Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế và chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu thông qua mô hình mạng Mesh sử dụng công nghệ truyền thông Lora

TÓM TẮT KHÓA LUẬNĐề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống các thiết bị thu thập thông tin, đữ liệu từ các cảm biến môi trường và truyền nhận dữ liệu thông qua giao thức

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

KHOA KY THUAT MAY TINH

LAM VĨNH HUONGPHAM DONG YEN

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VA CHE TAO THIET BI THU THAP DU LIEU THONG QUA MO HINH

MANG MESH SU DUNG CONG NGHE TRUYEN THONG LORA

Design and Implement the data collecting device based on Mesh networking protocol

using LoRa technology

KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH

TP HO CHi MINH, 2021

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

KHOA KY THUAT MAY TINH

LAM VINH HUONG - 17520559PHAM DONG YEN - 17521290

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VA CHE TAO THIET BI THU THAP DU LIEU THONG QUA MO HINH

MANG MESH SU DUNG CONG NGHE TRUYEN THONG LORA

Design and Implement the data collecting device based on Mesh networking protocol

using LoRa technology

KY SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

TP HO CHi MINH, 2021

THONG TIN HỘI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 466/QD-DHCNT

ngày 23 tháng 07 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trongquãng đời mỗi sinh viên Luận văn tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng emnhững kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp

Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Kỹ thuật máy tính

đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian

ngồi trên ghế giảng đường, Làm nền tảng cho em có thể hoàn thành được khóa luận

này.

Em xin trân trọng cảm ơn thầy hướng dẫn TS Trịnh Lê Huy tận tình theo dõi, giúp

đỡ, định hướng cho chúng em trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận Dé là những

góp ý hết sức quý báu không chỉ trong quá trình thực hiện luận văn này mà còn là

hành trang tiếp bước cho em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau nay

Do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạnchế, kính mong nhận được sự thông cảm cũng như chia sẻ và góp ý quý báu của quý

Thay, Cô dé bài luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Một lần nữa nhóm xin chân thành cảm ơn! Xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ luônđông hành cùng mọi người.

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2021

Đại diện nhóm

Lâm Vĩnh Hường

Chương 1 TONG QUAN - ¿5 SE SESEE2EE2E12E52121E712111211211215 1171111111 c0 4

LL Ly do Chon 6 na 4

1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan ccc cccccecssccvcvvveeerrr 5

1.2.1 Một số nghiên cứu về Mesh Bluetooth va Mesh Zigbee 51.2.2 Một số nghiên cứu LoRa Mesh -csseecetrtereerrrrrerrrrerrre 7

1.3 0v 8

In vi ẽ ) 81.3.2 MUc ii: TT 91.4 Tính mới và sáng tạo của đề tài ccceciecccerrrreererrrrerrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 10Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYT -¿- 2: ©22©S£2EE£2EE+EEE£EE+2EE2EEvEE+erxezrxrrrxeee 11

2.1 Mô hình mạng lưới không day -«ec+e+xtereertettreerrerrrirrkrrrree 11

2.1.1 Mạng lưới không dây (Wireless Mesh NetworK) « e-+ 112.1.2 Ưu GiGi Dinas vù v sấc, 12

; A0 in 12 2.1.4 Một số ứng dụng hiện tại -++ceccccerirrreervvrrrrrrerrrrrrrrrrrrrrrrrrre 13

2.2 Công nghệ truyền thông LoRa -. s2++cc2ttrevEttrrrvrtrrrrrrrrrrrrrrte 13

2.2.1 Công nghệ điều chế sóng LoRa -iccecccectirreeevverrrrreeeverrrrrd 132.2.2 Ưu điểm của ứng dụng công nghệ LOra :-.cccceciireececverrree 152.2.3 Nhược điểm của ứng dụng công nghệ Lora : ccccccrrree 152.2.4 Ứng dụng hiỆn tại -s5-cs<ccxrtrrirErirtkitrrirtiiiiiriiiririirirriiee 16Chương 3 HIỆN THUC HỆ THONG THU THẬP DU LIỆU - 17

3.1 Phần cứng sử CUI u.eeessssesssssssssessssseessssssessssssessssssesssssseessssssesesssscessssseesssssesesssseesssssessssass 17

3.1.1 MCU ATMEGA328P «HH Hà Hà Hà nàng 17

3.1.2 Module truyền nhận LoRa RFM95WV ccccce+ccccveeesrrrrrrercee 19

3.1.3 Node MCU-32S ESP32 «HH 21

3.1.4 Cảm biến AHT10 sc-5cc+ckeccrveettkrtekttrkiirtrtiriririrrrrrrrrkeriee 22

3.2 Thiết kế mô hình mạng Mesh c -vve++ccvvvvvvssrttrrvxessrrrrrrresrrrre 23

3.2.1 Tổng quan hệ thống cc vv+e++eEEvvveetttrrrrverttrtrrrkesssrrrrrrersee 23 3.2.2 Nút cảm biẾn HE Hriiririirriiiiiiiiiie 23

3.2.3 Gateway và Server M(QTTT s«csrertrtietrriirtrriirrrrrrrrrrirrrrrrrrrierrree 26

K9 00s 30

3.3.1 Cân bằng giữa năng lượng và độ trễ -5cccccccccvrrre 30

3.3.2 Giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lượng -c-cxveee-.eee 30 3.3.3 Giải quyết vấn đề đụng độ gói tin trong mạng . - 31

