Tải bản đầy đủ

HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA MẠNG LORA - LUẬN VĂN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI
ĐẠI HỌ
HỌC QUỐ
QUỐC GIA TP.HỒ
TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆ N – ĐIỆ
 – ĐIỆ N TỬ 
BỘ MÔN ĐIỆN
ĐIỆN TỬ 
TỬ 
---------------o0o---------------

LUẬN
LUẬN VĂN TỐT
TỐT NGHIỆP
NGHIỆP ĐẠI
ĐẠI HỌ
HỌC

HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA MẠNG LORA


GVHD:
SVTH:
MSSV:

TP. HỒ
HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2016
2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
CỘ NG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠ I HỌC BÁCH KHOA
Độc lậ p –  T
 Tự do –  H
 Hạnh phúc.
-----✩----/BKĐT
Số:  ______ /BKĐT
Điện – Điệ
 – Điện
n tử 
tử 
Khoa: Điện
Điện Tử 
Tử 
Bộ Môn: Điện

-----✩-----

HIỆM VỤ
VỤ LUẬN
 LUẬN VĂN TỐT
TỐT NGHIỆ
NGHIỆP
 NHIỆ
1. HỌ VÀ TÊN:

MSSV:

ĐIỆN


ĐIỆN TỬ 
TỬ   - VIỄ
VIỄN THÔNG
2.  NGÀNH:
LỚP :
3. Đề tài: HỆ THỐ NG GIÁM SÁT QUA MẠ NG LORA
4.  Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và s ố liệu ban đầu):
.........................................
...............................................................
............................................
............................................
..............................................
..................................
..........
.........................................
...............................................................
............................................
............................................
..............................................
..................................
..........
.........................................
...............................................................
............................................
............................................
..............................................
..................................
..........
.........................................
...............................................................
............................................
..............................................
..............................................
................................
..........
.........................................
...............................................................
............................................
............................................
..............................................
..................................
..........
.........................................
.................................................................
..............................................
............................................
............................................
................................
..........
...............................
5.  Ngày giao nhi
nhiệm vụ luận văn: ...............................
6.  Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ...................................
...................................
7. Họ và tên người hướ ng
ng dẫn:
Phần hướ ng
ng dẫn
................................................................. .....................................
................................................................. .....................................
 Nội dung và yêu c ầu LVTN đã đượ c thông qua B ộ Môn.
Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 20
CHỦ
CH
Ủ NHIỆ
 NHIỆM BỘ
BỘ MÔN

PHẦ
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ
BỘ MÔN:
 Ngườ i duyệt (chấm sơ bộ):.......................
Đơn vị:......................................................
 Ngày bảo vệ : ...........................................
...........................................
Điểm tổng k ết: .........................................
.........................................

NGƯỜI HƯỚ NG
NG DẪ
DẪN CHÍNH


 Nơi lưu trữ luận văn: ...............................
...............................


Lờ i cảm ơn

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

L Ờ I C  ẢM ƠN 
Xin chân thành gửi lờ i cảm ơn tớ i Thạc sĩ Bùi Quốc Bảo đã tận tình giúp đỡ 
em trong suốt học k ỳ vừa qua. Những lờ i nhận xét, góp ý, hướ ng dẫn của thầy đã
giúp em thấy đượ c khuyết điểm của mình để ngày càng kh ắc phục tốt hơn.
Xin chân thành gửi lờ i cảm ơn tớ i toàn thể quý thầy cô trường Đại học Bách
Khoa Thành ph ố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướ ng dẫn và t ạo mọi điều kiện, môi

trườ ng học tậ p tốt cho em trong nh ững ngày tháng h ọc tậ p tại trườ ng.
Bên cạnh đó, em muố n nói lờ i cảm ơn đến công ty TNHH BigDolphin đ ã tạo

điều kiện để em có th ể hoàn thành lu ận văn.
Xin kính chúc s ức khỏe và chân thành c ảm ơn.

Tp. H ồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2016

.

Sinh viên

i


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện thiết k ế thiết bị giám sát các thông s ố môi trường như
nhiệt độ, độ ẩm, khí CO qua m ạng LoRa. Thi ết bị nhằm truyền tải thông tin về các
thông số môi trường, qua đó cả nh báo khi có s ự vượ t mức cảnh báo ngưỡng đượ c

cài đặt trướ c.
Trong phần luận văn này tậ p trung xây dựng hệ thống gồm một server tiế p
nhận thông tin (phần trung tâm) và thiết bị giám sát (node ngo ại vi).

ii


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

 M Ụ C LỤ C
Chương 1:

T ỔNG QUAN ______________________________________________ 1

1.1.

Đặt vấn đề __________________________________________________________ 1

1.2.

Tình hình nghiên cứ u trong và ngoài nướ c _______________________________ 2

1.3.

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ________________________________________ 3

1.3.1.

Mục tiêu của đề  tài _____________________________________________________ 3

1.3.2.

 Nhiệm vụ của đề tài_____________________________________________________ 3

Chương 2:
2.1.

LÝ THUY  Ế T ______________________________________________ 4

Cơ bản về mạng LoRa ________________________________________________ 4

2.1.1.

Tổng quan về LoRa _____________________________________________________ 4

2.1.2.

Giao thức LoRaWAN __________________________________________________ 11

2.2.

