Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Nghiên cứu thiết kế Kit phát triển cho IC LR1110 sử dụng trong việc định vị

Từ những van đề được nêu trên, với nguyện vọng muốn giúp một phần sức lực trong việc ngăn chặn việc săn bắt động vật hoang dã và bắt cóc trẻ em ở Việt Nam nói riêng và toàn thế giới nói

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

BUI PHÙNG HỮU ĐỨC - 17520355 NGUYEN BÌNH PHƯƠNG - 17520924

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIET KE KIT PHÁT TRIEN CHO IC

LR1110 SU DUNG TRONG VIỆC ĐỊNH VI

Research and design LR1110 development Kit used for tracking

KY SƯ KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

BUI PHÙNG HỮU ĐỨC - 17520355 NGUYEN BÌNH PHƯƠNG - 17520964

KHOA LUAN TOT NGHIEP

NGHIEN CUU THIET KE KIT PHAT TRIEN CHO IC

LR1110 SU DUNG TRONG VIỆC ĐỊNH VI

Research and design LR1110 development Kit used for tracking

KY SƯ KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

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

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

LOI CAM ON

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

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

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

chuyên môn cũng như kỹ năng mềm, tạo cho em hành trang vững chắc trong cuộcsống cũng như công việc sau này

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

kiện thuận lợi cho em được học tap và phát triển

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

thúc đây tỉnh thần, tạo động lực cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

Em cũng muốn cảm ơn tat cả các công ty và nhà phát triển cung cấp các dịch

vụ miễn phí cũng như các thư viện và dự án mã nguồn mở Đặc biệt em gửi lời cảm

ơn đến quý công ty RFThings Vietnam đã hỗ trợ em trợ em rất nhiều trong đề tài

lần này

Cuối cùng, em xin cảm ơn đến gia đình, những người bạn, các thành viên câulạc bộ CEEC đã luôn dành những sự động viên đến em trong suốt quá trình thực

hiện khóa luận.

Mặc dù đã rất nỗ lực và có gắng nhưng kiến thức cũng như kinh nghiệm vẫn

còn hạn chế, nên đề tài và báo cáo không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Em rất

mong nhận được nhiều sự góp ý, nhận xét từ quý thầy cô

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện

Bùi Phùng Hữu Đức, Nguyễn Bình Phương

1.4 Đóng góp của để tài - 222cc cErrrrrrrrrecer.Õ

Chương 2 Cơ sở lý thuyẾt -2¿:©2222+222222+2222EE2222211122211E 221 rctrrkrrree 72.1 Giới thiệu chung về định vị ¿:©22+++22V++z+t2EEEErtttrExrrrtrrrrrrrrrrvee 7

2.1.1 Khái niệm - - - Sàn 121211121 TH HH1 HH ghê 7

2.1.2 Các công nghệ sử dung trong định vỊ - - + +©++x+csrererxee 8

2.1.2.1 UWB [l7] 5-5 ngư 8 2.1.2.2 ZigBe(HfS| A@ 4đ» %% LÁ LG ch e §

2.1.2.3 Bluetooth [19], c5: 3 c3 2E +yEErErereterxrrrrrsrrrrrrsrrrerrre 8 2.1.2.4 Long Range Radio (LoRa) [20] -555-55+cc+<<+<+<e++ 8 2.1.2.5 Wireless Fidelity Scan (WiFi Passive Scan) [1 5] - 9 2.1.2.6 Global Navigation Satellite System (GNSS) [14] 9

2.1.2.7 A-GPS [2[] SH HH HH ghi 9 2.1.2.8 LBS [26] ĂĂ SH HH già 9

2.1.2.9 Inertial measurement unit platforms (INS) - - «+ 9

2.1.3 Xác định vị trí bằng thuật toán RSSI [22] - -z-+ 10

2.1.3.1 Khái niệm

2.1.3.2 Sử dụng RSSI quy đỗi ra khoảng cách bằng phương trình Friis 10

2.1.4 Công nghệ định vị trong điện thoại di động [27]

2.1.4.2 Cameras + INS -c-SàSàSt tr ưưn 3 2.1.4.3 WiFi.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động ¿-¿- cty 9 2.3.3 Các ứng dung của WiFi Passive Scan - - «sec 20

2.4 LoRa/LoRaWan[ I6] :- 55-5222 21 2.4.1 Khái niệm, giới thiệu - 5c 21

2.4.1.1 LORGE m.y CN vưm , ó in 21 2.4.1.2 LORAWAN cccssceseseseesssseseeeseeseseesessseesseeseessserseessseesseeeaenseeeease 22 2.4.2 Nguyên lý hoạt dOng oo ee eee ee eecseeeereneseseseeeseseetseeneeeseseenenes 23 2.4.2.1 LORA à à HH HH Hước 23

2.4.2.2 LoRaWAN HH HH rước 25 2.4.3 Các ứng dung của LoRa/LoRaWAN ccce 26 2.5 Antenna [23], - ch TH TH TH nh Hàn TH ng nàng 27

2.5.1 Khái quát về antenna -+¿+22++ztretrktetrrrrkerrrrrrrcee 27

2.5.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại - 5xx s+s+cseserxexrree 27

2.5.2.1 Anten dang hướng — Omni-directional : + 28

2.5.2.2 Anten định hướng — Semi-directional - - «5< 28 2.5.2.3 Định hướng cao (Highly-directional]) -¿- - - +c<cx<xe 29

Chương 3 Hiện thực đề tài -¿ 22222+222 2222222312221 2211 crrrkrree 313.1 Thiết kế thiết bị định vị dựa trên IC LR1110

3.1.1 _ Hệ thống antenna .-:22222+222v++tttCEEvrrerrrkrrrrrrrrvee 31

3.1.2 MạchlICLRI110

3.1.3 Mach điều khiển -22c2cccccc2EErkrrrrrrrrrrrrrrrrrerrrer 4I

3.2 Phần mềm và các thiết lập định vị cho IC LR1110

3.2.1 Firmware IC LRIIIŨ 5-52 5+2*+E£+srertrkerererrrrkrererree 45

3.2.2 Cấu hình WiFi Passive Scan

3.2.3 Cấu hình cho GNSS ccciiirrre 503.3 Server va các thành phần khác -: ¿+2++++22vs++z+tzvszrzsrx 523.3.1 Cấu hình Gateway 222cc 2222 53

3.3.2 Cấu hình Semtech Network Server -22cccccccsccccvvvreerrrrrrrr 56

3.3.3 LoRa CLOUG gonp ay oti ccs Gh Tahoe efeessseshovssscsssesvsssasscessosonssscensesnseeees 58

3.4 Client và cấu hình phía clien( -++2222vvv+c+++tvzcvvvccceezrrrx 61

3.4.1 Giới thiệu về ThingsBoard cccccccsssssssssssccsssssussessscessssssseceecssssseeeeeee 61

3.4.2 Liên kết LR1110 từ Semtech Network Server đến ThingsBoard 633.4.3 Hiển thi vi tri IC LR1110 trên bản đồ tại ThingsBoard 653.5 Thu thập và truyền liệu về SerVer -ccc++++22cvvvrrrrrtrrrrrrrrrrrrrrrr 67Chương 4 Kết quả thực HiGt.os cccsccccssssssssssssesscssssscsssssescesssessesssssesesssueseesssecesessees 71

