LoRa" RF TCP/IP SSL TCP/IP SSL LoRaWANTM LoRaWANTM Secure Payload AES Secured Pavload Hình 1 Kiến trúc LoRaWan Giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và công kết nối được trải rộng trên các kê
Tổng quan 2-2: s2S£2E£2EE9EE9EEEEEEEEEEEE2E12112217171711211211211 1111
Tổng quan công nghỆ - 2-2: 2 +22EE+EE+2EE2EEE2EEEEEEEEESEEEEEESEkrrrrerkrsree 3 1 Cong nghé hién tate Ở©”ÔẢẦ
Internet of Things là một mô hình giao tiếp mới xuất hiện gần đây trong bối cảnh của mạng máy tính Nó bao gồm mở rộng kết nối Internet tới các thiết bị vật lý, xe cộ, tòa nhà và các vật dụng khác, cho phép chúng thu thập và trao đổi dữ liệu Có nhiều tính năng phân biệt IoT với các kiến trúc mạng trước đây [1]:
* Mô hình Machine-to-Machine: không giống như các ứng dụng internet truyền thống, chăng hạn như email hoặc web, trong IoT, các thiết bị có thé giao tiếp mà không cần sự tương tác của con người Ví dụ, một số cảm biến có thé thu thập dtr liệu và gửi chúng đến một bộ điều khiển, bộ điều khiển này chịu trách nhiệm quan lý một số bộ truyền động Trong trường hợp này, tất cả các liên lạc được kích hoạt bởi các thiệt bị mà không có sự tương tác của con người.
* Truyền thông không dây: Các ứng dụng mới được kích hoạt bởi IoT thường yêu cầu phạm vi phủ sóng lớn, đặc biệt là xem xét các thành phố thông minh Do đó, kết hợp với mật độ ngày càng tăng của các thiết bị thông minh, dẫn đến nhu cầu chỉ có truyền thông không dây trong IoT.
* Kha năng kết nối: Với việc loT phát triển với tốc độ nhanh chóng, việc kết nối rất nhiều thiết bị sẽ là một thách thức lớn đối với tương lai của IoT Các mô hình và cấu trúc mạng hiện tại sẽ không xử lý được nhiều thiết bị cùng một lúc Đề các thiết bị được kết nối tiếp tục tồn tại, sẽ có sự thay đôi từ mô hình tập trung hiện tại của mô hình Máy chủ-Máy khách sang mô hình Peer-to-Peer phi tập trung.
Ngoài ra, các mô hình điện toán sương mù của các mạng di động sẽ đưa các chức năng của chúng lên một tầm cao [2].
* Low power consumption: Trong IoT, các thiết bị thường chạy bang pin, vì vậy một trong những mục tiêu của các giao thức được thiết kế đặc biệt cho IoT là giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng;
* Place and Play: Dé đạt được phạm vi phủ sóng rộng rãi, các thiết bị loT phải chạy san sàng, không yêu cau bat kỳ cau hình nào; jo
* Chi phí thấp: Tất cả phan cứng được sử dụng cho IoT phải đơn giản dé có thé sản xuất hàng loạt với chi phí thấp.
Vì vậy, để Internet of Things nhanh chóng lan rộng, cần phải tìm ra một công nghệ truyền thông được thiết kế ngay từ đầu dé đáp ứng yêu cầu này Với mục đích này, trong các trang sau, các công nghệ truyền thông chính được mô tả và phân tích nhanh chóng.
Trước khi khám phá các tính năng của LoRa và các LPWAN khác, một cuộc khảo sát nhỏ về các công nghệ có sẵn hiện tại cho phép các ứng dụng IoT sẽ được trình bày, nêu bật các phẩm chất và nhược điểm của từng công nghệ.
Họ công nghệ dựa trên IEEE 802.15.4 bao gôm nhiêu tiêu chuân, chang han như ZeeBee và 6LOWPAN, và hiện tại được sử dụng bởi phần lớn những thứ được kết nối [3] Nhìn chung, các giải pháp IEEE 802.15.4 có chi phí rất thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, tuy nhiên phạm vi phủ sóng ngắn làm tăng nhu cầu của các kiến trúc đa bước phức tap, có thé khó phát triển và triển khai.
