Công nghệ lora cho các ứng dụng iot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐÀO XUÂN HIỆP

CÔNG NGHỆ LORA CHO CÁC ỨNG DỤNG IOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------

ĐÀO XUÂN HIỆP

CÔNG NGHỆ LORA CHO CÁC ỨNG DỤNG IOT

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số đề tài : KTVT15B-30

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN:

TS. HÀN HUY DŨNG

Hà Nội - 2018

Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ..................................................................... 8
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................. 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 11
Chương 1: Các vấn đề chung về IOT, mạng LoRaWAN và thành phố thông minh
........................................................................................................................................ 12
1.1 Giới thiệu về Internet of Things ........................................................................... 12
1.1.1 Khái niệm về Internet of Things ................................................................... 12
1.1.2 Kiến trúc cơ bản của IoT ............................................................................... 13
1.1.3 Ứng dụng ....................................................................................................... 14
1.2 Thành phố thông minh ......................................................................................... 14
1.3 Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN ....................................................................... 15
1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm ................................................................................ 15
1.3.2 Các ứng dụng của LoRa trong IOT ............................................................... 18
1.3.3 Các dòng sản phẩm của LoRa ....................................................................... 19
1.3.4 Gateway trong mạng LoRaWAN .................................................................. 20
1.3.5 So sánh công nghệ LoRa với các công nghệ truyền dữ liệu khác ................ 22
1.4 Kết luận chương ................................................................................................... 24
Chương 2: Phân tích cơng nghệ LoRa ....................................................................... 25
2.1 Nguồn gốc và xu hướng ....................................................................................... 25
2.2 Kỹ thuật ................................................................................................................ 25
2.2.1 Bảo mật ......................................................................................................... 26
2.2.2 LoRa trong mơ hình OSI ............................................................................... 27
2.2.3 Cấu trúc gói tin .............................................................................................. 30
2.2.4 Băng tần ........................................................................................................ 32

2.2.5 Trải phổ tín hiệu ............................................................................................ 34
2.2.6 Điều chế và tốc độ truyền dữ liệu ................................................................. 37
2.2.7 Độ nhạy LoRa và FSK .................................................................................. 38
1


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
2.2.8 Link Budget ................................................................................................... 40
2.2.9 Mạng tồn tại chung........................................................................................ 41
2.2.10 Ví dụ về Network Planning ......................................................................... 46
2.2.11 Kết luận ....................................................................................................... 49
2.3 Ứng dụng .............................................................................................................. 49
2.4 Kết luận chương ................................................................................................... 50
Chương 3: Ứng dụng thành phố thông minh trên thế giới ...................................... 51
3.1 Các ứng dụng của Lora trong thành phố thông minh .......................................... 51
3.1.1 Dụng cụ đo thông minh minh ....................................................................... 51
3.1.2 Máy dò báo động ........................................................................................... 52
3.1.3 Thùng rác thông minh ................................................................................... 52
3.1.4 Xe đạp thông minh ........................................................................................ 54
3.1.5 Đỗ xe thông minh .......................................................................................... 55
3.1.6 Giám sát thú cưng ......................................................................................... 57
3.1.7 Chiếu sáng thông minh ................................................................................. 58
3.2 Ứng dụng thành phố thông minh ở Hàn Quốc ..................................................... 60
3.2.1 Khu giao thương miễn phí Inchone .............................................................. 60
3.3 Ứng dụng thành phố thông minh ở Châu Âu ....................................................... 61
3.3.1 Smart city ở Hà Lan ...................................................................................... 61
3.3.2 Smart city ở Thuỵ Điển ................................................................................. 61
3.4 Kết luận chương ................................................................................................... 62
Chương 4: Ứng dụng LoRa ở Việt Nam, các dự án đang nghiên cứu và thực hiện
........................................................................................................................................ 63

