Tài liệu ỨNG DỤNG TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU SỬ DỤNG MODULE LORA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU SỬ DỤNG MODULE LORA MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.2 GIỚI THIỆU MODULE LORA 1.3 ĐIỂM QUAN TRỌNG IOT 2 1 1 2 CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ GIỚI THIỆU LINH KIỆN 3 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA MÔ HÌNH 3 2.2 CẤU TRÚC TRUYỀN DỮ LIỆU TẠI GATEWAY VÀ CÁC NODE 3 2.3 XỬ LÍ DỮ LIỆU TẠI CENTER 3 2.4 GIỚI THIỆU LINH KIỆN 2.5 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN, HIỂN THỊ DỮ LIỆU THÔNG QUA NODE-RED 3 CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÍ VÀ QUY TẮC LAYOUT PCB 4 3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ MODULE 4 3.2 NGUYÊN TẮC VẼ NGUYÊN LÍ VÀ LAYOUT PCB 3.3 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG NODE-RED 3.4 HÌNH ẢNH LAYOUT CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG NODE-RED 4 3.5 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 4 4 4 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ THỰC NGHIỆM 5 4.1 HÌNH ẢNH MÔ HÌNH THỰC TẾ 5 4.1 THỰC NGHIỆM KHOẢNG CÁCH 5 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6 5.1 KẾT LUẬN 6 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 7 PHỤ LỤC A 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 2-1: SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT MÔ HÌNH 3 HÌNH 2-2: CẤU TRÚC TRUYỀN DỮ LIỆU 4 HÌNH 2-3: HÌNH ẢNH CÁC GATEWAY GỬI DỮ LIỆU VỀ PC 5 HÌNH 2-4: HÌNH ẢNH MODULE LORA SX1278 6HÌNH 2-5: HÌNH ẢNH CHIP AVR ATMEGA328P 8 HÌNH 2-6: HÌNH ẢNH IC DS13079HÌNH 2-7: SƠ ĐỒ CHÂN IC DS1307 10 HÌNH 2-8: HÌNH ẢNH IC LƯU DỮ LIỆU FLASH IC 24LC04B1 11HÌNH 2-9: HÌNH ẢNH CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT11 12 HÌNH 2-10: HÌNH ẢNH CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG NODE-RED 13HÌNH 2-11: TỔNG QUANG XỬ LÍ TRONG NODE-RED 14 HÌNH 2-12: GIAO DIỆN HIỂN THỊ TRONG NODE-RED 14HÌNH 2-13: MÔ TẢ PC ĐÓNG VAI TRÒ LÀ SERVER VÀ CLIENT 15 HÌNH 2-14: MÔ TẢ PC ĐÓNG VAI TRÒ LÀ SERVER 15HÌNH 3-1: NGUYÊN LÍ TOÀN BỘ HỆ THỐNG 16 HÌNH 3-2: NGUYÊN LÍ MẠCH NGUỒN 17HÌNH 3-3: MẠCH NGUYÊN LÍ MCU 16 HÌNH 3-4: NGUYÊN LÍ GIAO TIẾP CÁC CỔNG TRUYỀN THÔNG 18HÌNH 3-5: NGUYÊN LÍ GIAO TIẾP CÁC CỔNG TRUYỀN THÔNG 18 HÌNH 3-6: PHỦ POLYGON CHO MẠCH NGUỒN 19HÌNH 3-7: ĐƯỜNG DÂY THEO CHUẨN TEXAS INSTRUMENTS 20 Hình 3-8: HÌNH ẢNH SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ 0 20 HÌNH 3-9: MẠCH NGUYÊN LÍ MCU 21 Hình 3-10: NGUYÊN LÍ GIAO TIÊẾP CÁC CÔNG TRUYÊỀN THÔNG 22 HÌNH 3-11: NGUYÊN LÍ GIAO TIẾP CÁC CỔNG TRUYỀN THÔNG 22 Hình 3-12: PHỦ POLYGON CHO MẠCH NGUÔỀN 23 HÌNH 3-13: ĐƯỜNG DÂY THEO CHUẨN TEXAS INSTRUSMENT HÌNH 3-14: HÌNH ẢNH SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ 0 23 24 HÌNH 3-15: MẠCH NGUYÊN LÍ MCU 25 HÌNH 3-16: NGUYÊN LÍ GIAO TIẾP CÁC CỔNG TRUYỀN THÔNG 27HÌNH 3-17: NGUYÊN LÍ GIAO TIẾP CÁC CỔNG TRUYỀN THÔNG 28 HÌNH 3-18: PHỦ POLYGON CHO MẠCH NGUỒN THEO CHUẨN TEXAS INSTRUMENTS 29HÌNH 3-19: ĐƯỜNG DÂY 30 HÌNH 4-1: MÔ HÌNH THỰC TẾ 31HÌNH 4-2: ĐO KHOẢNG CÁCH TỪ GOOGLE MAP 32 HÌNH 4-3: MÔ TẢ KHOẢNG CÁCH CÁC NODE VÀ GATEWAY 32 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1-1: BẢNG THỐNG KÊ 33 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LoRa Long Range I2C Inter-Integrated Circuit SPI Serial Peripheral Interface IoT Internet of Things UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter TX Transmitter RX Receiver PCB Print Circuit Board RTC Read Time Clock Trang 1/39 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Mục đích của đề tài Với mong muốn tạo ra một hệ thống thu thập dữ liệu với khoảng cách xa hàng km, hay những khu vực không có sóng Wifi, những nơi hẻo lánh không có sóng di động. Giúp mọi người có thể tiếp cận được, đơn giản như người nông dân có thể