Nghiên cứu phát triển hệ thống Đo lường nước thông minh sử dụng công nghệ truyền thông lora

Mụ tiêu ủ việ này là xây dựng một hệ thống th ng minh ể thu thập và truyền dữ liệu từ x , từ ó ải thiện hất lượng dị h vụ, giảm thiểu hi phí nhân ng và năng lượng, và ảm bảo bảo mật và t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

MÃ SỐ: 852.0208

TS NGUYỄN HOÀI GIANG

HÀ NỘI – 2023

LỜI M ĐO N

T i xin m o n r ng luận văn này là sản phẩm ng trình nghiên ứu ủ riêng t i, nhận ượ sự hỗ trợ ầy ủ từ thầy hướng dẫn và lòng biết ơn hân thành dành cho những người ã hi sẻ kiến thứ và kinh nghiệm Cá nội dung và kết quả thu ượ trong ề tài này là sự khẳng ịnh u r quyết tâm và sự ống hiến ủ tôi, hư ượ ng bố từ bất kỳ nguồn tài liệu nào khá

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2023

T C GIẢ LUẬN V N

Nguyễn Văn Mạnh

họ , ũng như ảm ơn sự giúp ỡ nhiệt tình từ á bạn ồng nghiệp

Trong quá trình nghiên ứu ủ mình, mặ dù nhận ượ sự hướng dẫn rất nhiệt tình và trá h nhiệm từ TS Nguyễn Hoài Gi ng và á thầy giáo trong Trường Đại họ Mở Hà Nội, ùng với nỗ lự á nhân, nhưng kh ng thể tránh khỏi những thiếu sót Tá giả hân thành mong nhận ượ những ý kiến óng góp quý báu từ quý Thầy, C và á bạn ồng nghiệp

Xin hân thành ảm ơn

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2023

T C GIẢ LUẬN V N

Nguyễn Văn Mạnh

Chuyển ổi dữ liệu từ á ng tơ nướ truyền thống s ng dạng số hó ng trở thành phần qu n trọng kh ng thể thiếu trong quá trình này Việ này giúp tối ưu

hó quản lý, giám sát và triển kh i á hiến lượ tiết kiệm và hiệu quả trong lĩnh

vự ấp nướ Mụ tiêu ủ việ này là xây dựng một hệ thống th ng minh ể thu thập và truyền dữ liệu từ x , từ ó ải thiện hất lượng dị h vụ, giảm thiểu hi phí nhân ng và năng lượng, và ảm bảo bảo mật và tối ưu trong việ ấp nướ sạ h cho khách hàng

Tuy nhiên, việ huyển ổi này ối mặt với nhiều thá h thứ , b o gồm sự lạ hậu và phân tán ủ ng nghệ ng sử dụng ùng với hi phí o khi huyển ổi từ

ng tơ nướ ơ s ng ng tơ nướ th ng minh Nh m giải quyết những thá h thứ này, mạng Lor WAN (Long R nge Wide Are Network) ã xuất hiện như một giải pháp tiềm năng Mạng Lor WAN là một hệ thống không dây ượ thiết kế ặ biệt cho các thiết bị IoT (Internet of Things), cho phép truyền dữ liệu ở khoảng á h xa, tiết kiệm năng lượng và ảm bảo th ng tin ượ n toàn

Luận văn này tập trung vào việ nghiên ứu về khái niệm, nguyên tắ và tính năng ủ mạng Lor WAN và ứng dụng ối tượng trong việ huyển ổi dữ liệu từ

ng tơ nướ ơ s ng dữ liệu số Mụ tiêu uối ùng là thiết kế và triển kh i một hệ thống ứng dụng Lor WAN, ấu trú gồm á khối như thiết bị thu phát Lor WAN,

g tew y Lor WAN, máy hủ Lor WAN và ứng dụng quản lý dữ liệu

Tập trung sử dụng phương pháp nghiên ứu lý thuyết, luận văn này tổng hợp

và phân tí h á nguồn tài liệu liên qu n ến mạng Lor WAN và ứng dụng ủ LoraWAN trong huyển ổi số Luận văn ũng áp dụng phương pháp nghiên ứu

thự nghiệm ể thiết kế và triển khai hệ thống ứng dụng Lor WAN vào huyển ổi

dữ liệu từ ng tơ, b ng á h ứng dụng á thiết bị phần ứng như Arduino,

R spberry Pi, module Lor WAN, ng tơ cow và á phần mềm như Arduino IDE, Python, Node-RED, MQTT Luận văn ũng sử dụng phương pháp m phỏng ể kiểm tr quá trình truyền tin trong mạng Lor WAN

Luận văn gồm 3 hương:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về Lor và IoT, b o gồm: giới thiệu về IoT và á mạng kh ng dây dành ho IoT, giới thiệu về mạng Lor WAN và á thành ấu tạo lên nó, giới thiệu về sự phát triển Lor WAN ở Việt N m và thế giới

Chương 2: Khảo sát ánh giá về hệ thống o lường nướ , b o gồm: thự trạng o lường nướ ở Việt N m và á nướ khác trên thế giới, ánh giá về ng nghệ o lường nướ ng sử dụng, giải pháp về thiết bị ếm dữ liệu từ ng tơ nướ

và ưu nhượ iểm

Chương 3: Thiết kế hệ thống, b o gồm: á thành phần ủ hệ thống o lường nướ th ng minh, thiết kế á thành phần ủ hệ thống như end node,

g tew y, máy hủ Lor WAN và ứng dụng quản lý dữ liệu, m phỏng hoạt ộng truyền tin ủ hệ thống

B ng việ xây dựng và triển khai ứng dụng Lor WAN vào việ huyển ổi

số dữ liệu từ ng tơ nướ ơ, luận văn này góp một ít vào sự phát triển ủ ngành nướ sạ h trong tương l i, ũng như trong việ khai phá tiềm năng ủ ng nghệ Lor WAN trong lĩnh vự này

MỤ LỤ

DANH MỤ BẢNG BIỂU vii

D NH MỤ HÌNH ẢNH viii

MỞ ĐẦU xiv

HƯƠNG 1: Ơ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LOR VÀ IOT 1

1.1 Hệ thống IoT và ứng dụng 1

1.1.1 Kiến trú ủ IoT 2

1.1.2 Cá yếu tố trong IoT 4

1.1.3 Ứng dụng ủ IoT 5

1.2 ông nghệ LPW N và ứng dụng trong IoT 7

1.3 Sự phát triển LoraW N ở Việt Nam và thế giới 19

1.3.1 Sự phát triển Lor WAN trên thế giới 19

1.3.2 Sự phát triển Lor WAN ở Việt N m 20

1.4 Kết luận chương 1 21

HƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG NƯỚ 23

2.1 Thực trạng đo lường và sử dụng nước ở Việt Nam và trên thế giới 23

2.1.1 Thự trạng o lường và sử dụng nướ ở trên thế giới 23

2.1.2 Thự trạng o lường và sử dụng nướ ở Việt N m 25

2.2 Đánh giá về công nghệ đo lường nước đang sử dụng 26

2.2.1 C ng nghệ o lường ng suất nướ ng ượ sử dụng 26

2.2.2 C ng nghệ ng tơ nướ th ng minh ng sử dụng 30

2.3 Giải pháp về thiết bị thu thập dữ liệu từ công tơ nước 32

2.3.1 Đặt vấn ề 32

2.3.2 Giải pháp và ánh giá 35

2.3.3 Đánh giá giải pháp 35

2.4 Kết luận chương 2 36

HƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38

3.1 ấu trúc của hệ thống đo lường nước thông minh 38

3.1.1 Lớp thiết bị ầu uối End-Node 38

3.1.2 Lớp G tew y 39

3.1.3 Lớp mạng server 40

3.1.4 Lớp mạng ứng dụng 41

3.2 Thiết kế hệ thống 42

3.2.1 Khảo sát và thiết kế End Node 42

3.2.2 Thiết kế G tew y 72

3.3 Mô phỏng hoạt động truyền tin của hệ thống 81

3.3.1 Xây ựng hệ thống m phỏng quá trình truyền tin trọng mạng 81

3.3.2 Kết quả và ánh giá 87

3.4 Kết luận chương 3 87

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89

TÀI LIỆU TH M KHẢO 90

D NH MỤ BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Thị phần ủ ứng dụng IoT năm 2020 và dự báo năm 2027 5

