Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ lora

TÓM TẮT Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa.. _ Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa.. % Tài

NGHIEN CUU, THIET KE CAC TRAM THU

THAP DU LIEU UNG DUNG CONG NGHE LORA

Người hướng dẫn : ThS Phạm Văn Phát

Sinh viên thụchiện : Nguyễn Hà Gia Hậu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HOC SU PHAM KY THUAT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NGHIEN CUU, THIET KE CAC TRAM THU

THAP DU LIEU UNG DUNG CONG NGHE LORA

Người hướng dẫn : ThS Phạm Văn Phát Sinh viên thựchiện : Nguyễn Hà Gia Hậu

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

1711505210122

Đà Nẵng, 8/2021

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

Vàng Minh Tuấn Anh Tài Mã sinh viên: 1711505210122 Lớp: 17KTDTI

Hệ thống thu thập dữ liệu không dây sử dụng công nghệ thu phát LoRa gồm có I Gateway và 2 Node

Node I đo thông số nhiệt độ - độ âm, cảnh báo khi quá nhiệt độ định mức và gửi

dữ liệu kèm với tín hiệu cảnh báo cho Gateway đồng thời nhận tín hiệu điều khiến từ

Gateway, khi tín hiệu cảnh báo được bật thì hệ thống Node | sẽ tự động bật thiết bị vận

hành cùng lúc đó thì Gateway không thể điều khién Node 1 chỉ được nhận thông tin dữ

liệu từ Node I

Node 2 đo thông số khí Gas, chất lượng không khí, cảnh báo khi phát hiện nồng

độ khí gas, chất lượng không khí kém và gửi dữ liệu kèm với cảnh báo cho Gateway

đồng thời nhận tín hiệu điều khiển từ Gateway, khi tín hiệu cảnh báo được bật thì hệ

thong Node 2 sẽ tự động bat thiét bi van hanh cùng lúc đó thì Gateway không thê điều

khiến Node 2 chỉ được nhận thông tin dữ liệu từ Node 2

Gateway có nhiệm vụ thu thập đữ liệu từ 2 Node đưa dữ liệu lên WebServer Dữ liệu thu thập được đưa lên server là ThingSpeak phục vụ việc giám sát và quản lý từ xa các thông số môi trường, đồng thời xây dựng App ứng dụng từ MIT APP Inventor cài đặt trên điện thoại Android Dữ liệu thu thập được đưa lên sever là ThingSpeak đồng thời xây app ứng dụng từ MIT APP Inventor cài đặt trên điện thoại Android phục vụ cho việc giám sát và quản lý từ xa các thông sô môi trường

TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Văn Phát

Vàng Minh Tuấn Anh Tài Mã SV: 1711505210122

1 _ Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

2 — Cúc số liệu, tài liệu ban đầu:

s* Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu thập trao đôi đữ liệu từ xa, không dây bằng vô tuyến RF với cau hình gồm 02 tram con (Node - Slaver) va 01 tram chính (Master/Gateway)

“* Cac tram con có chức năng:

- Tram diéu khién c6 chire nang cia mét bé thu (Receiver) và phat (Transmitter) tín hiéu v6 tuyén (Wireless Transceiver)

- Kết nối, thu thập ít nhat 02 cam bién dau vao; chu ky lay mau tin hiệu chậm nhất

1 lan/giay; chu ky thu — phat khong day véi tram chu thap nhat | lan/phut (chu

kỳ truyền thông vô tuyến)

-_ Có giao thức bắt tay, đồng bộ thời gian, địa chỉ hóa Node, cảm biến đầu vào và tải đầu ra cũng như loại tín hiệu đầu vào và tải ngõ ra Mỗi Node tuỳ vào Ví điều

khiến thì sẽ có nhiều/ít các ngõ vào/ra

- Board diéu khién: Si dung Board mach vi diéu khién Arduino UNO

- Moi tram con có các khối mạch nguon, cam bién, diéu khién, mach tai (không bắt buộc) và module thu phát RE hãng Lora SX1278 - RA02

-_ Máy tính kết nỗi trạm chính cho phép hiển thị các thông tin đo lương với các thông số: tên Node - kênh tín hiệu đầu vảo- tín hiệu đầu ra - thời gian cập nhật

- Board diéu khién: Su dung Board mach Node MCU ESP322 cho phép két néi may tính thông qua các giao thức, công kết nối phổ biến như UART, I2C, SPI và các sóng mạng như Wifi, Bluetooth,

- Tin hiéu do hién thi da dang nhu bang ghi, dé thi,

% Tài liệu ban dau:

-_ Tài liệu về Lora (công nghệ Lora - ứng dụng của mạng Lora - cách kết nối Lora với các module - ưu nhược điểm của mạng Lora, Module Lora RA-02)

- Tài liệu về Arduino Uno R3; các loại cảm biến nhiệt độ, độ âm, khí gas như các Module DHT22, MQ-135, MQ-02

- Tai ligu vé Cloud Server ThingSpeak; cdc giao tiép RF, Wifi

- Tai liéu vé thiét ké App str dung MIT APP Inventor

- Cac dé tai, m6 hinh, hé théng thu thap di liệu không đây trên các diễn đàn mang

- Tham khảo cấu hình, tham số các thiết bị DataLogger của các hãng

3 Nội dung chính của đề án:

* Chương I: Tổng quan về mô hình hệ thống mang không dây:

- _ Các khái niệm về mô hình mạng không dây

- _ Tổng quan về công nghệ không dây LoRa và kỹ thuật điều chế sóng LoRa

- _ Các thông số cơ bản về công nghệ LoRa

+ Chương 2: Lý thuyết về các thành phần trong mạng LoRa:

- _ Tổng quan, cơ sở lý thuyết về các thành phần trong mạng LoRa

- Pac điểm, yêu cầu, giao thức của hệ thống thu thập- đo lường và điều khiến không dây

* Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống:

- _ Tính toán, lựa chọn thông số LoRa, bộ nguồn

- _ Sơ đỗ khối hệ thống thu thập - đo lường - điều khiển khéng day RF (LoRa Sensor Node và LoRa Gateway)

- _ Thiết kế phần cứng: Thiết kế chi tiét cac Node va Gateway; So dé nguyén ly va hoạt động của từng mô hình

- _ Thiết kế phần mềm: Lựa chọn phần mềm thiết kế giao diện và lưu đồ thuật toán của hệ thống

* Chương 4: Quá trình thực hiện và kết quả

- _ Mô tả các quá trình thực hiện, xây dựng, thực thị, thử nghiệm mô hình

- Kết quả mô hỉnh, phân tích ưu nhược điểm và các hạn chế tồn tại

- _ Hướng cải tiến, phát triển

-_ Kết luận (mức độ đạt/ chưa đạt được theo yêu cầu /nhiệm vụ ĐATN)

4 Các sản phẩm dự kiến:

- Bao cao tong hop dé án tốt nghiệp

- Chuong trinh may tinh

- M6 hinh hé théng thu thập - đo lường - điều khiển không dây RF sử dụng công nghệ thu phát Lora

