- Trang Chủ
- Môi trường
- Hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN ứng dụng phát thanh cảnh báo lũ lụt VFASS
Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Hệ Thống IoT Tích Hợp Công Nghệ
LPWAN Ứng Dụng Phát Thanh Cảnh Báo
Lũ Lụt VFASS
Ngô Đình Thanh1, Đỗ Thế Cần1, Fabien Ferrero2, Lê Thành Nhân2, Trần Anh Tuấn1, Dương Minh
Quân1, Hà Vĩnh Long3, Trịnh Thế Trường3
1
Đại học Đà Nẵng – Trường Đại học Bách Khoa; Email: ndthanh@dut.udn.vn
2
LEAT Universite Cote d’Azur, LEAT, CNRS; Email: Fabien.ferrero@unice.fr
3
Công ty CP Tư vấn và Phát triển Kỹ thuật Tài nguyên nước; Email: tainguyenuoc@watec.vn
Abstract— Sự bùng nổ công nghệ IoT trong tất cả lĩnh được thiết kế để hỗ trợ triển khai đa dạng các ứng dụng
vực của đời sống cùng với thách thức liên quan đến tiêu IoT [1].
thụ năng lượng thấp và trao đổi dữ liệu ở khoảng cách Giải pháp cảnh báo lũ lụt VFASS tích hợp công
xa. Công nghệ truyền tin LPWAN ra đời nhằm góp phần nghệ LPWAN do nhóm nghiên cứu phối hợp với công
giải quyết những thách thức trên. Trong bài báo này, ty WATEC thiết kế, sản xuất thiết bị phát thanh cảnh
chúng tôi đề xuất hệ thống IoT tích hợp công nghệ báo tự động truyền tín hiệu thông qua mạng
LPWAN với băng tần 923Mhz ứng dụng phát thanh
LoRaWAN và mạng viễn thông, hệ thống cho phép
cảnh báo lũ lụt VFASS. Giải pháp này nhằm tăng độ tin
cậy, chính xác trong việc truyền tin cảnh báo lũ lụt và
kích hoạt cảnh báo qua giao tiếp mạng LoRaWAN [3]
không phụ thuộc vào mạng viễn thông và nguồn điện nhằm giải quyết các bất cập của phương thức thông tin
lưới. Hệ thống cảnh báo lũ lụt thông minh VFASS đã cảnh báo lũ lụt hiện nay như trường hợp sóng 3G/4G
được lắp đặt thử nghiệm thực tế tại Đà Nẵng. yếu hoặc mất sóng tại thời điểm cảnh báo, đặc biệt là
tính chủ động thích ứng với các tình huống thiên tai,
Keywords- LoRaWAN, phát thanh cảnh báo lũ lụt, khẩn cấp.
công nghệ LPWAN, IoT. Với kích thước nhỏ gọn, sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời, tiêu hao năng lượng thấp, kết nối không dây,
I. GIỚI THIỆU vận hành và kích hoạt cảnh báo không phụ thuộc vào
mạng viễn thông, dễ dàng lắp đặt nên đây là giải pháp
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, khả thi, ứng dụng IoT để phát thanh cảnh báo theo thời
chịu ảnh hưởng nặng trong biến đổi khí hậu. Biểu hiện gian thực, phù hợp xu hướng cách mạng công nghệ 4.0
rõ nét nhất là tình hình thiên tai, lũ lụt ngày càng cực và xây dựng đô thị thông minh.
đoan, bất thường khó dự đoán. Để góp phần giải quyết Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau:
các thách thức trên cần có hệ thống cảnh báo kịp thời trong phần II, chúng tôi miêu tả mô hình đề xuất.
để người dân và chính quyền ứng phó. Trong phần III, chúng tôi đánh giá hiệu năng của hệ
Một trong các yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống thống. Phần IV cung cấp các kết quả triển khai thực
thông tin cảnh báo là phải tức thời, thông tin nhanh nghiệm. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong
nhất và đến được mọi người dân, cộng đồng của khu phần V.
vực bị ảnh hưởng.Tuy nhiên, phương thức thông tin
cảnh báo đến cộng đồng bằng loa cầm tay hoặc hệ II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
thống truyền thanh xã đang được thực hiện phổ biến Do đặc thù của các hệ thống cảnh báo lũ lụt thường đặt
hiện nay sẽ không đáp ứng được tính kịp thời của thông
đa phần ở những nơi mà sóng wifi hay nguồn điện
tin cảnh báo, dễ gây rủi ro. Một số hồ chứa thủy điện
không sẵn có vì thế cần nghiên cứu giải pháp truyền
lớn hiện nay cũng đã lắp đặt hệ thống phát thanh cảnh
báo tự động, kích hoạt bằng điện thoại nhưng số lượng tin xa, tiêu tốn năng lượng thấp để có thể dùng nguồn
còn ít và bất cập lớn nhất là hoàn toàn phụ thuộc vào năng lượng mặt trời công suất thấp.
mạng viễn thông. Khi có bão lũ xảy ra, nếu mạng viễn
thông bị gián đoạn thì không thể kích hoạt dược hệ
thông phát thanh cảnh báo.