4.1 Các nghiên cứu và triển khai mạng LoRa ở Việt Nam ........................................ 63
4.2 Băng tần LoRa tại Việt Nam ................................................................................ 63
4.3 Dự án Airmap sử dụng module LoRa M2B ......................................................... 64
4.3.1 Khái quát về dự án ........................................................................................ 64
4.3.2 Tổng quan hệ thống....................................................................................... 64
4.3.3 Module LoRa M2B ....................................................................................... 67
4.3.4 Kiểm tra truyền nhận bản tin LoRa M2B và Multiconnect .......................... 69
4.3.5 Các thuận lợi và khó khăn khi thực hiện dự án Airmap ............................... 79
2


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
4.3.6 Kết quả đạt được ........................................................................................... 80
4.3.7 Đóng góp của tác giả trong dự án Airmap .................................................... 80
4.3.8 Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 80
4.4 Kết luận chương ................................................................................................... 82
Chương 5: Kết luận ...................................................................................................... 83

3


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Internet of Things đang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các quốc gia trên thế
giới, tạo nên những thành phố thông minh, hiện đại, đem lại cuộc sống tiện nghi hơn cho
người dân. Các công nghệ áp dụng trong Internet of Things liên tục được nghiên cứu và
mở rộng. Một công nghệ truyền dữ liệu được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng
Internet of Things ở các quốc gia trên thế giới là công nghệ LoRa.

Công nghệ LoRa mang các đặc điểm nổi trội nhất là truyền rất xa, tốn ít năng
lượng, dễ bảo trì, thích hợp với mọi ứng dụng “kết nối vạn vật”. Ở Việt Nam, Internet of
Things nói chung và cơng nghệ LoRa nói riêng cịn khá mới mẻ. Vì vậy cần có những
nghiên cứu cụ thể về LoRa làm tiền đề cho sự phát triển cơng nghệ này ở Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu là tìm hiểu về cơng nghệ LoRa, các ứng dụng của LoRa
trong Internet of Things và việc nghiên cứu công nghệ này ở Việt Nam
Đối tượng nghiên cứu bao gồm: công nghệ LoRa, các ứng dụng trong thành phố
thông minh, các dự án sử dụng LoRa ở Việt Nam
Phạm vi nghiên cứu: công nghệ LoRa ở các nước trên thế giới, ứng dụng thành
phố thông minh tại Hà Lan, Hàn Quốc, Thuỵ Điển, … và module LoRa M2B sử dụng
nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
3. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Trong phạm vi luận văn, tác giả đã trình bày các kiến thức cơ bản về Internet of
Things, thành phố thông minh, phân tích chi tiết cơng nghệ LoRa và ứng dụng LoRa
trong Internet of Things. Tác giả cũng trình bày dự án nghiên cứu của các bạn sinh viên
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội sử dụng công nghệ LoRa vào một dự án thực tế
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chính là thơng qua kiến thức của bản thân tác giả, tham
khảo các nguồn tài liệu đã xuất bản, các bài báo đăng trên các tạp chí khoa học, các diễn
đàn thảo luận liên quan đến nội dung cần nghiên cứu.
4


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Đào Xuân Hiệp, học viên lớp cao học KTVT2015B.
Giảng viên hướng dẫn là TS. Hàn Huy Dũng.
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn này là kết

quả tìm kiếm và nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và dữ liệu được nêu trong luận
văn là hoàn toàn trung thực và rõ ràng. Mọi thơng tin trích dẫn đều được tuân theo luật
sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
với những nội dung được viết trong luận văn này
Hà Nội, ngày 22 tháng 03 năm 2018
Học viên

