3.1.3. Kết quả đưa dữ liệu lên máy chủ IoT
Cổng chuyển đổi đóng vai trị vừa thu thập dữ liệu từ LoRa hiển thị bằng GUI trên HMI, lưu trữ và xử lý dữ liệu nhận. Đồng thời cổng chuyển đổi của chúng tôi đưa thông số nhận được, xử lý và lưu trữ đám mây thông mạng GPRS hoặc 3G/4G.
Chúng tôi sử dụng Sim808 cho nhiệm vụ gửi SMS đến người dùng và đưa dữ liệu lên máy chủ IoT.
Hình 3.7: Truyền liên tục thơng số cảm biến lên Internet
Ở hình 3.8 thơng số của một cảm biến pH thu thập được từ một nút cảm biến không dây dùng pin thông qua LoRa. Cổng chuyển đổi thu nhận rồi truyền liên tục lên hệ thống máy chủ của ThingSpeak sau mỗi 30s, thông số cảm biến ổn định dao động rất nhỏ khoảng 0.02 đơn vị, thời gian gửi tin là một phút, liên tục khơng mất gói tin.
Hình 3.8: Truyền liên tục 2 thơng số cảm biến lên Internet
Trong hình 3.9, chúng tơi thực nghiệm với thời gian gửi tin lên Internet nhanh hơn, theo thời gian thực 15s.
Truyền đồng thời hai thông số là độ dẫn điện của nước EC và dung lượng pin của nút cảm biến khơng dây. Có thể thấy cổng chuyển đổi vẫn làm việc tốt với thông số từ cảm biến dao động 0.02 đơn vị, thông số dung lượng pin ổn định khơng bị mất gói tin.
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ4.1. Kết luận 4.1. Kết luận
Chúng tôi đã thiết kế và xây dựng thành công một hệ thống cơ sở phần cứng đầy đủ, gồm: Cổng chuyển đổi; Các nút cảm biến theo dõi thông số dùng pin và Nút điều khiển trên cùng chuẩn truyền LoRa.
Thông qua HMI, việc giám sát và điều khiển các đối tượng khá dễ dàng ở một khoảng cách xa. Tất cả thiết bị hoạt động thực nghiệm ổn định đáp ứng yêu cầu.
Cổng chuyển đổi thu thập thông tin ổn định liên tục từ LoRa đường kính bao bao phủ hơn 3000m. Hiển thị và giao tiếp trên HMI có giao diện tối ưu, giảm chi phí hơn một máy chủ cục bộ.
Hệ thống chuyển đổi kết và nối Internet thông qua mạng di đông hoạt động nhanh với tin cậy cao. Phần cứng có thể nhúng các thuật tốn xử lý như Logic mờ, mạng Neural… để sàng lọc dữ liệu, ra quyết định điều khiển, cảnh báo trong lương lai.
Các thiết bị sau khi hoàn thiện đều hoạt động tốt trong suốt thời gian thử nghiệm, khả năng truyền nhận dữ liệu liên tục trong khu vực đô thị và khu vực nông thôn thông qua LoRa. Dễ dàng sử dụng thân thiện với người dùng, có khả năng ứng dụng vào dự án triển khai thực tế.
4.2. Kiến nghị
Trong xu thế vi xử lý ARM và các thư viện cho LoRa đang phát triển mạnh, chúng ta phải nắm bắt, lựa chọn thiết kế ứng dụng hợp lý, kinh tế và tiết kiệm nhất. Đối với các dự án cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu truyền nhận dữ liệu từ xa ứng dụng LoRa và sử dụng STM32F1. Tuy nhiên bên cạnh đó đề tài cần phải giải quyết một số vấn đề để cải tiến, tối ưu các điểm sau:
- Thiết kế hoàn thiện nhiều giao diện cho màn hình hiển thị;
- Tối ưu hóa để tiết kiệm năng lượng, sử dụng nhiều nguồn cấp cho mạch;
- Có thể sử dụng dòng vi điều khiển nhỏ hơn như STMF0 để tiết kiệm chi phí.