5 Ngày giao đồ án: 18/01/2021

6 Ngày nộp do an: 20/8/2021

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 1 năm 2021 Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn

Phạm Văn Phát Phạm Văn Phát

Với LoRa là một công nghệ truyền thông không dây mới nỗi, một giải pháp đúng đắn để giải quyết cho vẫn đề về cơ sở hạ tầng, khả năng tiêu tốn năng lượng và đảm bảo

về tài chính, hơn thế nữa thích hợp trong việc xây dựng mạng lưới cảm biến cho các ứng dung IoT

Được sự gợi ý từ giáo viên hướng dẫn, hơn thế nữa chúng em cũng muốn nghiên cứu ứng dụng của công nghệ truyền tằm xa LoRa nhăm có thể tạo ra một hệ thống có giá thành hợp lý, quan trọng hơn là có thể mang lại giá trị hiệu quả và áp dụng rộng rãi

trong nhiều lĩnh vực, chính vì vậy chúng em quyết định nghiên cứu đề tài “Wghiên cứu,

thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa'

Chúng em chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Văn Phát, khoa Điện - Điện tử,

trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đại học Đả Nẵng Trong quá trình thực hiện đề tài, dưới sự hướng dẫn và được lắng nghe những lời nhận xét của thay về cách trình bày nội dung đề tài, các phương pháp nghiên cứu đã giúp cho nhóm chúng em hoàn thành tốt

đồ án tốt nghiệp

Hơn thế nữa chúng em cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Điện — Điện tử đã truyền đạt những kiến thức, những bài học quan trọng giúp chúng em có nền tảng trong việc hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp

Trân trọng cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Hà Gia Hậu Vang Minh Tuan Anh Tai

CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập dữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa” là đề tài nghiên cứu của nhóm Những nội dung có sử dụng tài liệu tham khảo có trong đồ án đã được liệt kê và nêu rõ tại phần tài liệu tham khảo Đồng thời những số liệu hay kết quả trình bày trong đồ án đều mang tính trung thực, không sao chép, đạo nhái Toàn bộ nội dung trong báo cáo không quá 60% là sao chép

Nếu như khai báo sai chúng em xin chịu mọi trách nhiệm về hình thức kỷ luật của

bộ môn cũng như nhà trường đề ra

Những sinh viên thực hiện

(Ký tên)

Nguyễn Hà Gia Hậu Vàng Minh Tuấn Anh Tài

II

MỤC LỤC

TOM TAT

NHIEM VU DO AN TOT NGHIEP

LOI MO DAU I DANH MUC CAC HINH VE VI DANH MUC CAC BANG BIEU x DANH MUC CAC TU VIET TAT XI CHUONG I: TONG QUAN VE MO HINH HE THONG MANG KHONG DAY.1

11 Giới thiệu: 1 1.2 Khái niệm cơ bản về một số mạng khơng dây: ‹ . -s scsc se ss©s<e 1 1.2.1 CELLULAR NETWORK: |¡, 5-2527 2222222222122 1 1.2.2 LAN NETWORK [1] -++.+sessessesssessesvesvesvesssessessessesssssessusssesssssessecsessesssesseeseeees 1 1.2.3 LPWAN NETWORK: j, 25275 5C SE 2222222212112 9 1.3 Tổng quan về cơng nghệ LoRa: 22) 10 1.3.1 Khái niệm: Ă22S22S22S2222212E1212 221erce 10 1.3.2 Decibel, dBm, đBi, dBd 25552522 2222222222212 ce II 1.3.3 Đặc điểm nồi bật của LoÏĐa: -©-2©-<5cc+cc+cceEkeckcrrcrrrrsreercee 13 1.3.4 Kỹ thuật điều chế sĩng LoÏa: J2| -©5-55<Scc+ccscceckeEkerrcrrrrrreered 13 1.3.5 Các thơng số cơ bản: J2J 522S2S2SECSESEEEEEEEEEEEEEErrrrkerkee 32 CHƯƠNG II: LÝ THUYÉT VẺ CÁC THÀNH PHẢN TRONG MẠNG LORA.42

2.2 Các thành phần trong mạng LoRa: 42 2.3 LoRa Sensor Node: 43 2.3.1 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22: lãi -c©5ccccccccccs 43

P ĐĐN , 7 c6 na nh ố ẽh 45 2.3.4 V¡ điều khiển Arduino Ủno R3: qai ề-ịcceccccccceccecrrrreererreee 46

Il

2.3.7 Main Hirth LCDS: [6] ssssesssesssessesvsesssessesssesseessesssessessesssessesssessaeesesssesseeseeess 53 2.4 LoRa Gateway: 54 2.4.1 RA —02 SX1278 LoRa Module: o c.ccsscsssesssesseessesseesevsessseeseessessesseeeseesees 55 2.4.2 Module Wifi Node MCU ESP32: 10] v svessvessessvessssssesssessssssesssessssssesssessesees 55 2.5 Cloud Server: 58

P NHI anh 58 2.6 User Application: 60 PIN l0 N0 na na cố 60 2.7 Chuẩn giao tiếp: 63

2.7.1 Chuẩn giao tiếp SP: [láj Sc 5< cScSEE2 E221 Eerveg 63

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÉ HỆ THÓNG -. 68 3.1 Giới thiệu: 68 3.2 Tính toán hệ thống: 68

3.3 Thiết kế hệ thống: 72 3.3.1 Thiết kế phân cứng: -cc<Sc S2 SE E222 72 3.3.2 Thiết kế phẩn mêằ: -52 5< Sc+EE2EE2EE SE 21.1 EEerrveg 71 3.4 Thuật toán: 81 3.4.1 Thuật toán xử ly trén LoRa Sensor NOde:? .ccccccccscceseeeseeeseeeteeeeeeseeeneeens 8l 3.4.2 Thudt todin xr ly 16 (l6 na ố 83 CHUONG IV: THI CONG HE THONG VA KET QUẢ -5c- 85 4.1 Giới thiệu: 85 4.2 Thi công hệ thống: 85 4.2.1 Thi công phân cứng hệ thống: ©7c+cc+SccScccccrrrresrerrea 85 4.2.2 Thi cong phan mém hé hong eccceccessessessvessessessesvessessevsessessessessesseesesseees 96 4.3 Két qua: 100

IV

4.4 Hướng phát triển: 102 KÉT LUẬN 104 TAI LIEU THAM KHAO 105

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hinh l

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

Hình 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

À2 c0 cố nA 1

2 Mô hình công nghệ BlueftootÏH - - - - - + S- +1 SH HH re, 1 S010 0) nà <4 1

2) 3

h0 cà .Ầ.ẦỐẦẦ 3

6 M6 hinh mang ZigBee nỗ 4

r2 6

227 8

b1) 0 — 8

I5 0n 9

11 Thay đổi tín hiệu máy phát pha sóng mang hệ thống D§SS 14

12 Hình minh hoạ LoRa Chirp Spread Specfrum -<c+<c+c<xe 15 13 Hình ảnh minh hoạ chip SX1278 SEMTECH - - 55c c+<<+<<<++ 16 14 Điều chế tín hiệu 2+-+22©+c+ttEEEkrrEEEErrEEErrirriire 20 lieu 2n nh 20

