NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG IOT GATEWAY PHỤC VỤ TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ</b>

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

<b>NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG IOT GATEWAY PHỤC VỤTRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO</b>

Ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thơng

<i>Sinh viên thực hiện:</i>

<b>Hồng Trung Thơng</b>

Lớp: DT3A

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ

<b>HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ</b>

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

<b>NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG IOT GATEWAY PHỤC VỤTRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO</b>

Ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thơng

<i>Sinh viên thực hiện:</i>

<b>Hồng Trung Thơng </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<i>Người hướng dẫn :</i>

<b>TS. Trần Ngọc Quý </b>

Khoa Điện tử Viễn thông – Học viện Kỹ thuật Mật mã

<b>Hà Nội, 2023</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Sau quá trình học tập và rèn luyện tại trường em đã tiến hành thực hiện đề tài đồ án

<i><b>tốt nghiệp “Nghiên cứu, xây dựng IoT Gateway phục vụ trong nông nghiệp công</b></i>

<i><b>công nghệ cao” , do TS. Trần Ngọc Quý hướng dẫn.</b></i>

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã dạy cho em những kiến thức cơ bản, những bài học, những

<b>kinh nghiệm quý báu để em thực hiện đề tài. Đặc biệt, em xin cảm ơn TS. TrầnNgọc Quý, người đã giúp đỡ và hướng dẫn em tận tình trong suốt quá trình thực</b>

hiện đồ án.

Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý và giúp đỡ của các thầy cô trong hội đồng đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày...tháng...năm 2023

<b>Sinh viên thực hiện</b>

<b>Hồng Trung Thơng</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<i><b>NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN...i</b></i>

1.2.1. Khái niệm về IoT Gateway...2

1.2.2. Sơ đồ tổng quát của IoT Gateway...4

<b>1.2. Các tính năng chính của IoT Gateway...5</b>

<b>1.3. Các cơng nghệ thiết kế IoT Gateway...7</b>

1.3.1 Thiết kế khối điều khiển trung tâm...7

1.3.2. Các công nghệ truyền thông...8

a. Từ IoT Gateway đến IoT...8

b. Từ IoT Gateway đến Cloud...9

<b>1.4. Giao thức đa truy nhập...10</b>

<b>1.5. Các IoT Gateway hiện nay...12</b>

1.5.1. Gateway 4G/5G công nghiệp Teltonika TRB500...12

1.5.2. IoT Lotoda Gateway...13

<i><b>CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ IOT GATEWAY...13</b></i>

<b>2.1. Sơ đồ tổng quát thiết kế IoT Gateway...13</b>

2.1.1. Chức năng yêu cầu...13

2.1.2. Sơ đồ tổng quát thiết kế...13

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

a. Khung truyền của Module LoRa Ra – 02...16

b. Giao thức truyền LoraWAN...18

2.2.2. IoT Gateway nhận dữ liệu từ nhiều IoT Node áp dụng giao thức TDMA...19

a. Xác định Tổng Thời Gian Chia...19

b. Chia Thời Gian cho Nodes...20

c. Đồng Bộ Hóa Thời Gian...21

2.2.3. IoT Gateway gửi dữ liệu lên Cloud Firebase...21

2.2.4. Lưu đồ thuật toán IoT Gateway...22

<b>2.3. Thiết kế IoT Node...23</b>

2.3.1. IoT Node gửi dữ liệu đến IoT Gateway...23

2.3.2. Lưu đồ thuật toán Node...24

<b>2.4. Thiết kế cơ sở dữ liệu để lưu trữ dữ liệu với Firebase...26</b>

a. Các trường firebaseHost và firebaseAuth...28

b. Các trường dữ liệu từ cảm biến...29

c. Quá trình cập nhật dữ liệu...30

<b>2.5. Thiết kế giao diện ứng dụng quản lý cho IoT Gateway...30</b>

<i><b>CHƯƠNG 3. TRIỂN KHAI IOT GATEWAY, THỬ NGHIỆM...33</b></i>

<b>3.1. Triển khai IoT Gateway...33</b>

3.1.1. Linh kiện phần cứng...33

a. Module ESP32 DEVKIT V1 - DOIT...33

b. Module LoRa Ra-02...39

c. LCD 1602 và module I2C...40

d. Phần mềm Arduino IDE...42

e. Phần mềm Altium...43

3.1.2. Sơ đồ thiết kế mạch...45

a. Sơ đồ mạch nguyên lý IoT Gateway...45

b. Chức năng các khối của Gateway...45

c. Mạch 3D thiết kế...46

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

3.2.2. Chức năng các khối nguyên lý các Node...47

3.3.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm...57

<i><b>KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...59</b></i>

<i><b>TÀI LIỆU THAM KHẢO...61</b></i>

<i><b>PHỤ LỤC...62</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

IoT Internet of Things

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet Protocol

PCB Printed circuit board WIFI Request for Comments

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter I2C Inter-Integrated Circuit

SPI Serial Peripheral Interface

IDE Integrated Development Environment GPIO General Purpose Input Output

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 1.1. IoT Gateway...3

Hình 1.2. Sơ đồ tổng qt của IoT Gateway...4

Hình 1.3. Các tính năng của IoT Gateway...6

Hình 1.4. Các giao thức đa truy nhập...11

Hình 1.5. Teltonika TRB500...13

Hình 1.6. IoT Lotoda Gateway...13

Hình 2.1. Sơ đồ thiết kế tổng quát IoT Gateway...14

Hình 2.2. Phân chia khe thời gian TDMA...20

Hình 2.3. Chia khung thời gian thành các khe bằng nhau...20

Hình 2.4. Lưu đồ thuật tốn IoT Gateway...22

Hình 2.5. Giải thích lưu đồ thuật tốn IoT Gateway...23

Hình 2.6. Lưu đồ thuật tốn tại Node...25

Hình 2.7. Giải thích lưu đồ tại IoT Node...26

Hình 2.8. Firebase...27

Hình 2.9. Ví dụ về cách tổ chức dữ liệu của Firebase...28

Hình 2.10. Ví dụ về cấu trúc hiển thị dữ liệu mỗi node...29

Hình 2.11. Thiết kế giao diện hiển thị...31

Hình 2.12. Giao diện hiển thị của ứng dụng...32

Hình 3.1. Module ESP32 DEVKIT V1 - DOIT...33

Hình 3.2. Sơ đồ chân của module ESP32 DEVKIT V1...34

Hình 3.3. Module LoRa Ra-02...39

Hình 3.4. LCD 1602 và module I2C...41

Hình 3.5. Sơ đồ kết nối LCD1602 và module I2C...41

Hình 3.6. Giao diện của ứng dụng khi khởi động...42

Hình 3.7. Giao diện Library Manager...43

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Hình 3.10. Khối xử lý Gateway...45