Để giải quyết những thách thức trên, mạng diện
rộng công suất thấp LPWANs (Low-Power Wide Area
Network) được ứng dụng vào hệ thống phát thanh cảnh
báo. LPWAN là công nghệ truyền thông không dây
ISBN 978-604-80-5958-3 158
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Mô hình mạng LoRaWAN như hình 2 của hệ thống
gồm 4 lớp:
- Lớp end-node là cảm biến đo mực nước hoặc thiết bị
kích hoạt cảnh báo được kết nối không dây với mạng
LoRaWAN, cảm biến hoặc thiết bị kích hoạt được gán
một ID để nhận diện và đảm bảo truyền dữ liệu được
an toàn, tin cậy theo chuẩn truyền thông LoRaWAN.
Dữ liệu từ cảm biến/thiết bị kích hoạt sẽ gửi đến
gateway. Một end-node có thể gửi dữ liệu cùng lúc
Hình 1. Giải pháp cảnh báo lũ lụt VFASS đến các gateway trong vùng phủ sóng mạng
Hiện nay công nghệ LPWAN (Low Power Wide Area LoRaWAN.
Network) là công nghệ truyền thông không dây được - Lớp LoRaWAN gateway: nhận dữ liệu từ cảm biến/
thiết kế để hỗ trợ triển khai đa dạng các ứng dụng IoT thiết bị kích hoạt và chuyển dữ liệu đó lên LoRaWAN
tầm xa và tiêu thụ công suất thấp. LPWAN gồm các network server thông qua kết nối internet, ethernet
công nghệ LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox, LTE-M … hoặc 3G/4G. Gateway hỗ trợ cả 2 chiều truyền dữ liệu,
trong đó LoRaWAN là một trong những công nghệ khi dữ liệu từ endnode gửi lên gọi là uplink và từ
thành công và phổ biến hoạt động dựa trên lớp vật lý gateway gửi xuống endnode gọi là downlink.
LoRa và các băng tần miễn phí theo từng khu vực trên - Lớp network server: lớp này quản lý toàn bộ mạng
thế giới. LoRaWAN cho phép kết nối diện rộng và quy LoRaWAN và thiết lập bảo mật kết nối trao đổi dữ
mô lớn cho các thiết bị công suất thấp, chi phí thấp và liệu trong mạng.
tốc độ dữ liệu thấp [2][3]. - Lớp application server: là các ứng dụng trên
Với giải pháp này, cho phép trạm cảnh báo lũ lụt có smartphone, máy tính, web để giám sát và điều khiển
thể truyền dữ liệu về gateway ở khoảng cách xa từ 1 hệ thống.
đến 6 km với tần số 923 MHz (tần số hiện cấp phép
miễn phí ở VN). Giải pháp đề xuất như hình 1 cho
phép kích hoạt cảnh báo ngay cả khi không có sóng
3G/4G nhờ vào công nghệ LoRaWAN như hình 2 và
đây là điểm khác biệt của hệ thống so với các hệ thống
có mặt trên thị trường trong và ngoài nước. Thông qua
gateway sẽ kết nối gửi dữ liệu lên cloud, server từ đó Hình 2. Kết nối mạng LoRaWAN của hệ thống cảnh
giúp các nhà quản lý, chính quyền địa phương có thể báo lũ VFASS
theo dõi trạng thái, dữ liệu cảm biến, thông báo cảnh Hình 3 thể hiện hệ thống tích hợp truyền dữ liệu cảnh
báo ở bất kỳ đâu và bất kỳ thời gian nào. báo đồng thời qua mạng viễn thông nhằm tăng độ tin
Hệ thống cảnh báo VFASS có kết cấu nhỏ gọn gồm cậy trong cảnh báo của hệ thống.
các thiết bị cơ bản: cảm biến và thiết bị kích hoạt, thiết
bị điều khiển, thiết bị cảnh báo và nền tảng quản lý.
