Nghiên cứu, triển khai mô hình mạng LoRaWAN cho ứng dụng IoT tầm xa

Bài viết Nghiên cứu, triển khai mô hình mạng LoRaWAN cho ứng dụng IoT tầm xa trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế, và triển khai mô hình mạng LoRaWAN có thể triển khai ứng dụng trong IoT tầm xa. Kết quả nghiên cứu triển khai thử nghiệm hệ thống với anten 3 dBi, phát ở tần số 867,9 MHz khoảng cách truyền lớn nhất đạt được khoảng cách 1,5 km khi không có vật che chắn và 1,0 km trong môi trường đô thị.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu, triển khai mô hình mạng LoRaWAN cho ứng dụng IoT tầm xa Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2023. ISBN: 978-604-82-7522-8 NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI MÔ HÌNH MẠNG LoRaWAN CHO ỨNG DỤNG IoT TẦM XA Trần Văn Hội Trường Đại học Thuỷ lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn 1. GIỚI THIỆU CHUNG các nút nhận và chuyển tiếp thông tin từ các nút khác có thể không liên quan đến chúng. Ngày nay công nghệ internet vạn vật (IoT- Vì vậy bài báo này đề xuất xây dựng mạng Internet of Things) đã trở thành một phần theo kiến trúc hình sao, các nút IoT truyền không thể thiếu đối với đời sống của chúng thông trực tiếp với Gateway, dữ liệu sẽ được ta, khi mà hầu như các thiết bị thông minh, kết nối tới máy chủ mạng thông qua truyền các lĩnh vực đều đang ứng dụng công nghệ thông Wi-Fi, Ethernet. Mô hình hệ thống IoT. Trong hệ thống IoT việc truyền dữ liệu mạng LoRaWAN thể hiện trên hình 1. giữa các nút IoT với nhau; giữa nút IoT với cổng (Gateway) IoT thì chuẩn truyền thông không dây chiếm tỉ lệ lớn so với chuẩn truyền thông có dây. Điểm đáng chú ý khi triển khai các ứng dụng IoT là khả năng tiết kiệm năng lượng, tốc độ truyền tải, và độ bao phủ. Hiện nay, các nghiên cứu ứng dụng công nghệ không dây cũng được phát triển để phù hợp với các nhóm ứng dụng IoT khác nhau như truyền thông Bluetooth, Zigbee, LoRa, Hình 1. Mô hình mạng LoRaWAN NB-IoT, Wifi, mạng thông tin di động… [1, 2]. Hệ thống mạng LoRaWAN bao gồm 4 Trong những công nghệ truyền thông kể trên, thành phần chính: Nút IoT, Gateway, các công nghệ Wifi, Zigbee, Bluetooth có phạm máy chủ đám mây Cloud Server và App hoặc vi hoạt động ngắn từ 10 đến 150 m. Để mở web để quản lý và điều khiển từ xa. Trong đó rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn các nút IoT kết nối giữa nút IoT và Gateway sử dụng trên phạm vi rộng và tiêu thụ năng lượng truyền thông không dây LoRa, và kết nối thấp thì chuẩn truyền thông LoRa là một giải giữa Gateway đến Server đến trình duyệt hay pháp hiệu quả. Với khả năng tiết kiệm năng App sử dụng kết nối IP. lượng tiêu thụ, khoảng cách truyền thông xa có thể lên đến 20 km và hoạt động trên băng 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU tần không phải cấp phép với tốc độ thấp từ 2.1. Thiết kế nút IoT 0,3 kbps đến 50 kbps. Để xây dựng hệ thống mạng LoRaWAN Chức năng của nút IoT thực hiện thu nhận (Long Range Wireless Area Network) ta có dữ liệu từ cảm biến và truyền dữ liệu lên thể sử dụng kiến trúc mạng lưới, các nút IoT Gateway, đồng thời nút IoT sẽ nhận dữ liệu sẽ chuyển tiếp thông tin độc lập tới các nút hoặc lệnh điều khiển từ Gateway gửi về để khác để nhằm tăng phạm vi truyền thông và điều khiển các thiết bị như đèn, động cơ… kích thước của mạng. Tuy nhiên cấu trúc Việc truyền dữ liệu giữa nút IoT và Gateway mạng này làm tăng thêm độ phức tạp, giảm sử dụng sóng LoRa (long range). Đây là dung lượng mạng và giảm thời lượng pin do chuẩn truyền thông không dây dùng băng tần 289 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2023. ISBN: 978-604-82-7522-8 434 MHz, 868 MHz và 915 MHz, sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ (Chirp Spread Server Spectrum). Trong thiết kế này tác giả lựa chọn mạch Seeeduino LoRaWAN để làm nút IoT, mạch sử dụng chip vi điều khiển Module Raspbery PI 3 ATSAMD21G18 với tốc dộ 48MHz tích hợp RHF0M301 module truyền thông LoRa RHF76-052AM Hình 3. Sơ đồ khối Gateway IoT phát ở 2 dải tần 434 - 470MHz và 868 - 915MHz, độ nhạy máy thu -140dBm với 3. KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM công suất đầu ra 19dBm. Để triền khai mô hình, và thực hiện đánh 3.1. Thực thi mạch, lập trình thử nghiệm giá đo đạc tham số truyền thông LoRa, tại nút Sau khi thực hiện thiết kế hệ thống, thực IoT có các cảm biến thu thập dữ liệu nhiệt hiện thiết kế sơ đồ nguyên lý theo tài liệu kỹ độ, độ ẩm DHT11, cảm biến bụi mịn thuật, sơ đồ mạch phần cứng của nút IoT thể gp2y1010. Để hiển thị dữ liệu thu nhận được hiện trên hình 4. mạch sử dụng LCD 162 sử dụng chuẩn giao tiếp I2C. Ngoài ra node IoT có thể nhận lệnh từ server để điều khiển các thiết bị khác qua cơ cấu chấp hành, trong mạch thử nghiệm sử dụng mạch điều khiển bật tắt đèn led. Sơ đồ thiết kế nút IoT thể hiện trên hình 2. Cảm biến Hình 4. Mạch điện phần cứng nút IoT DHT11 LCD Seee- Lưu đồ thuật toán lập trình cho mạch nút duino IoT thể hiện trên hình 5. Khi bắt đầu, chương Cảm biến LoRa trình thiết lập các đầu vào cho cảm biến, đầu gp2y1010 Chấp hành ra hiển thị LCD. Sau đó sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến đưa lên LCD. Chương trình sẽ kiểm tra Hình 2. Sơ đồ khối nút IoT xem có dữ liệu thu từ Module LoRa để điều 2.2. Thiết kế cổng Gateway khiển cơ cấu chấp hành, nếu không có thì sẽ truyền dữ liệu lên Gateway để kết thúc một Cổng Gateway LoRaWAN là thiết bị thực chu k ...