Chủ nhiệm đề tài
(Ký và ghi rõ họ tên)
Hồ A Lil
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. https://www.semtech.com/LoRa, LoRa by the Numbers. 2021.
2. Eridani, D., E.D. Widianto, and R.D.O. Augustinus. Monitoring system in LoRa network architecture using smart gateway in simple LoRa protocol. in 2019 International Seminar on Research of Information Technology and Intelligent Systems (ISRITI). 2019. IEEE.
3. Zhou, Q., et al., Design and implementation of open LoRa for IoT. 2019. 7: p. 100649-100657.
4. Narendra, N., et al. Goal-driven context-aware data filtering in IoT-based systems. in 2015 IEEE 18th International Conference on Intelligent Transportation Systems. 2015. IEEE.
5. Islam, M.M., et al. Smart poultry farm incorporating GSM and IoT. in 2019 International Conference on Robotics, Electrical and Signal Processing Techniques (ICREST). 2019. IEEE.
6. Sanchez-Iborra, R. and M.-D.J.S. Cano, State of the art in LP-WAN solutions for industrial IoT services. 2016. 16(5): p. 708.
7. Reynders, B., W. Meert, and S. Pollin. Power and spreading factor control in low power wide area networks. in 2017 IEEE International Conference on Communications (ICC). 2017. IEEE.
8. Waret, A., et al., LoRa throughput analysis with imperfect spreading factor orthogonality. 2018. 8(2): p. 408-411.
9. Lan, L.J.C.n.T.t.v.T.t., LoRa: Giải pháp cho triển khai mạng IoT. 2016: p. 57-59.
10. Raza, U., et al., Low power wide area networks: An overview. 2017. 19(2): p. 855-
873.
11.Pasolini, G., et al., Smart city pilot projects using LoRa and IEEE802. 15.4 technologies. 2018. 18(4): p. 1118.
12.Liu, S., C. Xia, and Z. Zhao. A low-power real-time air quality monitoring system using LPWAN based on LoRa. in 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). 2016. IEEE.
13.Misran, N., et al. IoT based health monitoring system with LoRa communication technology. in 2019 International Conference on Electrical Engineering and Informatics (ICEEI). 2019. IEEE.
14.Kodali, R.K., S. Yerroju, and S. Sahu. Smart farm monitoring using LoRa enabled IoT. in 2018 second international conference on green computing and internet of things (ICGCIoT). 2018. IEEE.
15.Usmonov, M. and F. Gregoretti. Design and implementation of a LoRa based wireless control for drip irrigation systems. in 2017 2nd International Conference on Robotics and Automation Engineering (ICRAE). 2017. IEEE.
16.Hou, L., et al., Internet of things cloud: Architecture and implementation. 2016. 54(12): p. 32-39.
17.Schaub, T.J.I.t.o.c., Spread frequency shift keying. 1994. 42(234): p. 1056-1064. 18.Kökten, E., et al. Low-Powered Agriculture IoT Systems with LoRa. in 2020 IEEE
Microwave Theory and Techniques in Wireless Communications (MTTW). 2020. IEEE.
19. Andrei, Marius Lucian, Liviu Alexandru Rădoi, and Dan Ştefan Tudose.
"Measurement of node mobility for the LoRa protocol." 2017 16th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research (RoEduNet). IEEE, 2017.
20.Đưa, N.V., et al., Công nghệ LoRa và ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao. 2019.
PHỤ LỤC 3: MINH CHỨNG ĐI KÈM
1. SẢN PHẨM DẠNG 1 (hình ảnh các sản phẩm đạt được )
- Phần cứng 5 Gateway IoT GSM – Lora – HMI bàn giao kèm nghiệm
thu.
