Thứ tư, 03/06/2020 | 00:27 - GMT+7

Ứng dụng công nghệ LoRa để xây dựng hệ thống giám sát trên các toa tàu đường sắt Việt Nam

Nghiên cứu của nhóm nghiên cứu trường ĐH Bách Khoa Hà Nội và Cao Đẳng Giao thông vận tải Trung Ương 1 về tiềm năng ứng dụng LoRa vào vận tải đường sắt Việt Nam.

17/04/2020 - 21:31
Tóm tắt
Ngày nay việc giám sát các thông số môi trường rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trồng trọt, thủy sản, chăn nuôi, chất thải khí công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Công nghiệp 4.0 với tâm điểm thế giới vạn vật (IoT – Internet of Things) sẽ giúp cho việc giám sát các thông số môi trường tại mọi lúc mọi nơi. Chỉ với một chiếc điện thoại thông minh (smartphone) giúp hiển thị các cảnh báo khi các thông số môi trường cần giám sát ở ngoài ngưỡng cho phép. Kết quả giám sát sẽ giúp cho bộ phận chức năng có biện pháp xử lý kịp thời nhằm giảm rủi ro và hạn chế các tác động từ môi trường đến đời sống con người. Trong khuôn khổ bài báo này, nhóm nghiên cứu đề xuất một mô hình ứng dụng công nghệ Lora để giám sát thu phát chính xác thông tin trên các toa tàu đường sắt Việt Nam nhằm nâng cao chất lượng phục vụ cũng như tạo cảm giác yên tâm, an toàn, thân thiện cho mỗi hành khách khi đi tàu.
1. Giới thiệu
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 đến hàng kilomet (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 mạng cảm biến (sensor network) trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng nghìn mét và có thể  hoạt động với nguồn pin (battery) trong thời gian dài trước khi cần thay thế hoặc nạp lại.
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS). Có thể hiểu đơn giản về nguyên lý này là dữ liệu sẽ được chia ra thành các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số dữ liệu gốc (đây 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 thu để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu. Hơn nữa công nghệ truyền dẫn không dây LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền và nhận tín hiệu ở khoảng cách xa ngay cả khi cường độ tín hiệu nhỏ 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: (1) 430MHz cho châu Á; (2) 780MHz cho Trung Quốc; (3) 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu; (4) 915MHz cho nước Mỹ. 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 phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho một chirprate) [1].
Hình 1. Mô hình thiết kế hệ thống giám sát các thông số môi trường trên tàu khách Bắc Nam
Bảng 1. So sánh các giao thức truyền thông không dây
Bảng 1 trình bày các thông tin cần so sánh để thấy rõ sự vượt trội của Lora so với các các giao thức truyền thông không dây khác [2].
Dựa trên các ưu điểm của Lora và qua sự khảo sát nhu cầu thực tiễn của hành khách về sự cần thiết của việc xác định các thông số môi trường, vị trí tàu trên tuyến đường sắt. Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một mô hình thu thập thông số môi trường tại mỗi toa tàu, dữ liệu được xử lý sau đó hiển thị trực tiếp tại mỗi toa và được cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng cho phép. Dữ liệu cũng được truyền từ các toa tàu về toa tàu điều khiển để có biện pháp xử lý kịp thời, giảm rủi ro xấu tác động đến hành khách
Hệ thống mà nhóm nghiên cứu thiết kế lựa chọn sử dụng công nghệ truyền thông không dây Lora để truyền nhận thông tin từ khoảng cách xa và tiêu thụ năng lượng thấp mà các công nghệ truyền thông không dây khác như Wifi, Bluetooth, Zigbee, v..v, không thể làm được. Phương pháp thiết kế, chế tạo và các kết quả đạt được của hệ thống sẽ được trình bày trong các phiên tiếp theo của bài báo này.
2. Thiết kế hệ thống giám sát
2.2. Kiến trúc hệ thống