Bảng 2 1: So sánh hi phí ủ 2 phương pháp 35

Bảng 3 1: Bảng trạng thái ủ ảm biến 49

Bảng 3 2: Dữ liệu ọ ượ bởi MCU 50

Bảng 3 3: So sánh các dòng MCU 59

Bảng 3 4: So sánh á module Lor R dio 61

Bảng 3 5: Tính toán tuổi thọ và dung lượng pin ho một thiết bị IoT 70

Bảng 3 6: Sơ ồ kết nối ESP32 với RA02 ủ End-Node 84

Bảng 3 7: Sơ ồ kết nối ESP32 với RA02 ủ G tew y 85

D NH MỤ HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Tá ộng kinh tế ủ á ứng dụng IoT vào năm 2025 2

Hình 1 2: M hình kiến trú ủ IoT 3

Hình 1 3: Gi o thứ mạng và truyền th ng 8

Hình 1 4: So sánh khoảng á h và tố ộ truyền dữ liệu khả dụng 9

Hình 1 5: Cấu trú phân lớp ủ Lor 10

Hình 1 6: Cấu trú mạng LoR 11

Hình 1 7: Tần số theo thời gi n ủ một khung dữ liệu LoR 13

Hình 1 8: So sánh về quá trình truyền nhận ủ 3 lớp 16

Hình 1 9: Định dạng gói tin ủ Lor WAN 17

Hình 1 10: Lora MAC Frame 17

Hình 1 11: Phân bố ủ Liên minh Lor 19

Hình 2 1: Nguyên lý hoạt ộng ủ ng tơ ơ 27

Hình 2 2: C ng tơ nướ th ng minh 28

Hình 2 3: Thiết bị thu thập dữ liệu th ng minh ủ Itron 30

Hình 2 4: Cá dòng sản phẩm ủ ng tơ nướ Honey 31

Hình 2 5: Tỉ lệ số hộ gi ình ượ tiếp ận nướ sạ h 32

Hình 2 6: Giá ủ ng tơ nướ ơ 33

Hình 2 7: Giá ủ ng tơ th ng minh 34

Hình 3 1: Sơ ồ khối ủ một hệ thống o lường nướ th ng minh 38

Hình 3 2: Cá thành phần ấu tạo ủ End Node 38

Hình 3 3: C ng tơ ó kim qu y kim loại 43

Hình 3 4: Tín hiệu phát hiện ượ từ phần kim loại và phi kim 44

Hình 3 5: Sự khá nh u tối giữ 2 tín hiệu 45

Hình 3 6: Điện áp th m hiếu ủ tín hiệu LC giữ 2 vùng 45

Hình 3 7: Logi so sánh tín hiệu thu ượ ủ h i ảm biến 46

Hình 3 8: Mứ tín hiệu từ h i ảm biến 47

Hình 3 9: Sơ ồ nguyên lý ủ khối Module LC 50

Hình 3 10: L yout ủ khối ảm biến 51

Hình 3 11: C ng tơ ó kim qu y từ 52

Hình 3 12: Nguyên lý hoạt ộng ủ ảm biến từ 52

Hình 3 13: ấu tạo ủ ảm biến từ 53

Hình 3 14: Kim qu y (N m hâm) i qu ảm biến 54

Hình 3 15: Kết nối TMAG5253 với MCU 55

Hình 3 16: Sơ ồ nguyên lý ủ SX1276 62

Hình 3 17: Cá d i oạn huyển ổi iện áp Pin s ng 3.3V 66

Hình 3 18: Sơ ồ ấu trú ủ LTC3440 67

Hình 3 19: Thời gi n huyển ổi giữ á ng tắ 68

Hình 3 20: Sơ ồ nguyên lý ủ khối nguồn sử dụng LTC3440 69

Hình 3 21: Sơ ồ nguyên lý ủ SX1276 72

Hình 3 22: Sơ ồ l yout ủ MCU 72

Hình 3 23: Sơ ồ nguyên lý ủ IC M in Lor R dio 73

Hình 3 24: So sánh giữ g tew y 1 kênh và 8 kênh 74

Hình 3 25: Sơ ồ nguyên lý ủ khối IC sub Lora Radio 75

Hình 3 26: Kit Raspberry Pi 4 76

Hình 3 27: Sơ ồ kết nối ủ PI 4 với Module 78

Hình 3 28: Sơ ồ kết nối ủ STM32L4 với á module Lor 79

Hình 3 29: Sơ ồ nguyên lý ủ NCP103 80

Hình 3 30: Sơ ồ nguyên lý ủ TPS62242DRV 80

Hình 3 31: Sơ ồ nguyên lý ủ NCP114 81

Hình 3 32: Sơ ồ nguyên lý ủ NCP176BMX330TCG 81

Hình 3 33: Sơ ồ m phỏng truyền tin ủ hệ thống 82

Hình 3 34: Sơ ồ m phỏng End-Node 83

Hình 3 35: Sơ ồ kết nối ủ End-Node 83

Hình 3 36: Hình ảnh thự tế ủ End-Node 84

Hình 3 37: Sơ ồ m phỏng ủ G tew y 84

Hình 3 38: Hình ảnh thự tế ủ G tew y 85

Hình 3 39: Giá trị truyền từ End-Node 86 Hình 3 40: Dữ liệu nhận ượ ủ G tew y 86

D NH MỤ TỪ VIẾT TẮT

Viết Tắt Nghĩa Tiếng nh Nghĩa Tiếng Việt

ABP Activation by Personalization Kí h hoạt th ng qu Tùy hỉnh

Cá nhân

AS Application Server Máy Chủ Ứng dụng

BER Bit Error Rate Tỷ lệ Lỗi Bit

BLOB Binary Large Object Đối tượng Lớn Nhị phân

BT Bandwidth Time Product Sản phẩm Thời gi n Băng th ng CDMA Code Division Multiple Access Truy ập Đ phân khú Mã hó

CEPT

ECC

Conférence Européenne des

administrations des Postes et des

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tr Đ hu kỳ Dư thừ

CSMA Carrier Sense Multiple Access Truy ập Nhiều với Cảm biến

Điện trải nghiệm CSMA-

CA

Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance

Truy ập Nhiều với Cảm biến Điện trải nghiệm và Tránh v hạm

CSS Chirp Spread Spectrum Phổ L n rộng Tăng ường Chirp

DSSS Direct Sequence Spread

Spectrum

Phổ L n rộng Tăng ường Truyền dẫn Trự tiếp

Eb/NO

Energy per bit to noise-power

spectral density ratio

(normalized Signal-to-Noise

Tỷ lệ Năng lượng trên mỗi bit

ến tỷ lệ mật ộ ng suất tiếng

ồn (Tỷ lệ Tín hiệu ến Tiếng ồn

Ratio) ượ huẩn hó )

ETSI European Telecommunications

Standards Institute

Viện Tiêu huẩn Viễn th ng Châu Âu

FSK Frequency Shift Keying Chuyển ổi Tần số Khó

FUOTA Firmware Update Over-The-Air Cập nhật Firmware Qua Không

khí

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers, Inc

Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử, Inc

IoT Internet of Things Internet ủ Mọi vật

LBT Listen Before Transmit Lắng nghe Trướ khi Truyền

LoR ™ Semte h’s Long-Range

modulation M un Phổ LoR ủ Semte h

LPWAN Low Power Wide Area Network Mạng Rộng Diện tí h Ít Năng

lượng LTE Long-term Evolution Tiến hó Dài hạn

M-LMS Multilateration Location and

Monitoring Service

Dị h vụ Theo dõi và Xá ịnh

Đ ị iểm NAS Network Application Server Máy Chủ Ứng dụng Mạng

NPSTC National Public Safety

Telecommunications Council

Hội ồng Truyền th ng An toàn Quố gi

NVM Non-Volatile Memory Bộ Nhớ Kh ng b y hơi

OFCOM

Independent Regulator and

Competition Authority for the

UK Communications Industries

Cơ qu n Quản lý và Điều tiết

Độ lập ho Cá Ngành C ng nghiệp Truyền th ng ở Vương quố Anh

O- Offset Quadrature Phase-Shift Ph Đ hình Bất ối xứng

QPSK Keying

OTAA Over-The-Air Activation Kích hoạt Qu Kh ng khí

SF Chirp Spreading Factor Hệ số L n rộng Tăng ường

Chirp SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ Tín hiệu ến Tiếng ồn