2. SẢN PHẨM DẠNG 2: (quy trình, sơ đồ, bảng vẽ, cơ sở dữ liệu…..)
3. SẢN PHẨM DẠNG 3: (toàn văn bài báo, sách chuyên khảo….)
- 1 bài báo: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN CỔNG CHUYỂN ĐỔI LORA
–
GSM GIÁM SÁT CÁC NÚT DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ LORA
- Đính kèm 1 tài liệu hướng dẫn: Tài liệu hướng dẫn Gateway GSM
Nguyễn Tất Thành
PHỤ LỤC 4: (thuyết minh đề cương)
1- Thuyết minh đề tài. (photo bản đã ký với Trường) 2- Hợp đồng. (photo bản đã ký với Trường)
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN CỔNG CHUYỂN ĐỔI LORA – GSM GIÁM SÁT CÁC NÚT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ LORA
Ho A Lil *, Bui Vu Minh
Khoa Cơ khí – Điện – Điện tử - Ơ Tơ, Đại học Nguyễn Tất Thành *halil@nttu.edu.vn
Tóm tắt
Bài báo này chúng tơi trình bày kết quả thiết kế và thực hiện cổng chuyển đổi (Gateway) LoRa – GSM (Global System for Mobile Communications) tích hợp màn hình cảm ứng HMI (Human Machine Interface), để giao tiếp với người vận hành thay thế cho 1 máy chủ LoRa. Đồng thời cổng chuyển đổi có khả năng sàng lọc và đưa dữ liệu lên máy chủ IoT (Internet of Things) thông qua mạng di động GPRS/3G/4G phù hợp với tất cả các vùng có địa lý khác nhau. Thiết kế các nút cảm biến không dây dùng pin tiết kiệm năng lượng trên nền tản LoRa (Low power sensor), nút LoRa điều khiển tải công suất thiết bị điện được đồng bộ cho cổng chuyển đổi. LoRa 433MHz mạng diện rộng công suất thấp trong bài báo này được tiến hành thực nghiệm đo đạc trên phần cứng mà chúng tôi thiết kế và thi cơng ở 2 mơi trường đặc trưng có thể áp dụng mạng cảm biến không dây tầm xa là đô thị và nông thôn. Chúng tôi tập trung thử nghiệm cổng chuyển đổi để đảm bảo yêu cầu kiểm soát dữ liệu thu thập từ cảm biến tin cậy và ra quyết định điều khiển ổn định từ xa. Kết quả cho thấy cổng chuyển đổi thu thập dữ liệu khoảng cách tầm xa tốt và tin cậy, khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng di động GPRS của phần cứng ổn định cao. Có thể sử dụng để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, quan trắc môi trường và nông nghiệp.
1 Đặt vấn đề
Yêu cầu hiện đại, tự động hóa nơng nghiệp và quan trắc mơi trường đất, nước tăng cao dẫn đến việc quản lí một dữ liệu lớn thơng số các cảm biến là phức tạp và khó khăn về phần cứng cũng như cách thức tổng hợp sàng lọc dữ liệu. LoRa với ưu thế và khoảng cách truyền xa bao phủ 1 khu vực địa lí lớn và tiết kiệm năng lượng, hiện tại có hơn 191 triệu nút LoRa và 1,7 triệu cổng chuyển đổi tính tới tháng 8 năm 2021 được triển khai trên tồn thới giới theo cơng bố của hãng Semtech [1]. Đã có những nghiên cứu về thiết kế phần cứng cổng thu thập dữ liệu trên nền tản LoRa [2] tập trung đo đạc khoảng cách và các thông số trong kỹ thuật truyền nhận như Signal Noise Ratio (SNR), Received Signal Strength Indicator (RSSI). Phần cứng kết nối cơ sở dữ liệu qua Wifi và Enthernet [3]. Áp dụng cách thức sàng lọc dữ liệu trên hệ thống IoT theo ngữ cảnh, thời gian, thời tiết [4]. Tuy nhiên những thiết kế trên chưa áp dụng kết hợp hiển thị và tương tác người dùng trực tiếp tại cổng chuyển đổi nhằm tối ưu cổng chuyển đổi như máy chủ LoRa, lưu trữ và hiển thị và kết hợp đưa dữ liệu lên máy chủ IoT tại những vừng thiếu mạng Wifi và Enthernet. Vì vậy chúng tơi đề xuất mơ hình cổng chuyển đổi có thể hiển thị thơng số và giao tiếp điều khiển trên HMI, tích hợp với mạng GSM xuyên suốt nhiều khu vực địa lý [5], sàng lọc dữ liệu để ra quyết định cảnh báo và điều khiển.