Hình 3.11. Khối Lora Gateway...46

Hình 3.12. Khối hiển thị, cảnh báo...46

Hình 3.13. Khối hạ áp Gateway...46

Hình 3.14. Mạch 3D thiết kế...47

Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mạch tại IoT Node...47

Hình 3.16. Khối điều khiển...48

Hình 3.28. Sản phẩm IoT Node hồn chỉnh...54

Hình 3.29. Sản phẩm IoT Gateway và Node hồn chỉnh...54

Hình 3.31. Thử nghiệm truyền nhận thực tế...55

Hình 3.34. Đẩy dữ liệu lên Firebase...55

Hình 3.35. Hiển thị thơng số trên app theo dõi và điều khiển...56

Hình 3.36. Biểu đồ theo dõi dữ liệu...56

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật module ESP32 DEVKIT V1 - DOIT...33 Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật LCD 1602...41 Bảng 1.3. Đánh giá kiểm thử chức năng...57 Y

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Internet vạn vật (IoT) là hệ thống mạng liên kết các đối tượng và thiết bị thông qua sự sử dụng cảm biến, phần mềm và các công nghệ tiên tiến khác, cho phép chúng thu thập và chia sẻ dữ liệu với nhau. IoT mở rộng ảnh hưởng của mạng internet tới mọi đối tượng kết nối, không chỉ giới hạn trong phạm vi của một máy tính. Khi một đối tượng được kết nối với internet, nó trở thành "thơng minh" hơn, có khả năng truyền và/hoặc nhận thơng tin, và tự động thực hiện các hành động dựa trên thơng tin đó.

Các thiết bị IoT có thể là các đối tượng được trang bị cảm biến để thu thập thông tin về môi trường xung quanh (tương tự như các giác quan), các hệ thống điều khiển hoặc máy tính nhận dữ liệu và phát ra lệnh cho các thiết bị khác, hoặc thậm chí có thể tích hợp cả hai chức năng trên cùng một đối tượng.

Internet of Things (IOT) đã trở thành một hướng đi thông minh trong nông nghiệp. Hệ thống này giúp giảm áp lực tìm kiếm nhân cơng, từ đó giảm sự cần thiết về nguồn lực nhân công. Tuy nhiên, chúng ta không có vấn đề về chất lượng khi giám sát thực trạng và các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng, bởi thơng qua hệ thống cảm biến, chúng ta có thể tiếp cận với một cách đầy đủ và chính xác các dữ liệu như nhiệt độ, độ ẩm đất, mức độ ánh sáng, và nhiều thông tin quan trọng khác. Chính điều này đã giúp nâng cao hiệu suất và tăng năng suất trong sản xuất nông nghiệp, giúp cho ngành này trở nên phát triển bền vững hơn.

IoT Gateway là thiết bị được sử dụng để xoay quanh cầu nối giữa các thứ của Internet of Things một mặt và mạng (bộ định tuyến, trạm cơ sở, v.v.) , cloud và / hoặc cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu.

IoT Gateway công nghiệp cho phép kết nối không dây của các thiết bị công nghiệp cũ và từ xa với cơ sở hạ tầng thông minh thế hệ tiếp theo. IoT Gateway công nghiệp được thiết kế chắc chắn và dành cho các hệ thống quan trọng và môi trường công nghiệp nơi các nút cảm biến hoặc thiết bị I / O được sử dụng để thu thập dữ liệu. IoT Gateway có thể được định cấu hình với một loạt các giao thức

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

thiết bị I / O.

IoT Gateway công nghiệp là chúng giảm bớt gánh nặng đặt lên cloud và các trung tâm dữ liệu từ việc phải xử lý khối lượng lớn dữ liệu được tạo ra bởi các cảm biến và thiết bị IIoT. Họ có thể thu thập, lọc, xử lý và phân tích dữ liệu cục bộ, loại bỏ nhu cầu gửi tất cả dữ liệu thô được thu thập lên cloud để xử lý và phân tích.

Nhận thấy được tiềm năng ứng dụng cao và sự thuận lợi của IoT trong

<i><b>ngành nông nghiệp nên em đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng IoT</b></i>

<i><b>Gateway phục vụ trong nông nghiệp công nghệ cao”.</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT</b>

<b>1.1. Đặt vấn đề</b>

Ngành nông nghiệp là một ngành truyền thống của nước ta nhưng hiện vẫn chưa đạt được sự phát triển mạnh mẽ. Nguyên nhân chủ yếu là do lối canh tác truyền thống, đối mặt với nhiều hạn chế và thiếu hiệu quả. Để đổi mới và thúc đẩy sự phát triển, việc áp dụng công nghệ và kỹ thuật mới trở thành một hướng đi quan trọng, mang đến "làn gió mới" cho ngành nơng nghiệp của chúng ta. Sự ứng dụng của Internet of Things (IoT) trong lĩnh vực nông nghiệp hứa hẹn mang lại nhiều ưu điểm cho người nông dân, đặc biệt là trong việc nâng cao hiệu quả trồng trọt và kinh tế. Trong bối cảnh khí hậu ngày càng trở nên khắc nghiệt, việc tự theo dõi thời tiết và can thiệp để chăm sóc cây trồng theo sự biến đổi của khí hậu địi hỏi nhiều thời gian và cơng sức, và thường không đạt được hiệu quả cao. Tuy nhiên, sự can thiệp của máy móc và hệ thống cảm biến có thể giúp người nơng dân giám sát một cách chính xác và hiệu quả nhất.

Hiện nay, IoT được tích hợp vào nông nghiệp ở mọi giai đoạn, từ sản xuất đến đóng gói và phân phối nơng sản đến người tiêu dùng. Nhận ra lợi ích và tính ứng dụng cao của IoT trong ngành nông nghiệp, đặc biệt là đối với quản lý cây trồng, tôi đã quyết định chọn đề tài "Nghiên cứu và xây dựng IoT Gateway phục vụ trong nông nghiệp công nghệ cao". Hệ thống này sẽ thu thập thông tin, dữ liệu từ các cảm biến thông qua các IoT node, truyền thông qua kết nối LoRa đến trung tâm xử lý của IoT Gateway. Dữ liệu sau đó sẽ được gửi lên Cloud và hiển thị trực tiếp cho người dùng thông qua ứng dụng Blynk. Ý tưởng cốt lõi này hứa hẹn mang lại sự tiện lợi và thơng tin chính xác để hỗ trợ người nơng dân trong q trình quản lý và chăm sóc cây trồng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>1.2. IoT Gateway</b>

<b>1.2.1. Khái niệm về IoT Gateway</b>

IoT Gateway công nghiệp là một trong những phần thiết bị thiết yếu trong hệ sinh thái IoT, hỗ trợ sự phát triển theo cấp số nhân của vô vàn các thiết bị IoT.

