CHƯƠNG 3 : MƠ HÌNH VƯỜN THƠNG MINH PHÂN TÁN TRONG ĐỀ TÀI
3.3. Các chuẩn truyền thơng chính được chọn trong đề tài
Trong mơ hình hệ thống vườn thơng minh này, nhóm sử dụng các chuẩn truyền thông Lora và Internet để giao tiếp, truyền thông giữa các trạm trung tâm và khu vực cũng như giữa trạm trung tâm và Server.
3.3.1.1. Lora
Chắc hẳn chúng ta đã ít nhất một lần được nghe đến công nghệ Lora hay cụm từ Lora. Đây là khái niệm công nghệ mới. Lora là từ viết tắt của Long Range Radio, và sau thương vụ với Cycleo kể từ năm 2012 thì cơng nghệ này đã thuộc sở hữu của công ty Semtech.
Lora được sinh ra nhằm mục đích hỗ trợ truyền tải dữ liệu ở khoảng cách lên đến hàng Km với lượng điện năng tiêu thụ ít nhất có thể mà không cần khuếch đại công suất lên. Lora được sử dụng để kết nối không dây giữa các thiết bị với nhau. Các thiết bị đó là cảm biến đo lường, sinh trắc học, con người, … với dữ liệu nền tảng đám mây.
Hình 3. 13: Khoảng cách sử dụng của Lora [14]
Lora có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15-20Km (xem Hình 3.12), với hàng triệu node mạng. Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 3.0kbps đến khoảng 30kbps. Với đặc tính này, mạng Lora phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức độ thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài. Thực tế các thiết bị Lora có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin.
Một mạng Lora có thể cung cấp vùng phủ sóng tương tự như của một mạng di động. Trong một số trường hợp, các ăng-ten Lora có thể được kết hợp với ăng-ten di
động khi các tần số đó là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng kể chi phí. Cơng nghệ khơng dây Lora được đánh giá là lý tưởng để sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm: định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, ngành công nghiệp ô tô, các ứng dụng tiện ích và trong bất cứ lĩnh vực nào mà cần báo và kiểm soát dữ liệu.
LoRaWAN hoạt động trong dải ISM được cấp miễn phí. Chuẩn băng tần ISM được dành cho bằng tần vô tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế. Tại Mỹ sử dụng băng 902-928MHz, Châu Âu là 868 MHz, Châu Á là 430MHz, Trung Quốc là 780MHz. Với những ưu điểm cùng với vượt trội LoRa mang lại, thế giới đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa nhằm thay thế cho các chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng như Smart Campus, Smart Home, Smart Parking, Air City, ... [14]
Khảo sát một số nghiên cứu gần đây cho thấy, đã có các bài báo nghiên cứu và đánh giá về LoRa và LoRaWAN cho mạng cảm biến khơng dây bằng việc thực hiện những phân tích, mơ phỏng và cho ra được kết quả khả quan về việc sử dụng mạng LoRa cho các ứng dụng tầm xa.
3.3.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lora
Lora sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nơm na ngun lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.
Theo Semtech cơng bố thì ngun lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa khơng cần cơng suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.
Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín 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 cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate).
• Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận phát hiện được tín hiệu của LoRa packet
trong khơng khí.
• Header: chứa thơng tin về kích thước 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: 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 khơng.
Hình 3. 14: Radio Packet của Lora [15]
3.3.1.3. Ưu và nhược điểm của Lora
• Ưu điểm:
− Dễ dàng phổ biến
Công nghệ LoRa hiện nay có thể được sử dụng một cách rộng rãi và miễn phí (khơng có bản quyền). Q trình lắp đặt các thiết bị cảm biến có giá cả phải chăng, đồng thời kiến trúc cũng đơn giản. Hiện nay công nghệ LoRa đã được ứng dụng nhiều trong IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này.
− Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp
Như đã đề cập, lợi thế lớn nhất của cơng nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp, nhưng vẫn có thể dẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được. Ngồi ra, cơng suất hoạt động khơng vì thế mà bị giảm sút, và cơng nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ trạm gốc.
− Độ bảo mật cao
Các tín hiệu này sẽ được mã hố 2 lớp, bao gồm 1 lớp dành cho ứng dụng có mã hố AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng.
• Nhược điểm:
− Tải trọng và tốc độ thấp hơn
Đây có lẽ là nhược điểm lớn nhất của cơng nghệ LoRa, bởi việc phát ra sóng ở tần số đó sẽ làm giảm tốc độ truyền tải, đồng thời tải trọng của công nghệ cũng sẽ đạt đến mức 100 byte. Cũng vì vậy mà độ trễ của công nghệ LoRa sẽ cao hơn so với các phương pháp khác.
− Hạn chế trong việc lắp đặt Gateway
Việc khó lặp đặt cá gateway trong nội thành cũng là cản trở trong việc phổ biến công nghệ LoRa trong khu đông dân cư.
