Tìm hiểu về công nghệ Lora và cách hoạt động

Chắc hẳn, thuật ngữ LoRa đã được các bạn nghe nhiều trong các ứng dụng liên quan IoT, Smart City,…Hôm nay, SmartFactoryvn và các bạn sẽ cùng tìm hiểu khái niệm cơ bản về LoRa nhé!

Vì sao cần phải sử dụng công nghệ Lora

Hiện nay, mọi người rất hào hứng với tất cả các khả năng do các cảm biến và thiết bị mới mang lại cho khối lượng dữ liệu hữu ích. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu những cảm biến này dừng đột ngột việc phát dữ liệu do hết pin ? Pin sẽ cần phải được thay đổi cứ sau vài ngày hoặc vài tuần? Và 1 mạng sẽ xử lý lưu lượng dữ liệu lớn như thế nào?

Rõ ràng, một trong những thách thức chính trong việc xây dựng Internet vạn vật là đảm bảo rằng tất cả những thứ đó trên thực tế có thể giao tiếp qua Internet. Số lượng thiết bị IoT là số lượng lớn 25 tỷ thiết bị vào năm 2020, theo một ước tính, và bất kỳ mạng nào hỗ trợ giao tiếp đó phải mở rộng để xử lý lưu lượng. Vì vậy, có những vấn đề đối với mạng và cũng có vấn đề với chính các thiết bị IoT: chúng chạy bằng nguồn pin, có sóng yếu và có bộ nhớ và khả năng xử lý hạn chế.

Các thiết bị IoT ngày nay chọn từ một số công nghệ để hỗ trợ liên lạc của họ, nhưng không có thiết bị nào là lý tưởng. Wi-Fi có ở khắp mọi nơi, nhưng nó sử dụng nhiều năng lượng và truyền nhiều dữ liệu. Đây không phải là một kết hợp hoàn hảo cho các thiết bị IoT không có năng lượng dự phòng và thường gửi dữ liệu hạn chế với số lượng nhỏ. Và cũng có những hạn chế về số lượng thiết bị mà một bộ định tuyến Wi-Fi có thể xử lý và chúng có thể hết dung lượng khi số lượng thiết bị IoT trong nhà tăng lên.

Công nghệ Bluetooth cho phép các thiết bị giao tiếp, nhưng chỉ trong một phạm vi hạn chế về không gian. Cũng giống như Wi-Fi, nó cũng có thể cần nhiều năng lượng để vận hành. ZigBee có công suất thấp và truyền qua khoảng cách xa hơn nhưng tốc độ dữ liệu lại thấp, nhưng không phải tất cả các dự án triển khai ZigBee đều tương thích.

Công nghệ Lora – một giao thức mới được thiết kế cho Internet vạn vật

Công nghệ Lora – một giao thức mới được thiết kế cho Internet vạn vật

Công nghệ LoRa , được phát triển bởi Semtech , là một giao thức không dây mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp. Giao thức cung cấp loại khả năng liên lạc mà các thiết bị thông minh cần có, và Liên minh LoRa đang hoạt động để đảm bảo khả năng tương tác giữa nhiều mạng trên toàn quốc.

Một phần của phổ LoRa sử dụng thể hiện ít nhiễu điện từ, do đó tín hiệu có thể kéo dài một khoảng cách xa, thậm chí đi qua các tòa nhà, với rất ít năng lượng. Điều này phù hợp với các thiết bị IoT với dung lượng pin hạn chế. Điều đó cũng có nghĩa là các tinh thể chi phí thấp hơn có thể được sử dụng, do đó, việc xây dựng LoRa thành các thiết bị rẻ hơn.

Mỗi gateway LoRa có thể xử lý hàng triệu node. Điều đó, cộng với thực tế là các tín hiệu có thể kéo dài khoảng cách đáng kể, có nghĩa là cần ít cơ sở hạ tầng mạng hơn, do đó làm cho việc xây dựng mạng LoRa rẻ hơn. Các mạng LoRa có thể được đặt cùng với các thiết bị liên lạc khác, như các tháp điện thoại di động, làm giảm đáng kể các hạn chế xây dựng.