Nói một cách dễ hiểu, Gateway IoT là một trung tâm trung tâm quản lý tất cả các thiết bị, cảm biến và thiết bị truyền động IoT được kết nối. Gateway hoạt động như một lối vào tổng hợp, xử lý và lọc ra tất cả dữ liệu và thông tin được gửi bởi các thiết bị IoT khác nhau trước khi được gửi đến đám mây.

Các Gateway IoT tiên tiến hơn có khả năng thực hiện các ứng dụng điện tốn phức tạp như trí tuệ nhân tạo. Trong trường hợp này, các Gateway IoT xử lý hầu hết dữ liệu và có khả năng chạy ra quyết định thời gian thực ở biên mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ nào từ đám mây.

<b>IoT Gateway công nghiệp cho phép kết nối không dây của các thiết bị</b>

công nghiệp cũ và từ xa với cơ sở hạ tầng thông minh thế hệ tiếp theo.

<b>IoT Gateway công nghiệp được thiết kế chắc chắn và dành cho các hệ</b>

thống quan trọng và môi trường công nghiệp nơi các nút cảm biến hoặc thiết bị I / O được sử dụng để thu thập dữ liệu. IoT Gateway có thể được định cấu hình với một loạt các giao thức khác nhau cho phép chúng giao tiếp với các nút cảm biến đầu cuối này hoặc các thiết bị I / O.

Ưu điểm chính của việc triển khai các IoT Gateway công nghiệp là chúng giảm bớt gánh nặng đặt lên cloud và các trung tâm dữ liệu từ việc phải xử lý khối lượng lớn dữ liệu được tạo ra bởi các cảm biến và thiết bị IIoT. Họ có thể thu thập, lọc, xử lý và phân tích dữ liệu cục bộ, loại bỏ nhu cầu gửi tất cả dữ liệu thô được thu thập lên cloud để xử lý và phân tích.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Bằng cách thu thập và xử lý dữ liệu cục bộ, các tổ chức triển khai Gateway kết nối IoT sẽ tiết kiệm đáng kể băng thơng internet vì ít dữ liệu thô phải được gửi đến cloud hơn. Điều này cực kỳ có lợi cho các tổ chức là một mạng internet được đo lường, trả tiền cho băng thông mà họ sử dụng.

Việc đưa IoT Gateway công nghiệp vào các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và sứ mệnh giúp giải quyết vấn đề về khả năng tương tác của các hệ thống legacy và giúp tránh chi phí cực kỳ lớn cho việc thay thế cơ sở hạ tầng hiện có bằng thiết bị thế hệ tiếp theo.

Cuối cùng, việc áp dụng IoT Gateways cung cấp khả năng truy cập dữ liệu ẩn trước đây từ cảm biến, bộ điều khiển nhúng và thiết bị IO có thể có giá trị đối với nhiều quy trình và ứng dụng của doanh nghiệp như:

Giám sát từ xa Bảo trì bảo dưỡng Tối ưu hóa sản xuất

Tự động hóa tịa nhà (Building Automation)

<i>Hình 1.1. IoT Gateway</i>

Việc hiện thực hóa dữ liệu này cho phép các ứng dụng phịng điều khiển, ứng dụng doanh nghiệp và các ứng dụng kinh doanh khác xem xét, theo dõi và

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

xem xét dữ liệu để đưa ra các quyết định kinh doanh quan trọng, cải tiến và tối ưu hóa quy trình.

<b>1.2.2. Sơ đồ tổng qt của IoT Gateway </b>

Gateway cung cấp cầu nối giữa các công nghệ truyền thơng khác nhau, nghĩa là chúng ta có thể nói rằng Gateway hoạt động như một phương tiện để mở ra các kết nối giữa đám mây và bộ điều khiển (cảm biến/thiết bị) trong Internet of Things (IoT). Với sự trợ giúp của các cổng, có thể thiết lập liên lạc giữa thiết bị với thiết bị hoặc thiết bị với đám mây. Cổng có thể là một thiết bị phần cứng hoặc chương trình phần mềm điển hình. Nó cho phép kết nối giữa mạng cảm biến và Internet cùng với việc cho phép giao tiếp IoT, nó còn thực hiện nhiều nhiệm vụ khác như cổng IoT này thực hiện dịch giao thức, tổng hợp tất cả dữ liệu, xử lý cục bộ và lọc dữ liệu trước khi gửi lên đám mây, lưu trữ dữ liệu cục bộ và tự động điều khiển các thiết bị dựa trên một số dữ liệu được nhập vào, cung cấp thêm tính bảo mật cho thiết bị. Hình dưới đây cho thấy sơ đồ tổng quản của một IoT Gateway thiết lập giao tiếp giữa các cảm biến và đám mây (Hệ thống dữ liệu):

<i>Hình 1.2. Sơ đồ tổng quát của IoT Gateway</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

 <b>Cách thức hoạt động của IoT Gateway</b>

Gateway IoT đóng vai trị là cầu nối giữa các loại thiết bị IoT khác nhau và kết nối chúng với hệ thống dữ liệu trung tâm hoặc thậm chí là đám mây. Các thiết bị IoT giao tiếp với Gateway IoT bằng cách sử dụng công nghệ không dây tầm ngắn như Zigbee, Z-wave và Bluetooth LE. Một số thiết bị IoT cũng sử dụng công nghệ không dây tầm xa như LoRa, WiFi, LTE và LTE-M để giao tiếp với IoT Gateway. Sau đó, IoT Gateway kết nối một loạt các cảm biến với Mạng WAN hoặc Đám mây thông qua WAN cáp quang hoặc Ethernet LAN.

Hơn nữa, trong một hệ sinh thái IoT, có thể có hàng trăm đến hàng nghìn thiết bị IoT, cảm biến và thiết bị truyền động với các giao thức và giao diện khác nhau. Vô số dữ liệu IoT này đang được tạo ra mỗi giây, tạo ra sự quá tải cho đám mây. Các cổng kết nối IoT cũng lọc và dịch dữ liệu đã thu thập thành một giao thức tiêu chuẩn duy nhất để dữ liệu có thể dễ dàng được xử lý trên đám mây và được chuyển tới biên để tính toán hiệu quả hơn. Một số giao thức phổ biến mà Gateway IoT dịch là AMQP, DDS, CoAP, MQTT và WebSocket.

Ngồi ra, các Gateway IoT thơng minh có khả năng quản lý khối lượng công việc ở biên, nơi chúng có thể thực hiện việc ra quyết định mà khơng cần kết nối với đám mây. Ví dụ, đối với các ứng dụng trên xe vận chuyển thực phẩm bảo quản lạnh. Khi các cảm biến bên trong kho cho biết nhiệt độ tăng lên, IoT Gateway có thể tự động điều khiển các thiết bị truyền động để hạ nhiệt độ xuống điểm lý tưởng để ngăn hàng hóa bị hư hỏng. Gateway IoT có thể giám sát đồng thời các khía cạnh khác nhau của các ứng dụng như ánh sáng, chất lượng khơng khí, hệ thống an ninh... Do đó, lợi ích chính của IoT Gateway là khả năng gửi bản tóm tắt dữ liệu đến mạng bên ngồi để xử lý và phân tích bổ sung.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<b>1.3. Các tính năng chính của IoT Gateway</b>

 Tạo điều kiện giao tiếp với các thiết bị cũ hoặc khơng có kết nối internet.  Bộ nhớ đệm dữ liệu, caching và media streaming.