Các thiết bị được kết nối thông qua giao thức truyền
tin LoRaWAN như hình 2 và đồng thời với mạng
3G/4G như hình 3, hệ thống phát thanh cảnh báo hoạt
động bằng nguồn pin năng lượng mặt trời. Ưu thế vượt
trội của hệ thống so với các hệ thống cảnh báo khác là
không phụ thuộc vào nguồn điện và mạng viễn thông. Hình 3. Kết nối mạng 3G/4G của hệ thống cảnh báo lũ
Giải pháp đề xuất của VFASS như hình 1 là tại các VFASS
tháp báo lũ hoặc các vị trí gần khu vực dân cư sẽ đặt
III. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
các thước đo mực nước điện tử và trạm điều khiển gần
đó. Tại trung tâm khu dân cư sẽ đặt các trạm cảnh báo Để đánh giá hiệu năng hoạt động, bài báo đánh giá, so
ngoài trời với đèn báo và loa phát thanh công suất tối sánh các công nghệ LPWAN khác [1]. Như kết quả
đa 600W. Trạm điều khiển ngoài trời có thể kết hợp trong bảng 1, LoRaWAN và Sigfox là công nghệ tiềm
thêm chức năng truyền thanh tại cộng đồng qua nền năng cho ứng dụng tầm xa với thời gian pin lên đến 10
tảng web quản lý hoặc điện thoại di động. năm và giá thành thấp cho một end-node. Tuy nhiên
Khi mực nước lũ tại vị trí thước đo điện tử dâng cao khi xét đến tính bảo mật thì công nghệ LoRaWAN ưu
đến mức báo động (mức báo động được cài đặt tối đa thế hơn Sigfox. Bên cạnh đó, LoRaWAN khắc phục
5 mức tùy theo yêu cầu và điều kiện cụ thể của khu nhược điểm của những công nghệ khác như Wifi,
vực dân cư) thông qua giao tiếp LoraWAN, 3G/4G ZigBee … [1]
toàn bộ các thiết bị điều khiển và thiết bị cảnh báo sẽ Bảng 1. So sánh các công nghệ LPWAN [1]
được kích hoạt. Thiết bị cảnh báo ngoài trời đặt gần Đặc tính LoRaWAN NB-IoT Sigfox LTE-M
khu dân cư sẽ phát thanh cảnh báo đến cộng đồng. Thành thị 2-5 km 1.5 km 3-10 km 200 km
ISBN 978-604-80-5958-3 159
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
4G
Nông 45 km 20-40 km 30-50
thôn km
Thời gian ~10 năm ~10 năm ~10 năm < 10 năm
pin
Giá thành Thấp Cao Thấp Cao
Tốc độ dữ 290 bps – 20 kbps - 100 bps 200kbps-
liệu 50 kbps 250 kbps 1Mbps
Bảo mật Có Có Không Có
LoRa sử dụng ba băng thông BW là 125kHz, 250kHz
và 500kHz. Băng thông càng rộng thì thời gian mã hóa
tín hiệu càng ngắn, từ đó thời gian truyền dữ liệu cũng
giảm xuống nhưng khoảng cách truyền cũng giảm
theo. Trong hệ thống này chúng tôi chọn giá trị
BW=125kHz.
Hệ số trải phổ SF xác định số lượng tín hiệu chirp khi
mã hóa tín hiệu được điều chế tần số (chipped signal)
của dữ liệu. Trong thử nghiệm chúng tôi mong muốn
truyền dữ liệu đi xa nhất nên chọn SF=12, một mức Hình 4. Đo mức độ phủ sóng gateway LoRaWAN
logic của tín hiệu chirp được điều chế sẽ được mã hóa
bởi 12 xung tín hiệu chíp. Để đánh giá mức độ phủ IV. KẾT QUẢ
sóng, hệ thống mạng LoRaWAN được cấu hình các
Trong phần này, chúng tôi thực hiện thiết kế phần cứng
thông số như bảng 2 cho gateway và các cảm biến.
và phần mềm của hệ thống cảnh báo lũ.
Bảng 2. Thông số gateway và end-node LoRa
Bảng 3 trình bày các thông số kỹ thuật hệ thống bộ
Thông số Gateway Node điều khiển phát thanh cảnh báo.