Các tính năng khác của LoRa cũng khiến nó trở nên lý tưởng cho IoT. LoRa sử dụng thuật toán tốc độ dữ liệu thích ứng để giúp tối đa hóa tuổi thọ pin và dung lượng mạng của thiết bị. Các giao thức của nó bao gồm nhiều lớp mã hóa, ở cấp độ mạng, ứng dụng và thiết bị, cho phép liên lạc an toàn. Tính hai chiều của giao thức hỗ trợ các thông điệp quảng bá, cho phép chức năng cập nhật phần mềm.

Công nghệ LoRa loại bỏ các giới hạn của IoT

Sự phát triển của Internet of Things bị giới hạn bởi dung lượng của mạng, bởi khả năng hoạt động của thiết bị mà không cần thay pin và bởi khả năng mã hóa truyền dẫn bí mật. Các tính năng được tích hợp trong LoRa cung cấp tất cả các khả năng này và sẽ cho phép sự phát triển rộng rãi của IoT. Với công nghệ Lora , 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 battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.

Bảng so sánh Lora cùng các công nghệ khác

Nguyên lý hoạt động của LoRa ra sao ?

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nôm na 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

Khi nhắc tới Lora ta không thể không nhắc tới LoraWan;

LoraWan là gì

Các mạng diện rộng, công suất thấp rất tốt cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi các thiết bị gửi một lượng nhỏ dữ liệu qua khoảng cách lớn trong nhiều năm trên một pin duy nhất. Tiêu chuẩn mở của LoRaWAN là một giao thức LPWAN phổ biến và hiệu quả.

Liên minh LoRa là một tổ chức phi lợi nhuận gồm 500 công ty thành viên dành riêng cho việc sử dụng “tiêu chuẩn mở LoRaWAN” như một cách để giữ cho các triển khai LPWAN được tích hợp, mạch lạc và tương thích với quy mô lớn. Liên minh này tạo ra các tiêu chuẩn và giao thức mà các nhà sản xuất thiết bị LPWAN và các nhà cung cấp giải pháp tuân thủ. LoRa Alliance tương tự như 3GPP, tiêu chuẩn hóa công nghệ di động, ngoại trừ LoRa là một cơ quan của các công ty trong khi 3GPP là một nhóm các cơ quan tiêu chuẩn.

LoRa duy trì “tiêu chuẩn mở LoRaWAN” và chứng nhận các thiết bị IoT mới hoạt động trong các thông số kỹ thuật của nó. Các thiết bị được chứng nhận của LoRaWAN sử dụng một sơ đồ điều chế tần số vô tuyến độc quyền để truyền tín hiệu ra để tăng độ nhạy của máy thu trong khi hạ thấp tốc độ truyền dữ liệu.

Hãy nghĩ đến việc bạn nghe thấy khó khăn như thế nào tại một bữa tiệc lớn. Bây giờ hãy tưởng tượng bạn đang ở một lễ hội ngoài trời lớn, cố gắng vượt qua những tiếng thì thầm trên hàng trăm mét. LoRa giải quyết vấn đề này bằng cách gửi các thông điệp đơn giản (tín hiệu CHIRP LORa) được cấu trúc để tránh nhiễu tiếng ồn.

Máy thu LoRaWAN đủ nhạy để nhận các CHIRP được điều chế ở khoảng cách lớn giữa các môi trường ồn ào. Yếu tố lan truyền (điều chế), kích thước tải trọng (số lượng dữ liệu) và tốc độ truyền dữ liệu (tốc độ truyền), tất cả đều giảm dần khi các thiết bị End nodes truyền thông tin đến các bộ thu RF gateway từ khoảng cách lớn hơn.

Các tính năng chính của hệ thống LoRaWAN

  • Tầm xa (>5 km ở khu vực đô thị, >10 km ở khu vực ngoại ô, >80 km ở đường ngầm)
  • Tuổi thọ pin dài (>10 năm)
  • Chi phí thấp (<5 USD/module)
  • Tốc độ dữ liệu thấp (0,3 bps – 50 kbps, thường khoảng ~ 10 kB/ngày)
  • Hỗ trợ bản địa hóa
  • Truyền Hai chiều
  • Đảm bảo ổn định
  • Hoạt động không cần giấy phép

LoraWan hoạt động như thế nào ?

