Công nghệ lora và ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 27
CÔNG NGHỆ LORA VÀ ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP 
CÔNG NGHỆ CAO 
LORA TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN HIGH-TECH AGRICULTURE 
Nguyễn Văn Đưa*, Nguyễn Hoàng Long, Phạm Đình Kha, 
Trịnh Thị Thương, Nguyễn Viết Cảnh, Đỗ Trọng Tấn 
TÓM TẮT 
Bài báo trình bày về thiết kế, xây dựng mạng cảm biến không dây sử dụng 
công nghệ truyền thông LORA cho bài toán giám sát và điều khiển trong nông 
nghiệp công nghệ cao. Các dữ liệu thu thập bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm không khí, 
độ ẩm đất, ánh sáng. Dữ liệu thu thập được lưu trữ và truyền tải lên server trung 
tâm phục vụ việc giám sát và quản lý từ xa thông qua phần mềm được cài đặt 
trên điện thoại. Hệ thống thiết bị gồm các nút cảm biến, nút điều khiển cơ cấu 
chấp hành và bộ điều khiển trung tâm. 
Từ khóa: Lora, nông nghiệp công nghệ cao, CSS. 
ABSTRACT 
This article presents about designing and establishing a wireless network 
using Lora technology for monitoring and controlling solutions in high-tech 
agriculture. Collected data consists of temperature, air humidity, soil humidity 
and light. The data is collected and transmitted to center server for remote 
monitoring and managing from a mobile application. The device system consists 
of sensor nodes, actuator controlling nodes and central control unit. 
Keywords: Lora, high-tech agriculture, CSS. 
Trung tâm Công nghệ vi điện tử và tin học, Viện Ứng dụng công nghệ 
*Email: nguyenduabka@gmail.com 
Ngày nhận bài: 10/12/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 15/02/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 25/02/2019 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Nông nghiệp công nghệ cao là nền nông nghiệp được 
áp dụng các công nghệ tiên tiến nhằm mục đích cải thiện 
chất lượng, năng suất nông sản. Điều này có thể đạt được 
bằng cách giám sát các thông số liên quan đến sinh trưởng, 
phát triển của cây trồng như: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm 
Từ các thông số thu thập, có thể điều chỉnh lượng nước 
tưới, độ ẩm không khí hay cường độ ánh sáng phù hợp 
theo nhu cầu phát triển của cây trồng [1,2]. 
Hiện nay, các hướng nghiên cứu về ứng dụng công 
nghệ cao trong giám sát từ xa các thông số môi trường 
trong nông nghiệp thường sử dụng các công nghệ truyền 
thông truyền thống như: Zigbee, Wifi, GSM/GPRS, 
Bluetooth[3,4,5]. Trong những công nghệ truyền thông 
kể trên, công nghệ Wifi, Zigbee, Bluetooth có phạm vi hoạt 
động không cao từ 10 đến 100m. Với phạm vi hoạt động 
như vậy, các chuẩn truyền thông trên chỉ phù hợp cho việc 
giám sát trong một khu vực nhỏ. Khi khu vực giám sát lớn 
hoặc có nhiều khu vực, thì việc xây dựng mạng cảm biến 
trở lên phức tạp và tốn kém chi phí hơn. Bên cạnh đó, việc 
tiêu thụ nhiều năng lượng cũng dẫn đến thời lượng sử 
dụng pin của nút cảm biến bị giảm xuống. 