4.1 Năng lượng tiêu thỤụ - th HT HH it 72 4.2 DO Chih XC 74 4.2.1 Ngoài trời Ăn 74 4.2.2 — Trong nhà - 5-5 tt Hư 76 4.2.3 Khoảng cách giao tIỆp cư T7

4.3 Đánh giá tổng hợp -2c2222+2t2222x E221 1E tEEErrrrrtrrrerrree 784.4 Đóng góp và cải tiến

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển -.-.-: ¿2©+z++22++zz+cvvscez 825.1 Kết luận

5.2 Hướng phat trIÊn - 5-52 3t T219 1211212121011 re 82

5.3 Những khó khăn gap pha:

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Anh minh họa các thông số trong phương trình Friis - 11Hình 2.2: Phương pháp kết hop LC và TC w.sccscssssssssssssescsssscecsssuessssssecesssiecesssnsees 13

Hình 2.3: Các hệ thống vệ tinh phủ khắp trái đất -cc++cccvecrrrrrscee 15

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động dựa vào khoảng cách giữa thiết bị với vệ tỉnh 16Hình 2.5: Thu thập địa chỉ MAC và cường độ tín hiệu từ các điểm truy cập

Hình 2.6: Sử dụng bộ dữ liệu vị trí các AP từ API Semtech

Hình 2.7: Ứng dụng của WiFi Passive Scan vào LR1110

Hình 2.8: So sánh một số công nghệ không dây 22Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị hỗ trợ LoRaWAN -c-c-:+ 22

Hình 2.10: So sánh các giao thức trong LPWAAN -ccSccccccrererrreree 23

Hình 2.11: Gói tin LORa -. - 5:52 2231111 12 1112121011311 101.0 1111 trên 24

Hình 2.12: Mô hình LoRaWAN + cà 2H 2 HH HH0 2H rên 25

Hình 2.13: Bức xạ anten đẳng hướng 2D ở các góc nhìn thang và nhìn ngang 28

Hình 2.14: Bức xạ anten định hướng 2D ở các góc nhìn thang và nhìn ngang 29

Hình 2.15: Các đĩa vệ tinh là mô hình anten định hướng cao - - - s= 30

Hình 3.1: Sơ đồ khối thiết kế phần cứng - ¿¿+++22v++++tvvvvzsrrvscee 31

Hình 3.2: Thiết kế Antenna ::ceeeeeeerrrrrrrreerrrrrrrouu,33Hình 3.3: Kết quả mô phỏng S(1,1) của hệ thống antenna -. -¿ 34

Hình 3.4: Kết qua bức của các antenna -¿2+++22v++++t2vvvrtzttrvrrrsrrrsree 35

Hình 3.5: IC LRI 110 của Semtech - - +56 +c+csssccsesesesrersrexeeserr.r SỔ

Hình 3.6: Các khối bên trong IC LR1 110 -222+z+22222vvvcczetrtcvrvxez 37

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của mạch LRI 110 -cccc¿252222cvvvcccssrrrrrrxee 39Hình 3.8: Xác định điện trở dây dẫn cao tần -¿ sec 1 1x prey 40

Hình 3.9: PCB Layout và mạch LR1110 thực tÊ ¿-¿- 5 + <5++++c+c+s<++ 4I

Hình 3.10: Vi điều khiển STM32L476RG -2222222c+222222vvvrrrrrrrrrrrrev 42

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của mạch vi điều khiển STM32L476RG 44Hình 3.12: PCB Layout và ảnh thực tế của mạch điều khiển - 2-2-4 45

Hình 3.14: Tọa độ tham khảo được đặt tại Khu công nghệ phần mềm DHQG 51

Hinh 3.15: Thiét bị quét các gói tin từ GNSS và do đạc cường độ tín hiệu 52

Hình 3.16: Sơ đồ hệ thống định vị ¿ 2¿+©222++++22EE++ttEEEErrttrrkrrrrrrkrvee 52 Hình 3.17: Module LoRa Corecell V Ì.Ũ - + ¿+2 +++£+£zk+kexekerrkrkererre 54 Hình 3.18: Phan cứng của gateway LoRaWAN hoàn chỉnh -cc+¿ 54 Hình 3.19: Bật SPI, I2C, Serial cho Raspberry Pi 3 ¿5+ +cccccxexe+ 55 Hình 3.20: Sử dung git dé tải chương trình cài đặt gateway LoRaWAN 55

Hình 3.21: Truy xuất ID gateway từ tệp tin chip iđ -.c¿-5c2ccceccssvcecrr 56 Hình 3.22: Dang ký gateway trên Semtech network S€TV€T ¿+5 s+5c+x+c++ 57 Hình 3.23: Đăng ky IC LR1110 trên Semtech Network Server 58

Hình 3.24: Sử dung các mã dé đăng ký trên máy chủ LoRa Cloud - 59

Hình 3.25: Sao chép mã Token từ máy chủ DA S ¿-+c-<+-<+scs+x+ce+ 60 Hình 3.26: Dán Token vào LR1110 được đăng ký trên Semtech Network Server 61

Hình 3.27: Nền tảng loT ThingsBoard 02

Hình 3.28: Giao diện quản lý trực quan trên ThingsBoard 62

Hình 3.29: Sao chép mã Token từ ThingsBoard 63

Hình 3.30: Dán mã token đã được sao chép 94

Hình 3.31: Dán dia chỉ ThingsBoard vào IC LR1110 đã được đăng ký 64

Hình 3.32: Các gói dữ liệu được tìm thay trên ThingsBoard - 65

Hinh 3.33: Tao mOt Adias 117 65

Hình 3.34: Thêm Maps vào giao diện quản lý trên ThingsBoard 66

Hình 3.35: Sao chép đoạn code hiển thị vào phan Label function - 66

Hình 3.36: Kết quả hiển thị vị trí và cường độ tín hiệu LoRa -. 67

Hình 3.37: Luu dé của quá trình truy cập và truy xuất vị trí từ máy chủ 68

Hình 3.38: Kết quả quá trình truy xuất vị trí sử dung WiFi Passive Scan và GNSS69 Hình 4.1: Hoàn thiện và đóng gói thiết bị -222cc++222vvvvvrrrrrrrrrrreer 71 Hình 4.2: Do năng lượng tiêu thụ bằng máy Oltii -2-++22cc+2cz+scee 72 Hình 4.3: Sử dụng phần mềm Otii dé tính ra thời gian sử dụng 74 Hình 4.4: Lắp đặt thiết bị ở ngoài trời -¿-©22+++2222v+vttEEEErretrrrkrrerrrrrrrrer 75

