Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế và chế tạo trạm mặt đất nhận tín hiệu từ vệ tinh LEO dựa trên công nghệ LoRa

TOM TAT KHÓA LUẬNTrong đề tài này nhóm nghiên cứu xây dựng một hệ thống có khả năng nhận tín hiệu từ vệ tinh LEO sử dụng công nghệ LoRa và khảo sát khả năng nhận tín hiệu dựa trên việc đ

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

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

NGUYEN MINH KHOA - 18520927

LE MINH THONG - 19522302

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VA CHE TAO TRAM MAT DAT NHAN TIN

HIEU TU VE TINH LEO SU DUNG CONG NGHE LORA

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF GROUND STATION

RECEIVE SIGNAL FROM LEO SATELLITE BASED ON LORA

TECHNOLOGY

KY SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

TP HO CHi MINH, 2023

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo trường Đại Học Công

Nghệ Thông Tin Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường, với sự dạy dỗ,

chỉ bảo tận tình của các quý thầy cô giáo đã trang bị cho em những kiến thức về

chuyên môn cũng như kỹ năng mềm, tạo cho em hành trang vững chắc trong

cuộc sống cũng như công việc sau này.

Tiếp theo, em xin cảm ơn khoa Kỹ Thuật Máy Tính vì đã luôn tạo mọi điều kiện

thuận lợi cho em được học tập và phát triển.

Đặc biệt, để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Trịnh Lê Huy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và hỗ trợ trang thiết bị

cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

Em cũng muốn cảm ơn tat cả các nhà phát triển cung cấp các dịch vụ miễn phí

cũng như các thư viện và dự án mã nguồn mở Không có những công cụ và thư viện này khoá luận của em sẽ không thể hoàn thành được như bây giờ.

Cuối cùng, em xin cảm ơn đến gia đình, những người luôn dành những sự động

viên đến em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận.

Thành phó Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Khoa — Lê Minh Thông

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIEU DE TÀI 222¿22222EV2222++z22EEEEEEvzrrrrrrrrrrrrcee 2

1.1 Đặt vấn đề - 22222222 t2222221112122222171111122.2211111111 1.111 ke 2 1.2 0n 1 ố ẻẽ 6

1.3 Phương pháp thực hiỆn - - - 6 St + #EEEvkeEEkekrkrkrkrrrrrereerkrkree 6

Chương 2 TÌM HIẾU TONG QUAN.

2.1 Quỹ đạo của vệ tinh LEO ¿5-52 2t tt HH rưn 7

2.1.1 Phương pháp xác định vị trí tương đối của vệ tỉnh LEO

2.1.2 Phương pháp hiện thực khả năng dự đoán quỹ dao bay của vệ tinh §

2.5 Nền tảng lưu trữ Firebiase 22¿22222222222212222311122221122222211 E21 re 20

2.6 Nền tảng theo dõi dữ liệu Grafana 22¿-2222zcccEEEvererrrxrrerrrkrrrer 21

2.7 Những linh kiện quan trọng được sử dụng trong đề tài 22

2.7.1 Module ESP32-WROOM-32D à or 22

2.7.2 Module LoRa E32-400M206 cccccrcrerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerrrer 23

2.7.3 Driver động cơ bước TB660 ¿E6 SE 24

2.7.4 Động cơ bước IK42HS40-1704 55c 25

2.7.5 Antenna MONOPOLe ¿5:52 ++++SStSE‡*‡E£E#EtEekekekrkerkrkrkerrree 26

Chương 3 THIẾT KE VÀ HIỆN THỰC HỆ THÓNG - -¿ 27

3.1 Tổng quan hệ thống :- 22+2222++++2EES++ttEEEE+vttEEEErretrrrrrrrrrrrrrrre 27

3.2 Thiết kế phần cứng

3.2.1 Giai đoạn sơ khởi

3.2.2 Giai đoạn hiện tại

3.3 Thiết kế phần mềm 22: ©+2¿2VEE+++EEE2EE+2222311222721122227111222212 re 32

3.3.1 Hiện thực dự đoán quỹ đạo vệ tinh thông qua mô hình SGP4

3.3.2 Cấu hình thông số module LoRa -2 cccc¿z+vcssscszccssccscccc.-3ÖŠ 3.3.3 Tổ chức giải thuật điều khiển hệ thống nhận tín hiệu vệ tinh

3.3.4 Theo dõi trạng thái của trạm thông qua ESP32 webserver 47

3.3.5 Kết nói hệ thống với Firebase và Grafana - -¿ -cc:+cc5sce2 49

3.3.6 Tổ chức giải thuật điều khiển hệ cơ điều hướng antenna 51

Chương 4 CAC KET QUA VA ĐÁNH GIA -2¿222+cc2cczveerrrrrscee 55

4.1 Kết qua thực nghiệm với phan cứng của trạm -ccz+ccs++ 55

4.2 Kết quả thực nghiệm với phần cứng và nên tảng riêng của nhóm thiết kế 61 4.3 Kết qua thực nghiệm khả năng theo doi thông tin quỹ dao bằng SGP4 65 Chương 5 KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÉN - - c5 72

5.1 KẾt luận ccc:-222222x t2 1.1 iee 72

5.2 Định hướng phát triỂn 2222+++222EEEE+++rtt2EEEEEEEErirttrrtrkrrrrrrrrrir 73

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình hệ thống trong bài báo [3] - -c-:-¿222cvccccccrccvrvrvcee 3 Hình 1.2 Trạm mặt dat được sử dụng trong bài báo [4] - .-:-c-sce¿ 4

Hình 2.1 Góc phương vi và góc cao độ của vệ tỉnh - - + + ++++x+c+csrerxee 8

Hình 2.2 Dữ liệu TLE của vệ tinh GaoFen-7 - - + + S+skekckevrvrererrkexee 0

Hình 2.3 Minh họa chuyền đổi giữa thời gian epoch và thời gian thường ding 2

Hình 2.4 So sánh băng thông và khoảng cách giao tiếp của một số công nghệ 3

Hình 2.5 Một số vệ tinh LEO sử dụng công nghệ LoRa đang hoạt động 3

Hình 2.6 Giới hạn tỉ lệ SNR ứng với từng thông số SF của chip sx1278 5

Hình 2.7 Trang chủ nền tảng tinyGS 2¿-2222++222S2ztSEEEErrrtrrkrrrrrrrrvee 6 Hình 2.8 Dashboard của một trạm sử dụng nền tảng tinyGS - 7

Hình 2.9 Kiến trúc nền tảng tỉnyGS -¿-2222¿¿22222ccSEEEEEtrEEEEEerrrrrkrrrrrrrrvee 7 Hình 2.10 Gói tin beacon sau khi giải mã tại server tinyGS -‹-‹-+ 8

