Các thiết kế điện đầu vào của các nút theo dõi là một điện áp của 5-9 V. Trong các bài kiểm tra sơ bộ, tôi có thể lựa chọn chuyển đổi tương ứng là việc cung cấp điện. Nếu pin là cần thiết cho việc cung cấp điện, sáu pin nickel-hydrogen (7,2 V) hoặc hai pin lithium (7,4 V) có thể được sử dụng như là nguồn cung cấp điện. Bên cạnh đó, các máy phát và bo mạch chủ có thể chia sẻ cùng loại pin. Điện áp đầu vào có thể được điều chỉnh để một sản lượng điện kỹ thuật số của 3,3 V qua con chip TPS76333 và cung cấp 3,3 V analogđiện áp sau khi chế biến bị cô lập. Các mô-đun năng lượng được minh họa trong Hình 38.
Hình 38. Mô đun nguồn
Pin/ nguồn
TPS76333
Mo đun xử lý Mô đun LORA
Điện áp cách ly Mô đun cảm biến 7.2 – 7.4 V 3.3V 3.3V 3.3V 3.3V 3.5. Module LORA
LoRa™ (Long Range) là một kỹ thuật điều chế (modulation) dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum và một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS), nó cho một khoảng cách xa hơn đáng kể cách kỹ thuật khác. Kỹ thuật không dây LoRa được phát triển bởi Cycleo SAS (sau này được mua lại bởi Semtech).
3.5.1. Độ nhạy thu
Độ nhạy thu của sóng radio ở nhiệt độ phòng được tính theo công thức: 10
174 10log
S BWNFSNR
Trường hợp đầu tiên là do nhiễu nhiệt trong băng thông 1 Hz và bị ảnh hưởng bởi thay đổi nhiệt độ của người nhậnTrường hợp thứ hai, BW, là băng thông nhận. NF là nhiễu người nhận và được cố định cho một phần cứng nhất định. Cuối cùng, SNR đại diện cho các tín hiệu để tiếng ồn tỷ lệ theo yêu cầu điều chế. Đây là tín hiệu để tỷ lệ nhiễu và băng thông tương ứng với số liệu của các thiết kế mạng LORA.
3.5.2. SNR và các yếu tố phổ rộng
Những tiền đề cơ bản của quang phổ rộng là mỗi bit thông tin được mã hóa như nhiều chíp.. Mối quan hệ giữa các bit và chip tốc độ cho Lora điều chế, và tương ứng, được cho bởi:
2SF
c b
R R
SF là yếu tố phổ rộng.
SNR là tỷ lệ tối thiểu của công suất tín hiệu mong muốn có thể được giải điều chế. Việc thực hiện điều chế Lora, kỹ thuật sửa lỗi (FEC) và kết hợp xử lý quang phổ rộng để cho phép cải thiện SNR đáng kể.
Bảng 2. Tỷ lệ tối thiểu của công suất theo loại Module
Module SNR
LORA SF12 -20 dB
LORA SF10 -15 dB
Việc dán nhãn cho nhiều chip của thông tin có nghĩa rằng các yếu tố lan rộng có ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian của gói Lora. Sự ảnh hưởng của các yếu tố lan rộng vào độ nhạy và thời gian trên truyền được hiển thị dưới đây cho một băng thông cố định là 250 kHz.
Bảng 3. Độ nhạy và thời gian truyền theo số lượng chip LORA
SF Thời gian truyền (ms) Độ nhạy (dBm)
12 528.4 -134
10 132.1 -129
8 39.2 -124
3.5.3.BW và chip Rate
Một trong những nguyên tắc thiết kế quan trọng là các nhà thiết kế phải quản lý trong việc lựa chọn hệ số thời gian so với băng thông bị chiếm đóng. Các đại diện của một bit đơn của nhiều chip, ngụ ý rằng các chip hoặc là phải được gửi nhanh hơn tốc độ bit ban đầu - tăng chiếmbăng thông của tín hiệu, hoặc trong cùng một băng thông - tăng thời gian thực hiện để truyền tải thông tin.
Lora điều chế truyền dữ liệu tại một tốc độ chip bằng với băng thông được lập trình trong chipsper giây Hertz/s. Vì vậy, một băng thông Lora 125 kHz tương ứng với một tốc độ chip của 125 kcps.
Phương trình 1 cho chúng ta thấy rằng sự gia tăng băng thông (BW) sẽ làm bớt nhạy máy thu. Có nghĩa là một yếu tố lan rộng có thể hoặc chọn sử dụng một băng thông hẹp, tối đa hóa độ nhạy nhưng tăng thời gian truyền hoặc tăng băng thông cho truyền nhanh hơnnhưng làm giảm độ nhạy.
