ĐỀ TÀI: BÁO CÁO ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG LORA TRONG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG LORA TRONG GIÁM
SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
Sinh viên thực hiện:

1. Lại Tiến Cường
2. Giáp Anh Đức
3. Lê Văn Tuấn Linh
4. Nguyễn Đăng Thắng
5. Lê Xuân Tổng Tuần

Lớp: 63ĐTVT1
Khoa: Điện – Điện tử
Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Văn Hội
TS. Mai Văn Lập

Hà Nội, 5-2023


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................2
CHƯƠNG 1. Tổng quan về truyền thông Lora...............................................................3
1.1.

Giới thiệu về IOT...............................................................................................3

1.2.

Truyền thông LoRa...........................................................................................4

1.2.1.

LoRa............................................................................................................4

1.2.2.

LoRaWan....................................................................................................4

1.2.3.

Công nghệ LoRa.........................................................................................6

1.3.

Giám sát tham số mơi trường...........................................................................15

CHƯƠNG 2. Thiết kế mơ hình hệ thống...................................................................16
2.1.

Thiết kế hệ thống.............................................................................................16

2.2.

Chức năng hệ thống.........................................................................................16

2.3.

Lựa chọn linh kiện...........................................................................................17

2.3.1.

Raspberry pi 3...........................................................................................17

2.3.2.

Seeeduino LoRaWAN...............................................................................18

2.3.3.

Gateway module RHF0M301 – 868.........................................................19

2.3.4.

PRI 2 Bridge RHF4T002..........................................................................20

2.3.5.

Cảm biến bụi sharp gp2y1010..................................................................20

2.3.6.

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 11...........................................................21

CHƯƠNG 3. Chế tạo và lập trình thử nghiệm.........................................................22
3.1.

Chế tạo mạch điều khiển, hệ thống..................................................................22

3.2.

Lắp ráp hệ thống..............................................................................................23

3.3.

Lập trình thử nghiệm.......................................................................................24

3.4.

Thử nghiệm hệ thống.......................................................................................25

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................27
Tài liệu tham khảo.........................................................................................................28


MỞ ĐẦU

2


CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG LORA.

GIỚI THIỆU VỀ IOT

IOT (Internet of Things) là một hệ thống kết nối các thiết bị điện tử thông minh
với nhau thông qua internet, cho phép trao đổi dữ liệu và tương tác với nhau một cách
tự động và thông minh. Hệ thống IoT bao gồm các cảm biến, máy tính nhúng và các
thiết bị điều khiển, cho phép thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh và truyền tải

thông tin đến các hệ thống điều khiển.
Một hệ thống IoT cơ bản sẽ bao gồm các thành phần cơ bản sau:

Hình 1.1
 Things (Thiết bị): Tất cả các thiết bị trong hệ thống tham gia kết nối, chia sẻ
thông tin.
 Gateways (Trạm kết nối): Nơi kết nối các cụm thiết bị để truyền tải thông
tin đến hệ thống máy chủ hoắc đến các trạm kết nối khác.
 Network and Cloud (Hạ tầng mạng): Cơ sở hạ tầng nền tảng để xây dựng
hệ thống IOT.
 Services – creation and Solution Layers (Bộ phân tích và xử lý dữ liệu):
Máy chủ quản lý, phân tích dữ liệu trong thiết bị trong hệ thống, đưa ra mệnh lệnh,
giải pháp dựa trên chương trình có sẵn.
 Các giao thức thường dùng:
 CoAP (Constrained Application Protocol) là giao thức ràng buộc ứng dụng
của tập đoàn CoRE (Constrained Resource Environments) IETF.
 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ít an tồn hơn và được thiết
kế cho truyền tải giữa máy với máy)
3


 HTTP (giao thức web) chắc hẳn ai cũng biết cái này rồi. Và ứng dụng của
mình cũng sẽ sử dụng giao thức này để truyền dữ liệu giữa các thành phần.
 XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol ) hay cịn gọi là một
giao thức truyền tải thơng điệp, tin nhắn (message). Các thông điệp được trao đổi dưới
định dạng XML.
 LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): là một giao thức mạng được
thiết kế để kết nối các thiết bị truyền thông LoRa và quản lý việc truyền và nhận dữ
liệu trên mạng. LoRaWAN cung cấp một số tính năng như kiểm soát truy cập đa cấp,
bảo mật dữ liệu và quản lý thiết bị từ xa.

