Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Nghiên cứu, thiết kế và hiện thực LoRaWAN Relay sử dụng năng lượng mặt trời tích hợp hệ thống antenna đa hướng

Sử dụng relay không chỉ giúp mởrộng phạm vi hoạt động của hệ thống và giảm tỷ lệ mat mát gói tin, mà còn giúp giảiquyết các vấn đề liên quan đến định hướng nguồn phát, có thể hoạt động đ

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

KHOA KY THUAT MAY TINH

VŨ THỦY TIEN — 19522345

VO THI TUONG VY - 19520359

KHOA LUAN TOT NGHIEP

NGHIEN CUU, THIET KE VA HIEN THUC

LORAWAN RELAY SỬ DUNG NĂNG LUQNG MAT

TRỜI TÍCH HOP HE THONG ANTENNA DA HUONG

Research, Design And Implementation Of Solar-Powered

LoRaWAN Relay Integrated With Multi-Directional Antenna

System

KY SU KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

TP HO CHÍ MINH, 2023

LỜI CẢM ƠN

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả

những người đã hỗ trợ nghiên cứu và hoàn thiện khóa luận này.

Đầu tiên, nhóm xin gửi lời tri ân đến thầy Trịnh Lê Huy vì khóa luận sẽ không

thê hoàn thành nếu thiếu sự hướng dẫn nhiệt huyết và tận tâm của thầy Thầy khôngnhững cung cấp kiến thức chuyên môn sâu rộng mà còn hỗ trợ các trang thiết bị, cácphương tiện đo đạc cho bài nghiên cứu Thầy không ngừng gửi lời cô vũ và động viênnhằm giúp quá trình thực hiện đề tài được diễn ra suôn sẻ Sự đồng hành của thầy đã

và sẽ luôn là nguồn động lực to lớn giúp cho nhóm sinh viên có động lực học tậpnghiên cứu và làm việc suốt đời

Bên cạnh đó, nhóm sinh viên cũng bày tỏ lòng biết ơn đối với cán bộ công nhân

viên của trường Đại học Công Nghệ Thông Tin nói chung và đơn vi Khoa Kỹ Thuật

Máy Tính nói riêng vì đã không ngừng tạo điều kiện cho nhóm thực hiện lắp đặt và

đo đạc phục vụ cho nghiên cứu bat ké thời điểm nao, vi trí nào trong khuôn viên

trường.

Cuối cùng, dù bỏ ra nhiều nỗ lực để nghiên cứu và thực hành nhằm

mang lại kết quả tot nhất cho dé tài khóa luận, nhóm sinh viên vẫn không

đảm bảo tránh khỏi các sai sót nhât định Nhóm sinh viên xin nhận lời góp

ý của quý thầy cô dé có thé hoàn thiện hơn trong các thành phẩm sau này.

Một lân nữa, nhóm sinh viên xin trân trọng cảm ơn các don vi, thay cô, bạn bè

đã hỗ trợ hoàn thành khóa luận.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 7 năm 2023

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Vũ Thủy Tiên, Võ Thị Tường Vy

MỤC LỤC

Chương 1 MỞ DAU 252252212 EEE1E11211211211 1111111111110 3

1.1 - Lý do chọn đề tài 5c TT EE211211 211111111 1111k, 31⁄2 Mục tiêu của để tài ccvrterrirhhhrrrrrrirrrriirrreriree 41.3 Đối tượng nghiên cứỨu - ¿52+ +t‡EE‡EESEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkrreee 4

1.4 Pham vi nghiÊn CỨU 5 + E11 1E vn HH 4

Chương 2 TONG QUAN -¿- 2-52 2E‡EEEEEEEEEEEEE12112112111 1111111110 5

2.1 Phan tích, đánh giá các hướng nghiên cứu trong và ngoài nuoc 5

2.1.1 Hướng nghiên cứu ngoải hƯỚC 5-5 s+skrssexeerees 5 2.1.2 Hướng nghiên cứu trong nƯỚC - - <5 +<s*++++se+seeeeeess 6 2.2 Phương pháp thực hiỆn - - 5c S5 + kg ng ng nưkt 6

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYÊTT 2-©225s+EE+EE££E£2EE+EE+EEEZEEzEkerxrred 8

3.1 Công nghệ truyền tin bằng LORAWAN ccssesseessessessesssessesseeseesseesees 8

3.1.1 Về lợi ích và ứng dụng - + ©++-+++zxt+xeerxeerxesrxerrrees 83.1.2 V6 băng CAN eeceececcecseecessessessessesscsessessessessessesscsecsessessessesseseeseeaeees 93.1.3 Về cau trúc mạng LORAWAN ccscsssessessssssessessessssesessessessseeseesess 103.1.4 Về cấu trúc gói tin được sử dụng -c©sc+c+xscrserseee 11

An CC “3 12 3.3 Node phát gói tin LOA - 5 11k ng cưy 14 B.A, AMON ee e 15

3.4.1 Tổng Quan ceccccccccecsessesseessessecsesssessessessessssssessessessusssessessessuseseesess 153.4.2 Antenna dang HUONG cceccccccssesssssesssesssessssssecssecssecsessecssecseeeses 16

3.4.3 Antenna định HuGng ccc ceccseeseesceeseceseeseesseeeecsseeseeeeeseeesees 17

3.5 Các thông số liên quan -¿- 2 2 +E+SE+EE+EE+EE2EEEEEEEeEEerkerkerrrex 18

3.5.1 RSSI (Received Signal Strength Indicator) - - 18 3.5.2 SNR (Signal to Noise RÑaf1O) nghe 18 3.5.3 Packet ÏOSS TAf€ HH TH ng kưy 19 3.5.4 Duty CYCÌ€ HH HH HH HH HH ky 19 3.5.5 SF (Spreading EACOT) - - - cv ngư, 20 3.5.6 CR (Coding Raf€) - HH HH kg ngư, 20 3.5.7 BW (Signal BandwidtH) - - 5 «+ xvnhgnnerey 20

3.6 Cac linh kiện quan trọng được sử dụng trong thiết kế phần cứng 21

3.6.1 MCU STM232L47%XX - G5 SG SH ng ni, 21 3.6.2 GPS GNSS L86 Quecfel - - 5s this 22 3.6.3 Module LoRa E22-900M22S Gà HH ri, 23 3.6.4 SKY13414-485LIE Ăn HH HH ng gi, 24 3.6.5 CIBIP9 lagers, vẽ an 24 3.7 The Thing NetWOFK -Ặ- Ăn HH ng ngư 25 3.8 LOSATI Ặ 2Q HT TH HH HH HH tre 27

Chương 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THIET KE VA KHẢO SAT30

4.1 Phần cứng ©-++-++2EktEEEEEESEEEEEkErkerkrerkrrrree 30

4.1.1 Tổng quan :- -52+S£+E2ESEEEEEEEEEEEEE12112112171 21211 xe, 304.1.2 Thiết kế relay - 2 £+E2+E22EEEEEEEEE12212112117121 11111 31

42 Phan MEM ẳ›áÁ 35

4.2.1 Giải thuật định HU6Ng ceccecccscsesssesssesseessesssessesseessesssesseeeseessess 35

4.2.2 Giải thuật định thoi cecescescecseesseessesseesseessessesseesseesesseesseessess 43

4.3 Phương pháp khảo Sat - 2-1 St rệt 47

4.3.1 Khảo sát năng lượng tiêu thụ 5 S25 SSSSssseeerseeeree 47

4.3.2 Khao Sat hố Ầe 48 4.3.3 Khảo sat anh hưởng của duty cycle - 5c cs«<+ssessrs 52 4.3.4 Khảo sát packet ÏOSS c c SH ng kg rưy 55

Chương 5 KET QUÁ NGHIÊN CUU VÀ ĐÁNH GIA - 62

5.1 _ Hiện thực phan cứng - ¿©E+SE+EE+EE+EE+EEEerEerkerkerkrrsrex 62

5.2 Chie năng định hướng - - + c c3 3 kreEreeeerrserrrsrrrerre 63

“In 63 2` " 65 9 " a- 2 66 5.2.4 Use case 4 4@WS 27727 mĩ TÀ ii 67

5.2.5 Kết hợp định hướng khi đăng ký node mới -s¿ 685.3 Kết quả đo đạc -7c c2 2212212121121 errre, 70

5.3.1 Kết quả đo năng lượng tiêu thụ 2-2 2 ©s>s+cxszsersscez 705.3.2 Kết quả khảo sát pin -¿-¿+++c+++Ec2EeEkerkerrerrkerkerreee 71