3.3.4 Giải thuật cho mạng mesSh -c¿-5c+xet+kkektkkrtkkiiktririikrieeiie 31

3.4 Phần mềm hiển thị kết quả từ MQTTT -.-cccccccvesecvcvsesserxeesrrrsesee 45

3.5 Kết quả thử nghiệm trên thực tế sau khi hoàn thiện - 46

3.5.1 Hình ảnh lắp đặt trong thực tế ccccccccccerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 46

3.5.2 Năng lượng tiêu thụ c-ccsc thu 47

Chương 4 KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN -2 ¿c5z©55z£: 49

4.1 Kết luận -zteeeetreErEterertrrrerrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerreee 49

4.2 Hướng phát triỂn -cccecxttttEEEiiiiirrirrriiiiiiriiiriiiiiiirirrririiie 51TÀI LIEU THAM KHẢO - ¿St t+EEEE‡EEEEEEESEEEESEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEkrrrkrrerrrrr 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: So sánh các công nghệ truyền thông không dây -s 5

Hình 1.2: Mô hình LoRa Mesh network hoàn chỉnh (ảnh minh họa) 9

Hình 2.1: Tổng quan mạng Mesh -22.+ccstrev2trevEtrrrEtrtrrrrrrrrtrrrrrrrre 12Hình 2.2: Cấu trúc của một gói tin LoRa -eccce+ieeeevverrrreeevvvrrrrreerevrrrrre 15Hình 3.1: Thông số kỹ thuật MCU Low-power ATmega328P 18Hình 3.2: Vi điều khién ATmega328P -2.+cs2trevttrrrvtrtrrvrrrrrtrrrrerrre 18Hình 3.3: ATmega328P DC CharaCt€TIS{ICS 55c55etcctetekkeiirtrirrrrrrierrrke 19

Hình 3.4: Module truyền nhận LoRa REMO95W -.-c2seecetrererrrrrrrrre 21

Hình 3.5: Mô-đun Node MCU-32S ESP32 scsiieesriiirriiiiiiiiiiee 22

Hình 3.6 Cảm biến AHTT10 cccc¿ESEEE tri 23

Hình 3.7: Mô hình phần cứng được sử dụng của nút cảm biến 24

Hình 3.8: Nút cảm biến trong thực tế (chưa có cảm biến) -.- 25Hình 3.9: Nút cảm biến trong thực tế (có cảm biẾn) ccccccccriieeeeeeerrrrrrrrrrreeeee 25

Hình 3.10: Mô hình phần cứng cỦa øateWay -cceccccccrvveereerrrrerserrrrrrree 26

Hình 3.11: Gateway được sử dụng trong thực tẾ -.-ccs ececeerecceerrree 26Hình 3.12: Tổng quan MQTT Broker ::-cccett++eevvEEtrrdesvvvrrrrrrsevrrrrrre 28Hình 3.13: Giao diện chính của MO TT broker public -‹ -«e-ssexsesxessee+ 29Hình 3.14: Publish topic dé hiền thị kết quả truyền -s ccceerecee 29Hình 3.15: Giải pháp lập lich đồng bộ cho việc truyền nhận 31

Hình 3.16: Các bước cài đặt Radiohead cho Arduino IDE ‹ s s««- 35

Hình 3.17: Kết quả thông báo khi cài thành công . -cces.ecceerrree 35Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật tổng quan cce++eeccerrreeerrrreerrrrrrererrrree 38Hình 3.19: Lưu đồ giải thuật chế độ số I -cse-ecceseeeerreeeerrrverree 39

Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật chế độ số 2 2+ccs2trecetrrervrrererrrrrrrrre 40Hình 3.21: Lưu đồ hoạt động của gateway -. s-eccerrererrrervrrrrrtrrrrerrre 41

Hình 3.22: Thể hiện sự lệch khung thời gian giữa hai nút 43

Hình 3.23: Thời gian truyền toàn bộ dit liệu trong trường hợp xấu nhắt 43

Hình 3.24: Ví dụ cho gói tin nút 6 14 -cce-+ecceerrreeevrrrrevvrrrrererrrree 44

Hình 3.25: Giao diện chính của phần mềm hiền thị -: -cccccccccrrrrrrrrececee 45Hình 3.26: Đăng ký trực tiếp các topic MQTT .cccce+ireecvcvrrrrrecrevrrrrre 46Hình 3.27: Lap đặt phần cứng ngoài thực tế -cce eccerrceerrrcrerrre 46Hình 3.28: Sơ đồ nút lắp đặt thực tế tại UIT -.cce eccerrceeerecrerree 47Hình 3.29: Dòng tiêu thụ của nút trong các chế độ hoạt động cee 47

Hình 3.30: Chu kỳ hoạt động của HÚT -csescccxercrktrrrerrrtrrtrrrrrrrrrrrerrrrierrrke 48

Hình 4.1: Kết quả hiển thị trên phần mềm -22+++eccetrrecvtrrrererrrree 49Hình 4.2: Kết quả thu được trong file log -++-ecesrreeccerrreceerrrrererrrree 50