Nguyên lý truyền và nhận dữ  liệu trong mạng LoRa ______________________ 12

2.2.1.

Truyền dữ liệu ________________________________________________________ 12

2.2.2.

 Nhận dữ liệu trong mạng LoRa ___________________________________________ 13

2.2.3.

Cách k ết nối giữa node và Server _________________________________________ 13

2.3.

Giớ i thiệu module, IC sử  dụng trong luận văn ___________________________ 14

2.3.1.

Module LoRa_________________________________________________________ 14

2.3.2.

Giớ i thiệu về Raspberry Pi ______________________________________________ 17

2.3.3.

Webserver ___________________________________________________________ 18

2.3.4.

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22/AM2302)______________________________ 23

2.3.5.

Cảm biến khí CO (MQ-7) _______________________________________________ 27

2.3.6.

IC thờ i gian thực (PCF8583) _____________________________________________ 29

Chương 3:
3.1.

TH I  Ế T K  Ế  VÀ THI CÔNG MÔ HÌ NH PH  Ầ N C ỨN
  G ____________ 31

Mô hình luận văn. __________________________________________________ 31

3.1.2.

Tr ạm thu dữ liệu (Server) _______________________________________________ 32

3.1.3.

Tr ạm con (Node) ______________________________________________________ 37

Chương 4:
4.1.

GI  Ả I THU 
 ẬT CHƯƠNG TRÌNH _____________________________ 44

Giải thuật khối trung tâm (Server) _____________________________________ 44

4.1.1.

Thu thậ p thông tin từ các node ___________________________________________ 44

4.1.2.

Xử lý dữ liệu _________________________________________________________ 45

4.2.

Giải thuật khối node_________________________________________________ 48

Chương 5:

K  Ế T QU  Ả TH Ự C HI  Ệ N ____________________________________ 53
iii


Luận văn tốt nghiệ p
5.1.

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

K ết quả thi công phần cứ ng __________________________________________ 53

5.1.1.

K ết quả thực hiện _____________________________________________________ 53

5.1.2.

Đánh giá kết quả. ______________________________________________________ 54

5.2.

K ết quả thi công phần mềm __________________________________________ 55

5.2.1.

Hiển thị và cảnh báo ___________________________________________________ 55

5.2.2.

Đánh giá hoạt độ ng ____________________________________________________ 57

5.3.

Đánh giá kết quả hoạt động chung _____________________________________ 57

Chương 6:

K  Ế T LU  ẬN VÀ HƯỚ N G PHÁT TRI  Ể N _______________________ 59

6.1.

K ết luận ___________________________________________________________ 59

6.2.

Hướ ng phát triển ___________________________________________________ 59

TÀI LI  Ệ U THAM K H  Ả O ______________________________________________ 60

iv


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

 DANH SÁCH HÌNH MINH H Ọ A
 Hình 2. 1:  Biểu đồ so sánh giữ a LoRa và các chu ẩ n giao tiế  p thông d ụng _____________ 6 
 Hình 2. 2:  Mô hình mạng LoRa _______________________________________________ 6 
 Hình 2. 3: S ự thay đổ i t ần số  theo thờ i gian của mỗ i tín hiệu mẫu đượ c phát ra bở i
tr ạm phát LoRa. ____________________________________________________________ 8
 Hình 2. 4: C ấu  trúc frame của LoRa __________________________________________ 10
 Hình 2. 5: Tiêu biể u cho mạng hình sao. _______________________________________ 11
 Hình 2. 6:  Mô t ả nguyên lý truyề n d ữ liệu trong LoRa ____________________________ 12
 Hình 2. 7:  Mô t ả nguyên lý nhận d ữ liệu trong LoRa _____________________________ 13
 Hình 2. 8:  Module LoRa RFM98 c ủa HopeRF (a) và SX1278 c ủa XIAMEN (b) ________ 15
 Hình 2. 9:  Mô t ả chân của module Lora SX1278 ________________________________ 16 
 Hình 2. 10:  Raspberry Model B _______________________________________________ 17 
 Hình 2. 11:  Mô t ả về Web Server ______________________________________________ 19
 Hình 2. 12:  Mô t ả về   LAMP__________________________________________________ 19
 Hình 2. 13:  Mô t ả hoạt động PHP _____________________________________________ 21
 Hình 2. 14: Sơ đồ k ết  nố i vớ i cảm biế n _________________________________________ 27 
 Hình 2. 15: Sơ đồ khố i của IC PCF8583 ________________________________________ 30
 Hình 3. 1: T ổn  g quan mô hình lu ận văn  _______________________________________ 31
 Hình 3. 2: C ấu  trúc phần cứ ng của tr ạm thu d ữ liệu _____________________________ 32
 Hình 3. 3:  Mô hình phần cứ ng node __________________________________________ 37 
 Hình 4. 1:  Lưu đồ giải thuật khố i trung tâm về  nhận d ữ liệu t ừ  các node _____________ 44
 Hình 4. 2:  Lưu đồ giải thuật xử  lý d ữ liệu sau khi nhận đượ c t ừ  node ________________ 46 
 Hình 4. 3:  Lưu đồ giải thuật phía node ________________________________________ 48
 Hình 4. 4: a) Đọc cảm biế n nhiệt độ-độ ẩm (DHT22) b) Đọ c cảm biế n khí CO (MQ-7) __ 51
 Hình 5. 1:  Khoảng cách truyề n nhận t ối đa giữ a node và Server thự c t ế  ______________ 58