5.3.3 Năng lượng khi dùng module GPS +-+++<<++s++ex++ 72 5.3.4 Packet loss theo duty CC ÌÏ€ cty ren 73 5.4 Chức năng định thờI - - 555 kh HH HH ngư 79

5.5 Kiểm thử hệ thống - 2+ 52+ E+EE£EESEE2EEEEEEEEEEEEEEerkerrrres 82

5.5.1 Lắp đặt và do đạc ¿- 5c cctEtEEEE12112112121 1111 1x te 825.5.2 Ứng dung lay thong tin cảm biến môi trường - 85

5.5.3 Năng lượng tiêu thu ee eeceesceeseeseeeeeeeeeeeeeseeesecseeeseeeseseneeaees 86

5.5.4 Đánh giá chức nang oo eceeeeeeeceecesceseeseeseseeseseseesseesesseeeaes 95

5.5.5 Diath gid pith ccc ceccecescesesscceseceecececeeeeseceeeeeeceseceseceeeseeeaeeeseeaees 96

Chương 6 KET LUẬN VA HƯỚNG PHAT TRIÊN - 99

6.l1 Kết luận c tt SE E11 215111111111111511111111E 1x11 xe 99

6.2 Những khó khăn - - 6 6 s31 vn HH ng ngư 99

6.3 Hướng phat triỀn :- + ++S++E+EEEEEEEEEEEEEEEEEEErErrerrrred 100TÀI LIEU THAM KHẢO - 5-5: E+StSt+E+EEEEEESEEEEEEEEEEEEESEEEEEkrkerrkrksei 102

Isi0006925 104

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Mô hình hệ thống trong bài báo [3] -sc+<<c++eexeseeeesexs 5 Hình 2.2 Mô hình hệ thống trong bài báo [4] -¿- 2s s2sz+zs+zx+re+ 6 Hình 2.3 Mô hình hệ thống của dé tài nghiên cứu -: s¿©s+¿ 7

Hình 3.1 Cau trúc mạng LoRaWAN (Nguồn: Semtech.com) - -. - 10

Hình 3.2 Cấu tạo của RAK7240 (Nguôn: rakWireÌeSS.COT) -~<<<« 13 Hình 3.3 Node phát LoRa DKBlue của RFThings Việt Nam 15

Hình 3.4 Mô hình phát sóng của omnidirecional antenna.[§] 16

Hình 3.5 Mô hình phát sóng của direcional antenna.[8] - -«- 18

Hình 3.6 MCU STM32L476xx (Nguồn: STMicroelecfroniCS) 21

Hinh 3.7 Module GPS L86 Quectel (Nguồn: Quetel COM) -~- 22

Hinh 3.8 Module LoRa E22 (Nguồn: €Vf€.COHW)) ằ S555 S Sex 23 Hình 3.9 Bộ chuyển mach SKY 13414-485LF (Nguồn: skyworksinc.com) 24

Hinh 3.10 IC CN3791 (Nguon: FATECOMPONENS.COM) vicceserseccsereseeessssessneses 24 Hình 3.11 Giao điện Øat€WAV Gà Q11 HH TH TH HH ky 26 Hình 3.12 Giao diện ứng dụng do người dùng tạo - -<<<<<<<x++ 26 Hình 3.13 Tích hợp MQTT dé lay dit liệu . -2: 2© s52: 28 Hình 3.14 Tao wOrkfÍÏOW - Q11 HH HH vn ven 28 Hình 3.15 Ví dụ về giao diện hiển thị dữ liệu đo đạc ¿ 29

Hình 4.1 Sơ đồ khối thiết bị - 55¿-c5ccceExterrrkktrrrrrrrrrrrrrrrree 30 Hình 4.2 Thiết kế đầu tiên 2¿¿ 222+++tEEErrtEEirrrriirree 32 Hình 4.3 Thay đổi ở mặt trước (trái-thiết kế đầu, phải-thiết kế hiện tại) .32

Hình 4.4 Thay đổi ở mặt sau (trái-thiết kế đầu, phải-thiết kế hiện tại) 33

Hình 4.5 Mạch thực tế (khi chưa han antenna) 2 2 2s s+cs2 5+2 33 Hình 4.6 Antenna dùng cho thiết bị ¿2-2 2 2+S+2E£+E£Ee£Eerxerxerxee 34 Hình 4.7 Kết quả do antenna đăng hướng - 2-2 5£ 52+++zz+zxezseez 34 Hình 4.8 Kết quả đo antenna định hướng - 2- 2 2 2+s2+se£+e£x+zxsxezz 34 Hình 4.9 Thiết bị relay đã hàn antenna ¿- ¿s2 s++cx++zxzzxees 35 Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống của chức năng định hướng . - 37

Hình 4.11 Minh họa vi trí cua node và relay trên trục tọa độ 38

Hình 4.12 Sơ đồ giải thuật tính hướng dựa vào 2 giá trị GPS - 38Hình 4.13 Minh họa vị trí của node đối với đường tròn tâm là relay 39Hình 4.14 Sơ đồ giải thuật RQ -2¿- 5:22 2+2EESEECSEEerErerkrerkrrrrees 41

Hình 4.15 Sơ đồ giải thuật đăng ky node mới vào whitelist 43

Hình 4.16 Sơ đồ giải thuật khi thức dậy định thời -5-5+: 45Hình 4.17 Sơ đồ giải thuật khi ở trang thái “Low” và nhận gói tin bat kỳ .46Hình 4.18 Các tác vụ của relay hiển thị trên OTII DC Energy Analyzer .48

Hình 4.19 Pin sac lithium 18650 (Nguon: UItraFire.COM) << 55+ <+ 49

Hình 4.20 Tắm pin mặt trời (Nguồn: QLiCXPTESS.COM) àằẶàc Sex 49

Hình 4.21 Dat relay trong hộp kèm pin năng lượng mặt trời - 50 Hình 4.22 Do GPS với clear VI©W 2G HH HH ng tư, 51 Hình 4.23 Do GPS với SKY VIỆW ng HH nh key 51 Hình 4.24 Do GPS với half coverage View Í co ccsxcseceeeesreerske 52 Hình 4.25 Do GPS với half coverage View 2 cv rey 52 Hình 4.26 Sự khác biệt giữa duty 1% (trái) và duty 10% (phải) 53

Hình 4.27 Biéu đồ phụ thuộc của đòng tiêu thụ trung bình với duty cycle 54

Hình 4.28 Minh họa bối cảnh l - : c¿5cc++scvxersrrxvrrerrrerrrrrrree 55Hình 4.29 Minh họa bối cảnh 2 -::-252+2+vteExxvsrrrvrrrrrrrrsrrrrree 56Hình 4.30 Lap đặt hệ thống đo đạc packet loss dựa trên duty cycle 56

Hình 4.31 VỊ trí đặt re]ay - - G1 1S vn TH HH TH TH HH ngư 57

Hình 4.32 Cảnh quan nhìn từ node Ï - 5+ +55 ++*++skEseeeseeereeeeeee 58 Hình 4.33 Cảnh quan nhìn từ node 2 - 5c 2+ 33+ E£+sEEeeereeeerseeeree 58 Hình 4.34 Cảnh quan nhìn từ node Ô 5 21k, 59 Hình 4.35 Workflow re€Ïay sàn HH TH HH TH ngàn HH Hư 60 Hình 4.36 Workflow nñOe G1 SH HH TH TH HH ngư 61

Hình 4.37 Ảnh cắt từ dashboard hiển thị dữ liệu . -c -cc + 61Hình 5.1 Thiết bi được cô định trong hộp - 2-2 2+5z+xecxezxerxsrxee 62Hình 5.2 Tunning antenna với tần số 922MHz -: 22 2 s25: 62

Hình 5.3 Thiết bị relay khi đã đóng gói hoàn chỉnh - -:-: 63

Hình 5.4 Relay kiểm tra GPS của chính nó -2- ¿2 ©z+csz+zx+2sszes 64 Hình 5.5 Kết quả chức năng định hướng — use case l - 64

Hình 5.6 Kết quả đọc từ TTN — use case Ï ¿©-2¿©cz2cxz+cxcccscee 65 Hình 5.7 Kết quả chức năng định hướng — use case 2 - 5+: 65 Hình 5.8 Gói tin được chuyên tiếp lên gateway — use case 2 65

Hình 5.9 Kết quả quá trình tính direction dựa vào GPS đọc từ Relay Serial.66 Hình 5.10 Gói tin được chuyền tiếp lên gateway — use case 3 66