DANH MỤC BANG

Bang 1: Một số nghiên cứu về Mesh Bluetooth và Mesh Zigbee - 6

Bang 2: Một số nghiên cứu LoRa Mesh -2- 2252 2£E+EE£2E£EE+EEEEzEEerkerxeee 8Bảng 3: Đặc trưng và ứng dụng của REMOSXW LH HH kg, 21Bảng 4: Các thông số của gateway và cảm biến nút -¿- 2 2s xecx+zserszse2 24Bảng 5: Thông số của gateway nú -s-©22-©5222xt2EE22EE2EE222E2312112212Excrrrcrev 27Bang 6: Thời gian va năng lượng tiêu thụ của các tác VỤ - -s-cssccseereeereee 48

DANH MUC TU VIET TAT

Long Range Radio Bluetooth Low Energy

Chirp Spread Spectrum

Frequency Hoping Spread Spectrum

Direct Spread Spectrum Sequence

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Arithmetic Logic Unit

Message Queuing Telemetry Transport

Long Range Wide-Area Network

Read Only Memory

Random Access Memory

Static Random-Access Memory

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

Spreading factor

Serial Peripheral Interface

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

Inter-Integrated Circuit

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống các thiết bị thu thập thông

tin, đữ liệu từ các cảm biến môi trường và truyền nhận dữ liệu thông qua giao thức mạng

truyền thông LoRa Mesh, sử dung làm cơ sở dé phát triển các ứng dụng cho thành phố

thông minh Hệ thống này dựa trên hoạt động của kiến trúc mạng mesh, kết nối cácđiểm truy cập với nhau thông qua các nút LoRa

Mục tiêu của đề tài bao gồm:

e Xây dựng hệ thống thu thập dit liệu gồm 15 nút va 1 gateway hoạt động ôn

định, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và chi phí vận hành Bao gồm 2 phan chính:LoRa Mesh nút và Gateway

e _ Hệ thống thu thập dữ liệu tiêu thụ năng lượng thấp, giá thành rẻ, phù hợp với

khả năng chi trả của người dân Việt Nam

MỞ ĐẦU

Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách

mạng về khoa học kĩ thuật, chúng làm thay đổi cuộc sống của con người từng ngày từnggiờ theo hướng hiện đại hóa Dân số trên thế giới ngày càng tăng và nhu cầu từ đó cũngtăng theo, các dịch vụ tiện ích từ đó cũng phát triển Ngày nay, cuộc cách mạng côngnghiệp 4.0 nói chung và sự bùng né của Internet of Things đã tạo nên những thay đổi

đáng kế cho cuộc sống con người ở hiện tai và trong tương lai Tuy nhiên việc triển

khai, lắp đặt các cảm biến trong một khu vực rộng lớn gặp nhiều khó khăn và có thể tốnkém chi phí nếu như sử dụng các phương pháp nối dây truyền thống Giải pháp dé giảiquyết cho van dé này là sử dụng các chuẩn giao tiếp không dây dé kết nối và thu thập

dữ liệu từ các cảm biến như trong [1] đã thiết kế một hệ thống iot cho phép giám sát các

thông số về nhiệt độ, độ 4m và CO» của môi trường thông qua một mạng cảm biếnkhông dây Một mạng không dây có các thông số quan trọng đã được dé cập trong [2]

như độ tin cậy, độ trễ của gói tin, khả năng mở rộng của mạng và mức độ tiêu thụ năng

lượng Có nhiều mô hình mạng không dây được sử dụng phô biến hiện nay như mô hình

mạng hình sao, mô hình mạng hình cây và mô hình mạng Mesh, trong mô hình mạng

Mesh cũng được phân chia thêm một số loại khác nữa Bài báo này sẽ chỉ tập trung vào

mô hình mạng Mesh Hiện tại có một số hệ thong mang không dây sử dung mô hìnhmang Mesh như BLE Mesh, trong [3] đã đưa ra chỉ tiết những đặc điểm của BLE Mesh,theo bài báo thì BLE Mesh được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống chiếu sáng Mộtloại mô hình mạng Mesh không dây cũng được sử dụng phô biến hiện nay đó là ZigBee

Mesh, như trong [4] đã thiết kế một hệ thống phát hiện lũ lụt sử dụng công nghệ ZigBee

Mesh và các nút trong hệ thống có thể giao tiếp với khoảng cách tối đa là 75 m Xét vềkhoảng cách giao tiếp giữa các nút trong mạng thì hai loại mạng Mesh trên còn tương

đối ngắn, để đáp ứng các ứng dụng yêu cầu khoảng cách giao tiếp của các nút xa cũng

như đảm bảo vẫn tiêu thụ năng lượng thấp thì LoRa Mesh là một lựa chọn phù hợp.Hiện tại đã có một số công trình nghiên cứu và triển khai LoRa Mesh như trong [5] đãđưa ra các ứng dụng của LoRa Mesh như theo đõi sự đóng băng của đường ống nước,

hệ thong đèn chiếu sáng và giám sát khí độc trong quá trình đóng tàu có kích thước lớn.Trong bài báo [6] đã hiện thực hệ thống theo dõi vị trí động vật trong khu vực lớn sửdụng LoRa Mesh tuy nhiên trong bài báo trên phần cứng được sử dụng là Raspberry pi