TR Technical Recommendation Đề xuất Kỹ thuật

MỞ ĐẦU

Trong thời ại c ng nghệ 4.0, mọi lĩnh vự ủ uộ sống và kinh tế ều

ng trải qu sự biến ổi áng kể và kh ng thể oán trướ Cá xu hướng công

nghệ mới ặ biệt là ng nghệ số, ng thú ẩy việ huyển ổi và mở r những

ơ hội mới ho nhiều ngành

Trong bối ảnh này, ngành ấp nướ kh ng hỉ ối mặt với nhu ầu ngày

àng phát triển ủ dân số mà òn phải ối diện với áp lự tối ưu hó quản lý và

khả năng áp ứng một á h linh hoạt và hiệu quả Trong tương l i, một ngành ấp

nướ hiệu quả và bền vững sẽ yêu ầu sự ứng dụng th ng minh và tận dụng sự ổi

mới nh nh hóng ủ á ng nghệ tiên tiến Điều này kh ng hỉ b o gồm việ tối

ưu hó quy trình sản xuất và phân phối nướ mà òn ần ến việ thu thập và quản

lý dữ liệu một á h hiệu quả Chuyển ổi số hó , như một phần ủ uộ á h

mạng C ng nghệ 4.0, ng ặt r hàng loạt thá h thứ và ơ hội ối với ngành ấp

nướ Việ huyển ổi dữ liệu từ hệ thống ấp nướ truyền thống s ng dữ liệu số

kh ng hỉ giúp nâng o hiệu suất hoạt ộng mà òn mở r khả năng quản lý một

á h th ng minh, linh hoạt và tương tá với người dùng

Trong bối ảnh này, luận văn tập trung vào việ nghiên ứu mạng

Lor WAN và ứng dụng ủ nó trong việ huyển ổi dữ liệu từ hệ thống ấp nướ

truyền thống s ng dữ liệu số Chương s u sẽ hi tiết về hó về á phần hính ủ

luận văn, b o gồm lý thuyết về Lor và IoT, ánh giá về hệ thống o lường nướ , và

thiết kế hệ thống th ng minh sử dụng mạng Lor WAN

Luận văn này ó ý nghĩ kho họ và thự tiễn khi triển kh i, khai thác và

ứng dụng một ng nghệ mới là mạng Lor WAN vào ngành ấp nướ Luận văn

này ũng góp phần vào việ huyển ổi số hó trong ngành ấp nướ

1 HƯƠNG 1: Ơ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LOR VÀ

IOT 1.1 Hệ thống IoT và ứng dụng

IoT (Internet of Things) là khái niệm m tả sự kết nối ủ á thiết bị, phương tiện vận tải, văn phòng và á tr ng thiết bị khá với Internet thông qua các thành phần iện tử, phần mềm, ảm biến và ơ ấu thự hiện Theo IoT-GSI (Global Standards Initiative on Internet of Things), IoT ượ ịnh nghĩ là ' ơ sở hạ tầng toàn ầu phụ vụ ho xã hội th ng tin, hỗ trợ á dị h

vụ ( iện toán) huyên sâu th ng qu á vật thể ( ả thự và ảo) ượ kết nối với nh u qua ng nghệ th ng tin và truyền th ng hiện ại Mỗi 'vật' ều là 'một thứ trong thế giới thự (vật thự ) hoặ thế giới th ng tin (vật ảo), ó thể

ượ nhận diện và tí h hợp vào một mạng lưới truyền th ng Thuật ngữ

“Internet of Things” ượ sử dụng lần ầu bởi Kevin Ashton - nhà tiên phong ng nghệ người Anh vào năm 1999 ể m tả một hệ thống trong ó

á vật thể trong thế giới vật hất ó thể kết nối với internet thông qua nhiều

ảm biến Cuộ á h mạng về mạng di ộng 4G, 5G, internet và m hine to

m hine (M2M) ó thể ượ oi là gi i oạn ầu tiên ủ IoT Một ối tượng trong IoT ó thể là một người ó thiết bị theo dõi nhịp tim, ộng vật trong một tr ng trại ó bộ ịnh vị, hoặ t ó tí h hợp á ảm biến IoT phụ thuộ vào á loại ảm biến khá nh u ượ nhúng trong thiết bị ể thu thập th ng tin từ m i trường vật lý Xử lý ụ bộ ó thể thự hiện một số phân tí h dữ liệu, hẳng hạn như loại bỏ dữ liệu kh ng ần thiết hoặ thậm

hí một số ấp ộ r quyết ịnh và họ tập Điện toán ám mây và phân tí h

dữ liệu ho phép phối hợp dữ liệu và hoạt ộng từ nhiều thiết bị trong khi trí tuệ nhân tạo và họ máy ho phép tính toán lượng lớn dữ liệu

Hình 1 1: Tác động kinh tế của các ứng dụng IoT vào năm 2025

IoT tạo r nhiều ơ hội ối với á nhà sản xuất, nhà ung ấp dị h vụ internet và nhà phát triển ứng dụng Theo Cisco, vào năm 2023 sẽ ó 5,3 tỷ người truy ập internet, hiếm khoảng 66% dân số thế giới, tăng 1,4 tỷ người so với năm 2018 Hơn nữ , số lượng thiết bị liên kết mạng IP sẽ b ng

3 lần dân số thế giới, á kết nối M2M sẽ tăng từ 30% năm 2018 lên 50% tổng số ơn vị năm 2024 Tiến triển này sẽ có ảnh hưởng lớn ối với sự lớn lên ủ IoT Cá sản phẩm ứng dụng ho uộ sống gi ình sẽ hiếm 48% gần một nử thị trường M2M năm 2023 và luồng lưu lượng M2M sẽ hiếm 45% tổng số lưu lượng truy ập internet, trong khi á ứng dụng xe hơi kết nối sẽ phát triển nh nh nhất với tố ộ CAGR 30% trong gi i oạn dự báo (2018-2023) Đến năm 2025 , tá ộng kinh tế toàn ầu ủ IoT ượ ướ tính từ 2,5 nghìn tỷ l ến khoảng 6,1 nghìn tỷ l Hình 1.1 trên sẽ ho

t thấy tá ộn hính ủ IoT ối với á giải pháp khác nhau

1.1.1 Kiến trúc của IoT

Một trong những m hình kiến trú IoT phổ biến và ơn giản nhất là m hình b lớp, b o gồm lớp ảm nhận, lớp mạng và lớp ứng dụng

Hình 1 2: Mô hình kiến trúc của IoT

Đối tƣợng b o gồm á thiết bị, ảm biến và á thành phần khá ó

khả năng ghi nhận và xử lý dữ liệu từ ối tượng m i trường vật lý b o gồm

á lớp nhỏ như: “Đối tượng| Things”: ũng oi như lớp thấp nhất, gồm các thiết bị, á ảm biến, á bộ iều khiển, v.v lớp này thường sẽ là ối tượng trự tiếp ượ phát triển và sử dụng

ơ sở mạng toàn cầu b o gồm á gi o thứ , kết nối, mạng, M2M

(Machine to Machine), Wi-Fi, viễn th ng và á ng ụ phần ứng khá ó

hứ năng truyền tải dữ liệu từ lớp ảm nhận ến lớp ứng dụng hoặ ngượ lại, lớp này b o gồm: “ Kết nối/ Điện toán biên | one ntivity/ Edge omputing”: gồm á giáo thứ , kết nối, mạng, M2M ( M hine to

