Lora là gì ? Ứng dụng của mạng Lora trong IoT

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

Lora là gì ?

LoRa (Long Range Radio) được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012, là một công nghệ không dây dùng để truyền dữ liệu tầm xa, năng lượng thấp và an toàn cho các ứng dụng M2M và IoT. LoRa được sử dụng để kết nối không dây các cảm biến, gateway, máy móc, thiết bị, động vật, con người, … với đám mây.

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.

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.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ LoRa

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.

Công nghệ LoRa hoạt động ở các dải tần khác nhau ở các vùng khác nhau: Ở Hoa Kỳ, nó hoạt động ở băng tần 915 MHz, ở châu Âu, nó hoạt động ở băng tần 868 MHz và ở châu Á, nó hoạt động ở dải tần 865 đến 867 MHz, 920 đến 923 MHz.

Công nghệ LoRa được tạo ra và chịu sự chi phối của Liên minh LoRa. Liên minh LoRa là một trong những liên minh công nghệ phát triển nhanh nhất. Tổ chức phi lợi nhuận này bao gồm hơn 500 công ty thành viên, cam kết triển khai quy mô lớn Mạng IoT Diện Rộng Công Suất Thấp (LPWAN) thông qua việc phát triển và quảng bá tiêu chuẩn LoRaWAN.

Bảng so sánh Lora cùng các công nghệ khác

Ưu điểm và nhược điểm của LoRa

Ưu điểm

  • Vùng phủ sóng rộng được đo bằng km
  • Hoạt động trên tần số miễn phí (không có license), 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 năm hoặc 5 năm (Lớp A và Lớp B)
  • Kích thước tải trọng tốt hơn (100 byte), so với SigFox là 12 byte
  • Là công nghệ 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).
  • 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, 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.
  • Mạng lưới hỗ trợ lớn như CISCO, IBM và 500 công ty thành viên khác của Liên minh LoRa.

Nhược điểm

  • Dữ liệu truyền tải hạn chế 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 license.

Vì sao cần phải sử dụng công nghệ Lora ?

Một trong những thách thức chính trong việc xây dựng IoT 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.

Ứng dụng công nghệ Lora

Ứng dụng của Lora trong Thành phố Thông Minh (Smart City)

Thành phố thông minh bao gồm nhiều khu vực như vậy. Quản lý giao thông và chất thải thông minh, theo dõi tiêu thụ năng lượng, đo lường môi trường, giám sát đỗ xe và chiếu sáng, hệ thống phát hiện và báo động cháy – tất cả đều là những trụ cột của khái niệm thành phố thông minh .

Khi nói đến các thành phố kỹ thuật số, thành phố Thông Minh  chỉ riêng kết nối LTE hoặc WiFi là không đủ. Trên thực tế, có một vấn đề gia tăng trong phổ dữ liệu hạn chế mà thế giới ngày nay có khi các khu vực đô thị trở nên đông dân cư. Sự căng thẳng ngày càng tăng đối với các mạng và tín hiệu mạng khó khăn trong việc thâm nhập các cấu trúc kín và các khu vực ngầm là một trở ngại lớn trong việc phát triển các thành phố được kết nối.

Ngoài ra, để các cảm biến được triển khai ồ ạt hoạt động, mạng mà chúng nên chạy phải có độ tin cậy, an toàn và bền vững trong thời gian dài. Thật không may, điều này có thể có nghĩa là phải đối mặt với chi phí cực kỳ cao. Tuy nhiên, nơi nào có vấn đề, sẽ luôn có giải pháp. Nhờ kết nối LoRaWAN, các thành phố hiện có thể giải quyết những thách thức này.

Khi các thiết bị thông minh của các thành phố hoạt động trên LoRaWAN, kết nối là đáng tin cậy và đòi hỏi chi phí đầu tư thấp. Kiểu kết nối này lý tưởng cho các cơ sở không liên quan đến các gói dữ liệu lớn, như đồng hồ nước và điện và giao thông công cộng.

Điều thú vị hơn nữa là khả năng xâm nhập vào những nơi có mật độ dày đặc, chẳng hạn như các tòa nhà bê tông và các khu vực dưới lòng đất. Đây là điều mà hầu hết các kết nối dữ liệu di động không thể làm một mình (và nếu có thể, nó có thể thực sự tốn kém).