2

nên có thé dẫn đến tăng chi phi và trong bài báo [7] đã hiện thực mạng LoRa Mesh

gồm 19 nút thu thập dữ liệu từ cảm biến và được đặt trong khu vực 800 m x 600 m tuynhiên trong bài báo trên chưa giải quyết về vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút Hiệnnay, các hướng nghiên cứu về ứng dụng công nghệ cao trong giám sát từ xa các thông

số môi trường trong nông nghiệp thường sử dụng các công nghệ truyền thông truyềnthống như: Zigbee, Wifi, Bluetooth Trong những công nghệ truyền thông kể trên,công nghệ Wifi, Zigbee, Bluetooth có phạm vi hoạt động chỉ từ 10 đến 100 m Với

phạm vi hoạt động như vậy, các chuẩn trên chỉ phù hợp cho việc giám sát trong một

khu vực nhỏ Khi cần sử dụng cho một khu vực rộng lớn hoặc tại nhiều khu vực, thìviệc sử dụng các công nghệ trên dé xây dựng hệ thống trở nên phức tạp và tốn kém chiphí hơn Bên cạnh đó, việc tiêu thụ nhiều năng lượng cũng dẫn đến thời lượng sử dụngpin của nút cảm biến bị giảm xuống Nhằm mở rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn cảmbiến trên phạm vi rộng và tiêu thụ ít năng lượng phục vụ cho nhu cầu vận hành bảo trì,chuẩn truyền thông LoRa là một sự lựa chọn tối ưu so với các công nghệ sẵn có Côngnghệ truyền thông LoRa dựa trên phương pháp điều chế CSS (Chirp Spread Spectrum)với mục đích chính là tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và tăng khoảng cách truyền thông.Khoảng cách truyền thông có thể lên tới 2 — 20 km Thời gian có thé duy trì kết nối và

chia sẻ dữ liệu lên đến 10 năm với năng lượng pin Hiện nay, trong nước hướng nghiên

cứu về công nghệ LoRa còn khá mới mẻ Điều này được thé hiện qua những bài báo,công trình nghiên cứu về công nghệ LoRa và ứng dụng còn rất ít Trong đề tài này nhóm

đã hiện thực hệ thống thu thập dữ liệu từ môi trường sử dụng LoRa Mesh Hệ thốnggồm 25 nút để thu thập các thông số từ môi trường như nhiệt độ, độ ầm Yêu cầu đốivới hệ thống này là phải giảm thiểu việc xung đột gói tin trong mạng đồng thời cũngphải tiết kiệm năng lượng

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tai

Lĩnh vực IoT là một trong những yếu tổ cốt lõi và đang phát triển nhanh chóng và

là công nghệ nền tảng giúp cho sự phát triển của các lĩnh vực khác trong cuộc cáchmạng 4.0 Đặc biệt là vai trò thu thập dữ liệu của hệ thống IoT và vấn đề được đặt ra làlàm thé nào dé có thé thu thập dữ liệu một cách dé dàng, nhanh chóng và tiết kiệm chiphí nhất Giải pháp cho vấn đề trên là sử dụng hệ thống cảm biến không dây nhăm thuthập dữ liệu Hiện tại có một số loại kết nối không dây có thê sử dụng cho các hệ thốngcảm biến như là WiFi, Bluetooth, Zigbee, LoRa Trong các loại giao tiếp không dâytrên thì mỗi loại lại có những điểm mạnh và điểm yếu riêng, tuy nhiên nếu nói đếnkhoảng cách truyền và năng lượng tiêu thụ thì LoRa có ưu thế hơn so với các chuẩnkhác nhưng lại có tốc độ truyền thấp hơn nên nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏikhoảng cách truyền xa, năng lượng tiêu thụ thấp và yêu cầu băng thông thấp Mặc dùLoRa có thé truyền rat xa trong môi trường không vat cản nhưng khi triển khai nó trên

các thiết bị để thu thập dữ liệu trong các khu vực nhiều vật cản (điển hình là tại các đô

thị) thì phạm vi truyền nhận dữ liệu của các thiết bị đó sẽ bị giảm xuống do khoảng cách

truyền nhận của LoRa bị giảm xuống còn vài km hoặc thấp hơn còn khoảng vài trăm

mét trong các khu vực nay Đề đảm bảo có thé thu thập dữ liệu tại các khu vực đô thịrộng lớn thì cần có giải pháp dé các thiết bị sử dụng LoRa có thé mở rộng thêm khoảng

cách giao tiếp giữa chúng và gải pháp được đưa ra ở đây là sử dụng kết hợp công nghệ

Mesh với LoRa Hiện nay có một số mô hình mang Mesh không dây được sử dụng phốbiến như : Mesh WiFi, Mesh Bluetooth, Mesh Zigbee, những loại này có ưu và nhượcđiêm riêng và ứng dụng cho các mục đích khác nhau.