Hình 4.5: Thu thập dir liệu bằng GNSS

Hình 4.6: Thu thập dữ liệu bằng WiFi Passive Scan -cc-cccccccccccrrscee

Hình 4.7: Thực nghiệm khoảng cách giao tiếp ¿©2252z22cvvzcrvcrvscee

DANH MUC BANG

Giá tri RLC của antenna - ¿65c 3c 23233 2E SErerkekrrserrkeerree 33

Cấu hình chân cho LR1110 từ STM32L476RG - - 45

Tần số từng Channel của WiEi -2-22222+222EEztrSEEEEetrrrrkrrrrrrkrvee 41

Thời gian và năng lượng tiêu thụ của các tác vụ -xe 73

Đánh giá kết quả thực nghiệm so với mục tiêu ban đầu

So sánh đề tài và Evaluation Kit

So sánh dé tài và Ublox ZOE-M8G

So sánh dé tài và các thiết bị có mặt trên thị trường

DANH MỤC TU VIET TAT

AES Advanced Encryption Standard

A-GPS Assisted Global Positioning System

AP Access Point

BLE Bluetooth Low Energy

BSS Basic Service Set

CPU Central Processing Unit

GNSS Global Navigation Satellite System GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile

Communications

IC Integrated Circuit

loT Internet of Things

LoRa Long Range

LoRaWAN Long Range Wide Area Network

LOS Line of Sight

LPWAN Low Power Wide Area Network

LTE Long Term Evolution

MAC Media Access Control

MCU Microcontroller Unit

PA Power Amplifier

PLL Phase-Locked Loop Detection

RSSI Received Signal Strength Indication

TÓM TÁT KHÓA LUẬN

Trong bối cảnh phát trién không ngừng của công nghệ thông tin nói chung vàIoT (Internet of Things) nói riêng dẫn đến nhu cầu về định vị nBưỜi, đồ vật, thú

cưng hay động vật hoang da cũng tăng theo đáng kể Bên cạnh đó sự ra đời của các

IC hỗ trợ việc định vị ngày một nhiều, trong đó có LR1110 Trong đề tài này, nhóm

dé xuất giải pháp sử dụng IC LR1110 dùng trong việc định vị trong nha và ngoài

troi.

LR1110 là một chip được tích hop công nghệ định vị toàn cầu GNSS (GlobalNavigation Satellite System) hỗ trợ cho việc định vị ngoài trời Ngoài ra chip cònđược trang bị WiFi Passive Scan giúp cho việc định vị trong nhà trở nên đễ dàng.Tuy nhiên đây là một chip mới và chưa được phố biến rộng rãi trên thị trường nênviệc ứng dụng nó cũng dẫn đến một số khó khăn nhất định

Nhóm thực hiện đề tài thông qua các giải pháp như sau: (1) Thiết kế hệ thống

antenna đa băng tan sử dụng cho IC LR1110, (2) thiết kế mach sử dụng cho

LR1110 bao gồm các linh kiện matching network được tính toán giúp mạch đạt hiệusuất cao nhất về cao tần và mạch điều khiển chứa MCU cùng các cảm biến phù hợp

với ứng dụng định vi cua Kit (3) Xây dựng mô hình LoRaWan đưa dữ liệu thu thập được về server đê xử lý.

Song song nhóm thực hiện đề tài còn đặt ra các mục tiêu về độ chính xác củaquá trình định vị, phạm vi hoạt động, năng lượng tiêu thụ và đóng gói sản phẩm sẽđược trình bày chỉ tiết trong báo cáo

Trong báo cáo này sẽ được chia thành 5 chương với các nội dung như sau:

- Chương 1: Tổng quan đề tài

- _ Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- _ Chương 3: Hiện thực đề tài

- Chương 4: Kết quả thực hiện

- _ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 1 Tổng quan đề tai

1.1 Giới thiệu dé tài

Theo báo cáo tổng kết ““Tình hình vi phạm và thực thi pháp luật động vật hoangđã” tại Việt Nam giai đoạn 2013-2017, các cơ quan chức năng đã bắt giữ 1504 vi

phạm đối với 1461 đối tượng có hành vi về bảo vệ động vật hoang đã (ÐĐVHD).Cũng theo báo cáo này, có hơn 180 loài ĐVHD đã bị vận chuyền, buôn bán bất hợp

pháp, trong đó có các loài nguy cấp, quý hiếm bị đe dọa như: tê tê, rắn, chim, voi,

và các loại rùa chiếm tỉ lệ lớn trong các vụ việc bị phát hiện bắt giữ và xử lý Số vụ

việc vi phạm liên quan đến một số loài không có nguồn gốc từ Việt Nam như: têgiác, voi, tê tê - chiếm 13,5% (203/1.504) tổng số vi phạm, 7,43% (1.949/26.22 1) sốlượng cá thé bi bắt giữ và 44,64% (18.450/41.328 kg) trong tổng khói lượng DVHD

bị tịch thu ghi nhận được trong giai đoạn này Lưu ý rằng, con số trên có thé khôngđồng nhất với mức độ vận chuyền, buôn bán thực tế của các loài này trong nước

Theo một báo cáo khác về buôn bán trẻ em của Unicef, Từ năm 2008 đến tháng

6 năm 2013, các cơ quan chức năng của Việt Nam đã phát hiện 2.390 vụ mua bán

người trong đó có trẻ em với 3.961 kẻ buôn bán trẻ em và 4.721 nạn nhân Trong số

này, mua bán người đủ từ 16 tuổi trở lên gồm 2105 vụ (chiếm 88,1%), mua bán trẻ

em (dưới 16 tuổi) gồm 177 vụ (chiếm 7,4%) và mua bán cả người lớn và trẻ em là

108 vụ (chiếm 4,5%) Có 2.293 vụ mua bán người ra nước ngoài và 97 vụ mua bánngười trong nước Số lượng thực sự của các trường hợp có thể cao hơn Mặc dù các

cơ quan chức năng phát hiện 4.721 nạn nhân từ năm 2008 đến giữa năm 2013,

17.870 phụ nữ và trẻ em đã được báo cáo mat tích mà không rõ lý do trong thờigian này Nhiều người trong số họ có thé đã bị buôn bán (Báo cáo số 571/BC-BCĐ;Ban Chỉ đạo 138/CP năm 2013) Một số trẻ em bị mua bán từ các khu vực nông

thôn lên thành phó dé bán hàng trên đường phó, ăn xin, lao động cưỡng bức hoặc

bóc lột tình dục Những người khác vượt qua biên giới quốc gia với lời hứa hẹn sẽ

tìm được việc làm nhưng thay vào đó là bóc lột tình dục, hôn nhân cưỡng ép và các

hình thức bóc lột lao động khác, tất cả đó là những nguyên nhân làm gia tăng nguy

cơ bạo lực Tuy nhiên, bản chất và mức độ của vấn đề này rất khó phát hiện bởi thủ

đoạn tinh vi của kẻ phạm tội, sự chậm trễ trong việc xác định vụ việc và không có

báo cáo từ cơ quan bảo vệ trẻ em Số vụ việc được Bộ Lao động Thương binh Xã

hội thống kê dưới đây chắc chắn ít hơn nhiều so với thực tế bởi chỉ những vụ đượcxác nhận và báo cáo chính thức mới được thống kê trong khi theo Bộ Công an, 60%

nạn nhân tự trở vê sau những cuộc bat cóc.