Hình 2.11 Mô hình hoạt động của MQVTTT - «¿2-5 5< ££c>tzk+eexerrkrkerer 9 Hình 2.12 Mô hình gửi và truy xuất dữ liệu từ Eirebase :csc+¿ 21 Hình 2.13 Minh họa dashboard của nền tang Grafana ccsscccscsssseessssseesssssseeesessees 21 Hình 2.14 Module ESP32-WROOM-32D - - St ve 22 Hình 2.15 Module LoRa E32-400M20S - eeeeseseseetseeneseseseseeesseaeeeeee 23 Hình 2.16 Driver động cơ bước TB6600 - 2+ 5+52++££s£c+tzt+rexerrerveree 24 Hình 2.17 Động cơ bước JK42HS.40-1/7044 - - + 5+5 ‡*‡EkEkrkekererrrkrkrkeree 25 Hình 2.18 Antenna monopole ¿5 +52 St E2EEE+E‡E£EEeEeEEkrkrkerrrrrrkrkrvek 26 Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống -cz£©222vs2cccz+cvccvvvez 27 Hình 3.2 Hệ thống phần cứng sơ khởi -22++z+222222vvzrrrrrrrrvree 28 Hình 3.3 Lắp đặt trạm sơ khởi 2¿-2++++22E++++22EEE+tttEEEErrttrrkrrrrrrkkvee 29 Hình 3.4 Kết quả trạm sơ khởi hoạt động trong một tuần - 29

Hình 3.5 Mô phỏng 3D của mạch trên phần mềm thiết kế easyEDA 30

Hình 3.6 Board mạch điều khiển của hệ thống - 2¿©+cz+222sece+rz 30 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối phần cứng -+¿++++22E+++tt2EE++vettExxrrrrrrrrrrrrr 31 Hình 3.8 Thiết kế 3D hệ khung cơ khí

Hình 3.9 Các bước sử dụng mô hình SGP4 để dự đoán quỹ đạo vệ tỉnh 33

Hình 3.10 Minh họa dữ liệu TLE của các vệ tinh LoRa đang hoạt động 33

Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật lấy bộ dữ liệu TLE của một vệ tỉnh 34

Hình 3.12 Lay dữ liệu thời gian thực từ NTP serVer - : -:2c5scceecz 35 Hình 3.13 Kết nối server tinyGS thông qua công cụ MQTT Explorer 36

Hình 3.14 Thông tin cấu hình LoRa được lấy từ server -: cc: 36 Hình 3.15 Lưu đồ điều khiển chế độ nhận của module LoRa - 38

Hình 3.16 Chế độ nhận liên tục của LoRa - 2-2 s2++z2E++EE++Ex+Exzrxezree 39 Hình 3.17 Schematic dùng chung cho chip LoRa sx 27x -5- + 40 Hình 3.18 Mô hình máy trạng thái của hệ thống - -¿- +22 4I Hình 3.19 Lưu đồ quá trình nhận gói tỉn -¿:-2+22v++++22v+vr+rrvscez 44 Hình 3.20 Giải thuật sắp xép danh sách vệ tinh sắp đến - 46

Hình 3.21 Giao diện webserver của hệ thống

Hình 3.22 Đường dẫn URL của cơ sở dữ liệu Firebase Hình 3.23 API KEY cua cơ sở dit liệu Firebase Hình 3.24 Đường dẫn tập tin json của co sở dữ liệu

Hình 3.25 Cấu hình kết nói Firebase với Grafana „51

Hình 3.26 Giải thuật điều hướng antenna .2 2£ ©+z++2222++++2vvszzeerx 53 Hình 4.1 Vị trí lắp đặt antenna tại phòng E6.6 -cz£+2csscccce+ 55 Hình 4.2 Tổng số lượng gói tin trạm sử dung board Lilygo V3 - 58

Hình 4.3 Tông sé lượng gói tin tram sử dung phan cứng tự thiết kế nhận được 59

Hình 4.4 Vị trí các gói tin nhận được của trạm sử dụng phần cứng tự thiết kế 60

Hình 4.5 VỊ trí các gói tin nhận được của trạm sử dụng board Lilygo V3 60

Hình 4.6 Vị trí lắp đặt antenna khảo sát phần cứng sử dụng nền tảng tự thiết kế 61

Hình 4.7 Gói tin nhận được từ vệ tinh GeoFen-7 sử dụng nền tảng tinyGS 62

Hình 4.8 Gói tin nhận được từ vệ tinh GeoFen-7 sử dụng nền tảng riêng 62

Hình 4.9 Dữ liệu được lưu trữ tại Firebase ¿+5 s+cS+x+svsexserrrerrreesrrer 63 Hình 4.10 Dashboard của nhóm thiết kế trên công cụ Grafana - 64

Hình 4.11 Nội dung chỉ tiết gói tin hiển thị trên công cụ Grafana 64

Hình 4.12 Thiết lập đo đạc với hệ cơ khí điều hướng antenna - -.‹- 66

Hình 4.13 Theo dõi kết quả trên màn hình Serial Monitor .: -:-s+ 67 Hình 4.14 Quỹ dao bay cua vệ tinh dựa trên góc phương vi va góc cao độ 68

Hình 4.15 Kết quả dự đoán quỹ đạo vệ tinh GaoFen-7 dang text 69

Hình 4.16 Quỹ đạo bay vệ tinh GaoFen-7 khi dùng dữ liệu Gpredict 69

Hình 4.17 Quỹ đạo bay vệ tinh GaoFen-7 khi dùng dữ liệu từ SGŒP4 70

Hình 4.18 So sánh kết quả dự đoán quỹ đạo vệ tỉnh - 55c + c+scxsesseess 70

Bảng 1.1.

Bảng 2.1.

Bảng 2.2.

Bảng 2.3.

Bảng 2.4.

Bảng 2.5.

Bảng 2.6.

Bảng 2.7.

Bảng 2.8.

Bảng 3.1.

Bảng 3.2.

Bảng 3.3.

Bảng 4.1.

Bảng 4.2.

Bảng 4.3.

Bảng 4.4.

Bảng 4.5.

Bảng 4.6.

Bảng 5.1.