Nhằm mở rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn cảm biến 
trên phạm vi rộng và tiêu thụ ít năng lượng phục vụ cho 
nhu cầu vận hành bảo trì, chuẩn truyền thông LORA đã ra 
đời với nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ sẵn có 
[6]. Công nghệ truyền thông LORA được phát triển bởi 
công ty STEMTECH từ năm 2013. Lora dựa trên phương 
pháp điều chế CSS (Chirp Spread Spectrum) với mục đích 
chính là tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và tăng khoảng cách 
truyền thông. Kỹ thuật CSS đã được sử dụng trong quân sự 
và lĩnh vực hàng không vũ trụ trong nhiều thập kỷ trước 
bởi khoảng cách truyền thông lớn mà nó có thể đạt được 
[7]. Khoảng cách truyền thông có thể lên tới 2 - 20km và có 
thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép với tốc 
độ thấp từ 0,3 kbps đến 50kbps. Thời gian có thể duy trì kết 
nối và chia sẻ dữ liệu lên đến 10 năm với năng lượng pin 
[8]. Hiện nay, trong nước hướng nghiên cứu về công nghệ 
Lora còn khá mới mẻ. Điều này được thể hiện qua những 
bài báo, công trình nghiên cứu về công nghệ Lora và ứng 
dụng còn rất ít. Tiêu biểu trong đó có nhóm sinh viên 
Nguyễn Phú Cường và các bạn trường Đại học CNTT (Đại 
học Quốc gia HCM) đã có công trình ứng dụng công nghệ 
Lora trong việc chế tạo thiết bị đeo hỗ trợ tìm kiếm người 
bị nạn [9]. Do đó, việc xây dựng, thử nghiệm hệ thống 
LORA, đánh giá khả năng ứng dụng trong bài toán nông 
nghiệp công nghệ cao là rất cần thiết. 
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo 
thành công hệ thống mạng cảm biến và điều khiển không 
dây sử dụng chuẩn truyền thông LORA. Module LORA RA-
02 (433MHz) được lựa chọn sử dụng. Kết quả thử nghiệm 
cho thấy, tốc độ truyền lớn nhất đạt được khi truyền 10 
byte dữ liệu là 10,37s đạt được khi cấu hình hệ số trải phổ 
SF = 7 và độ rộng băng thông BW = 500kHz. Khoảng cách 
truyền lớn nhất đạt được là 3,5km trong môi trường đô thị 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 50.2019 28
KHOA HỌC
với thông số cấu hình SF = 12, BW = 62,5KHz. Thử nghiệm 
hoạt động của hệ thống tại vườm ươm học viện nông 
nghiệp cho thấy hệ thống hoạt động ổn định. 
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 
2.1. Thiết kế phần cứng 
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống thu thập và điều khiển các thông số môi trường 
Hình 1 thể hiện sơ đồ khối hệ thống thu thập và điều 
khiển các thông số môi trường được nhóm nghiên cứu xây 
dựng. Dữ liệu môi trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không 
khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng được thu thập qua nút 
cảm biến và truyền về thiết bị xử lý trung tâm. Sau đó dữ liệu 
được truyền lên server qua kết nối Ethernet sử dụng phương 
thức giao tiếp MQTT. Người dùng có thể theo dõi các thông 
số môi trường qua ứng dụng được cài đặt trên điện thoại 
android và ra lệnh điều khiển bật tắt các thiết bị, cơ cấu chấp 
hành như bơm, đèn, quạt thông gió Giao tiếp giữa nút 
cảm biến, nút điều khiển chấp hành với thiết bị xử lý trung 
tâm sử dụng công nghệ truyền thông LORA. Module truyền 
thông LORA RA-02 được sử dụng trong hệ thống. 
 Thông số kỹ thuật nút cảm biến 
Hình 2a thể hiện sơ đồ khối nút cảm biến được chế tạo. 
Trong thiết kế này, vi điều khiển ATMEGA 328P-AU được 
lựa chọn làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị. Dữ liệu nhiệt 
độ, độ ẩm không khí được thu thập thông qua cảm biến độ 
ẩm DHT11. Cảm biến giao tiếp với MCU qua chuẩn giao 
tiếp 1 dây. Dải đo độ ẩm: 20 - 95% (sai số ±5%); 
ATMEGA
328P-AU
3 Pin AA
3.3 VDC
(TLV1117 
– 3.3LV)
ADC
GPIO
SPI
3.3VDC
LORA 
RA-02
Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến DHT 11
Cảm biến ánh sáng 
BH1750
I2C
(a) 
(b) 
Hình 2. a) sơ đồ khối nút cảm biến; b) hình ảnh sản phẩm nút cảm biến 
Dải đo nhiệt độ: 0 - 50oC (sai số ±2ºC). Cường độ ánh 
sáng được đo bởi cảm biến BH1750 với dải đo từ 0 đến 
65535 lux. Giao tiếp giữa BH1750 với MCU thông qua giao 
thức I2C. Cảm biến độ ẩm đất được sử dụng hoạt động 
theo nguyên lý điện dẫn. Khi độ ẩm đất thay đổi, dẫn đến 
điện trở đầu ra của cảm biến thay đổi. Hình 2b thể hiện 
hình ảnh sản phẩm nút cảm biến sau khi chế tạo. 
