Công nghệ LoRa là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của LoRa

Trong những năm gần đây, Internet of Things (IoT) đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu kết nối các thiết bị thông minh ngày càng tăng. Tuy nhiên, việc kết nối các thiết bị IoT ở xa, trong môi trường có nhiều nhiễu sóng là một thách thức lớn. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ LoRa đã được ra đời. Vậy công nghệ LoRa là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của LoRa như thế nào? Hãy đọc ngay bài viết của WifiRuckus dưới đây nhé! 

Công nghệ LoRa là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của LoRa

Công nghệ LoRa là gì?

LoRa là chuẩn không dây mạng diện rộng công suất thấp được phát triển bởi Tập đoàn Semtech. Cái tên LoRa là viết tắt của Long Range Radio, là một loại công nghệ truyền dữ liệu trên khoảng cách xa hàng chục km so với các phương thức không dây khác cùng mức tiêu thụ điện năng, mở rộng phạm vi liên lạc tần số vô tuyến không dây truyền thống gấp 3-5 lần. 

LoRa hướng tới các kết nối M2M (Machine-to-Machine) ở khoảng cách lớn lên tới 15 – 20km với hàng triệu node mạng. Công nghệ này giúp duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin. 

Công nghệ LoRa được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực truyền thông không dây tầm xa khác nhau của Internet of Things (IoT) như: canh tác thông minh tự động, tòa nhà thông minh, hệ thống an ninh không dây, giám sát và điều khiển công nghiệp…

LoRa truyền dữ liệu trên khoảng cách xa hàng chục km so với các phương thức không dây khác

Nguyên lý hoạt động của LoRa

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) giúp truyền tín hiệu băng hẹp trên băng thông kênh rộng hơn. CSS hoạt động bằng cách lấy tín hiệu hình sin và thay đổi tần số tuyến tính theo thời gian, tạo ra tín hiệu chirp. Tín hiệu này sau đó được điều chế trên tần số sóng mang. Điều chế CSS đảm bảo rằng tín hiệu LoRa vẫn mạnh mẽ chống lại nhiễu, cho phép liên lạc đáng tin cậy ngay cả trong những trường hợp đòi hỏi khắt khe.

Các thành phần chính của hệ thống LoRa bao gồm:

• Nút (hoặc thiết bị đầu cuối): Đây là các thiết bị truyền dữ liệu tới mạng LoRa
• Cổng: Cổng đóng vai trò là cầu nối giữa các nút và máy chủ mạng, nhận tín hiệu từ nhiều nút và chuyển tiếp dữ liệu.
• Máy chủ mạng: máy chủ mạng xử lý và quản lý dữ liệu nhận được từ các cổng, cho phép liên lạc giữa các thiết bị và ứng dụng hoặc dịch vụ trên internet.

Nguyên lý chuyển và nhận dữ liệu của LoRa

Băng tần hoạt động cho công nghệ LoRa rong trong khoảng từ 430MHz đến 915 MHz được áp dụng cho từng khu vực cụ thể trên thế giới đó là:

• Băng tần 430MHz cho khu vực Châu Á
• Băng tần 780MHz cho khu vực Trung Quốc
• Băng tần 433MHz hoặc 866MHz cho khu vực Châu Âu
• Băng tần 915MHz cho khu vực Châu Mỹ

Đặc điểm của công nghệ LoRa

Những đặc điểm nổi bật có thể giúp bạn hiểu rõ hơn về công nghệ LoRa này có thể kể đến như: 

• Phạm vi truyền sóng lớn: LoRa được thiết kế để kết nối ở khoảng cách lớn, thường có thể đạt tới 15-20 km. Điều này làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng truyền thông từ xa.
• Hỗ trợ hàng triệu thiết bị: LoRa có khả năng hỗ trợ hàng triệu node trên cùng một mạng, tạo điều kiện thuận lợi cho các hệ thống lớn với nhiều thiết bị kết nối.
• Tốc độ truyền dữ liệu thấp: LoRa thường có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn so với một số công nghệ khác, nhưng đủ để phục vụ cho các ứng dụng như cảm biến và giám sát môi trường.
• Băng tần ISM (Industrial, Scientific, Medical): Công nghệ LoRa thường hoạt động trong băng tần không được cấp quyền (433MHz, 868MHz và 915 MHz) tùy thuộc vào quy định địa phương. Điều này giúp giảm chi phí và rủi ro cấp phép.
• Khả năng chống nhiễu tốt và tự động tìm kiếm kênh truyền tốt nhất giúp bảo đảm tính toàn vẹn của dữ liệu truyền đi.