Đào Xuân Hiệp

5


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp, cùng với việc tìm hiểu tài liệu trên sách
báo, các phương tiện thơng tin ở trong và ngồi nước, tìm hiểu về Internet of Things –
Kết nối vạn vật và tài liệu liên quan đến công nghệ truyền dữ liệu không dây LoRa, tôi
đã chọn nghiên cứu đề tài: “Công nghệ LoRa cho các ứng dụng IoT”. Nội dung luận
văn gồm có: Giới thiệu về IOT, LoRa và LoRaWAN, phân tích cơng nghệ LoRa, các
ứng dụng của LoRa trong thành phố thông minh và các dự án đang nghiên cứu và sử
dụng công nghệ này tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Luận văn đã giới thiệu khái quát về IOT, về LoRa và LoRaWAN, so sánh với các
công nghệ truyền dữ liệu khác để đưa ra được các ưu nhược điểm. Sau đó tác giả đi sâu
vào phân tích các đặc điểm của cơng nghệ này như: nguồn gốc và xu hướng, kỹ thuật,
triển khai và ứng dụng, giúp người đọc có cái nhìn chi tiết về cơng nghệ này.
Luận văn cũng trình bày một số ứng dụng của công nghệ LoRa trong thành phố
thông minh, để người đọc thấy được mức độ phổ biến cũng như ích lợi mà cơng nghệ
này mang lại.
Cuối cùng, tác giả trình bày một dự án về IOT đang được triển khai trên phòng

Lab của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi các bạn sinh viên đang nghiên cứu và
sử dụng công nghệ LoRa, kết quả đạt được và những hướng ứng dụng mới của công
nghệ này.

6


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

ABSTRACT

In this thesis, LoRa wireless technology is investigated as a solution for Internet
of Things. The thesis presents an overview of IoT, LoRa and LoRaWAN, compared to
other data transmission technology in order to show advantages and disadvantages of
LoRa. The author then indicate source, trend, technique, development of this technology,
giving readers an overview and help them begin to grasp this technology. The physical
layer and network layer aspects are introduced including spread spectrum technique link
bugget calculation and topology of LoRaWAN network.
Various applications of LoRa for smart city application is presented to help
readers perceive the popularity and benefits of this technology.
Finally, the author presents one project of IoT which is being developed in
laboratory in Hanoi University of Science and Technology, results obtained and new
applications of LoRa technology.

7


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

AQI

Air Quality Index

BER

Bit Error Rate

BW

Bandwidth

CR

Coding Rate

CRC

Cyclic Redundancy Check

IoT

Internet of Things

M2M

Machine to Machine

MQTT

Message Queuing Telemetry Transport

LoRa

Long Range Radio

LPWAN

Low Power Wide Area NetWork

PM

Particulate Matter

R2

Coefficient of determination

SF

Spreading Factor

TCP

Transmission Control Protocol

8


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mơ hình thành phố thơng minh ...................................................................... 15
Hình 1.2: Mơ hình mạng LoRaWAN .............................................................................. 17
Hình 1.3: Ví dụ về ứng dụng của cơng nghệ LoRa ........................................................ 18
Hình 1.4: Các module LoRa của Semtech ..................................................................... 19
Hình 1.5: Các thiết bị tích hợp cơng nghệ LoRa ........................................................... 20
Hình 1.6: Mơ hình giao tiếp của các thiết bị dùng LoRa với Gateway ......................... 21
Hình 1.7: Một số Gateway sử dụng phổ biến hiện nay .................................................. 22
Hình 2.1: Khóa và Mã hóa trong LoraWAN .................................................................. 27
Hình 2.2: Mơ hình OSI ................................................................................................... 28
Hình 2.3: Mơ hình LoRaWAN ........................................................................................ 30
Hình 2.4: Cấu trúc một gói tin khơng dây ..................................................................... 30
Hình 2.5: Cấu trúc gói tin ack ....................................................................................... 31
Hình 2.6: Băng tần LoRa trên thế giới .......................................................................... 32
Hình 2.7: Mối quan hệ giữa độ nhạy và tốc độ truyền dữ liệu ...................................... 39
Hình 2.8: Tín hiện dải hẹp truyền thống và nhiễu dải rộng .......................................... 42
Hình 2.9: Tín hiệu dải hẹp và nhiễu dải rộng ................................................................ 42
Hình 2.10: Tín hiệu dải rộng và nhiễu dải hẹp .............................................................. 43
Hình 2.11: Ví dụ về nhiễu cụm ....................................................................................... 44
Hình 2.12: Độ nhậy FSK và Lora trong vùng lân cận của tín hiệu nhiễu AM .............. 45
Hình 2.13: Test dải tín hiệu ở Shinjuku, Nhật Bản ........................................................ 46
Hình 3.1: Ứng dụng của dụng cụ đo thơng minh. .......................................................... 51
Hình 3.2: Thiết bị phát hiện sự cố và báo động. ............................................................ 52
Hình 3.3: Xe đạp thơng minh. ........................................................................................ 54
Hình 3.4: Trường hợp tham khảo hệ thống đỗ xe thơng minh. ...................................... 55
Hình 3.5: Mơ hình bãi đỗ xe thơng minh ....................................................................... 56
Hình 3.6: Trường hợp tham khảo giám sát thú cưng..................................................... 58
Hình 3.7: Mơ hình chiếu sáng thơng minh..................................................................... 59
Hình 3.8: Trường hợp tham khảo của dụng cụ đo thông minh. ..................................... 61