 Thông số kỹ thuật nút điều khiển thiết bị chấp hành 
(a) 
(b) 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 29
(c) (d) 
Hình 3. a) sơ đồ khối nút điều khiển thiết bị chấp hành; b) hình ảnh sản 
phẩm sau khi hoàn thành; c) hình ảnh lắp đặt thiết bị chấp hành trong tủ điều 
khiển; d) hình ảnh hoàn thiện tủ điều khiển 
Trong nhà lưới, chúng ta thường sử dụng các hệ thống 
đèn chiếu sáng kích thích sinh trưởng, hệ thống bơm tưới 
để duy trì độ ẩm cần thiết cho cây. Từ nhu cầu đó, hình 3a 
thể hiện sơ đồ khối 01 nút điều khiển cơ cấu chấp hành. 
Thiết bị nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung 
tâm thông qua truyền thông LORA RA-02. Vi xử lý ATMEGA 
328P-AU được lựa chọn làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị. 
Rơ le SRD-05VDC 10A được sử dụng để làm tín hiệu điều 
khiển cho hệ thống khởi động từ điều khiển bơm, quạt, 
đèn... Kết quả chế tạo thiết bị điều khiển chấp hành và đấu 
nối trong tủ điều khiển được thể hiện ở hình 3b, 3c, 3d 
 Thông số kỹ thuật bộ điều khiển trung tâm 
Trong hệ thống thu thập và điều khiển các thông số 
môi trường trong nhà lưới, bộ điều khiển trung tâm có vai 
trò quan trọng. Bộ điều khiển trung tâm có chức năng điều 
khiển hoạt động của hệ thống mạng (cho phép kết nối, gia 
nhập mạng; quản lý kết nối trong mạng); thu nhận dữ liệu 
từ các nút cảm biến, nút điều khiển. Bộ điều khiển truyền 
dữ liệu lên server và nhận lệnh điều khiển từ ứng dụng cài 
trên điện thoại thông qua chuẩn giao thức MQQTT. Hình 4a 
thể hiện sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm. 
ATEMEGA 
2560
Thời gian 
thực (DS1730)LORA RA-02
12VDC
5 VDC
(LM2596)
3.3 VDC
(TLV1117 – 
3.3)
I2C
SPI
3.3VDC
Module 
Ethernet
(W5100)
SPI
5 VDC
(a) 
(b) 
Hình 4. a) Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm; b) hình ảnh bộ điều khiển 
trung tâm sau khi chế tạo 
2.2. Phần mềm android 
Đóng vai trò giao tiếp giữa người dùng và phần cứng 
của hệ thống, ứng dụng di động phải đáp ứng được yêu 
cầu tiếp cận được với nhiều người dùng, dễ dàng sử dụng, 
có khả năng giao tiếp với phần cứng theo thời gian thực và 
có độ tin cậy cao. Nền tảng hệ điều hành Android được lựa 
chọn làm nền tảng xây dựng phiên bản đầu tiên của ứng 
dụng nhờ việc chiếm thị phần tới 88% thị trường hệ điều 
hành di động (tính tới cuối quý 2 - 2018) và dễ dàng tiếp 
cận với lập trình viên. Dữ liệu được lưu trữ trên cơ sở dữ liệu 
MongoDB thông qua một webserver được viết bằng 
Node.js. Điều này cho phép khả năng mở rộng điều chỉnh 
cấu trúc cơ sở dữ liệu dễ dàng hơn nhờ tính linh hoạt của 
hệ cơ sở dữ liệu MongoDB, đồng thời webserver Node.js 
cũng cho phép rất nhiều truy cập cùng lúc nhờ bản chất 
đơn luồng bất đồng bộ. Webserver được kết nối với ứng 
dụng qua giao thức TCP Socket, đóng vai trò như chiếc cầu 
nối tiếp nhận tất cả các bản tin được gửi thông qua giao 
thức MQTT từ gateway tới ứng dụng hoặc ngược lại. Theo 
đó, nội dung các bản tin được phân tách thành các thành 
phần dữ liệu tương ứng được webserver xử lý sau đó mới 
gửi lệnh hiển thị cho ứng dụng. Điều này giúp cập nhật cơ 
sở dữ liệu ngay cả khi ứng dụng không hoạt động. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công phần cứng và 
phần mềm cho hệ thống thu thập và điều khiển các thông 
số môi trường (hình 2b, 3b, 4b). Nhóm đã tiến hành xây 
dựng kịch bản thử nghiệm, đánh giá hoạt động của hệ 
thống về các thông số thời gian truyền, khoảng cách hoạt 
động và tính ổn định. 