DANH MỤC BANG

So sánh ưu nhược điểm của đề tài và các bài báo nghiên cứu 5

Đặc điểm khác nhau giữa các quỹ đạo vệ tĩnh - ‹ -<+<cc<scexes 7 Ý nghĩa các phan từ TLE tại dòng I -2- ¿+ ©5++cs++cxezzseez 10 Ý nghĩa các phan từ TLE tại đòng 2 222 ++x+zEz+z+zxerxcres 11 Bảng thông số module ESP32-WROOM 32D scsssesssessesssesssecssesseeeses 23 Bang thông số module LoRa E32-400M20S csscsssessesseessessessseseeseeseens 24 Bang thông số driver động cơ bước TB6600 ¿5252 s+5s55+2 24 Bảng thông số động cơ bước JK42HS40-17704 -¿ 5¿©55+£: 25 Thông số antenna monopoÌe :-s¿¿+++2+++£x++zx++x++zx++zx++zsezz 26 Bảng thông số LoRa của các vệ tinh đang được hỗ trợ 37

Bảng điều khiển chế độ nhận và phát của module E32 - 40

Các trường hợp của góc phương vi khi vệ tinh bay qua 53

Các thành phan sử dung của hai trạm trong phan so sánh I 55

Số lượng gói tin hai trạm nhận được từ các vệ tính -«- 56

Số lượng gói tin bị lỗi CRC tại hai trạm - - - + + + £z£z++x+xzxzxz 56 RSSI/SNR của gói tin nhận được từ vệ tinh GeoFen-7 -‹ 57

Các thành phan sử dụng của hai tram trong phan so sánh 2 62

So sánh điểm khác nhau giữa hai nền tang sử dụng -5- 63 Bảng đánh giá kết quả với mục tiêu dé ra của dé tài - 73

Message Queuing Telemetry Transport

Hypertext Transfer Protocol

Serial Peripheral Interface

Quality of Service

Universal Serial Bus

Real-Time Clock

Pulse width modulation

Received Signal Strength Indicator

Signal-to-Noise Ratio

Cyclic Redundancy Check

TOM TAT KHÓA LUẬN

Trong đề tài này nhóm nghiên cứu xây dựng một hệ thống có khả năng nhận

tín hiệu từ vệ tinh LEO sử dụng công nghệ LoRa và khảo sát khả năng nhận tín hiệu

dựa trên việc điều hướng antenna Đề tài bao gồm hai vấn đề cần giải quyết Một làthiết kế và hiện thực khả năng nhận tín hiệu từ vệ tinh Hai là nghiên cứu và hiện

thực khả năng điều hướng antenna cho hệ thống Từ đó khảo sát khả năng nhận tín

tiến hành thiết kế phần cứng riêng cho đề tài Bên cạnh đó, nhóm sẽ sử dụng môhình dự đoán quỹ đạo SGP4 dé thay cho hình thức dự đoán thông qua servertinyGS Ngoài ra nền tang đề hién thị dữ liệu, nhóm sẽ sử dụng Grafana dé phù hợphơn với hệ thống tự thiết kế

Đối với van dé thứ hai, nhóm sẽ nghiên cứu và thiết kế giải thuật dé hệ thống

có thé điều hướng antenna dựa theo quỹ dao bay của vệ tinh Giải thuật sẽ đượcthiết kế dựa trên khả năng dự đoán góc phương vị và góc cao độ khi hệ thống sử

dụng mô hình SGP4.

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐÈ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

LEO (Low earth orbit) là từ được viết tắt cho vùng quỹ đạo tương đối gần bề

mặt Trái Đất Khoảng cách từ bề mặt Trái Đất đến vùng quỹ đạo này sẽ nằm trong

phạm vi dưới 1000 km Hiện nay các doanh nghiệp hàng không vũ trụ đang hướng

tới sự phát triển cho các vệ tỉnh nhỏ với chỉ phí tương đối thấp Đặc biệt những vệ

tỉnh nhỏ này được định hướng hoạt động trong vùng quỹ đạo gần với bề mặt Trái Dat (LEO) Những vệ tinh nhỏ hoạt động trong vùng quỹ đạo thấp (vệ tinh LEO) đã cung cấp nhiều ứng dụng mới như quan sát Trái Dat, phòng chống thiên tai và kết

nối với các thiết bị sử dụng những công nghệ truyền thông dữ liệu trong mạng lưới

vạn vật kết nối (loT — Internet of Things) [1] Tuy nhiên, đi cùng với sự bùng nd nghiên cứu và hiện thực các vệ tỉnh LEO, chính là phải thiết kế và phát triển các

tram mặt đất có thé giao tiếp với các vệ tinh này.

Một trong những đặc điểm cần thiết của các thiết bị IoT là năng lượng tiêu

thụ thấp và khoảng cách giao tiếp xa Do vậy, công nghệ LoRa là một trong những

giải pháp thực tiễn ứng dụng trong mạng lưới IoT Tuy nhiên chuẩn giao tiếp không dây LoRaWAN của công nghệ LoRa không thể cung cấp phạm vi phủ sóng khắp nơi, đặc biệt là những vùng hẻo lánh Dé giải quyết van dé này, những vệ tỉnh LEO

có thể đảm nhận vai trò phủ sóng việc truyền nhận các gói tin LoRa trên toàn thế

giới [1], [2] Vậy nên, việc xây dựng các tram mặt đất phục vụ cho các vệ tinh LEO

có sử dụng công nghệ LoRa là một ứng dụng thực tế trong lĩnh vực IoT.

Nhìn chung việc xây dựng trạm mặt dat giao tiếp với vệ tinh LEO đã có một

số nghiên cứu trên thế giới Trong bài báo [3] tác giả đã chế tạo một tram thu phát tín hiệu với vệ tinh LEO có sử dụng các thiết bị như: một máy Icom IC-9100 để thu

phát sóng ở băng tần 433MHz, một bộ điều khiển rotor EA4TX ARS-USB đề điều khiển xoay trục của antenna, một máy tính dùng hệ điều hành Linux có cài đặt phần

mềm Gpredict để dự đoán quỹ đạo vệ tỉnh, một máy tính dùng hệ điều hành

Windows có cai đặt phan mềm WispDDE để kết nối với bộ điều khiển rotor và một

Yagi Uda antenna Những thiết bị sử dụng có thể điều khiển tự động với độ chính xác tương đối cao Nhưng chi phí lắp đặt trạm cao và cần nhiều thiết bị có kích thước lớn kết nối với nhau.

Yaesu G-5500 (Analog)

ICOM IC-9100

EA4TX ARS-USB|

(Digital)

báo [4] đã xây dựng một trạm mặt đất dé giao tiếp với chúng Tram mặt đất được

chế tạo với các phần cứng như: một bo mạch TTGO sử dụng vi điều khiển ESP32

có tích hợp thêm module LoRa sử dụng chip SX1278 và một dipole antenna để

nhận tín hiệu từ vệ tinh, một module giảm nhiễu tín hiệu LNA (low-noise

amplifier), một module lọc nhiễu theo băng tần (band pass filter) Các phần mềm được sử dụng như: SatOrbit dùng để dự đoán quỹ đạo vệ tinh được thực thi trên

điện thoại, mã nguồn mở tinyGS được phát triển từ cộng đồng tinyGS (cộng đồng

phát triển dự án thiết kế trạm mặt đất nhận tín hiệu từ vệ tinh LEO có sử dụng công

nghệ LoRa) Bài báo [4] đã tối ưu được rất nhiều về chi phí và kích thước trạm so

với bài báo [3] Tuy nhiên việc theo dấu các vệ tinh dé điều khiển hướng của

antenna vẫn còn chưa hiện thực tự động được Các module sử dụng rời rạc và dùng

nguôn có vi trí cô định nên còn bat tiện cho việc tìm vi trí đặt tram.