Wi-Fi, là tên thương mại của ho chuân truyén thông IEEE 802.11, là một trong những công nghệ không dây phổ biến nhất trên thé giới, có mặt trên thị trường từ năm 1997 Ngay cả khi Wi-Fi đại diện cho hiện đại của Không dây Mang LAN, được thiết kế ngay từ đầu, nó không phải là giải pháp lý tưởng cho IoT vì tiêu thụ điện năng cao và phạm vi phủ sóng nhỏ Trên thực tế, Wi-Fi chỉ được sử dụng cho loT khi các giới hạn nói trên không liên quan, chăng hạn như trong một số ứng dụng nhà thông minh và tòa nhà thông minh. Đề khắc phục những van đề này, liên minh Wi-Fi đã phát triển một ban sửa đổi mới của tiêu chuân, IEEE 802.11ah, giải quyết một phần các vấn đề và cho phép giao tiếp trong các băng tần sub-GHZ, với các hiệu suất lý thuyết phù hợp với nhu câu IoT.
Mạng di động ; Mang di động, với phạm vi truyén thông xa va phạm vi phủ sóng gan như phô biến, là công nghệ có lẽ là công nghệ gần nhất với nhu cầu IoT Trên thực tế, nó hiện đang được sử dụng trong bối cảnh mà bat kỳ đối thủ nào khác có thé đạt được hiệu suất của nó Tuy nhiên, việc sử dụng các tần số được cấp phép liên quan đến chi phí vận hành không đáng kể Hơn nữa, tốc độ dit liệu cao được cung cấp cho các thiết bị đầu cuối được kết nối dẫn đến tiêu thụ điện năng đáng kể, có thé trở thành một vân đề lớn đôi với các thiệt bị sử dụng pin.
Dé giải quyét những van đê này, một ban sửa đôi mới của công nghệ di động hiện đại, LTE-M, dự kiến sẽ được phát hành trong tương lai gần.
Công nghệ WAN công suất thấp (LPWAN) được thiết kế cho môi trường mạng giữa máy với máy (M2M) Với yêu cầu điện năng giảm, phạm vi xa hơn và chi phí thấp hơn mạng di động, LPWAN được cho là có thé cho phép nhiều ứng dụng M2M và Internet of Things, vốn bị hạn chế bởi ngân sách và vấn đề điện năng. Tốc độ truyền dữ liệu LPWAN rất thấp, cũng như mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị được kết nối LPWAN cho phép kết nối với các mạng thiết bị yêu cầu ít băng thông hơn những gi thiết bị gia đình tiêu chuẩn cung cấp Hơn nữa, LPWAN có thé hoạt động với chi phí thấp hon, với hiệu quả sử dụng điện năng cao hơn Các mạng cũng có thê hỗ trợ nhiều thiết bị hơn trên một vùng phủ sóng lớn hơn so với công nghệ di động của người tiêu dùng và có tính hai chiều tốt hơn.
Nhu cầu về một công nghệ như LPWAN ngày càng tăng trong các ứng dụng IoT công nghiệp, dân dụng và thương mại Trong những môi trường này, số lượng thiết bị được kết nối khong lồ chỉ có thé được hỗ trợ nếu liên lạc hiệu quả và chi phí điện năng thấp.
Trong vài năm qua, một số công nghệ LPWAN đã được phát triển và trong các đoạn sau, những công nghệ hứa hẹn nhất sẽ được trình bày.
SIGFOX, công nghệ LPWAN đầu tiên được đề xuất trên thị trường IoT, được thành lập vào năm 2009 và đã phát triển rất nhanh kê từ đó Lớp vật lý SIGFOX sử dụng điều chế không dây Băng tần cực hẹp (UNB), trong khi các giao thức lớp mang là “secret saucet” của mạng SIGFOX và do đó, về cơ bản không tổn tại tài liệu công khai Thật vậy, mô hình kinh doanh của SIGFOX là mô hình kinh doanh của một nhà điều hành cho các dịch vụ IoT, do đó không cần mở thông số kỹ thuật của các mô-đun bên trong của nó.