Ưu và nhược điểm của công nghệ LoRa

Là một công nghệ hiện đại được sử dụng phổ biến hiện nay, LoRa có cả những ưu điểm và nhược điểm đáng chú ý sau đây: 

Ưu điểm

• Kết nối tầm xa: Công nghệ LoRa cho phép liên lạc tầm xa, cho phép các thiết bị truyền dữ liệu không dây trong vài km. Phạm vi mở rộng này có lợi cho các ứng dụng yêu cầu kết nối trên các khu vực rộng lớn, chẳng hạn như thành phố thông minh, nông nghiệp và giám sát công nghiệp.
• Tiêu thụ điện năng thấp: LoRa được thiết kế để hoạt động ở mức năng lượng thấp, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị IoT chạy bằng pin. Công nghệ này sử dụng cơ chế tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị có tuổi thọ pin dài lên đến 10 năm và giảm nhu cầu thay pin thường xuyên, đặc biệt là ở những địa điểm xa hoặc không thể tiếp cận.
• Hiệu quả về chi phí: LoRa hoạt động ở các dải tần không được cấp phép, loại bỏ nhu cầu về giấy phép phổ tần tốn kém. 
• Định vị địa lý: LoRa cho phép các ứng dụng theo dõi không có GPS, cung cấp các lợi ích năng lượng thấp chưa được xử lý bởi các công nghệ khác. 
• Truyền dữ liệu hiệu quả: Công nghệ LoRa được tối ưu hóa cho tốc độ dữ liệu thấp, lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu truyền các gói dữ liệu nhỏ định kỳ hoặc rời rạc. Nó sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng và băng thông, cho phép truyền dữ liệu hiệu quả đồng thời tiết kiệm năng lượng.
• Tính bảo mật cao: Công nghệ LoRa sở hữu mã hóa AES128 (mã hóa đầu cuối), cho phép xác thực lẫn nhau, tăng tính bảo mật của dữ liệu.
• Tiêu chuẩn hóa: LoRa được xây dựng trên một giao thức mạng mở, mang lại khả năng thiết lập các kết nối chuẩn hóa giữa các thiết bị cuối và máy tính trong môi trường IoT. Điều này giúp mọi doanh nghiệp có thể nhanh chóng triển khai các ứng dụng IoT ở mọi nơi.

LoRa được xây dựng trên một giao thức mạng mở chuẩn hóa giữa các thiết bị cuối và máy tính trong môi trường IoT

Nhược điểm

• Tốc độ dữ liệu hạn chế: Công nghệ LoRa được thiết kế để liên lạc tầm xa, tiêu thụ điện năng thấp, có nghĩa là nó hy sinh tốc độ dữ liệu để có khoảng cách truyền dài hơn. Do đó, tốc độ dữ liệu tối đa được LoRa hỗ trợ tương đối thấp so với các công nghệ không dây khác, khiến nó không phù hợp với các ứng dụng băng thông cao. 
• Không phù hợp với dữ liệu lớn: Công nghệ LoRa không thích hợp cho các công việc đòi hỏi tải dữ liệu lớn do tốc độ truyền thấp và giới hạn tải trọng chỉ ở mức 100 byte. Điều này dẫn đến độ trễ cao hơn so với một số phương pháp khác.
• Hạn chế khi lắp đặt Gateway: Lắp đặt gateway là cần thiết khi sử dụng LoRa và việc triển khai chúng trong khu vực nội thành có thể gặp khó khăn. Điều này là một rào cản cho việc mở rộng LoRa ở các khu vực đông dân cư và cũng làm tăng chi phí triển khai do cần nhiều cổng và thiết bị kết nối.
• Phụ thuộc vào môi trường: Hiệu suất của LoRa phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường như phạm vi truyền dẫn, mật độ bức xạ… Điều này có thể tạo ra biến động hiệu suất và khả năng truyền của hệ thống.

