Hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN ứng dụng phát thanh cảnh báo lũ lụt VFASS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN với băng tần 923Mhz ứng dụng phát thanh cảnh báo lũ lụt VFASS. Giải pháp này nhằm tăng độ tin cậy, chính xác trong việc truyền tin cảnh báo lũ lụt và không phụ thuộc vào mạng viễn thông và nguồn điện lưới. Hệ thống cảnh báo lũ lụt thông minh VFASS đã được lắp đặt thử nghiệm thực tế tại Đà Nẵng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống IoT tích hợp công nghệ LPWAN ứng dụng phát thanh cảnh báo lũ lụt VFASS

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