 Ứng dụng
 Quản lý chất thải
 Quản lý môi trường
 Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị





1.2.

Mua sắm thông minh
Quản lý các thiết bị cá nhân
Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp
Đồng hồ đo thơng minh
Tự động hóa ngơi nhà.

TRUYỀN THÔNG LORA

1.2.1. LoRa
LoRa là viết tắt của Long Range Ratio công nghệ truyền dữ liệu sử dụng
phương thức điều chế FSK, GFSK, OKK. Chi phí, tiêu thụ năng lượng thấp, tuổi thọ
của các thiết bị cao, lên đến 10 năm với môi trường hoạt động lý tưởng.
Khoảng cách truyền trong khơng gian tự do có thể lên đến 15km với mơi trường
khơng có vật cản và tầm nhìn thẳng. Trong mơi trường đơ thị với các tịa nhà cao tầng
khi đặt các trạm LoRa ở cách mặt đất từ 1,5 – 2m thì khoảng cách truyền và nhận
được là khoảng 1,5 – 2,5km.
Ứng dụng của LoRa rộng dải chỉ cần có kết nối Internet, bất cứ thiết bị nào yêu
cầu truyền tải, trao đổi dữ liệu thông tin đều có thể sử dụng cơng nghệ LoRa được.
1.2.2. LoRaWan

Giao thức LoRaWan:
LoRaWan là chuẩn giao tiếp dựa trên nền tảng công nghệ LoRa và được định
nghĩa và phát triển bởi tổ chức LoRa Alliance.
4


LoRa Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập để nghiên cứu và
định nghĩa các chuẩn giao tiếp LPWAN network dựa trên nền tảng LoRa. Hiện tại
LoRa Alliance đang phát triển chuẩn giao tiếp LoRaWan để kết nối hàng triệu thiết bị
IOT trong các ứng dụng Smart city, Smart meters,…
LoRaWAN là mạng diện rộng (Low Power Wide Area Network) sử dụng năng
lượng thấp trong mạng lưới khu vực, quốc gia hoặc tồn cầu. Nó nhắm tới mục tiêu là
các u cầu chính của Internet về truyền thơng hai chiều an toàn, các dịch vụ di động
và địa phương hóa. Thơng số LoraWAN cung cấp khả năng tương tác liên tục giữa các
thiết bị thông minh mà không cần cài đặt phức tạp tại địa phương, mang lại sự tự do,
chủ động cho người dùng, nhà phát triển, doanh nghiệp triển khai IOT.
Kiến trúc mạng LoRaWAN thường được bố trí trong Topo hình sao, trong đó
các cổng nối là cây cầu trong suốt chuyển tiếp các thông điệp giữa các thiết bị đầu cuối
và máy chủ mạng trung tâm trong phần phụ trợ. Cổng kết nối với máy chủ mạng thông
qua kết nối IP tiêu chuẩn trong khi các thiết bị đầu cuối sử dụng giao tiếp không dây
một chiều tới hoặc nhiều cổng. Tất cả truyền thông điểm cuối nói chung là hai hướng,
nhưng cũng hỗ trợ các hoạt động như nâng cấp phần mềm multicas cho khơng khí
hoắc các thơng điệp phân phối khác để giảm thời gian liên lạc trên không.
Truyền thông giữa các thiết bị đầu cuối và Gateway được trải ra trên các kênh
tần số khác nhau và tốc độ dữ liệu. Việc chọn tỷ lệ dữ liệu là sự cân bằng giữa khoảng
truyền thông và thời lượng thông điệp. Do công nghệ phổ lan rộng, truyền thông với
tốc độ dữ liệu khác nhau không can thiệp lẫn nhau và tạo ra một tập hợp các kênh ảo
làm tăng khả năng của Gateway. Tốc độ dữ liệu LoraWan dao động từ 0.3 kbps đến
50 kbps. Để tối đa hóa tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối và dung lượng mạng tổng thể,
máy chủ mạng LoRaWAN đang quản lý tốc độ dữ liệu và đầu ra RF cho từng thiết bị

đầu cuối riêng lẻ bằng một chương trình ADR.