thu thập dữ liệu cảm biến độ ẩm đất từ nương rẫy xa xôi, có thể điều khiển bật/tắt máy bơm nước từ xa để tưới tiêu. Hay là người dân vùng biển tận dụng việc truyền xa của hệ thống để áp dụng ngoài biển khơi khi không có vật cản, để thu thập các dữ liệu gió, làm các dữ liệu cần thiết từ biển để phục vụ cho việc sinh sống, kinh tế từ người dân. Thiết bị quan sát theo dõi trẻ em truyền dữ liệu GPS qua module LoRa, cảnh báo chống trộm trong thành phố bán kính 5-10km để module LoRa đáp ứng được. Trong thời đại công nghiệp 4.0, với khả năng truyền không dây xa mang kèm tính năng tiết kiệm năng lượng thì rất phù hợp vào các hệ thống áp dụng giải pháp thành phố thông minh, bãi đậu xe thông minh, điều khiển thiết bị từ xa, theo dõi quan trắc môi trường và các hệ thống công nghiệp. Tóm lại, với những nhu cầu và thực trạng như hiện nay trong xã hội, ý tưởng của đề tài xuất phát và ra đời. Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 2/39 1.2 Giới thiệu module LoRa LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với pin trong thời gian dài trước khi cần thay pin. 1.3 Điểm quan trọng IoT Điểm quan trọng của ứng dụng IoT yêu cầu chỉ truyền rất ít bit dữ liệu để theo dõi các thiết bị tầm xa. Hệ thống mạng di động thì không phù hợp với vấn đề năng lượng pin và tốn phí khi gửi ít dữ liệu. Vì vậy, LoRaWAN được đưa ra cho những ứng dụng này. LoRaWAN thích hợp cho việc gửi một lượng nhỏ dữ liệu với khoảng cách xa, thời lượng pin dài. Tiết kiệm năng lượng (dòng điện khởi động 10.3mA, dòng điện duy trì 200nA) Khoảng cách truyền xa (10-12km) ít vật chắn, trong thành phố trung bình 5km (cần có trạm Center cao khoảng trên 10 tầng lầu). Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 3/39 CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ GIỚI THIỆU LINH KIỆN 2.1 Sơ đồ tổng quát của mô hình Hình 2-1: Sơ đồ tổng quát của mô hình Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 4/39 2.2 Cấu trúc truyền dữ liệu tại Gateway và các node Hình 2-2: Cấu trúc truyền dữ liệu 2.3 Xử lí dữ liệu tại Center Hình 2-3: Hình ảnh các Gateway gửi dữ liệu về PC  Tại PC hay máy tính nhúng giao tiếp với module LoRa qua giao tiếp UART  PC có nhiệm vụ truyền, nhận, xử lí dữ liệu, sử dụng ngôn ngữ Python (Python xử lí nhanh, tiết kiệm bộ nhớ, khả năng mở rộng, đa năng …) Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 5/39  Toàn bộ node, hay Gateway chỉ gửi dữ liệu lên PC, PC xử lí toàn bộ và sau đó update lên Web theo thời gian định sẵn để tránh trường hợp đầy, hay nghẽn dữ liệu tại Webserver.  Tại PC luôn gửi ACK cho từng Gateway để tránh mất gói dữ liệu. (Tại các node tự giải quyết dữ liệu cho Gateway trong phạm vi của mình, chứ không được gửi lên tới Center). 2.4 Giới thiệu linh kiện 2.4.1 Module LoRa SX1278 100mW 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 (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.Theo Semtech công bố thì nguyên 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 môi trường xung quanh. Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: 430MHz cho châu Á 780MHz cho Trung Quốc 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu 915MHz cho USA Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 6/39 phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho một chirprate). Hình 2-4: Hình ảnh module LoRa SX1278 Module Lora SX1278 100mW sử dụng chip Semtech SX1278 của chuẩn LoRaTM không dây, module ngoài sử dụng công nghệ GFSK truyền thống, nó cũng sử dụng công nghệ Lora (long range) chống nhiễu và giảm dòng tiêu thụ. Module hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, độ mạnh tín hiệu phát lớn 100mW, truyền tải được khoảng cách xa mà điện năng tiêu thụ thấp. Nó thích hợp cho bất kỳ môi trường ứng dụng phức tạp nào cần truyền tải dữ liệu không dây, chẳng hạn như: điều khiển nhà thông minh nhà, ô