Ở đây chúng ta lấy ví dụ về các SX1272, trong đó có ba thiết lập trình băng thông 500 kHz, 250 kHz và 125 kHz (như hình dưới). (Các SX1276 có băng thông từ 500 kHz đến thấp như 7.8 kHz).
Đối với một yếu tố lan rộng cố định ảnh hưởng đến băng thông trên thời gian truyền và độ nhạy được thể hiện trong bảng dưới đây cho một gói tải trọng 10 byte:
Bảng 4. Độ nhạy và thời gian truyền
BF Thời gian truyền (ms) Độ nhạy (dBm)
125 264.2 -132
250 132.1 -129
500 66 -126
Kiểm tra các tiêu chí thiết kế cơ bản của băng thông và yếu tố lây lan cho phép đánh giá nhanh chóng của sự phù hợp của Lora cho một ứng dụng nhất định. Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu suất thiết kế có các tiêu chuẩn thiết kế khác mà phải cũng được xem xét.
3.6. Nâng cao thông số thiết kế Lora
Ngoài việc sử dụng các yếu tố lây lan và băng thông có các biến thiết kế khác mà các nhà thiết kế phải xem xét khi thực hiện một kết nối vô tuyến Lora. Đây là đặc biệt quan trọng khi tối ưu hóa giao thức và thời gian truyền của Lora.
3.6.1. Sửa lỗi truyền
Các modem Lora cũng sử dụng một hình thức Forward Error Correction (FEC) cho phép sự phục hồi của các bit của thông tin do bị lỗi trong quá trình truyền. Điều này đòi hỏi một mã hóa bổ sung các dữ liệu trong các gói dữ liệu truyền đi. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ mã hóa được lựa chọn, sự vững mạnh đạt được thể hiện ở các đường cong bên dưới.
Hình 40. Tỷ lệ mã hóa
Tuy nhiên, việc đạt được hiệu suất thực của FEC là sự hiện diện của sự tăng đột biến tại các giao diện kết nối. Nếu các kết nối vô tuyến có khả năng bị nhiễu như vậy, việc sử dụng FEC nên được đánh giá.
Bảng dưới đây sau đó cho thấy sự gia tăng trong mã hóa ảnh hưởng tỷ lệ thời gian truyền cho một băng thông cố định là 250 kHz tại SF = 10.
Bảng 5. Sự gia tăng mã hóa theo thời gian
CR Thời gian truyền (ms)
1 123.9
2 132.1
4 148.5
3.6.2. Thực hiện phần cứng
Phương pháp các máy thu RF kết nối sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến độ nhạy thu và chế độ ban đầu có ảnh hưởng đến thời gian truyền. cấu hình RFI có thể với SX1272 / 3/3/6/7/8. Những hình ảnh dưới đây cho thấy cả hai cấu hình. hiệu suất độ nhạy tối ưu (do giảm con số nhiễu, NF, công thức 2) là có thể sử dụng RF cá nhân và các đường dẫn Tx, sử dụng ăng-ten riêng biệt hoặc một switch RF cho hoạt động ăng ten duy nhất.
3.6.3. chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu
Hai yếu tố cuối cùng ảnh hưởng đến thời gian truyền của các gói dữ liệu là hai chế độ hoạt động kết nối với các thiết lập modem và gói của modem. Để hiểu ảnh hưởng của họ nó là cần thiết để kiểm tra định dạng của các gói Lora.
3.6.4. Định dạng gói tin LORA và thời gian truyền
Quản lý hiệu quả các hạn chế thiết kế, thời gian truyền và độ nhạy thu cần thiết để có thể tính toán thời gian truyền của một cấu hình modem. Các công thức chính xác được đưa ra dưới đây.
Để tính thời gian truyền cần xác định thời gian biểu tượng,Tsym. Đây là thời gian thực hiện để gửi chip 2SF ở tốc độ chip cần thiết, băng thông xác định tốc độ chip được cho bởi:
2 W SF sym T B
Hình 42. Cấu trúc gói tin LORA
Cấu hình chung cho tất cả các modem là một chuỗi các phần mở đầu, có thời gian được cho bởi:
( 4.25)
preamble preamble sym
Trong đó npreamble là số ký hiệu lời mở đầu chương trình. Số lượng các biểu tượng tạo nên trong tải gói dữ liệu và tiêu đề được cho bởi:
8 4 28 16 20 8 ax ( 4), 0 4( 2 ) PL SF H payloadSymbNb m ceil CR SF DE
Với sự phụ thuộc sau đây: - PL là số byte tải trọng. - SF Các yếu tố truyền
- H = 0 khi phần đầu được kích hoạt và H = 1 khi không có tiêu đề là hiện tại.