Vai trò của LoRa trong IoT

LoRa đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực Internet of Things (IoT), cung cấp giải pháp truyền tin không dây hiệu quả với chi phí vận hành thấp hơn so với các hệ thống mạng thông thường. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho môi trường IoT đa dạng và phức tạp.

Với khả năng truyền tải ở khoảng cách xa, LoRa đã trở thành giải pháp ưu việt cho các ứng dụng IoT ở mọi nơi, từ nông thôn đến đô thị và trong môi trường công nghiệp. Đặc biệt, nó giúp kết nối hiệu quả các thiết bị IoT như cảm biến, thiết bị đo lường và thiết bị điều khiển từ xa.

Có thể nói, công nghệ LoRa là cầu nối quan trọng giữa môi trường vật lý và môi trường số trong lĩnh vực IoT. Với tính ổn định, tiết kiệm năng lượng và khả năng kết nối ở xa, công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và triển khai của IoT trên toàn thế giới.

LoRa đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực Internet of Things (IoT)

Sự khác biệt giữa LoRa và LoRaWAN là gì?

LoRa và LoRaWAN đều chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị IoT, nhưng mỗi thiết bị đều có các chức năng và ứng dụng riêng. Công nghệ LoRa cung cấp cách sử dụng phổ tần không dây không được cấp phép, nhưng nó thiếu các chức năng mạng cần thiết để quản lý. LoRaWAN là một giao thức được xây dựng dựa trên LoRa và tạo ra lớp mạng.

LoRa và LoRaWAN đều chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị IoT

LoRa là công nghệ truyền thông không dây độc quyền sử dụng điều chế trải phổ chirp để đạt được khả năng liên lạc tầm xa với mức tiêu thụ điện năng thấp. Mặt khác, LoRaWAN là một giao thức mạng được xây dựng dựa trên công nghệ LoRa

Vì sao cần phải sử dụng công nghệ Lora?

Một trong những thách thức lớn trong việc xây dựng Internet vạn vật là đảm bảo tất cả thiết bị IoT trên thực tế có thể giao tiếp qua Internet. Hiện nay, số lượng các thiết bị này ngày càng lớn và bất kỳ mạng nào hỗ trợ giao tiếp phải mở rộng để xử lý lưu lượng lớn. Vì vậy, có một vài vấn đề xảy ra đối với mạng và các thiết bị IoT như: hết pin đột ngột, sóng yếu, có bộ nhớ và khả năng xử lý hạn chế.

Các thiết bị IoT ngày nay sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để kết nối và truyền thông tin. Tuy nhiên, không có công nghệ nào là hoàn hảo. Các thiết bị wifi mặc dù phổ biến nhưng vẫn có một số nhược điểm. Nó tiêu tốn nhiều năng lượng và truyền rất nhiều dữ liệu. Điều này không phải lúc nào cũng phù hợp cho các thiết bị IoT với nguồn năng lượng hạn chế, thường chỉ gửi đi một lượng nhỏ dữ liệu. Ngoài ra, bộ định tuyến Wifi có giới hạn về số lượng thiết bị mà nó có thể xử lý và có thể xảy ra tình trạng quá tải khi số lượng thiết bị IoT trong một khu vực tăng lên.

Để giải quyết những vấn đề này, người ta đang nghiên cứu và phát triển các công nghệ khác như Bluetooth và ZigBee. Tuy Bluetooth có thể hoạt động trong phạm vi ngắn nhưng tiêu tốn ít năng lượng hơn, trong khi ZigBee có thể truyền qua khoảng cách xa hơn với tiêu tốn năng lượng thấp. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng mà chọn lựa công nghệ phù hợp nhất để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị IoT.