Hình 1 trình bày mô hình thiết kế hệ thống giám sát các thông số môi trường trên toa tàu của tuyến đường sắt Bắc Nam do nhóm nghiên cứu đề xuất. Hệ thống gồm ba thành phần chính: (1) Node (đặt tại các khoang tàu); (2) Gateway (đặt tại toa đầu tiên) và (3) Application server trên Cloud (Web, Database, GPS tracking, v..v). Việc thu nhập dữ liệu từ  cảm biến: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ không khí, v..v sẽ được thống kê liên tục trên mỗi toa tàu con – car. Dữ liệu sau khi thống kê sẽ được đóng gói mã hóa theo thuật toán AES-128 bit và gửi về Gateway thông qua Lora. Gateway sau khi nhận các bản tin – message gửi về từ phía node sẽ giải mã bản tin lấy dữ liệu và gửi lên cloud để lưu thông tin và hiển thị trên web.
2.2. Thiết kế hệ thống
Như đã trình bày ở phần 2.1, phần cứng của hệ thống gồm hai khối chính đó là khối Node (đặt tại các khoang tàu) và khối Gateway (đặt tại toa đầu tiên).
2.2.1. Thiết kế khối node
Hình 2. Sơ đồ khối Node 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý khối Node; khe cắm kết nối Raspberry Pi Zero
Hình 2 trình bày sơ đồ khối Node. Node bao gồm (1) khối xử lý; (2) khối cảm biến (cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến chất lượng không khí); (3) khối cảnh báo và (4) khối truyền thông không dây lora. Toàn bộ các khối này đều được cấp nguồn cung cấp từ khối thứ (5) bao gồm nguồn điện DC và pin.
Hình 3 và Bảng 2 lần lượt trình bày sơ đồ nguyên lý; khe cắm kết nối Raspberry Pi Zero và bảng các chức năng nhiệm vụ của từng thành phần Node. Khi cấu hình chân cho module Lora SX1278 cần kích hoạt sử dung giao thức truyền thông SPI và các chân IO khác để nhận biết các tín hiệu ACK trả về khi tiến hành kết nối và truyền dữ liệu. Do chân Raspberry Pi Zero không có chân đọc giá trị tương tự nên sử dụng IC ADS1115 chuyên dụng cho việc đọc tín hiệu tương tự với nhiều dải điện áp đầu vào có thể cấu hình được định khi có nguồn điện 220V AC thì Node sẽ được và truyền dữ liệu về MCU thông qua giao thức I2C. Với bên Node, nguồn được sử dụng với hai tùy chọn là nguồn cấp chính từ điện áp AC 220V qua nguồn xung và một nguồn dự phòng chạy bằng pin. Mặc cung cấp điện áp DC bởi đầu ra của nguồn xung còn khi xảy ra mất điện Node sẽ chuyển sang sử dụng nguồn dự phòng để hoạt động, đảm bảo theo dõi và cảnh báo cho người dùng nếu xảy ra sự cố, thu thập dữ liệu từ cảm biến và kiểm tra chất lượng môi trường hiện tại như thế nào.
Trong quá trình đọc và phân tích dữ liệu nếu xảy ra lỗi thì lại chuyển module SX1278 về chế độ nhận và chờ các lượt tiếp theo. Ngược lại nếu quá trình thành công thì tiến hành chuyển module SX1278 sang chế độ truyền dữ liệu và gửi dữ liệu về phía Gateway. Trước khi gửi đi dữ liệu ở phía Node được nén lại dạng base64 và mã hóa với thuật toán mã hóa khóa đối xứng AES-128.
Bảng 2. Chức năng nhiệm vụ từng thành phần Node
2.2.2. Thiết kế khối Gateway
Hình 4. Sơ đồ khối Gateway
Sơ đồ khối Gateway được trình bày trong hình 4. Gateway được thiết kế để thu thập thông tin từ các sensor bên phía Node đặt tại các toa tàu và định vị vị trí của tàu để hiển thị lên trang Web thông qua cơ sở dữ liệu mySQL của Google cloud. Bên cạnh đó các thông tin về môi trường cũng sẽ được hiển thị bằng ứng dụng do nhóm nghiên cứu tạo ra trên các máy điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android thông qua cơ sở dữ liệu firebase của google cloud.
Hình 5 và Bảng 3 lần lượt trình bày sơ đồ nguyên lý; khe cắm kết nối Raspberry Pi 3+ và bảng các chức năng nhiệm vụ của từng thành phần Gateway. Khi cấu hình chân cho module Lora SX1278 cần kích hoạt sử dụng giao thức truyền thông SPI và các chân IO khác để nhận biết các tín hiệu ACK trả về khi tiến hành kết nối và truyền dữ liệu. Trong thiết kế khối Gateway, nguồn cung cấp đầu  vào là điện áp 220V AC được hạ áp xuống nguồn DC trong dải từ 5V đến 24V thông qua nguồn xung điều khiển. Để mở rộng khả năng tương thích với các bo mạch nguồn khác nhau, một mạch BUCK được đặt giữa board nguồn xung và Raspberry Pi3 model B+ để làm ổn định nguồn đầu vào 5V – 24V với đầu ra là nguồn 5V cung cấp chính cho module xử lý Raspberry Pi3 model B+, module lora SX 1278 và module GPS NEO 6M.
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý khối Gateway; khe cắm kết nối Raspberry Pi 3+
Bảng 3. Chức năng nhiệm vụ thành phần gateway