5


Hình 1.2 Mơ hình mạng LoRaWAN
Hình 1.2 mơ tả hoạt động của hệ thống sử dụng LoRaWan. Giao thức LoraWan sẽ
giúp kết nối các thiết bị:
 Device node: Là các thiết bị cảm biến hoặc các thiết bị giám sát được lắp
đặt tại các vị trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về trung tâm.
 Gateway: là các thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các device node và
gửi lên một sever trung tâm để xử lý dữ liệu. Các thiết bị Gateway thường sẽ đặt tại
một vị trí có nguồn điện cung cấp và có các kết nối Internet để có thể gửi dữ liệu lên
server.
Ứng dụng mạng LoRa
 Điều khiển trong công nghiệp (Industrial Control)
 Đo lường (Metering)
 Môi trường (Environment)
 Thành Phố (Cities)
 Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture)
 Nhà và các cao ốc (Home & Buiding)
1.2.3. Công nghệ LoRa
LoRa sử dụng các băng tần vô tuyến dưới Gigahertz miễn phí như 169 Mhz,
433 Mhz, 868 Mhz và 915 Mhz.
LoRaWAN là một mạng không dây diện rộng được thiết kế để cho phép truyền
tầm xa với tốc độ truyền dữ liệu thấp ở các thiết bị sử dụng cảm biến hoạt động bằng
6


pin. Đặc điểm của nó là cơng suất thấp, tốc độ bit thấp và được thiết kế để kết nối

người dùng với doanh nghiệp, thu thập nhiều dữ liệu. Tốc độ truyền từ 0.3kb/s đến
50kb/s trên mỗi kênh truyền.
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu
nguyên 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, sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hóa
theo các chuỗi chirp signal ( là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian)
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
không cần công 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 mơi trường xung
quanh.
 Bảo mật
 Lý thuyết mã hóa AES
AES (advanced Encrytion Standard, hay Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến) là một
thuật tốn mã hóa khối được chính phủ Hoa Kỳ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa. Giống
như tiêu chuẩn tiền nhiệm DES, AES được kỳ vọng áp dụng trên phạm vi thế giới và
đã đươc nghiên cứu rất kỹ lưỡng. AES được chấp thuận làm tiêu chuẩn liên bang bởi
Viện tiêu chuẩn và công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) sau một q trình tiêu chuẩn
hóa kéo dài 5 năm.
AES chỉ làm việc với các khối dữ liệu (đầu vào và đầu ra ) 128 bits và khóa các
độ dài 128, 192, hoặc là 256 bits trong khi Rịjndael có thể làm việc và khóa có độ dài
bất kỳ là bội số của 32 bits nằm trong khoảng từ 128 đến 256 bits. Các khóa con sử
dụng trong các chu trình được tạo ra bởi q trình tạo khóa con Rijndeal. Mỗi khóa
con cũng là một cột gồm 4 bytes. Hầu hết các phép toán trong thuật toán AES đều thực
hiện trong một trường hữu hạn của các bytes. Mỗi khối dữ liệu 128 bits đầu vào được
chia thành 16 bytes (mỗi bytes 8 bits), có thể xếp thành 4 cột, mỗi cột 4 phần tử hay là
một ma trận 4x4 của các byte, nó được gọi là ma trận trạng thái, hay viết tắt là trạng
thái (state, trạng thái trong Rijndeal có thể có thêm cột). Trong q trình thực hiện
thuật toán các toán tử tác động để biến đổi ma trận trạng thái này.

 Mã hóa AES trong LoRaWAN
LoRaWAN biết 3 khóa bảo mật 128 bits riêng biệt. Khóa ứng dụng AppSkey
chỉ được biết bởi thiết bị và ứng dụng. Khi một thiết bị tham gia vào mạng, khóa phiên
7


ứng dụng AppSkey và khóa phiên mạng NwkSkey được tạo ra. Mã NwkSkey được
chia sẻ với mạng, Trong khi đó AppSkey được giữ bí mật. Các khóa này sẽ được sử
dụng trong suốt q trình làm việc.