 Xử lý trước dữ liệu (data pre-processing), làm sạch, lọc và tối ưu hóa.  Tổng hợp dữ liệu thơ.

 Liên lạc Device-to-Device / Machine-to-Machine.  Tính năng kết nối mạng và lưu trữ dữ liệu trực tiếp.

 Trực quan hóa dữ liệu và phân tích dữ liệu cơ bản thơng qua các ứng dụng IoT Gateway.

 Tính năng lịch sử dữ liệu ngắn hạn.

 Bảo mật – quản lý truy cập người dùng và các tính năng bảo mật mạng.  Quản lý cấu hình thiết bị.

 Chẩn đốn hệ thống.

<i>Hình 1.3. Các tính năng của IoT Gateway</i>

Thu thập dữ liệu từ các thiết bị IoT và truyền tải dữ liệu đó đến đám mây hoặc các hệ thống nội bộ để phân tích và sử dụng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Chuyển đổi dữ liệu từ các thiết bị IoT sang định dạng thích hợp để xử lý dữ liệu như thống kê, phân tích dữ liệu, machine learning hoặc xác định các mơ hình tiên đốn.

Quản lý và kiểm sốt các thiết bị IoT bằng cách định cấu hình, cập nhật firmware hoặc theo dõi trạng thái của thiết bị.

Tăng tính bảo mật cho các thiết bị IoT bằng cách mã hóa và xác thực dữ liệu đến các ứng dụng và dịch vụ.

Giảm tải lưu lượng dữ liệu và chi phí liên quan đến dữ liệu bằng cách xử lý một phần dữ liệu trên thiết bị trước khi truyền tải đến đám mây hoặc các hệ thống nội bộ.

Các ứng dụng của IoT gateway bao gồm theo dõi và kiểm sốt các thiết bị thơng minh như cảm biến, máy móc, thiết bị y tế, đèn LED thơng minh và các hệ thống tự động hóa cơng nghiệp. Nó cũng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, năng lượng, nơng nghiệp, và các ứng dụng đô thị thông minh

<b>1.4. Các công nghệ thiết kế IoT Gateway1.4.1 Thiết kế khối điều khiển trung tâm </b>

<b>a. Raspberry Pi: Raspberry Pi không phải là vi điều khiển, mà là một</b>

máy tính nhúng (single-board computer). Tuy nhiên, với khả năng xử lý mạnh mẽ, nó có thể được sử dụng như một IoT gateway.Hệ thống Raspberry Pi có thể chạy các hệ điều hành như Linux, có khả năng giao tiếp với nhiều thiết bị khác nhau qua cổng GPIO, USB, Bluetooth, và Wi-Fi.

<b>b. Arduino: Arduino là một nền tảng phổ biến cho việc phát triển các ứng</b>

dụng IoT nhỏ đến trung bình. Arduino có nhiều biến thể, như Arduino Uno,

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Arduino Mega, hoặc Arduino MKR series, phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.

<b>c. ESP32: ESP32 là một vi điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt, với khả</b>

năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth tích hợp. Nó cung cấp nhiều GPIO cho việc kết nối với các cảm biến và thiết bị khác, và có sẵn trong nhiều biến thể từ các nhà sản xuất khác nhau.

<b>d. BeagleBone Black: BeagleBone Black là một single-board computer</b>

mạnh mẽ, chạy trên hệ điều hành Linux. Nó cung cấp nhiều giao tiếp như GPIO, I2C, UART, và khả năng mở rộng thông qua các khe cắm mở rộng.

<b>1.4.2. Các công nghệ truyền thông </b>

<i><b>a. Từ IoT Gateway đến IoT </b></i>

 <b>Bằng cách truyền có dây: Q trình truyền dữ liệu từ gateway tới IoT</b>

node bằng cách có dây thường được thực hiện thông qua các giao thức truyền thông và cổng kết nối dây dẫn. Dưới đây là một số phương pháp thường được sử dụng:

<b>1. RS-232 (Recommended Standard 232): Một chuẩn giao thức truyền</b>

thông nổi tiếng cho truyền dữ liệu nối tiếp. Nó sử dụng cổng COM truyền thống trên máy tính.

<b>2. RS-485: Tương tự như RS-232 nhưng hỗ trợ truyền dữ liệu điểm-điểm</b>

và điểm-nhiều. Nó phù hợp cho việc kết nối nhiều thiết bị.

<b>3. Ethernet: Sử dụng cáp Ethernet để kết nối gateway và IoT node. Giao</b>

thức truyền thông thường được sử dụng là MQTT hoặc CoAP.

<b>4. LoRaWAN qua dây: Mặc dù LoRaWAN thường được sử dụng cho</b>

truyền thông khơng dây, nhưng cũng có thể triển khai thơng qua kết nối có dây, ví dụ, sử dụng Ethernet.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

 <b>Bằng cách truyền không dây: WiFi, Zigbee và LoRa đều là các công</b>

nghệ truyền dẫn không dây được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT Gateway.

<b>1. Wifi: WiFi là một công nghệ khơng dây tiêu chuẩn cho mạng LAN</b>

khơng dây, có tốc độ truyền dẫn cao và thích hợp cho việc truyền dẫn dữ liệu lớn và video streaming. Nó phổ biến và được hỗ trợ rộng rãi trên nhiều thiết bị và cấu trúc hạ tầng mạng.

<b>2. Zigbee: Zigbee, mặc dù có tốc độ truyền dẫn thấp hơn so với WiFi,</b>

nhưng lại tiêu thụ rất ít năng lượng. Điều này làm cho Zigbee trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị IoT như cảm biến và thiết bị đeo được, nơi tiêu thụ năng lượng thấp là yếu tố quan trọng. Ngồi ra, Zigbee cịn hỗ trợ mạng mesh, cho phép các thiết bị kết nối với nhau và tăng cường vùng phủ sóng.

<b>3. Lora: Trái ngược với Zigbee, LoRa (Long Range) là một công nghệ</b>

truyền dẫn khơng dây với phạm vi rất lớn, thích hợp cho các ứng dụng IoT yêu cầu kết nối xa và tiêu thụ năng lượng thấp. Công nghệ này cho phép truyền dẫn dữ liệu qua các khoảng cách xa mà khơng địi hỏi nhiều cơng suất truyền dẫn, làm cho LoRa trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng như quản lý đô thị thông minh, nơng nghiệp thơng minh và theo dõi vị trí.