9


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
Hình 3.9: Thành phố thơng minh ở Stockholm .............................................................. 62
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống ....................................................................................... 64
Hình 4.2: Cấu trúc 1 node.............................................................................................. 67
Hình 4.3: Cấu trúc của module M2B ............................................................................. 68
Hình 4.4: Bảng thơng số kỹ thuật của module M2B ...................................................... 69
Hình 4.5: Kết quả kiểm tra khoảng cách của LoRa M2B .............................................. 70
Hình 4.6: Kết quả test khoảng cách ngày 15/4/2017 của Lora Multitech ..................... 71
Hình 4.7: Bản đồ kết quả kiểm tra khoảng cách truyền của 2 module LoRa Multitech và
LoRa M2B ...................................................................................................................... 72
Hình 4.8: Khu vực chọn để tính tốn số gói tin bị mất .................................................. 73
Hình 4.9: Kết quả về thời gian trễ của tín hiệu từ node về Gateway ............................ 75
Hình 4.10: Kết quả về thời gian trể của tín hiệu từ Gateway lên Server ...................... 76
Hình 4.11: Tỷ lệ nhận được gói tin ack với khoảng cách 5m ........................................ 77
Hình 4.12: Kết quả mạch phần cứng ............................................................................. 80

10


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Mức độ phổ biến các công nghệ dùng trong IOT ......................................... 23
Bảng 1.2: So sánh công nghệ LoRa với các công nghệ truyền dữ liệu khác ................. 24
Bảng 2.1: Băng tần sử dụng LoRa ở các quốc gia, vùng lãnh thổ ................................ 33
Bảng 2.2: So sánh link Budget giữa Lora và FSK dải hẹp ............................................ 48
Bảng 4.1: Chỉ số AQI ..................................................................................................... 65

Bảng 4.2: Bảng kết thử nghiệm mất gói tin ngày 30/4/2017 ......................................... 74
Bảng 4.3: Kết quả truyền từ 1 node ............................................................................... 78
Bảng 4.4: Kết quả truyền từ nhiều node ........................................................................ 78

11


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

Chương 1: Các vấn đề chung về IOT, mạng
LoRaWAN và thành phố thông minh
Internet of Things đang là một xu hướng phát triển mạnh mẽ trên thế giới, là một
phần không thể thiếu trong nền công nghiệp 4.0. Càng ngày càng có nhiều hơn các thiết
bị kết nối với nhau và kết nối với Internet, giúp con người có thể tạo ra các thành phố
thông minh với khả năng theo dõi, điều khiển tất cả các lĩnh vực như mơi trường, năng
lượng, giao thơng, tự động hố, …Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu về Internet of
Things, về thành phố thông minh và về mạng LoRaWAN.

1.1 Giới thiệu về Internet of Things
1.1.1 Khái niệm về Internet of Things
Internet of Things hay cụ thể hơn là mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là
một liên mạng, trong đó các thiết bị kết nối và thiết bị thông minh được nhúng các bộ
phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng
máy tính giúp cho các thiết bị này có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu.[1]
Năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IOT-GSI)
định nghĩa IOT là “hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch
vụ chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực và ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công
nghệ thông tin và truyền thơng hiện hữu được tích hợp”. Hệ thống IOT cho phép vật
được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội
cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng,

độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con
người.
Chúng ta có thể hiểu 1 cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với
nhau. Việc kết nối có thể qua Wifi, 3G, 4G, Bluetooth… các thiết bị có thể là điện thoại
thơng minh, tai nghe, thậm chí cả tivi, tủ lạnh, bóng đèn…

12


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
1.1.2 Kiến trúc cơ bản của IoT
Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối
(Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và
cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers).[2]
• Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường
gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như
xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực
tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT
giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách
cục bộ, cịn các thiết bị chưa thơng minh thì có thể kết nối được thơng qua các
trạm kết nối.
• Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các
vật dụng đã khơng được thiết kế để có thể kết nối với Internet và khơng thể chia
sẻ dữ liệu với điện toán đám mây. Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ
đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối
với điện tốn đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.
• Hạ tầng mạng và điện tốn đám mây (Network and Cloud):
-

Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được

kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao
gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết
bị khác có thể kiểm sốt lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến
mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.

-

Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng
điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và
mạng ảo hóa được kết nối.

• Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel
đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming
Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra
13


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ
liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.
1.1.3 Ứng dụng
IoT đang là một xu hướng công nghệ mới và rất phát triển trên thế giới. Dựa trên
các miền ứng dụng, IOT có thể chia thành 5 loại khác nhau: thiết bị đeo thông minh, nhà
thông minh, thành phố thông minh, mơi trường thơng minh, và doanh nghiệp thơng minh.
IoT có ứng dụng vơ cùng rộng, có thể kể đến các ứng dụng sau:
• Quản lý chất thải
• Quản lý và lập kế hoạch quản lý đơ thị
• Quản lý mơi trường
• Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp
• Mua sắm thơng minh

• Quản lý các thiết bị cá nhân
• Đồng hồ đo thơng minh
• Tự động hố ngơi nhà

1.2 Thành phố thông minh
Thành phố thông minh hay đô thị thông minh như là một hệ thống hữu cơ tổng
thể được kết nối từ nhiều hệ thống thành phần với hệ thống trí tuệ nhân tạo có thể hành
xử thơng minh như con người, gồm mạng viễn thông số (dây thần kinh), hệ thống nhúng
thông minh (não bộ), các cảm biến (giác quan) và phần mềm (tinh thần và nhận thức) để
nâng cao chất lượng cuộc sống, cải thiện chất lượng phục vụ của chính quyền thành phố,
giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, quản lý hiệu quả các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Thành phố thông minh là sản phẩm của sự phát triển thời đại công nghệ hiện nay
mà ở đó, tất cả mọi thứ của thành phố: đèn, phương tiện giao thông, bãi đỗ xe, … đều
được theo dõi, kiểm soát và điều khiển tự động.

14


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

Hình 1.1: Mơ hình thành phố thơng minh
Hình 1.1 là hình ảnh về một thành phố thơng minh khi mà tất cả mọi thứ đều trở
nên thông minh như đèn đường được quản lý từ xa giúp tiết kiệm năng lượng, các ngôi
nhà thông minh điều khiển tự động hay bằng giọng nói, …

1.3 Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN
1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm
1.3.1.1 LoRa
LoRa viết tắt của Long Range Ratio công nghệ truyền dữ liệu sử dụng phương
pháp điều chế FSK, GFSK, OOK. 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.[3]
Khoảng cách truyền trong khơng gian tự do có thể lên đến 16km với mơi trường
khơng có vật cản và tầm nhìn thẳng (Ví dụ: cánh đồng cỏ, bờ đê…). 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 nhận được là khoảng 1-2km.
Ứng dụng của LoRa rộng rãi, chỉ cần có kết nối Internet, bất cứ thiết bị nào yêu
cầu truyền tải, trao đổi dữ liệu, thơng tin đều có thể sử dụng cơng nghệ LoRa được.
1.3.1.2 LoRaWAN
Giao thức LoRaWAN:
15


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
LoRaWAN là chuẩn giao tiếp dựa trên nền tảng công nghệ LoRa và được định
nghĩa và phát triển bởi tổ chức LoRa Alliance.
LoRa Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập để 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. .... [4]
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 tồn, các dịch vụ di động và
địa phương hố. Thơng số LoRaWAN cung cấp khả năng tương tác liên tục giữa các thứ
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 một hoặc nhiều cổng. Tất cả truyền thơng điểm cuối nói chung là hai hướng,

nhưng cũng hỗ trợ các hoạt động như nâng cấp phần mềm multicast cho khơng khí hoặc
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.