M hine), Wifi, viễn th ng, H rdw re kits “ Cơ sở hạ tầng | Glob l Infr stru ture”: Cơ sở hạ tầng ám mây ( publi , priv te, hybrid, m n ged)

Ứng dụng b o gồm nhiều ứng dụng tùy biến ượ xây dựng sử dụng dữ

liệu từ lớp ảm nhận ể ung ấp á giải pháp IoT ho á lĩnh vự khá

nh u, hẳng hạn như sứ khỏe, gi o th ng vận tải và bảo mật b o gồm: “ Nhập dữ liệu | D t ingestion”: Dữ liệu lớn, H rvest & stor ge of thing data,

“ Phân tí h dữ liệu | D t An lysis”: Reporting, Mining, M hine le rning,“ Ứng dụng | Appli tions”: Custom Apps built using Thing d t ,“ Người

dùng và quy trình | People & Pro ess”:Tr nsform tion l de ision m king based on thing Apps & data

1.1.2 Các yếu tố trong IoT

Các ứng dụng và dị h vụ IoT òi hỏi một số yếu tố ơ bản ể hoạt ộng

tốt và an toàn chúng b o gồm:

Nhận dạng (Identification): Là khả năng xá ịnh thiết bị là một và

ối tượng trong mạng IoT b ng á kỹ thuật như EPC, uCode, IPv4 hoặ IPv6 Việ nhận dạng giúp tăng ường khả năng quản lý, theo dõi và iều khiển á thiết bị và ối tượng trong IoT một á h thuận tiện

ảm biến (Sensing): Đây là á thiết bị ó khả năng thu thập dữ liệu từ

m i trường th ng qu việ sử dụng ảm biến, bộ truyền ộng, thẻ RFID, thiết

bị eo và truyền dữ liệu ến kho hứ , ơ sở dữ liệu hoặ lưu trữ server online Cảm biến là nguồn ung ấp dữ liệu ho IoT và ho phép IoT tương

Giao tiếp ( ommunication): Là khả năng truyền tải d t từ á ối tượng ến á nút xử lý hoặ ngượ lại b ng á gi o thứ và kết nối ó dây hoặ kh ng dây như Wi-Fi, Bluetooth, RFID, Zigbee, Lora, NFC và M2M

Gi o tiếp là nối á thiết bị và ối tượng trong IoT và ho phép IoT hoạt

Tính toán (Computation): Đây là khả năng sử lý dữ liệu ã ượ thu

thập và huyển giao lớp kết nối, từ ó gợi r á phán oán h y nhận xét b n

ầu về ối tượng ũng như ề xuất phương án xử lý ho ối tượng tiếp theo

Dịch vụ (Services): ứng dụng ủ IoT trong thự tiễn và cho phép IoT

m ng lại lợi í h ho toàn xã hội Cá ứng dụng IoT ó thể liên kết với nh u

ể tạo r dữ liệu theo á tiêu hí ã xá ịnh Một số ứng dụng IoT tiêu biểu

là hăm só sứ khỏe on người, giám sát bệnh nhân, quản lý thuố , phân

tí h hình ảnh y tế và ải cách quy trình xử lý trong bệnh viện Một dị h vụ

Semantics: Là khả năng trí h xuất kiến thứ th ng minh từ dữ liệu b ng

cách áp dụng á ng nghệ khám phá, sử dụng tài nguyên và m hình hó thông tin Sem nti s là bộ não ủ IoT và giúp kết nối ý nghĩ ủ á thiết

bị và ối tượng với nh u Cá tiến bộ trong AI, ML và data mining ã làm

1.1.3 Ứng dụng của IoT

Ứng dụng phổ biến nhất ủ IoT là kết nối và nhà th ng minh: IoT y tế,

xe ượ tự hành, thành phố th ng minh, IoT khu ng nghiệp và IoT di ộng Bảng s u ây ho thấy thi phần ủ á ngành này trong năm 2020 và

dự báo ho năm 2027

Bảng 1 1: Thị phần của ứng dụng IoT năm 2020 và dự báo năm 2027

Các ứng dụng ủ IoT như ng nghiệp, sứ khỏe, quản lý năng lượng

và n ng nghiệp

ông nghiệp 4.0 là sự b iến ổi số ủ ngành sản xuất, dự trên việ

tí h hợp á ng nghệ số hiện ại vào á quy trình sản xuất và hoạt ộng buôn bán C ng nghiệp 4.0 tạo r á nhà máy hiện ại, nơi á thiết bị ượ liên kết với nh u và với thế giới thông qua IoT, dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo

và machine learning Cá nhà máy th ng minh ó thể tự ộng và tối ưu á quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí, tăng hiệu suất và hất lượng, ải

Sức khỏe 4.0: Sứ khỏe 4.0 là sự áp dụng á ng nghệ số tiên tiến ủ

C ng nghiệp 4.0 vào lĩnh vự y tế sứ khỏe Cho phép ảo hó và á nhân hó việ hăm só người bệnh, nâng o hất lượng và tăng ường hiệu quả ủ

á dị h vụ y tế Một số ứng dụng ủ Sứ khỏe 4.0 b o gồm: Tư vấn sứ khỏe online, ây là việ ung ấp á dị h vụ y tế th ng qu á kênh trự tuyến Mạng lưới sứ khỏe kh ng dây ể xá ịnh bệnh nhân ovid-19, ây

là việ áp dụng á thiết bị IoT ể thu thập và truyền á th ng tin về sứ

Thiết bị đeo thông minh: Thiết bị eo th ng minh là á thiết bị iện

tử ó thể kết nối với Internet và eo trên ơ thể hoặ quần áo Chúng ó thể thu thập và phân tí h dữ liệu về sứ khỏe, hoạt ộng và m i trường ủ người dùng, ũng như ung ấp giải trí và truyền th ng Thị trường thiết bị

eo th ng minh dự kiến ạt 51.6 tỷ USD vào năm 2022 Chúng ó nhiều ứng dụng trong á lĩnh vự như y tế, thể th o và giải trí, n ninh và giáo dụ Ví

Thành phố thông minh (Samrt city) : Thành phố th ng minh là sự áp

dụng á ng nghệ số và IoT vào á hệ thống và dị h vụ thị nh m ải thiện hiệu quả và hất lượng uộ sống ho ư dân Thành phố th ng minh

sử dụng á ảm biến iện tử ể thu thập và phân tí h dữ liệu về m i trường,

gi o th ng, n ninh, y tế và năng lượng ủ thành phố, ũng như ung ấp

á gi o diện và ứng dụng ho người dùng ể truy ập và tương tá với á

dị h vụ thị Việ triển kh i á thành phố th ng minh ó thể giúp giải quyết á vấn ề thị ngày àng gi tăng Một số ví dụ về á thành phố

Quản lý năng lƣợng thông minh: Quản lý năng lượng th ng minh là

sự áp dụng á ng nghệ số và IoT vào á hệ thống và dị h vụ năng lượng

nh m mụ tiêu năng lượng x nh, hiệu quả và n toàn Cá ng nghệ số và IoT ho phép thu thập, truyền, xử lý và phân tí h á dữ liệu về nhu ầu, nguồn và sử dụng năng lượng Cá hệ thống quản lý năng lượng ho phép

người dùng o lường, kiểm soát và tối ưu hó việ sử dụng năng lượng, tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu khí thải rbon, tí h hợp năng lượng tái tạo, tự ộng hó và ngăn ngừ sự ố Thị trường hệ thống quản lý năng lượng dự kiến ạt 9.3 tỷ USD vào năm 2023 Một số ứng dụng ủ quản lý năng lượng

C ng tơ th ng minh giúp người dùng theo dõi hi tiêu năng lượng ủ mình theo thời gi n thự và nhận ượ á gợi ý ể tiết kiệm năng lượng Lưới iện th ng minh sử dụng á ng nghệ IoT ể thu thập và phân tí h á dữ liệu về tình trạng ủ lưới iện, hẳng hạn như công suất, iện áp, tần số hoặ sự ố