Hình 1.3. Khóa và mã hóa trong LoRaWAN
Hình 1.3 cho thấy cách mà các khóa này được sử dụng. Các AppSkey được sử
dụng để mã hóa đầu cuối (end – to – end) của khung truyền tải. Thuật toán được sử
dụng cho điều này là AES – 128, tương tự như thuật toán được sử dụng trong tiêu
chuẩn 802.15.4.
LoRaWAN có nhiều loại thiết bị đầu cuối khác nhau để đáp ứng các nhu cầu
khác nhau được phản ánh trong nhiều ứng dụng.
Thiết bị đầu cuối định hướng hai chiều ( Class A): Thiết bị đầu cuối của lớp A
cho phép truyền thông hai chiều, Theo đó mỗi thiết bị truyền dẫn đường lên được theo
sau bởi hai cửa sổ nhận được đường xuống ngắn. Khoảng cách truyền dẫn theo thiết bị
đầu cuối được dựa trên nhu cầu truyền thơng của riêng mình với một biến thể nhỏ dựa
trên cơ sở thời gian ngẫu nhiên ( ALOHA – Loại giao thức). Hoạt động của Class A
này là hệ thống thiết bị đầu cuối thấp nhất cho các ứng dụng mà chỉ cần truyền thông
đường xuống từ máy chủ ngay sau khi thiết bị đầu cuối gửi một đường truyền lên. Liên
lạc đường xuống từ máy chủ tại bất kỳ thời gian nào khác sẽ phải chờ cho đến khi
đường lên kế tiếp theo kế hoạch.
Thiết bị đầu cuối có định hướng hai chiều với các khe tiếp nhận theo lịch trình
(Lớp B): Ngồi các cửa sổ nhận ngẫu nhiên Class A, các thiết bị lớp B mở các cửa sổ
nhận thêm vào các thời gian theo lịch. Để thiết bị đầu cuối mở cửa sổ nhận vào đúng
thời gian, nó sẽ nhận được Beacon đồng bộ hóa thời gian từ Gateway. Điều này cho

phép máy chủ biết khi thiết bị đầu cuối đang nghe.
Thiết bị đầu cuối có định hướng hai chiều với khe tiếp nhận cực đại (Class C):
Thiết bị cuối của Class C gần như liên tục mở các cửa sổ nhận, chỉ đóng lại khi truyền.
8




LoRa trong mơ hình OSI

Mơ hình OSI
Mơ hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, Viết ngắn là OSI
Model hoặc OSI Reference Model) tạm dịch là mơ hình tham chiếu kết nối các hệ
thống mở - là một thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lý giải một cách trừu tượng kỹ
thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức mạng giữa chúng.
Mơ hình này đươc phát triển thành một phần trong kế hoạch kết nối các hệ thống mở
(Open Systems Interconnection) do ISO và IUT – T khởi xướng. Nó cịn được gọi là
mơ hình bảy tầng của OSI như hình Hình 1.4 dưới đây

Hình 1.4. Mơ hình OSI
 Các tầng của mơ hình OSI:
 Tầng 1: Tầng vật lý (Physical Layer) định nghĩa các đặc tả về điện và vật lý
cho các thiết bị. Trong đó bao gồm bố trí các chân cắm (pin), các hiệu điện thế và các
đặc tả về cap nối (cable).

9


 Tầng 2: Tầng liên kết dữ liệu ( Data – Link Layer) cung cấp các phương tiện
có tính chức năng và quy trình để truyền dữ liệu giữa các thực thể mạng ( truy cập

đường truyền, đưa dữ liệu vào mạng ) , phát hiện và có thể sửa chữa các lỗi trong tầng
vật lý nếu có.
 Tầng 3: Tầng mạng ( Network Layer) cung cấp các chức năng và quy trình
cho việc truyền các chuỗi dữ liệu có độ dài đa dạng, từ một nguồn tới một đích, thơng
qua một hoặc nhiều mạng, trong khi vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (quality of service)
mà tầng giao vận yêu cầu.
 Tầng 4: Tầng giao vận (Transport Layer) cung cấp dịch vụ chuyên dụng
chuyển dữ liệu giữa các người dùng tại đầu cuối, nhờ đó các tầng trên khơng phải quan
tâm đến việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu đáng tin cậy và hiệu quả.
 Tầng 5: Tầng Phiên ( Sesion Layer) kiểm soát các (phiên) hội thoại giữa các
máy tính. Tầng này thiết lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa trình ứng dụng địa
phương và trình ứng dụng ở xa.
 Tầng 6: Tầng trình diễn (Presentation Layer) hoạt động như tầng dữ liệu trên
mạng. Lớp này trên máy tính truyền dữ liệu làm nhiệm vụ dịch dữ liệu được gửi từ
tầng Application sang dạng Format chung.
 Tầng 7: Tầng ứng dụng (Application Layer) là tầng gần với người sử dụng
nhất . Nó cung cấp phương tiện cho người dùng truy nhập các thông tin và dữ liệu trên
mạng thơng qua chương trình ứng dụng.