Hình 5.11 Relay nhận được gói tin và chuyền tiếp lên gateway 67

Hình 5.12 Quá trình node gửi thêm gói tin dé relay tinh direction 67

Hình 5.13 Kết quả chức năng định hướng đọc từ relay— use case 4 68

Hình 5.14 Node gửi gói tin LoRa yêu cầu thêm vào whitelist - 69

Hình 5.15 Relay xử lý quá trình đăng ky node mới - -«<+- «+5 69 Hình 5.16 Node nhận được ACK từ r€Ïay - - 5 + sissireeeseree 69 Hình 5.17 Node và relay giao tiếp sau khi đăng ký -: 70

Hình 5.18 Kết quả khảo sát pin lithium 18650 trong 1 tuần .- 71

Hình 5.19 Theo dõi pin của thiết bị bằng Losant -2- 252 5552552: 72 Hình 5.20 Tỷ lệ mat gói của 3 node sau khi chuyền tiếp gói tin qua relay 74

Hình 5.21 Tỷ lệ mat gói của node 1 khi đi trực tiếp đến gateway và chuyên tiếp 0081) 75

Hình 5.22 Tỷ lệ mat gói của node 2 khi đi trực tiếp đến gateway và chuyền tiếp h0 8i) TA 76

Hình 5.23 Tỷ lệ mất gói của node 3 khi đi trực tiếp đến gateway và chuyền tiếp h0 89) 77

Hình 5.24 Chi số RSSI trung bình được cải thiện sau khi chuyền tiếp qua relay

Hình 5.26 Thức dậy và lấy GPS cccsssesssssssssssssssssessssssssssssssvesssesessssssseneeesees 80

Hình 5.27 Kết quả thời gian và GPS, dưa vào đó xác định trạng thái 80

Hình 5.28 Hoạt động khi trạng thái thiết bi là “LOW” .ceecceececseecseesseesseeeeee 81 Hình 5.29 Khi số gói tin tới bằng 20 thì chuyền tiếp gói tin mới nhất 81

Hình 5.30 Nếu trạng thái thiết bi khác low, chuyên tiếp gói tin 82

Hình 5.31 Bản đồ vị trí lắp đặt của các thiết bị - 2 ¿5z csccxerssceee 84 Hình 5.32 Thông tin hiển thị trên Losant của relay I - 84

Hình 5.33 Thông tin hiển thị trên Losant của relay 2 - 85

Hình 5.34 Node lay thông tin nhiệt độ phòng bang cảm biến 85

Hình 5.35 Gói tin chứa thông tin cảm biến mà gateway nhận được 86

Hình 5.36 Các tác vụ của thiết bị khi định thời thức dậy - - 87

Hình 5.37 Biểu đồ công suất tiêu thụ trung bình của từng tác vụ trong trường hợp định thời thức dẬy + +22 2612311111211 HH TH HH HH nưệt 88 Hình 5.38 Các tác vụ của thiết bị khi đã có direction của node - 89

Hình 5.39 Biểu đồ công suất tiêu thụ trung bình của từng tác vụ trong trường hợp đã có direction ca IOđE - 2c 3+1 321133 E+EESEEEErrrererirrserrrerreree 90 Hình 5.40 Các tác vụ của thiết bị khi gói tin có ŒPS « -««c+seec++ 91 Hình 5.41 Biểu đồ công suất tiêu thụ trung bình của từng tác vụ trong trường hợp nội dung gói tin chứa thông tin PS - <5 2< S* + +sseeeeerseeeres 92 Hình 5.42 Các trạng thái của thiết bị khi gói tin không có GPS 93

Hình 5.43 Biểu đồ công suất tiêu thụ trung bình của từng tác vụ trong trường hợp gói tin không chứa thông tin GPS c5 + skkssirsseeree 94 Hình 5.44 Tính toán thời gian duy trì thiết bị - 2 c5 =s+cxcsee 95 Hình 5.45 Kết quả theo dõi điện áp pin sử dụng sac pin mặt trời 97

Hình 5.46 Kết quả theo dõi điện áp pin lithium18650 . - 98

DANH MỤC BANG

Bảng 3.1 Bảng định nghĩa các mã data được sử dụng ‹ -«+- 11

Bảng 3.2 Bảng cau trúc gói tin được sử dU eecceccecessesstesseesseesesstesseessees 12Bảng 3.3 Bang thông số kỹ thuật của gateway RAK7240 14Bảng 3.4 Bang thông số MCU STM32L476xx . -2©5255z255+c: 21Bảng 3.5 Bang thông số GNSS module .scsssessesssesssesssessesssessseesseestesseessees 22Bang 3.6 Bang thông số của module LoRa E22 v eccsscescessessesssessessesseessesseeees 23Bang 3.7 Bảng thông số của SKY 13414-485LF ccccccccscsssesessesseesessessessesseaes 24Bảng 3.8 Bang thông số của IC sạc pin mặt trời -2-¿s+ss+cx+se2 25Bảng 4.1 Bang mô tả use cases và cách giải quyết -. : -: : 36

Bảng 4.2 Bảng tra CUU anf€TNA - 2G S11 vn ng ke 39

Bảng 4.3 Bảng trạng thái của thiết bị -2¿©25¿©5222S+2cxccxerxesrxeerxeee 44

Bảng 4.4 Bảng đánh giá dòng tiêu thụ trung bình theo duty cycle 33

Bang 4.5 Bảng so sánh điều kiện truyền tin của 3 node -. - 56

Bảng 5.1 Kết quả đo năng lượng tiêu thụ khảo sát . . -5- 55-55: 70

Bang 5.2 Bảng khảo sát năng lượng tiêu thụ cua module GPS 73 Bảng 5.3 Bảng trường hợp do packet loss theo duty cycÌe - 73

Bang 5.4 Bang set-up thiết bị - ¿525cc 2E EEE121121121121 21211 E.cxe 83Bang 5.5 Thống kê năng lượng tiêu thụ khi định thời thức dậy 87

Bảng 5.6 Thống kê năng lượng khi đã có direction của nođe - 89

Bang 5.7 Thống kê năng lượng khi gói tin có GPS -5:5-: 91Bảng 5.8 Thống kê năng lượng khi gói tin không có GPS 93Bảng 5.10 Bảng kết quả kiểm thử của node -. -s¿ 2 ©5z2cs+2z++2zescsz 96Bang 5.11 Bảng kết quả kiểm thử của relay - 2-5255 secxecsczssse2 96

Long Range

Long Range Wide Area Network Radio Frequency

The Things Network

Received Signal Strength Indicator Signal Noise Ratio

Packet Loss Rate Acknowledgement

Media Access Control Global Positioning System Microcontroller Unit

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Nền công nghiệp 4.0 đang phát triển vượt bậc nhờ sự lên ngôi của IoT - city và smart-factory Một dự đoán cho thay rằng vào năm 2025, toàn thé giới sẽ sửdụng khoảng 30 tỷ thiết bị IoT trong nhiều ngành nghề lẫn nhiều khía cạnh trong cuộcsông và đề đáp ứng mạng lưới không lồ các thiết bị thông minh ấy, ước tính khoảng1⁄4 trong số đó sẽ được ứng dụng công nghệ LPWAN [1] LPWAN (Low power widearea network) là mạng lưới truyền nhận thông tin đi xa với mức năng lượng tiêu thụthấp, nồi tiếng nhất với giao thức LoRaWAN, mang trong mình khả năng truyền tin

smart-lên đến 100km trong khi dòng tiêu thụ lại khá khiêm tốn, đây cũng là ưu điểm của

LoRaWAN so với mạng WPAN, WLAN truyền thống [2] Dẫu vậy, dù là công nghệtruyền tin nào thi cũng không thé tránh khỏi những bat lợi do chướng ngại vật gây ra,

dù là môi trường đô thị hay khu vực công nghiệp, các loại công nghệ truyền tin đềuphải giải quyết bài toán hóc búa về độ chính xác cao — độ trễ thấp — mà năng lượngtiêu tốn phải ít Đã có một số giải pháp được đề xuất cho LoRaWAN nhưng vẫn cònnhiều điểm bat cập, chăng hạn như: tăng số lượng gateway, đối lai sẽ dẫn đến yêu cầu

về cơ sở hạ tầng phức tạp hơn; hoặc thêm thao tác xử lý dữ liệu ở thiết bị thu, nhưng

dễ khiến tốc độ truyền nhận data chậm lại [3] Một giải pháp khả thi khác về việc chếtạo thiết bị chuyên tiếp cho chuẩn LoRa được nhắc đến trong bài báo [4] và là nên

tảng cho bài nghiên cứu này.