v


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

 PH Ụ LỤ C B Ả  NG
 Bảng 2. 1:  Đặc điể m k  ỹ  thuật của chuẩ n giao tiế  p LoRa____________________________ 5
 Bảng 2. 2:  Độ nhạ y máy thu của LoRa (theo dBm) khi băng thông và hệ  số  tr ải phổ 
khác nhau. _______________________________________________________________ 9
 Bảng 2. 3: Chức năng từ ng chân của module SX1278 ____________________________ 17 
 Bảng 2. 4: Thông số  cảm biế n AM2302 ________________________________________ 25

vi


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề
Trong những thậ p niên gần đây, tình trạng ô nhi ễm môi trường đang ở  mức đáng

 báo động, và đặ c biệt nghiêm tr ọng. Sự xả thải các chất ô nhiễm môi trườ ng không qua
xử lý gây nên h ậu quả nghiêm tr ọng đến sức khỏe con ngườ i. Một trong những loại khí
thải gây tác động xấu tớ i sức khỏe con người đó chính là Cacbon mônôxit (CO). Nhữ ng

nơi có mật độ khí CO lớ n là những điểm tắc nghẽn giao thông, các b ến xe, nhà để xa
hoặc trong những nơi làm việc kín như hầm lò, nhà máy. CO có độ c tính cao c ực k ỳ
nguy hiểm vớ i sức khỏe con ngườ i, nếu bị hit một lượ ng lớ n sẽ gây thương tổn với cơ
thể, nó cản tr ở khả năng vận chuyển oxy trong máu. Chính vì th ế, việc giám sát khí CO
r ất quan tr ọng, từ đó tìm ra những giải pháp để giảm thiểu lượ ng khí thải đó. Việc thu
thậ p chất lượ ng chất lượng môi trường không khí (trong đó có CO) đượ c thu thậ p thông
qua mạng IoT. V ậy IoT là gì?
IoT (Internet of Thing) là s ự k ết nối tất cả các thiết bị vớ i nhau, có kh ả năng trao

đổi thông tin, cung c ấ p dữ liệu với con ngườ i mà không c ần phải tương tác tr ực tiế p.
Con ngườ i có thể k ết nối vớ i tất cả các thiết bị tớ i mạng Internet thông qua mạng nội
 bộ.
Trong những năm gần đây, IoT đang phát triể n nhanh đến chóng mặt. Theo sự

tính toán thông kê có đế n 50 triệu thiết bị đượ c k ết nối cho tớ i nắm 2020. Con ngườ i
đang biến tất cả các thiết bị trong đờ i sống hằng ngày như otô, thiết bị sản xuất, dụng cụ
trong nhà, đồ  mặc,…đều có thể điều khiển, kiểm soát, thu thậ p dữ liệu chỉ bằng laptop
hay điện thoại. Công nghệ IoT giúp cho con ngườ i sống tốt hơn, và đối phó vớ i vấn đề
lớ n nhất đang gặ p phải của thế giới đó là biến đổ i khí hậu, kiểm soát ô nhi ễm, cảnh báo
các vấn đề tự nhiên. Tuy nhiên, đòi hỏ i về công suất thấ p cho các thiết bị IoT không hề

đơn giản, các thiết bị hiện nay dùng RFID, Bluetooth hay Wifi đề u là những công ngh ệ
vớ i công suất thấp nhưng khoả ng cách ng ắn. Để đáp ứng đượ c công su ất thấ p và khoảng
cách xa, LoRa là m ột giải pháp t ốt nhất tại thời điểm hiện nay.
LoRa là công ngh ệ mạng không dây đượ c phát tri ển để tạo ra đượ c công su ất thấ p
(low-power), mạng lướ i r ộng (LPWANs- Low Power Wide Area Networks) dùng cho
các ứng dụng Internet of Thing. Công ngh ệ này hấ p dẫn vớ i khoảng cách xa, công su ất
tiêu thụ thấ p và việc truyền dữ liệu an toàn. Ưu điể m của mạng lưới đượ c xây d ựng vớ i
1


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

LoRa so vớ i mạng lướ i hiện tại là việc phủ sóng lớ n. Vớ i khoảng cách xa và công su ất
thấ p, LoRa tự tin sẽ là ứng cử viên cho công ngh ệ thông minh trong h ạ tầng dân d ụng
(chẳng hạn như giám sát sức khỏe, đo lườ ng thông minh, giám sát môi trường,..) cũng

như trong các ứng dụng công nghi ệ p.
Công nghệ LoraWAN hướ ng tớ i mục tiêu là ho ạt động các cảm biến dựa vào pin
mà có thể hoạt động vớ i thờ i gian lâu. Vớ i LoRaWAN, toàn b ộ thành ph ố hoặc một
vùng sẽ đượ c phủ bở i một vài tr ạm mà có th ể k ết nối đến hàng ngàn các thi ết bị khác
nhau.
 Nhận thấy ưu điểm của Lora so v ớ i các khác. Chính vì v ậy mục tiêu của đề tài tạo
ra mạng k ết nối vớ i các thiết bị, thu thậ p dữ liệu, vẽ đồ thị tr ạng thái, gửi cảnh báo dựa
trên dữ liệu thu thậ p qua mạng LoRa.