Hình 1.5. Mơ hình LoRaWAN

10


Giao thức LoRa sẽ giúp kết nối, trao đổi dữ liệu với sensor, mã hoá
dữ liệu và truyền lên Network Server như hình 3.
LoRa nằm ở lớp vật lý của mơ hình OSI. Chức năng chính của nó thực hiện là
điều chế (modulation), biến đổi giữa tín hiệu số (digital data) của thiết bị (sensor) và
các tín hiệu tương ứng được truyền qua kênh truyền (communication channel).
 Cấu trúc gói tin

 Cấu trúc gói tin gửi đi

Hình 1.6. Cấu trúc một gói tin khơng dây
Một gói tin truyền khơng dây thường có cấu trúc được mơ tả như trong hình 4,
về cơ bản thì nó thường gồm có bốn thành phần chính là: preamble, header, payload và
CRC.
a) Preamble: Byte đầu tiên của khung truyền là một dãy bit được sử dụng để
xác định mức logic 0 hoặc 1 của gói tin truyền đi. Nếu bit đầu tiên trong địa chỉ là 1 thì
nó được thiết lập một cách tự động là 10101010 và nếu bit đầu tiên là 0 thì nó được
thiết lập là 01010101.
b) Header: Đây là địa ch‚ cấu hình cho bên phát và nhận. Thơng qua địa ch‚ ta
biết được gói tin có phải của mình hay không. Địa chỉ‚ sử dụng ở đây được đánh từ 3
đến 5 bytes.
c) Payload: Đây là nơi chứa dữ liệu của gói tin. Dữ liệu nhỏ nhất là 0 byte và
lớn nhất là 32 byte. Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng.
d) Payload CRC: CRC là viết tắt của Cyclic Redundancy Check là một loại
hàm băm, được dùng để sinh ra giá trị kiểm thử, của một chuỗi bit có chiều dài ngăn
và cố định, của các gói tin vận chuyển qua mạng hay một khối nhỏ của tệp dữ liệu.
CRC là cơ chế phát hiện lỗi gói và được sử dụng rất phổ biến, vì nó rất đơn giản để lắp
đặt trong các máy tính sử dụng hệ cơ số nhị phân, dễ dàng phân tích đúng và rất phù
hợp.
 Cấu trúc gói tin ACK

Hình 1.7. Cấu trúc gói tin ACK

11


Cấu trúc gói tin ack trả về từ phía thu được mơ tả như trong hình 5, cấu trúc của
nó cũng giống như của gói tin gửi đi đó là gồm 4 phần: preamble, header, nội dung

ACK và CRC.
a) Preamble: Byte đầu tiên của khung truyền là một dãy bit được sử dụng để
xác định mức logic 0 hoặc 1 của gói tin truyền đi. Nếu bit đầu tiên trong địa ch‚ là 1
thì nó được thiết lập một cách tự động là 10101010 và nếu bit đầu tiên là 0 thì nó được
thiết lập là 01010101.
b) Header: Đây là địa chỉ cấu hình cho bên phát và nhận. Thơng qua địa chỉ ta
biết được gói tin có phải của mình hay khơng. Địa chỉ sử dụng ở đây được đánh từ 3
đến 5 bytes.
c) ACK: Đây là nơi chứa dữ liệu ACK của gói tin. Dữ liệu nhỏ nhất là 0 byte
và lớn nhất là 32 byte. Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng.
d) CRC ACK: CRC là viết tắt của Cyclic Redundancy Check là một loại hàm
băm, được dùng để sinh ra giá trị kiểm thử, của một chuỗi bit có chiều dài ngắn và cố
định, của các gói tin vận chuyển qua mạng hay một khối nhỏ của tệp dữ liệu. CRC là
cơ chế phát hiện lỗi gói và được sử dụng rất phổ biến, vì nó rất đơn giản để lắp đặt
trong các máy tính sử dụng hệ cơ số nhị phân, dễ dàng phân tích đúng và rất phù hợp.
 Băng tần: Hiện tại, LoraWAN hoạt động trong dải tần số chưa được sử
dụng. Mọi cá nhân, tổ chức có thể sử dụng dải tần này cho mục đích nghiên cứu, phát
triển, thương mại mà khơng phải trả phí khai thác. Tương tự như WiFi, sử dụng băng
tần ISG 2,4 GHz và 5GHz, bất cứ ai cũng được phép thiết lập bộ định tuyến WiFi và
truyền tín hiệu WiFi mà khơng cần được cấp phép. LoraWAN sử dụng dải tần số 863870 MHz và 433 MHz cho khoảng cách truyền xa.