Thiết bị chuyên tiếp gói tin LoRa (hay còn gọi là LoRa relay) là thiết bị cầu nốigiữa nguồn phát (node) và gateway, nó đảm nhiệm chức năng chuyền tiếp gói tinnhằm đảm bảo liên lạc liền mạch giữa node và gateway Trong điều kiện ít vật chắn

va nằm thang hướng antenna của gateway, một node LoRa có thé truyền gói tin đếngateway trong khoảng cách vài km Tuy nhiên, khi đặt góc khuất antenna hoặc tăngkhoảng cách lên đến hàng chục cây số, tỷ lệ mất mát gói tin sẽ gia tăng đáng kể Lúcnày, việc sử dụng relay sẽ mang lại nhiều lợi ích Sử dụng relay không chỉ giúp mởrộng phạm vi hoạt động của hệ thống và giảm tỷ lệ mat mát gói tin, mà còn giúp giảiquyết các vấn đề liên quan đến định hướng nguồn phát, có thể hoạt động độc lập nhưmột node và cập nhật trạng thái liên tục về gateway Đặc biệt, thiết bị relay không đòi

hỏi cơ sở hạ tang phức tạp như node hay gateway, phù hợp đặt trong nhiều điều kiệnmôi trường lẫn thời tiết khác nhau Đặc điểm này cũng khiến relay trở thành một giảipháp lý tưởng trong các ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời Việc sử dụng nguồnnăng lượng tái tạo này khiến thiết bị có thể hoạt động độc lập so với nguồn điện lưới,qua đó làm giảm độ phức tạp cũng như cả về chỉ phí lắp đặt hạ tầng.

Dựa trên những lợi ích đã đề cập, đề tài nghiên cứu của khóa luận sẽ tập trunghiện thực phần cứng relay có khả năng truyền nhận gói tin LoRa tích hợp hệ thốngthu thập năng lượng từ các tắm pin năng lượng mặt trời Bên cạnh đó, thiết bị cũng

sẽ được trang bị chức năng định hướng node phát dựa vào hệ thống antenna, chứcnăng định thời dé tiết kiệm năng lượng Mức năng lượng tiêu thụ và độ mat mát gói

tin cũng sẽ được đo đạc và đánh giá.

Các kết quả của đề tài sẽ bao gồm: phương pháp thiết kế phần cứng của SolarRelay sẽ được mô tả chỉ tiết trong chương 4, hiện thực chức năng định hướng nodephát trong nhiều điều kiện khác nhau sẽ được trình bày ở chương này Kết quả đo đạcnhằm mình chứng cho lợi ích về giảm mất mát gói tin của relay sẽ nằm ở chương 5,kèm theo đó là số liệu về mức năng lượng tiêu thụ Cuối cùng, chương 6 sẽ tông kếtlại đánh giá của toàn hệ thống

- Khả năng mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống: Relay sẽ giúp tăng

phạm vi thu/ phát gói tin LoRa, khắc phục các van đề về khoảng cách của môhình truyền thống Phạm vi này sẽ tiếp tục được mở rộng khi tăng số lượng

relay.

- Giảm mất mát gói tin: Relay có thé được đặt ở các vị trí khác nhau nhằmbắt những gói tin khuất tầm quét của gateway, khắc phục đáng kể tình trạngthất lạc gói tin, giúp gateway tiếp nhận dữ liệu kịp thời

- Lợi thé khi tích hợp sử dung tam pin năng lượng mặt trời: Năng lượng mặttrời là nguồn năng lượng tái tạo và khi tích hợp vào hệ thông truyền nhận LoRanày, tất cả những gi hệ thống cần chi bao gồm pin mặt trời và mạch sạc, khôngyêu cầu lắp đặt phức tạp cũng như chỉ phí cho các cơ sở hạ tầng khác mà vẫn

có nguồn cung liên tục Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời sẽ giúp hệthống hoạt động được trong nhiều điều kiện, hoàn cảnh khác nhau

- Phù hợp với chức năng định hướng: Cả node phát va gateway đều không

phù hợp với việc xử lý dữ liệu phức tạp Node phát chỉ có nhiệm vụ thu thập

dữ liệu thô và gửi đến gateway, node không nhận dữ liệu từ node khác dé tínhtoán hướng đến của gói tin, đồng thời node cũng cần tiết kiệm năng lượng ởmức tối đa để đảm bảo thông tin được cập nhật liên tục Gateway là trung tâmtiếp nhận dữ liệu đến từ nhiều node trong cùng một khoảng thời gian, gatewaychuyên dữ liệu lên server dé xử lý, việc thêm các chức năng như định hướng

sẽ khiến server lẫn gateway bị quá tải, làm tăng độ trễ của hệ thống Vì vậy,relay là lựa chọn phù hợp nhất cho nhiệm vụ xác định hướng đến của các gói

tin.

1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu đề tài muốn hướng đến bao gồm: thiết kế, chế tạo thành công phầncứng relay; relay thực hiện đúng chức năng định hướng đã đề ra Bên cạnh đó, đểđảm bảo thực hiện day đủ nhiệm vụ chuyền tiếp và định hướng trong khi vẫn phảitiết kiệm năng lượng, relay sẽ được tích hợp thêm khả năng định thời Năng lượngtiêu thụ khi sử dụng pin mặt trời và ty lệ mat mát gói tin khi sử dung relay so vớikhi không sử dụng relay cũng sẽ được đo đạc và đánh giả trong nhiều điều kiện

khác nhau.

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm: Thiết kế, phát trién phần cứng và phần mềm;

mô hình hóa và kiểm tra sự tương tác giữa node — gateway — relay; thử nghiệm vàkiểm thử hệ thống nhằm đưa ra đánh giá khách quan

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu xoay quanh các chủ đề về thiết kế phần cứng, phát triểnphần mềm, tối ưu năng lượng, đo đạc và đánh giá trong nhiều điều kiện môi trườngthực tế dựa trên thiết bị solar relay

Chuong2 TONG QUAN

2.1 Phân tích, đánh giá các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Tính tới thời điểm hiện tại, đã có một số nghiên cứu mang tính đóng góp caotrong việc xây dựng hệ thống chuyên tiếp gói tin LoRa Sau đây là phần khảo sátmột vài bài nghiên cứu trong số đó

2.1.1 Hướng nghiên cứu ngoài nước

Bài báo [3] xây dựng ý tưởng tạo một node sử dung Microchip RN2483

gửi định thời một gói tin tỏng một đơn vị thời gian Bài báo chỉ ra được việc

tao node chuyền tiếp gói tin là hoàn toàn khả thi nhưng còn bỏ ngõ những van

dé như hiện thực một hệ thống hoàn chỉnh với nhiều nguồn phát và tính tỷ lệmat mát gói tin, bài báo cũng chưa đưa ra được mức năng lượng tiêu tốn cụthé trên node lẫn cách dé tiết kiệm nguồn năng lượng đó

Bài báo [4] sử dụng board RaspberryPi 2 để giao tiếp với gateway tíchhợp chip SX1301-SX1257 (Semtech) Mac dù cho thấy tính ứng dụng caotrong môi trường công nghiệp, có thé lắng nghe — chuyền tiếp một lúc nhiềugói tin với độ trễ thấp, bổ khuyết được những điểm bat cập của [3] nhưng bàibáo [4] lại phạm phải vấn đề hóc búa hơn đó là cơ sở hạ tầng phức tạp và nănglượng duy trì hệ thống lớn

_RG1 66

Node

(RN2483 Backend serversbased) ==

Hình 2.1 Mô hình hệ thống trong bài báo [3]

e-Node (see Figure 5)

" mm

Monitoring station

Hình 2.2 Mô hình hệ thống trong bài báo [4]

Vượt lên trên những hạn chế của [3] và [4], bài báo [5] đã cải thiện được

dòng tiêu thụ với chỉ 2 viên pin AA trong chu kỳ hoạt động là 2 năm Tuy

nhiên, hệ thống của [5] chỉ đề cập đến giao tiếp giữa thiết bị node và relay,chưa đề cập đến tương tác giữa nhiều relay với nhau Dẫn đến câu hỏi về khảnăng mở rộng lẫn phạm vi hoạt động của hệ thống này

2.1.2 Hướng nghiên cứu trong nước

Những khuyết điểm của [3] [4] và [5] đã đặt ra bài toán về năng lượng

và mat mát gói tin cho nhóm nghiên cứu, dé giải quyết bài toán này, nhóm sẽnghiên cứu và hiện thực chuyên tiếp gói tin qua thiết bị sử dụng năng lượngmặt trời (solar relay) có thể giao tiếp giữa relay với node gửi, giữa relay vớirelay lẫn giữa relay với gateway dựa trên kết quả nghiên cứu của [6] và [7]