 

3. Kết quả và thảo luận
3.1. Phần cứng
Hình 6. Sơ đồ layout mạch in giao diện (a) Gateway và (b) Node
Hình 6a và 6b lần lượt biểu diễn hình ảnh layout mạch in giao diện cho khối Gateway và Node. Mặc dù khối xử lý của Gateway và Node đều sử dụng các module Raspberry Pi3 và Zero nhưng các khối này vẫn cần các mạch giao diện ghép nối các module xử lý với các module Lora SX1278, các module cảm biến, module GPS v..v.
Hình 7a và hình 7b lần lượt biểu diễn các khối Gateway và Node sau khi nhóm nghiên cứu đã hàn dán linh kiện và thiết kế các hộp để đóng gói sản phẩm. Qua hình 7 ta thấy khối Gateway do đặc thù làm việc đã được thiết kế thêm cả quạt tản nhiệt giúp làm mát nhanh chóng linh kiện điện tử bên trong sau khi đóng kín hộp.
Hình 7. Hàn dán linh kiện lắp ráp đóng hộp hoàn chỉnh cho (a) Gateway và (b) Node
3.2. Giao diện người dùng
3.2.1. Tính toán các thông số khí từ cảm biến MQ135
MQ135 cung cấp các giá trị tương tự được ánh xạ với 1024 giá trị của bộ chuyển đổi ADC. Dựa vào biểu đồ trong hình 8 về mối liên quan giữa Rs/Ro và các khí cho nên khi có được giá trị tương tự từ chân out của cảm biến sẽ lập các công thức để tính ngược lại các giá trị của các khí khác nhau [3].
Hình 8. Biểu đồ quan hệ giữa Rs/Ro và ppm của các khí khác nhau
Hình 10 cung cấp những đồ thị của các khí khác nhau, trục X biểu thị giải đo các khí từ 10 đến 1000 ppm, trục Y biểu thị điện trở tương tự đầu ra Rs trên điện trở Ro từ 0.1 đến 10. Từ hình trên sẽ tính toán lại các hàm của mỗi khí ga dựa vào phần mềm matlab hoặc webplotgitizer [4].
Các điểm mốc theo biểu đồ là:
- AIR (10, 3.58),(200, 3.58)
- CO (10, 2.8351) ,(200,1.3464)
- CO2 (10, 2.3),(200,0.8)
- ETHANOL (10, 1.90),(200,0.73)
NH4 (10,2.55),(200,0.765)
- TOLUENE (10, 1.54),(200, 0.64)
-  ACETONE (10, 1.44), (200,0.583)
Dựa vào luật logarit tính giá trị:
m = (log (y2/y1)/log(x2/x1));                 (1)
f(x) = (y1/x1m) * xm ;                            (2)
Trong đó f(x) = y = Rs/Ro; x = giá trị ppm
Nhóm nghiên cứu trình bày cách tính giá  trị ppm của khí CO2 như sau:
- Tọa độ lần lượt: x1 = 10; x2 = 200; y1 = 2.3; y2 = 0.8