tô điện tử, báo động an ninh, giám sát và kiểm soát hệ thống công nghiệp, hệ thống điều khiển từ xa cho các ứng dụng tưới tiêu. Các module có thể dễ dàng nhúng vào hệ thống bằng giao thức SPI chuẩn, giúp cho giao tiếp dễ dàng và đơn giản. Thông số kỹ thuật  Kích thước: 21x36mm Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 7/39  Tần số: 433MHz (410 ~ 441MHz) hỗ trợ 32 kênh  Điện áp hoạt động: 2.3 ~ 5.5VDC  Độ mạnh phát: 20dBm (100mW) với 4 mức điều chỉnh (20, 17, 14, 10dBm)  Tốc độ truyền không dây: 2.4kbps có thể điều chỉnh 6 mức (0.3, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2Kbps)  Dòng sleep mode 2.0uA ở Mode 3  Dòng phát: 110mA  Dòng nhận : 14mA ở Mode 0,1  UART baudrate: 1200 ~ 115.200. Tổng cộng có 8 loại tốc độ truyền (mặc định 9600)  UART TX, RX Cache 512 Bytes  Hỗ trợ 16 bit địa chỉ để thiết lập network  Anten SMA-K Threaded lỗ, 50Ω trở kháng  Độ nhạy nhận -130dBm  Nhiệt độ hoạt động -40 ~ + 85 ℃ Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 8/39 2.4.2 Atmega328 AU SMD Hình 2-5: Hình ảnh chip AVR ATmega328P  Kiến trúc: AVR 8bit  Xung nhịp lớn nhất: 20MHz  Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB  Bộ nhớ EEPROM: 1KB  Bộ nhớ RAM: 2KB  Điện áp hoạt động rộng: 1.8V - 5.5V  Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit  Số kênh xung PWM: 6 kênh (1 timer 2 kênh) Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 9/39 2.4.3 IC DS1307 Hình 2-6: Hình ảnh IC DS1307 Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 10/39 Hình 2-7: Sơ đồ chân IC DS1307  X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307. Cần dao động thạch anh 32.768KHz.  VBAT là nguồn nuôi cho chip. VCC là nguồn cho giao tiếp I2C.  GND là nguồn Mass chung cho cả VCC và VBAT.  SQW/OUT là một ngõ ra phụ tạo xung dao động (xung vuông).  SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307. Thông tin truyền và ghi đều được truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C. Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 11/39 2.4.4 IC AT24C512C Hình 2-8: Hình ảnh IC lưu dữ liệu flash IC 24LC04B1 áp là cần thiết. Thiết bị hoạt động trong phạm vi điện áp từ 2.5V đến 5.5V.  Tổ chức nội bộ 65.536 x 8  Truyền thông I2C  Schmitt gây nên, lọc đầu vào để ngăn chặn nhiễu  Giao thức truyền dữ liệu hai chiều  Khả năng tương thích 1MHz (2.5V, 5.5V)  Bảo vệ pin cho phần cứng và phần mềm bảo vệ dữ liệu  Chế độ ghi 128 byte (cho phép ghi tối đa 1 thanh ghi)  Chu trình ghi thời gian tự động (tối đa 5ms)  Độ tin cậy cao Độ bền: 1.000.000 chu trình ghi Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 12/39 2.4.5 DHT 11 Hình 2-9: Hình ảnh cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11  Điện áp hoạt động: 3VDC - 5VDC  Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ± 5%RH  Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ± 2°C  Khoảng cách truyển tối đa: 20m Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa ` Trang 13/39 2.5 Giao diện điều khiển, hiển thị dữ liệu thông qua Node-RED Hình 2-10: Hình ảnh chương tình ứng dụng Node-Red  Node-RED được dựa trên Node.js, nó có thể được xem như một web server mà có thể cấu hình tùy chỉnh các chức năng gọi là “flow” từ bất kỳ trình duyệt nào trên máy tính. Mỗi ứng dụng Node-RED bao gồm các node có thể liên kết được với nhau với các dạng là input, output và operation.  Node-RED cung cấp trình biên tập luồng dựa trên trình duyệt làm cho dễ dàng kết nối các luồng với nhiều nút trong bảng. Các luồng có thể được triển khai tới thời gian chạy bằng một cú nhấp chuột duy nhất.  Các hàm JavaScript có thể được tạo ra bên trong trình soạn thảo sử dụng trình biên tập văn bản phong phú.  Thư viện được xây dựng sẵn cho phép bạn lưu lại các chức năng hữu ích, mẫu hoặc dòng chảy để tái sử dụng. Ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng module LoRa `