LoRaWAN lý tưởng cho các thành phố vì đây là một nền tảng dựa trên tiêu chuẩn mở, ngang, không yêu cầu thực hiện riêng lẻ nhiều công nghệ độc quyền. Điều này có nghĩa là nó có thể đáp ứng tất cả các loại case studydọc, cho dù đó là nước, năng lượng hoặc chiếu sáng đường phố, mà không cần phải triển khai nhiều cơ sở hạ tầng dành riêng cho từng trường hợp. Do đó, các thành phố không phải đầu tư vào các cơ sở hạ tầng dựa trên silo khác nhau để đạt được tiết kiệm đáng kể chi phí và cung cấp dịch vụ hiệu quả cùng một lúc.

Nhiều năm trôi qua, nhiều thành phố đang chuyển sang các giải pháp dựa trên LoRaWAN hoặc là một lớp ban đầu cho các dự án chuyển đổi số của họ hoặc để bổ sung cho kết nối internet hiện có của họ.

Ứng dụng của Lora trong Toà nhà Thông Minh (Smart Building)

Tự động hóa trong tòa nhà bao gồm tất cả các hệ thống quan trọng của tòa nhà như chiếu sáng, kiểm soát khí hậu, báo cháy, an ninh, v.v. Chúng ta đã biết rằng LoRa cho phép các cảm biến hoạt động trong nhiều năm mà không cần nguồn điện liên tục. Điều này đặc biệt thuận tiện cho các địa điểm khó tiếp cận. Thay vì tập trung vào bảo trì thường xuyên các cảm biến đắt tiền, doanh nghiệp có thể thiết lập cơ sở hạ tầng và tập trung nỗ lực và đầu tư vào các nhiệm vụ quan trọng trong kinh doanh. LoRa không yêu cầu kỹ thuật viên có tay nghề cao để cài đặt hoặc bảo trì.

LoRa cung cấp cho chủ sở hữu tòa nhà và doanh nghiệp khả năng giảm chi phí hoạt động. Giảm chi phí năng lượng, tăng sự hài lòng của người thuê và nâng cao giá trị tài sản giúp doanh nghiệp và chủ sở hữu tòa nhà tạo ra nguồn doanh thu mới.

Quản lý năng lượng . LoRaWAN tập hợp tất cả các hệ thống liên quan đến năng lượng để quản lý tòa nhà thông minh: chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, an toàn cháy nổ. Giao thức truyền thông LoRaWAN kết nối chúng một cách hiệu quả để giúp kiểm soát và giảm mức tiêu thụ điện năng.

Phát hiện rò rỉ nước . Trong các tòa nhà thông minh, LoRaWAN là một phần không thể thiếu trong cơ sở hạ tầng cấp nước thông minh. Trao quyền cho các cảm biến, cổng và đồng hồ nước, hệ thống LoRaWAN có thể giảm đáng kể chi phí vận hành liên quan đến rò rỉ nước và ngăn ngừa thiệt hại nghiêm trọng cho các tòa nhà.

An ninh tòa nhà thông minh . Văn phòng, nhà máy, tổ chức hành chính và tất cả các dạng tòa nhà thông minh khác cần được bảo vệ chống cháy, thiên tai và lối vào trái phép. Sử dụng LoRaWAN, cửa sổ, cửa ra vào, chuông báo cháy, cảm biến phát hiện chuyển động và các nút khẩn cấp có thể được tổ chức thành một hệ thống báo động an toàn.

Kiểm tra an toàn tòa nhà . Ngay cả ở những vùng xa xôi, các tòa nhà có thể được trang bị nhiều cảm biến dựa trên LoRa trên tường, mái nhà hoặc móng. Bằng cách này, chủ sở hữu tòa nhà hoặc thanh tra viên có thể kiểm soát biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số hóa học, cơ học và vật lý khác của tòa nhà.

Tối ưu hóa không gian làm việc . Dữ liệu được thu thập bởi các thiết bị hỗ trợ LoRa giúp tối ưu hóa mặt bằng văn phòng. Môi trường văn phòng có thể được định hình lại theo giao thông chân, định vị địa lý và không gian thời gian thực. Điều này giúp nâng cao sự hài lòng của nhân viên đồng thời cải thiện sự an toàn của khu vực làm việc và sử dụng hợp lý các nguồn lực văn phòng.