Các bản phát hành đầu tiên của công nghệ này chỉ hỗ trợ giao tiếp đường lên đơn hướng, tức là từ thiết bị tới bộ tổng hợp; tuy nhiên giao tiếp hai chiều hiện đã được hỗ trợ SIGFOX tuyên bố rang mỗi công có thé xử lý tới một triệu đối tượng được kết nối, với vùng phủ sóng 30-50 km ở các vùng nông thôn và 3—10 km ở các khu vực thành thị[3].
Một ngôi sao mới nổi trong bối cảnh LPWAN là Ingenu, thương hiệu của
Kết cấu luận Vat eecccccccsccesesscscsecsesecscsscsesucsesecsesecsesecsvsucetsucetsecavsesavssevsneavaes 7 Chương 2 LoRaWan và LoRa Relay - - 5s 2c St S 2 2 1H 1 11 ng it 9
LoRaWAN xác định ba lớp hoạt động, trong đó chỉ Lớp A phải được triển khai bắt buộc trên tất cả các thiết bị tương thích với LoRaWAN Nhờ chính sách này, chúng tôi có một bộ tính năng cơ bản có mặt trên tất cả các thiết bị đầu cuối của LoRaWAN, giữ cho cả độ phức tạp về kiến trúc và chi phí sản xuất ở mức thấp nhất có thê.
Ngoài lớp cơ bản, hai phương thức hoạt động phức tạp hơn đã được xác định với mục đích tách các đường truyền xuôi dong khỏi các đường truyền thượng nguồn.
Do hai chế độ nâng cao nảy có thé tốn kém hơn dé thiết kế, sản xuất và bảo trì, nên chỉ những thiết bị đầu cuối yêu cầu mạnh mẽ các tính năng này mới được thực hiện.
Class A: bi-directional end-devices ( thiết bị đầu cuối hai chiều)
Trong giao tiếp Lớp A, mỗi lần truyền đường lên của thiết bị đầu cuối được theo sau bởi hai cửa số nhận đường xuống ngắn Mỗi thiết bị đầu cuối lên lịch cho các khe truyên tùy thuộc vào nhu câu riêng của nó, như trong giao thức kiêu ALOHA. Ưu điểm chính của sơ đồ truyền thông này là tiêu thụ điện năng rất thấp, trong khi nhược điểm lớn nhất là lớp hoạt động này chỉ thích hợp cho các ứng dụng chỉ cho phép nhận dữ liệu sau khi thiết bị đầu cuối đã gửi một đường truyền lên Trên thực tế, các thông tin liên lạc đường xuống từ máy chủ vào bất kỳ thời điểm nào khác sẽ phải đợi cho đến đường lên theo lịch trình tiếp theo.
Class B: bi-directional end-devices with scheduled receive slots ( thiết bị đầu cuối hai chiều với các khe nhận theo lich trình) Đề khắc phục vấn đề về độ trễ không xác định trên truyền thông đường xuống,
Lớp B tăng sô lượng cửa sô nhận được mở bởi thiệt bi dau cudi Các cửa sô nhận bô sung này được đồng bộ hóa với máy chủ bằng một đèn hiệu đánh dấu thời gian, được phát bởi công
Class C: bi-directional end-devices with maximal receive slots (thiết bi đầu cuối hai chiều với khe nhận tối đa)
Dé cung cấp độ trễ thấp nhất có thé cho máy chủ dé giao tiếp đường xuống, thiết bị đầu cuối Lớp C có cửa số nhận liên tục mở, cửa số này chỉ đóng khi truyền dữ liệu Hiệu suất tốt hơn này được cung cấp với chỉ phí tiêu thụ điện năng cao hơn
Sau môi lan truyén đường lên, thiệt bi dau cuôi sé mở ra hai cửa sô nhận ngăn.