11 Mb

Toc độ bit 1 Mbps 250 kbps ` ps 5.5 kbps

va 55 Mbps

OFDM (Frequency |(Direct (Orthogonal

i Frequency

Division

Spectrum) |Sequence) |Multiplexing)

Công nghệ điêu chê

Hình 1.1: So sánh các công nghệ truyền thông không dâyNguồn: https://congnghiepcongnghecao.com.vn/tin-tuc/t225 16/mang-khong-day-lora-

cho-ung-dung-iot-tam-xa.html

1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan

1.2.1 Một số nghiên cứu về Mesh Bluetooth và Mesh Zigbee

Hernandez-Solana, angela, - Được hỗ trợtừ |- Triển khai yêu |- Ứng dụng

Perez-Diaz-De-Cerio, D., tô chức cầu cấu hình trong tòa nhàGarcia-Lozano, M., Bardaji, A Bluetooth SIG thủ công va thông minh

V., & Valenzuela, J.-L (2020) nên liên tục riêng lẻ của - Thành phố

Bluetooth Mesh Analysis, được cập nhật từng thiết bị thông minh

Issues, and Challenges IEEE va cai tién - Các nút relay | - Cham sóc sức

Access, 8, 53784-53800.Ì - Được tích hợp phải liên tục khỏe

thiết bị đến tiêu hao

nhiều nănglượng.

Yuliandoko, H., & Rohman, A.

(2019) Flooding Detection

System Based on Water

Monitoring and ZigBee Mesh

Concept of Optimal WiFi

Mesh Router Placement for

Enhanced QoS 2019 IEEE

- Tiết kiệm nănglượng.

- Khoảng cách

xa hơn so với WiFi,

BLE, Zigbee

BLE, Zigbee.

- Bang thongthap

1.2.2 Một số nghiên cứu LoRa Mesh

Huh, H., & Kim, J Y.

(2019) LoRa-based Mesh

Network for IoT Applications.

2019 TEBE 5th World Forum

on Internet of Things

(WF-IoT)

doi:10.1109/wf Các đường dẫn

định tuyếnđược thiết lập

ống chữa cháy

1ot.2019.8767242 hai chiều

Lee, H.-C., & Ke, K.-H - Tăng tỉ lệ - Chưa triên - Theo dõi môi(2018) Monitoring of Large- truyền phát gói khai LoRa trường

Area loT Cảm biếns Using a tin mà không mesh low

LoRa Wireless Mesh Network can str dung power

System: Design and nhiều Gateway |- Thời gian trễ

Evaluation IEEE Transactions |- Gateway chu từ lúc nút thu

on Instrumentation and động yêu cầu thập dữ liệu

Measurement, 67(9), 2177— lây đữ liệu từ đến khi

Wireless Mesh Network for

Wide-Area Animal Tracking.

2019 IEEE International

Conference on Electrical,

(lên đến 10năm)

ở trạng thái sleep).

- Hỗ trợ mạng

mesh với 25 nút

Computer and Communication | trong các

Technologies (ICECCT) truong hop

khac nhau

Đề xuất của nhóm - Chi phí thấp (12 |- Băng thông | -Thu thập dữ

USD /board) nhỏ liệu từ môi

- Năng lượng tiêu |- Tốc độ truyền | trường (nhiệtthụ thấp (dòng thấp độ, độ am) diệntiêu thụ 800uA rộng trong môi

trễ thấp, tỉ lệ mat gói tin thấp Các nút trong mạng có thê tự động phục hồi khi xảy ra

lỗi, hệ thống sẽ tự động cập nhật khi có nút mới được thêm vào

Dé thực hiện được như mục tiêu trên cân giải quyêt một sô vân đê như sau:

Trong một mang Mesh yêu cau độ thời gian trễ thấp thì các nút phải liên tục lang nghe

và truyền phát gói tin dẫn đến tiêu hao nhiều năng lượng Nếu yêu cầu tiêu thụ năng

lượng thấp thì nút phải thường xuyên trong chế độ ngủ dẫn đến nếu có nút xung quanh

khi cần truyền đữ liệu thông qua nút đang ngủ thì nút không truyền được nên dẫn đến

mat gói tin hoặc độ thời gian trễ cao

=> Để một mạng Mesh có thê hoạt động hiệu quả cần phải cân bằng giữa độ trễgói tin và năng lượng tiêu thụ Các thông số trên được tùy chỉnh

dựa trên yêu cầu khi áp dụng vào các ứng dụng thực tế cụ thể Ví dụ như: việc thu

thập dữ liệu từ đồng hồ nước, đồng hồ điện, Không cần yêu cầu thu thập

dữ liệu thường xuyên nên có thé ưu tiên về năng lượng tiêu thụ hơn là độ trễ gói tin

e Node MCU-32S ESP32

¢ Module truyền nhận LoRa RFM95W

9

e Cam biến AHT10

e MQTT

e M6 hình mang Mesh LoRa

1.4 Tính mới va sáng tạo của dé tài

Việc kết hợp giữa mô hình mạng Mesh và công nghệ truyền thông LoRa đangnhận được rất nhiều sự quan tâm từ trong và ngoài nước Đây cũng là điểm mới của đề

tài này.

Sử dụng LoRa với tần số 923 MHz để truyền dẫn, đây là một công nghệ giúp

truyền được dữ liệu ở khoảng cách xa (khoảng 10 Km trong môi trường không vật cản)

Bên cạnh đó nhóm cũng triển khai thuật toán nhằm giảm thiểu xung đột/mất gói tin

và giảm năng lượng tiêu thụ

10

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Mô hình mạng lưới không dây

2.1.1 Mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network)

Một mạng lưới không dây ( WMN ) là một mạng lưới thông tin liên lạc tạo

thành từ các đài phát thanh các nút sắp xếp trong một lưới topo hình thành bởimột số router lưới không dây cố định Các bộ định tuyến này được kết nối khôngdây bằng cấu trúc xương sống dạng lưới Nó cũng có thể là một dạng của mạng

ad hoc không dây.