16


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

Hình 1.2: Mơ hình mạng LoRaWAN
Hình 1.2 mơ tả hoạt động của một hệ thống sử dựng 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 server trung tâm để xử lý dữ liệu. Các thiết bị Gateway thường sẽ được
đặt tại một vị trí có nguồn điện cung cấp và có các kết nối internet để có thể gửi
dữ liệu lên server.

LoRaWAN được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực IoT của 1 số quốc gia như:

Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Anh... Từ cuối năm 2017, khoảng 500 thị trấn và thành phố
sẽ được bao phủ bởi mạng IoT này, bao gồm Paris, Marseille, Lyon, Lille, Nice, Rennes,
Nantes, Montpellier và Angers. Các mạng LoRaWAN tương tự cũng đang được triển
khai tại một vài nước khác như Tây Ban Nha, Thuỵ sĩ, Belgacom … bởi các nhà mạng
tham gia hiệp hội.

17


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
1.3.2 Các ứng dụng của LoRa trong IOT
Các ứng dụng của LoRa cũng rất đa dạng và phổ biến, được sử dụng trong rất
nhiều lĩnh vực khác nhau như: Điều khiển trong công nghiệp (Industrial Control), đo
lường (Metering), môi trường (Environment), thành phố (Cities), nông nghiệp thông
minh (Smart Agriculture), chuỗi cung ứng và vận chuyển (Supply Chain & Logistics),
chăm sóc sức khoẻ (Healthcare), nhà và các cao ốc (Home & Building).[5]

Hình 1.3: Ví dụ về ứng dụng của cơng nghệ LoRa
Hình 1.3 là ví dụ của cơng nghệ LoRa trong các việc theo dõi các phương tiện
giao thông, đèn điện, các tồ nhà hay nơng trại. Tất cả các vật (things) đều có thể trở nên
thơng minh (smart) khi có kết nối với Internet và được giám sát bởi con người.

18


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
1.3.3 Các dịng sản phẩm của LoRa
• Các module LoRa của hãng Semtech

Hình 1.4: Các module LoRa của Semtech
Hình 1.4 là hình ảnh các module sử dụng cơng nghệ LoRa của hãng Semtech, bao
gồm họ chip SX127x như: Liberium LoRa, Multi-Tech mDot, Embit LoRa, …

19


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
• Các thiết bị tích hợp sử dụng LoRa của các hãng

Hình 1.5: Các thiết bị tích hợp cơng nghệ LoRa
Hình 1.5 là hình ảnh các thiết bị tích hợp công nghệ LoRa bao gồm sản phẩm
thương mại của LoRa Alliance và các kit phát triển của các hãng khác. [6]
1.3.4 Gateway trong mạng LoRaWAN
Một thiết bị rất quan trọng trong mạng LoRaWAN là LoRa Gateway. LoRa
Gateway là thiết bị trung tâm (center node), đóng vai trị thu thập dữ liệu từ kết nối
module LoRa (đóng vai trị sensor node) sau đó giao tiếp với các hệ thống khác (có thể
là Server hay các hệ thống xử lý dữ liệu). Gateway có thể nhận dữ liệu từ bất kỳ một
thiết bị LoRa khác nào, và cũng có thể gửi dữ liệu mà nó nhận được đến các thiết bị
LoRa khác.
LoRa Gateway là một thiết bị trung gian để kết nối các thiết bị thu phát với nhau.
Nó đóng vai trò vừa là bộ thu, vừa là bộ phát.