Từ những van đề được nêu trên, với nguyện vọng muốn giúp một phần sức lực

trong việc ngăn chặn việc săn bắt động vật hoang dã và bắt cóc trẻ em ở Việt Nam

nói riêng và toàn thế giới nói chung bằng các công nghệ và kiến thức có được.Nhóm đề xuất một thiết bị định vị trong và ngoài nhà với năng lượng tiêu thụ thấp

có thể hoạt động được thời gian dài Sử dụng cho việc định vị động vật hoang dã

hay trẻ em ở các khu vui chơi giải trí, công viên, siêu thị giúp việc theo dõi, trông

chừng đơn giản và an toàn hơn.

1.2 Các nghiên cứu liên quan

Về cơ bản định vị được chia thành hai lĩnh vực chính: định vị trong nhà và định

VỊ ngoài trời.

Đối với định vị ngoài trời, GNSS được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên

toàn thế giới, tuy nhiên độ chính xác của phương pháp này vẫn còn lớn Trong

nghiên cứu [1] nhóm tác giả đã cải thiện sai số từ 15m xuống còn 2m nhờ vào bộloc Kalman, mặc dù vậy quá trình này dién ra còn phức tap và tốn nhiều thời gian

Bên cạnh đó, hệ thống định vị mặt đất với độ chính xác cao kể cả trong nhà và

ngoài trời ở [2], nhưng nhược điểm của phương pháp này là chỉ phí triển khai và

vận hành còn cao Ngoài ra, một vài nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Time Difference

of Arrival (TDoA) dựa trên công nghệ truyền thông LoRa, kỹ thuật này cũng hỗ trợ

định vị ngoài trời những sai số có thể lên đến hàng trăm mét [3]

Về định vị trong nhà, đã có nhiều ngiên cứu đề xuất các công nghệ như Zigbee,

BLE, LoRa, UWB Bên cạnh đó Wireless Local Area Network (WLAN), dựa trên

WLAN này ứng dụng các phép đo cường độ tín hiệu đến thiết bị nhận RSS Lợi íchcủa việc sử dung RSS là phép đo này có sẵn trong hầu hết các thiết bị WLAN.

Trong đó WiFi Passive Scanning ở nghiên cứu [4] là phương pháp dựa trên RSS mà

hông cần truy cập vào Access Point (AP), tuy nhiên với phương pháp này phụthuộc nhiều vào vị trí các access point đã có sẵn vị trí, chính vì vậy dẫn đến sai số

còn khá cao Dé cải tiến độ chính xác của phương pháp này, nghiên cứu [5] đã tích

hợp thêm mô hình neural network có thé định vị trong các tòa nhà cao tang Đặcbiệt nghiên cứu số [6] có thể giảm sai số xuống dưới 4m

Bên cạnh đó, các thiết bị có khả năng định vị đa môi trường cũng được triển

hai nghiên cứu và thực hiện Trong [7] nhóm tác giả kết hợp giữa GPS và RFID

dùng để định vị trong nhà và ngoài trời A-GPS và WiFi trong nghiên cứu được ứng

dụng trong các thiết bị di động với sai số lần lượt là 8m và 74m [8] GNSS va UWBcũng là giải pháp cho thiết bị định vị đa môi trường, với độ chính xác cao (<0.5m)[9] nhờ công nghệ UWB, tuy nhiên UWB mới được nghiên cứu gần đây và chưa

được triển khai rộng rãi vì chỉ phí tương đối cao Ở [10] nhóm tác giả hiện thực

thiết bị định vị đa môi trường bằng GPS va WiFi tuy không dé cập sai số nhưngnăng lượng tiêu thụ giảm xuống mức 0.17mA/s ở trạng thái ngủ

Song song với việc định vi, bài toán truyền tải dữ liệu về các tram (station) cũng

là vấn đề đáng quan tâm đặc biệt ở các thiết bị nhỏ có nguồn năng lượng hạn chế

Với ưu điểm tiết kiệm năng lượng và dễ dàng mở rộng, Zigbee là giải pháp truyềntải gói tin định vị về server trong nghiên cứu số [11] Ở nghiên cứu số [12] GPRS là

lựa chọn đề truyền tải thông tin định vị GPS về server với mức tiêu thụ trung bình

và kích thước thiết bị chưa được tối ưu Tương tự, trong bài báo số [13] chỉ ra việc

sử dụng GPS và module SIM900 có thể sử dụng hơn hai tháng với 2 pin Alkaline

AA LR6.

1.3. Mục tiêu đề tài

Đề tài hướng đến việc nghiên cứu thiết kế và hiện thực thiết bị có khả năng định

vi trong nhiều môi trường khác nhau dựa trên IC LR1110 Thiết bị này được tích

hợp với các antenna phù hợp với mức năng lượng tiêu thụ thấp

1.4.

Các giới hạn mục tiêu cho thiết bị được đặt ra như sau:

e _ Về độ chính xác, thiết bị có độ chính xác dựa trên các công nghệ định vị hiện

nay, sai số 20m đối với GNSS và 10m đối với WiFi Passive Scan Nhóm

thực hiện dé tài tiến hành thu thập dữ liệu và đưa ra đánh giá với các phép đo

định vị này.

e Vé năng lượng tiêu thụ, thiết bị có thé hoạt động bang pin trong thời gian tối

thiểu 6 tháng kể từ lần hoạt động đầu tiên Tác giả sẽ tiến hành do năng

lượng tiêu thụ bằng máy đo OTII và dựa trên hoạt động thực tế dé đưa ra kếtluận cuối cùng

© Có thể truyền dữ liệu về trung tâm xử lý bằng gia thức LoRaWAN trong

phạm vi 2km trong môi trường không có vật cản (LOS-Line of Sight).

se _ Thiết bị được đặt trong hộp chuẩn IP65 có khả năng kháng nước kháng bụi

Đóng góp của đề tài

Phần dưới đây trình bày các đóng góp của chính của luận văn:

- Tìm hiểu và hiện thực các chức năng của IC LR1110 - một IC mới được phát

triển của semtech Đưa ra nhận định khả thi trong việc ứng dụng IC vào các

bài toán định vị trong và ngoài trời.

-_ Thiết kế hệ thống antenna hoạt động ở nhiều tần số đảm bảo cho sự giao tiếp

của IC, đồng thời antenna có thé dé dàng tích hợp vào hộp đựng dé đảm bảo

không ảnh hưởng đến hiệu năng trong quá trình thiết bị di chuyền

- Đưa ra giải pháp phân chia các mạch trong hệ thống thành các mạch nhỏ

hơn Do đó hệ thống định vị có tính ứng dụng cao, triển khai dé dang vànhanh chóng, có thé thay thé các thành phần cũ bằng những thành phan mới

có chức năng, khả năng hỗ trợ tương đương mà không ảnh hưởng đến hoạtđộng của hệ thống.