6d 1n 22

I1 22

0i 23

5` 5n 24

“00.0 25

21 Điều chế ASK 2tr reo 28 22 Điều ChE FSK . -22ccttrnH H2 2e 28 23 Điều chế PSK -22cc tr re 29 24 Up-Chirp và Down-ChiIrp - - Ác c S2 +11 HH4 HH HH Hit 29 25 Tín hiệu không điều chế và Tín hiệu điều chế - 2-52-5252 30 “c0 34200 0n 31

“0 0n 0i 00V ca ốc dd 35

28 Các yếu tố lan truyền LLORa ¿- 2:22 ©5222E2EE+EE2EEvEEESExrrrrerkrsrxerree 35

1 Cấu trúc hệ thống thu thập đữ liệu sử dụng LoRa -. : 42

3 Module LoRa RA — 02 và anten PCT Ăc Sexy 44

si 900 a 45 hi) 000) 1n 46

6 Arduino Uno R3 SMÌÙ - SH HH HH ni, 46

7 Trang thai mức điện áp Arduino Uno R3 SMD .ccccceecekes 48

8 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 SMD -22-255ccrtrrkeerrrrrrrerrrrieg 49

9 Arduino IDE (Intergrated Development Environmehi) 50

10 Cảm biến MQ — 135 2-©5- S222 E223 2212112112112111211211 2121111 ye 50

11 Sơ đồ nguyên lý MQ-I35 -2¿- ¿©2222 2EE2EEESEEEEEEeEErSrkrrrrerkrrvee 51

12 Cảm biến khí gas MQ — 02 -222222222E222E221222122112111211 21.221 xe 52

13 So dG nguyén Ly MQ-2 oo.ceecccccecssssssssssssssssssssesssessssssessessesssessecsuesssesseesseness 52

14 Man hinh LCD 16x02 ooo Ố 53

15 Module Wift Node MCU BLE ESP32 ooo eect eee e eects tee eneetee 55

16 Sơ đỗ chân Module Wifi BLE ESP32 Node MCU LuaNode32 CP2102 .56

lo in 58

18 Mô phỏng các đường đi trong ThingSpeak - 25c cscscsceseeeerxrs 58

19 Cau hinh tir Gateway dén Cloud ThingSpeak .cccccccscccssecseesseesesseeeees 59

20 Truy cập dữ liệu cả trực tuyến và ngoại tuyền -c¿©cccccccccec 59

21 Biếu đồ thời gian dữ liệu được thu thập -2-©52©2++55c+cxzscse2 60 2/0000.) oi cố “ 61

23 Giao diện quản lý DTOJ€C(L - - Ác S2 +4 1121231320112 13111111 hư, 62

24 Giao diện thiết kế (Design) -2- 2+ SsS2222222E2E12212212211212211211 21111 2Xe2 62

25 Giao diện lập trình (BÏOCKS) - Ă + S< SH ng ni, 63

26 Nguyên lý hoạt động giao tiếp SPI -22- 2252 Scc+cxzvrxerrrerxrsrree 64

27 Mô hình kết nối sử dụng giao tiếp I2C -2 5¿©22+csz2cxccxrsrxesreee 65

28 Giảng đồ tín hiệu của điều kiện bắt đầu và điều kiện kết thúc 66

VI

1 Sơ đồ khối của LoRa Sensor Node 2-2-©22©2222<+EE+EEvEEEEEEcrerkrree 72

2 Khối xử lý trung tâm của Node 2¿-©s¿©cs+cxz+cxSExerkrsrxerrrerkrrrree 73

4 Khối điều khiến thiết bị ngoại vi -2-©2¿©2222z2cxcSEterxesrxerrrerkrsrxee 73

5 Khối hiễn thị -222c¿-+2E++cttEEEkrtEEEE reiie 74

6 Khối nguồn Adapter 5V-2A -s-©2222k222k2212221222122112112112112211 11 74

7 Module thu phat LoRa SX1278 RA — Ũ2 ẶSĂc SA re 74

8 Sơ đồ khối mạch giao tiép cla LORa Gateway .cccccccccecseessesssesstesstesessteens 75

9 Khối xử lý trung tâm của ŒateWay -2-©2¿©c+cS tk SExeEkrerkrrrrerkrsree 75

10 Khối hiển thị -222c+++EEEkrrttEEErE.EEE rre 76

11 Khối nguồn Adapter 5V-2A -2¿2+¿22222k2Ex22E2221 2212212212111 crxe 76

12 Module thu phat LoRa SX1278 RA — Ú2 e eects tee eteeeae 76

13 Tạo mới App InvenfOr PTOJ€CÍ 5 +5 +5 + ke +3 + Hit 77

14 Giao diện quản lý DTOJ€C( Ác 2 S2 S411 1232311121 1111111 ky 77

15 Ma QR va tng dung MIT APP trên điện thoại .-. -<<~<<<<5 78

16 Giao diện chức năng - << + SE vn HH HH ng ng, 78

17 Giao diện đang thiết kỀ 2©22+22+SE+EE22E22E22212212212211212211211 21121 2XeC 79

20 Giao diện hiên thị trên App sau khi thiết kế -.2- 5+ ©5zcsz5cse2 80

21 Xuất file QR va lu App cesscsscssssssessessesssessessessesssssesssessesseesecsesseesseeseeseees 80

22 Mã QR App thiết kế -2- 22+ 22x 22E2211221211211121121121121 xe 80

23 Lưu đồ giải thuat ca Node 1 va Node 2 c ccccsesssssssessesssessesstesstesseeseeeees 82

24 Lưu đồ giải thuat cla Gateway ceccccccccseessesssssssessesseesseestesseessesseesseesseess 84

VII

3 LoRa Gateway 0 ccceeee 88

4 So d6 bé trí linh kiện LoRa Sensor Node l -c5ccccc+ccceccee 89

5 Sơ đồ bồ trí linh kiện LoRa Sensor Node 2 - -ccccccccccecrrrrrreee 90

6 Sơ đồ bố trí linh kiện LoRa Œafewayy 2¿- 5c ©2c2Sz2cxecxrerkesrrerrrsree 91

7 Sơ đồ mach in LoRa Sensor Node 1 .ceccccccssssecsssssesecsesesesecesesesecsestseseeeeseeees 92

8 So dé mach in LoRa Sensor Node 2 c.cccccssssecssssseseceeseseseceseseseseseseseeeesesees 92

9 Sơ đồ mạch in LoRa GateWay 22-252 2t 22x 2222122121121 crk 93

10 Board mach hoàn chỉnh LoRa Sensor Node [ -~<<<5 94

11 Board mach hoan chinh LoRa Sensor Node 2 -©<<<<<5 95

12 Board mạch hoàn chỉnh LoRa aleWay - SH, 96

13 Giao diện đăng nhập ThingSpeakK - 5 cà + se sereersresrrsrrxre 97

14 Cải đặt kênh lưu trữ đữ liệu - 5 5 + SH He 98

In (CÀ 98

16 Giao diện tông quan sau khi tạo xong các Field hiền thị 99

17 Mô hình hoàn chỉnh của LoRa Sensor Node [ và Node 2 99

18 Mô hình hoàn chỉnh của LoRa aleWay HH, 100

IX

DANH MUC CAC BANG BIEU

Bang | Bang quy d6i dB sang công suất tuyệt đối -2-©22-55+2ccccxccrxcrcees 12 Bảng 2 Bảng tần số được phép sử dụng từng khu vực -¿-cs¿©cz+cxccccsrsesree 16 Bang 3 Bang tính độ cao H dựa vào từng khoảng cách -ccccseseeserxes 18 Bảng 4 Bảng tính bán kính (r) voi khoảng trống 100% (trái) và 60% (phải) 19