f(x) = (2.3/〖10〗^(-0.3525)) * x^(-0.3525);       (3)
- Từ phương trình 3, với y = Rs/Ro, rút x ra và tính toán theo y được phương trình:
y = (2.3*〖10〗^0.3525) / x^0.3525;                 (4)
⇔     x^0.3525 = 5.178784458512621 / y
⇔ x = √(0.3525&5.178784458512621 / ((Rs/Ro))).
⇔     x = 106.2161*1/√(0.3525&Rs/Ro).
-> (ppm) = 106.2161*〖(Rs/Ro)〗^(-2.83688);    (5)
Tương tự có thể tính được các khí khác.
- CO2: ppm = 106.2161* (Rs/Ro)-2.83688
- CO ppm = 662.9382 * (Rs/Ro)-4.0241
- Ethanol ppm = 75.3103 * (Rs/Ro)-3.1456
- NH4 ppm = 102.694 * (Rs/Ro)-2.48818
3.2.2. Giao diện người dùng
Hình 9. Giao diện Web của hệ thống
Giao diện Web của hệ thống được nhóm nghiên cứu viết bằng ngôn ngữ Java Servlet, HTML, CSS, Bootstrap, jQuery và sử dụng cơ sở dữ liệu MySQL.
Giao diện Web của hệ thống được thể hiện ở hình 9.
Hình 10. Giao diện trên ứng dụng android của hệ thống: (a). Hiển thị menu ứng dụng; (b). Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm; (c). Hiển thị vị trí tàu; (d). Hiển thị chất lượng khí
Giao diện gồm có phần hiển thị vị trí tàu, hiện thị thông số môi trường và thay đổi các ngưỡng chất lượng không khí thông qua màu sắc, v..v. Dữ liệu cũng được lưu trữ và thống kê lựa chọn theo thời gian. giao diện ứng dụng trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android được viết bằng Java Android và sử dụng cơ sở dữ liệu firebase.
Giao diện ứng dụng trên điện thoại được lần lượt thể hiện trong hình 10a hiển thị menu ứng dụng, hình 10b hiển thị nhiệt độ độ ẩm, hình 10c hiển thị vị trí tầu và hình 10d hiển thị chất lượng không khí. Giao diện gồm có vị trí tàu, nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí, thay đổi ngôn ngữ, v..v.