Đóng góp thêm nghiên cứu mới định vị đa môi trường, giúp xây dựng nềntảng nghiên cứu về định vị trong và ngoài trời và tạo điều kiện cho cácnghiên cứu chuyên sâu hơn về sau này

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Trong chương này tác giả trình bày một số công nghệ liên quan đến dé tài như

GNSS, WiFi Passive Scan và LoRa/LoRaWan.

2.1 Giới thiệu chung về định vị

bệnh viện và trung tâm thương mại) Mỗi ứng dụng cho việc theo dõi có thể yêu cầu

các loại công nghệ phù hợp nhằm đáp ứng được nhu cầu và ràng buộc của ứng

dụng Ví dụ, Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là công nghệ phù hợp và hiệu quả

cho không gian ngoài trời thay vì không gian trong nhà vì tín hiệu vô tuyến vệ tỉnhkhông thể xuyên qua các bức tường và chướng ngại vật rắn

Người ta chia trái đất thành những đường kinh độ từ đông sang tây và vĩ độ trãi

khắp từ bắc xuống nam, dựa vào hai đường này để xác định được vị trí vật thể Các

hệ thống định vị sử dụng công nghệ truyền thông không dây cũng sử dụng phương

pháp này thê hiện tọa độ thiết bị trên bản đồ Bằng cách sử dụng tọa độ đã xác định

trước kết hợp với các thuật toán định vị, vị trí của thiết bị sẽ được tìm thấy dễ dàng.Tùy vào mỗi công nghệ được sử dụng sẽ có các kết quả sai số khác nhau, dưới đây

là một số công nghệ được sử dụng cho định vị theo dõi

2.1.2 Các công nghệ sử dụng trong định vị

2.1.2.1 UWB [17]

Dai tan UWB được mở cho thương mai sử dung từ tần số từ 3.1 tới 10.6GHz UWB có thé do lường được thời gian mà tín hiệu di chuyên từ bộ truyền tới

bộ nhận, từ đó tính toán được khoảng cách chính xác cao tới cm Với phương pháp

này cho phép thông tin khoảng cách chính xác và chất lượng cao hơn so với các

phương pháp dựa trên độ mạnh tín hiệu

2.1.2.2 ZigBee [18]

Zigbee là tiêu chuẩn khu vực mạng lưới cá nhân 802.15.4 của IEEE, đượcxem là một giải pháp thay thé cho WiFi và Bluetooth của một số ứng dụng bao gồmcác thiết bị sử dụng năng lượng thấp mà không cần nhiều băng thông như các hệthống cảm biến trong nhà thông minh ZigBee dựa trên cường độ tín hiệu mạnh yếu

để tính toán ra khoảng cách và vị trí

2.1.2.3 Bluetooth [19]

Định vị bằng Bluetooth ngày nay được biết đến với tên gọi định vi bằng thiết

bị Beacon Mỗi thiết bị chứa CPU, radio và pin, hoạt động bằng cách liên tục phát

ra một mã định danh (ID) Mã ID này là duy nhất mà thiết bị thông minh nhận ra

cho mỗi Beacon Cũng như ZigBee, BLE dựa trên độ mạnh tín hiệu đề định vị

2.1.2.4 Long Range Radio (LoRa) [20]

Bên cạnh khả năng giao tiếp với khoảng cách xa và tiết kiệm năng lượng,Semtech đã tích hợp trong IC SX1280 công nghệ Ranging Engine dé tính toán

khoảng cách giữa các node thông qua đo lường được thời gian mà tín hiệu di

chuyển từ bộ truyền tới bộ nhận, từ đó tính toán được chính xác cao đến vài mét

2.1.2.5 | Wireless Fidelity Scan (WiFi Passive Scan) [15]

Dinh vi WiFi Passive Scan phụ thuộc vào việc phát hiện địa chi MAC của tat

cả các điểm truy cập không day gần đó (Điểm truy cập WiFi) Sau đó so sánh cường

độ tín hiệu và tọa độ của các địa chỉ MAC trong cơ sở đữ liệu, tính toán ra vi trí.

2.1.2.6 Global Navigation Satellite System (GNSS) [14]

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) là hệ thống xác định vị trí dựa

trên vi trí của các vệ tinh nhân tao GPS, GLONASS và GALILEO Trong cùng một

thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định đượckhoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tỉnh

2.1.2.7 A-GPS [21]

GPS là phiên bản được nâng cấp của GPS, hoạt động nhờ vào các máy chủ

A-GPS được nhà mạng di động triển khai Các máy chủ này có thể xem như bộ nhớ

đệm của dữ liệu GPS, nó sẽ lấy di liệu từ vệ tinh và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu trên

mặt đất Khi thiết bị truy xuất vào các máy chủ này, chúng sẽ lấy được thông tin

nhanh hơn nhiều nhờ sử dụng các kết nối 3G, 4G, thậm chí là Wi-Fi Các kết nốinày có tốc độ nhanh hơn nhiều so với đường truyền vệ tỉnh

2.1.2.8 LBS [26]

LBS là hệ thống định vị và giám sát đối tượng dựa vào sự kết hợp giữa hệ

thống Thông tin địa lý GIS, Hệ thống định vị toàn cầu GPS và hạ tầng viễn thôngmạng di động GSM/GPRS để theo dõi và giám sát vị trí của đối tượng

2.1.2.9 Inertial measurement unit platforms (INS)

INS bao gồm ba gia tốc kế, ba con quay hồi chuyển va ba từ kế Gia tốc kế làcông cụ đo gia tốc (tốc độ thay đổi vận tốc) và giúp điện thoại phân biệt lên hay

xuống Con quay hồi chuyền là cảm biến cũng có thé cung cấp thông tin định hướngnhưng với độ chính xác cao hơn Nhờ cảm biến đặc biệt này, tính năng máy ảnh

Photo Sphere của Android có thể cho biết điện thoại đã được xoay bao nhiêu và

cung cấp một định hướng đơn giản liên quan đến từ trường của Trái đất Do đó, mọiđiện thoại thông minh đều biết đâu là hướng Bắc, do đó nó có thé tự động xoay bản

đồ kỹ thuật số tùy thuộc vào định hướng vật lý của nó INS ngày càng được sử dụngtích hợp với các công nghệ khác, điển hình là GNSS, đồng hồ do múi giờ va từ ké,hoặc với các các khối lưu trữ, từ đó tạo thành một hệ thống dẫn đường quán tính

(INS).

2.1.3 Xác định vị tri bằng thuật toán RSSI [22]

2.1.3.1 Khái niệm

Phương pháp đối chiếu so sánh dựa trên cường độ tín hiệu nhận được (RSS])

là một trong những cách tiếp cận đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất dé định vị

RSSI là cường độ công suất tín hiệu thực nhận được tại máy thu, thường được đo

bằng decibel-milliwatts (dBm) hoặc milliWatts (mW) RSSI có thể được sử dụng déước tính khoảng cách giữa thiết bị phát (Tx) và thiết bị nhận (Rx); giá trị RSSI càng

cao thì khoảng cách giữa Tx và Rx càng nhỏ Độ dài khoảng cánh giữa Tx và Rx có

thể được ước tính bằng cách sử dụng một số phương trình truyền tín hiệu khác nhauvới công suất truyền tải đã biết trước

2.1.3.2 Sử dụng RSSI quy đỗi ra khoảng cách bằng phương trình

Friis

Phương trình Friis thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thông, được sử

dụng để tính toán mức năng lượng của sóng nhận được từ một antenna (với mứcgain là Gl), khi được truyền từ một antenna khác (với mức gain là G2) cách

antenna nhận một khoảng cách là R và hoạt động ở tần số f hay bước sóng là

lambda.

