actionable intelligence: With Losant, data management and orchestration become simple, driving

your business forward.

Get Pricing

Hình 2.11 Giao diện của website Losant

(Nguồn: https://www.losant.com)

2.4 MQTT

MQTT là một giao thức truyền thông theo mô hình publish/subscribe được sử

dụng phổ biến trong các ứng dụng IoT với các ưu điểm như băng thông thấp, độ tin

cậy cao và khả năng hoạt động ôn định trong một mạng lưới không ồn định

Trong giao thức MQTT, các node (client) sẽ kết nối tới một MQTT Broker Các

client này sẽ thực hiện đăng ký một hoặc nhiều kênh (topic), đây gọi là subscribe

Khi một client nào đó gửi dữ liệu lên topic đã đăng ký, các client mà đã đăng ký

topic đó sẽ nhận được dữ liệu tương ứng, quá trình này gọi là publish MQTT

Broker đóng vai trò là trạm trung chuyền tin nhắn (message), sẽ nhận tất cả các tinnhắn từ client gửi lên theo topic đã đăng ký và định tuyến cho các tin nhắn này tớicác client phù hợp Hình 2.12 mô tả kiến trúc của MQTT public/subscribe

26

MQTT Client MQTT Broker MQTT Client

Publish: 24° C c =

Publisher: Temperature Sensor > Subse riber

s Mobile device

Subscribe to topic: temperature

= Publish to topic: temperature

e Nhẹ và hiệu qua: MQTT client yêu cầu ít tài nguyên đề triển khai trên MCU

Tin nhắn trong MQTT được thiết kế nhỏ gọn dé giảm thiểu sử dụng băng

thông mạng.

e Giao tiếp 2 chiều: MQTT cho phép thiết lập kênh giao tiếp hai chiều giữa

client và server.

e Khả năng kết nối số lượng lớn thiết bị

e Gửi tin nhăn đáng tin cậy: MQTT có 3 mức độ dịch vụ cho tin nhắn gồm QoS

0, QoS 1 va QoS 2 Ở chế độ QoS 0 (at most once), Broker/Client gửi dữ liệu

một lần và chỉ có giao thức TCP/IP xác nhận việc nhận thành công Ở chế độ

QoS | (at least one), Broker/Client gửi it nhat một gói tin nhận thành công chonơi gui Ở chế độ QoS 2 (exactly once), Broker/Client chỉ gửi một gói tin cho

nơi gửi dé xác nhận rang quá trình thành công

e H6 trợ cho các mạng không đáng tin cậy

e Có thé tích hợp bao mật

2.5 Kết luận

Dựa trên các phân tích cơ sở lý thuyết đã trình bày ở phía trên, nhóm đã đưa ra

một sô kêt luận đê thực hiện dé tai này như sau:

27

Đề tài sẽ ưu tiên sử dụng MCU có tích hợp LoRa trên chip hơn là sử dụngMCU + module LoRa Transceiver bởi vì sẽ tiết kiệm diện tích khi thiết kếlayout PCB nham tạo tính thẩm mỹ cho thiết bị khi kết hợp cùng màn hình

Dé triển khai hệ thống dễ dàng, nhóm sẽ sử dung các công cụ miễn phí và

mã nguồn mở Cụ thé, nhóm sẽ sử dụng The Things Network và Losant déthiết kế lớp ứng dụng để kết nối với thiết bị ESL

28

Chương 3 THIẾT KE VÀ HIỆN THỰC HỆ THONG

3.1 Tống quan mô hình hệ thống

=

Node | Node 2 Node n

Hình 3.1 Tổng quan mô hình hệ thống cua đề tài

Dựa trên những cơ sở lý thuyết đã phân tích và các khảo sát về các đề tài nghiên

cứu/sản phẩm liên quan, nhóm đề xuất một hệ thống ESL với mô hình được trình

bày như hình 3.1 Trong đó, hệ thống ESL mà nhóm sẽ thiết kế được chia làm ba

phần chính, cụ thể như sau:

e Phần end device: Đó là thiết bị ESL Nhóm sẽ thiết kế và chế tạo phan

cứng cho thiết bi ESL được tích hợp công nghệ LoRa dé giao tiếp và hiển

thị thông tin thông qua màn hình E-paper 2.13 inch MCU được sử dụng

trong phần cứng sẽ điều khiến màn hình E-paper thông qua giao thức SPI.Thiết bị sẽ giao tiếp với gateway qua các gói tin LoRa