2.2 Phương pháp thực hiện

Từ xuất phát điểm là thiết bị relay 1 ăng-ten như mô tả của [6] va [7], nhóm

sẽ thiết kế và chế tao solar relay với 3 ăng-ten định hướng va 1 ăng-ten danghướng Việc tích hợp nhiều ăng-ten sẽ đóng vai trò đáng kể trong mong muốngiảm thiêu bỏ lỡ các gói tin đến từ các hướng khác nhau, giúp cho việc truyềnnhận gói tin được thêm chính xác Quá trình thiết kế sẽ được tiến hành bang phanmềm Altium và công nghệ mach in PCB Sau khi chế tạo thành công phan cứngrelay, nhóm tiếp tục viết chương trình định hướng và nạp code thông qua ArduinoIDE Cho chạy kiểm tra giao tiếp giữa relay với thiết bị đầu cuối và giao tiếp giữa

relay với relay Bước tiễn hành đo đạc năng lượng tiêu thụ khi sử dung pin mặttrời sẽ được ứng dụng máy đo OTII DC Energy Analyzer Kết quả đo đạc sẽ làmcăn cứ đề lên giải thuật định thời thích hợp nhằm giảm dòng tiêu thụ Cuối cùng,nhóm sẽ xây dựng mô hình thử nghiệm thiết bị trong thực tế dé phân tích và đánhgiá hiệu quả của thiết bị.

gói tin Application User

Hình 2.3 Mô hình hệ thống của đề tài nghiên cứu.

Sơ lược về mô hình của nhóm nghiên cứu bao gồm thiết bị node, có số lượng

từ 2 trở lên, chỉ đảm nhiệm chức năng gửi gói tin, relay xử lý dit liệu và chuyêntiếp gói tin đến gateway, gateway nhận các gói tin LoRa và gửi lên server Server

xử lý dữ liện rồi hién thị thông tin ở trang web ứng dụng dé người dùng theo dõi.Với mỗi gói tin nhận được, thiết bị nhận sẽ gửi trả về thiết bị gửi 1 gói tin ACK

dé thông báo nhận thành công

Chương3 CƠ SỞ LÝ THUYET

Cơ sở lý thuyết bao gồm nội dung về công nghệ truyền tin băng LoRaWAN,giới thiệu về node phát và gateway được sử dụng, các linh kiện quan trọng được

sử dụng trong thiết kế, cùng với những nên tang dé theo dõi và giao tiếp với hệthống

3.1 Công nghệ truyền tin bằng LoRaWAN

3.1.1 Về lợi ích và ứng dụng

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) hiện là công nghệ truyềntin có xu hướng phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới Nó được đánh giá làphù hợp dé cung cấp mạng lưới kết nối tiện ích cho các thiết bị IoT ở khoảngcách xa, tiêu thụ năng lượng thấp và có khả năng hoạt động lâu dài Chính vì

lẽ đó, LoRaWAN sẽ thường được bắt gặp trong các ứng dụng như quan trắc

môi trường, các ứng dụng trong công nghiệp và nông nghiệp,

Khoảng cách truyền tin của LoRaWAN thông thường vào khoảng vàicây số và có thê lên tối đa tới 100km, hơn rất nhiều lần so với WPAN vàWLAN [2] WPAN, bao gồm các công nghệ như Bluetooth và Zigbee, có tầmphủ sóng hạn chế hơn Ở điều kiện bình thường, phạm vi của WPAN chỉ góigọn trong vòng từ vài mét đến vài chục mét, chỉ thích hợp cho các ứng dụngIoT trong phạm vi cá nhân hoặc gần nhau, ví dụ như ban phím không dây haycác thiết bị thông minh trong nhà WLAN với đại diện tiêu biểu là Wi-Fi, tuy

có tầm phủ sóng rộng hơn WPAN - thường từ hàng chục mét đến vài trămmét - nhưng nhược điểm nằm ở việc số lượng ứng dụng khá hạn chế do chỉthường được sử dụng khi cần kết nối các thiết bị IoT trong một khu vực giađình hoặc văn phòng Tóm lại, LoRaWAN chiếm ưu thế về tam phủ sóng xanhất lẫn mạng lưới kết nối rộng nhất trong số cả ba công nghệ Lợi thé nàycũng là yếu tố hứa hẹn tiềm năng ứng dụng của LoRaWAN trong xu thế công

nghệ của tương lai.

Bên cạnh khoảng cách thì năng lượng luôn là bài toán hóc búa cho các

loại hình truyền tin không dây Các thiết bị IoT sử dụng LoRaWAN có théhoạt động trong thời gian dài chỉ bằng một viên pin nhỏ - một giải pháp tuyệtvời dành cho các ứng dụng yêu cầu tuôi thọ pin cao như theo dõi nhiệt độ,quản lý tiêu thụ năng lượng và cảm biến môi trường

Các công nghệ càng có băng thông lớn thì càng tiêu tốn nhiều điện năng

và ngược lại Các thiết bị IoT lại không yêu cầu gửi cùng lúc một lượng datalớn nên không yêu cầu khắt khe về băng thông, do đó, các ứng dụng sử dụngIoT lại càng phù hợp với LoRaWAN Mà khi nhắc đến tiêu tốn ít năng lượngnghĩa là đang nói đến các nguồn năng lượng tái tạo có thê được khai thác như

quang năng, phong năng, năng lượng thủy triều, Sử dụng LoRaWAN sẽ

không chỉ gián tiếp giúp bảo vệ môi trường nhờ năng lượng tái tạo mà còngiảm thiểu chỉ phí đè nặng lên cơ sở hạ tầng, tiết kiệm nhân lực, vật lực và

không cân bảo trì quá nhiêu.

LoRaWAN còn có thé gia tăng lớp bảo mật trên đường truyền bằng cách

mã hóa gói tin LoRa với network key mà chỉ chủ sở hữu hệ thống mới biếtđược Người dùng có thể gửi những đoạn data tự điều chỉnh theo mong muốncùng với mã MAC đã được mã hóa nhờ sự hỗ trợ của thư viện đến từ công ty

công nghệ Lacuna Space và RFThings Vietnam Đây là hai thư viện được phát

triển tương thích với haàu hết các phần cứng được thiết kế trong đề tài

Trong bài nghiên cứu này, nhóm sinh viên ứng dụng của phương pháp

phát gói tin LoRaWAN có mã hóa bang network key lẫn gói tin LoRa thô,

không mã hóa cho trường hợp đặc biệt như đăng ký node mới vào danh sách

hợp lệ (whitelist) của antenna, được trình bày ở mục 4.3.1.3.

3.1.2 Về băng tần

LoRaWAN được qui định băng tan phân theo vùng như sau: EU 868 và

EU 433 (dành cho Châu Âu), US 915 (dành cho Châu Mỹ) và AS 430 (dànhcho Châu A) Đề tài sử dụng băng tần AS_ 923

3.1.3 Về cấu trúc mạng LoRaWAN

Khả năng nhân rộng phạm vi của LoRaWAN là một trong những ưu

điểm hàng đầu khi nhắc đến công nghệ này Trên thực tế, đây là những lợi thế

mà LoRaWAN có được nhờ sử dụng cau trúc mạng hình sao

đó.

Gateway: đảm nhiệm chức năng nhận dữ liệu gửi từ các end nodes

song chuyền dit liệu đó lên các server bằng Internet

Network server: trung tâm tiếp nhận và xử lý các dữ liệu được truyền

từ end node thông qua gateway

10

- Application: các ứng dụng do người dùng thiết kế, có thé hiển thi data

thu thập được từ nhiều end node khác nhau, có giao diện thân thiện

va dé dàng chỉnh sửa.

3.1.4 Về cấu trúc gói tin được sử dụng

Do đặc tính băng thông thấp của LoRaWAN, đề tài giới hạn cấu trúc góitin trong phạm vi tối đa là 16 byte, lần lượt là: 4 byte cho mã MAC thiết bị, 4byte cho nội dung data, 6 byte cho GPS (nếu có), 1 byte cho antenna (với

relay) va 1 byte cho dung lượng pin (relay).

Trong đó:

- Ma MAC thiết bị đóng vai trò như mã định danh của chính thiết bi

đó, mỗi thiết bị có mã MAC khác nhau và có thê thay đổi được thôngqua việc nạp code Mã MAC được tạo khi đăng ký thiết bị trên ứngdụng hệ thông TIN như mục 3.5

- 4 byte data là thông điệp giao tiếp giữa 2 thiết bị, được gửi đi đưới

dạng hexa Danh sách mã data được định nghĩa theo bảng bên dưới.