Hình 2.1: Ảnh minh họa các thông số trong phương trình Friis

PE : Công suất nhận (đơn vị: đồm)

P, : Công suất truyền (don vị: dBm)

G,, : Gain của antenna truyền (don vi: dBi)

G,, : Gain cua antenna nhận (don vi: dBi)

A: Bước song (don vi: m)

D, : Khoảng cách giữa 2 antenna (don vị: m)

Với

Dựa vào tính đơn giản nhưng hiệu quả của thuật toán RSSI, kết hợp với độ

phủ rộng của công nghệ GNSS và sự thịnh hành của mang WiFi, Semtech đã cho ra

mắt IC LR1110 chuyên về định vị được tích hợp tat cả thuận lợi này Phần sau sẽ

trình bày chỉ tiết hơn về các công nghệ được sử dụng trong IC này

2.1.4 Công nghệ định vị trong điện thoại di động [27]

Hiện nay, với sự phát triển thần tốc của công nghệ nói chung và điện thoại thôngminh nói riêng, hau hết người dân đã có thể tiếp cận sản phẩm nay rất dễ dang với

chi phí phải chăng Dịch vụ định vị cũng từ đó được trang bị và được cải thiện với

độ chính xác cao hơn, hỗ trợ người dùng quản lý cũng như phục vụ các nhu cầukhác liên quan đến dịch vụ này

Có rất nhiều công nghệ được luân phiên tích hợp cho hệ thống định vị trên điệnthoại chẳng hạn như GNSS hoặc GPS (một hệ thống vệ tinh thuộc GNSS), INS,

Cameras, WLAN, BLE, Trong khi GNSS/GPS chi kha dung cho dinh vi ngoai

trời thi INS, Cameras, WLAN, BLE là cần thiết cho trường hợp trong nha Thông

tin vị trí định vị được có thể được quản lý từ xa nếu thiết bị kết nối Internet thông

qua mạng GPRS/3G.

2.1.4.1 GNSS/GPS + INS

Có hai phương pháp chính sử dung kết hợp GNSS/GPS va INS là the loosely

(LC) and the tightly (TC).

Trong trường hợp đầu tiên là LC, phần mềm tích hợp gia tốc và vận tốc góc

và cập nhật tất cả các thông số trạng thái Chúng bao gồm các vị trí và các tài sản

góc cạnh, nhưng cũng có các thành phần dự kiến riêng, sử dụng các vị trí

GNSS/GPS và các inertial measurement unit (IMU) Mặt khác trong phương pháp

TC, các tham số đầu vào giống nhau, nhưng GNSS/GPS (pseudoranges,carrier-phases, Doppler) và IMU đều đi vào bộ lọc Kalman, mỗi tham số có tốc độ

và độ chính xác riêng, được liên kết với những dự đoán mới, nhằm cung cấp một

giải pháp duy nhất Hiện nay phương pháp LC được sử dụng phổ biến hơn trong

điện thoại di động vì phương pháp này không yêu cầu các phép đo GNSS/GPS thô,trong khi đối với TC về cơ bản cần phải thực hiện bước này, nếu vào các khu vựchạn chế tầm nhìn vệ tỉnh thì phương pháp này ít khả dụng hơn

2.1.4.2 Cameras + INS

Dinh vi trong nha bang cam bién quang hoc dang trở thành một trong những

ÿ thuật chiếm ưu thế, có thể bao phủ một số lượng lớn các lĩnh vực ứng dụng ở cấp

độ chính xác cao Sự thành công của các kỹ thuật này là do sự cải tiến và thu nhỏ

của các cảm biến CMOS Đồng thời, đã có sự gia tăng về tốc độ truyền dữ liệu và

khả năng tính toán của điện thoại thông minh, cũng như sự phát triển vượt bậc trong

lĩnh vực xử lý hình ảnh.

Các LBS có thể dựa trên cảm biến máy ảnh Đầu tiên, các hệ thống này

không cần cài đặt bất kỳ mạng chipset nào trong môi trường vì cảm biến chính

(CIS) đã được cài đặt trong thiết bị người dùng Điều này cho phép phát triển một

dich vụ chi phí thấp mà không cần thiết kế và triển khai mạng tại chỗ Hơn nữa, độ

chính xác định vị của các hệ thống này thường chính xác hơn so với các hệ thôngkhác Ví dụ, trong quy trình công nghiệp, hệ thống thị giác máy tính dựa trên thuậttoán phát hiện đối tượng được sử dụng trong dây chuyền sản xuất đề theo dõi đốitượng và kiểm tra chất lượng Những loại hệ thống này có độ chính xác khoảng vài

mm Tat nhiên, các ứng dụng định vị dựa trên hình ảnh với điện thoại thông minh

không thé đạt đến mức độ chính xác này nhưng có thể hoàn toàn phù hợp với cácyêu cầu cho mục đích điều hướng

2.1.4.3 WiFi

Phương pháp định vị WLAN phổ biến nhất dựa trên chỉ báo thắng tín hiệu

nhận được (RSSI) vì nó dễ dàng trích xuất từ bat kỳ thiết bị được kết nối nào trong

mang WiFi Phương pháp RSSI dựa trên công suất tín hiệu nhận được và mối quan

hệ giữa sự suy giảm tín hiệu và khoảng cách của các nút Biết được cường độ của

tín hiệu phát ra, cường độ của tín hiệu nhận được, có thể tính được độ suy giảm của

nó va do đó là khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu Với những kỹ thuật này, có thé

kết hợp các phương pháp khác nhau để định vị như propagation modeling,

fingerprinting, cell of origin, and multilateration Dé có được ban địa hóa chính xác

nhất, cần kết hợp kỹ thuật fingerprinting bao gồm phân tích tiên nghiệm dé lập ban

đồ cường độ tín hiệu quan sát được của các bộ định tuyến cố định ở mọi nơi trongmôi trường trong nhà Với dữ liệu này, có thể tạo cơ sở đữ liệu (tức là bản đồ vô

tuyến) Hạn chế của phương pháp này là phải mất nhiều thời gian và chi phí dé thuthập vị trí các bộ định tuyến trên toàn khu vực

Một cách khác đề định vị thiết bị trong hệ thống định vị WiFi là sử dụng bộ

di liệu các điểm truy cập (AP) được xác định trước đó thông qua các thiết bị đăng

nhập vào Do sự phân bố không gian của các AP trong môi trường trong nhà và độ

tin cậy vi trí mà các thiết bị truy cập vào, bộ dữ liệu này có thể tạO ra Sai số với

khoảng 10-50 m.