1.2. Tình hình nghiên cứ u trong và ngoài nướ c
a)  Nghiên cứu trong nướ c
Qua tìm hiểu về tình hình nghiên c ứu trong việc ứng dụng mạng LoRa khá th ấ p,
cho thấy đượ c việc ứng dụng vào công ngh ệ này chưa đượ c quan tâm nhi ều. Tuy nhiên,
hiện nay, việc ứng dụng mạng LoRa đang được xem xét, đầu tư vào các ứ ng dụng như

đọc chỉ số đồng hồ nướ c, quản lý bãi xe,… Đây là dấ u hiệu khả quan trong vi ệc nghiên
cứu mạng LoRa.
 b)  Nghiên cứu ngoài nướ c:
Hiện nay có nhi ều cá nhân, công ty nghiên c ứu phát hành s ản phẩm LoRa một hay
nhiều kênh truyền dựa trên chipset c ủa Semtech. Các công trình nghiên c ứu:


Đề tài “A DIY low-cost LoRa gateway” [1] của Giáo sư Phạm Công Đứ c,
trường đại học Pau, Pháp s ử dụng chip SX1276 c ủa Semtech v ớ i gateway một
kênh truyền.

-

Sản phẩm EMB-GW1301 của công ty Embit, Italy[2] dựa trên chipset SX1301
của Semtech cho phép ho ạt động nhiều kênh truyền trong cùng m ột khoảng
thờ i gian, cung c ấ p giải pháp cho công ngh ệ IoT.

-

Các sản phẩm cảm biến không dây c ủa công ty nke Wattec, Pháp vớ i các s ản
 phẩm công ngh ệ LoRa như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, đo lượ ng

nướ c,..[3] cho hoạt động hiệu quả và thờ i gian sử dụng pin tốt nhất.
2


Luận văn tốt nghiệ p
-

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

Module LoRaWan IXM-LPWA-800-16-K9 của Cisco[4] cho các ứng dụng cần
công suất thấ p, diện tích phủ r ộng lớn như tracking vật thể, đo nướ c hay khí,

các tòa nhà thông minh, đèn đường, giám sát môi trườ ng và nông nghi ệ p thông
minh.

1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.3.1. Mục tiêu của đề tài
Đề tài thực hiện thiết k ế thiết bị giám sát các thông s ố môi trường như nhiệt độ, độ
ẩm, khí CO qua m ạng LoRa. Thi ết bị ngoại vi sẽ truyền tải thông tin về các thông s ố
môi trườ ng về Server, qua đó hiển thị lên web và đồng thờ i cảnh báo khi có s ự vượ t mức
cảnh báo ngưỡ ng.

1.3.2. Nhiệm vụ của đề tài
Vớ i các mục tiêu đề ra, luận văn đượ c chia thành 4 n ội dung:


 Nội dung 1: Tìm hi ểu LoRa và các moudule, IC đượ c sử dụng trong luận

văn.


 Nội dung 2: Giải thuật và phần cứng của Server và node



 Nội dung 3: K ết quả đạt đượ c



 Nội dung 4: K ết quả, hướ ng phát triển và tài liệu tham khảo

3


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

Chương 2:

LÝ THUYẾT

2.1. Cơ bản về mạng LoRa
2.1.1. Tổng quan về LoRa[5].
a) Giao thức LoRa

LoRa được định nghĩa là Long Range (khoả ng cách xa), là m ột hệ thống giao tiế p
không dây kho ảng cách xa, đượ c phát triển bở i LoRa Alliance™ ( là thành viên c ủa tổ
chức phi lợ i nhuận, những ngườ i tin r ằng k ỷ nguyên IoT là bây gi ờ ). Hệ thống này
nhằm mục đích tăng thờ i gian sử dụng pin của các thi ết bị lâu hơn, nơi mà công suất

năng lượ ng là giữ vai trò quan tr ọng. LoRa có th ể tham chi ếu tớ i hai lớ  p riêng biệt: một
lớ  p vật lý sử dụng công ngh ệ điều chế mạng tr ải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum – 
CSS) và hai là giao th ức lớ  p MAC (LoRaWAN)[5].
Lớ  p vật lý LoRa, đượ c phát triển bở i Semtech, cho kho ảng cách xa, công su ất thấ p
và giao ti ếp băng thôn g thấ p. Hoạt động trên băng tầ n ISM 433-, 868- ho ặc 915-MHz,
 phụ thuộc vào từng khu vực triển khai. Khối lượ ng (gọi là payload ) của mỗi đợ t truyền
tải có thể đạt từ 2-255 byte, t ốc độ data có th ể đạt tớ i 50 Kbps. Công ngh ệ điều chế là
một công nghệ độc quyền từ Semtech.
LoRaWAN cung c ấ p một cơ chế điều khiển truy cậ p, cho phép nhi ều thiết bị cuối
k ết nối tớ i gateway sử dụng điều chế LoRa. Trong khi vi ệc điều chế LoRa là độc quyền,
LoRaWAN là một chuẩn mở đượ c phát triển bở i LoRa Alliance.