Tần số 923 MHz 923 MHz Bảng 3. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển phát thanh
Băng thông 125 kHz 125 kHz cảnh báo
Hệ số trải phổ SF 12 12
Công suất phát 14 dBm 14 dBm Kết nối LoRaWAN/3G/4G
Tốc độ mã hóa 4/5 4/5 Phương thức kích hoạt LoRa/SMS/Website
Bộ xử lý ARM Cortex-M4, CPU 32 bit
Để đánh giá khả năng mức độ phủ sóng của mạng 80MHz
LoRaWAN, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí Nhiệt độ làm việc tối 00C ÷ 500C
nghiệm đánh giá mức độ phủ sóng trong các điều kiện ưu
môi trường khác nhau thông qua mạng LoRaWAN của Độ ẩm môi trường 35 ÷ 85%RH
thành phố Đà Nẵng thuộc dự án “Free-LoRa”. Đây là Băng tần LoRa AS923-2
nền tảng mạng LoRaWAN cộng đồng tại thành phố
Công suất phát loa 100W/loa, tối đa 4 loa
Đà Nẵng phục vụ cho các ứng dụng IoT do Viện Công
Mạch điều khiển sạc Công suất 60W, Vout 24VDC
nghệ Quốc tế DNIIT kết hợp với Sở Thông tin và
năng lượng mặt trời
truyền thông Thành phố Đà Nẵng phối hợp cùng xây
Acquy 24V 30Ah
dựng. Kết quả đánh giá mức độ phủ sóng ở hình 4 cho
thấy khoảng cách truyền dữ liệu từ cảm biến đến
gateway trong mạng LoRaWAN lên đến 12 km. Kết
quả này cho thấy tính khả thi khi triển khai hệ thống
cảnh báo lũ lụt bằng công nghệ LoRaWAN khi mà
trạm phát thanh cảnh báo đặt ở khoảng cách xa (<
6km) so với cảm biến mực nước.
Hình 5. Bộ điều khiển cảnh báo VFASS
Cảm biến đo mực nước VFASS: với giải pháp cảm
biến thước đo điện tử đã giúp hệ thống cảnh báo lũ
ISBN 978-604-80-5958-3 160
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
phân biệt chính xác mực nước ngập lụt, khi có mưa tác
động vào cảm biến đo mực nước (hình 6) vẫn không
làm sai lệch kết quả đo ngập lụt. Độ phân giải của cảm
biến đo mực nước là 2cm. Cảm biến tiêu thụ năng
lượng thấp, sử dụng nguồn pin Lithium. Giải pháp này
khắc phục được nhược điểm của các cảm biến đo mực
nước hiện nay như rada, siêu âm, áp suất … chỉ thích Hình 8. Giao diện cấu hình hệ thống cảnh báo lũ lụt
hợp đo mực nước tĩnh, độ sâu lớn không phù hợp để VFASS
Giải pháp hệ thống cảnh báo lũ VFASS hiện lắp đặt
đo ngập lụt với độ sâu nhỏ hơn.
thử nghiệm như hình 9, tại thôn Bắc An, xã Hòa Tiến,
huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng.
Hình 9. Hệ thống cảnh báo lũ lụt VFASS
V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất tích hợp công
Hình 6. Cảm biến mực nước
nghệ LoRaWAN với băng tần AS923-2 cùng với mạng
Giao diện phần mềm quản lý hệ thống giúp nhà quản 3G/4G vào hệ thống cảnh báo lũ lụt tại Việt Nam nhằm
lý giám sát tình trạng hệ thống gồm các thông số kết giải quyết những thách thức đối với hệ thống cảnh báo
như đảm bảo độ tin cậy, chính xác và kịp thời. Hệ
nối mạng LoRaWAN hay 3G/4G, trạng thái nguồn
thống sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và cho phép
năng lượng mặt trời, acquy thể hiện ở hình 7. kích hoạt cảnh báo lũ lụt ngay cả khi không có sóng
3G/4G. Hệ thống cảnh báo lũ VFASS đã được lắp đặt
thử nghiệm thực tế tại xã Hòa Tiến, huyện Hòa Vang,
thành phố Đà Nẵng.
Hệ thống cảnh báo lũ VFASS có ý nghĩa rất quan trọng
đối với đời sống nhân dân, nhất là ở những vùng
thường xuyên xảy ra các vấn đề thiên tai, bão lũ như
miền Trung Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Č. Gambiroža, T. Mastelić, P. Šolić and M.
Čagalj, "Capacity in LoRaWAN Networks:
Hình 7. Giao diện giám sát thông số hệ thống cảnh báo Challenges and Opportunities," in 2019 4th
lũ lụt VFASS International Conference on Smart and
Ngoài ra, phần mềm cho phép cấu hình và điều khiển Sustainable Technologies (SpliTech), Split,
Croatia, 2019.
hệ thống từ xa như hình 8.
[2] W. Ayoub, A. E. Samhat, F. Nouvel, M. Mroue
and J. Prévotet, "Internet of Mobile Things:
ISBN 978-604-80-5958-3 161
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Overview of LoRaWAN, DASH7, and NB-IoT in Engineering, 2021.
LPWANs Standards and Supported Mobility,"
IEEE Communications Surveys & Tutorials, pp.
1561-1581, 2019.
[3] Thanh Dinh Ngo, Fabien Ferrero, Vinh Quang
Doan. Tuan Van Pham, "Industrial LoRaWAN
Network for Danang City: Solution for Long-
Range and Low-Power IoT Applications," in
Research in Intelligent and Computing in
ISBN 978-604-80-5958-3 162
nguon tai.lieu . vn