- DE = 1 khi tối ưu hóa tốc độ dữ liệu thấp được kích hoạt, DE = 0 là không kích hoạt.
- CR là tỷ lệ mã hóa 1 - 4
Nếu thời gian trên không khí yêu cầu giảm, và chiều dài gói tin được biết trước, sau đó các thông tin mào đầu có thể được gỡ bỏ thì thời gian truyền lưu lượng là thời gian biểu tượng nhân với số ký hiệu lưu lượng.
payload sym
T payloadSymbNb T
Thời gian truyền, hoặc thời gian gói tin, chỉ đơn giản là sau đó tổng các thời gian mào đầu và thời gian lưu lượng truyền
packet preamble payload
T T T
Ở đây chúng ta có thể thấy rằng, trong chế độ băng hẹp, các gói Lora có thể có một thời gian đáng kể.. Cụ thể đối với băng thông 125kHz và SF = 11 và 12, điều này cho biết thêm một chi phí nhỏ để gia tăng mạnh mẽ để biến tần số tham chiếu trong khoảng thời gian truyền của gói Lora.
3.6.5.Tính toán Lora
Lưu ý rằng để đơn giản hóa các quyết định thiết kế bằng cách sử dụng modem Lora có một công cụ lập kế hoạch phần mềm cho phép đánh giá nhanh chóng của các cấu hình modem Lora và thời gian kết quả về hiệu suất không khí và độ nhạy.
Những hình ảnh dưới đây cho thấy màn hình chính của máy tính Lora. Ở đây chúng ta thấy rằng tất cả các biến thiết kế của hướng dẫn này có thể được sửa đổi và RF kết quả và thời gian vào buổi biểu diễn không được tính mà không cần phải tự tính toán số lượng các phương trình thiết kế của cả hai hướng dẫn này và datasheet.
3.6.6. Năng lượng tiêu thụ
Đa số các triển khai phát thanh băng tần ISM có cả yêu cầu ngân sách liên kết chặt chẽ và yêu cầu tiêu thụ năng lượng đòi hỏi cao. Xác định kết nối giữa sự lựa chọn thực hiện trong các đài phát thanh vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy cập media (MAC) để đáp ứng các yêu cầu thiết kế mâu thuẫn có thể là một quá trình tốn thời gian. Quá trình này phức tạp hơn khi một công nghệ mới PHY xử lý các thiết kế. Các modem Lora mang theo nó không chỉ khả năng phạm vi, mà còn khả năng phát hiện các hoạt động kênh cho tín hiệu trên và dưới tầng tiếng ồn, tất cả được thiết kế cho hoạt động công suất thấp.
kết nối mạng sao
Do sự gia tăng liên kết với các Lora modem và nhu cầu mở rộng phạm vi của các giao thức mạng lưới phức tạp, do đó hầu hết đều sử dụng các cấu trúc liên kết mạng sao đơn giản.
Để rõ ràng hơn, ta có sơ đồ dưới đây cho thấy một cấu trúc hình sao mạng điển hình. Ở đây các nhiều nút thông tin ' Source ' cung cấp thông tin lại cho một bộ điều khiển hoặc thông tin nút ' Sink'. Ở đây chúng ta xem xét rằng các nút nguồn là nguồn năng lượng hạn chế (ví dụ pin). Do đó học viên tập trung vào việc tiêu thụ các nút Source - mặc dù các kỹ thuật áp dụng ở đây là giá trị ngang nhau cho cả hai Sink hay Source.
Với các kết nối mạng được xem xét xác định, chúng ta định nghĩa bốn kiểu trao đổi cơ bản nhất của thông tin giữa các Source và Sink trong biểu đồ dưới đây.
Các trường hợp a) và b) minh họa cho thông tin liên lạc một chiều giữa SOURCE và SINK. Năng lượng hạn chế nút nguồn thường sẽ dành thời gian tối đa có thể có trong chế độ ngủ để giảm thiểu tiêu thụ. Các thông tin liên lạc một chiều minh họa trong a) và b) do đó đòi hỏi sử dụng một nhiệm vụ theo chu trình định kỳ nhận và truyền tương ứng.
Các trường hợp c) và d) liên quan đến thông tin liên lạc hai chiều giữa SOURCE và Sink. Nhu cầu tiếp nhận nhiệm vụ chu trình và truyền dẫn được giữ lại, nhưng trong từng trường hợp giai đoạn truyền thông ban đầu được tiếp nhận bởi SOURCE.