Nông nghiệp thông minh: N ng nghiệp th ng minh là sự áp dụng á

ng nghệ số và IoT vào á hoạt ộng n ng nghiệp nh m tăng ường năng suất, hất lượng và tạo sự phát triển bền vững Cá ng nghệ số và IoT cho phép thu thập, truyền, xử lý và phân tí h á dữ liệu về iều kiện m i trường,

sứ khỏe ây trồng và vật nu i Cá dữ liệu này ó thể ượ sử dụng ể hỗ trợ r quyết ịnh về việ tưới tiêu, bón phân, thu hoạ h, hăm só sứ khỏe

và quản lý huỗi ung ứng Thị trường IoT trong n ng nghiệp dự kiến ạt 48.71 tỷ USD vào năm 2025 Một số ứng dụng ủ IoT trong n ng nghiệp

ảm biến và thiết bị tự ộng ể kiểm soát m i trường nhà kính, hẳng hạn như ánh sáng, nhiệt ộ, ộ ẩm, luồng kh ng khí và tưới tiêu Chăn nu i

th ng minh là việ sử dụng á ảm biến và thiết bị IoT ể theo dõi và quản

lý sứ khỏe, hành vi và vị trí ủ vật nu i

1.2 ông nghệ LPWAN và ứng dụng trong IoT

Trong lĩnh vự IoT, IoT Proto ol St k là một khái niệm qu n trọng, hỉ tập hợp á gi o thứ mạng và truyền th ng ượ sử dụng ể kết nối á thiết bị IoT với nh u và với á nút mạng khá IoT Proto ol St k b o gồm nhiều lớp gi o thứ khá nh u, từ lớp vật lý ến lớp ứng dụng, mỗi lớp ảm

nhận một hứ năng ụ thể ể hỗ trợ ho việ truyền tải dữ liệu n toàn và hiệu quả giữ á thiết bị IoT

Hình 1 3: Gi o thứ mạng và truyền th ng Như trong hình 1.3 t thấy trong số á lớp gi o thứ trong IoT Proto ol

St k, lớp liên kết dữ liệu (PHY/MAC PROTOCOLS) óng v i trò qu n trọng trong việ xá ịnh á ặ iểm ủ mạng IoT, như ộ phủ sóng, năng lượng tiêu thụ, tố ộ dữ liệu và hi phí sử dụng Một trong những ng nghệ liên kết dữ liệu phổ biến ho mạng IoT là Low Power Wide Are Network (LPWAN) và IEEE 802.xx Cả h i ều là tiêu huẩn mạng kh ng dây với nhiều ặ iểm khá nh u như LWPAN ó phạm vi rộng hơn từ 10-100km ngượ lại là IEEE 802.xx ó khoảng á ngắn hơn từ 10-1000m Đi kèm theo

ó là tố ộ truyền dẫn ủ IEEE 802.xx o hơn tối ó thể lên ến 10Mbps òn ủ LWPAN là 100Kbs Từ ó t thấy LPWAN là một ng nghệ ó thể ho t kết nối á thiết bị ở khoảng á h x với hi phí rẻ và năng lượng thấp

LPWAN và LoraWAN

LPWAN là một loại mạng kh ng dây ho các thiết bị th ng minh có

ng suất tiêu thụ thấp, phạm vi x LPWAN ượ xem là một phương án tiềm năng phụ vụ á ứng dụng IoT trong nhiều lĩnh vự Tuy nhiên, LPWAN ũng gặp nhiều thá h thứ và hạn hế Một số người gọi LPWAN

là “WiFi ủ IoT”, nhưng WiFi và LPWAN ó nhiều khá biệt về phạm vi,

tố ộ truyền dữ liệu, tiêu thụ iện năng và kiến trú mạng Hình 1.4 so sánh

pháp IoT kh ng ần sử dụng nhiều phép tính và những ứng dụng huyên biệt

Tiêu thụ iện năng thấp và hạn hế mứ hoạt ộng: Hoạt ộng b ng pin

và hủ yếu i vào hế ộ ngủ khi kh ng truyền nhận dữ liệu

Phần ứng giá rẻ: Có thể sản xuất số lượng lớn dẫn ến giá thành phải hăng

Vì á yêu ầu này khá biệt so với á giải pháp kh ng dây hiện ó, nhóm á ng nghệ LPWAN ượ tạo r và ó nhiều gi o thứ khá nh u

LoRa là viết tắt ủ “Long-R nge” (Phạm vi x ), thể hiện khả năng

truyền th ng kh ng dây ở khoảng á h lên ến hàng hụ kil mét LoR ho phép á thiết bị uối (end-devices) gửi và nhận dữ liệu hiệu quả về mặt năng lượng ở tố ộ truyền dữ liệu thấp, thí h hợp ho á ứng dụng IoT ó yêu ầu ồng thời h i yếu tố là tiêu thụ iện năng tốt nhất và ó ộ tin ậy cao LoR ó nguồn gố từ Pháp, khi ng ty khởi nghiệp Cy leo phát triển

ng nghệ này vào năm 2009 Năm 2012, Cy leo ã ượ mu lại bởi Semte h, một ng ty bán dẫn Mỹ LoR ã ượ huẩn hó vào năm 2015 bởi LoR Alli n e, một tổ hứ phi lợi nhuận, là kết quả ủ sự hợp tá các thành viên trong ngành ng nghiệp kh ng dây

Hình 1 5: Cấu trú phân lớp ủ Lor [5]

Hình 1.5 xây dựng một nhìn bứ tr nh toàn ảnh về ng nghệ LoR LoR gồm các lớp hính: lớp vật lý (PHY) và lớp mạng (MAC) Tầng vật lý

sử dụng kỹ thuật iều hế sóng m ng trải phổ (Chirp Spre d Spe trum - CSS) ể truyền và nhận dữ liệu Lớp mạng sử dụng mạng LoR WAN ể quản lý á thiết bị uối, á ổng kết nối và á máy hủ mạng Một ặ iểm nổi bật ủ LoR là kiến trú mạng ủ nó, b o gồm b thự thể mạng hính: á thiết bị uối (end-devi es), á ổng kết nối (g tew ys) và dị h vụ mạng Hình 1.6 minh họ ấu trú mạng LoR và v i trò ủ á thự thể này

Cá ổng kết nối (Gateway) là những thiết bị ó khả năng truyền và nhận dữ liệu LoR từ á thiết bị uối và huyển tiếp húng ến dị h vụ mạng th ng qu á ng nghệ truyền thống, hẳng hạn như Ethernet, WiFi hoặ di ộng Đây là một gi o tiếp h i hiều, nghĩ là á ổng kết nối ó thể gửi lại dữ liệu ến á thiết bị uối theo yêu ầu ủ dị h vụ mạng Cá ổng kết nối kh ng xử lý dữ liệu LoR , mà hỉ óng v i trò là những liên kết huyển tiếp hoặ huyển ổi gi o thứ Cá ổng kết nối ó thể he phủ một khu vự rộng, tùy thuộ vào iều kiện ị lý và iện tử

Một iểm ặ biệt ủ LoR là á thiết bị uối kh ng ượ liên kết với một ổng kết nối duy nhất, mà ó thể ượ nhận bởi nhiều ổng kết nối trong phạm vi ủ húng Điều này tăng ường ộ tin ậy và khả năng hống nhiễu

ủ hệ thống, vì á th ng iệp trùng lặp sẽ ượ loại bỏ bởi dị h vụ mạng

Cá thiết bị uối kh ng ần thự hiện bất kỳ ơ hế huyển gi o nào ể gán một ổng kết nối ho một th ng iệp, vì húng sử dụng sự phát tán phổ

qu nh hướng ể truyền dữ liệu Do ó, á thiết bị kh ng ượ liên kết với một ổng kết nối, húng ượ liên kết với một máy hủ mạng Thuộ tính này ũng ó thể ượ kh i thá ể xá ịnh vị trí á thiết bị uối b ng á h

sử dụng phương pháp t m giá dự trên thời gi n nhận ủ á ổng kết nối

ó ồng bộ thời gi n hính xá Cá ổng kết nối ó thể thuộ về một mạng riêng tư hoặ ng ộng Một nhà iều hành mạng LoR ó thể từ hối huyển tiếp á th ng iệp ủ á thiết bị uối khi á thiết bị này kh ng