4


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

Dướ i dây là b ảng đặc điểm của công nghệ không dây LoRa v ề khoảng cách, chu ẩn
giao tiế p, công suất, lớ  p vật lý.

Định nghĩa

Đặc điểm k ỹ thuật
Khoảng cách

2-5 kilomet trong khu v ực thành thị và 15 km trong vùng ngo ại ô

Băng tần

Băng tần ISM 433MHz, 868MHz và 915 MHz

Chuẩn giao tiế p

IEEE 802.15.4g

Điều chế tr ải phổ đượ c sử dụng xung d ải băng tần FM. Tần số tăng hoặc
Điều chế

giảm trên thờ i gian nhất định đượ c sử dụng để mã hóa dữ liệu khi đượ c
gửi.

Công suất

Một mạng Lora quản lý hàng ngàn node

Điện năng

Sử dụng lâu

Lớ  p vật lí

Quản lý tần số, công suất, điều chế, tín hiệu giữa các node và Gateway

 Bảng 2. 1: Đặc điể m k  ỹ  thuật của chuẩ n giao tiế  p LoRa

5


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

Data Rate

WIFI
GSM
CDMA
Bluetooth
Low Energy
Zigbee,
ZWave
LoRa

NFC
Đối diện
(vài centimet)

Trong nhà
(Vài chục mét )

Trong thành phố
(Vài kilomet)

Range

 Hình 2. 1:  Biểu đồ so sánh giữ a LoRa và các chu ẩ n giao tiế  p thông d ụng [6]
 b) Kiến trúc mạng LoRa
Một mạng LoRa đặc trưng cấu hình mạng sao, bao g ồm ba loại thiết bị khác
nhau:

 Hình 2. 2:  Mô hình mạng LoRa
Kiến trúc cơ bản của mạng LoRaWAN: các thi ết bị cuối giao tiế p vớ i Gateway sử
dụng LoRa vớ i LoRaWAN. Gateway chuyển các frame LoRaWAN t ừ thiết bị tớ i một
Server mạng, sau đó chuyể n lên thiết bị có băng thông cao hơn, đặc trưng là Ethernet
hoặc 3G.
6


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

Có 3 lớ  p của các thiết bị cuối: lớ  p A (cho tất cả), lớ  p B (cho Beacon) và lớ  p C
(cho việc nghe liên t ục).
c) Lớ  p vật lý LoRa

Điều chế LoRa là một công nghệ độc quyền của Semtech. Phần này phân tích và
đánh giá (phần độ c quyền của LoRa) vớ i mục đích hiểu rõ liệu r ằng hiệu suất quảng cáo
của LoRa đượ c quan sát trong th ực tế.
c.1)

Tổng quan về lớ  p vật lý

LoRa là điều chế tr ải phổ theo cường độ và pha (Chirp Spread Spectrum), s ử
dụng cường độ và pha t ần số vớ i sự biến đổi tuyến tính của tần số theo thời gian để mã
hóa thông tin. Bở i vì sự tuyến tính của xung tr ải phổ, độ lêch tần số giữa các thi ết bị thu

và phát tương ứng với độ lệch thờ i gian, dễ dàng b ị loại bỏ trong giải mã. Điều này làm
cho việc miễn nhiễm việc điều chế do ảnh hưở ng của hiệu ứng Doppler, tương ứng vớ i

độ lệch tần số. Độ lệch tần số giữa thu và phát có th ể đạt đến 20% băng thông mà
không ảnh hưở ng hiệu suất mã hóa. Vi ệc nhận LoRa có thể khóa t ần số nhận đượ c, cung
cấp độ nhạy lên tớ i -130 dBm.
Khi thờ i gian sống của ký tự LoRa dài hơn so vớ i công nghệ tr ải phổ nhảy tần
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), các l ỗi đượ c tại bở i nhiễu có thể dễ dàng

đượ c sửa thông qua vi ệc sửa lỗi tiế p chuyển (Forward Error-correction Codes - FECs).
 Nhanh hơn điều chế truyền thông chẳng hạn như FSK làm cho LoRa thích hợ  p vớ i công
suất thấ p và truyền tin vớ i khoảng cách dài.
c.2)

Thông số của lớ  p vật lý

Một vài thông s ố có sãn cho vi ệc tùy biến trong việc điều chế LoRa như : băng
thông (BW), hệ số tr ải phổ (SF) và t ỉ lệ mã hóa (CR). LoRa sử dụng một định nghĩa độ c

đáo cho việc tr ải phổ như logarit, số lượ ng Chirp/symbol. Các thông s ố ảnh hưở ng tớ i
tốc độ bit, làm giảm ảnh hưở ng của nhiễu, và d ễ dàng gi ải mã.

Băng thông là thông số  quan tr ọng nhất trong việc điều chế LoRa. Một symbol
LoRa tạo ra 2SF chirps, bao ph ủ toàn bộ băng thông tần số. Nó bắt đầu vớ i một chuỗi

chirp được tăng lên. Khi tần số của băng thông đạ t cực đại, tần số sẽ đượ c bọc kín xung
quanh, việc tăng tần số đượ c bắt đầu lại từ từ số nhỏ nhất. Hình 2.8 đưa ra ví dụ  về việc
vận chuyển LoRa trong vi ệc thay đổi tần số theo thờ i gian. Vị trí không liên t ục trong
7


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

chuỗi tần số được mã hóa thông tin đượ c chuyển đi. Có 2SF trong một ký tự, một ký tự
có thể mã hóa SF(bits) m ột cách hiệu quả.