<i><b>b. Từ IoT Gateway đến Cloud </b></i>

<b>1. HTTP (Hypertext Transfer Protocol): Là giao thức truyền tải siêu</b>

văn bản quan trọng nhất trong việc truyền dữ liệu trên World Wide Web. Nó sử dụng mơ hình u cầu/đáp ứng, trong đó trình duyệt gửi yêu cầu đến máy chủ và sau đó nhận lại phản hồi chứa dữ liệu mong muốn. Đây là giao thức "khơng an tồn" vì dữ liệu được truyền tải khơng được mã hóa. Để nâng cao bảo mật, HTTPS được phát triển bằng cách tích hợp chứng chỉ bảo mật SSL/TLS để mã

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

hóa thơng điệp giao tiếp, đảm bảo tính an tồn và bí mật của thơng tin trên Internet. HTTP đóng vai trị quan trọng trong q trình trình duyệt và máy chủ web giao tiếp, chuyển giao các trang web và dữ liệu giữa chúng.

<b>2. CoAp (Constrained Application Protocol) là một giao thức truyền tải</b>

dữ liệu trong lĩnh vực Internet of Things (IoT), được thiết kế đặc biệt cho các mơi trường có tài ngun hạn chế. Nó hoạt động như một cầu nối linh hoạt giữa các thiết bị IoT, giải quyết các thách thức của băng thông thấp, bộ nhớ ít và sức mạnh xử lý hạn chế. CoAP sử dụng mơ hình RESTful, với các phương thức như GET, POST, PUT và DELETE để tương tác với tài nguyên. Điểm độc đáo của nó là sử dụng giao thức UDP thay vì TCP, giúp giảm độ trễ và tối ưu hóa hiệu suất.

<b>3. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): là giao thức truyền</b>

thơng điệp (message) theo mơ hình publish/subscribe (cung cấp / thuê bao), được sử dụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới khơng ổn định. Nó dựa trên một Broker (tạm dịch là “Máy chủ môi giới”) và được thiết kế có tính mở (tức là khơng đặc trưng cho ứng dụng cụ thể nào), đơn giản và dễ cài đặt.

<b>4. WebSocket: là một giao thức truyền tải dữ liệu hai chiều giữa trình</b>

duyệt và máy chủ, cho phép thiết lập một kết nối liên tục và thời gian thực. Nó giúp tạo ra các ứng dụng web tương tác, như trò chơi trực tuyến và ứng dụng chat, bằng cách cho phép truyền dữ liệu từ cả hai phía mà khơng cần mở và đóng liên kết mới. WebSocket sử dụng giao thức TCP, giúp giảm độ trễ so với các phương pháp truyền thống như HTTP. Mơ hình này tăng khả năng phản hồi và tạo ra trải nghiệm người dùng tốt hơn trong các ứng dụng đòi hỏi tương tác nhanh và liên tục.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<b>1.5. Giao thức đa truy nhập </b>

<i>Hình 1.4. Các giao thức đa truy nhập</i>

Thông thường, trong hệ thống thông tin đa truy nhập vơ tuyến của IoT gateway, có nhiều thiết bị đầu cuối và một số thiết bị có nhiệm vụ kết nối chúng với mạng hoặc chuyển tiếp tín hiệu giữa chúng. Thiết bị đầu cuối trong các hệ thống IoT Gateway mặt đất có thể là các thiết bị di động, trong khi thiết bị đầu cuối trong các hệ thống IoT Gateway vệ tinh là các thiết bị thông tin vệ tinh mặt đất. Thiết bị gốc trong IoT Gateway mặt đất và bộ phát đáp trên vệ tinh có vai trị tương tự như thiết bị di động và thiết bị mặt đất ở các hệ thống đa truy nhập vô tuyến.

Các phương pháp đa truy nhập của IoT gateway được chia thành bốn loại chính:

 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access): Trong TDMA, thời gian được chia thành các khe và các thiết bị có thể truy cập kênh tại các khe thời gian khác nhau. Mỗi thiết bị chỉ truyền dữ liệu trong khe thời gian được chỉ định cho nó. Điều này giúp tránh xung đột giữa các thiết bị truyền dẫn trên cùng một kênh.

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access): FDMA chia băng thông thành các dải tần số khác nhau và mỗi

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

thiết bị được phân bổ một dải tần số cụ thể để truyền dữ liệu. Các thiết bị không chia sẻ cùng một dải tần số, giúp giảm xung đột.

 CSMA (Carrier Sense Multiple Access): CSMA là một phương pháp trong đó các thiết bị "lắng nghe" (sense) kênh trước khi truyền dữ liệu. Nếu kênh trống, thiết bị mới bắt đầu truyền. Nếu kênh bận, thiết bị sẽ đợi để tránh xung đột. CSMA được sử dụng trong mơ hình truy nhập không đồng bộ (non-synchronous access) như Ethernet.

 CDMA (Code Division Multiple Access): CDMA là một phương pháp truy nhập khơng dây trong đó nhiều thiết bị có thể truyền dữ liệu cùng một lúc trên một tần số radio thông qua việc sử dụng các mã chẩn đa. Các máy thu sử dụng mã tương ứng để phân biệt giữa các tín hiệu và trích xuất dữ liệu từ nhiều nguồn đồng thời.

Đây là những kỹ thuật phổ biến trong việc quản lý truy cập đa truy nhập trong các mạng khơng dây và mạng có nhiều thiết bị. Trong ngữ cảnh của IoT và IoT Gateway, việc chọn lựa giữa các phương pháp này phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và điều kiện môi trường

<b>1.6. Các IoT Gateway hiện nay</b>

<b>1.6.1. Gateway 4G/5G công nghiệp Teltonika TRB500</b>

Teltonika TRB500 là gateway 5G cơng nghiệp có kích thước nhỏ gọn và tiết kiệm điện, với giao diện Gigabit Ethernet và hai cổng I/O có thể định cấu hình, cho phép tùy chỉnh cấp cao và triển khai nhiều tình huống trong cơng nghiệp. Gateway TRB500 có thể đạt tốc độ tải xuống cao tới 1 Gbps, và cho phép truyền dữ liệu đáng tin cậy với độ trễ cực thấp cho các ứng dụng quan trọng. Ngoài ra, thiết bị này hỗ trợ cả kiến trúc SA và NSA để tận dụng cơ sở hạ

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

tầng 5G. Hoàn toàn sẵn sàng cho tương lai, Gateway Teltonika cũng tương thích ngược với các cơng nghệ mạng 4G (LTE CAT 20) và 3G.

<i>Hình 1.5. Teltonika TRB500</i>

<b>1.6.2. IoT Lotoda Gateway</b>

<i>Hình 1.6. IoT Lotoda Gateway</i>

Là thiết bị hoạt động như một gateway (controller) dùng để nhận dữ liệu từ các LoRa Node và truyền dữ liệu đến nền tảng IoT LOTODA platform. Cho phép hoạt động giám sát vận hành và điều kiện môi trường v.v ... mà không cần phải dùng dây dẫn, truyền dẫn LoRa không dây khoảng cách xa, tầm xa lên đến 5km không vật cản.