Một lưới dùng dé kết nối phong phú giữa các thiết bị hoặc nút Mạng lưới

không dây thường bao gồm máy khách lưới, bộ định tuyến lưới và công Tính diđộng của các nút ít thường xuyên hơn Nếu các nút liên tục hoặc thường xuyên di

chuyên, lưới dành nhiều thời gian cập nhật các tuyến hơn là phân phối dữ liệu.Trong mạng lưới không dây, cấu trúc liên kết có xu hướng tĩnh hơn, do đó việctính toán các tuyến đường có thé hội tụ và phân phối dữ liệu đến đích của chúng

có thé xảy ra Do đó, đây là một dạng mạng ad hoc không dây tập trung có tính diđộng thấp Ngoài ra, bởi vì nó đôi khi dựa vào các nút tĩnh để hoạt động như các

công, nó không phải là một mạng ad hoc thực sự không dây.

Mạng lưới không dây có thể tự hình thành và tự chữa lành Mạng lưới

không dây hoạt động với các công nghệ không dây khác nhau bao

gồm 802.11, 802.15, 802.16, các công nghệ di động và không cần bị hạn chế đốivới bất kỳ một công nghệ hoặc giao thức nào

Mạng lưới có thể liên quan đến thiết bị cố định hoặc thiết bị di động Các

giải pháp cũng đa dạng như nhu cầu liên lạc, ví dụ trong các môi trường khókhăn như tình huống khẩn cấp, đường ham, giàn khoan dầu, giám sát chiến

trường, ứng dụng video di động tốc độ cao trên phương tiện giao thông côngcộng, đo từ xa xe đua thời gian thực hoặc tự tô chức truy cập Internet cho cộng

đồng Một ứng dụng quan trọng có thể có cho mạng lưới không dây làVoIP Bang cach su dung so đồ chat lượng dịch vu, lưới không dây có thể hỗ trợđịnh tuyến các cuộc gọi điện thoại nội hạt thông qua lưới Hầu hết các ứng dụng

11

trong mạng lưới không dây tương tự như ứng dụng trong mạng ad hoc không

dây Hình 2-1 thé hiện tổng quan mô hình mang Mesh

y Engine Sg Indoor Outdoor

LEE” Mesh Node Mesh Node

Hình 2.1: Tổng quan mang MeshNguồn: https://www.indiamart.com/tikona-broadband-bangalore/

2.1.2 Uu diém:

e - Nới rộng phạm vi phủ sóng của mang không dây truyền thống Giảm chi phi

hoạt động do chỉ cần sử dụng một luồng tốc độ cao cho nhiều APs

e_ Cung cấp mạng không dây cho những khu vực nông thôn và ở những nơi ít

có nhu cầu cần kết nối có dây

e Các user trong mạng có thé kết nỗi với nhau và kết nối với Internet khi dang

di chuyên

2.1.3 Nhược điểm:

e Tăng khối lượng công việc phải xử lý trên một nút, nó vừa có nhiệm vụ nhận

truyền dữ liệu vừa đóng vai trò như một bộ định tuyến Một nút trong mạng

e Mesh thường nhận dữ liệu từ nhiều nút xung quanh làm tăng khối lượng dữ

liệu phải xử lý lên rât nhiêu.

12

e Quá trình lắp đặt ban đầu khó khăn va phức tạp, các thành phan trong mang

phải được cài đặt phải triển khai thủ công từ lúc đầu, phải tính toán và lắp đặtcác nút đúng vị trí để đảm bảo nó có thể giao tiếp với các nút xung quanh

e Cân băng giữa các yếu tô trong mang mesh đòi hỏi cần phải đánh đối, một

mạng mesh để tiết kiệm năng lượng thì sẽ cho các nút thường xuyên ở chế

độ ngủ, việc này dẫn đến độ trễ trong mạng cao, nếu muốn giảm độ trễ trongmạng thì có thể tăng băng thông, bộ nhớ và cài đặt thời gian ngủ của một nútngắn đi tuy nhiên cách này lại làm cho năng lượng tiêu thụ tăng lên Việc cânbằng giữa độ trễ và năng lượng tiêu thụ sẽ phụ thuộc vào mục đích của ứng

dụng cụ thé và không có phương pháp chung nao cho việc này

2.1.4 Một số ứng dụng hiện tại

« Luc lượng quân đội Mỹ hiện dang sử dụng mang Mesh không dây dé kết nối

máy tính của họ, chủ yếu là máy tính xách tay siêu bền, trong các hoạt động

dã chiến

« Đồng hồ điện thông minh hiện đang được triển khai tại các khu dân cư,

chuyên kết quả đọc của chúng từ nơi này sang nơi khác và cuối cùng đến vănphòng trung tâm dé thanh toán mà không cần người đọc đồng hồ hoặc kết nối