Một trong những đặc điểm cơ bản của LoRaWAN là hoạt động trong phạm vi phổ không được cấp phép dưới 1GHz. Trong khi, WiFi hoạt động ở tần số được cấp phép cao hơn là 2.4GHz và 5GHz và 4G trong khoảng từ 2 đến 8GHz.

Hiện tại, một số băng tần ISM khu vực trong LoRaWAN là EU 868, EU 433, US 915 (Châu Mỹ) và AS 430 (Châu Á). Cấu trúc của LoRaWAN bao gồm hai lớp: Lớp vô tuyến vật lý, LoRa (Long Range – Tầm xa) và lớp mạng mà nền tảng LoRaWAN tồn tại. Hiện tại không có tài liệu trực tuyến về lớp vật lý, nhưng mọi người đang cố gắng giải mã nó.

Cấu trúc liên kết cơ bản của LoRaWAN có nguồn gốc từ đầu vào LoRa Alliance. Nó chứa hai bộ phận thiết yếu.

Cấu trúc sao tầm xa bao gồm một Network Server LoRaWAN ở trung tâm kết nối với các Gateway LoRa trung gian.

Từ các Gateway đó, các node cuối kết nối với các mô-đun cho các ứng dụng và nền tảng IoT. Các giao tiếp xảy ra theo cả hai hướng.

Kiến trúc của hệ thống Lora và LoraWAN

Kiến trúc mạng LoRaWAN được triển khai theo cấu trúc liên kết hình ngôi sao – ngôi sao (so với cấu trúc liên kết Mesh, ví dụ: Zibgee).

Các mạng LoRaWAN được đặt trong cấu trúc liên kết sao có các trạm cơ sở chuyển tiếp dữ liệu giữa các node cảm biến và Network Server.

Giao tiếp giữa các node cảm biến và các trạm cơ sở đi qua kênh không dây sử dụng lớp vật lý LoRa, trong khi kết nối giữa các Gateway và máy chủ trung tâm được xử lý qua mạng dựa trên IP.

  • End nodes truyền trực tiếp đến tất cả các Gateway trong phạm vi sử dụng LoRa.
  • Gateway chuyển tiếp tin nhắn giữa các thiết bị đầu cuối và Network Server trung tâm sử dụng IP.

End nodes thường là cảm biến nhúng công nghệ LoRa. Các node thường có:

  • Các cảm biến (được sử dụng để phát hiện thông số thay đổi, ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc kế, gps),
  • LoRa transponder để truyền tín hiệu qua phương thức truyền vô tuyến được cấp bằng sáng chế của LoRa
  • 1 bộ điều khiển vi mô (với Bộ nhớ trên bo mạch) có thể có hoặc không

Các cảm biến có thể kết nối với chip transponder LoRa hoặc cảm biến có thể là một đơn vị tích hợp với chip transponder LoRa được nhúng bên trong.

1 Lora Sensors node của hãng Advantech

Lora có thể lập trình các bộ điều khiển vi mô trong micro-Python hoặc micro-Javascript. Điều này cho phép các nhà phát triển sử dụng dữ liệu từ các cảm biến như gia tốc kế, nhiệt độ, v.v. và thực hiện các trường hợp sử dụng nhất định, vd. Các thuật toán phát hiện rơi có thể được thực hiện bằng cách lập trình bộ điều khiển vi mô dựa trên các đầu vào từ gia tốc kế và các cảm biến khác.

Các End nodes LoRaWAN (cảm biến) thường sử dụng Nguồn điện thấp và được cung cấp năng lượng bằng pin (Loại A và Loại B). Các cảm biến nhúng LoRa chạy trên pin thường có thể tồn tại từ 2 đến 5 năm. Các cảm biến LoRa có thể truyền tín hiệu qua khoảng cách từ 1km – 10km.