Hinh 1.6 Băng tần LoRa trên thế giới
Hình 1.6 miêu tả chi tiết băng tần truyền nhận của LoRa ở các quốc gia trên thế
12


giới. Ta có thể thấy sự khác nhau ở các khu vực, các châu lục. Điều này xảy ra là do
tránh việc xung đột băng tần cũng như phụ thuộc vào ứng dụng của LoRa triển khai tại
các khu vực khác nhau mà băng tần có sự khác nhau. Cụ thể như sau:

Các dải tần số LoRa ở các khu vực khác nhau trên thế giới. Ở Bắc Mỹ, Châu
Âu, Châu Đại Dương có xu hướng sử dụng tần số lớn (868, 915 Mhz). Các vùng còn
lại sử dụng tần số nhỏ hơn (315 – 433Mhz)
Ở châu Âu: LoraWAN sử dụng băng tần 868 MHz. Có 3 kênh 125 kHz thường
được sử dụng cho băng tần 868 MHz (868.10, 868.30 và 868.50 MHz). Tất cả các thiết
bị thu phát Lora phải hỗ trợ các kênh này. Chúng tạo thành tập hợp các kênh mà tất cả
thiết bị đều có thể sử dụng để kết nối với mạng.
Tại Hoa Kỳ, LoraWAN hoạt động trong dải tần số 902 - 928 MHz. Không
giống
Châu Âu, các dải tần ở Mỹ quy định Uplink và Downlink. Dải được chia thành 8 dải
phụ có mỗi kênh có đường truyền lên đến 8x125 kHz, kênh Uplink 1x500 kHz và
Downlink 1x500 kHz.
Tại Úc sử dụng băng tần 915-928 MHz. Băng tần này có đặc điểm khá giống
như Băng tần 902-928 MHz của Mỹ, chỉ khác là tần số Uplink của nó cao hơn.
Tại Trung Quốc, nước này sử dụng hai băng tần khác nhau: Băng tần 779-787
MHz hoạt động tương tự như các dải châu Âu, cũng có ba kênh thơng thường 125 kHz
(779.5, 779.7 và 779.9 MHz). Băng tần 470-510 MHz của Trung Quốc hoạt động
tương tự như các băng tần của Mỹ. Có 96 kênh Uplink và 48 kênh Downlink.
Tại Châu Á, băng tần LoRa được sử dụng theo tiêu chuẩn CN470 - 510, AS920
-923, AS923 – 925.
 Điều chế và tốc độ truyền dữ liệu
Trong hầu hết các trường hợp, LoraWAN sử dụng phương thức điều chế Lora.
Điều chế Lora dựa trên công nghệ Chirp Spread Spectrum (CSS), làm cho nó hoạt
13


động tốt với nhiễu kênh, hiệu ứng fading đa đường và hiệu ứng Doppler, dù hoạt động
ở mức năng lượng thấp.
Tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào băng thông và hệ số truyền lan (Spreading
Factor). LoraWAN có thể sử dụng các kênh có băng thơng từ 125 kHz, 250 kHz hoặc