- _ 6 byte GPS bao gồm 3 byte cho kinh độ và 3 byte cho vĩ độ

Bảng 3.1 Bảng định nghĩa các mã data được sử dụng.

Sử dụng khi gửi từ relay xuông node, có vai trò như một gói

tin ACK, thông báo cho node đã nhận được gói tin ma node

gửi

RFRQ

Sử dụng khi gửi từ relay xuống node, có vai trò ACK như mã

“RFOK” nhưng “RQ” nghĩa là kèm theo tính năng request —

yêu cầu node phải thực hiện gửi thêm gói tin cho quá trình

định hướng (trình bay chi tiết ở mục 4.3.1)

báo cho node quá trình request đã kết thúc

11

Dùng bởi node, nghĩa là node mới đang cần đăng ký vào

ADDN

whitelist của relay.

Gói tin dé tài sử dụng sẽ có 2 loại: gói tin uplink va gói tin downlink.Gói tin uplink bao gồm các gói được gửi từ node đến relay, từ node đếngateway và từ relay đến gateway Ngược lại, gói tin downlink sẽ là những góitin đi từ gateway xuống node, từ gateway xuống relay và từ relay xuống node.Gói tin uplink và downlink sẽ chứa các thông tin với từng xuất phát điểm như

Sau:

Bảng 3.2 Bảng cấu trúc gói tin được sử dụng

Từ node gửi đi Từ relay tới gateway | Từ relay tới node

Byte 0-3: MAC Byte 4-7: data

ra Byte 0-3: MAC | Byte 8: antenna dang Byte 0-3: MAC Cau trúc h

6i tin Byte 4-7: data su dung Byte 4-7: data

ồn định và lâu dài, ngược lại, gateway kém chất lượng sẽ khiến hệ thong bi cham

trễ, người quan sát có thé không đọc được gói tin đã nhận nào.

Ở đề tài này, nhóm sinh viên sử dụng gateway RAK7240 WisGate EdgePrime của RAK — một công ty công nghệ chuyên cung cấp các giải pháp về hệthống nhúng và IoT network Day là gateway được thiết kế dé triển khai các ứng

dụng tiết kiệm năng lượng trên quy mô lớn Gateway cung cấp các lựa chọn tùy

chỉnh đa dang, cung cấp trải nghiệm "out of the box" đáng tin cậy

12

RAK7240 components

1 Mounting kit 8 Ethernet port cable gland Lị :

2 Backplate 9 Service port covers ®

3 2x LoRa concentrators 10 WiFi antenna _ ®

4 Main board 11 LTE antenna “

5 TF and SIM cards 12 LTE/LoRa antenna va

6 Metal Casing 13 LoRa antenna —_—¬

7 GPS antenna connector Ẩ" Bn

Hinh 3.2 Cau tao cua RAK7240 (Nguon: rakwireless.com)

Cấu tạo vòng kim loại ở mặt sau của RAK7240 cho thấy nó có thể được cố

định chắc chắn trên bề mặt cột, tránh việc đặt trong nhà làm cản trở đường truyền của tín hiệu Hộp bảo vệ băng chất liệu chống thấm đạt chuẩn IP65, khẳng định

rang vỏ bảo vệ hoàn toàn ngăn nước từ mọi hướng tiếp xúc, không dé bụi hoặccác hạt nhỏ lọt vào gây ảnh hưởng đến hoạt động bên trong Hệ thống cable glandsgồm các kẹp cáp dùng dé giữ và định vị dây cáp trong vỏ bọc, bảo vệ cáp khỏimôi trường bên ngoài và duy trì tính an toàn của hệ thống

Bên cạnh đó, RAK7240 còn sở hữu công nghệ chống sét và PoE + Đặcđiểm chống sét nhằm bảo vệ gateway khỏi sự tác động của sét đánh hoặc sự biếnđổi nhiễu điện khi đặt ở trên cao PoE (hay Power over Ethernet) là công nghệcho phép truyền dữ liệu và cung cấp nguồn điện chỉ qua một cáp Ethernet duynhất Đặc điểm này việc cấp nguồn cho các bộ phận trở nên đơn giản mà không

cân sử dụng các nguôn điện riêng lẻ.

13

Ngoài những đặc điểm thích hợp cho việc lắp đặt ngoài trời như đã giớithiệu, gateway RAK7240 còn sở hữu thông số kỹ thuật khá ấn tượng như bang

Hỗ trợ lên tới 128 nodes

Hệ điều hành OpenWRT mã nguồn mở, phát triển

` SA dựa trên Linux, dé thao tác và sử dụng dé điều

Phân mêm '

khiên gateway

Hỗ trợ công nghệ LoRaWAN 1.0.2

Hỗ trợ MQTT v3.1

3.3 Node phát gói tin LoRa

Đây là thiết bị có thé thu/phát gói tin LoRa được sản xuất bởi RFThings ViệtNam Thiết bị hỗ trợ các tính năng tiện lợi như nạp code không giới hạn số lần,

có thể điều chỉnh tần số phát mong muốn thông qua antenna ở mặt trên cùng củathiết bị; cung cấp nguồn từ USB type B hoặc với 3 viên pin AA, mỗi viên 1.5V.Ngoài ra, DKBlue cũng được tích hợp thêm các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ

am, cảm biến nồng độ eCO2 trong không khí, thích hợp cho nhiều ứng dungquan trắc môi trường

Thông số mà nhóm nghiên cứu sử dụng trong đề tài này bao gồm: tần số923MHz, channel plan là Asia (AS_923) va cấp nguồn bằng pin sac dự phòng

hoặc 3 viên pin AA cho mỗi node.

14

3.4 Antenna

3.4.1 Tong quan

Antenna là linh kiện quan trọng trong việc truyền nhận sóng điện từ nóquyết định tầm phủ sóng của thiết bị Nó có thé là bat kỳ thiết bị nào có khảnăng chuyên đôi tín hiệu điện tử thành sóng electromagnetic (một loại tín hiệuđiện-từ trường) và ngược lại, sử dung antenna sẽ mang lại lợi ích nhất địnhtrong việc giảm mat mát gói tin [8] Khi kết nối với bộ phận phát tín hiệu,antenna sẽ gửi thắng hoặc phản xạ sóng RE Còn khi kết nối với bộ phận thusóng, antenna sẽ bắt lay sóng RF mà nó nhận được và gửi đến bộ phận thu dé

xử lý Có thể nói, antenna là tiền đề của quá trình thu, phát trong ứng dụngLoRaWAN Đề tài nghiên cứu sử dụng 2 loại antenna đó là antenna đăng

hướng và antenna định hướng.

Antemna có thể được phân loại dựa theo [8]:

- Tần số: VLF, LF, HF, VHF, UHF, Microwave, Millimeter wave

antenna

- Loại vỏ (Aperture): Wire, Parabolic Dish, Microstrip Patch antenna

15

- Phân cực (Polarization): Linear (Vertical/Horizontal), Circular

3.4.2 Antenna dang hướng

Antenna đăng hưởng (hay omnidirectional antenna) là loại antennađược thiết kế dé thu/ phát tín hiệu đồng đều ở mọi hướng trong phương ngang(horizontal và một phần trong phương hướng lên như mô hình phát sóng

sau[8]:

Horizontal

Vertical

Hình 3.4 Mô hình phát sóng của omnidirecional antenna.[8]

Đa sô các loại antenna dây đêu sở hữu mô hình antenna này, chúng xuât hiện dưới các tên gọi như whip antenna, dipole antenna, v.v và thường được

16

sử dụng trong hệ thống radar, truyền thông, viễn thông, hệ thống liên lạc vànhiều ứng dụng khác.

Lợi ích của loại antenna này nằm ở vùng phủ sóng bao quát, giảm tỉ lệmat mát khi có nhiều tín hiệu đến cùng lúc Dù vậy, antenna đăng hướng cũngkhông thực sự hoàn hảo bởi bài báo [9] đã chỉ ra rằng độ lợi (gain) của môhình antenna này khá thấp, vào khoảng chưa tới 10dB cho 1 antenna và dé

nâng cao độ lợi này, ta phải hy sinh độ rộng của băng thông.