Bài viết xem thêm: MIMO là gì? Những Lợi ích mà công nghệ MIMO mang lại

Ứng dụng của Lora trong thực tiễn

Vì có vai trò quan trọng trong IoT nên công nghệ LoRa được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Cụ thể: 

Ứng dụng của LoRa trong thành phố thông minh (Smart City)

Công nghệ LoRa được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của một thành phố thông minh như: giám sát môi trường, giám sát giao thông, chiếu sáng thông minh, an ninh và an toàn, quản lý năng lượng… 

Trong các thành phố đông đúc, vấn đề về việc quản lý dữ liệu hạn chế ngày càng tăng. Mạng tín hiệu gặp khó khăn khi phải thâm nhập vào các cấu trúc kín và khu vực ngầm. Điều này tạo ra áp lực lớn đối với các mạng và gây khó khăn trong việc phát triển thành phố thông minh.

Để triển khai cảm biến đồng loạt đòi hỏi một mạng tin cậy, an toàn và bền vững, tuy nhiên việc này thường đi kèm với chi phí cao. Một giải pháp hiệu quả là sử dụng LoRa. Nhờ vào công nghệ này, các thành phố có thể vượt qua những thách thức trên, cung cấp giải pháp kinh tế và hiệu quả để xây dựng hệ thống IoT đáng tin cậy và linh hoạt trong môi trường đô thị.

Ứng dụng của LoRa trong tòa nhà thông minh (Smart Building)

Các ứng dụng phổ biến của công nghệ LoRa trong tòa nhà thông minh đó là:

• Quản lý năng lượng: LoRa kết nối các hệ thống như chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát và an toàn cháy nổ, giao thức truyền thông này giúp kiểm soát và giảm tiêu thụ điện năng một cách hiệu quả.
• Phát hiện rò rỉ nước: Công nghệ LoRa là một phần không thể thiếu của cơ sở hạ tầng cấp nước thông minh, giúp giảm chi phí vận hành liên quan đến rò rỉ nước và ngăn chặn thiệt hại nghiêm trọng cho tòa nhà.
• Kiểm tra an toàn nhà: Với LoRa, tòa nhà có thể được trang bị nhiều cảm biến để kiểm soát biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác. Điều này hỗ trợ chủ sở hữu tòa nhà hoặc thanh tra viên trong việc theo dõi và duy trì an toàn của tòa nhà.
• Tối ưu hóa không gian làm việc: Dữ liệu thu thập từ các thiết bị LoRa hỗ trợ tối ưu hóa môi trường văn phòng, dựa trên các yếu tố như giao thông chân, định vị địa lý và không gian thời gian thực, giúp tăng cường an toàn làm việc và sử dụng nguồn lực văn phòng một cách hiệu quả. 

Ứng dụng của LoRa trong tòa nhà thông minh

Ứng dụng của LoRa trong nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture)

Một hệ thống tưới thông minh tích hợp cảm biến LoRa giúp thu thập thông số như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất và các yếu tố môi trường khác. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để đưa ra quyết định thông minh về lượng nước và phân bón cần thiết, tối ưu hóa việc tưới và bón phân để đảm bảo sự tiết kiệm và phù hợp.

Ưu Điểm của hệ thống tưới nước sử dụng công nghệ LoRa trong nông nghiệp: 

• Hệ thống sử dụng dữ liệu từ cảm biến LoRa để điều chỉnh lượng nước tưới theo nhu cầu thực tế của cây trồng, giúp tưới đúng lượng và tránh lãng phí nước.
• LoRa giảm chi phí đầu tư ban đầu bằng cách loại bỏ cần thiết của các đường tín hiệu dài và hệ thống bảo vệ đường dây, đồng thời cung cấp tính ổn định cho hệ thống.
• Hệ thống có thể được giám sát từ xa thông qua mạng Internet, giúp người quản lý kiểm soát và điều chỉnh quá trình tưới dễ dàng và hiệu quả.

LoRa giúp thu thập thông số như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất và các yếu tố môi trường khác

Tổng kết

Trên đây là tất tần tật những kiến thức bổ ích về công nghệ LoRa và ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn. Hy vọng bạn đã hiểu rõ hơn về LoRa và cân nhắc xem có nên cài đặt công nghệ này cho doanh nghiệp của mình hay không. Hãy theo dõi chúng tôi để đọc thêm các bài viết hữu ích về quản trị mạng nhé!