Ví dụ ứng dụng Lora để phát hiện và báo cháy trong toà nhà

Ứng dụng của Lora trong nông nghiệp Thông Minh (Smart Agriculture)

Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc, thế giới sẽ cần sản xuất thêm 70% lương thực vào năm 2050 so với năm 2006 để nuôi sống dân số toàn cầu ngày càng tăng. Các doanh nghiệp nông nghiệp đã và đang chuyển sang Internet of Things (IoT) để phân tích và khả năng sản xuất lớn hơn khi nhu cầu sản xuất và vận hành tiếp tục tăng.

Nông dân và chủ trang trại không còn có thể dựa vào tín hiệu thị giác hoặc các chỉ số thụ động và lịch sử khác để quản lý doanh nghiệp của họ. Thay vào đó, họ phải tạo ra các hoạt động hiệu quả hơn để thu thập thông tin thường xuyên trong lĩnh vực này, nhanh chóng tổng hợp dữ liệu và đưa ra quyết định kinh doanh thông minh để gặt hái những lợi ích của việc chăn nuôi chính xác và giám sát chăn nuôi theo thời gian thực.

Ứng dụng IoT được thiết lập để đẩy tương lai của kinh doanh nông nghiệp lên một tầm cao mới. Ở một số quốc gia, nông nghiệp thông minh đang trở nên phổ biến hơn, nhưng để đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ IoT trên toàn thế giới, nông dân và người chăn nuôi cần các cảm biến năng lượng thấp, chi phí thấp.

Các thiết bị SemTech từ LoRa® và Công nghệ RF không dây (Công nghệ LoRa) và giao thức mở LoRaWAN là lý tưởng cho các cảm biến chỉ cần cập nhật thông tin một vài lần mỗi giờ vì các điều kiện không thay đổi hoàn toàn. Ngoài ra, do nhiều trang trại và trang trại ở khu vực nông thôn và không có quyền truy cập vào phạm vi phủ sóng di động hoặc được cấp phép, họ cần một cơ sở hạ tầng mạng dễ dàng để cài đặt các ứng dụng IoT của họ.

Bằng cách tận dụng Công nghệ LoRa và giao thức mở LoRaWAN, các doanh nghiệp nông nghiệp có thể theo dõi kỹ thuật số, quản lý và phân tích mọi khía cạnh của doanh nghiệp của họ, cải thiện hoạt động chung và lợi tức đầu tư (ROI). Từ theo dõi sức khỏe gia súc, theo dõi chăn nuôi bò đến tăng năng suất cây trồng, LoRa Technology cung cấp một nền tảng vững chắc cho tương lai của nông nghiệp thông minh vì nó dễ triển khai và giúp nông dân và người chăn nuôi phát triển kinh doanh.

Lợi ích chính

  • Định vị địa lý: Công nghệ LoRa sử dụng công nghệ định vị địa lý không có GPS mà không cần nguồn điện bổ sung.
  • Chi phí kết nối thấp: Công nghệ LoRa hoạt động trong dải ISM không được cấp phép, có nghĩa là không có hoặc phổ rất thấp (có thể có phí kết nối rất thấp nếu sử dụng nhà cung cấp dịch vụ bên ngoài).
  • Tiêu chuẩn mở: Đặc tả mở LoRaWAN được LoRa AllianceTM hỗ trợ và duy trì cho phép khả năng mở rộng liền mạch và dễ dàng.
  • Có sẵn : Mạng công cộng và tư nhân đã sẵn sàng để triển khai và triển khai rộng rãi.
  • Tận dụng các tài sản được triển khai: Tín hiệu mạnh mẽ của LoRa Technology có thể thâm nhập vào phạm vi phủ sóng rộng ngay cả trong vùng nông thôn.
  • Hệ sinh thái đang phát triển: LoRa AllianceTM đang phát triển nhanh hiện bao gồm hơn 500 công ty đang tạo ra các giải pháp sử dụng đặc tả mở LoRaWAN. LoRa AllianceTM bao gồm các công ty lớn trong ngành và nhiều nhà khởi nghiệp và nhà khai thác mạng khác. Kết hợp lại, hệ sinh thái này cung cấp nhiều nguồn cung cấp từ IC truyền thông đến mạng cho các nền tảng ứng dụng dựa trên máy chủ. Liên minh LoRa cũng chứng nhận các cảm biến và các thiết bị khác cho khả năng tương tác.
  • Bảo mật: Mã hóa AES-128 được xây dựng để cho phép truyền dữ liệu an toàn ở khu vực nông thôn.

Đăng nhận xét