3.1. Kết quả thực nghiệm hoạt động của cổng chuyển đổi
3.1.1. Kết quả thực nghiệm truyền - nhận tín hiệu giữa cổng chuyển đổi với cácnút nút
Để thực nghiệm sự ổn định truyền tin giữa cổng chuyển đổi và các nút thông qua LoRa, chúng tôi kiểm tra kết quả được đo ở mơi trường đơ thị nhiều cơng trình vật cản và nơng thơn ít cơng trình nhưng nhiều cây xanh dạng thấp. Cổng chuyển đổi cố định nhận thông tin. Phương pháp thực nghiệm đo đạc dựa trên các nghiên cứu trước đây trong các cơng bố ngồi nước [19] và trong nước [20]. Các nút điều khiển và cảm biến không dây di động. Người di chuyển nút dùng định vị GPS để xác định vị trí đồng thời phản hồi trực quan về trạng thái gửi, nhận, mất tín hiệu.
Để đảm bảo các thông số giống nhau ở các môi trường thử nghiệm chúng tơi chọn các thơng số trung bình trong cài đặt để đảm bảo khách quan trong thử nghiệm.
Thông số cài đặt thực nghiệm:
SX1278_begin(&SX1278,SX1278_433MHZ,SX1278_POWER_17DBM, SX1278 _LORA_SF_8,SX1278_LORA_BW_20_8KHZ, 16);
Tần số hoạt động: 433MHz. Công suất 17dBm.
SF: 8.
Băng thông LoRa BW 20.8KHz,
Độ dài gói tin: 16 byte.
CR cố định 4/8.
Antenna loại 433MHz, 3DBi, chiều dài 52mm, trở kháng 50 Ohm.
Trong các kịch bản thử nghiệm chúng tôi cho nút truyền tin về cổng chuyển đổi sau mỗi 10 giây, số lượng mẫu lớn hơn 500 mẫu. Chúng tôi sẽ tiến hành định vị ở những khoảng cách đặt trưng hoặc khi thấy có sự thay đổi về sự ổn định tín hiệu.
Kịch bản thực nghiệm trong mơi trường đơ thị: chúng tơi thực nghiệm ở quận
12thành phố Hồ Chí Minh, cổng chuyển đổi được đặt cố định ở tầng 6 độ cao khoảng 22m, nút cảm biến dùng pin di chuyển. Người di chuyển sẽ định vị báo vị trí, trạng thái truyền tin.
Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm đo đạc Gateway LoRa mơi trường đơ thị Vị trí A B C D E
Hình 3.1: Đo đạc khoảng cách truyền trong đơ thị
Kết quả trong hình 3.1, vị trí nút truyền tin tăng dần khoảng cách so với cổng chuyển đổi nhận, ở khoảng cách thứ nhất điểm A và thứ 2 điểm B dưới 520m tin truyền liên tục, độ trễ dưới 1 giây. Người di chuyển nút sẽ dừng lại định vị ở những khoảng cách cảm nhận sự thay đổi thời gian truyền tin. Ở khoảng cách điểm C 700m tin vẫn truyền tốt, độ trễ 2 – 3 giây, trong môi trường đô thị nhiều vật cản ở khoảng
chúng tơi vẫn có thể tối ưu khoảng cách tốt hơn bằng thay đổi thông số SF tối đa và Antenna.
Kịch bản thực nghiệm môi trường nông thôn: chúng tôi thực nghiệm ở đồng
bằng tại Vĩnh Long với điều kiện bằng phẳng, cây chủ yếu dạng thấp như cam và lúa nước. Cổng chuyển đổi được đặt cố định độ cao khoảng 4m, nút cảm biến dùng pin di chuyển. Người di chuyển sẽ định vị báo vị trí, trạng thái truyền tin.
Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm đo đạc Gateway LoRa môi trường nơng thơn
Vị trí A B C D
Hình 3.2: Đo đạc khoảng cách truyền ở nơng thơn
Trong kết quả hình 3.2 với cùng thơng số cài đặt ban đầu, khoảng cách truyền ở mơi trường nơng thơn vật cản thấp và ít thì khoảng cách truyền được tốt hơn dưới 700m tin truyền liên tục khơng mất gói tin và thời gian dưới 1s tại các điểm A, B. Người di chuyển nút sẽ dừng lại định vị ở những khoảng cách cảm nhận sự thay đổi thời gian truyền tin. Khoảng cách 900m – 1100m tại điểm C tin vẫn truyền độ tin cậy
chuyển đổi có thể kiểm sốt và điều khiển trực tiếp khu vực có đường kính hơn 3000m. Rất phù hợp cho việc giám sát mạng cảm biến diện rộng, điều khiển tưới tiêu trong nông nghiệp.
Trong những kịch bản thực nghiệm này, chúng tôi không hướng tới việc điều chỉnh các thông số để khoảng cách truyền tin xa nhất bằng cách tối ưu SF lên tối đa SF = 12, BW = 250kHz, công suất truyền lớn nhất và Antenna có thể lên tới khoảng cách 3900m. Trong thực tế chúng tôi chú trọng phạm vi đảm bảo sự tin cậy và ổn định của hệ thống phần cứng, đáp ứng được yêu cầu hoạt động liên tục trong phạm vi diện tích phủ song trực tiếp của cổng chuyển đổi.
3.1.2. Kết quả thiết kế giao diện GUI trên HMI
Cổng chuyển đổi chúng tơi thiết kế tối ưu tích hợp giao diện với người dùng đảm bảo như một máy chủ LoRa có thể lưu trữ, xử lý dữ liệu đồng thời hiển thị, giao tiếp trực tiếp với người dùng thơng qua màn hình cảm ứng HMI. Một giao diện đồ họa được chúng tôi thiết kế trên Nextion Editor cho màn hình cảm ứng gồm các trang cơ bản sau:
Hình 3.3: Giao diện trang chính
Hình 3.5: Giao diện điều khiển tải cơ bản
Hình 3.6: Giao diện cài đặt số điện thoại
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 hồn 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