2.2 GNSS[14]

2.2.1 Khái niệm, giới thiệu

GNSS - Global Navigation Satellite System là tên gọi chung của các hệ thông

định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS của Hoa Ky, hệ thống định vị Galileo củaLiên minh châu Âu, GLONASS của Liên bang Nga, Beidou (hay còn gọi là Bắc

Đâu) của Trung Quốc, IRNSS của An Độ

Hình 2.3: Các hệ thống vệ tinh phủ khắp trái đất

Nguôn: Wikipedia.com

Hau hết các thiết bị định vị hiện nay đều sử dụng hệ thống định vị toàn cầu

GNSS vì tầm phủ rộng trãi khắp thế giới của nó, có các hệ thống vệ tỉnh có thể kểđến như

e 24 vệ tinh GPS của Mỹ

e 30 vệ tinh Galileo của liên minh Châu Âu

e 24 vệ tinh Glonass của Nga

e 35 vệ tinh BeiDou của Trung Quốc

¢ 8 vệ tỉnh IRNSS của An Độ

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) củaquỹ đạo vệ tỉnh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một vịtrí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tỉnh (tối thiểu) thì sẽ tínhđược tọa độ của vị trí đó GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi

trên trái đất và 24 giờ một ngày Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng

hệ vệ tinh dẫn đường này Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tỉnh định vị

toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự,

về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và

GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tỉnh để tính ra vị trí hai chiều(kinh độ và vĩ độ) và dé theo đõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệtỉnh trong tầm nhìn thì máy thu có thẻ tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độcao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thôngtin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình,

quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn và nhiều thứ khác nữa

Tuy nhiên GNSS cũng có một nhược điểm là không thé hoạt động trong môi

trường bị che chắn các tín hiệu từ vệ tinh chẳng hạn như trong các tòa nhà hay rừngrậm Để giải quyết vấn đề đó một số công nghệ dựa trên nguyên lý hoạt động của

GNSS ra đời giúp khắc phục được nhược điểm của GNSS, có thé kể đến như

A-GPS.

2.2.3 Các ứng dụng của GNSS

Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đường và điều khiển giao thông cũng

đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần không thể

thiếu trong công nghiệp ô tô, chang hạn như hệ thống định vị dẫn đường trong các

thương hiệu xe hơi nổi tiếng như Mercedes, BMW, Porsche, Maybach, Cadillac,

Audi, Roll Royce

Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toànphương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị giới hạn

bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động

Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thông tin vi trí hiện tại, hướng di

chuyển, độ cao hiện thời Cá nhân cũng dễ dàng mang theo loại máy thu GNSS nhỏ

cũng có thê lắp ghép cùng điện thoại di động để biết được vị trí mình đang đứng

hay có thé theo dõi cả độ cao khi leo núi

Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đường hàng hải trênbiển lý tưởng và công tác tìm kiếm, cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn

nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi.

Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị

và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy

thu phát địa lý hoặc trắc địa

Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên

bộ Ngoài ra, các vệ tinh của GNSS còn mang theo các bộ thu phát dé khám phá va

hiền thị các vụ né hạt nhân

Một ứng dụng nữa của GNSS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn

lên chúng những con chip đã tích hợp GNSS Tất cả hoạt động của chúng sẽ đượckiểm soát chặt chẽ Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc

quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây

2.3 WiFi Passive Scan [15]

2.3.1 Khái niệm, giới thiệu

WLAN (Wireless Local Area Network) là một hệ thống thông tin liên lạc dữliệu linh hoạt được thực hiện như phần mở rộng, hoặc thay thế cho mạng LAN hữutuyến trong nhà hoặc trong các cơ quan Sử dụng sóng điện từ, mạng WLAN truyền

và nhận dữ liệu qua môi trường vô tuyến, tối giản nhu cầu cho các kết nối hữu

tuyến Như vậy, mạng WLAN kết nối dữ liệu với người dùng lưu động, và thôngqua cấu hình được đơn giản hóa, cho phép mạng LAN di động

WLAN cũng là một loại mạng LAN, chúng thực hiện được tất cả các ứng dụngnhư trong mạng LAN có dây truyền thống, chỉ khác ở chỗ tất cả các thông tin gửi

và nhận đều truyền qua không gian do đó chúng ta không phải chỉ phí cho lắp đặtcáp (chiếm tới 40% chi phí lắp đặt mạng LAN) Sự ra đời của WLAN đã làm thay

đổi khái niệm cũ về mạng LAN, vì chúng có khả năng kết nối người sử dụng dichuyển dùng máy tính xách tay, các thiết bị cá nhân di động

Thông thường thiết bị WLAN kết nối tới các dịch vụ cơ sở BSS (Basic Service

Set) thông qua các quá trình sau:

e_ Tiến trình xác thực (Authentication)

e_ Tiến trình kết nối (Association)

Trong đó WiFi Passive Scan được ứng dụng trong đề tài là một tiến trình thăm

dò thụ động (Passive Scanning) ở tần số 2.4GHz

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Quét bị động là quá trình lắng nghe Beacon trên mỗi kênh trong một khoảng

thời gian định trước sau khi máy trạm được khở tạo Những Beacon này được gởi bởi AP (trong mang infrastructure) hay các tram client (trong mang Ad-Hoc), trạm

đang quét sẽ thực hiện phân loại các đặc điểm của AP hay máy trạm dựa trên cácBeacon này Máy trạm sẽ lắng nghe các Beacon cho đến khi tìm được mạng mong

Nguôn: Indoor Positioning System Using Wi-Fi Signal

WiFi Passive Scan ứng dụng quá trình quét bị động không cần đăng nhập vàocác Access Point (APs) Các thông tin bao gồm MAC Address và RSS (Received

Signal Strength) của từng AP Có hai hướng chính đề sử dụng bộ dữ liệu của các vị

trí AP, một là tự thành lập cơ sở dữ liệu, còn lại là sử dụng bộ dữ liệu có sẵn từ các

API Hướng thứ nhất giúp biết được chính xác vị trí của các AP, các vị trí này đượclấy thủ công và phù hợp cho định vị ở một đô thị có định, sai số định vị bằng WiFiPassive Scan trong hướng này chi từ 1 đến 10m Hướng còn lại sử dụng vị trí của

các điểm truy cập trên bộ dữ liệu có sẵn, các vị trí này được chia sẽ bởi những thiết

bị đăng nhập vào AP, nhược điểm của hướng sử dụng này là sai số cao, từ 10 đến30m nhưng ưu điểm là dễ triển khai dễ dàng, nhanh chóng Trong đề tài này, vìnhóm kết hợp định vị và giao tiếp qua LoRaWAN nên mong muốn thử nghiệm ở

các vị xa hơn và khác nhau sau mỗi lần đo mà không cần phải lập danh sách vị trí

các điểm truy cập Vì thế nhóm sử dụng hướng thứ hai dựa trên bộ dữ liệu đượccung cấp sẵn trên máy chủ Semtech nhằm tiết kiệm thời gian cũng như đảm bảo