3.1. Ảnh hưởng của băng thông, hệ số trải phổ tới thời 
gian truyền bản tin 
 Kịch bản thử nghiệm 
Thời gian truyền bản tin là tham số quan trọng để đánh 
giá và thiết lập hệ thống cảm biến không dây. Trong thử 
nghiệm này, nhóm xây dựng mô hình thử nghiệm như 
Hình 5. Tiến hành khảo sát thời gian truyền bản tin có kích 
thước 5bytes và 10byte khi thay đổi độ rộng băng thông ở 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 50.2019 30
KHOA HỌC
các giá trị: 62,5kHz, 125kHz, 250kHz, 500kHz và cố định hệ 
số SF = 7. Sau đó, giữ nguyên BW = 250kHz và thay đổi các 
tham số SF lần lượt từ 7 đến 12 
Hình 5. Mô hình thử nghiệm thời gian truyền bản tin 
 Kết quả 
Bảng 1 và 2 lần lượt thể hiện ảnh hưởng của băng 
thông và hệ số trải phổ đến thời gian truyền bản tin trong 
hệ thống LORA. Qua kết quả đo bảng 1 ta thấy, thời gian 
truyền tỉ lệ nghịch với độ rộng băng thông. Khi băng thông 
càng lớn, thời gian truyền càng ngắn. Ngược lại, khi tăng hệ 
số trải phổ, thì thời gian truyền bản tin càng tăng (bảng 2). 
Điều này phù hợp với lý thuyết về thời gian truyền được[10] 
Bảng 1. Ảnh hưởng của băng thông tới tốc độ truyền 
Độ rộng 
băng thông 
BW (kHz) 
Hệ số trải phổ (SF) 
5 bytes 10 bytes 
Thời gian 
truyền (ms) 
Thời gian 
truyền (ms) 
62.5 7 63,13 73,48 
125 7 32,11 37,36 
250 7 16,63 19,37 
500 7 8,92 10,37 
Bảng 2. Ảnh hưởng của hệ số trải phổ đến thời gian truyền 
Độ rộng 
băng thông 
BW (kHz) 
Hệ số trải phổ 
(SF) 
5 bytes 10 bytes 
Thời gian 
truyền (ms) 
Thời gian 
truyền (ms) 
250 7 16,63 19,37 
250 8 32,10 37,34 
250 9 53,85 63,19 
250 10 104,56 125,18 
250 11 158,27 249,05 
250 12 414,83 496,89 
3.2. Thử nghiệm khoảng cách truyền nhận trong đô thị 
 Kịch bản thử nghiệm 
Trong kịch bản này, bộ điều khiển trung tâm được đặt 
tại tầng 14 tòa A4 Trần Đăng Ninh. Anten sử dụng cho bộ 
điều khiển trung tâm là anten dây, có độ lợi 3,5 dBi và được 
gắn ra ngoài lan can phòng. Nút cảm biến sử dụng anten 
có độ lợi 3,5 dBi và di chuyển đến các địa điểm định sẵn để 
thử nghiệm. 