Công xuất tiêu thụ của bộ thu
Như đã đề cập ở trên, để giảm thiểu tiêu thụ nguồn là giới hạn vận hành trên một chu kỳ làm việc.(Minh họa các trường hợp thể hiện trong hình 6a). Ở đây chu trình là một khoảng thời gian xác định bởi chiều dài của mào đầu được truyền bởi Sink. Đây là một ví dụ về một mào đầu lấy mẫu cơ chế MAC.
Sau khi tìm kiếm, tiếp nhận và phát hiện phần mào đầu được truyền, Source ở chế độ 'thức' để nhận và xử lý thông tin nhận được. Tuy nhiên, trong các ứng dụng giả thuyết chúng ta xem xét ở đây, sự kiện như vậy là không thường xuyên. Các thiết bịdành phần lớn thời gian của mình trong chu trình từ trạng thái chờ đến nhận và trả về trạng thái chờ càng nhanh càng tốt để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
Hình 44. Quá trình truyền tin
SX1272/6/7/8 cung cấp hai cơ chế để kiểm tra đối với hoạt động kênh trong trường hợp hoạt động Lora:
RSSI Phát hiện công suất kênh được đọc từ các chỉ số nhận được cường độ tín hiệu (RSSI) và đánh giá sau mỗi vụ chuyển trạng thái.
Activity Detection Channel (CAD) bởi vì Lora có thể hoạt động dưới mức nhiễu của modem Lora bao gồm một phương pháp phát hiện sự hiện diện của phần mào đầu tại các cài đặt điều chế tương tự như bộ nhận. Điều này cho phép đánh giá chính xác và tiếp tục quá trình giải điều chế.
3.6.7 Thiết kế mạch thu phát LORA
Sơ đồ thiết kế mạch thu phát LORA sau khi tính toán số liệu như sau:
3.7. Đánh giá
Việc sử dụng chip LORA SX1278 đã đáp ứng được yêu cầu bài toán đặt ra:
• Giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền tin. Công suất 27dbm (500mW)
• Giải điện áp hoạt động ở mức thấp từ 2 – 5.5V.
• Dải địa chỉ rộng có thể cung cấp tới 65536 địa chỉ cấu hình.
• Tốc độ truyền 0.3 – 19.2 kbps
3.8. Kết luận chương 3
Trong chương 3, học viên đã phân tích bài toán về thu thập số liệu sử dụng mạng cảm biến không dây thông qua chip LORA SX1278. Phân tích thành phần hệ thống, đánh giá và thiết kế thành công mạch thu phát LORA SX1278 và thử nghiệm thành công quá trình truyền tin giữa 2 module LORA SX1278.
KẾT LUẬN
Kết quả đạt được của luận văn
Mạng cảm biến không dây ra đời là sự kết hợp thành công của một loạt những thành tựu khoa học về công nghệ mạng máy tính. Hiện nay mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tuy nhiên, năng lượng vẫn là vấn đề then chốt trong việc triển khai, xây dựng và áp dụng các mạng cảm biến vào mỗi ứng dụng cụ thể. Vấn đề này đã và đang nhận được sự quan tâm không chỉ của các nhà khoa học mà còn thu hút nhiều nhà kinh tế, nhiều ngành công nghiệp trên thế giới.
Luận văn “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa” đã được hoàn thành với các kết quả sau:
- chính đó là trình bày kiến thức tổng quan về mạng cảm biến không dây với trọng tâm là các giao thức định tuyến hướng tới giảm mức độ tiêu thụ năng lượng.
- Ngoài ra, tác giả của luận văn cũng đã tiến hành mô phỏng và đánh giá khả năng truyền tin và mức độ tiêu thu năng lượng của công nghệ LORA dựa trên chip LORA SX1278.
- Các kết quả mô phỏng cho thấy, hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình truyền tin trên công nghệ LORA mà ở đây là chip LORA SX1278 đã thấp hơn và tiết kiệm hơn so với các cách truyền tin truyền thống.
Hướng phát triển tiếp theo
Cho đến nay nhiều cải tiến tập trung vào vấn đề giảm thiểu năng lượng trong quá trình hoạt động của các nút cảm biến trong mạng cảmbiếnkhông dây.Những cải tiến hiện đang tập trung giải quyết bằng các thuật toán khác nhau thông qua việc phân nhóm lại tại những khoảng thời gian khác nhau để tối ưu về mức độ sử dụng năng lượng.
Công nghệ LORA đang ngày càng trở lên phát triển và hoàn thiện, phù hợp cho