3.3.1.4. Mạng LoraWAN
LoRaWAN là một giao thức mạng mở cung cấp các kết nối giữa các cổng LPWAN với các thiết bị IoT ở nút cuối được tiêu chuẩn hóa và duy trì bởi LoRa Alliance (*). LoRaWAN cũng chịu trách nhiệm quản lý tần số giao tiếp, tốc độ dữ liệu và năng lượng cho tất cả các thiết bị trong mạng.
Hình 3.15 dưới đây cho chúng ta một ví dụ điển hình về việc triển khai mạng LoRaWan từ đầu tới cuối.
Hình 3. 15: LoraWAN Các thành phần của mạng LoRaWAN bao gồm: Các thành phần của mạng LoRaWAN bao gồm:
- End Devices (thiết bị cuối) hỗ trợ LoRaWAN: là một cảm biến hoặc thiết bị truyền động được kết nối không dây với mạng LoRaWAN thông qua các gateway sử dụng công nghệ điều chế LoRa. Các thiết bị này phần lớn hoạt động bằng pin và thực hiện các chức năng số hóa các thơng tin vật lý hoặc môi trường như: chiếu sáng đường phố, khóa cửa, ngắt van nước, ngăn rị rỉ...
- Gateway LoRaWAN (cổng LoRaWAN): nhận các dữ liệu RF được điều chế LoRa từ các thiết bị cuối và chuyển tiếp dữ liệu này đến máy chủ ở mạng LoRaWAN. Các cảm biến được kết nối với gateway thông qua mạng IP backbone, đặc biệt cùng một cảm biến có thể gửi dữ liệu đến nhiều gateway miễn là có kết nối giữa chúng. Điều này làm giảm đáng kể khả năng lỗi gói (vì khả năng ít nhất một gateway sẽ nhận được thông báo là rất cao) đồng thời cũng giảm chi phí pin cho các cảm biến di động có tính năng xác định vị trí.
- Network server (máy chủ mạng): quản lý tồn bộ hệ thống mạng, các thơng số thích hợp để điều chỉnh hệ thống và thiết lập kết nối AES 128-bit an tồn để truyền tải và kiểm sốt dữ liệu. Máy chủ mạng đảm bảo tính xác thực của mọi cảm biến trên mạng và tính tồn vẹn của các thơng báo, tuy nhiên lại khơng thể nhìn thấy hoặc truy cập vào dữ liệu ứng dụng.
- Application servers (máy chủ ứng dụng): chịu trách nhiệm xử lý, quản lý và diễn giải dữ liệu nhận được từ các cảm biến một cách an toàn, đồng thời tạo ra một downlink payloads tới các thiết bị đầu cuối.
- Join Server: quản lý q trình kích hoạt cho các end devices được thêm vào mạng. Join Serve chứa thông tin cần thiết để xử lý các yêu cầu tham gia vào mạng, báo hiệu cho network server và application servers nào sẽ được kết nối với thiết bị đầu cuối và thực hiện mã hóa các phiên ứng dụng, mạng. [16]
The LoRa Alliance
Với hơn 500 công ty thành viên, Liên minh LoRa (LoRa Alliance) là một trong những liên minh công nghệ phát triển nhanh nhất. LoRa Alliance cam kết tiêu chuẩn hóa các mạng diện rộng cơng suất thấp (LPWAN), cung cấp thông số kỹ thuật cho các mạng LoRaWAN miễn phí được chứng nhận.
LoRa Alliance cũng cung cấp công cụ kiểm tra chứng nhận, để giúp các nhà sản xuất đảm bảo rằng thiết bị của họ hồn tồn tương thích với LoRaWAN. [16]
3.3.2.1. Internet
Internet là một hệ thống chia sẻ thơng tin tồn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm hàng tỉ máy tính và các thiết bị điện tử được liên kết với nhau thông qua một giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa quốc tế (giao thức IP hay còn gọi là IP Protocol).
3.3.2.2. Lịch sử của Internet
Tiền thân của mạng Internet ngày nay là ARPANET. Cơ quan quản lý dự án nghiên cứu phát triển ARPA thuộc bộ quốc phòng Mỹ liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara. Đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area Network – WAN) đầu tiên được xây dựng.
Thuật ngữ “Internet” xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974. Lúc đó mạng vẫn được gọi là ARPANET. Năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức được coi như một chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối với ARPANET phải sử dụng chuẩn mới này. Năm 1984, ARPANET được chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai được gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự.
Giao thức TCP/IP ngày càng thể hiện rõ các điểm mạnh của nó, quan trọng nhất là khả năng liên kết các mạng khác với nhau một cách dễ dàng. Chính điều này cùng với các chính sách mở cửa đã cho phép các mạng dùng cho nghiên cứu và thương mại kết nối được với ARPANET, thúc đẩy việc tạo ra một siêu mạng (SuperNetwork). Năm 1980, ARPANET được đánh giá là mạng trụ cột của Internet.
Mốc lịch sử quan trọng của Internet được xác lập vào giữa thập niên 1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET khơng cịn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990.
