Cơ sở hạ tầng IoT (Internet vạn vật) trong các thành phố thông minh đã và đang phát triển, ứng dụng mạnh mẽ. Bằng cách áp dụng các công nghệ IoT, các thành phố được kết nối đang thực hiện việc cải tạo, nâng cấp lớn đối với cơ sở hạ tầng hiện có của họ đồng thời xây dựng năng lực cho các thiết bị IoT. Để triển khai cơ sở hạ tầng thông minh này, các thành phố đang tìm kiếm các lựa chọn kết nối hợp lý nhất - và công nghệ mạng diện rộng (LPWA – Low power wide area) tiêu thụ điện năng thấp. Hai trong số những công nghệ này được áp dụng cho thành phố thông minh là LoRa (Long range) và LoRaWAN (Long range gateway). Thành phố thông minh LoRa là gì và tại sao chúng ta coi đây là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng xây dựng và thành phố thông minh?
Công nghệ thành phố thông minh LoRa là gì?
LoRa và LoRaWAN là các giao thức truyền thông không dây LPWAN bất động. LoRa là lớp vô tuyến cho phép liên lạc tầm xa (khoảng cách xa). LoRaWAN vừa là cổng giao thức truyền thông vừa là kiến trúc hệ thống cho các mạng IoT. Công nghệ LoRa/LoRaWAN là lựa chọn tốt nhất cho các thành phố được kết nối vì phạm vi tín hiệu lớn và yêu cầu điện năng cực thấp. Tùy thuộc vào điều kiện, tín hiệu có thể đạt (truyền đi xa) từ 10 đến 15 km.
LoRa thuộc sở hữu của công ty Semtech. Đồng thời, hệ sinh thái LoRaWAN bao gồm nhiều nhà sản xuất cảm biến, chip và thiết bị điện tử, nhà cung cấp trạm gốc và máy chủ cũng như các nhà cung cấp dịch vụ khác. Tất cả họ đều tập hợp trong Liên minh LoRa, một trong những hiệp hội công nghệ phát triển nhanh nhất trên toàn cầu. Nhiệm vụ của Liên minh LoRa là thúc đẩy cả kết nối LPWAN và hệ sinh thái IoT trên toàn thế giới.
Các giao thức truyền thông LoRaWAN và LoRa vượt qua những thách thức của việc triển khai IoT trong các môi trường thương mại và công nghiệp. Công nghệ và giao thức LPWAN tiết kiệm năng lượng và triển khai với chi phí thấp, là nền tảng xương sống IoT cho các giải pháp phần mềm thành phố thông minh. Do đó, LoRaWAN là một trong những giao thức LPWAN được chấp nhận rộng rãi nhất, với 600 trường hợp sử dụng và 97 triệu thiết bị được kết nối với mạng ở 100 quốc gia và còn tiếp tục tăng trong tương lai.
Vùng bao phủ thành phố thông minh LoRaWAN
Tiềm năng của thành phố thông minh LoRa và LoRaWAN
Việc số hóa các thành phố tốn chi phí rất lớn nhưng không thể tránh khỏi. Đòi hỏi nhiều bên liên quan trong mô hình thành phố liên kết, việc làm cho các thành phố không chỉ nối kết với nhau mà còn hấp dẫn về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường. Công nghệ LoRa của thành phố thông minh có nhiều lợi ích cho phép nó trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược số hóa.
Tiêu thụ năng lượng cực thấp. So với các giao thức truyền dữ liệu khác, thành phố thông minh LoRaWAN cần ít năng lượng, bảo toàn tuổi thọ pin cho các thiết bị.
Phạm vi. Phạm vi phủ sóng càng rộng thì cơ sở hạ tầng IoT càng tốt và sẽ ít tốn chi phí hơn. Với LoRaWAN, phạm vi là gần 5 km trong môi trường đô thị và 15 km ở các khu vực ngoại ô.
Hiệu quả về chi phí. Kiến trúc thành phố thông minh LoRaWAN dễ dàng triển khai trong cơ sở hạ tầng IoT. Việc triển khai trên các tần số không yêu cầu cấp phép và các trạm gốc với chi phí thấp làm cho các ứng dụng LoRaWAN trở nên khả thi về mặt kinh tế. Hơn thế nữa, các thiết bị có LoRaWAN IoT chi phí thấp, có thể vận hành trong nhiều năm trên cùng một loại pin.
Kiến trúc mạng thành phố thông minh LoRa
Nguồn: RF Wireless World
Mã nguồn mở. Là một giao thức mã nguồn mở, LoRa được hỗ trợ miễn phí từ cộng đồng mạng. Các thành viên của Liên minh LoRa đóng vai trò của mình để thúc đẩy các sáng kiến IoT do LoRa hỗ trợ.