3.2. So sánh kết quả đo lường
Trong phần này nhóm nghiên cứu trình bày kết quả đo công suất tiêu thụ nguồn điện, cường độ tín hiệu, độ trễ thời gian khi nhận tín hiệu và so sánh tại các khoảng cách khác nhau v..v.
3.2.1. Đo công suất tiêu thụ
Bảng 4 và hình 11 lần lượt trình bày về số liệu đo công suất tiêu thụ trung bình của Node và Gateway. Nhóm nghiên cứu đã làm thí nghiệm với các khoảng cách khác nhau từ 1 đến 500 mét. Trên đồ thị có thể nhận thấy công suất tiêu thụ của Node và Gateway không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách cho phép. Tuy nhiên về phía Gateway công suất tiêu thụ xấp xỉ gấp 1.5 lần so với về phía Node. Nguyên nhân chính là do phía Gateway sau khi phát tín hiệu yêu cầu và nhận các tín hiệu dữ liệu về sẽ xử lý và đẩy lên cloud nên quá trình làm việc và tiêu hao năng lượng rõ ràng sẽ nhiều hơn về phía Node.
3.2.2. Đo cường độ tín hiệu
Bảng 5 và hình 12 lần lượt trình bày về số liệu và biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu bên Gateway nhận được từ Node so với từng khoảng cách cụ thể. Nhìn vào đồ thị nhận thấy khoảng cách càng xa thì cường độ tín hiệu càng giảm tuyến tính. Theo như datasheet của module lora SX1278 thì cường độ tín hiệu của ngưỡng thu phát nhận biết được lớn hơn hoặc bằng -139dbm [5].
3.3.3. Đo thời gian trễ nhận tín hiệu
Bảng 6 và hình 13 lần lượt trình bày về số liệu và biểu diễn mối quan hệ so sánh giữa thời gian trễ khi Gateway bắt đầu gửi một yêu cầu đọc dữ liệu cho đến khi Gateway nhận được lại dữ liệu hợp lệ và bắt đầu phân tích dữ liệu. Nhìn vào đồ thị nhận thấy với khoảng cách càng xa thì độ trễ tăng dần tuyến tính. Kết quả này rất phù hợp với số liệu đo đạc được về mức cường độ tín hiệu.
4. Kết luận
Bài báo này trình bày việc ứng dụng công nghệ Lora để xây dựng hệ thống giám sát trên các toa tàu đường sắt Việt Nam. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ thống. Hệ thống hoạt động ổn định, hiển thị được các giá trị đo về nhiệt độ độ ẩm, GPS, chất lượng khí CO, CO2, NH4 v..v. Nhóm nghiên  cứu cũng đã tiến hành thử nghiệm hệ thống tại các địa hình, vị trí khoảng cách khác nhau để tính toán công suất tiêu hao về phía Gateway cũng như về phía Note. Bên cạnh đó các kết quả thử nghiệm về đánh giá cường độ tín hiệu so với khoảng cách cũng khả quan. Nhóm nghiên cứu đã đặt hệ thống chạy liên tục trong 72 giờ để kiểm tra tính ổn định của hệ thống cũng  như mức năng lượng tiêu hao cần thiết. Tuy nhiên để đạt kết quả thực tế trong thực nghiệm, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành kiểm tra hệ thống trên các toa tàu thực tế bên cạnh việc đánh giá đo đạc và so sánh với các thiết bị chuẩn có mặt trên thị  trường để tăng độ tin cậy chính xác cho các thông số của hệ thống mà bài báo đã đề cập.
Tài liệu tham khảo


[1] Eyuel D. Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nỉvana Meratnia, Paul J. M. Havinga, Performance Analysis of Lora Radio for an Indoor IoT Application, 2017.
[2] International Conference on Internet of Things for the Global Community (IoTGc), 10-13 July 2017. Noreen, U., Bounceur, A., & Clavier, L. (2017). A study of LoRa low power and wide area network technology. 2017 International Conference on Advanced Technologies for Signal and Image Processing (ATSIP). doi: 10.1109/atsip. 2017.8075570.
[3] http://www.dreamgreenhouse.com/datasheets/MQ-135/index.php, truy cập lần cuối lúc 10h43 ngày 17 tháng 5 năm 2019
[4] https://automeris.io/WebPlotDigitizer/, truy cập lần  cuối lúc 10h43 ngày 17 tháng 5 năm 2019
[5] https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/sx1278, truy cập lần cuối lúc 10h43 ngày 17 tháng 5 năm 2019
Nguyễn Hoàng Dũng, Dương Thế Anh
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 015-021

Xem thêm

  • Trí tuệ nhân tạo và những thách thức pháp lý

  • ĐH Khoa học Tự nhiên chuyển giao công nghệ AI khoanh vùng ảnh y tế cho công ty Mỹ

  • Nắm bắt công nghệ 4.0

  • Phát triển nhà máy điện rác: Công nghệ phải phù hợp túi tiền

  • BSR tổ chức Hội thảo khoa học các công trình khoa học công nghệ Dầu khí

  • Đưa ứng dụng CBM vào "chẩn đoán và điều trị bệnh" cho… điện

  • Kích cầu điện toán đám mây

  • CADI-SUN ra mắt sản phẩm "cáp điện cao su"

  • HPE Primera - Nhu cầu thiết yếu của công cuộc chuyển đổi số

  • Quãng đường tự do trung bình của điện tử năng lượng thấp trong vật liệu

Tổng số lượt truy cập :
  • 4
  • 2
  • 7
  • 0
  • 4
  • 3
  • 1