Bảng 5 Giới hạn SNR cho mỗi Hệ số lan truyền (SF) -5-552552522222zz sec: 26

05809.400.060 0i Đa ááả+3414 26

Bảng 7 Ảnh hưởng của băng thông tới tốc độ truyền . -2:©22-55¿©c++csz+c+2 37

Bảng 8 Ảnh hưởng của hệ số trải phô đến thời gian truyễn -22-55-552552 38 Bang 9 Bang áoi0) i8 Bờ nn" 39 Bảng 10 Bảng mô tả chức năng chân của module LoRa RA — Ø2 45 Bảng II Bảng thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 -2-25-©222cx2cxvcxesrxcrcees 47 Bảng 12 Bảng mô tả chức năng chan module MQ — 125 5 ccc+c++c+<ce<c+ 51 Bảng 13 Bảng mô tả chức năng chân module MQ) — Ö2 -5S- 5< csec+exseeseexrs 53 Bảng 14 Bảng địa chỉ cho Module I2C LLCTD À 2 55 55 + +sssreersrrseserrrke 54 Bảng 15 Bảng chức năng chân của ESP32 eee eee ceeeceeeeseeeeeeeeseeceaeeaeeeeereaseaeeesenees 57

xX

Industrial, Scientific and Medical

Direct Sequence Spread Spectrum Frequency-shift keying

Free space Effective Isotropic Radiated Power Effective Radiated Power Radio Frequency Federal Communications Commission European Telecommunication Standards Institute Received Signal Strength Indication

Signal-to-Noise Ratio

Noise Figure Cyclic Redundancy Check Amplitude Modulation Frequency Modulation Phase Modulation Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying Phase Shift Keying Spreading Factor

Uplink Bandwidth

Forward Error Correction Code Rate

Channel Activity Detection Inter-Integrated Circuit Serial Peripheral Interface Internet of Things Universal Asynchronous Receiver-Transmitter Print Circuit Board

JavaScript Object Notation

XI

Institute of Electrical and Electronic Engineers

Universal Serial Bus Chirp Spread Spectrum

Media Access Control Near-Field Communication Low Power Wide Area Machine To Machine

XI

CHUONG I: TONG QUAN VE MO HiNH HE THONG MANG KHONG DAY

11 Giới thiệu:

Các khái niệm về mô hình mạng không dây Tổng quan về công nghệ không dây LoRa, các thông số cơ bản và kỹ thuật điều chế sóng LoRa Các thông số cơ bản về công nghệ LoRa

1.2 Khái niệm cơ bản về một số mạng không dây:

Cac loai Wireless network:

a High

Bandwidth

Short Range Long

Hinh 1 1 Wireless network C6 3 mé hinh Wireless network:

1- Cellular network (GSM, 2G, 3G, LTE, 5G): M6 hinh truyén dé ligu phé bién str dung trén thiết bị điện thoại Cellular network có tốc độ truyền dữ liệu cao nhưng khả năng tiêu tốn năng lượng lớn

2- _ LAN network (Wifi, Bluetooth, Zigbee, NFC): Phổ biến trong các mô hình

mang LAN (Local Area Network) nhưng phạm vi sử dụng nhỏ và năng lượng

tiêu thụ khá cao

3- LPWAN network (SigFox, LoRa, LTE-M, NB -IOT): Phat trién sau 2 m6 hinh Cellular network và LAN network, điểm đặt biệt là mô hình mạng là

truyền dữ liệu tâm xa với mức tiêu thụ năng lượng ít

Vang Minh Tudn Anh Tai

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

1.2.1 CELLULAR NETWORK: 11

Với các ứng dụng Internet of Things yêu cầu khoảng cách truyền tầm xa, thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GSM/3G/H+/LTE là

sự lựa chọn hàng đầu nhưng chi phí khá cao mà vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng

Hiện nay, trong công nghiệp đều hỗ trợ giao tiếp theo các chuẩn: RS232, RS485, RS422 hay Ethernet

Phương tiện truyền thông qua mạng di động hiện nay đều hỗ trợ đầu vào các công Serial hay cong Ethernet

‹ _ Tiêu chuân: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G) + Bang tan: 900/1800/1900/2 100MHz

e Khoang cach: 35km max for GSM; 200km max for HSPA

«Ổ Tốc độ truyền dữ liệu: 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps- 2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)

1.2.2 LAN NETWORK: 11;

Bluetooth:

a

Bluetooth là một chuẩn công nghệ truyền thông không dây tầm gần sử dụng sóng

vô tuyến UHF trong dải tần 2,4 GHz Mục đích của Bluetooth là đơn giản hóa các kết nối giữa các thiết bị điện tử bằng cách kết nối sóng không dây vô hướng

Hình I2 Mô hình công nghệ Bluetooth

Công nghệ hỗ trợ VIỆC truyền dữ liệu khoảng cách ngắn giữa các thiết bị tạo nên

hệ thống mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network —- PANs), tốc độ truyền đữ liệu có thê đạt được IMb/s và hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 720 Kbps trong phạm vi 10m đến 100m Điểm khác biệt với kết nối hồng ngoai (IrDA)

€3 Bluetooth

Hình 1 3 Bluetooth™

Vang Minh Tudn Anh Tai

BLE viết tắt của từ Bluetooth Low Energy là một giao thức được sử dụng trong các ứng dụng IoT với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết

kế nhằm mục đích giảm công suắt tiêu thụ hơn mức bình thường

Các chuẩn kết nối Bluetooth:

+

Ứng

+

+

Chuẩn Bluetooth 1.0: Tốc độ truyền có thể đạt được IMbps tuy nhiên còn gặp

nhiều vấn đề về khả năng tương thích thiết bị

Chuẩn Bluetooth 1.1: Phiên bản nâng cấp và sửa lỗi của chuẩn 1.0, không có sự thay đổi về tốc độ đường truyền

Chuẩn Bluetooth 1.2: Nâng cấp về thời gian đò tìm và truyền tải đữ liệu so với chuẩn 1.1