Trong nghiên cứu này chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công cổng chuyển đổi giữa LoRa và GSM, đồng thời thiết kế các nút cảm biến dùng pin và nút điều khiển tải phục cho cổng chuyển đổi thu thập thông số, điều khiển từ xa. Sau khi thực nghiệm đo đạc ở 2 kịch bản khác nhau thì hệ thống hoạt động tốt, đảm bảo khả năng truyền nhận giữa các nút với cổng chuyển đổi và LoRa và khả năng ổn định của việc đưa dữ liệu lên máy chủ IoT.
Nhằm mục đích cung cấp một mơ hình mới về thiết kế và triển khai hệ thống LoRa, những nhiệm vụ chính bài báo được tóm tắt như sau:
1)Thiết kế và triển khai thực hiện cổng chuyển đổi LoRa - GSM tích hợp HMI..
2)Thiết kế các nút LoRa theo dõi cảm biến dùng pin, nút điều khiển kết nối với cổng chuyển đổi.
3)Dựa trên nền tảng phần cứng và phần mềm đo đạc thực
nghiêm khả năng hoạt động, đánh giá độ tin cậy của hệ thống.
2 Kiến trúc mạng LoRa 2.1 LoRa
LoRa mạng diện rộng được hãng Semtech phát triển hoạt động trên tần số 433MHz hoặc 915MHz (phụ thuộc vào từng khu vực trên thế giới). Khả năng truyền dữ liệu từ 0.25kbps đến 50kbps [6]. Công nghệ điều chế LoRa là sự kế thừa của điều chế Chirp Trải Phổ – Chirp Spread Spectrum (CSS). Các thông số liên quan để điều chế trên băng thơng của mạng LoRa có thể tùy biến như hệ số lan truyền tin trong không khí Spreading Factor (SF) hệ số chênh lệch thời gian phát sóng ngắn nhất từ SF7 đến dài nhất SF12, tốc độ mã hóa Code rate (CR) từ 1 - 4 [7, 8] Băng thơng Bandwidth (BW) có thể hoạt động ở 7,8kHz đến 500kHz. SF, BW và CR là 3 thông số cơ bản có thể tùy biến trong kỹ thuật truyền của LoRa. Trong đó, SF và BW sẽ ảnh hưởng thời gian truyền và khoảng cách truyền dữ liệu, CR thì chỉ ảnh hưởng thời gian mã hóa dữ liệu.
Hình 2 Tần số và khoảng cách kết nối LoRa
2.2 Ứng dụng tiêu biểu của mạng LoRa
Phạm vi kết nối rộng hàng ngàn mét của LoRa cùng với
việc sử dụng năng lượng thấp có thể dùng pin lên tới 10 năm
[9]là lợi thế lớn của mạng LoRa trong phát triển các dự án IoT chi phí thấp. Nhưng nhược điểm với chi phí thấp tiết kiệm năng lượng là dung lượng dữ liệu truyền thấp [10].Với ưu và nhược điểm LoRa phù hợp trong các ứng dụng.
Hình 3 Các ứng dụng của mạng LoRa [3]
Trong lĩnh đô thị thông minh mạng LoRa với độ tin cậy và khả thi về tiết kiệm năng lương, chi phí thấp phù hợp ứng dụng trong các hệ thống IoT như giám sát đèn giao thông, cảm biến, điều khiển từ xa, bãi giữ xe thông minh, chiếu sáng thông minh [11]. Bằng cách kết nối các dịch vụ thành phố không dây, cung cấp cơ hội để nâng cao hiệu quả hoạt động của thành phố giảm chi phí so với hệ thống có dây truyền thống và dễ bảo trì.