đồng hồ với dây cáp

« Google Home, Google Wifi và Google OnHub đều hỗ trợ mạng lưới

Wifi Một số nhà sản xuất bộ định tuyên Wifi bắt đầu cung cấp bộ định tuyếnlưới để sử dụng tại nhà vào giữa những năm 2010

2.2 Công nghệ truyền thông LoRa

2.2.1 Công nghệ điều chế sóng LoRa

LoRa, viết tắt của Long Range Radio, là một công nghệ truyền thông

không dây được phát triển bởi Cycleo và được Semtech mua vào năm 2012

LoRa sử dụng một kỹ thuật điều chế có tên là Chirp Spread Spectrum Có thể

hiểu nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bang các xung cao tan dé tạo ra tínhiệu có dai tần số cao hon tan số của dit liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đótín hiệu cao tân này tiêp tục được mã hoá theo các chuôi chirp signal (là các tín

13

hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp

có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và

việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng

down-chirp) trước khi truyền ra anten dé gửi đi Với công nghệ này, chúng ta cóthê truyền đữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếchđại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu

Do đó, LoRa có thé được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dit liệu

như cảm biến network trong đó các cảm biến nút có thê gửi giá trị đo đạc về

trung tâm cách xa hàng km và có thê hoạt động với battery trong thời gian dài

trước khi cần thay pin Ngoài ra, LoRa không yêu cầu công suất truyền cao để

truyền đến thiết bị thu ở khoảng cách xa khiến thiết bị thu có thé nhận dữ liệu

ngay cả khi cường độ tín hiệu nhận được thấp hơn nhiễu của môi trường xung

quanh.

Công nghệ bao gồm hai phan - Lora, lớp vật lý và LoRaWan, lớp giaothức LoRaWan là một giao thức dựa trên LoRa được phát triển bởi LoRa

Alliance Nó được sử dụng trong các băng tan radio công nghiệp, khoa học và y

tế (ISM) Cấu trúc mạng LoRaWan thường là mô hình sao Gateway là cầu nốichuyên tiếp các gói tin giữa các thiết bị đầu cuối và máy chủ Các gateway kếtnối với internet thông qua các kết nói IP thông thường Trong khi đó, các thiết

bị đầu cuối không dây giao tiếp với một hoặc nhiều gateway

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz

cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

« 430MHz cho châu A

« 780MHz cho Trung Quốc

© 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

e 915MHz cho USA

14

Một gói tin LoRa bao gồm:

Cảm biến công suất thấp giúp tiết kiệm tuổi thọ pin cho các thiết bị

Một gateway Lora đơn có thê kết nối với hàng ngàn thiết bị đầu cuối

Không giới hạn số lượng tin nhắn hàng ngày

2.2.3 Nhược điểm của ứng dụng công nghệ Lora

Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi theo dõi theo thời gian thực.

15

„ _ Vì sử dụng tần số mở nên khi ứng dụng công nghệ Lora vào thực tế có thé bị

nhiễu tần số và tốc độ dữ liệu thấp hơn

2.2.4 Ứng dụng hiện tại

Với khả năng truyền xa và tiết kiệm năng lượng, LoRa cực kỳ phù hợpvới các ứng dụng như:

e - Nhà thông minh.

« _ Nông nghiệp thông minh (trên một mặt bằng rộng)

¢ _ Tòa nhà thông minh (mặt bang rộng và nhiều tầng lầu)

« Thanh phố thông minh.

16

Chương 3 HIỆN THỰC HỆ THÓNG THU THẬP DỮ LIỆU

3.1 Phần cứng sử dụng

3.1.1 MCU ATMEGA328P

ATmega328P là một bộ vi điều khiển tiên tiến và nhiều tinh năng Nó làmột trong những vi điều khiển nổi tiếng của Atmel thuộc ho vi điều khiển

megaAVR của Atmel (Sau là Microchip Technology Inc) ATmega328P là vi

điều khiến 8 bit được thiết kế dựa trên kiến trúc RISC, có 32 thanh ghi được kếtnối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit) cho phép hai thanh ghi độc lập có

thể được truy cập trong một câu lệnh đơn được thực thi trong một chu kỳ xungclock điều này cho phép chip hoạt động hiệu quả hơn so với các dòng chip dựa

trên kiến trúc CISC ATmega328P có 32 KB bộ nhớ chương trình ISP flash cóthé doc trong khi ghi, cho phép kết nối và ghi chương trình vào bộ nhớ chương

trình thông qua giao diện SPI, 1 KB EEPROM, 2KB SRAM, 23 chan I/O, 3 bộ

timer có thé lập trình được, có ngắt nội và ngắt ngoại, hỗ trợ các giao thức UART,

SPI, I2C ATmega328P còn có một số tính năng như bộ chuyền đổi tương tự số

10 bit mở rộng tới 8 kênh, watchdog timer có thể lập trình được, có 6 kênh điềuchế độ rộng xung, có 5 chế độ nguồn và hỗ trợ bootloader Chip này thường được

sử dụng trong các dự án nhỏ giá thành thấp, nó có cộng đồng hỗ trợ khá lớn.Ngoài ra ATmega328P còn được sử dụng trong dự án mã nguồn mở khá lớn đóchính là Arduino, nó được tích hợp trong các mạch như Arduino Uno R3, ArduinoNano, Arduino Pro mini, các loại mạch này được bán kha phô biến trên thị trường

và có giá thành tương đối rẻ Hình 3.1 thể hiện các thông số cơ bản củaATmega328P, hình 3.2 là hình ảnh thực tế của ATmega328P bản chân dán, hình3.3 cho biết các đặc trưng DC của chip