Chuẩn Bluetooth 2.0): Ra mắt tháng 7/2007, đây là chuân ôn định, tốc độ chia

sẻ dữ liệu nhanh và có chế độ tiết kiệm năng lượng

Chuẩn Bluetooth 2.1: Mang ưu điểm của chuẩn Bluetooth 2.0 ngoài ra có cơ

chế kết nối trong phạm vi nhỏ

Chuẩn Bluetooth 3.0 + High Speed: Giới thiệu vào 21/4/2009, về lý thuyết đạt đến 24Mbps Nhưng chỉ hỗ trợ kết nói giữa các thiết bị và truyền tải các ñle có dung lượng thấp như ảnh, video dung lượng nhẹ

Chuẩn Bluetooth 4.0: Là phiên bản kết hợp của Bluetooth 2.L - 3.0 - Bluetooth

3.0 + High Speed với Bluetooth smart ready / Bluetooth smart Chuẩn có khả

năng tăng cường tối đa tốc độ kết nỗi và truyền tải trong thời gian cực nhanh, là chuẩn hiện đại nhất và nhanh nhất hiện tại

Chuẩn Bluetooth 5.0: Ra mắt vào tháng 12/2016 có tốc độ nhanh hơn gấp 2 lần

và khoảng cách xa hơn gấp 4 lần so với chuân 4.0

dụng của Bluetooth:

Kết nối và điều khiến, truyền tải dữ liệu giữa điện thoại và các thiết bị điện tử giải trí như loa, máy in, máy ảnh, thiết bị như bàn phím, chuột không dây

Có mặt trên các thiết bị quét mã vạch, thiết bị y tế

Những ưu điềm và nhược điềm:

s* Ưu điểm:

SVTH:

+ Tién loi, chi phí thấp và tiêu tốn ít năng lượng

+ Không làm ảnh hưởng sức khỏe con người

+ Trong pham vi 5m cac thiét bi co thê kết nối với nhau mà không cần tiếp xúc trực diện

+ Không ảnh hưởng và gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

+ Tính tương thích cao giữa các thiết bị

+* Nhược điểm:

+ Tốc độ thấp (tối đa khoảng 720kbps)

+ Kết nối đôi khi bị tín hiệu yếu nếu môi trường có nhiều vật cản

| TigBee Application ZigBee Device

Application Support sub — Layer (APS)

Hình I 5 Application Layer

% Tang vat ly: Co nhiém vu diéu bién va gói tín hiệu vảo môi trường không gian

ngoài ra còn duy trì việc truyền tín hiệu ở các môi trường nhiễu

s* Tầng MAC: Xác định hình dạng đường truyền và hình dạng mạng để tránh va chạm giúp hệ thống hoạt động mạnh mẽ

Vàng Minh Tuan Anh Tài

* Tầng mạng NWK: Là tầng phức tạp có nhiệm vụ giúp tìm, kết nỗi mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Là tầng xác định đường truyền 1én ZigBee, xac dinh dia chi ZigBee thay vi dia chi tang MAC

Tầng APS: Là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi đề cài đặt những ứng dung

cho ZigBee, loai bot cac gói dữ liệu trùng lặp từ tầng mạng NWK

Tầng đối tượng thiết bị ZDO: Có nhiệm vụ quản lý các thiết bị, định hình tầng

hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu

và xác định trạng thái thiết bị

Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng APO: Cho phép người dùng tiếp xúc với thiết bi, tuy biến thêm ứng dụng vào hệ thống

M6 hinh mang ZigBee:

ZigBee cé ba dang chinh:

Star network: Các nút con sẽ liên kết với nút chủ ở vị trí trung tâm

Mesh network: Các nút trong Mesh network đều có thê liên kết với các nút khác

đảm bảo tín hiệu truyền liên tục Nếu có sự cản trở thì hệ thống sẽ tự nhảy sang các nút khác

Cluster network: La ban mở rộng của Mesh network và có thê phủ sóng và mở rộng cao hơn

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

Thành phần trong mang ZigBee:

+ ZigBee Coordinator: Có nhiệm vụ về kết cầu mạng về việc đánh địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ Mỗi mạng chỉ có duy nhất một ZigBee Coordinator và cũng là thiết bị duy nhất giao tiếp với các mạng khác

+ ZigBee Router: Có nhiệm vụ định tuyến trung gian trong việc truyền đữ liệu, ZigBee Router sé tu déng phat hiện và lập bản đồ các nút xung quanh + ZigBee End Device: La thiét bị điểm cuối và giao tiếp với ZigBee Coordinator

và ZigBee Router ở gần nhất ZigBee End Device có nhiệm vụ đọc thông tin từ các thành phần vật lý ở trạng thái nghỉ và chỉ làm việc khi cần chuyên hoặc nhận thông điệp nào đó

Dái tần hoạt động của ZigBee:

Khu vực Dải tần Số kênh Tốc độ truyền Châu Âu 868 — 868.8 (MHz) | 20kb/s

Ue, My, Canada 902 — 928 (MHz) 10 40kb/s

Các nước khác trên thế giới 2.4 — 2.4835 (GHz) 16 250 kb/s

Cac wng dung cua ZigBee:

+ Nhà thông minh: Kiểm soát và giám sát mức độ tiêu thụ năng lượng, nguồn nước, ánh sáng,

+ Tự động hóa: Các thiết bị RFID dựa trên công nghệ ZigBee cung cấp quản lý truy cập an toàn trong ngành công nghiệp Các ứng dụng khác trong các ngảnh công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình hoạt động, quản lý nguồn năng lượng, theo dõi nhân sự,

+ Chăm sóc sức khỏe: Theo dõi sức khỏe từ xa,

+_ Quản lý, giám sát năng lượng: Trong lưới điện thông minh bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa, định vị lỗi, công suất phản kháng,

Ưu điểm của ZigBee:

+ Lap dat và kết nối mạng Internet dễ dàng

+_ Tiết kiệm năng lượng

+ Sử dụng công nghệ mã hóa AES-128 mang tính bảo mật cao

+ Dễ dàng mở rộng: ZigBee có thê mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống

Nhược điểm của ZigBec:

+ Không thê phủ rộng hết toàn bộ nơi có diện tích quá lớn

+ Khả năng xuyên tường chưa mạnh nhà có nhiều phòng thì tín hiệu bị giảm

Vang Minh Tudn Anh Tai

c) Wifi:

Wi-Fi (Wireless Fidelity/802.11) 1a hé thong mạng không dây sử dụng sóng vô tuyén 802.11 bắt nguén tir t6 chirc IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

Nguyên tắc hoạt động mạng Wifi:

Đề tạo kết nỗi Wifi phải có thiết bị Router có nhiệm vụ lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyên thông tin sang tín hiệu vô tuyến rồi gửi đi, bộ

chuyền tín hiệu không dây Adapter trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu và giải mã

ra những đữ liệu cân thiết Quá trình này là quá trình hai chiều

(Cop)