ượ ăng ký với mạng Một ví dụ về một mạng LoR ng ộng là The Things Network, là một ộng ồng toàn ầu ủ á nhà phát triển và nhà cung ấp ổng kết nối LoR

Dị h vụ mạng (Network Server) là thự thể hịu trá h nhiệm xử lý dữ liệu LoR từ á ổng kết nối và ung ấp á dị h vụ giá trị gi tăng ho á ứng dụng IoT Dị h vụ mạng ó thể ượ triển kh i trên á máy hủ truyền thống hoặ á dị h vụ ám mây, sử dụng á ng nghệ hiện ó và tiêu huẩn Dị h vụ mạng thự hiện á hứ năng như lưu trữ dữ liệu, xó bỏ dữ liệu trùng lặp, quản lý thiết bị uối, quản lý băng th ng, mã hó và giải mã

dữ liệu, kí h hoạt á kị h bản phứ tạp, v.v Kiến trú này ho phép tí h hợp dễ dàng ủ LoR vào á ng nghệ và thiết lập hiện ó Cá thiết bị ó thể ượ kết nối b ng á ng nghệ truyền thống hoặ LoR Dữ liệu sẽ

ượ xử lý trên ùng một máy hủ, ho phép triển kh i rộng rãi

LoR hoạt ộng trong á băng tần ISM dưới 1 GHz: 433 MHz, 863 MHz hoặ 915 MHz Dải tần ụ thể phụ thuộ vào khu vự và quy ịnh ủ từng nướ Việ sử dụng băng tần dưới 1 GHz là một lợi thế ho LoR , vì nó

ho phép truyền th ng ở khoảng á h x hơn so với á băng tần o hơn Tại hâu Âu, băng tần ISM 863 MHz thường ượ sử dụng, với 3 kênh mỗi kênh 125 kHz LoR sử dụng kỹ thuật huyển kênh giả tưởng ngẫu nhiên ể giảm khả năng v hạm giữ á thiết bị uối Tuy nhiên, việ sử dụng băng tần ISM ũng ó những hạn hế và quy ịnh Tại hâu Âu, á kênh ủ băng tần ISM 863 MHz thường bị hạn hế ến hu kỳ nhiệm vụ 1% hoặ thậm hí 0.1% Điều này ó nghĩ là khi truyền một khung trong 1 ms, thiết

bị uối phải ợi 100 ms hoặ 1000 ms mới ó thể truyền khung tiếp theo Những hạn hế này ảnh hưởng ến hiệu suất và khả năng mở rộng ủ mạng LoRa

Để tận dụng tối băng tần ISM và ải thiện tính kháng nhiễu và phạm

vi truyền th ng ủ LoR , một kỹ thuật iều hế ụ thể ượ sử dụng: Chirp Spread Spectrum (CSS)

Hình 1 7: Tần số theo thời gi n ủ một khung dữ liệu LoR [9] CSS là một kỹ thuật iều hế sóng m ng trải phổ, trong ó sóng m ng

ó tần số biến ổi liên tụ theo một hàm tuần hoàn CSS ó thể ượ xem như một trường hợp ặ biệt ủ Frequen y Shift Keying (FSK), trong ó sóng m ng ượ dị h huyển theo á khoảng thời gi n ố ịnh CSS ó nhiều ưu iểm so với FSK, hẳng hạn như khả năng phát hiện và phân biệt

á tín hiệu ó ùng tần số nhưng khá nh u về thời gi n, khả năng hống nhiễu và ường truyền, khả năng ồng bộ hó nh nh và hính xá

LoR ho phép iều hỉnh một số th ng số ể th y ổi tố ộ truyền dữ liệu và phạm vi truyền th ng: Băng th ng (BW), Spre ding F tor (SF) và

Tỷ lệ Mã hó (CR) Cá th ng số này ảnh hưởng ến thời gi n truyền ủ một khung và ộ nhạy ủ vi mạ h sóng r dio LoR ó thể sử dụng b băng

th ng khả dụng: 125 kHz, 250 kHz và 500 kHz Băng th ng xá ịnh tố ộ hirp: một hirp mỗi giây ho mỗi Hertz băng th ng Spre ding f tor là một

th m số xá ịnh số lượng bit ượ mã hó trong mỗi hirp LoR ó thể sử dụng sáu spre ding f tors (từ SF7 ến SF12) Mỗi bit ượ mã hó b ng

á h sử dụng á nhân tử phân biệt khá nh u, ho phép nhiều thiết bị uối truyền ùng một lú trên ùng một kênh b ng á h sử dụng Code Division Multiple A ess (CDMA) Càng o SF, àng x phạm vi truyền th ng, nhưng ũng àng hậm tố ộ truyền dữ liệu Tỷ lệ mã hó là một th m số

xá ịnh số lượng bit dự phòng ượ thêm vào ể kh i phụ á bit bị lỗi LoR ó thể sử dụng bốn tỷ lệ mã hó (từ CR1 ến CR4) Càng o CR, àng o ộ tin ậy ủ truyền th ng, nhưng ũng àng tăng thời gi n truyền Accordingly the bit rate can be calculated the following:

Với n = 1,2,3,4

Do ó, tố ộ bit ó thể tính như sau:

LoR ũng ó một hứ năng Ad ptive D t R te (ADR), ho phép iều hỉnh tự ộng á th ng số trên dự trên iều kiện kênh và yêu ầu ứng dụng ADR sử dụng Tỷ lệ tín hiệu- ến-nhiễu (SNR) ể xá ịnh spre ding

f tor thí h hợp ho mỗi thiết bị uối Điều này giúp tối ưu hó hiệu suất và tiêu thụ năng lượng ủ mạng LoR LoR ó thể ạt ượ ộ nhạy lên ến -

138 dBm , ho phép truyền th ng ở khoảng á h hàng hụ kil mét Tóm lại, CSS là một kỹ thuật iều hế ặ biệt ủ LoR , giúp ải thiện tính kháng nhiễu và phạm vi truyền th ng ủ LoR CSS kết hợp với á th ng số ó

thể iều hỉnh và ADR tạo r một ng nghệ linh hoạt và hiệu quả ho á ứng dụng IoT

LoRaWAN là một tiêu huẩn mở ho á lớp liên kết dữ liệu và mạng

ủ LoRa LoR WAN ượ thiết kế ể hỗ trợ á ứng dụng IoT ó yêu ầu truyền th ng thấp và thư thớt, hẳng hạn như hàng giờ hoặ hàng ngày Do

ó, LoR WAN sử dụng á kỹ thuật phi truyền thống ể tối ưu hó á yếu

tố qu n trọng như giá thấp, phạm vi x và tiêu thụ năng lượng thấp LoR WAN sử dụng gi o thứ truy ập trung gi n kiểu Aloh , trong ó á thiết bị uối gửi dữ liệu khi ần và kh ng ần ồng bộ hó với á ổng kết nối hoặ dị h vụ mạng Nếu xảy r v hạm, á thiết bị uối sẽ ợi một khoảng thời gi n ngẫu nhiên và gửi lại

LoR WAN kh ng hỗ trợ hứ năng lưới hoặ truyền th ng thiết bị- thiết bị Cá thiết bị uối hỉ ó thể gi o tiếp với dị h vụ mạng th ng qu á ổng kết nối Có h i lý do ho sự lự họn này: Thứ nhất, truyền th ng thiết bị- ến-thiết bị kh ng phù hợp với nhiều ứng dụng IoT, trong ó á thiết bị uối hỉ ó hứ năng o lường và huyển tiếp dữ liệu Việ xử lý dữ liệu và