Cua sô nhận bat đâu chính xác sau một khoảng thời gian được xác định trước kê từ khi truyền bit đường lên cuối cùng [11]
Cửa số nhận đầu tiên (RX1) được mở sau khi RECEIVE DELAY1 mili giây, theo mặc định được đặt thành 1 giây Nó sử dụng cùng tần số với truyền dẫn đường lên trước đó và nói chung cũng có cùng tốc độ dit liệu (ở một số vùng có thé là một hàm của tốc độ dữ liệu đường lên).
Cửa số nhận thứ hai (RX2) được mở sau RECEIVE DELAY2 mili giây, được định nghĩa là RECEIVE DELAYI + 1 giây Tần số và tốc độ dữ liệu được có định cho tất cả các đường truyền, có nghĩa là chúng không phụ thuộc vào giao tiếp đường lên trước đó và chúng có thé cấu hình thông qua lệnh MAC (hình 2.2).
Mỗi cửa sô nhận được giữ mở ít nhất trong khoảng thời gian cần thiết dé phát hiện phần mở đầu của quá trình truyền đường xuống LoRa, theo thứ tự micro giây.Nếu một khung được nhận chính xác trong cửa số nhận đầu tiên, thiết bị đầu cuối sẽ không mở khung thứ hai Thiết bị đầu cuối không được truyền một bản tin đường lên khác trước khi nhận được bản tin đường xuống hoặc cửa số RX2 hết hạn.
Message format LoRaWAN cung cap giao thức mạng ngăn xêp đây đủ, có các tinh năng của liên ket dữ liệu, mang và lớp truyền tải, đồng thời hỗ trợ mã hóa, xác thực và truyền lại gói tin qua máng giao tiếp đáng tin cậy.
Mỗi gói LoRa mang một trọng tải vật lý (PHYPayload) chứa các bản tin
LoRaWAN Khi một gói LoRa chứa một thông báo LoRaWAN, trường CRC, được tính trên PHYPayload, chỉ hiện diện trong truyền dẫn liên kết lên, vì nó bị vô hiệu hóa đôi với truyén dan đường xuông.
Preamble Physical Head | PHDR-CRC PHY Payload CRC*
Hình 3 LoRa radio physical layer
Physical payload chứa ba trường chính:
* MAC Header: chỉ định Message Type và phiên bản của LoRaWAN;
*® MAC Payload: chứa LoRaWAN Frame;
*® MIC: Message Integrity Code, nó được tính toán như quy định trong RFC 4493 và nó xác thực từng thông báo tới Máy chủ mạng LoRa.
MIC = aes128.mac (NetSessionKey, BO | msg) [0 3]
PHY Payload MAC Header MAC Payload
Hình 4 Physical Payload được cấu trúc như một thông báo LoRaWAN
MAC Header chi dinh Message Type va phién ban cua LoRaWAN Trong bang 2.1, tất cả các loại thông báo LoRaWAN có thể được báo cáo.
Hình 5 LoRaWan MAC Header Msg Type M6 ta
MAC Payload chứa các trường Tiêu dé khung bắt buộc và tùy chon Frame
Hình 6 LoRaWan MAC Payload Frame Header
Frame Header chứa Device Address 32 bit, trường Frame Control, Frame
Counter và trường Frame Options, được su dụng dé thu thập các lệnh MAC trên lưu lượng dt liệu của người dùng. dữ liệu được kiểm soát bởi mạng; ADRACKReq được thiết bị đặt để kiểm tra xem công có thể nhận lưu lượng truy cập của nó hay không; cờ ACK được đặt để xác nhận gói đã nhận trước đó.
Frame Port and Frame Payload
Theo mặc định, LoRaWAN mã hóa moi Frame Payload bang Application Session Key Néu Frame Payload mang lệnh MAC, thi Frame Port được đặt thành 0 và nó được mã hóa bang Network Session Key Nếu mã hóa được thực hiện phía trên lớp LoRaWAN, ban có thé vô hiệu hóa tính năng này thông qua lệnh MAC,nhưng nó chỉ được phép nếu tải trọng khung không mang lệnh MAC.