Là thiết bị cịn được tích hợp cơng nghệ truyền thông trong công nghiệp ModBus-RTU (RS-485), cho phép hoạt động như một MobBus Master.

Là thiết bị hoạt động dựa trên nền tảng IoT LOTODA platform của Việt Nam.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Lắp đặt dễ dàng theo tiêu chuẩn thông dụng tại Việt Nam, cài đặt đơn giản

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<b>CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ IOT GATEWAY</b>

<b>2.1. Sơ đồ tổng quát thiết kế IoT Gateway2.1.1. Chức năng yêu cầu </b>

Vì IoT Gateway thiết kế áp dụng trong ngữ cảnh nông nghiệp thường được sử dụng để kết nối và quản lý các thiết bị cảm biến, các thiết bị thu thập dữ liệu và các thiết bị khác trong hệ thống IoT nông nghiệp. Khi thiết kế Gateway, bằng một vi điều khiển có tích hợp WiFi, IoT Gateway có thể cung cấp các chức năng sau:

<b>1. IoT Gateway kết nối với nhiều IoT node:</b>

Giao tiếp với Cảm Biến: IoT Gateway có khả năng kết nối với các cảm biến nông nghiệp như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, ánh sáng,… và các cảm biến khác để thu thập dữ liệu từ môi trường nông nghiệp.

Các IoT node thường được đặt ở xa so với IoT Gateway, do đó các thơng số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, ánh sáng,…thường được truyền thông không dây và yêu cầu IoT node tiêu thụ năng lượng thấp.

<b>2. IoT Gateway nhận dữ liệu cục bộ từ các IoT Node:</b>

IoT Gateway nhận dữ liệu cục bộ từ các IoT Node lưu cục bộ tại ROM của vi điều khiển và được xử lý tại chỗ.

<b>3. Gửi dữ liệu lên Cloud:</b>

IoT Gateway Gửi gửi dữ liệu lên Firebae và Blynk App: Dữ liệu thu thập từ các IoT Node đã qua xử lý cục bộ và lưu trữ tại IoT Gateway. Sau đó, IoT Gateway thực hiện đẩy dữ liệu lên Cloud thông qua Wifi với giao thức TCP

<b>2.1.2. Sơ đồ tổng quát thiết kế</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<i>Hình 2.1. Sơ đồ thiết kế tổng quát IoT Gateway</i>

Lựa chọn công nghệ thiết kế IoT Gateway cụ thể như sau:

<b>1. Khối xử lý trung tâm: Đồ án này chọn sử dụng vi điều khiển ESP32</b>

làm bộ xử lý cho IoT Gateway mang lại nhiều lợi ích quan trọng. Với kết nối Wi-Fi tích hợp, ESP32 giúp đơn giản hóa q trình kết nối mạng khơng dây. Kích thước nhỏ và hiệu suất năng lượng hiệu quả làm cho ESP32 phù hợp cho các ứng dụng IoT với yêu cầu về kích thước và năng lượng. Cùng với giá trị chi phí, tạo ra một lựa chọn mạnh mẽ cho việc xây dựng các hệ thống IoT Gateway.

<b>2. Khối giao tiếp với các IoT Node: Module LoRa ra-02 là sự lựa chọn</b>

hiệu quả cho việc giao tiếp giữa gateway và node trong mạng IoT. Với khả năng truyền tải dữ liệu trên khoảng cách lớn, tiêu thụ năng lượng thấp, và chi phí triển khai hợp lý, LoRa ra-02 giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và làm cho các dự án IoT trở nên linh hoạt và hiệu quả.

<b>3. Khối giao tiếp với Cloud: Sau khi Iot Gateway nhận được dữ liệu từ</b>

các Nodes thì dữ liệu đó sẽ được gửi lên Cloud (Firebase) và được lưu trữ và duy trì, cung cấp khả năng quản lý và truy xuất dữ liệu linh hoạt từ mọi nơi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

<b>4. Khối giao tiếp với App: Sau khi Iot Gateway thu nhận dữ liệu từ các</b>

Nodes, dữ liệu này được lưu trữ trong Iot Gateway. Ứng dụng app Blynk sau đó trích xuất thơng tin từ Iot Gateway để hiển thị dữ liệu ra cho người dùng. Ngoài ra, ứng dụng Blynk cũng cung cấp khả năng điều khiển các thiết bị, như bật/tắt máy bơm, tạo ra một giao diện linh hoạt cho người dùng quản lý và kiểm soát các thiết bị kết nối.

<b>5. Khối nguồn: Sử dụng nguồn adapter 5V 2A.</b>

<b>2.2. Thiết kế khối xử lý trung tâm. </b>

Đồ án này chọn sử dụng ESP32 với ích thước nhỏ và hiệu suất năng lượng hiệu quả làm cho ESP32 phù hợp cho các ứng dụng IoT với yêu cầu về kích thước và năng lượng, chi phí. Chính vì vậy, đồ án này sử dụng ESP32, để điều khiển toàn bộ hệ thống

<b>2.2.1. IoT Gateway điều khiểu module LoRa để nhận dữ liệu từ IoT Node</b>

Module LoRa RA-02 là một thành phần quan trọng trong các ứng dụng truyền thông không dây dựa trên công nghệ LoRa (Long Range). Để tích hợp module này vào dự án, cần thực hiện một số bước cơ bản.

Đầu tiên, kết nối module LoRa RA-02 với vi điều khiển ESP32, thông qua giao diện SPI. Kết nối các chân như MISO, MOSI, SCK, NSS/SEL, và DIO0 vào các GPIO.

Sau đó, cần cấu hình module LoRa với các tham số quan trọng. Tham số này bao gồm tần số truyền, cơng suất, độ rộng băng thơng, và mã hóa. Điều này thường được thực hiện trong hàm setup().

Sau khi cấu hình, có thể bắt đầu truyền dữ liệu bằng cách sử dụng hàm

<b><small>LoRa.beginPacket()</small></b>, <b><small>LoRa.print()</small></b>, và <b><small>LoRa.endPacket()</small></b>.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Đối với việc nhận dữ liệu từ module LoRa RA-02, thực hiện kiểm tra xem có dữ liệu mới khơng và sử dụng hàm <b><small>LoRa.read()</small></b> để đọc dữ liệu nhận được.

Cuối cùng, để theo dõi trạng thái và debug, có thể sử dụng Serial Monitor. Quan trọng hơn cả trong thủ tục truyền nhận,cần nhớ rằng tần số (trong đoạn mã

<b><small>LoRa.begin(915E6)</small></b>) cần đảm bảo rằng các tham số này phải giống nhau giữa cả node và gateway để chúng có thể giao tiếp được.