Trong bài nghiên cứu này, nhóm sẽ sử dụng antenna đăng hướng đượcthiết kế bởi RFThings Việt Nam Antenna đảm bảo đáp ứng đủ nhu cầu nhận

và phát gói tin đến từ mọi hướng của bài nghiên cứu

3.4.3 Antenna định hướng

Antenna định hướng (hay directional antenna) cũng là loại antenna được

thiết kế dé thu/ phát sóng điện từ nhưng khác với antenna đăng hướng, loạiantenna này sẽ chỉ tập trung công suất phát tại 1 hướng nhất định [8] Antenna

định hướng thường được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông, vệ tinh, liên

lạc không dây, với các tên gọi như paraboloid reflector antenna, Yagi-Uda

antenna, Log periodic antenna, v.v Đây là loại antenna sở hữu nhiều ưu thé

độ lợi cao [8], tiết kiệm năng lượng, ngăn chặn tấn công wormhole hiệu quả,phạm vi phủ sóng lớn và khả năng chống nhiễu cao [10] Tuy nhiên, antennađịnh hướng cũng có những hạn chế nhìn thấy được từ vùng phủ sóng củachúng, đó là dễ bỏ lỡ gói tin đến từ các phương khác

17

0d8 EZNEC

A,

Hình 3.5 Mô hình phat sóng của direcional antenna.[8]

Trong bài nghiên cứu này, nhóm cũng sẽ sử dụng antenna định hướng của RFThings Việt Nam.

3.5 Các thông số liên quan

3.5.1 RSSI (Received Signal Strength Indicator)

RSSI bản chất là chỉ số cường độ tín hiệu thu hay còn có thê hiểu là chỉ

số dé đo độ mạnh của tín hiệu tại thiết bi thu (vi du antenna, sóng WiFi, sóng

LoRa, ).

Giá trị RSSI càng lớn thì chất lượng và tốc độ tín hiệu càng mạnh RSSI

là đặc trưng cho độ nhạy của tín hiệu.

3.5.2 SNR (Signal to Noise Ratio)

SNR tạm dich là tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm Chúng so sánh mức tín hiệu

mong muốn trên mức nhiễu nên

SNR là tỷ lệ công suất tín hiệu trên công suất nhiễu có đơn vị đo làDecibel Tỷ lệ này cao hơn 1 biểu thị tín hiệu mong muốn (signal) đang nhiều

hơn tín hiệu nhiễu (noise).

18

3.5.3 Packet loss rate

Packet loss rate (hay PLR) là ty lệ mat gói tin, xảy ra khi một hoặc nhiều

gói tin (packet) không đến được dich (cụ thé trong đề tài này là gateway) trongxuyên suốt quá trình truyền tin của hệ thống Packet loss thường xảy ra khi có

sự đụng độ hoặc do lỗi truyền dữ liệu, được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần

trăm sô gói tin không nhận được so với tông sô gói tin đã được gửi di.

Bài báo [13] đã cho thay packet loss khi truyền tin bằng LoRaWAN cóthê bị ảnh hưởng bởi nhiều yêu tố khác nhau Bài báo lấy bối cảnh đo cả ngoàitrời đến trong nhà, sử dụng cảm biến đo nồng độ PM2.5 trong không khí làm

ví dụ để khảo sát hiệu suất truyền tin của sóng LoRa từ các end nodes đếngateway Họ kết luận rằng packet loss sẽ thay đổi dựa theo:

- Khoảng cách giữa node phát và gateway:khoang cách càng xa thì tỉ

lệ mất càng cao

- _ Công suất truyền: càng lớn thì loss càng thấp

- D6 dài gói tin (payload length): càng lớn thi loss càng cao

- Mat phăng của antenna so với node: góc 90° cho ra 0% loss, góc 45°

cho ra 14% loss, còn góc 0° thi lên đến 50%

- Diéu kiện thời tiết: mưa, gió, nhiều mây cũng gây mat mát gói tin

- Anh hưởng của số lượng mẫu gói tin cũng được khảo sát và họ phát

hiện rằng hơn 99% trường hợp mất gói xảy ra khi chỉ phát 3 gói tin

liên tiếp hoặc ít hơn.

3.5.4 Duty cycle

Duty cycle là một thuật ngữ được sử dung dé đo lường tỷ lệ thời gian

hoạt động (on) trong một chu kỳ, so với tông thời gian bật và tắt của thiết bị.

Duty cycle được biểu diễn dưới dạng phần trăm từ 0% đến 100% Duty cycle

là 50% thì nghĩa là thời gian hoạt động bằng với thời gian tắt Duty cycle lớnhơn 50% là thời gian hoạt động dài hơn thời gian tắt và ngược lại đối với dutycycle nhỏ hơn 50% Duty cycle được tính bằng:

19

Duty Cycle = ton + tops (3.1)

Trong do:

- ton là thời gian hoạt động của thiết bị trong 1 chu kỳ

- tog là thời gian tăt/ngủ của thiết bi trong 1 chu kỳ

Một số bài báo chăng hạn như [14] đã khang định việc sử dung dutycycle hợp lý có thé cải thiện hiệu suất của hệ thong như thé nào

Còn đối với bài nghiên cứu này, duty cycle càng lớn thì thời gian lắngnghe gói tin càng nhiều, dẫn đến PLR cũng giảm đi, tuy nhiên năng lượng tiêuthụ của hệ thống cũng tăng lên đáng kể Ảnh hưởng của duty cycle lên PLR

và năng lượng sẽ được trình bày cụ thể ở mục 4.3

3.5.5 SF (Spreading Factor)

SF xác định số lượng tin hiệu chirp khi mã hóa tín hiệu đã được điều chếtần số (chipped signal) của dữ liệu SF có giá trị nguyên từ 7 đến 12 Giá trị

SF càng lớn thì thời gian truyền dit liệu lâu hơn nhưng tỉ lệ lỗi bít BER giảm

và khoảng cách truyền xa hơn

CR càng cao thi kha năng nhận dữ liệu đúng càng tăng, nhưng chip LoRa sẽ

phải gửi nhiều dữ liệu hơn và làm tăng thời gian truyền

3.5.7 BW (Signal Bandwidth)

BW xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi Thông

thường ba mức băng thông phổ biến là 125kHz, 250kHz và 500 kHz Băng

20

thông cao sẽ cho phép mã hóa tín hiệu nhanh hơn, giúp thời gian truyền dữliệu nhanh hơn nhưng khoảng cách truyền sẽ ngắn đi.

3.6 Các linh kiện quan trọng được sử dung trong thiết kế phan cứng

3.6.1 MCU STM32L476xx

Hinh 3.6 MCU STM32L476xx (Nguon: STMicroelectronics)

Module STM32L476xx là bộ điều khiển công suất cực thấp dựa trên lõiRISC 32 bit Arm® Cortex®-M4 hiệu suất cao hoạt động ở tan số lên đến 80MHz

STM32L476xx hoạt động ở nhiệt độ -40 đến +85°C, -40 đến 105°C và -40đến +125°C Nguồn điện giao động từ 1.71 đến 3.6V VDD khi sử dụng bộ điềuchỉnh LDO bên trong và 1.05 đến 1.32V VDD khi sử dụng nguồn SMTP bênngoài Nó bao gồm tập hợp toàn diện các chế độ tiết kiệm năng lượng cho phépthiết kế các ứng dụng tiết kiệm năng lượng

Bảng 3.4 Bang thông số MCU STM32L476xx

Bộ xử ly ARM 32-bit Cortex-M4

Tốc độ 80MHzNguồn hoạt động 1.71V-3.6VTiêu thụ 30nA ở chế độ shutdownTiêu thụ 120nA ở chế độ standbyTiêu thụ 420nA ở chế độ standby kết hợp RTCTiêu thụ 100uA/MHz chế độ hoạt động LDO39uA/MHz chế độ hoạt động SMPS

Ngoại vi: SPI, UART, I2C

Thông số

21

Lên tới IMB bộ nhớ Flash Lên tới 128KB SRAM

3.6.2 GPS GNSS L86 Quectel

QUELTEL

L86

J

Hình 3.7 Module GPS L86 Quectel (Nguồn: Quetel.com)

L86 là module GNSS POT (Patch on Top) có kích thước 16.0mm x

16.0mm x 6.45mm với 99 kênh thu nhận và 33 kênh theo dõi Nó được thiết

kế tương thích với module GPS L80 xủa Quectel nhằm cung cấp một nền tảng

linh hoạt có khả năng mở rộng chuyên từ GPS sang GNSS Với antenna nhúng

tích hợp có kích thước 18.4mm x 18.4mm x 4mm va chipset MediaTek

MT3333 GNSS thé hệ mới, L86 có hiệu suất vượt trội cả về thu nhận va theodõi, đồng thời, thiết kê nhỏ gọn của L86 thích hợp với các thiết bị thu nhỏ

Module L86 kết hop EASY (Hé thong hỗ trợ nhúng dé dự đoán quỹ đạo

tự tạo) với LOCUS (Bộ ghi nội bộ) và AlwaysLocate để đạt được độ chínhxác tuyệt vời với mức tiêu thụ điện năng thấp

Thiết kế siêu nhỏ gon, chi phí thấp và nhu cầu điện năng thấp của L86kết hợp với độ chính xác tuyệt vời và độ nhạy cao giúp L86 phù hợp với nhiều

ứng dụng IoT.