Fc kà tần số trung tâm của kênh truyền, và BW là băng thông
 Hình 2. 3: S ự thay đổ i t ần số  theo thờ i gian của mỗ i tín hiệu mẫu đượ c phát ra
bở i tr ạm phát LoRa.
Trong LoRa, t ỉ lệ Chirp phụ thuộc vào băng thông: tệ  lệ churp bằng với băng
thông ( một chirp/second/Hz băng thông). Mộ t vài chuỗi trong điều chế: việc tăng hệ số
tr ải phổ sẽ chia kho ảng cách t ần số một chirp (bằng 2SF chirp trên toàn bộ băng thông)
và thờ i gian sống của một symbol đượ c nhân lên g ấp đôi. Tuy nhiên, việ c chia hai t ỉ lệ
 bit, khi nhiều bit hơn sẽ đượ c vẫn chuyển trên mỗi symbol. Hơn thế  nữa, tỉ lệ symbol và
tỉ lệ bit đượ c cho bở i hệ số tr ải phổ tỉ lệ thuận với băng thông tầ n số, khi băng thông gấ p

đôi sẽ gấp đôi tỉ lệ truyền được. Điều này được đưa ra vởi phương trình dưới đây, l iên
hệ giữa thờ i gian sống của một symbol (Ts) với băng thông và hệ  số tr ải phổ.
2
 =





LoRa chứa mã hóa s ửa lỗi. Code rate (CR) b ằng 4/(4+n), vớ i n € {1,2,3,4}.

Phương trình sau cho phép tính toán tỉ  lệ bit (R  b).

 =  

2

  

Ví dụ, BW = 125 kHz, SF = 7, SR = 4/5 cho t ốc độ bit R  b = 5.5 kbps
Các thông số cũng ảnh hưở ng tới độ nhạy giải mã. Việc tăng băng thông làm cho

độ nhạy máy thu th ấp hơn, trong khi đó tăng hệ  số tr ải phổ sẽ tăng độ nhạy máy thu.
Giảm tốc độ mã hóa giúp gi ảm tỉ lệ lỗi packet khi có s ự ảnh hưở ng của nhiễu; ví dụ khi

8


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

 packet nhận đượ c vớ i tốc độ mã hóa là 4/8 s ẽ tăng khả năng chống nhiễu hơn so vớ i tín
hiệu đượ c vận chuyển vớ i tốc độ mã hóa là 4/5. B ảng 2.4 l ấy từ datasheet SX1276
SF

7

8

9

10

11

12

125 kHz

-123

-126

-129

-132

-133

-136

250 kHz

-120

-123

-125

-128

-130

-133

500 kHz

-116

-119

-122

-125

-128

-130

BW

 Bảng 2. 2: Độ nhạ y máy thu của LoRa (theo dBm) khi băng thông và hệ
 số  tr ải phổ  khác nhau.
c.3)

Định dạng frame vật lý

Mặc dù điều chế LoRa có thể truyền frame bất k ỳ, định dạng frame được xác định
và tiến hành theo thu và phát c ủa Semtech. Băng thông và hệ  số tr ải phổ là hằng số cho
một frame
Một frame đượ c bắt đầu vớ i một preamble. Preamble b ắt đầu vớ i một chuỗi hằng
số bắt đầu gọi là upchirps đượ c tr ải trên toàn băng thông tầ n số. Hai upchirps cu ối cùng

đượ c giải mã ký tự đống bộ (gọi là Sync word). Sync word có giá tr ị 1 byte, thường để
 phân biệt mạng LoRa khi s ử dụng cùng một băng thông tầ n số. Một thiết bị đượ c cấu
hình vớ i một sync word d ừng việc lắng nghe vi ệc vận chuyển nếu sync word không phù
hợ  p vớ i cấu hình. Sync word được đưa ra vởi 2.25 downchirps, có độ  dài 2.25 symbols.
Sau preamble, có m ột header tùy ch ọn. Khi đượ c bật header, header này đượ c gửi

đi vớ i tốc độ mã hóa là 4/8. Điề u này chỉ ra r ằng khối lượ ng của payload ( theo bytes), t ỉ
lệ mã hóa đượ c sử dụng cho cuối việc vận chuyển và liệu r ằng có hay không 16 bit CRC

cho payload có đượ c hiện diện cuối frame hay không. Kích thướ c của payload được lưu
tr ữ một byte, giớ i hạn kích thướ c của payload t ớ i 255 ký t ự. Header đượ c tùy chọn để

cho phép đượ c tắt trong tình hu ống liệu r ằng có cần thiết hay không, ví d ụ khi độ dài
 payload, tỉ lệ mã hóa và CRC.

9


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo
Header

Preamble

Payload

Payload CRC

(optional)

(optional)

CR = 4/8

CR = 4/(4+n)

 Hình 2. 4: C ấu  trúc frame của LoRa
Sự liên hệ giữa spreading factor (SF), coding rate (CR) và băng thông tín hiệ u
(BW), thờ i gian gửi dữ liệu trong không gian c ủa packet LoRa có th ể được tính toán như

dưới đây.
T s

1


 Rs

Thờ i hạn của packet LoRa là b ằng tổng của chuỗi preamble và packet đượ c gửi đi.