20


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

Hình 1.6: Mơ hình giao tiếp của các thiết bị dùng LoRa với Gateway

Hình 1.6 thể hiện mối quan hệ giữa các thiết bị dùng công nghệ LoRa với
Gateway. Để tạo thành một mạng lưới LoRaWAN kết nối các thiết bị với nhau cũng như
kết nối chúng với Internet thì Gateway đóng vai trị quyết định, vừa nhận và phát tín hiệu
đến các thiết bị, vừa đẩy dữ liệu lên server để lưu trữ và xử lý.
Dữ liệu từ module LoRa sẽ gửi lên Gateway và nhận phản hồi từ Gateway.
Gateway với kết nối Internet sẽ đưa những dữ liệu đó lên Server để lưu trữ hoặc chuyển
tiếp dữ liệu đến các thiết bị LoRa khác. Dưới đây là 1 số Gateway phổ biến dùng trong
mạng LoRa. Tuỳ vào thiết kế, mỗi Gateway có khả năng kết nối từ 10 đến 15 thiết bị
LoRa hoặc nhiều hơn.

21


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B

Hình 1.7: Một số Gateway sử dụng phổ biến hiện nay
Hình 1.7 là hình ảnh các Gateway thường được sử dụng trong hệ thống
LoRaWAN của các hãng khác nhau như: Multi-Tech Conduit, EP-M2M-LORA, Kerlink
IoT Station, …
1.3.5 So sánh công nghệ LoRa với các công nghệ truyền dữ liệu khác
Ngày nay, chúng ra có rất nhiều các cơng nghệ truyền nhận không dây được sử
dụng trong IOT. Dựa vào mục đích sử dụng là truyền xa hay truyền gần mà chúng được
chia ra làm 3 mơ hình wireless network như sau:
-

Cellular network (GSM hoặc LTE network): là mơ hình truyền dữ liệu sử dụng
trên điện thoại mà chúng ta vẫn sử dụng hằng ngày. Các mạng cellular có tốc độ
truyền dữ liệu cao nhưng cũng yêu cầu năng lượng tiêu thụ cao

-

LAN network (Wifi, Bluetooth, Zigbee hoặc Z-wave): được sử dụng rộng rãi
trong các mạng LAN (Local Area Network hoặc Personal Area Network). Điểm
yếu của các thiết bị này là công suất tiêu thụ vẫn cao cho các thiết bị sử dụng pin.

-

LPWAN network (SigFox, LoRa, NB-Fi, RPMA): là mô hình được phát triển
sau 2 mơ hình network ở trên để cho phép các thiết bị dùng pin có thể truyền dữ
22


Công nghệ Lora cho các ứng dụng IoT Đào Xuân Hiệp –KTVT2015B
liệu với khoảng cách xa mà không tốn nhiều năng lượng. Đây là mơ hình sẽ được
ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT trong tương lai.
Bảng 1.1: Mức độ phổ biến các công nghệ dùng trong IOT
Các phương pháp

Local Area Network
Phạm vi truyền thông
ngắn

Low Power Wide Area
(LPWAN)
Internet of Things

Mạng di động
Truyền thống
M2M

Độ phổ biến

40%

45%

15%

Ưu điểm

Tiêu chuẩn thiết lập
tốt
Trong tịa nhà

Tiêu thụ năng lượng ít
Chi phí thấp
Positioning

Nhược điểm

Tuổi thọ pin thấp
Cần duy trì
Chi phí mạng và sự
phụ thuộc

Tốc độ dữ liệu thấp
Emerging standards

Hiện tại đang
phủ sóng

Tốc độ dữ liệu
cao
Autonomy
Total cost of
ownership

Ví dụ về các cơng
nghệ

Bluetooth, Zigbee,
Wifi

LoRa

GSM, 3G, 4G

Bảng 1.1 thể hiện tỉ lệ sử dụng các công nghệ truyền dữ liệu dùng trong IOT.
Trong đó LoRa đang được sử dụng phổ biến nhất (45%), theo sau đó là mạng khu vực
địa phương (40%) và mạng di động (15%).[7]
Dưới đây là bảng so sánh các công nghệ truyền dữ liệu được sử dụng phổ biến
nhất hiện nay. Nó giải thích vì sao mà cơng nghệ LoRa hiện tại rất được ưa chuộng và
phổ biến trong lĩnh vực IOT:

23