Hinh 1.2 Tram mat dat duoc str dụng trong bai báo [4]

Tóm lại, việc thiết kế trạm mặt đất đề thu phát tín hiệu với vệ tinh LEO đã

được nghiên cứu trên thế giới Tuy nhiên các bài nghiên cứu phần lớn tập trung vào

việc xây dựng một hệ thống có độ chính xác cao với một chi phí xây dựng rất đắt vànhiều thiết bị hỗ trợ Vẫn có một số bài nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất nhỏ gọnđơn giản chị phí thấp nhưng lại chưa phát triển tốt về phần tối ưu hóa giao tiếp vệ

tinh cách tự động [5] Một trạm mặt đất nhỏ gọn, chi phí thấp, có thé hoạt động tự

động, có thé tối ưu hóa đường truyền tín hiệu giữa vệ tinh và trạm mặt dất sẽ là một

đề xuất hữu ích trong việc phát triển mô hình trạm mặt đất dành cho vệ tinh LEO

Tông quan dé tài của nhóm nghiên cứu so với một sô đề tài khác

Bang 1.1 So sánh ưu nhược điêm của đê tài và các bài báo nghiên cứu

Bài báo [3]

Trạm có thê tự động điêu

khiên antenna với tín hiệu

nhận được tốt

Chi phí xây dựng cao Sử

dụng nhiều thiết bị rời rạc

antenna dựa trên việc dự

đoán quỹ đạo và thời gian

xuất hiện của vệ tỉnh tại vị

trí đặt trạm

Trạm hoạt động tại một

vài băng tần nhất định

Còn phụ thuộc vào vi trí WiFi.

Dé tài sẽ hướng đên viéc thiết kế và chế tạo trạm mặt đất nhỏ gọn, chi phíthấp, tối ưu hóa đường truyền giao tiếp giữa vệ tinh LEO có sử dụng công nghệ

LoRa với trạm mặt đất Trạm sẽ bao gồm hai phần Phần đầu tiên là hệ thống dự

đoán quỹ đạo và thời gian các vệ tinh bay qua vi trí đặt trạm dé điều khiển hướng

giao tiếp của antenna thông qua hai động cơ bước Phần thứ hai là hệ thống nhận tín

hiệu từ vệ tinh Hệ thống này sẽ sử dụng một module LoRa và một antenna đăng

hướng dé nhận tín hiệu Bên cạnh đó những gói tin trạm mặt đất nhận được sẽ đượchiển thị trực quan thông qua nền tảng Grafana

1.2 Mục tiêu đề tài

Thiết kế và chế tạo trạm mặt đất nhỏ gọn với kích thước tối đa 60x60x60(cm) có thé nhận gói tin từ vệ tinh Hệ thống sử dụng một bo mạch phần cứng donhóm tự thiết kế và có thé thực hiện các chức năng chính sau:

e Hệ thống có khả năng dự đoán quỹ đạo bay của vệ tinh

e Hệ thống có khả năng nhận gói tin từ vệ tinh

e Hệ thống có khả năng lưu trữ các gói tin và biểu diễn trực quan dữ liệu đã

nhận được.

e Hệ thống có khả năng điều hướng antenna theo quỹ đạo bay của vệ tinh

1.3 Phương pháp thực hiện

Tìm hiểu lý thuyết cách thức xây dựng hệ thong trạm mặt dat dùng cho nhận

tín hiệu vệ tinh LEO.

Nghiên cứu mô hình SGP4 dé dự đoán quỹ đạo bay của vệ tinh

Nghiên cứu và thiết kế phần cứng sử dụng cho hệ thống

Nghiên cứu và hiện thực khả năng nhận tín hiệu từ vệ tinh cho hệ thống.

Nghiên cứu và hiện thực khả năng điều hướng antenna cho hệ thống.

Xây dựng phương pháp triển khai và đánh giá kết quả của hệ thống

Chương 2 TÌM HIỂU TONG QUAN

2.1 Quỹ đạo của vệ tỉnh LEO

Quỹ đạo là một đường đi đều đặn, lặp đi lặp lại mà một vật thể trong khônggian đi quanh một vật thé khác Đối với loại vệ tinh tam thấp như vệ tinh LEO, quỹ

đạo tròn là loại quỹ đạo dành cho các vệ tinh LEO Vì vậy, vệ tinh LEO được ước

tính mat khoảng 90 phút dé bay hết 1 vòng Trái Dat Day là chu ky bay nhỏ nhất

trong sô các loại vệ tinh hiện tại.

Bảng 2.1 Đặc điểm khác nhau giữa các quỹ đạo vệ tinh

LEO MEO HEO

(Low Earth (Medium Earth (Geostationary

orbit) orbit) Earth orbit)

D6 cao 500 — 1200 km 5000 — 20000 km > 36000 km

~12 tiéng

(quy dao Elip) ;

Chu ky bay ~90 phút „ ~24 tiêng

~6 tiêng

(quỹ đạo tròn)

Ứng dụng Quan trắc Trái Đắt, Theo dõi các hiện

Tuy Định vị (GPS) ;

thường gap thoi tiét tượng tự nhiên

2.1.1 Phương pháp xác định vị trí tương đối của vệ tỉnh LEO

Trước hết, ở đề tài nghiên cứu này sẽ quan tâm cụ thể đến vị trí tương đối

của vệ tinh LEO đối với một vi trí đã xác định trên mặt dat Ngoài ra, quỹ đạo của

vệ tinh sẽ được sử dụng trong đề tai này là một phần quỹ đạo khi vệ tinh bay qua vịtrí đặt hệ thống Để xác định vị trí tương đối của một vật thể bay ngoài không giannói chung cần đến hai góc đặc trưng: góc phương vị (azimuth) và góc cao độ

(elevation).

e Góc phương vi (azimuth): là một khái niệm trong hệ thống tọa độ địa lý và

hệ thống tọa độ trong hướng dẫn định vị Nó được sử dụng để xác địnhhướng của một vật thể trong mặt phăng ngang so với một hướng tham chiếu

cụ thé Góc phương vi thường được do băng đơn vi độ và được tính từ hướng

0° Bắc theo chiều kim đồng hồ

e Góc cao độ (elevation): là một khái niệm trong hệ thong tọa độ dia lý và hệ

thống tọa độ trong hướng dẫn định vị Nó được sử dụng để xác định độ cao

của một vật thé so với mặt phăng ngang Góc cao độ thường được đo bang

đơn vị độ và được tính bằng góc hợp bởi đường thang từ một vị trí cụ thé đến

vệ tinh và mặt đất

Hình 2.1 Góc phương vi và góc cao độ cua vệ tinh

Ở đề tài này, nhóm nghiên cứu cần xác định hai góc trên theo các khoảng

thời gian khác nhau trong một lần bay qua của vệ tinh dé điều hướng antenna theo

hướng bay đó.