Độ dài của preamble được tính toán như sau:
T preamble



(npreamble



4.25)T sym

Trong đó n preamble là độ dài preamble c ủa chương trình, đượ c lấy từ thanh ghi
RegPreambleMsb và RegPreambleLsb. Thờ i

gian của payload phụ thuộc vào chế độ

header đượ c bật. Công thức dưới đây đưa ra số ký tự payload



 (8 PL  4SF  28 16CRC  20 IH ) 
(
C
R
4),
 
0



4(SF
2D
 E 
)





n payload  8  max  ceil 



Trong đó:







PL là số bytes của Payload (1 t ớ i 255)
SF là spreading factor (6 t ớ i 12)
IH =0 khi header đượ c bật, IH =1 khi không có header hi ện diện
DE =1 khi LowDataRateOptimize=1
CR là coding rate (1 tương ứ ng vớ i 4/5, 4 là 4/8)

Thờ i gian của Payload:
T payload



n payload T s

Thờ i gian trong không khí b ằng tổng thờ i gian của preamble và Payload
T packet



Tp re amble



T payloa d

10


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

2.1.2. Giao thứ c LoRaWAN
Hệ thống LoRa chưa 3 phầ n chính:






Thiết bị cuối (End-devices): các c ảm biến/cơ cấu chấp hành đượ c k ết nối thông ra
giao tiế p LoRa tớ i một hoặc nhiều Gateway
Lora Gateway: bộ tậ p trung dùng làm cầu nối từ các thiết bị cuối tớ i Servẻ, nó là
 phần tử trung tâm của kiến trúc mạng.
Lora NetServer: Server c ủa mạng điều khiển toàn bộ hệ thống (quản lý tài
nguyên, ki ểm soát truy c ậ p, bảo mật,…)
Hình 2.10 mô t ả các thi ết bị cuối đượ c k ết nối thông giao tiế p LoRa tớ i Gateway,

và sau đó đượ c k ết nối tớ i Server thông qua m ạng Internet.

 Hình 2. 5: Tiêu biể u cho mạng hình sao.

Điểm khác biệt của mạng LoRa là vi ệc hình dung 3 l ớ  p của thiết bị cuối, lớ  p A
(cho tất cả), lớ  p B (cho Beacon) và l ớ  p C (cho việc nghe liên t ục)




Lớp A được định nghĩa là chế độ ban đầu của mạng LoRa và phải đươc hỗ tr ợ bở i
các thiết bị LoRa. Trong m ạng lớ  p A, việc gửi đi luôn luôn đượ c bắt đầu bở i các thiết
 bị cuối. Sau mỗi lần dữ liệu đượ c gửi tớ i Gateway, thi ết bị cuối sẽ mở  2 cửa sổ tiế p
nhận, chờ  lệnh bất k ỳ hay gói d ữ liệu đượ c tr ả về bở i Server. Lớ  p A mục đích chính
được hướ ng tớ i cho các ứng dụng giám sát, nơi các dữ  liệu đượ c sản suất bở i các
thiết bị cuối, sau đó đượ c tậ p hợ  p bở i tr ạm điều khiển.
Lớp B đượ c giớ i thiệu dùng để uplink và downlink, được đồ ng bộ hóa vớ i Server
 bằng cách gửi gói dữ liệu broadcast b ở i Gateway l ớ  p B, và có th ể nhận dữ liệu hoặc
gói lệnh trong những thờ i gian riêng bi ệt, cho dù . Lớp B đượ c dử dụng cho các thi ết
11


Luận văn tốt nghiệ p



GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

 bị cuối cần nhận lệnh từ sự điều khiển từ xa chẳng hạn như chấ p hành, bật tắt hay cần
cung cấ p dữ liệu cho ngườ i sử dụng
Cuối cùng, Lớp C được định định nghĩa thiế t bị cuối không cần quá coi tr ọng về năng
lượ ng, nó có th ể duy trì cửa sổ tiế p nhận luôn mở 

2.2. Nguyên lý truyền và nhận dữ  liệu trong mạng LoRa
Giao tiế p LoRa k ết hợ  p của 3 loại giao tiế p số, thanh ghi tĩnh,  thanh ghi tr ạng thái
và data buffer FIFO. T ất cả đượ c k ết nối thông qua giao ti ế p SPI

2.2.1. Truyền dữ  liệu
Vào chế độ
Stand-by

Khởi tạo trạng
thái Tx

Viết data vào
FIFO

Đưa vào mode
Tx

Chờ cho
cờ IRQ
TxDone



Có Tx mới?

Không

Chuyển qua
mode mới

 Hình 2. 6:  Mô t ả nguyên lý truyề n d ữ liệu trong LoRa
-

Các thanh ghi tĩnh có thể đượ c truy cậ p ở  chế độ Sleep, Standby ho ặc FSTX

-

FIFO LoRa chỉ có thể được điền trong chế độ Standby

-

Việc vận chuyển dữ liệu đượ c bắt đầu bằng gửi yêu cầu chế độ TX

-

Chờ  cho cờ  ngắt TxDone , sau đo chuyể n sang ch ế độ Standby
12


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

2.2.2. Nhận dữ  liệu trong mạng LoRa
Vào chế độ
Stand-by

Khởi tạo trạng
thái Rx

Đưa vào mode
Rx

RxTimeout

Chờ cờ
ngắt
Rx?