500 kHz, tùy thuộc vào khu vực. Hệ số lan truyền được chọn bởi thiết bị đầu cuối và
ảnh hưởng đến thời gian cần thiết để truyền khung.
 Các đặc tính chính của điều chế LoRa
- Băng thơng có thể mở rộng: điều chế LoRa có thể mở rộng cả băng thơng lẫn
tần số. Nó có thể sử dụng cả trong dải tần số hẹp và dải tần số rộng. Không giống như
việc điều chế dải hẹp và dải rộng đã có, LoRa có thể dễ dàng điều chỉnh chọn một
trong hai phương thức trên chỉ với vài thao tác thay đổi đăng kí cấu hình.
- Đường bao hằng / Năng lượng thấp: Tương tự như FSK, LoRa sử dụng điều
chế đường bao hằng, có nghĩa là cùng một chi phí thấp và giai đoạn PA có cơng suất
sử dụng năng lượng thấp có thể được sử dụng lại mà khơng cần thay đổi. Ngồi ra,
nhờ việc xử lý kết hợp của LoRa, công suất đầu ra của máy phát có thể được giảm so
với một liên kết FSK thơng thường trong khi duy trì được mức năng lượng sẵn có
tương tự thậm chí hơn.
- Độ vững chắc cao: Do BT > 1 và bản chất không đồng bộ của nó nên tín hiệu
Lora rất bền với các tín hiệu nhiễu cả trong và ngồi dải. Vì chu kỳ ký hiệu Lora có thể
dài hơn so với cụm thời gian ngắn của hệ thống FHSS, nó cung cấp một hệ miễn dịch
tuyệt vời với những cơ chế nhiễu AM.
- Đa đường dẫn / chống Fading: Tín hiệu chirp có dải sóng tương đối rộng nên
Lora có thể miễn nhiễm với các hiện tượng đa đường và fading, khiến Lora trở nên lý
tưởng khi sử dụng trong thành phố và vùng ngoại ô, nơi mà chủ yếu xảy ra các hiện
tượng trên.
- Sự kháng lại Doppler: sự dịch chuyển Doppler gây ra sự thay đổi tần số nhỏ
trong xung LoRa. Dịch chuyển Doopler tạo ra một khe tần số nhỏ ở xung của Lora,
một khe không đáng kể trên trục thời gian của tín hiện băng thơng cơ sở. Lora là lý
tưởng cho những đường truyền giao tiếp dữ liệu di động như hệ thống không dây giám
sát áp suất lốp xe, hay những máy đọc nhãn nhỏ gọn và thông dụng, hệ thống giao tiếp
cho hạ tầng đường sắt.
- Khả năng dải rộng: Với một năng lượng đầu ra và thơng lượng đã được cố
định, năng lượng sẵn có của Lora trội hơn so với phương thức truyền thống FSK. Khi
hoạt động có nhiễu và fading dựa trên sự vững chắc đã được chứng minh, sự cải thiện

về năng lượng sẵn có có thể tăng dải hoạt động của nó lên 4 lần hoặc hơn thế.

14


- Dung lượng mạng tăng: Điều chế Lora Semtech dùng các hệ số trải phổ trực
giao giúp nhiều tín hiệu có thể được gửi đi trên cùng một kênh mà khơng phải giảm
tối thiểu độ nhạy phía thu.
- Ranging / Localization: Tính chất vốn có của Lora là khả năng phân biệt một
cách tuyến tính giữa sai số tần số và sai số thời gian. Phương pháp điều chế Lora là lý
tưởng trong các ứng dụng về radar và vì thế nó rất phù hợp với những ứng dụng xác
định phạm vi và vị trí chẳng hạn như các dịch vụ định vị thời gian thực.
1.3.

GIÁM SÁT THAM SỐ MÔI TRƯỜNG

Hiện nay, biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng đang được thế
giới quan tâm hàng đầu . Theo NOAA, trong năm 2021, nhiệt độ trung bình tồn cầu
tăng 0,84 độ C so với mức trung bình của thế kỷ XX và là năm có nhiệt độ cao thứ 6
tính từ khi thống kê bắt đầu được tiến hành vào năm 1880. Hàng năm biến đổi khí hậu
gây thiệt hại rất lớn cho nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Biến đổi
khí hậu gây thiệt hại lớn về con người, tài sản, kinh tế, chính trị,…
Bên cạnh vấn đề biến đổi khí hậu thì vấn đề về ơ nhiễm khơng khí cũng là một
vấn đề đang được tồn cầu quan tâm. Nó làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cũng
là một tác nhân ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu tồn cầu.
Vì vậy nhóm em đã ứng dụng cơng nghệ sóng LoRa trong giám sát tham số mơi
trường. Nhóm em đã ứng dụng sóng LoRa để giám sát những tham số về nhiệt độ, độ
ẩm và nồng độ bụi trong khơng khí. Hỗ trợ cho việc giám sát sự biến đổi của khí hậu
tồn cầu nói chung và khí hậu Việt Nam nói riêng, kịp thời đưa ra những giải pháp
khắc phục hậu quả do biến đổi khí hậu và ơ nhiễm khơng khí.