2.1.2 Phương pháp hiện thực khả năng dự đoán quỹ đạo bay của vệ tỉnh

Trên thế giới đã xuất hiện nhiều giải pháp dự đoán quỹ đạo của các vệ tỉnh từ

phần cứng đến phần mềm Những giải pháp này thường không công khai mã nguồn

cũng như chi phí sử dụng tương đối cao Những giải pháp đó chưa phù hợp với mụctiêu đề tài đưa ra Tuy nhiên có một giải pháp khác không cần chi phí dé sử dụng và

có thé sử dụng dé tích hợp vào các giải thuật nhúng Đó chính là mô hình toán học

dự đoán quỹ đạo vệ tinh SGP4.

Mô hình SGP4 (Simplified General Perturbations 4) là một mô hình tính toán

ban đầu được sử dụng đề dự đoán vị trí và tọa độ quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo theo

thời gian Được phát triển bởi Ken Cranford và T.S Kelso vào những năm 1980,

mô hình này đã trở thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực học vệ tinh va thiết

kế quỹ đạo Mục tiêu chính của mô hình SGP4 là tính toán các yếu tố quỹ dao quan

trọng như độ cao, độ nghiêng, độ lệch tâm và vi trí của vệ tinh nhân tạo tại một thời

điểm cụ thể Mô hình toán học SGP4 đã được phát triển thành thư viện mã nguồn

mở Do đó, lập trình viên hoàn toàn có thé sử dung cho các ứng dụng dự đoán quỹ

đạo vệ tinh.

Để sử dụng thư viện SGP4, hệ thống cần những input sau:

e Dữ liệu TLE.

e Thời gian Epoch.

e Tọa độ đặt hệ thông: bao gồm kinh độ, vĩ độ.

Những output cần dùng khi sử dụng thư viện SGP4:

e Góc cao độ (elevation angle).

e Góc phương vi (azimuth angle).

e Thời gian vệ tinh bat đầu bay qua vị trí dat tram

e Thời gian vệ tinh kết thúc bay qua vi trí đặt trạm

a) Dữ liệu TLE

Dữ liệu TLE (Two-Line Element) là dang mã hóa các thông tin vệ tinh và

các tham số toán học liên quan đến quỹ đạo bay của vệ tinh Những dữ liệu nàyđược công khai bởi Bộ Chỉ huy Phòng không Bắc Mỹ hay Bộ Tư lệnh Phòng thủKhông gian Bắc Mỹ, được gọi tắt là NORAD

1 54687U 22167F 23186.74749830 @0009304 @8000+0 51932-3 6 9992

2 54687 97.5593 318.0639 60613652 302.4625 57.5346 15.13693406 30578

Hình 2.2 Dữ liệu TLE của vệ tinh GaoFen-7

Bảng 2.2 Ý nghĩa các phần từ TLE tại dong 1

Dòng 1

Số thứ tự Miêu tả

01 Số thứ tự dòng của dữ liệu TLE

03 - 07 Số hiệu vệ tỉnh

08 Phân loại (U = chưa được phân loại)

10-11 Hai ky tu cuối của năm bắt đầu hoạt động

12- 14 Số thứ vệ tinh bat đầu hoạt động trong năm

15-17 Ky tu cho thoi diém hoat động

19—20 Năm tính theo thời gian epoch

21-32 Thời gian epoch

34-43 Đạo hàm bậc một của tốc độ trung bình

45-52 Đạo hàm bậc hai của tốc độ trung bình

Bảng 2.3 Ý nghĩa các phần từ TLE tại dòng 2

Dòng 2

Số thứ tự Miêu tả

01 Số thứ tự dòng của dit liệu TLE

03 - 07 Số hiệu vệ tỉnh

09 — 16 Độ nghiêng quỹ đạo so với mặt phăng xích đạo

18-25 Góc tăng của quỹ đạo (tính từ phải sang trái)

27-33 Độ lệch tâm

35 — 42 Khoảng cách tôi thiêu với tọa độ tâm Trái Đất

44-51 Goc trung binh gan Trai Dat nhat

tự) Lập trình viên có thê lấy các dữ liệu này về từ các trang web công khai như

NORAD hay tinyGS, Dữ liệu TLE sẽ được cập nhật theo chu kỳ khoảng 8 — 24

tiếng Cũng như xử lý các dữ liệu này tương tự các chuỗi ký tự Ở đề tài này nhómnghiên cứu sử dụng bộ dữ liệu TLE của cộng đồng tinyGS Bộ dữ liệu này tập hợp

các dữ liệu TLE của các vệ tinh LEO sử dụng công nghệ LoRa.

11

b) Thời gian Epoch

Thời gian Epoch là số giây được tính từ ngày 1/1/1970 cho đến thời điểmhiện tại Thời gian Epoch có thé được chuyên đổi từ thời gian thường dùng theođịnh dạng ngày/tháng/năm giờ/phút/giây và có thé chuyên đôi ngược lại

1688199991 Timestamp to Human date | [batch convert]

Supports Unix timestamps in seconds, milliseconds, microseconds and nanoseconds.

Assuming that this timestamp is in seconds:

GMT: Saturday, 1 July 2023 08:26:31

Your time zone: thứ bảy, 1 thang 7 năm 2023 15:26:31 GMT+07:00

Hình 2.3 Minh họa chuyên đổi giữa thời gian epoch và thời gian thường dùng

2.2 Công nghệ LoRa

LoRa, viết tắt của Long Range Radio, là một công nghệ truyền thông khôngdây do Cycleo phát triên và được Semtech mua lại vào năm 2012 Sóng LoRa sửdụng một kỹ thuật điều chế có tên là Chirp Spread Spectrum Kỹ thuật này làm

giảm sự phức tạp và yêu cầu về độ chính xác mà thiết bị nhận cần đạt được dé giải

mã dữ liệu Ngoài ra, LoRa không yêu cầu công suất phát cao đề truyền đến đầu thu

ở khoảng cách xa, khiến dau thu có thé nhận dữ liệu ngay cả khi cường độ tín hiệunhận được thấp hơn nhiễu xung quanh

Công nghệ LoRa có những ưu điểm nỗi trội như: khả năng phủ sóng rat rộng

(có thé tính theo đơn vị km), năng lượng tiêu thụ và chi phí thấp Do vậy, công nghệLoRa rất phù hợp trong lĩnh vực IoT (Internet of Things) Bên cạnh đó, xu hướng sửdụng công nghệ LoRa cho vệ tinh LEO đang được phát triển từng ngày bởi những

ưu điểm phù hợp với các ứng dụng của vệ tinh LEO

12

Bandwidth

Low

Short Range Long

Hình 2.4 So sánh băng thông va khoảng cách giao tiếp của một số công nghệ

Hình 2.5 Một số vệ tỉnh LEO sử dụng công nghệ LoRa đang hoạt động

2.2.1 Các thông số của công nghệ LoRa

Trong công nghệ LoRa hay giao thức LoRaWan, bên cạnh việc quan tâm đến

tân sô phát sóng thì còn một vài thông sô quan trọng cân được quan tâm:

e_ Bandwidth (BW): xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thê thay đổi

Các chip LoRa khác nhau sẽ cho phép tùy biến cấu hình các mức băng thôngkhác nhau, nhưng thông thường sẽ cấu hình ba mức băng thông phổ biến là

125 kHz, 250 kHz và 500 kHz Băng thông cao sẽ cho phép mã hóa tín hiệu

nhanh hơn, giúp thời gian truyền dữ liệu nhanh hơn nhưng bù lại khoảng

cách truyên cũng sẽ ngăn di.