17

Name Value Program Memory Type Flash Program Memory Size (KB) 32

CPU Speed (MIPS/DMIPS) 20

SRAM (B) 2,048

Data EEPROM/HEF (bytes) 1024 Digital Communication Periphe 2-UART, 2-SPI, 2-I2C

Capture/Compare/PWM Periph 3 Input Capture, 3 CCP, 10PWMI

Timers 2 x 8-bit, 3 x 16-bit

Number of Comparators 1

Temperature Range (°C) -40 to 105

Operating Voltage Range (V) 1.8to 5.5

Pin Count 32

Low Power Yes

Hình 3.1: Thông số kỹ thuật MCU Low-power ATmega328P

Điện áp và nhiệt độ hoạt động của ATmega328P

e Power-Save Mode: 1.3 pA (Including 32 kHz RTC)

Hinh 3.2: Vi diéu khién ATmega328P

18

29.2.8 ATmega328P DC Characteristics

Table 29-12 ATmega328P DC characteristics - T, = -40°C to 85°C, Voc = 1.8V to 5.5V (unless otherwise noted)

Symbol Parameter Condition Min Typ.” Max Units

Active 1MHz, Veg = 2V | 03 08 Active 4MHz, Vẹc = 3V 17 25

WOT disabled, Veg = 3V 0.1 2

Notes: 1 Values with “Minimizing Power Consumption" enabled (0xFF).

2 Typical values at 25°C Maximum values are test limits in production.

3 The current consumption values include input leakage current.

Hinh 3.3: ATmega328P DC Characteristics

Nguồn:

https://itectec.com/electrical/electronic-how-to-power-a-atmega328-with-a-coin-cell-battery/

3.1.2 Module truyền nhận LoRa RFM95W

Bộ thu phát RFM95W theo chuân LoRaTM, cung cấp giao tiếp phổ rộng

khoảng cách xa và khả năng chống nhiễu cao trong khi giảm thiểu mức tiêu thụnăng lượng đến mức thấp nhất có thê

RFM95W có thê đạt được độ nhạy trên -148dBm chỉ với thạch anh và linhkiện có giá thành thấp Độ nhạy cao kết hợp với tích hợp bộ khuếch đại công suất+20 dBm khiến nó phù hợp, tối ưu cho mọi ứng dụng yêu cầu phạm vi lớn.LoRaTM cũng cung cấp các lợi thé đáng kê trong cả việc chặn và chọn lọc so với

các kỹ thuật điều chế thông thường, giải quyết các vấn đề về phạm vi, chống nhiễu

và tiêu thụ năng lượng so với các thiết kế truyền thống

Module này cũng hỗ trợ các chế độ FSK hiệu suất cao (G) cho các hệ thốngbao gồm WMBus, IEEE802.15.4g RFM95W cung cấp nhiễu pha đặc biệt, độchọn lọc, độ tuyến tính của máy thu và IIP3 cho múc tiêu thụ hiện tại thấp hơnđáng kể so với các thiết bị cạnh tranh Bảng 1 đã chỉ ra một số đặc trưng và ứng

dụng của RFM95W.

19

Đặc trưng ® LoRaTM Modem.

e 168 dB maximum link budget.

e +20 dBm - 100 mW constant RF

output vs V supply.

e +14 dBm high efficiency PA.

e Programmable bit rate up to 300

kbps.

e High sensitivity: down to -148 dBm.

e Bullet-proof front end: IIP3 = -12.5 dBm.

e Excellent blocking immunity.

e Low RX current of 10.3 mA, 200 nA

register retention.

e Fully integrated synthesizer with a

resolution of 61 Hz.

e FSK, GFSK, MSK, GMSK,

LoRaTM and OOK modulation.

e Built-in bit synchronizer for clock

recovery.

e Preamble detection.

e 127 dB Dynamic Range RSSI.

e Automatic RF Sense and CAD with

ultra-fast AFC.

e Packet engine up to 256 bytes with

CRC.

20

e Built-in temperature cảm biến andlow battery indicator.

Đây là mô-đun tích hợp Wifi, BT, BLE MCU Mô-đun tích hợp Bluetooth

truyền thống, Bluetooth năng lượng thấp và Wifi Phạm vi sử dụng rộng rãi:

Wifi hỗ trợ nhiều loại kết nối giao tiếp, cũng như kết nối trực tiếp với Internet

thông qua bộ định tuyến Bluetooth cho phép người dùng kết nối với điện thoại

di động hoặc phát BLE Beacon dé phat hién tin hiéu

Mô-đun hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 150 Mbps và công suất đầu ra ăngten là 20 đBm cho giao tiếp không dây tối đa Do đó, mô-đun này hoạt động tốt

về khả năng tích hợp cao, khoảng cách truyền không dây, tiêu thụ điện năng vàkết nối mạng Lõi của mô-đun này là chip ESP32-S2, có khả năng mở rộng vàthích ứng Hai lõi CPU có thé được điều khién riêng, tần số xung nhịp có thé

21