ến-r quyết ịnh ượ gi o ho dị h vụ mạng, vì nó ó ái nhìn toàn diện về hệ thống Thứ h i, hứ năng lưới và truyền th ng thiết bị- ến-thiết bị sẽ tăng

hi phí và phứ tạp ủ hệ thống, vì húng yêu ầu nhiều thuật toán ịnh tuyến và MAC phứ tạp hơn Đặ biệt là ơ hế ịnh tuyến và ử sổ nhận phải ượ iều hỉnh theo hu kỳ nhiệm vụ ủ á băng tần ISM Điều này

sẽ làm giảm hiệu quả và tiêu thụ năng lượng ủ á thiết bị uối

LoR WAN ung ấp một truyền th ng h i hiều, ho phép dị h vụ mạng gửi lại dữ liệu ến á thiết bị uối theo yêu ầu Đây là một tính năng

qu n trọng ho á ứng dụng IoT ó yêu ầu iều khiển từ x hoặ ập nhật phần mềm Tuy nhiên, việ truyền th ng h i hiều ũng làm tăng tiêu thụ năng lượng ủ á thiết bị uối, vì húng phải lắng nghe liên tụ hoặ theo

lị h trình Do ó, LoR WAN phân loại á thiết bị uối thành b lớp khá

nh u ể tạo r một sự ánh ổi giữ tiêu thụ năng lượng và ộ trễ

ác lớp vật lý của LoraW N

Hình 1 8: So sánh về quá trình truyền nhận ủ 3 lớp [13]

Lớp A : Cá thiết bị lớp A là á thiết bị ó tiêu thụ năng lượng thấp nhất, nhưng ũng ó ộ trễ o nhất Cá thiết lớp A hỉ lắng nghe tín hiệu

ến trong h i ử sổ nhận ngắn s u khi gửi tín hiệu ến Cá ử sổ nhận này

ó ộ dài ố ịnh và ượ ồng bộ hó với thời gi n gửi ủ thiết bị uối Nếu kh ng ó tín hiệu ến nào ượ gửi trong á ử sổ nhận này, thiết bị uối sẽ ngừng lắng nghe và huyển s ng hế ộ tiết kiệm năng lượng ho ến khi ó dữ liệu ể gửi tiếp theo Cá thiết bị lớp A là bắt buộ ho tất ả á thiết bị LoR WAN

Lớp B (be on): Cá thiết bị lớp B là á thiết bị tiêu thụ năng lượng

o hơn lớp A, nhưng ũng ó ộ trễ thấp hơn Cá thiết bị lớp B vẫn lắng nghe tín hiệu ến trong h i ử sổ nhận s u khi gửi tín hiệu ến, nhưng ngoài

ra còn lắng nghe tín hiệu ến trong á khe nhận ượ lên lị h theo hu kỳ

xá ịnh Để ho phép việ lên lị h này, á thiết bị lớp B phải nhận một tín hiệu ồng hồ phát từ một hoặ nhiều ổng kết nối ể ồng bộ hó thời gi n

ủ húng Tín hiệu ồng hồ phát ũng hứ th ng tin về á khe nhận sắp tới ho á thiết bị lớp B Cá thiết bị lớp B là tùy họn ho á thiết bị LoRaWAN

Lớp C (continuous): Cá thiết bị lớp C là á thiết bị ó tiêu thụ năng lượng o nhất, nhưng ũng ó ộ trễ thấp nhất Thiết bị lớp C vẫn lắng nghe

tín hiệu ến trong h i ử sổ nhận s u khi gửi tín hiệu ến, nhưng ngoài r

òn mở rộng ử sổ nhận thứ h i ho ến khi ó dữ liệu ể gửi tiếp theo Điều này ó nghĩ là thiết bị lớp C lu n lu n ở hế ộ lắng nghe, trừ khi húng ng gửi dữ liệu Cá thiết bị uối lớp C là tùy họn ho á thiết bị LoRaWAN

Định dạng gói tin trong LoraW N

Định dạng tin nhắn ủ LoR WAN, là một tiêu huẩn mở ho á lớp liên kết dữ liệu và mạng ủ LoR LoR WAN ượ phát triển và duy trì bởi LoRa Alliance, và á hi tiết kỹ thuật ủ nó ượ m tả trong Định dạng tin nhắn ủ LoR WAN ượ thiết kế ể phù hợp với á yêu ầu ủ LPWANs, hẳng hạn như kí h thướ tin nhắn nhỏ, bảo mật o và truyền

th ng h i hiều Hình 1.9 minh họ ấu trú ủ một tin nhắn LoRaWAN

Hình 1 9: Định dạng gói tin ủ Lor WAN

Cá thành phần ủ gói tin trong lớp vật lý

Hình 1 10: Lora MAC Frame Một tin nhắn LoR WAN gồm ó á thành phần s u:

MHDR: Tiêu ề MAC, hứ á th ng tin ơ bản về loại tin nhắn

(MType), phiên bản LoR WAN (M jor) và á th ng số khá

MACPayload: Tải trọng MAC, hứ á th ng tin liên qu n ến dữ

liệu và lệnh MAC MACP ylo d gồm ó á trường s u:

FHDR: Tiêu ề khung, hứ á th ng tin liên qu n ến thiết bị uối và iều khiển khung FHDR gồm ó á trường s u:

DevAddr: Đị hỉ 32 bit ủ thiết bị uối, là một nhận dạng duy nhất

ng lặp lại và kiểm tr thứ tự khung

FOpts: Lệnh MAC, là một trường tùy họn ể hứ á lệnh MAC ượ gửi ùng với dữ liệu Cá lệnh MAC ượ sử dụng ể iều khiển và ấu hình

á thiết bị uối và ổng kết nối

FPort: Trường ổng năng, là một số 8 bit ể xá ịnh loại tải trọng dữ liệu hoặ lệnh MAC Nếu FPort b ng 0, thì FRMP ylo d hứ hỉ lệnh MAC Nếu FPort khá 0, thì FRMP ylo d hứ dữ liệu ứng dụng hoặ lệnh ứng dụng

FRMP ylo d: Tải trọng khung, là một trường tùy họn ể hứ dữ liệu hoặ lệnh ượ mã hó b ng AES-128 Dữ liệu hoặ lệnh ượ mã hó b ng một khó riêng biệt ho mỗi thiết bị uối và mỗi FPort

MIC: Mã mã hó toàn diện, là một số 32 bit ể xá minh tính toàn vẹn

và xá thự ủ tin nhắn MIC ượ tính toán trên MHDR, FHDR, FPort và FRMP ylo d ã ượ mã hó b ng một khó mạng hung ho tất ả á thiết

bị uối

So với á gi o thứ khá , khung MAC LoR WAN là một khung nhỏ

và ơn giản, hỉ duy trì những trường qu n trọng nhất Ví dụ, kh ng ó ị

hỉ nguồn hoặ í h trong tiêu ề MAC, vì á tin nhắn LoR WAN hỉ ó một người gửi và một người nhận Người gửi là thiết bị uối hoặ dị h vụ mạng, và người nhận là dị h vụ mạng hoặ thiết bị uối Điều này giúp giảm

kí h thướ tổng thể ủ tin nhắn và tiêu thụ năng lượng ủ á thiết bị uối

1.3 Sự phát triển LoraWAN ở Việt Nam và thế giới

1.3.1 Sự phát triển LoraW N trên thế giới

Một trong những yếu tố qu n trọng ể ánh giá sự phát triển và thành

ng ủ LoR WAN là số lượng và dạng ủ á giải pháp IoT dự trên LoR WAN ng ượ triển kh i trên toàn thế giới Cá giải pháp này kh ng

hỉ minh họ ho khả năng kỹ thuật và tính linh hoạt ủ LoR WAN, mà òn

ho thấy sự hợp tá và ổi mới trong hệ sinh thái LoR WAN, b o gồm á thành viên ủ LoR Alli n e và á ối tá khá

Hình 1 11: Phân bố ủ Liên minh Lor [4]

Một số giải pháp LoR WAN tiêu biểu hiện n y:

Helium Network và Senet ã tí h hợp á mạng LoRaWAN ủ họ với

nh u, tạo r một mạng lưới gồm 850,000 iểm truy ập Helium ó thể kết nối với á dị h vụ mạng ủ Senet ở 170 quố gi Đây là mạng LoR WAN lớn nhất ượ quản lý toàn ầu hiện n y, ho phép á khá h hàng ủ Senet