WiFi

Hình 1 7 WIFI

Các chuẩn Wifi thông dụng hiện nay:

Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) xây dựng một tập hợp các chuẩn đề mô tả thông số kĩ thuật của mạng không dây là IEEE 802 I, chuẩn kết nối 802.11 gồm các chuẩn nhỏ là a/b/g/n/ac

Chuẩn kết nối 802.11a: Phát triển song song với chuẩn 802.11b, chuẩn a được

sử dụng trong các mạng của doanh nghiệp Chuẩn hỗ trợ tốc độ tối đa đến 54 Mpbs và sử dụng băng tần 5 GHz với bang tần này làm giảm tỉnh trạng bị nhiễu

từ các thiết bị khác Phạm vi hoạt động hẹp tử 40 đến 100m và bị ảnh hưởng bởi

các vật cản

Chuẩn kết nối 802.11g: Là thế hệ thứ 3 ra đời năm 2003 Chuẩn hỗ trợ tốc độ đến 54 Mpbs sử dụng băng tần 2.4 GHz vì vậy chuẩn có tốc độ cao, phạm vi tín hiệu rộng từ 80 đến 200m Tuy nhiên dễ bị nhiễu từ các thiết bị phát sóng khác

và có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802 1b và ngược lại

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

* Chuẩn kết nối 802.11n (Wifi 802.11 b/g/n): Là chuẩn tương đối mới và sử dụng khá phỏ biến hiện nay, với công nghệ MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)

sử dụng nhiều anten hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 600 Mpbs, có thể hoạt động trên

cả hai băng tần 2,4 GHz và 5 GHz, nếu thiết bị Router hỗ trợ thì cả hai băng tần

có thế phát sóng song song Chuẩn có tốc độ cao, giá thành phù hợp và phạm vi

tín hiệu rất tốt từ 100 đến 250m

¢ Chuan 802.11ac (802.11 a/b/g/n/ac): La chuân mới nhất của IEEE sử dụng công nghệ đa anten đã có trên chuẩn 802.1 1n với băng tần 5 GHz và tốc độ tối đa lên đến 1730 Mbps Tuy nhiên giá thành khá cao so với các chuẩn còn lại

Ưu nhược điểm của Wifi:

+ Thay đối và nâng cấp số lượng truy cập băng thông một cách để dàng +_ Duy trì kết nối Wifi trong khi đang di chuyền

+ Tính bảo mật tương đối cao

Nhược điểm của mạng Wifi:

+ Phạm vi kết nối có giới hạn, đi càng xa thiết bị Router kết nỗi càng giảm dần Giải pháp trang bị thêm các điểm Repeater hoặc Access point Tuy nhiên giá thành cao

+_ Tốc độ truy cập băng thông giảm rõ rệt nêu càng nhiều thiết bị kết nối vào mạng

d) Z- Wave:

Là chuẩn truyền thông không dây truyền trong khoảng cách ngắn và mức tiêu thụ năng lượng tất ít phù hợp với các nguồn PIN di động Z - Wave có tốc độ truyền tải 100kbit/s và hoạt động trong các dải tần 900Mhz

Thông số kỹ thuật cơ bản:

* Tiéu chuan: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959

* Tan sé hoat dong: 900MHz (ISM)

*® Pham vi: 30m

* Toc dé truyén dit liu: 9.6/40/100kbit/s

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

(A WAVE

Hinh 1 8 Z-Wave Nguyên lý hoạt động của Z-Wave:

Z-Wave hoạt động ở tần số 800 - 900 MHz sẽ không bị ảnh hưởng của các tần số khác hoặc xảy ra hiện tượng nhiễu sóng Z - Wave có khả năng liên kết với nhau đề tạo thành một hệ thống mạng lưới Z - Wave tiết kiệm nang luong hon Wifi và có phạm vi phủ sóng rộng hơn Bluetooth

Những ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm:

+ Mạng lưới Z - Wave cho phép kết nối đến 232 thiết bị cùng một lúc Càng nhiều nút kết nối vào mạng thì tầm phủ sóng càng rộng

+ Hơn 3.000 thiết bị hỗ trợ Z-Wave

+ Kết nối với tan số thap dé dang

+ Giá thành phủ hợp, các thao tác lắp đặt đơn giản

Nhược điểm:

+ Z- Wave chỉ hỗ trợ tốc độ truyền đữ liệu lên tới 100 Kb/giây, không thê truyền tải những thông tin lớn do sử dụng nguồn năng lượng thấp

e) NFC:

NFC (NEAR FIELD COMMUNICATION) 1a chuan két néi khong day trong

pham vi tam ngan hoạt động dựa trên cảm ứng từ trường đề kết nối các thiết bị có hỗ trợ NFC được đặt gần nhau dưới khoảng cách 4 cm hoặc tiếp xúc với nhau

Hình I 9 NFC

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Near Eield Communication cần một thiết bị phát sóng và một thiết bị nhận Nhiều thiết bị sử dụng các tiêu chuẩn công nghệ NFC và có thể được coi là cả thiết bị bị động

cả chủ động, tùy vào các thiết bị làm việc

Công nghệ sử dụng trong NFC dựa trên nhận dạng tần số vô tuyến RFID sử dụng cảm ứng điện từ đề truyền thông tin đữ liệu Đây là điểm khác biệt giữa công nghệ NFC

và công nghé Bluetooth/Wifi

Ứng dụng của công nghệ NFC:

NEC được chia làm 4 nhóm:

+ Touch and Go

+ Touch and Confirm

+ Touch and Connect

+ Touch and Explore

Thông số kỹ thuật:

« _ Tiêu chuẩn: ISO/IEC 18000-3

* Tan s6 hoat déng: 13.56 MHz ( bang tan ISM)

tự chủ, kết nối đơn giản, giá thành sử dụng

Mạng Sigfox hỗ trợ giao tiếp hiệu quả đối với mức tiêu thụ điện năng thấp đảm

bảo các thiết bị từ xa trên một khu vực địa lý rộng miễn là khu vực có kết nối Internet

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

Cac tinh nang cua Sigfox:

+ Dung lượng mạng cao: Do điều chế dải cực hẹp có khả năng chống chịu và chống nhiễu cao

+_ Giải quyết tốt về vấn đề năng lượng: Nhờ các chất bán dẫn tiêu thụ năng lượng thấp được sử dụng trong quá trình sản xuất phần cứng Sigfox Các chất ban dan này truyền dữ liệu chỉ khoảng I0mA - 50mA, Sipfox chỉ tiêu thụ một vài Nano Ampe khi không hoạt động

+ Hiệu quả tầm xa: Ở khu vực nông thôn, mạng Siefox có phạm vi hoạt động trung

bình từ 30km đến 50km do tín hiệu nhiễu ít Ở các trung tâm thành phố nơi có

nhiều vật cản, phạm vi hoạt động Sigfox giam con 10km

Ung dung cia Sigfox:

+_ Sử dụng trong các ứng dụng đo lường thông minh

+ Ứng dụng trong các lĩnh vực giao thông

+ Điều khiển giám sát từ xa các thông số qua mạng Sigfox

Các tính năng/thông số kỹ thuật của công nghệ Sigfox:

868 MHz (Europe)

915 MHz (USA) Phạm vi 30 to 50 Km (Rural areas)

3 to 10 Km (Urban areas) Băng thông 100 bps

Payload size to be transmitted|12 bytes Tiêu tốn năng lượng Rat it

trên tần số vô tuyến được sử dụng đề truyền dữ liệu trên một khoảng cách lớn Với

khoảng cách hàng trăm km nhưng việc tiêu thụ năng lượng rất ít Công suất thấp và tầm

xa là điểm khiến cho LoRa đặc biệt

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

1.3.2 Decibel, dBm, dBi, dBd

a) Decibel:

Decibel (đB) là một đơn vị đo lường được sử dụng để biểu thị tỷ lệ của luỹ thừa,

áp suất âm thanh hoặc những thứ khác trên thang logarit Decibel được phát minh bởi Bell Labs và đặt theo tên tên của Alexander Graham Bell

Decibel dugc str dung dé biéu thi tý lệ công suất điện (Watts)

A= 10 log) [dB]

Trong đó: P¿ là công suất ra

P; là công suất vào

Thang đo logarit được sử dụng để tránh các số rất lớn hoặc rất nhỏ, nghĩa là các ty

lệ Su dung dB dễ làm việc hơn

Ví dụ:

- Tỷ lệ công suất 1.000.000 (1 triệu) có thê biéu thi bang 60 dB

- Tỷ lệ công suất 0,000001 có thể biểu thi bang -60 dB

- Tỷ lệ công suất I,000,000,000,000,000 có thé biéu thi bang 150 dB

- Ty lệ công suất 0,000000000000001 có thé biéu thi bang -150 dB

- Tỷ lệ céng suat 1,000,000,000,000,000,000,000,000 có thé biéu thi bang 240 dB

- Ty lệ công suất 0,000000000000000000000001 có thê biêu thị bang -240 dB Don vi dB là một tỷ lệ, nó không đại diện cho một giá trị tuyệt đối

Vang Minh Tudn Anh Tai

b) dBm:

Có một cách đễ dàng đề chuyên đổi giá trị đBm thành giá trị công suất tuyệt đối của nó (P2)

10 dB =x10 -10 dB = +10

iz

0,501 ~ 0,5 0,1 0,01 +100 0,001 +1000 0,0001 +10000 0,00001 +100000 0,000001 +1000000

Bang 1 Bảng quy đổi dB sang công suất tuyệt đối

Có thể tính bất kỳ số nào bằng cách chỉ sử dụng các giá trị 10 và 3

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

Ví dụ: Máy phát có 6 đB thì có công suất phát (thông thường P¡ = l mW):

6 đB =3 dB +3 dB ImW_ x2 x2

6 dBm = 4mW

Ví dụ: Máy phát có 17 dBm thi cé cong suat phat:

17 dB = 10 dB + 10 dB —3 dB ImW xI0 xI0 +2

17 dBm ~ 50 mW 1.3.3 Đặc điểm nỗi bật của LoRa:

- Tốc độ truyền đữ liệu: Khoảng từ 0.3kbps đến 5.5kbps

- Gateway xử lý nhiều thiết bị Node cùng một lúc

- Các Gateway có thể nhận đồng thời nhiều tần số, trong mọi hệ số lan truyền (Spreading Factor) ở mỗi tấn sô

- Giao tiếp hai chiều

- Tốc độ truyền đữ liệu càng chậm thì khả năng truyền càng mạnh và phạm vi dải

- Ở chế độ nghỉ, LoRa hoạt động lhA

1.3.4 Kỹ thuật điều chế sóng LoRa: (2)

a) Tần số truyền của LoRa:

Điều chế có nghĩa là các thông tin tương tự hoặc kỹ thuật số được mã hóa thành tín hiệu sóng mang

Kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum được sử dụng trong LoRa Tín hiệu băng tần cơ sở được mở rộng đến một băng tần rộng hơn bằng cách đưa tín hiệu tần số

cao hơn Đặc điểm cơ bản là băng thông của tín hiệu dùng đề truyền thông tin lớn hơn

nhiều so với băng thông của chính thông tin Hiêu đơn giản nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm băng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (gọi là chipped)

Trong hệ thống truyền thống hoặc DSSS, pha sóng mang của tín hiệu máy phát

thay đôi theo một chuỗi mã Khi nhận tín hiệu dữ liệu với một mẫu bít được xác định

trước ở tốc độ cao hơn nhiều, còn được gọi là mã trải rộng (hoặc chuỗi chip), một tín hiệu “nhanh hơn” được tạo ra có các thành phan tần số cao hơn tín hiệu dữ liệu gốc Điều có có nghĩa là băng thông tín hiệu được trải rộng ra ngoài băng thông của tín hiệu ban đầu Trong thuật ngữ RE, các bịt của chuỗi mã được gọi là chip Khi tín hiệu được truyền đến máy thu RE, nó sẽ được nhân với một bản sao giống hệt của mã trải phô được

su dung trong may phat RF, dẫn đến một bản sao của tín hiệu dữ liệu gốc

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Thông qua phép này giúp cho link budget RF cao hơn, vì vậy có thê truyền đi phạm

vi dai

AS THE PULSES IN TIME GET SHORTER, THE FREQUENCY BAND GETS LONGER

NOISE LEVEL SROCERESSOEEDOSCOTEBDSESEEESSS ch =¬=¬—= -_- - SPREAD

WAVEFORM

FREQUENCY Hinh 1 11 Thay doi tín hiệu máy phát pha sóng mang hé thong DSSS

Ty lé log10 cua tốc độ chip cua chuỗi mã và tốc độ bit của tín hiệu đữ liệu được gọi là độ lợi xử ly (Gp) Độ lợi này cho phép máy thu khôi phục tín hiệu dữ liệu ban

đầu, ngay cả khi kênh có tỷ lệ tín hiệu nhiễu âm (SNR) LoRa có Gp vượt trội so với điều chế FSK, cho phép giảm mức công suất đầu ra của máy phát trong khi vẫn duy trì cùng tốc độ đữ liệu và Link budget tương tự

Sử dụng công nghệ trải phổ:

C =B.log(1+ ^)

Trong đó:

C là dung lượng kênh tính bằng bit trên giây [bps], là tốc độ

dữ liệu tối đa được cho phép theo tỷ lệ lỗi bit có thê chấp nhận được về mặt lý thuyết (BER)

B là băng thông kênh yêu cầu tính bằng Hz

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

là tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu

C đại diện cho lượng thông tin mà kênh giao tiếp cho phép và cũng đại điện cho hiệu suất mong muốn Dựa vào công thức, có thể thấy nếu tăng băng thông (B), hiệu suất giao tiếp (C) có thế được duy trì và thậm chí công suất tín hiệu có thê thấp hơn tầng

nhiễu (thê hiện là chống nhiễu mạnh, truyền xa hơn)