MAC Commands là một tập hợp các thông điệp được trao đổi riêng giữa lớp MAC của thiết bị đầu cuối và network server Thông báo này có thể chứa thông tin hữu ích cho mục đích quản trị mạng, chăng hạn như kiểm tra trạng thái của thiết bị hoặc thay đổi một số thông số giao tiếp và chúng sẽ không bao giờ hiển thị với máy chủ ứng dụng đang chạy trên đám mây hoặc ứng dụng đang chạy trên thiết bị đầu cuối MAC commands có thé được gửi dưới dạng Frame Payload, đặt Frame Port thành 0 và thực hiện mã hóa bằng NetworkSessionKey Các lệnh MAC cũng có thê được đặt trong trường FOpts, va trong trường hợp này, chúng không được vượt quá
15 octet và chúng được gửi luôn rõ ràng.
Sever TheThingsNetWOrK cà tk HH HH Hiệp 22 Chương 3 Thiết kế mạch LoRa Relay - - 252 S+S*+x+t#t‡eEexexevetrrerrrrxes 23 3.1 Phân tích phần cứng: ¿- 2:22 ©2222++2E+2EE2EE2EEE2EEEEEEEEErSEEerkrrkrrrrervee 23 3.1.1 Giới thiệu về các thành phan chính trong hệ thống
TheThingsNetwork, viết tắt là TTN, là một server mã nguồn mở cho phép các thiết bị công suất thấp sử dụng gateway phạm vi dài để kết nối và trao đổi dữ liệu Các thiết bị công suất thấp này thường là các thiết bị truyền tín hiệu vô tuyến tầm xa được tích hợp với các cảm biến hoặc các thiết bị đo lường khác mang tính tiết kiệm năng lượng Dữ liệu mà các thiết bị thu thập sẽ truyền bằng giao thức LoRa đến gateway của TTN ở một khoảng cách xa lên đến tầm 10km.
Và gateway này sẽ kết nối đến Server TTN thông qua Internet và liên tục chuyển dữ liệu tới Server TTN bất cứ khi nào có dữ liệu được truyền đến gateway Khi đó, Server TTN sẽ tiếp nhận dữ liệu và chuyển tiếp đến người nhận xác định.
TTN cung cấp công cụ và mạng lưới toàn cầu giúp bạn có thể xây dựng hệ thống IoT với chi phí thấp, độ bảo mật cao và mở rộng quy mô một cách dễ dàng Thông qua mã hóa end-to-end mạnh mẽ, sự an toàn và tính kết nối của mạng IoT được xây dựng trải dài khắp nhiều quốc gia trên thế giới Và hiện nay, hàng nghìn gateway đang cung cấp vùng phủ sóng cho hàng triệu người The Things Network là một thành viên đóng góp tích cực của liên minh LoRa (LoRa
Chương 3 Thiết kế mạch LoRa Relay
3.1 Phân tích phần cứng Ý tưởng: Sau khi phân tích hệ thống LoRa Relay ở chương 2, em đề xuất chia phần cứng thành hai phần Mô hình như sau:
Mạch chuyển tiếp gói tin
14 antenna đa hướng / antenna định hướng
Hình 14 Mô hình hệ thống.
Phan 1, mạch bắt gói tin bao gồm 1 MCU điều kiên kết nối với 1 module LoRa E22 Mach này có nhiệm vụ liên tục bắt gói tin từ device Kết thúc đóng gói gói tin nhận được chuyên sang mạch chuyền tiếp gói tin thông qua giao thức SPI.
Phan 2, mạch chuyền tiếp gói tin bao gồm 1 MCU điều kiến kết nối voi 1 module LoRa E22, một GPS Thông qua kết nối của GPS xác định gateway gần nhất, sau đó mạch có nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin nhận được từ mạch bắt gói tin thông qua antenna định hướng Antenna định hướng được điều khiển bởi chip SKY 13408 Mạch dựa vào hướng xác định từ GPS dé chọn lựa antenna phát.