RxDone



Cờ IRQ
Payload CRC
Error?

Không

Đọc data

Chuyển qua
mode mới

 Hình 2. 7:  Mô t ả nguyên lý nhận d ữ liệu trong LoRa
Việc nhận dữ liệu trong mạng LoRa cờ CRC đóng vai trò quan trọ ng trong việc

xác định dữ liệu nhận được có đúng hay không, giúp khắ c phục tình tr ạng chồng lấn hay
xung đột dữ liệu giữa hai hay nhi ều thiết bị cùng lúc.
2.2.3. Cách k ết nối giữ a node và Server
Luận văn đượ c xây dựng hai gói packet, m ột gói dữ liệu đượ c gửi từ node t ớ i
Server để gửi data thu thập đượ c từ node và m ột gói đượ c gửi ACK từ Server về node

để xác nh ận đã nhận đượ c data.

13


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

a) Cấu trúc gửi data tớ i Server
Cấu trúc gói packet (11 bytes) đượ c ghi vào FIFO và g ửi tớ i Server có c ấu trúc

như sau:
Địa chỉ Server
(3 bytes)

-

Địa chỉ node
(1 byte)

 Nhiệt độ
(2 bytes)

Độ ẩm
(2 bytes)

Khí CO
(2 bytes)

Lượ ng pin
(1 byte)

Địa chỉ Server (chiếm 3 bytes dữ liệu): tạo ra tớ i 224 địa chỉ dữ liệu, giúp
hạn chế sai sót trên Server

-

Địa chỉ node (chiếm 1 byte dữ liệu): Do có 3 thiết bị nên chỉ cần 1 byte là
đủ

-  Nhiệt độ (chiếm 2 byte dữ liệu): 1 byte cho nhi ệt độ nguyên, 1 byte cho

nhiệt độ phần thậ p phân
-

Độ ẩm (chiếm 2 byte dữ liệu): 1 byte cho độ ẩm nguyên, 1 byte cho độ ẩm
 phần thậ p phân.

-

Khí CO (chiếm 2 byte dữ liệu): cũng giống như nhiệt độ và độ ẩm, 1 byte
cho phần nguyên dương, 1 byte cho phầ n thậ p phân.

-

Lượ ng pin (chi ếm 1 byte dữ liệu): Do pin đầ y là 4.2V nên ch ỉ cần sử dụng
1 byte.

 b) Cấu trúc gửi ACK từ Server về node

Địa chỉ node
(1 byte)

Địa chỉ Server
(3 bytes)

ACK
(1 bytes)

-

Địa chỉ node (chiếm 1 byte): địa chỉ node gửi tr ả ACK

-

Địa chỉ Server ( chi ếm 3 bytes): Đị a chỉ của Server

-

Ack ( chi ếm 1 byte): quy đị nh bit ACK tr ả về.

2.3. Giớ i thiệu module, IC sử  dụng trong luận văn
2.3.1. Module LoRa
Module LoRa của hãng HopeRF và XIAMEN s ử dụng công ngh ệ điều chế LoRa,
module LoRa có th ể đạt độ nhạy tớ i -148dBm.

14


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

a)

b)

 Hình 2. 8:  Module LoRa RFM98 c ủa HopeRF (a) và SX1278 c ủa XIAMEN (b)
a) Thông số k ỹ thuật
Tần số hoạt động

433MHz

Cách điều chế 

LoRa/FSK/GFSK/OOK

Công suất phát

20dBm

Độ nhạy thu

-136dBm (LoRa, BW =125kHz, SF=12,CR=4/5)

Cường độ dòng phát

120mA (+20dBm)

Cường độ dòng ở Standby

0.2uA

Chuẩn giao tiế p

SPI

Khoảng cách trao đổi

Hơn 8000m @LoRa

Tr ở kháng anten

50 Ohm

 Nhiệt độ hoạt động

-20oC ~ 70oC

 Nguồn cung cấ p

1.8-3.7V

15


Luận văn tốt nghiệ p

GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo

 b) Thông số chân ra và ch ức năng

 Hình 2. 9:  Mô t ả chân của module Lora SX1278

Số

Tên

Kiểu chân

Mô tả chức năng

1

GND

Power

Ground

2

MISO

Input

Dữ liệu ra SPI

3

MOSI

Output

Dữ liệu vào SPI

4

SCK

Input

Dữ liệu clock SPI

5

NSS

Input

Chọn chip SPI

6

RESET

Input/Output

Reset

7

DIO5

Input/Output

Digital In/Out, cấu hình bở i phần mềm

8

GND

Power

Ground

9

ANT

-

Tín hiệu RF input/Output

10

GND

Power

Ground

11

DIO3

Input/Output

Digital In/Out, cấu hình bở i phần mềm

12

DIO4

Input/Output

Digital In/Out, cấu hình bở i phần mềm

13

3.3V

Power

Nguồn cung cấ p

14

DIO0

Input/Output

Digital In/Out, cấu hình bở i phần mềm
16


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×