Gateway
Các cảm biến LoRa truyền dữ liệu đến các Gateway LoRa. Các Gateway LoRa kết nối với internet thông qua giao thức IP tiêu chuẩn và truyền dữ liệu nhận được từ các cảm biến nhúng LoRa sang Internet, tức là mạng, máy chủ hoặc đám mây. Các thiết bị Gateways luôn được kết nối với nguồn điện. Gateway kết nối với Network Server thông qua các kết nối IP tiêu chuẩn và hoạt động như một cầu nối trong suốt, chỉ cần chuyển đổi các gói RF thành các gói IP và ngược lại.

Network Server

Các máy chủ mạng có thể là các giải pháp nền tảng đám mây như Mạng điều (TTN) hoặc LoRIOT. Các Network Server kết nối với các Gateway dữ liệu và các gói dữ liệu được nhân đôi, sau đó định tuyến nó đến ứng dụng có liên quan.

Các Network Server có thể được sử dụng cho cả giao tiếp đường lên (tức là cảm biến đến ứng dụng) hoặc đường xuống (tức là ứng dụng tới cảm biến).

Network Server Mạng Things có Bộ định tuyến, Broker và Trình xử lý, xử lý các gói dữ liệu từ Gateway LoRaWAN. Nó cũng có một cầu AWS kết nối TTN với nền tảng AWS IOT.

Máy chủ ứng dụng
Máy chủ Ứng dụng thường có thể được xây dựng trên các nền tảng IoT như AWS IoT bằng các dịch vụ Lambda, DynamoDb hoặc S3.

Làm thế nào để kết nối Lora ?

Đối với người dùng cá nhân, điểm cộng lớn nhất của LoRaWAN là được sử dụng miễn phí nhờ cấu hình mở. Tất cả những gì bạn cần là một thiết bị để tận dụng bất kỳ mạng cục bộ nào có bảo mật 128-AES. Theo LoRa Alliance, LoRaWAN hiện có mặt ở hơn 100 quốc gia, với hơn 100 nhà khai thác hàng đầu trên toàn thế giới. Trong thực tế, lý do lớn nhất cho sự phổ biến của nó là chi phí rẻ khi quản lý các mạng ở xa.

Tùy thuộc vào nơi sinh sống, bạn có thể đăng ký một trong nhiều nền tảng LoRaWAN bên dưới.

  • Things Network: Với gần 60.000 nhà phát triển và hơn 5800 Gateway LoRa, Things Network là cộng đồng LoRoWAN mở lớn nhất trên thế giới. Bãi đậu xe thông minh, theo dõi gia súc và tưới tiêu thông minh là một vài ứng dụng khởi đầu mà người dùng có thể tham khảo.
  • AWS: Nếu đang sử dụng Things Network, người dùng có thể kết nối với hệ sinh thái IoT của Amazon.
  • LoRa Server: Nếu muốn kết nối với Google Cloud IoT, LoRa Server cung cấp một trong những lựa chọn thay thế tốt nhất.
  • Link Labs: Link Labs cung cấp phần cứng cho các giải pháp LoRaWAN.

So sánh Lora và NB-IoT – Công nghệ IoT nào phù hợp cho bạn

 

Cân nhắc về quy định đối với LoRa khi sử dụng các tần số sóng vô tuyến

Các thiết bị LoRa truyền trong dải tần số mở,  không cần giấy phép của chính phủ để truyền phát. tức là LoRa hoạt động trong các dải tần số miễn phí giấy phép và người ta không cần giấy phép từ chính phủ hoặc tiểu bang, để truyền trên các tần số mở này.

LoRa sử dụng các tần số :

  • 415 Mhz
  • 868 Mhz
  • 915 Mhz

Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là tần số tự do hoặc không có giấy phép khác nhau tùy theo từng quốc gia.

Điều cực kỳ quan trọng là cấu hình chip transponder LoRa để truyền theo tần số chính xác tùy thuộc vào vị trí. Không tuân thủ có thể phải chịu các khoản tiền phạt và hình phạt nặng từ chính quyền địa phương của các nước.

Bản đồ tần số mở LoRa

Những điều cần cân nhắc về băng thông LoRaWAN

Dữ liệu LoRaWAN được truyền ở định dạng kỹ thuật số dưới dạng byte.