Một trong những nhược điêm của hệ thống DSSS là nó yêu cầu đồng hồ tham chiếu chính xác cao (đắt tiền) Công nghệ CSS của Semtech cung cấp giải pháp thay thế DSSS chỉ phí thấp và công suất thấp nhưng mạnh mẽ, không yêu cầu đồng hồ tham

chiếu có độ chính xác cao Trong điều chế LoRa, sự trải phô của tín hiệu đạt được bằng

cách tạo ra một tín hiệu chirp liên tục thay đôi về tân sô

LoRa xử lý độ lợi được đưa vào kênh RE bằng cách nhân tín hiệu với mã trải rộng hoặc chỗi chip Bang cach tăng tốc độ chip, tăng các thành phân tần số của tông phỏ tín hiệu Nói cách khác, năng lượng của tổng tín hiệu giờ đây được trải rộng trên một dải tần số rộng hơn, cho phép máy nhận phân biệt tín hiệu có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp hơn

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

ra

Á SEMTECH

LoRa transceiver chips

Hinh 1, 13 Hinh anh minh hoa chip SX1278 SEMTECH Tiếp theo tín hiệu cao tan này tiếp tục được mã hóa theo các chuỗi chirp signal 1A các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian

Có 2 loại chirp signal trong đó:

Phan loai Chirp Mô tả tần số về mặt thời gian Nguyên tắc mã hóa

Up - chirp Tăng Bit |

Down — chirp Giam Bit 0

Tín hiệu sẽ được mã hóa theo 2 loại chirp signal trước khi truyén dén anten dé gui

đi Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần

thiết của mạch nhận đề có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu LoRa hoạt động trong băng tần vô tuyến ISM không được cấp phép có sẵn trên thế giới

Khu vực Tần số (MHz) Asia (Châu Á) 433

Europe (Chau Au), Russia (Nga), India (An D6),

US 902-928 Australia (Úc) 915-928 Canada 779-787 China (Trung Quéc) 779-787, 470-510 Bang 2 Bang tan s6 duoc phép ste dung tig khu vuc

Vang Minh Tudn Anh Tai

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

s* Ưu điểm của băng tần ISM:

+ Bất kỳ ai cũng được phép sử đụng các tần số này

+ Không có lệ phí giấy phép được yêu cầu

s* Nhược điểm của băng tần ISM:

+ Tốc độ dữ liệu thấp

+ Khả năng nhiễu cao

Các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau nhờ sử dụng chirp signal mà có thé hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép

nhiều thiết bị LoRa có thê trao đổi dữ liệu trên đồng thời nhiều kênh (mỗi kênh cho I

chirprate)

b) Tính chất truyền trong LoRa:

- Suy hao không gian trồng (Free space losses):

L(fs) = 32,45 + 20log(D) + 20log() Trong đó: 1#): Suy hao không gian trống tính băng đB

D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng km E: Tân số tính bằng MHz

- Fresnel zone là một phần thân có hình elip xung quanh đường thăng truyền trực tiếp giữa Node và Gateway Bất kỳ chướng ngại vật nào trong phạm vi này (ví dụ như tòa nhà, cây cối, đỉnh đồi hoặc mặt đất) có thé làm suy yếu tín hiệu được truyền ngay cả khi có một đường truyền thang trực tiếp giữa Node và Gateway

Vang Minh Tudn Anh Tai

- Ảnh hưởng bởi độ cong của Trai Dat:

Tính toán độ cao H:

2

H= 1000.———

(8 Rearth)

Trong đó: H: Dé cao (hoac dé cong cho phép) tinh bang mét [m]

D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng ki-lô-mét [km] Rau, = 8504 là Bán kính của Trái Đất tính bằng ki-lô-mét [km]

0,1 Không đáng kê 0,5 Không đáng kê

Bảng 3 Bảng tính độ cao H dựa vào từng khoảng cách

- Nếu vượt quá 40% mức tắc nghẽn, mat tín hiệu (mất dữ liệu) có thê Xảy Ta

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

D: Khoảng cách giữa Node và Gateway tính bằng ki-lô-mét [km]

# Tân số tinh bang GHz

Ví dụ: f = 433 MHz = 0,433 GHz

H: Độ cong Trái đất cho phép

r+ H: Tôi thiêu Node và Gateway so với mặt dat

e© Thiết kế an-ten cho cả hai Gateway và Node phải được tối ưu hóa cho tần

từ sóng mang đã điều chê

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Máy phát: giá trị máy phát vô tuyến phải được tính bằng đBm

Gains (d6 loi): An-ten (don vi: dBi)

Losser (suy hao): Cáp, đầu nối, tín hiệu truyền qua thiết bị (Đơn vị: dB)

Khi một tín hiệu truyền qua môi trường, tín hiệu sẽ mat cường độ Đây được gọi

là suy hao đường dẫn

Công suất thiết bị nhận = Công suất thiết bị truyền + độ lợi — suy hao

SVTH: Nguyễn Hà Gia Hậu

Vàng Minh Tuấn Anh Tài

Người lướng dẫn: Th.S Phạm Văn Phát Trang 20

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế các trạm thu thập đữ liệu ứng dụng công nghệ LoRa

Ví đụ hình trên:

Công suất thiết bị nhận = 20 - 5 + 10 115 + 12 2 = -80 đBm

Độ nhạy của máy thu là mức công suất thấp nhất mà máy thu có thể nhận hoặc giải điều chế tín hiệu

Độ nhạy của máy thu = -90 đBm Link Margin là sự khác biệt giữa công suất suất nhận được và độ nhạy thu của máy

thu

Link Margin (dBm) = Công suất thiết bị nhận (dBm) — D6 nhay thu (dBm)

Công suất thiết bị nhận = -80dB

Độ nhạy của máy thu = -90dB

Link Margin = -80 — (-90) = 10 dB = 10 mW

Bộ thu có giải điều chế tín hiệu RE ở mức công suất thấp hơn thì bộ thu đó tốt hơn

Nếu Link Margin quá lớn hoặc quá nhỏ, cần có các hoạt động khắc phục dé dam bao hé thong sẽ hoạt động tốt hơn

Link Margin phải dương (công suất nhận > độ nhạy máy thu) và ít nhất phải là vài

dB đề máy thu có thê giải điều chế thành công tín hiệu

Máy thu LoRa rất nhạy và cung cấp độ nhạy xuống -I48dBm, do sử dụng chip

CSS

Link Buget tối đa có thê được sử dụng làm giá trị cơ sở để so sánh một máy phát với máy phát tiếp theo

Link Buget toi da (dBm)

= Công suất truyền tối đa (đBm) — Độ nhạy máy thu thấp nhất(dBm)

Ví dụ

Công suất truyền tối đa = 20dBm, độ nhạy máy thu thấp nhất = -148dBm

= Link Budget tối đa = 20 — (-148) = 168 dBm

Vang Minh Tudn Anh Tai