WiFi n

MAC: xx-xx-xx-xx-xx-03 :

Wi-Fi b

MAC: XX-XX-30-XX-XX-04

Hình 2.6: Sử dụng bộ dữ liệu vị trí các AP từ API Semtech

2.3.3 Các ứng dụng của WiFi Passive Scan

WiFi Passive Scan được hỗ trợ nhiều trong các thiết bị WLAN, các thông số

như RSS và MAC hầu hết đều được tích hợp vào các thiết bị đó Một trong những

ứng dụng pho biến của WiFi Passive Scan là định vi vi trí trong nhà Dựa vào tính

năng đọc được các gói tin Beacon mà Semtech đã tích hợp công nghệ này vào IC

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi

Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ

này, chúng ta có thé truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần cácmạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi

truyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụngthu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo

đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời giandài trước khi cần thay pin

Local Area Network Low Power Wide Area Cellular Network

Short Range (LPWAN) Traditional

Communication Internet of Things M2M

E8 40% 45% 15%

Low power consumption

© Well established standards cereoat Existing coverage

In building Positioning High data rate

Battery Live High data rate Autonomy

® N he hé Emerging standards Total cost of ownership

"2ø" SoS CTF LoRa JSS <<

Hình 2.8: So sánh một số công nghệ không day

Nguôn: Semtech.com

2.4.1.2 LoRaWAN

LoRaWAN hoặc Long Range Wireless Area Network (Mạng không dây tầm

xa) là một giao thức không dây tiêu chuẩn mở do LoRa Alliance tao ra, rất hữu ích

trong giao tiếp giữa các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng ở khoảng cách xa LoRa đượcđịnh nghĩa là công nghệ lớp vật lý, trong khi LoRaWAN viết tắt của Long Range

Wide Area Network LoRaWAN định nghĩa là giao thức MAC hỗ trợ về công suất

thấp, tầm xa, dung lượng cao trong LPWAN

s=MZecn cu 868 | £U.433 | us915 | asaz0 | — |

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị hỗ trợ LoRaWAN

Nguôn: Semtech.com

Hiện tại, LoRaWAN đang cạnh tranh với LTE-M (LTE for Machines),

NB-IoT (Narrow-Band), SigFox và một số giao thức khác Tat cả các giao thức này

được gọi chung là LPWAN hoặc Low Power Wide Area Network (Mạng diện rộng

công suất thấp)

Feature LoRaWAN | Narrow-Band UTE Cat-1 | ETE Cat-M_ | NB-LTE

' 2016(Rel12) — |2018(Rell3} 19(Rel13*)

Modulation $5 Chirp | UNB/GFSK/BPSK OFDMA OFDMA OFDMA

2000mAh

Power Efficiency Very High | Very High Low Medium Med high

Interference immunity | Very high | Low Medium Medium low

Coexistence | No Yes Yes No

Security No Yes Yes Yes

[ Limited mobility, Mobility Mobility Limited Mobility

| No loc No Loc Mobility / localization

Hình 2.10: So sánh các giao thức trong LPWAN

Nguồn: Semtech.com

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

2.4.2.1 LoRa

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thé hiểu

nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tínhiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (gọi tắt là chipped); sau đó tín

hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệuhình 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 hoátheo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi

truyền ra anten đề gửi đi

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tap và độ chínhxác cần thiết của mạch nhận đề có thé giải mã và điều chế lai đữ liệu; hơn nữa LoRa

nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường

xung quanh.

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

¢ 915MHz cho USA

Nhờ sử dung chirp signal mà các tin hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau

có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này chophép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi

kênh cho | chirprate).

Một gói tin LoRa bao gồm:

nPreamble Symbols nHeader Symbols

«—————— ''t—————>

Preamble | He0e,2 „ieCRC | Payload Payload

(explicit mode only) CRC

CR=4/8 CR = CodingRate

a D

SF = SpreadingFactor

Nguon: Semtech.com Hình 2.11: Gói tin LoRa

« Preamble: La chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa

packet trong không khí

« Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay

không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo

« Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa

«_ Payload CRC: giá trị CRC của Payload Nếu có PayloadCRC, LoRa chip

sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không

2.4.2.2 LoRaWAN

Một trong những đặc điểm cơ bản của LoRaWAN là hoạt động trong phạm

vi phổ không được cấp phép dưới 1GHz Trong khi, WiFi hoạt động ở tần số đượccấp phép cao hơn là 2.4GHz và 5GHz và 4G trong khoảng từ 2 đến 8GHz

Hiện tại, một số băng tần ISM khu vực trong LoRaWAN là EU 868, EU 433,

US 915 (Châu Mỹ) và AS 430 (Châu Á) Cấu trúc của LoRaWAN bao gồm hai lớp:

Lớp vô tuyến vật lý LoRa (Long Range - Tầm xa) và lớp mạng mà nền tảng

LoRaWAN tổn tại

LoRa sử dụng mạng hình sao Nó tăng dung lượng mạng, giảm độ phức tạp

và hiệu quả năng lượng các node.

LPWAN Gateway Network Application

Sensors Server Server

Sau:

e End node hay End device: là các thiét bi, cam bién, thiét bị giám sát

được trang bi chip LoRa và có hỗ trợ LoRaWAN để gửi dữ liệu vé server

thông qua gateway LoRa Cac node nay thường được chia thành ba loại

đó là class A, class B, class C.

¢ Gateway LoRa: có vai trò nhận dữ liệu từ end node thông qua truyền

nhận bằng giao thức LoRa và chuyển dữ liệu lên các server thông

Internet.

¢ Network server: là trung tâm phân phối và điều khiển và xử lý các dữ liệu

được được truyền tử end node, có thé tích hợp với một số cloud server

thông qua các APIs.

¢ Application: Là các ứng dụng do người dùng thiết kế dựa vào data thu

thập được từ các end node.

IoT, Điều Internet, và máy với máy, các ứng dụng, M2M

Các ứng dụng cho công nghệ không dây LoRa bao gồm theo dõi hàng tồn kho,

đo thông minh, giám sát dữ liệu máy bán hàng tự động; ứng dụng tiện ích; công

nghiệp ô tô Trong thực tế, bất cứ nơi nào cần kiểm soát và báo cáo dữ liệu Công

nghệ LoRa chủ yếu hấp dẫn đối với nhiều ứng dụng vì khả năng tầm xa của nó Bảohiểm dễ cung cấp và các nút mới có thể dễ dàng kết nối và kích hoạt

LoRa Alliance có một danh sách các sản phẩm được chứng nhận LoRaWAN,

bao gồm các cảm biến, thiết bị theo dõi, đồng hồ nước, smoke signal (tín hiệu khói),

v.v Các mô-đun này được sử dụng trong nông nghiệp, giàn khoan dầu, hệ thống

giao thông thông minh, khai thác mỏ và các ứng dụng IoT công nghiệp khác Đồngthời, tất cả các nền tảng IoT chính bao gồm AWS, Azure, Google Cloud và