Sự hình thành mạng xương sống của NSFNET và những mạng vùng khác đã tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Tới năm 1995, NSFNET đã thu lại trở thành một mạng nghiên cứu cịn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển. [17]
Internet hoạt động khá phức tạp, tuy nhiên hiểu một cách đơn giản thì Internet là một mạng lưới cáp vật lý toàn cầu, bao gồm dây đồng điện thoại, cáp quang, cáp TV, … Ngay cả các kết nối không dây như Wi-Fi, 3G, 4G, 5G đều dựa vào các loại cáp vật lý này để truy cập vào Internet.
Ví dụ, khi ta truy cập vào một trang Web, máy tính hay các thiết bị điện tử sẽ gửi một yêu cầu qua đường dây cáp vật lý này tới máy chủ. Trong đó máy chủ là nơi lưu trữ các trang Web và hoạt động như ổ cứng máy tính mà chúng ta đang sử dụng hằng ngày. Khi có lệnh u cầu thì máy chủ sẽ truy xuất dữ liệu trang Web và đưa ra dữ liệu chính xác trả về máy tính của chúng ta. Thao tác truy - xuất dữ liệu diễn ra vô cùng nhanh, chỉ trong một hoặc một vài giây.
3.3.2.4. Lợi ích của Internet
Internet mang lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người, tiêu biểu như những lợi ích sau:
− Cung cấp nguồn thơng tin, kho kiến thức khổng lồ. − Mở ra thế giới giải trí.
− Kết nối bạn bè. − Mua sắm trực tuyến. − Học tập trực tuyến.
− Làm cho cuộc sống trở nên dễ dàng, thuận tiện. − Kiếm tiền từ Internet.
3.3.2.5. Kết luận
Tóm lại, Internet là một mạng liên kết của hàng triệu máy tính trên khắp thế giới được liên kết thông qua cáp nối, vệ tinh, đường dây điện thoại hoặc kết nối không dây, tất cả đều giao tiếp bằng một ngơn ngữ chung duy nhất đó là bộ giao thức liên mạng. Hệ thống này truyền thông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (package switching) dựa trên giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP).
Internet ngày càng trở nên quan trọng khi xã hội càng phát triển và công nghệ ngày càng đưa con người tiến tới tương lai và trở thành một sợi dây vơ hình liên kết người với người.
3.3.3. Chuẩn truyền thơng khơng dây Wi-Fi
Vì ESP8266 sử dụng Wi-Fi để có thể truy cập vào mạng Internet, do đó ta sẽ tìm hiểu một chút về chuẩn giao thức truyền thông không dây này.
3.3.3.1. Wi-Fi
Wi-Fi (Wireless Fidelity) là công nghệ mạng cho phép ta kết nối không dây với Internet. Nó là một hệ thống hoạt động dựa trên sóng vơ tuyến khơng dây, Wi-Fi cho phép truy cập Internet ở một khoảng cách nhất định mà không cần kết nối vật lý.
3.3.3.2. Nguyên tắc hoạt động của mạng Wi-Fi
Để tạo được kết nối Wi-Fi, ta nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này có thể là Modem, điện thoại, máy tính, … có khả năng truy cập vào Internet. Router này lấy thông tin từ mạng Internet thơng qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vơ tuyến để gửi đi, bộ chuyển tín hiệu khơng dây trên các thiết bị như điện thoại, máy tính, … thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang dữ liệu cần thiết.
Q trình này có thể thực hiện ngược lại, Router sẽ nhận tín hiệu vơ tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gửi qua Internet như Hình 3.16.
Hình 3. 16 Nguyên tắc hoạt động của mạng Wi-Fi
3.3.3.3. Các chuẩn Wi-Fi hiện có
Wi-Fi ngày nay rất phổ biến, ta có thể gặp các điểm phát sóng Wi-Fi ở khắp mọi nơi. Đặc điểm của sóng Wi-Fi là thu phát ở tần số 2.4GHz đến 5GHz, cao hơn sóng vơ tuyến và truyền hình, điện thoại và radio nên khá an tồn trong vấn đề bảo mật thông tin khi truyền nhận dữ liệu. Các chuẩn Wi-Fi phổ biến hiện nay là:
− Chuẩn 802.11 b: thu phát ở tần số 2.4GHz, tốc độ truyền nhận 11 Megabit/s và sử dụng mã CCk để xử lý.
− Chuẩn 802.11 g: thu phát ở tần số 2.4GHz, sử dụng mã OFDM có tốc độ truyền nhận 54 Megabit/s.
− Chuẩn 802.11 a: hoạt động ở tần số 5GHz, có tốc độ truyền nhận 54 Megabit/s.
− Chuẩn 802.11 n: hoạt động ở tần số 2.4GHz, tốc độ truyền nhận tối đa 450 Megabit/s.
− Chuẩn 802.11 ac: hoạt động ở mức tần số 5GHz, là một trong số những chuẩn Wi-Fi được tích hợp trong các thiết bị rộng lớn nhất hiện nay. [18]
3.3.3.4. Ưu và nhược điểm của Wi-Fi