13

e Spreading factor (SF): xác định số lượng tín hiệu chirp khi mã hóa tín hiệu,

SF là các giá trị nguyên từ 7 đến 12 Ví dụ nếu SF = 12 có nghĩa là 1 mức

logic của tín hiệu sẽ được mã hóa bởi 12 xung tín hiệu chirp Giá tri SF càng

lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng đổi lại tỉ lệ lỗi bit sẽ giảm

và khoảng cách truyền cũng sẽ xa hơn

e Coding Rate (CR): là số lượng bit được tự thêm vào trong payload gói tin

LoRa dé mạch nhận có thé sử dụng dé phuc hồi lại một số bit dữ liệu đã nhậnsai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu payload CR là các giá trịnguyên từ 1 đến 4 và thường biểu thị ở dạng 4/(CR+4) (ví dụ: 4/5, 4/6, 4/7,

4/8) Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng,

nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn va làm tăng thời giantruyền

Tùy thuộc vào ứng dụng dé có thé lựa chọn giữa khoảng cách hoặc tốc độ truyềngói tin LoRa mà điều chỉnh các thông số trên cho phù hợp Ngoài ra một thiết bịnhận cần cấu hình các thông số như: tần số, bandwidth, spreading factor, codingrate, giống với thiết bị phat dé có thể nhận được gói tin

2.2.2 Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được

Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (Received Signal Strength Indicator —RSST) là chỉ số biêu thị độ mạnh yếu của tín hiệu nhận được Trong datasheet củachip SX1278 chi số này có thể được tính như sau:

RSSI [dBm] = —157 + Rssi (Khi sử dụng công High Frequency (HF) của chip)RSSI [dBm] = —164 + Rssi (Khi sử dụng công Low Frequency (LF) của chip)

Trong đó Rssi là giá tri được đọc từ thanh ghi RegRssiValue của chip SX1278.

Chỉ số RSSI có thé bi ảnh hưởng bởi những yếu tố như: khoảng cách, công

suất phát của máy phát, nhiễu môi trường Bên cạnh đó, thông qua chỉ số RSSI ta cóthể đánh giá chất lượng gói tin nhận được ở máy thu

14

2.2.3 Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

Ti lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio — SNR) được sử dụng dé sosánh cường độ của tín hiệu với nhiễu SNR được tính theo tỷ lệ giữa công suất trung

bình của tín hiệu Ps;z„„¡ và công suât trung bình của nhiêu Pna¡se.

P;ignai SNR =

RSSI [dBm] = —157 + PacketRssi + PacketSnr * 0.25 (đối véi công HF)

RSSI [dBm] = —164 + PacketRssi + PacketSnr + 0.25 (đôi vối công LF)

Trong đó, PacketRssi là giá trị trung bình Rssi được lấy từ thanh ghiRegPktRssiValue của chip SX1278 PacketSnr là giá trị được lay từ thanh ghi

RegPktSnrValue của chip SX1278.

Bộ thu LoRa có thể nhận và giải mã tín hiệu dưới mức nhiễu Giới hạn của tỉ

lệ SNR ứng với từng thông số spreading factor (sf) là một số âm Thông số sf càng

cao, bộ thu có độ nhạy càng cao:

808

Hình 2.6 Giới hạn ti lệ SNR ứng với từng thông số SF của chip SX1278

15

2.3 Nền tang tinyGS

TinyGS là một nên tảng được phát triển để hỗ trợ xây dựng các trạm mặt đất

TinyGSis an open network of Ground St This project is based on ESP32 boards a

4259 1281 4114481

Hinh 2.7 Trang chu nén tang tinyGSTinyGS cung cap thông tin về các vệ tinh LEO sử dung công nghệ LoRađang hoạt động trên thế giới Ngoài ra nền tảng này còn cung cấp một server riêng

dé phục vụ cho việc theo dõi vị trí của các vệ tinh Người dùng có thé đăng ký dénhận một MQTT username va password dé nhận các thông tin dự đoán quỹ đạo bay

của vệ tinh và các thông số LoRa của từng vệ tinh Bên cạnh đó nền tảng tinyGScho phép hệ thống của người dùng gửi các gói tin đã nhận được từ vệ tinh lên server

nhằm hiền thị trên website.

16

Ưu điểm của nền tảng này cho phép một phần cứng đơn giản có thê kết nối

với server thông qua giao thức MQTT dé từ đó nhận thông tin dự đoán quỹ đạo baycủa vệ tinh và có thé tự động cau hình cho module LoRa, cting nhu hién thi thong

17

tin lên website Bên cạnh đó, những gói tin của các vệ tinh LoRa có sự hỗ tro từ nền

tảng tinyGS được mã hóa bởi đơn vi sản xuất vệ tinh và được giải mã bởi server của

nền tảng này, cũng như cách thức thức giải mã không được công khai cho cộng

động nhà phát triển Hiện tai, các vệ tinh thuộc nén tảng tinyGS gửi loại gói tin là

anglex: 157

angleY: 213 unkValue.

eccentricity2: 6.68

inclination2 ascending?

angleX2: 156

angley 84578412, tinygs

satTdlb: ẽ,

satTId2n: 7,

tinygsSatellite: “GaoF eri- 7

Hình 2.10 Gói tin beacon sau khi giải mã tai server tinyGS

Ngoài những ưu điểm đã nêu thì nhược điểm của nên tảng này là chỉ hỗ trợ

một số phan cứng có san dé cấu hình cho module LoRa Điều này dẫn đến tìnhtrạng đối với một số module không hỗ trợ cần cấu hình dé tối ưu hóa khả năng hoạtđộng của module Ở đề tài này, nhóm sẽ nghiên cứu dựa trên nền tảng tinyGS dé từ

đó thiết kế hệ thống riêng và so sánh với nền tảng tinyGS

2.4 Giao thức MQTT

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyềnthông lightweight được thiết kế để giao tiếp đơn giản và hiệu quả trong các mạng cóbăng thông hạn chế hoặc không đáng tin cậy, như mạng IoT (Internet of Things).Giao thức MQTT được phát triển bởi IBM vào năm 1999 và sau đó trở thành một

18

chuẩn mở được quản lý bởi tổ chức OASIS (Organization for the Advancement of

Structured Information Standards).