Giao tiếp hai chiều. Các đầu cuối mạng IoT hỗ trợ LoRa (ví dụ như cảm biến) có thể truyền và nhận dữ liệu đồng thời. Gửi dữ liệu đến mạng và nhận lại thông tin, thiết bị LoRa có thể gửi thông báo trạng thái ngay cả đến những vị trí xa.
Bản đồ hóa miễn phí GPS. Khi một thiết bị đang truyền đến ít nhất ba cổng, các ứng dụng LoRaWAN có thể tính toán nguồn gốc gần đúng của tín hiệu bằng kỹ thuật tam giác tương tự như GPS nhưng tiết kiệm năng lượng và chi phí hơn.
Khả năng xuyên công trình tốt và suy hao đường truyền thấp. Sóng vô tuyến LoRa có thể đi qua các chướng ngại vật và đến các cảm biến trong nhà, chẳng hạn như các cảm biến được đặt trong thang máy, tầng hầm hoặc nhà để xe ngầm.
Các ứng dụng của LoRaWAN đối với thành phố thông minh
Thành phố thông minh LoRaWAN hứa hẹn khả năng kết nối lan tỏa với cơ sở hạ tầng IoT yêu cầu. Yêu cầu tiếp theo là giữ cho hệ thống mạng và việc quản lý nó càng đơn giản càng tốt. Đối với kết nối thành phố thông minh, điều này có nghĩa là hoạt động liên lục trên những khoảng cách rộng lớn, nơi yêu cầu công suất thấp. Thành phố thông minh bao gồm nhiều lĩnh vực như quản lý chất thải, giao thông thông minh, AI thông minh trong di chuyển đô thị, theo dõi mức tiêu thụ năng lượng, đo lường môi trường, giám sát bãi đậu xe và chiếu sáng, hệ thống phát hiện và báo cháy - tất cả đều là những yếu cố cốt lõi của khái niệm thành phố thông minh. Tất cả chúng không nhất thiết phải yêu cầu một khối lượng lớn dữ liệu. Các gói dữ liệu cảm biến nhỏ có thể được sử dụng trong phần mềm lập kế hoạch tải lên đám mây cho các mục đích cảnh báo, kích hoạt và giám sát.
Ứng dụng LoRaWAN trong thành phố thông minh
Nguồn: LoRa – Emerging IoT Technology Accelerating Service Provider and Smart City ServicesTối đa hóa hiệu quả IoT với công nghệ LoRaWAN
Tự động hóa tòa nhà và cơ sở hạ tầng bao gồm tất cả các hệ thống quan trọng của tòa nhà như hệ thống chiếu sáng, kiểm soát khí hậu, hệ thống báo cháy, an ninh, v.v. 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 những vị trí khó tiếp cận. Thay vì tập trung vào việc bảo trì thường xuyên các cảm biến đắt tiền, các doanh nghiệp có thể thiết lập cơ sở hạ tầng và tập trung nỗ lực và đầu tư vào các nhiệm vụ quan trọng của doanh nghiệp. LoRa không yêu cầu kỹ thuật viên có tay nghề cao cho việc lắp 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 các doanh nghiệp và chủ sở hữu tòa nhà tạo ra các nguồn doanh thu mới.
Các ứng dụng tòa nhà thông minh với công nghệ LoRa thành phố thông minh:
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 giúp kiểm soát và giảm tiêu thụ điện năng.
Phát hiện rò rỉ nước. Trong các tòa nhà thông minh, LoRaWAN là một phần không thể thiếu của 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, cơ quan hành chính và tất cả các dạng khác của tòa nhà thông minh cần được bảo vệ khỏi hỏa hoạn, thiên tai và lối vào trái phép. Sử dụng LoRaWAN, cửa sổ, cửa ra vào, hệ thống 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 khu vực hẻo lánh, ít người qua lại, các tòa nhà có thể được trang bị các cảm biến dựa trên LoRa khác nhau trên tường, mái nhà hoặc nền móng. Bằng cách này, chủ sở hữu hoặc thanh tra của tòa nhà có thể kiểm soát các 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 lưu lượng người đi bộ, vị trí địa lý và tính khả dụng của không gian thời gian thực. Điều này giúp nâng cao sự hài lòng của nhân viên đồng thời cải thiện độ an toàn của các khu vực làm việc và sử dụng hợp lý các nguồn lực văn phòng.
Tài liệu tham khảo:
[1] Charalampos Orfanidis; Laura Marie Feeney; Martin Jacobsson; Per Gunningberg, “Investigating interference between LoRa and IEEE 802.15.4g networks”, 2017 IEEE 13th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), DOI: 10.1109/WiMOB.2017.8115772, Nov, 2017.
[2] Murat Kuzlu; Manisa Pipattanasomporn; Saifur Rahman , “Assessment of Communication Technologies Supporting Smart Streetlighting Applications”, 2018 IEEE International Smart Cities Conference (ISC2), DOI: 10.1109/ISC2.2018.8656979, Mar. 2019.
TT