<i><b>a. Khung truyền của Module LoRa Ra – 02</b></i>

Khung truyền Lora được biểu diễn như sau:

Sync Word (1B) Destination Address (1B) CRC Coding Rate (1B) Source Address (1B) Length (1B)

Control (1B) Application Data (0-251B)

Khung truyền của LoRa bao gồm các phần chính sau:

<b>1. Header (Đầu gửi): Bao gồm các thơng tin quan trọng như địa chỉ</b>

nguồn và đích, chiều dài của gói tin, mã truy cập và các thơng số cấu hình khác.

<b>2. Payload (Dữ liệu): Chứa thơng tin thực tế mà bạn muốn truyền đi.</b>

Độ dài của payload thường có thể thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng.

<b>3. CRC (Cyclic Redundancy Check): Một giá trị kiểm tra để đảm</b>

bảo tính tồn vẹn của dữ liệu. CRC giúp phát hiện lỗi truyền và đảm bảo rằng dữ liệu nhận được là chính xác.

<b>4. Footer (Chân truyền): Bao gồm các bit kiểm sốt cuối cùng cho</b>

q trình truyền để đảm bảo tính tồn vẹn của khung truyền.

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

<b>5. Sync Word (1 byte): Đây là một giá trị cố định được sử dụng để</b>

đồng bộ hóa truyền và nhận dữ liệu. Sync Word giúp thiết bị thu nhận biết được bắt đầu của một khung truyền.

<b>6. Địa chỉ Nguồn và Đích (1 byte mỗi địa chỉ): Xác định địa chỉ của</b>

thiết bị gửi (Nguồn) và địa chỉ của thiết bị nhận (Đích). Điều này là quan trọng để đảm bảo rằng khung truyền được gửi đến đúng đích.

<b>7. Độ dài Payload (1 byte): Cho biết độ dài của phần Payload, tức là</b>

phần chứa dữ liệu thực tế.

<b>8. Control (1 byte): Chứa các bit điều khiển cho q trình truyền.</b>

Các bit này có thể chứa thơng tin như loại dữ liệu (voice, text, command), độ mã hóa, hoặc các thơng số khác liên quan đến q trình truyền.

<b>9. Dữ liệu ứng dụng (0-251 byte): Phần này chứa dữ liệu thực tế cần</b>

truyền đi. Độ dài của phần này phụ thuộc vào giá trị ở trường Độ dài Payload.

<b>10. CRC (Cyclic Redundancy Check - 2 byte): Là giá trị kiểm tra để</b>

đảm bảo tính tồn vẹn của dữ liệu. CRC giúp phát hiện lỗi truyền và đảm bảo rằng dữ liệu nhận được là chính xác.

<b>11. Footer (1 byte): Chứa các bit cuối cùng kiểm soát việc truyền. Có</b>

thể chứa các thơng số như mã hóa, tốc độ truyền, hoặc các thông số khác liên quan đến quá trình truyền.

<b>12. Mã truy cập và Coding Rate: Trong biểu diễn đơn giản trước đó,</b>

các thơng số này khơng được hiển thị rõ ràng, nhưng chúng thường được xác định trong phần đầu hoặc cuối khung truyền. Mã truy cập

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

định nghĩa cách mà thiết bị thu có thể đồng bộ với tín hiệu truyền. Coding Rate định nghĩa tỷ lệ mã hóa sử dụng để bảo vệ dữ liệu.

<i><b>b. Giao thức truyền LoraWAN</b></i>

<i>Giao thức truyền của LoRa được gọi là LoRaWAN, viết tắt của LongRange Wide Area Network. LoRaWAN là một giao thức mạng không dây được</i>

thiết kế để hỗ trợ truyền thông từ xa và có độ phủ rộng lớn, thích hợp cho các ứng dụng Internet of Things (IoT). Điều này có nghĩa là nó cho phép thiết bị IoT gửi và nhận dữ liệu từ xa thông qua một mạng không dây.

Các đặc điểm chính của LoRaWAN bao gồm:

<b>1. Dải Tần Số (Frequency Bands): LoRaWAN hoạt động trên nhiều</b>

dải tần số, tùy thuộc vào khu vực địa lý cụ thể. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tuân thủ với các quy định phổ.

<b>2. Kiểu Modulation: LoRaWAN sử dụng kiểu modulasi chủ yếu là</b>

Chirp Spread Spectrum (CSS). CSS giúp tăng cường khả năng chống nhiễu và cải thiện khả năng tiếp nhận ở khoảng cách xa.

<b>3. Kiểu Mạng (Network Type): LoRaWAN hoạt động dưới dạng</b>

mạng dạng sao (star network), trong đó các thiết bị cuối (end devices) gửi và nhận dữ liệu thông qua các cổng (gateways) ở khoảng cách xa.

<b>4. Cách Quản Lý Năng Lượng (Power Management): LoRaWAN</b>

được thiết kế để tối ưu hóa quản lý năng lượng, cho phép các thiết bị cuối hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>5. Bảo mật: LoRaWAN cung cấp các tính năng bảo mật như mã hóa</b>

dữ liệu, chứng thực thiết bị, và cơ chế khác để bảo vệ thông tin truyền qua mạng.

<b>6. Đa Dạng Cấp Độ Truyền (Multiple Transmission Classes): Có</b>

các cấp độ truyền khác nhau trong LoRaWAN, cho phép điều chỉnh khoảng cách truyền và tiêu thụ năng lượng tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

LoRaWAN là một giao thức mạng mở, có nghĩa là nó được quản lý bởi cộng đồng và cho phép sự tương tác giữa các thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Điều này giúp tạo ra một hệ sinh thái LoRaWAN đa dạng và phát triển.

<b>2.2.2. IoT Gateway nhận dữ liệu từ nhiều IoT Node áp dụng giao thứcTDMA</b>

Khi một hệ thống IoT có nhiều node gửi dữ liệu đến một gateway, việc sử dụng giao thức TDMA (Time Division Multiple Access) là một quyết định hợp lý để quản lý hiệu suất và giảm xung đột truyền thơng. TDMA giúp tối ưu hóa việc chia sẻ đường truyền bằng cách chia thời gian thành các khe cố định cho từng node, đồng bộ hóa thời gian truy cập.

Lợi ích của việc sử dụng TDMA là rất rõ ràng. Đầu tiên, nó đảm bảo đồng bộ hóa chặt chẽ giữa các node, giảm xung đột và tăng hiệu suất mạng. Thứ hai, TDMA giúp giảm độ trễ trong truyền thông, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và đáng tin cậy cao.