MQTT hoạt động dựa trên mô hình "publisher-subscriber" (đăng ky-dang

bài) Trong mô hình này, các thiết bị gửi thông tin (publisher) không gửi trực tiếp

đến thiết bị nhận thông tin (subscriber), mà thay vào đó, các thông điệp được gửi

đến một broker (môi trường trung gian) và sau đó broker sẽ phân phối thông điệptới các thiết bị đã đăng ký quan tâm đến thông điệp đó

MQTT Client MQTT Broker MQTT Client

Publish; 24° C

-riber-Publisher: Temperature Sensor > Subscriber:

a Mobile device

Subscribe to topic: temperature

= Publish to topic: temperature B

Hình 2.11 Mô hình hoạt động của MQTT

Giao thức MQTT có những đặc diém chính sau:

e Sử dụng dung lượng nhỏ: MQTT được thiết kế dé có dung lượng nhỏ và tối

ưu, phù hợp với các mạng có băng thông hạn chế và tài nguyên hạn chế củacác thiết bị IoT

e_ Mô hình pub-sub: Thiết bị gửi thông điệp (publisher) và thiết bị nhận thông

điệp (subscriber) không trực tiếp kết nối với nhau, mà thông điệp được

chuyên qua broker Điều này giúp đơn giản hóa việc quản lý và phân phối

thông điệp trong hệ thống.

e QoS (Quality of Service): MQTT hỗ trợ ba mức đảm bảo chất lượng cho việc

gửi và nhận thông điệp Các mức QoS bao gồm: QoS 0 (Broker/client sẽ gửi

dữ liệu đúng một lần, quá trình gửi được xác nhận bởi chi giao thức TCP/IP);QoS 1 (Broker/client sẽ gửi dit liệu với ít nhất một lần xác nhận từ đầu kia,

nghĩa là có thể có nhiều hơn 1 lần xác nhận đã nhận được dit liệu); QoS 2

19

(Broker/client đảm bảo khi gửi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng một

lần, quá trình này phải trải qua 4 bước bắt tay)

e_ Độ tin cậy và độ ôn định: MQTT hỗ trợ kết nối duy trì liên tục và có khả

năng tự động khôi phục kết nối khi mạng bị gián đoạn

e Bảo mật: MQTT có thé tích hợp bảo mật

2.5 Nền tảng lưu trữ Firebase

Firebase là một nền tảng cung cấp một tập hợp các dich vụ đám mây dé phát

triển, triển khai và quản lý ứng dụng di động và web một cách dễ dàng và hiệu quả.

Firebase cung cap các tính năng va công cụ da dạng, bao gôm:

e Authentication (Xác thực): Firebase cung cấp các dịch vụ xác thực người

dùng, bao gồm xác thực qua email, mang xã hội, số điện thoại và hệ thốngxác thực tùy chỉnh Điều này giúp phát triển ứng dụng với tính năng đăng

nhập và đăng ký người dùng dễ dàng.

e Real-time Database (Cơ sở dit liệu thời gian thực): Firebase cung cấp một cơ

sở dit liệu thời gian thực dé lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa các thiết bị vàngười dùng một cách tức thì Điều này cho phép xây dựng ứng dụng có khảnăng hiển thi dữ liệu thay đổi ngay lập tức, chăng hạn như ứng dụng chat

hoặc ứng dung theo dõi vi tri.

e Cloud Firestore: Firestore là một co sở dữ liệu NoSQL linh hoạt và có kha

năng mở rộng, cho phép lưu trữ đữ liệu phân cấp và tìm kiếm dễ dàng Nócung cấp tính năng đồng bộ dif liệu thời gian thực và tích hợp tốt với các

dịch vụ khác của Firebase.

20

GET / POST/

PUT / DELETE

Cu)

Client REST API Database

Hình 2.12 Mô hình gửi và truy xuất dit liệu từ Firebase

2.6 Nền tảng theo dõi dữ liệu Grafana

Grafana là một công cụ mã nguồn mở và một nên tảng giám sát và trực quan

hóa dit liệu Nó cung cấp các tính năng mạnh mẽ để thu thập, xử lý và hiển thi dữliệu từ nhiều nguồn khác nhau trong một giao diện trực quan và dễ sử dụng.Grafana cho phép người dùng tao ra các bảng điều khién (dashboard) tùy chỉnh déhiển thị thông tin và dữ liệu trong thời gian thực Bằng cách sử dụng các nguồn dữ

liệu như cơ sở dữ liệu, hệ thống giám sát, hệ thống theo dõi, Grafana cho phép bantrực quan hóa dữ liệu bang các biéu đồ, đồ thị, và các thành phần trực quan khác

Một số tính năng chính của Grafana bao gồm:

21

e Trực quan hóa dữ liệu: Grafana cung cấp nhiều kiểu biéu đồ và đồ thị dé trực

quan hóa dit liệu, bao gồm biểu đồ đường, biéu đồ cột, biéu đồ hình vẽ, bản

đồ, và nhiều loại khác Điều này giúp người dùng dễ dàng hiển thi và theo

dõi dữ liệu theo cách tùy chỉnh.

e Da nguồn dữ liệu: Grafana hỗ trợ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau như

Prometheus, InfluxDB, Firebase, Elasticsearch, MySQL, PostgreSQL va

nhiều nguồn khác Điều này cho phép bạn kết hợp và trực quan hóa dữ liệu

từ nhiều nguồn trong cùng một bảng điều khién

e Bảng điều khiến tùy chỉnh: Người dùng có thé tao các bảng điều khiến tùy

chỉnh bằng cách thêm và sắp xếp các thành phan trực quan như biểu đô, đồthị, bản đồ, bảng dữ liệu và các thành phần khác Bạn có thé tạo ra các bốcục đa cột, chia thành nhiều phần và tùy chỉnh giao diện theo ý muốn

e_ Cảnh báo và thông báo: Grafana cho phép bạn đặt các quy tắc cảnh báo dựa

trên ngưỡng va điều kiện được định nghĩa Khi một cảnh báo được kích hoạt,

nó có thể gửi thông báo qua email, Slack, Webhook hoặc các hình thức khác

dé thông báo về sự cô hoặc thông tin

2.7 Những linh kiện quan trọng được sử dụng trong đề tài

2.7.1 Module ESP32-WROOM-32D

Hình 2.14 Module ESP32-WROOM-32D

ESP32-WROOM-32D là một module WiFi + Bluetooth có hiệu suất cao dựatrên vi xử lý ESP32 của Espressif Systems Module này cung cấp khả năng kết nốikhông dây va xử lý dữ liệu mạnh mẽ trong các ứng dụng IoT và thiết bị thông minh

22

Bảng 2.4 Bảng thông số module ESP32-WROOM-32D

Chip vi xử lý: ESP32-DOWDQ6 (ESP32 dual-core)

Kién tric: 32-bit, Xtensa LX6

Nguồn hoạt động trung bình: 80 mA

Chế độ tiết kiệm năng lượng với Deep Sleep Mode, hỗ trợ

Hinh 2.15 Module LoRa E32-400M20S

Module LoRa E32-400M20S là một module truyền thông không dây dựa

trên công nghệ LoRa của Semtech Module sử dụng chip SX1278 có thể hoạt động

ở băng tần 433 Mhz Bên cạnh đó, module có kích thước 14 x 20 mm và khả năngtruyền nhận giữa hai module lên đến 5km Module LoRa E32-400M20S thường

