Mô hình hệ thống
Ô nhiễm không khí hiện nay là một vấn đề rất nghiêm trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người và nền kinh tế của mỗi quốc gia. Bài viết này trình bày về một hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm nhằm giám sát và cải thiện chất lượng không khí. Cụ thể, hệ thống được thiết kế dựa trên Wireless Sensor Network mạng cảm biến được đặt trong nhà và ngoài trời. Công nghệ giao tiếp Lora và chuẩn giao tiếp LoRaWAN cũng được nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống. Bên cạnh đó, hệ thống cũng phát triển công nghệ giao tiếp giữa mạng LoRa to LoRaWAN nhằm mang đến một hệ thống có khả năng mở rộng diện tích thu thập dữ liệu với một chi phí thấp. Phần mềm giám sát chuyên nghiệp cũng được phát triển nhằm đảm bảo nhu cầu giám sát trực quan cho người dùng.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Đề tài tập trung thiết kế hệ thống giám sát và cải thiện chất lượng không khí sử dụng giao tiếp LoRa và chuẩn giao tiếp LoRaWAN. Mô hình cụ thể như sau:
Hình 1. Mô hình hệ thống
Mạng cảm biến trong nhà: Chia ra làm 4 indoor sensor node, các node sẽ được đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà như: Phòng khách, nhà bếp, phòng ngủ, tầng 2. Mỗi node sẽ giám sát các thông số của không khí như: mật độ bụi, khí CO, khí GAS, nhiệt độ và độ ẩm. Bên cạnh đó mỗi node sẽ điều khiển 2 thiết bị lọc không khí là máy tạo ion âm, và quạt thông gió. Dữ liệu thu thập được sẽ gửi trực tiếp đến gateway với giao tiếp theo chuẩn LoRaWAN.
Mạng cảm biến ngoài trời: Chia ra làm 6 node. Trong đó có 4 node cảm biến chất lượng không khí ngoài trời và 2 node chuyển tiếp dữ liệu LoRa sang LoRaWAN. các node cảm biến chất lượng không khí sẽ được đặt tại các quận khác nhau trong thành phố đà nẵng. Mỗi node giám sát các thông số của không khí tương tự như mạng cảm biến trong nhà. Sau đó cứ mỗi 2 node cảm biến sẽ gửi dữ liệu đến node chuyển tiếp dữ liệu bằng giao tiếp LoRa, tại node chuyển tiếp dữ liệu sẽ được gửi đến Gateway thông gia chuẩn giao tiếp LoRaWAN.
Tại sao lại phải chuyển đổi dữ liệu giữa mạng LoRa sang LoRaWAN? LoRa cho phép truyền dữ liệu với tốc độ thấp, khả năng phủ sóng tốt lên đến 10km với một chi phí thấp. Bên cạnh đó với khả năng tuỳ biến tuyệt vời ở lớp vật lý cho phép LoRa có thể giao tiếp giữa các node cảm biến với nhau. Tuy nhiên, giao tiếp giữa node với node không giúp dữ liệu trong mạng LoRa truy cập vào mô hình toàn cầu của LoRa Alliance. Trong khi đó LoRaWAN là một giao tiếp với mã nguồn mở được nghiên cứu và phát triển bởi LoRa Alliance. LoRaWAN là một mô hình theo chuẩn của quốc tế, có khả năng truy cập đến các Cloud server, Application server của quốc tế. Tuy nhiên giao tiếp LoRaWAN chỉ cho phép node cảm biến giao tiếp với Gateway. Chính vì vậy, khi muốn mở rộng phạm vi thu thập dữ liệu của hệ thống chúng ta cần phải sử dụng nhiều Gateway dẫn đến chi phí cho hệ thống tăng cao. Việc chuyển đổi giao tiếp LoRa sang LoRaWAN giúp tăng khả năng mở rộng phạm vi thu thập dữ liệu của hệ thống với một chi phí thấp. Dữ liệu trong hệ thống được kết nối đến mô hình của quốc tế thuận tiện cho việc lưu trữ và giám sát dữ liệu.
LoRaWAN Gateway – Dragino: Dragino là Gateway LoRaWAN công nghiệp cho phạm vi thu nhận dữ liệu siêu xa lên đến hàng chục Km và tiêu tốn rất ít năng lượng. Dragino có khả năng thu thập dữ liệu từ hàng trăm node cảm biến với khả năng chống nhiễu cao. Bên cạnh đó, Dragino LoRaWAN Gateway hỗ trợ nhiều chế độ làm việc như: Chế độ MQTT, Chế độ Máy khách TCP / IP để phù hợp với các yêu cầu khác nhau về kết nối IoT.
LoRaWAN server – The Things Network: The Things Network (TTN) – Global Cloud Server LoRaWAN là một cơ sở hạ tầng với mã nguồn mở nhằm thu nhận và lưu trữ dữ liệu của mạng LoRaWAN trên toàn cầu. Hiện nay, các hệ thống hoạt động trên cơ sở hạ tầng này đã lên đến con số chục ngàn. Nhờ giao thức MQTT và phương thức HTTP sử dụng chuỗi JSON, The Things Network có thể chia sẻ dữ liệu đến rất nhiều các Application Server khác. Dữ liệu từ Dragino Gateway sẽ được lưu trữ tại server này.
Application server – Tago IO: Tago IO Cloud IoT [9]-[10] Platform – Internet of Things là một nền tảng đám mây IoT end-to-end giúp chuyển đổi giá trị thô thành các giá trị sản phẩm có thể kết nối và tương tác với người dùng. Tại đây dữ liệu sẽ được biểu diễn trên các dashboard cùng với các biểu đồ trực quan giúp người dùng dễ dàng giám sát dữ liệu. Dữ liệu tại Application server Tago IO được forward từ LoRaWAN server The Things Network.
Hệ thống giám sát và cải thiện chất lượng không khí đã hoàn thành và đạt được kết quả như mục tiêu đề ra: Hệ thống đo được các thông số của không khí. Thiết kế được cơ cấu chấp hành tự động bật tắt các thiết bị lọc khi nồng độ các chất độc hại vượt quá quy định cho phép. Thiết kế được phần mềm giám sát hỗ trợ trên nhiều nền tảng, mang đến cho người dùng một góc nhìn khách quan hơn và có thể giám sát dữ liệu mọi lúc mọi nơi. Thiết kế board mạch chuyển đổi tín hiệu từ mạng LoRa sang LoRaWAN nhằm tăng khả năng mở rộng phạm vi thu thập dữ liệu của hệ thống với một chi phí thấp. Hệ thống hoạt tốt trong mọi điều kiện, dữ liệu trong hệ thống được lưu thông ổn định.