Việc sử dụng TDMA vào gateway khi có nhiều dữ liệu từ nhiều node là một lựa chọn để cải thiện hiệu suất truyền thông và giảm độ trễ, nhất là trong mơi trường IoT địi hỏi độ chính xác và đáng tin cậy cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Đồ án này, áp dụng giao thức TDMA cho IoT Gateway với các thủ tục khi truyền nhận với các node cụ thể như sau:

<i><b>a. Xác định Tổng Thời Gian Chia</b></i>

Xác định tổng thời gian mà một chu kỳ TDMA sẽ chiếm giữ. Ví dụ, nếu quyết định rằng mỗi chu kỳ là 1 giây, thì tổng thời gian chia sẽ là 1 giây.

- Chia thời gian thành các khung bằng nhau và bằng T<small>F</small> (Time frame) - Các trạm truyền tin tuần hoàn trên các khe thời gian dành riêng.

<i>Hình 2.2. Phân chia khe thời gian TDMA</i>

<i><b>b. Chia Thời Gian cho Nodes</b></i>

- Chia khung thời gian thành các khe thời gian bằng nhau và bằng T<small>s</small>

<i>Hình 2.3. Chia khung thời gian thành các khe bằng nhau</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Chia tổng thời gian thành các khe thời gian dành cho các nodes. Ví dụ, có hai nodes, có thể chia đều thời gian giữa chúng. Nếu mỗi node cần 500 ms để truyền dữ liệu của mình, thì sẽ cần 500 ms cho cả hai nodes, với chu kỳ là 1 giây.

<i><b>c. Đồng Bộ Hóa Thời Gian</b></i>

Đảm bảo rằng các nodes và gateway đồng bộ hóa thời gian của họ để biết khi nào bắt đầu và kết thúc mỗi khe thời gian của mình.

Trong code cần thực hiện logic để xác định thời điểm nào là thời điểm đầu và cuối của mỗi khe thời gian cho mỗi node và gateway. Điều này có thể thực hiện thông qua hàm hẹn giờ, bộ đếm thời gian, hoặc các cơ chế đồng bộ hóa thời gian khác.

<b>2.2.3. IoT Gateway gửi dữ liệu lên Cloud Firebase</b>

Quá trình IoT gửi dữ liệu lên Cloud Firebase cụ thể như sau:

1. Cài Đặt Thư Viện Firebase ESP32: Đầu tiên, cài đặt thư viện Firebase ESP32 vào môi trường phát triển Arduino IDE . Thư viện này chính là cơng cụ giúp ESP32 tương tác mạnh mẽ với Firebase thông qua giao thức HTTPS, đảm bảo tính an tồn và bảo mật trong quá trình truyền dữ liệu.

2. Cấu Hình Kết Nối Firebase: Tạo một dự án mới trên Firebase Console và thu thập thông tin đăng nhập như Project ID và Auth Token.

3. Kết Nối ESP32 với Firebase: Trong chương trình trên ESP32, thiết lập kết nối Wi-Fi với SSID và mật khẩu của mạng.

4. Gửi Dữ Liệu lên Firebase: Đọc dữ liệu từ module LoRa RA-02 trên ESP32 và chuẩn bị để gửi lên Firebase.

Sử dụng thư viện Firebase ESP32 để đẩy dữ liệu lên Firebase Realtime Database.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

5. Kiểm Tra Dữ Liệu Trên Firebase Console: Mở Firebase Console và chọn dự án. Trong tab "Database", có thể theo dõi dữ liệu được gửi lên từ ESP32 hiển thị trong Firebase Realtime Database hoặc Firebase Cloud Firestore. Quá trình này giúp tự động hóa việc thu thập và lưu trữ dữ liệu từ các node có cảm biến vào Firebase, tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi và phân tích dữ liệu từ mạng IoT. Điều này có thể quan trọng đối với việc theo dõi các thông số cụ thể hoặc tổng quan về trạng thái của hệ thống.

<b>2.2.4. Lưu đồ thuật tốn IoT Gateway </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<i>Hình 2.4. Lưu đồ thuật tốn IoT Gateway</i>

Giải thích lưu đồ: Sau khi được cấp nguồn, IoT Gateway được chạy, vi điều khiển thực hiện khởi tạo chương trình, các chân GPIO, các biến và thực hiện kết nối với Wifi. Kết nối thành công, thiết bị khởi động thành công, thì thực hiện xác lập khung thời gian, xác lập thơng tin, tính tốn phân bổ khe thời gian cho mỗi máy thu. Nhận dữ liệu từ đầu thu về, sắp xếp vào từng khe thời gian tương ứng, xử lý và gửi dữ liệu lên Firebase.

Giải thích tính tốn TDMA_slot_N(1,2,3,4…-N): Để phân bổ thời gian cho việc truyền nhận giữa IoT Gateway và Nodes cần thực hiện. Mỗi Frame nhận gồm có 2 khe thời gian của 2 nodes . Ở đồ án này, mỗi frame nhận trong 1 giây. Như vậy, mỗi node sẽ làm 500ms, tương ưng với TDMA_slot_1 = 500ms, TDMA_slot_2 =500ms.

<i>Hình 2.5. Giải thích lưu đồ thuật tốn IoT Gateway</i>

<b>2.3. Thiết kế IoT Node</b>

Đồ án này sử dụng Arduino Uno R3, để làm bộ xử lý trung tâm của IoT Node để điều khiển toàn bộ Node

<b>2.3.1. IoT Node gửi dữ liệu đến IoT Gateway</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

Ban đầu, IoT Node thu thập dữ liệu trong lĩnh vực nơng nghiệp, nó tập trung gửi dữ liệu từ các cảm biến môi trường, như cảm biến độ ẩm đất, cảm biến độ ẩm khơng khí và cảm biến nhiệt độ.

Các cảm biến này được triển khai rộng rãi trong môi trường nông nghiệp để giám sát và đo lường các yếu tố quan trọng đối với sự phát triển của cây trồng. Độ ẩm đất cung cấp thông tin về lượng nước có sẵn cho cây cỏ, trong khi độ ẩm khơng khí và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến quá trình quản lý nhiệt độ của môi trường nông nghiệp.

Sau khi IoT Node đã thu thập dữ liệu từ các cảm biến, nó sử dụng module LoRa Ra-02 để truyền dữ liệu này đến IoT Gateway. Module LoRa Ra-02, với khả năng truyền thông xa và tiêu thụ năng lượng thấp, là lựa chọn lý tưởng cho việc kết nối IoT Node với mạng truyền thông. Nó giúp đảm bảo rằng dữ liệu từ mơi trường nơng nghiệp có thể được chuyển đến IoT Gateway một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Các dữ liệu này chuyển đến IoT Gateway, chúng được xử lý, lưu trữ và phân tích. Q trình này cung cấp thơng tin quan trọng để hỗ trợ quyết định trong quản lý nơng nghiệp, từ việc tối ưu hóa việc tưới cây đến theo dõi điều kiện thời tiết tự nhiên. Sự kết hợp giữa IoT Node và LoRa Ra-02 mang lại một hệ thống giám sát môi trường nông nghiệp thông minh và hiệu quả.

<b>2.3.2. Lưu đồ thuật toán Node </b>

</div>