được sử dụng trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây, hệ thống theo dõi từ

xa, truyền thông máy tính công nghiệp, hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, và

nhiều ứng dụng khác yêu cầu truyền thông không dây xa và tiết kiệm năng lượng

23

Bảng 2.5 Bảng thông số module LoRa E32-400M20S

Khoảng cách giao tiếp: 5kmBăng tần: 433/470 Mhz

Thông số Tốc độ truyền dữ liệu: 0.018K — 37.5Kbps (chế độ LoRa)

Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 300Kbps (chế độ FSK)

Điện áp hoạt động: 3.3 — 5V

2.7.3 Driver động cơ bước TB6600

Hình 2.16 Driver động cơ bước TB6600

TB6600 là một driver động cơ bước (stepper motor driver) được sử dụng déđiều khiển và vận hành các động cơ bước trong các ứng dụng điều khiển chính xác

vi trí, như máy in 3D, may CNC và các thiết bị tự động hóa TB6600 thường hoạtđộng với nguồn cấp từ 9V đến 42V DC, tuỳ thuộc vào yêu cầu của động cơ bước.Driver hỗ trợ dòng điện định mức lên đến 4A Ngoài ra, driver còn tích hợp các tính

năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá nhiệt và bảo vệ quá áp, để đảm bảo

an toàn và bảo vệ động cơ và mạch điêu khiên.

Bảng 2.6 Bảng thông số driver động cơ bước TB6600

Nguồn: 0 — 5.0A (input); 0.5 — 4.0A (output)

| Vi bước: 1, 2/A, 2/B, 4, 8, 16, 32 Thông sô

Nhiệt độ hoạt động: -10 — 45°C Trọng lượng: 0.2 kg

24

Kích thước: 96 x 56 x 33 mm

2.7.4 Động cơ bước JK42HS40-1704

Hình 2.17 Động cơ bước JK42HS40-1704

Động cơ bước JK42HS40-1704 là một loại động cơ bước đơn vòng (single

shaft) với đường kính 42mm và góc bước 1.8 độ Đây là một loại động cơ bước phôbiến được sử dụng trong các ứng dụng như máy in 3D, may CNC, thiết bị tự động

hóa và các thiệt bị yêu câu kiêm soát chính xác vi trí.

Bảng 2.7 Bảng thông số động cơ bước JK42HS40-1704

2.7.5 Antenna monopole

Hình 2.18 Antenna monopole

Antenna monopole là một loại anten đơn cực được sử dung rộng rãi trong

các hệ thống truyền thông không dây Cấu trúc của antenna monopole bao gồm mộttrục kim loại và một dây cáp được nối với trục kim loại đó Phần đầu cáp còn lại sẽ

được nối với mạch thu phát sóng

Bảng 2.8 Thông số antenna monopoleTần số hoạt động: 433+/-15Mhz

Độ lợi: 35 dBi

Thông số Loại cáp: RG-58 / U-500HM

Công kết nói: SMA Male

Độ cao: 2lem

26

Chương 3 THIẾT KE VÀ HIỆN THỰC HE THONG

thúc khi vệ tinh bay qua vi trí đặt trạm, cao độ (elevation) và góc phương vi

(azimuth) của vệ tinh Từ đó, vi điều khiển có thé điều khiển hai động cơ bướcthông qua chức năng điều chế độ rộng xung (PWM) Bên cạnh đó, khối vi điềukhiến có chức năng điều khiển module LoRa thông qua giao thức SPI dé thực hiệnviệc nhận tín hiệu khi vệ tinh bay qua Nếu hệ thống nhận được gói tin, khối vi điềukhiến sẽ gửi những dữ liệu nhận được đến một cloud database

RF receiver system là khối bao gồm một module LoRa — E32 400M20S vàmột antenna hoạt động ở băng tần 433 Mhz Hệ thống sử dụng module LoRa và

antenna hoạt động ở băng tần 433 Mhz bởi vi các vệ tinh LEO sử dụng cộng nghệ

LoRa hiện tại đang hoạt động ở băng tầng này là chủ yếu

Dual axis tracking system là khối bao gồm hai động cơ bước được lắp ghép

trên một hệ khung cơ khí (được in 3D) Động cơ bước sẽ đóng vai trò quay hệ

khung cơ khí để phần antenna được hướng theo đúng vị trí có góc phương vị và góc

27

cao độ thích hợp của vệ tinh cần giao tiếp Một động cơ sẽ quay theo cao độ vệ tinh.

Động cơ còn lại sẽ quay theo góc phương vi của vệ tinh.

Firebase được nhóm sử dụng như một Real-time Database vì khả năng lưu

trữ và tô chức dữ liệu theo thời gian thực Bên cạnh đó, Grafana là một nên tảnggiúp người dùng hiển thị dữ liệu cách trực quan Nhóm nghiên cứu đã kết hợp khả

năng lưu trữ của Firebase và khả năng hiển thị của Grafana nhằm dé dàng theo dõi

di liệu nhận được.

3.2 Thiết kế phần cứng

3.2.1 Giai đoạn sơ khởi

Ở giai đoạn này nhóm đã hiện thực hệ thống phần cứng đơn giản Nhóm đã

sử dung board ESP32-DEV-KIT, một module LoRa Ra-02 kèm một antenna

monopole kích thước 2.1 cm và một màn hình LCD OLED 0.96-inch dé làm trạm

28

Hình 3.3 Lắp đặt trạm sơ khởiPhần cứng sơ khởi cho ra kết quả chưa được như mong muốn Khả năngnhận tín hiệu còn rất yếu, kết nối thông qua dây bus không 6n định và màn hình

oled không cần thiết

Leafiet | © OpenStreetMap contributors.

3.2.2 Giai đoạn hiện tại

Dé khắc phục tình trạng phần cứng kết nối không ổn định, loại bỏ chức năngthừa, cần sử dụng antenna tốt hơn với công kết nối SMA, nhóm nghiên cứu đã thiết

kế một board mạch được thẻ hiện ở hình 3.6:

Hình 3.6 Board mạch điều khiển của hệ thống

30

Board mạch bao gồm các thành phần chính:

e Module ESP32 là đơn vị xử lý trung tâm của hệ thống

e_ Module LoRa E32-400M20S được thiết kế thêm line RF dé sử dụng cổng kết

nối SMA cho antenna

© Các pin 32, 33 của module ESP32 dùng dé xuất tín hiệu PWM Ngoài ra pin

25, 26 dùng dé điều khiển chiều quay của động cơ

e SD card dùng dé lưu các gói tin và sử dụng như một database khi trạm vào

tình trạng mat kết nối WiFi

e Board mạch sử dụng nguồn 3.3V thông qua cổng micro-USB

Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống được thể hiện ở hình 3.4:

Rage SE einer ne Caer -.ấ

Mach diéu khién

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối phan cứng

31