Trong lĩnh vực theo dõi và kiểm sốt mơi trường hiện nay rất cần thiết để cung cấp các chỉ số môi trường theo thời gian thật như nhiệt độ, độ pH, độ mặn, độ dẫn điện EC, NO2, SO2, O3, CO ở khoảng cách thử nghiệm tới 2000m [12]... để có thể giám sát dữ liệu liên tục để đưa ra quyết định điều khiển kịp thời và hợp lý. Với khả năng không dây, tiết kiệm năng lượng chi phí thấp và có thể dùng pin thì mạng LoRa rất khả thi ở nhiều khu vực địa lí khác nhau.
Chăm sóc sức khỏe thơng minh ứng dụng cơng nghệ để giúp quản lý bệnh tật và điều trị tốt hơn. Vì thế chi phí thấp và hiệu suất đáng tin cậy của mạng LoRa phù hợp với chăm sóc sức khỏe thơng minh điển hình các ứng dụng theo dõi tim mạch, nồng độ Oxy trong máu, nhiệt độ cơ thể [13]. Thông tin sinh học của bệnh nhân được thu thập bởi cảm biến đặc biệt trên cơ thể để có thể theo dõi và được kiểm tra kịp thời. Các chỉ số bất thường được tự động chuyển đến người quản lý y tế hoặc các chuyên gia y tế thông qua mạng LoRa kết hợp Internet để sớm phát hiện và điều trị bệnh. Nông nghiệp thông minh là hướng của bài viết này, ứng dụng công nghệ hiện đại 4.0 vào nông nghiệp nhằm nâng cao chất lượng của các sản phẩm đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường và bảo tồn tài nguyên. Nông nghiệp
thông minh dựa trên LoRa các trường hợp ứng dụng như theo dõi độ ẩm của đất, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí [14] và tự quản lý thủy lợi, có tiềm năng lớn để ứng dụng trong sản xuất nơng nghiệp. Truyền tin xa, chi phí thấp và cơng suất thấp cho phép sử dụng các cảm biến để chuyển thông tin từ nơng trại lên điện tốn đám mây từ đó có thể thực hiện các hoạt động tổng hợp, phân tích dữ liệu, điều khiển hiệu quả hơn.
2.3 Cấu trúc mạng LoRa
Trong hình 4 để hoàn thiện một mạng LoRa cần cấu trúc ba
thành phần.
Phần cứng mạch điện tử các nút để thu thập dữ liệu cảm biến, pin, kết nối vi điều khiển với LoRa và chuyển đổi truyền tin qua cổng chuyển đổi [15].
Thành phần thứ 2 là máy chủ LoRa. Các máy chủ kết nối trực tiếp với nhiều cổng chuyển đổi để phân tích, đóng gói và lưu trữ dữ liệu vào ổ cứng. Máy chủ cũng giúp người dùng quản lí cơ sở dữ liệu, làm máy chủ cho các website cục bộ.
Thành phần thứ 3 là ứng dụng máy chủ trên IoT, dữ liệu được đóng gói gửi lên máy chủ IoT sẽ mã hóa để cung cấp các kết nối thiết yếu cho 1 hệ thống IoT như HTTP, MQTT [16]. Để người dùng có thể điều khiển node hay theo dõi các thông số cảm biến qua ứng dụng di đơng hoặc wedsite bất kì đâu thơng qua Internet.
Hình 4 cấu trúc của mạng LoRa [3] 3 Thiết kế phần cứng
3.1 Cổng chuyển đổi LoRa - GSM
Cổng chuyển đổi có 2 nhiệm vụ như thành phần 1 và 2 trong hình 4, vừa kiểm tra kết nối GSM, Internet như 1 máy chủ LoRa vừa thu thập dữ liệu nhận từ các nút cảm biến thơng qua LoRa, phân tích đưa ra quyết định điều khiển đến các nút điều khiển. Đồng thời cổng chuyển đổi lưu trữ dữ liệu