Giới hạn thực tế cho việc truyền tải trọng dữ liệu đáng tin cậy trong các điều kiện khác nhau là 100 byte . Mặc dù có thể vượt lên trên một chút, tối đa 100 byte là một quy tắc hoạt động tốt.

Các mạng LoRaWAN đã được thử nghiệm thành công, với các tin nhắn 100 byte được gửi cứ sau 7 giây trong một khoảng thời gian dài. Tuy nhiên, trong thực tế, bất cứ điều gì thường xuyên hơn truyền một lần một phút không được khuyến khích sử dụng. Có thể một gateway duy nhất xử lý đồng thời hàng ngàn node LoRa.

 

Ưu điểm và nhược điểm của LoRaWAN

Ưu điểm của LoRaWAN

  • Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng km
  • Hoạt động trên tần số miễn phí (không có giấy phép), không có chi phí cấp phép trả trước để sử dụng công nghệ
  • Công suất thấp có nghĩa là tuổi thọ pin dài cho các thiết bị. Pin cảm biến có thể tồn tại trong 2 năm5 năm (Lớp A và Lớp B)
  • Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để chăm sóc hàng ngàn thiết bị đầu cuối hoặc node
  • Nó dễ dàng để triển khai do kiến ​​trúc đơn giản của nó
  • Nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng M2M / IoT
  • Kích thước tải trọng tốt hơn (100 byte), so với SigFox là 12 byte
  • Mở: một liên minh mở và một tiêu chuẩn mở. Công nghệ mở so với đối thủ SigFox
  • Không giới hạn số lượng tin nhắn hàng ngày tối đa (so với giới hạn SigFox là 140 / ngày)
  • LoRaWAN có lợi ích là liên minh với cách tiếp cận mở thay vì độc quyền (SigFox).
  • Tầm xa cho phép các giải pháp như ứng dụng thành phố thông minh.
  • Băng thông thấp làm cho nó lý tưởng cho việc triển khai IoT thực tế với ít dữ liệu hơn và / hoặc với việc truyền dữ liệu không đổi.
  • Chi phí kết nối thấp.
  • Không dây, dễ cài đặt và triển khai nhanh.
  • Bảo mật: một lớp bảo mật cho mạng và một lớp cho ứng dụng có mã hóa AES.
  • Giao tiếp hai chiều đầy đủ.
  • Được hỗ trợ bởi những người như CISCO, IBM và 500 công ty thành viên khác của Liên minh LoRa.

Nhược điểm của LoRaWAN

  • Không dành cho tải trọng dữ liệu lớn, tải trọng giới hạn ở 100 byte.
  • Không cho giám sát liên tục (trừ các thiết bị Class C).
  • Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp hơn và yêu cầu thiết bị ràng buộc.
  • Tăng cường mạng lưới LoRaWAN: Sự phát triển của các công nghệ LPWAN, và đặc biệt là LoRaWAN, đặt ra những thách thức cùng tồn tại khi việc triển khai các gateway vào khu vực đô thị.
  • Nhược điểm của tần số mở là bạn có thể bị nhiễu tần số đó và tốc độ dữ liệu có thể thấp. (Đối với GSM hoặc tần số được cấp phép, bạn có thể truyền trên tần số đó mà không bị nhiễu. Các nhà khai thác GSM sử dụng tần số nhất định phải trả phí cấp phép lớn cho chính phủ để sử dụng các tần số đó. LoRa hoạt động trên các tần số mở và không cần trạng thái giấy phép.)

SmartFactoryVN.com đã cung cấp cho bạn thông tin cơ bản về Lora, hi vọng bạn sẽ không phải băn khoăn về công nghệ Lora khi triển khai IoT cho doanh nghiệp.

Bài tiếp theo : So sánh Lora và NB-IoT

Đăng ký để nhận ebook
Đăng ký để nhận ebook "Ứng dụng IoT" từ chúng tôi.
Đăng ký để được nhận ebook "The Technical Foundations of IoT" và "Building Arduino Projects for the Internet of Things ".