15


16


CHƯƠNG 2.
2.1.

THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
2.2.

CHỨC NĂNG HỆ THỐNG

Như đã trình bày ở phần 2.1, phần cứng của hệ thống gồm hai khối chính đó là
khối Node và khối Gateway.
 Khối Node gồm có Vi điều khiển ( Seeeduino LoRaWan) và Cảm Biến
(DHT11; PM2.5 GP2Y1010):
 Vi điều khiển: Là một bo mạch phát triển Arduino dựa trên chip Atmel
AVR. Nó được sử dụng để điều khiển cảm biến và gửi dữ liệu về gateway thông qua
giao thức LoRa.
 Cảm Biến: Được sử dụng để đo nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ bụi trong
khơng khí. Cảm biến DHT được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm, trong khi cảm biến
PM2.5 GP2Y1010 được sử dụng để đo nồng độ bụi trong khơng khí.
 Khối Gateway: là một thiết bị kết nối các node và server. Nó được sử dụng

để thu thập dữ liệu từ các node thông qua giao thức LoRa và gửi dữ liệu lên server
thông qua mạng Internet.
 Server: Được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu thập được từ các node thơng
qua gateway. Nó cũng có chức năng xử lý và hiển thị dữ liệu trên web hoặc ứng
dụng di động.

17


 GPS: GPS được sử dụng để xác định vị trí của node và gửi dữ liệu về
server. Nó cũng có thể được sử dụng để định vị vị trí của các thiết bị di động sử
dụng ứng dụng.
 Ứng dụng di động (Application): Ứng dụng di động được sử dụng để hiển
thị thông tin về môi trường, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ bụi. Nó cũng có
thể hiển thị vị trí của các thiết bị di động sử dụng ứng dụng.
 Mạng (Network): Mạng được sử dụng để truyền thông giữa các node,
gateway, server và các thiết bị di động sử dụng ứng dụng. Trong trường hợp này,
mạng sử dụng giao thức LoRa để truyền dữ liệu.
2.3.

LỰA CHỌN LINH KIỆN

2.3.1. Raspberry pi 3

Hình 2.2 Raspbery pi 3
Thông số Kỹ thuật
 Vi xử lý: Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC
@1.4GHz
 RAM: 1GB LPDDR2 SDRAM
 Kết nối: 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth

4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps).
 Cổng USB: 4 x 2.0
 Mở rộng: 40-pin GPIO
 Video và âm thanh: 1 cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display, cổng
MIPI CSI Camera, cổng stereo output và composite video 4 chân.
 Multimedia: H.264, MPEG-4 decode (1080p30), H.264 encode (1080p30);
OpenGL ES 1.1, 2.0 graphics
 Lưu trữ: MicroSD
18


 Nguồn điện sử dụng: 5V/2.5A DC cổng microUSB, 5V DC trên chân
GPIO, Power over Ethernet (PoE)  (yêu cầu thêm PoE HAT).
2.3.2. Seeeduino LoRaWAN

Hình 2.3
Mục
vi điều khiển

Giá trị
ATSAMD21G18, ARM Cortex M0+ 32
bit

điện áp hoạt động

3,3V

Chân I/O kỹ thuật số

20

Chân PWM

Tất cả trừ chân 2 và 7

UART

2 (Tự nhiên và Lập trình)

Chân đầu vào tương tự

6 kênh ADC 12-bit

Chân đầu ra tương tự

1, bộ giải mã 10-bit

Ngắt bên ngoài

Tất cả các chân ngoại trừ chân 4

Dòng DC trên mỗi chân I/O

7mA

Bộ nhớ flash

256KB

SRAM

32KB

EEPROM

Khơng có

Tốc độ đồng hồ

48 MHz

chiều dài

68 mm

Chiều rộng

53 mm

Cân nặng

19,6g (khơng có GPS), 19,9 (có GPS)

19