SPI (tiếng Anh: Serial Peripheral Interface, SPI bus — Giao điện Ngoại vi Nối tiếp, bus SPI)[1] là một chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ đề truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phan (full-duplex), do công ty Motorola thiết kế nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi một cách đơn giản và giá rẻ. Đôi khi SPI còn được gọi là giao điện bốn dây (four wire).
Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số: ° MOSI (Master Out Slave In) hay SI - cổng ra của bên master, công vào của bên bị động, dành cho việc truyền dit liệu từ thiết bị master đến thiết bi slave. ° MISO (Master In Slave Out) hay SO — công vào của bên master, công ra của bên bị động, dành cho việc truyền dir liệu từ thiết bị slave đến thiết bị master. ° SCLK (Serial Clock) hay SCK — tín hiệu xung clock nối tiếp, dành cho việc truyền tín hiệu dành cho thiết bị slave. ° CS hay SS (Chip Select, Slave Select): chọn vi mạch, chọn thiét bi slave.
UART có tên đầy đủ là Universal Asynchronous Receiver — Transmitter Nó là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn đữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiệt bi ngoại vi.
UART có chức năng chính là truyền dữ liệu nối tiếp Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thê được thực hiện theo hai phương thức là giao tiếp đữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Trong giao tiếp UART có các thông số chính:
+Baud rate (tốc độ baud ): Khoảng thời gian dé 1 bit được truyền đi Phải được cài đặt giông nhau ở cả phân gửi và nhận
+Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về mỗi lần truyền bao nhiêu bit
+Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyện đên Day là bit bat buộc
+Data: dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó dén bit MSB.
+Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không.
+Stop bit : là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiên hành kiêm tra khung truyện nhăm dam bảo tính đúng đăn của dữ liệu.Day là bit bắt buộc.
3.1.1 Giới thiệu về các thành phần chính trong hệ thống:
MCU STM32L476RGTx tna, ay Mà ¿2HIÌ:
STMicroelectronics STM32L4 32-bit MCU + FPU là bộ vi điều khiển công suất cực thấp dựa trên lõi ARM® Cortex®-M4 32-bit RISC hiệu suất cao hoạt động ở tần số lên đến 80MHz.
Bộ vi điều khiến STM32L4 dựa trên nền tảng công suất cực thấp mới có tính năng FlexPowerControl Nó mở rộng tính linh hoạt để đạt được mức tiêu thụ điện năng tôi ưu.
Ultralow-power với FlexPowerControl ô Nguồn điện 1,71V đến 3,6V ¢ Dai nhiệt độ -40 ° C đến 85/105/125 °C ô 200nA ở chế độ VBAT: cung cấp cho thanh ghi dự phũng RTC va 32x32-bit ô 8nA Chế độ tắt mỏy (5 chõn đỏnh thức) ô 28nA Chế độ chờ (5 chõn đỏnh thức) ô _ Chế độ chờ 280nA với RTC ô 1.0uA Chế độ dừng 2, 1.2ĐuA Dừng 2 với RTC
‹ _ Chế độ chạy 84uA / MHz ô _ Chế độ mua hàng loạt (BAM) ô anh thức 4ys từ chế độ Dừng ô Dat lại màu nõu (BOR) ở tat cả cỏc chế độ ngoại trừ tat mỏy ô Ma trận kết nối
Module LoRa E22 chông nhiễu và khoảng cách liên lạc xa hơn so với module của các thê hệ trước, năng lượng tiêu thụ thấp.
Khoảng cách : 6.9km (Trong không khí thoáng và rõ ràng, với công suất tôi đa, độ lợi ang ten 5dBi, chiều cao 2m)
Tốc độ dữ liệu không khí 0,018k ~ 300kbps
18,4mm x 18,4mm x 4,0mm nhúng va su dung chipset GNSS thế hệ mới của