29

e Phần Network Server: Nhóm sẽ sử dung gateway outdoor RAK7240 lên

tới 16 channels có thé truyền nhận gói tin LoRaWAN được sử dụng dé

tăng khả năng nhận tín hiệu và phân chia các thiết bi Gateway sẽ chuyêntiếp các gói tin được nhận từ thiết bị tới The Things Network (TTN) vàphát các gói tin từ TTN xuống các thiết bị

Phan application: Nhóm sẽ sử dụng nền tảng IoT Losant dé phát triển lớpứng dụng cho hệ thống ESL Ứng dụng này cho phép người dùng điềukhiển việc cập nhật thiết bị ESL và quản lý các thiết bị ESL thông quacác thông số như năng lượng, RSSI

3.2 Thiết kế ESL với vi điều khiến STM32WLESC8U6

3.2.1 Tổng quan về vi điều khiến STM32WLE5C8U6

Vi điều khiên dòng STM32 của hãng STMicroelectronics nổi tiếng vì những

ưu điêm và tính năng mà nó đem lại, có thê kê đên như:

Hiệu suất cao: Vi điều khiển STM32 với bộ xử lý ARM Cortex-M, cótốc độ xử lý nhanh, giúp giảm thời gian phản hồi và tăng tính ổn định

Tinh đa dạng: STM32 có nhiều dong vi điều khiển với nhiều tính năng

và kích thước khác nhau, tạo ra sự đa dạng và phù hợp với các ứng

dụng khác nhau.

Tính linh hoạt: STM32 hỗ trợ các chuẩn giao tiếp như SPI, IC, UART,

USB giúp dễ dàng kết nối với các thiết bi và module khác

Tiết kiệm năng lượng: STM32 có mức năng lượng tiêu thụ thấp, từ đótăng tuổi thọ thiết bị (tăng thời gian sử dụng của thiết bi)

Dễ dang sử dụng: Lập trình cho STM32 có thé sử dụng ngôn ngữ lập

trình quen thuộc như C/C++.

Có cộng đồng hỗ trợ: STM32 có một cộng đồng hỗ trợ lớn(https://community.st.com/), với đầy đủ tài liệu và nguồn tu vấn hữu

ích, hỗ trợ quá trình phát triển ứng dụng dé dàng và nhanh chóng hơn.

30

Vì những ưu điểm ké trên, vi điều khiển STM32 có thé được sử dụng cho cácứng dụng liên quan đến IoT Từ đó, nhóm quyết định sử dụng dòng chip STM32hiện thực thiết bị ESL.

Sau một thời gian tìm hiểu đề tài bước đầu, nhóm nhận thấy vi điều khiển

STM32WLESC8U6 là một con chip thuộc dòng chip STM32WL của hãng

STMicroelectronics Đây được giới thiệu là một dòng chip mới của hãng, được tích

hợp công nghệ LoRa trên chip (LoRa in SoC) cho phép chip giao tiếp với LoRa màkhông cần sử dung các module hỗ trợ giao tiếp LoRa Vi điều khiển STM32WLE5xtích hợp không dây, đa điều chế và có công suất cực thấp Hình 3.2 thé hiện cau trúc

của dòng chip STM32WLE5x Cụ thê, vi điều khiển này dựa trên bộ xử lý ARM®

Cortex®-M4 chạy ở clock 48 MHz và có bộ thu phát sóng dựa trên Semtech

SX126x Vi điều khiển STM32WLE5x là nền tảng mở hỗ trợ chế độ điều chế LoRa

Single Silicon Die

(Nguồn: https://www.mouser.vn/datasheet/2/389/stm32wle5c8- 1903 15 1.pdf)

e Đóng gói kiểu UFQFPN48 (7 x 7 mm)

e Arm® Cortex®-M4 CPU với clock lên đến 48 MHz

e 256 KB Flash và 64 KB SRAM

31