Bảng 3.5 Bảng thông số GNSS module

POT GNSS module

Kích thước 16.0mm x 16.0mm x 6.45mm

Thông số Tần số của antenna: 1575.42 MHz, 1601.71 MHz

99 kênh thu nhận và 33 kênh theo dõi

22

Nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến 85°C.

Nguồn hoạt động: 3.0V — 4.3VGiao tiếp UART

3.6.3 Module LoRa E22-900M22S

Hình 3.8 Module LoRa E22 (Nguồn: ebyte.com)

Module E22-900M22S dựa trên SX1262 - một thé hệ chip LoRa mớiđược sản xuất bởi Semtech, USA Nó là module siêu nhỏ với khả năng phátsóng linh hoạt LoRa ở các tần số 868MHz và 915MHz Chip SX1262 cungcấp đa dạng phương pháp điều biến sóng như là LoRarw và GFSK truyềnthong Phương pháp điều biến sóng đặc biệt LoRa Trademark làm tăng khoảng

cách liên lạc.

Bảng 3.6 Bảng thông số của module LoRa E22

Khoảng cách giao tiếp lên tới 7kmTan số 850MHz-930MHz

Giao tiếp SPIThông số Nguồn cung cấp 2.5V-3.7V

Nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến 85°C

Tan số 868MHz và 915MHzCông suất phát lớn nhất 160mW

23

3.6.4 SKY13414-485LF

Hình 3.9 Bộ chuyển mạch SKY13414-485LF (Nguôn: skyworksinc.com)

SKY 13414-485LF là bộ chuyển mach Single-Pole với 4 luồng (SP4T)antenna và đầu ra kết thúc 50O Bởi vì hiệu suất tuyến tính cao và suy haothấp nên SKY13414-485LF trở thành lựa chọn lý tưởng cho chuyên mạchchính thường được sử dụng trong thiết bị cầm tay LTE sử dụng antenna

Bảng 3.7 Bang thông số của SKY 13414-485LE

Dai băng tan rộng: 0.1-3.8 GHz

Isolation: >31dB @ 2.7 GHz

Thông số Insertion loss: 0.45dB @ 2.7 GHz

Công 50Q kiểm soát trở kháng đa antenna khithiết bị không sử dụng

CN3791 được thiết kế đặc biệt dé sạc pin lithium ở chế độ dòng điệnkhông đổi và điện áp không đổi Ở chế độ điện áp không đổi, điện áp có théđược cố định ở mức 4.2V với độ chính xác +1% Có thé cấu hình dòng điệnkhông đổi bằng cách thay đổi điện trở.

CN3791 sẽ tự động chuyền sang chế độ ngủ khi điện áp đầu vào thấphơn điện áp pin Ngoài ra nó còn có các tính năng khác bao gồm khóa điện áp

và bảo vệ quá tải điện áp pin.

Bảng 3.8 Bảng thông số của IC sạc pin mặt trời

Nguồn điện đầu vào: 4.5V-28V

Dong sạc lên tới 4A

Thông số Tần số chuyển mach PWM: 300KHz

Điện ap sạc: 4.2V + 1%

Bảo vệ ngắn mạch

3.7 The Thing Network

The Things Network là một hệ sinh thái IoT toàn cầu tao ra các mang, thiét

bị, giải pháp sử dụng LoRaWAN The Things Network cung cấp một bộ công cụ

mở và mạng mở toàn cầu để xây dựng ứng dụng IoT với chỉ phí thấp, có tính năng

bao mật tôi da và san sàng mở rộng.

The Things Stack là một server mạng LoRaWAN được sử dung bởi hàng

nghìn công ty và nhà phát triển trên toàn thế giới, nó quản lý các ứng dụng ngườidùng, thiết bi đầu cuối va gateway

Ở dé tai này, nhóm sử dụng The Things Stack như một server dé nhận các

gói tin được đưa lên từ gateway Các gói tin sau khi đưa lên The Things Stack sẽ

được giải mã và đưa xuông ứng dụng của người dùng

Tuy nhiên, The Things Stack không có các dịch vụ lưu trữ dữ liệu mà cung

cấp các giao thức như MQTT hay các API dé thu nhập dữ liệu Ở đây, đề lưu trữ

dữ liệu, nhóm sử dụng nền tảng Losant dé xử lý và hién thị thông tin

25

® AU1 community

BE Overview © Applications ed Gateways 2% Organizations

Fair use policy applies @

Gateways > RFThings Vietnam RAK7240 HCMUIT > Live data

Time Type Verbose stream CB # ExportasJSON HH Pause @ Cl

X 15:36:40 Send downlink message Tx Power: 16.15 Data rate: SF7BW125

4 15:36:40 Receive uplink message DevAddr: | 26 0D F329 | <> ff FCnt: 81 FPort: 1 Data rate: SF7BW125 SNR: 9.5 RSSI: -7€

15:36:37 Send downlink message Tx Power: 16.15 Data rate: SF7BW125

4 15:36:36 Receive uplink message DevAddr: | 26 0D 38E7 | <> ff FCnt: 21 FPort: 1 Data rate: SF7BW125 SNR: 6.8 RSSI: -92

F 15:36:35 Receive gateway status Metrics: { ackr: 100, txin: 9, txok: 0, rxin: 0, rxok: 9, rxfw: 0 } Versions: ‡ ttn-lw-ga‘

“F 15:36:05 Receive gateway status Metrics: { txok: 1, rxin: 2, rxok: 2, rxfw: 2, ackr: 100, txin: 1 } ions: { ttn-lw-ga:

X 15:35:47 Send downlink message Tx Power: 16.15 Data rate: SF7BW125

4 15:35:46 Receive uplink message DevAddr: | 260D F329 <> ͧ FCnt: 80 FPort: 1 Data rate: SF7BW125 SNR: 11.3 RSSI: -%

Hình 3.11 Giao diện gateway.

Giao diện gateway bao gồm những thông tin của gateway sau khi kết nốiinternet, chăng hạn như thời gian nhận được gói tin uplink, thời gian gửi gói tindownlink, thời gian kết nối với gateway, thông tin gói tin được gửi đi / nhận vào,thông tin port, chỉ s6 RSSI, SNR của gói tin nhận được, địa chỉ MAC của thiết bị

gửi đọc từ gói tin.

Last activity 49 seconds ago @ & 3Enddevices 2%2Collaborators x3

General information Live data See all at

Application ID relay2345 ry 4 15:36:40 relay2 Forward uplink data message

4 15:35:47 relay2 Forward uplink data message

Created at Mar 8, 2023 14:42:24

4 15:34:51 relay2 Forward uplink data message

Last updated at Mar 8, 2023 14:42:24 relay2 Forward uplink data message

relay2 Forward uplink data message

Hình 3.12 Giao diện ứng dụng do người dùng tao.

26

Giao diện ứng dụng do người dùng tạo cũng chứa những thông tin tương tự.

Ngoài ra, hệ thống còn cung cấp chức năng đăng ký thêm hoặc xóa bớt thiết bịrelay, node vào hệ thống; điều chỉnh cấu hình thiết bị; theo dõi gói tin đến từ thiết

Bằng cách sử dụng các khả năng xử lý hàng loạt luồng theo thời gian thực,

có thê tạo trải nghiệm động và thực hiện các phân tích phức tạp Các thành phầnhoạt động liền mạch với nhau dé chuyên đổi dữ liệu thành các giải pháp IoT phù

hợp.

Nhóm sử dụng Losant dé thu thập dir liệu Losant lấy nội dung gói tin từứng dụng trên The Things Network qua giao thức MQTT Để xử lý nội dung góitin, nhóm tạo một workflow trên Losant bằng cách kéo thả các khối và sử dụngJavaScript dé phân tích thành phan của gói tin

27

@ Relay Integrations › Relay1

Client ID Template

mqttLosant_64aba81144cb16429ecbf672

Sa gration Cancel Delete Integration

Hình 3.13 Tích hợp MQTT dé lay dữ liệu

Hình 3.13 mô tả giao diện của nền tảng TTN, tích hợp tính năng dùng MQTT

dé lay dit liệu Có thé thay rang, giao diện kết nối MQTT mà TTN cung cấp chú

trọng sự đơn giản và khá thân thiện với người dùng.

Relay Workflows › Œ5Relay1:develop ~