ó thể triển kh i á thiết bị IoT ở bất kỳ nơi nào ó sẵn Helium Hotspot

NNNCo, một nhà ung ấp dị h vụ mạng LoR WAN tại Ú , ã ký kết hợp ồng với Wellness TechGroup, một ng ty ng nghệ huyên về á giải pháp thành phố th ng minh tại Tây B n Nh , ể xây dựng một mạng LoR WAN toàn thành phố tại Montevideo, Urugu y Mạng này sẽ hỗ trợ 1,3 triệu dân số với 70,000 èn ường th ng minh, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu khí thải CO2 lên ến 80% Ngoài r , mạng này ũng sẽ tạo r một nền tảng ho á hương trình thành phố th ng minh khá , như quản lý rá thải, gi o th ng và hăm só sứ khỏe

Talkpool là một ng ty Thụy Sĩ huyên về á giải pháp IoT ho các ngành ng nghiệp khá nh u Họ ã sử dụng á ảm biến LoR WAN ể ung ấp giải pháp phòng ngừ hư hỏng tò nhà cho các khá h hàng tại Thụy Điển Cá ảm biến kh ng dây này ó thể o nhiệt ộ, ộ ẩm, rò rỉ nướ và

mứ nướ trong hố g th ng minh Cá ảm biến này ượ kết nối với mạng LoR WAN quố gi do Netmore ung ấp, gửi 960.000 tin nhắn mỗi ngày

qu 1.000 ổng truyền th ng Cung ấp dữ liệu này cho phép Talkpool tạo r các luồng thu nhập mới và ải thiện hất lượng dị h vụ ho khá h hàng

1.3.2 Sự phát triển LoraW N ở Việt Nam

Ở Việt N m, LoR WAN ũng ng ượ triển kh i và ứng dụng trong nhiều dự án và giải pháp IoT Tuy nhiên, số liệu hi tiết và hính xá về phát triển và hiệu năng ủ LoR WAN tại Việt N m là khá hạn hế và thiếu nhất quán Một số dự án và giải pháp LoR WAN tiêu biểu tại Việt N m dự trên

á nguồn th ng tin ó sẵn trên mạng Đây kh ng phải là một d nh sá h ầy

ủ h y toàn diện, mà hỉ là một phần nhỏ trong số hàng ngàn dự án và giải pháp LoR WAN ng ượ triển kh i tại Việt N m Một số dự án và giải pháp LoR WAN tiêu biểu tại Việt N m là:

Một nhóm nghiên ứu thuộ Trường Đại họ Bá h kho Đà Nẵng ã triển kh i một mạng LoR WAN tại thành phố Đà Nẵng ể ánh giá hiệu năng và khả năng tương thí h ủ LoR WAN trong m i trường thị Họ ã

sử dụng 10 ổng truyền th ng và 50 thiết bị ầu uối ể thự hiện á thử

nghiệm về ộ b o phủ, ộ tin ậy và ộ trễ ủ mạng Kết quả ho thấy LoR WAN ó thể ạt ượ ộ b o phủ o (khoảng 90%) và ộ tin ậy o (khoảng 95%) trong iều kiện kh ng gi n mở Tuy nhiên, khi ó sự xuất hiện

ủ á tò nhà o tầng hoặ á nguồn gây nhiễu như mạng iện thoại di ộng, ộ b o phủ và ộ tin ậy ủ LoR WAN giảm xuống (khoảng 60% và 70% tương ứng) Độ trễ ủ LoR WAN ũng tăng lên khi số lượng thiết bị tăng lên

Kerlink và VIoT Group ã hợp tá ể xây dựng mạng LoR WAN quố

gi ầu tiên tại Việt N m, và ũng hỗ trợ hệ thống blo k h in Helium, một mạng IoT phi tập trung do người dùng xây dựng và quản lý Mạng này sẽ

b o gồm 850.000 iểm truy ập Helium ó thể kết nối với á dị h vụ mạng

ủ Senet ở 170 quố gi Đây là mạng LoR WAN lớn nhất ượ quản lý toàn ầu hiện n y, ho phép á khá h hàng ủ Senet ó thể triển kh i á thiết bị IoT ở bất kỳ nơi nào ó sẵn Helium Hotspot

Những dự án và giải pháp trên hỉ là một số ví dụ minh họ ho sự phát triển và tiềm năng ủ LoR WAN trong thị trường IoT tại Việt N m Tuy nhiên, ể ó ượ ái nhìn toàn diện và hính xá về hiện trạng và sự phát triển ủ LoR WAN tại Việt N m, ần ó sự thu thập và phân tí h á số liệu hi tiết từ á nguồn tin ậy và uy tín Điều này kh ng hỉ giúp ho việ ánh giá hiệu quả ủ á dự án và giải pháp IoT hiện ó, mà òn ho việ

xá ịnh á hướng i mới và ơ hội ho á dự án và giải pháp IoT trong tương l i

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 ã giới thiệu về lý thuyết và thự tiễn ủ Lor WAN - một

gi o thứ LPWAN phổ biến trong IoT Nghiên ứu ã nêu r á khái niệm, kiến trú , yếu tố và ứng dụng ủ IoT, ũng như các ưu iểm, nhượ iểm, tiềm năng và thá h thứ ủ Lor WAN Nghiên ứu ũng ã ư r một số

ví dụ về á hệ thống IoT th ng minh, tiết kiệm năng lượng và bảo mật sử dụng Lor WAN trong á lĩnh vự khá nh u Dự trên nền tảng lý thuyết

này, nghiên ứu ã ặt r các âu hỏi nghiên ứu và mụ tiêu ủ luận văn,

sẽ ượ trình bày trong hương sau

2 HƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ

THỐNG ĐO LƯỜNG NƯỚ 2.1 Thực trạng đo lường và sử dụng nước ở Việt Nam và trên thế giới 2.1.1 Thực trạng đo lường và sử dụng nước ở trên thế giới

Trong bối ảnh nguồn nướ ngày àng kh n hiếm và nhiễm, việ o lường và quản lý lượng nướ tiêu thụ là một vấn ề qu n trọng và ấp thiết

C ng tơ nướ là một thiết bị phổ biến ượ sử dụng ể thự hiện nhiệm vụ này Tuy nhiên, tình hình sử dụng ng tơ nướ ở á quố gi khá nh u ó

sự khá biệt áng kể, phụ thuộ vào nhiều yếu tố như mứ ộ phát triển kinh

tế, hính sá h quản lý, ng nghệ sản xuất và kiểm soát hất lượng

Cá khu vự thị hó trên toàn thế giới là những nơi ó nhu ầu sử dụng nướ o nhất, nhưng ũng là những nơi ó nguy ơ nhiễm nguồn nướ lớn nhất Do ó, á hệ thống nướ thành phố ở á khu vự này thường áp dụng ng nghệ lọ nướ tiên tiến ể ảm bảo hất lượng nguồn nướ trướ khi phân phối ến người dùng Đồng thời, á hệ thống này ũng

sử dụng ng tơ nướ ể o lường lượng nướ tiêu thụ ủ từng hộ gi ình,

do nh nghiệp h y á ối tượng khá , và thu tiền theo mứ giá quy ịnh Việ này giúp tăng hiệu quả quản lý và khuyến khí h người dùng tiết kiệm

và bảo vệ nguồn nướ

Pháp là một quố gi ó nền kinh tế phát triển và dân số ng ở hâu

Âu, do ó việ sử dụng ng tơ nướ là rất phổ biến và qu n trọng Theo một báo áo, Pháp hiện ó khoảng 32 triệu ng tơ nướ ượ lắp ặt trên toàn quố C ng tơ nướ ở Pháp thường là loại ồng hồ nướ ơ họ , ó thể o lưu lượng nướ theo khối hoặ theo lít C ng tơ nướ ở Pháp phải tuân theo

á tiêu huẩn hất lượng và n toàn ủ Liên minh hâu Âu, như MID (Measuring Instruments Directive) và ACS (Attestation de Conformité

S nit ire) Một số nhà sản xuất ng tơ nướ uy tín ở Pháp là Sensus, Itron, Actaris và Zenner