 Kết quả 
Hình 6 thể hiện kết quả thử nghiệm khoảng cách truyền 
được nhóm nghiên cứu thu thập lại. Kết quả cho thấy 
khoảng cách truyền xa nhất (3,9km) đạt được ở vị trí B khi 
cấu hình tham số SF = 12, BW = 250kHz. Khi giảm hệ số trải 
phổ xuống SF = 10, khoảng cách truyền giảm xuống còn 
3,5km. Khi gặp môi trường thử nghiệm có vật cản lớn 
(trong thử nghiệm này là tòa nhà Keangnam Hanoi) thì 
nhận thấy, ở vị trí điểm C dữ liệu vẫn nhận được bình 
thường tuy nhiên khi đến vị trí đểm D thì dữ liệu không còn 
ổn định. 
Hình 6. Hình ảnh googlemap các địa điểm di chuyển nút cảm biến trong quả 
trình thử nghiệm 
3.3. Thử nghiệm hoạt động của hệ thống tại vườn ươm 
học viện nông nghiệp 
 Kịch bản thử nghiệm 
Nhóm tiến hành lắp đặt hệ thống thử nghiệm tại khu 
vườn ươm Học viện Nông nghiệp (hình 7). Bộ trung tâm 
được đặt tại tầng 4 khu ký túc xá C2. Tiến hành thử nghiệm 
thu thập các thông số môi trường và điều khiển đóng cắt 
thiết bị thông qua phần mềm được cài đặt trên điện thoại 
Android. 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 31
Hình 7. Thử nghiệm hệ thống tại khu vực vườn ươm, học viện nông nghiệp 
 Kết quả 
Hình 8. Kết quả hiển thị trên phần mềm 
Hình 8 thể hiện thông số thu thập được từ nút cảm biến 
và hiển thị trên phần mềm. Chức năng điều khiển nút cơ cấu 
chấp hành cũng hoạt động ổn định. Khi bật rơ le điều khiển 
thiết bị, người dùng phải cập nhật thời gian tắt để tránh tình 
trạng quên điều khiển tắt thiết bị hoặc mất kết nối. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã trình bày được thiết kế chế tạo, thử nghiệm 
thành công hệ thống mạng cảm biến và điều khiển không 
dây LORA sử dụng cho bài toán nông nghiệp. Kết quả thử 
nghiệm cho thấy, trong điều kiện đô thị, khoảng cách đạt 
được từ 500m - 3,9km tùy theo các thông số cài đặt và khu 
vực lắp đặt có nhiều hay ít nhà cao tầng che chắn. Kết quả 
bài báo cho thấy, công nghệ LORA rất phù hợp cho những 
bài toán liên quan đến IoT như đô thị thông minh, nông 
nghiệp thông minh. Tuy nhiên, bài báo còn một số hạn chế 
như chưa thử nghiệm được nhiều đối với môi trường ngoài 
đô thị có ít nhà cao tầng; chưa đo và khảo sát được công 
suất phát thực tế của thiết bị. Trong thời gian tới, nhóm sẽ 
tiếp tục thực hiện thêm các kịch bản thử nghiệm và hoàn 
thiện hơn phần ứng dụng để có thể cài đặt trên các điện 
thoại có hệ điều hành IOS, Windowphone. 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi đề tài cấp cơ sở "Nghiên 
cứu ứng dụng công nghệ truyền thông Lora cho giám sát 
và hỗ trợ điều khiển tập trung trong trồng trọt” thuộc 
Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Mare Srbinovska, Cvetan Gavrovski, Vladimir Dimcev, Aleksandra 
Krkoleva, Vesna Borozan, 2015. “Environmental parameters monitoring in 
precision agriculture using wireless sensor networks”. Journal of Cleaner 
Production, Volume 88, pp 297-307 
[2]. J.M. Barcelo-Ordinas, J.P. Chanet, K.M. Hou, J. García-Vidal, 2013. “A 
survey of wireless sensor technologies applied to precision agriculture, in: Precision 
Agriculture'13”. Wageningen Academic Publishers, pp. 801-808. 
[3]. Phạm Mạnh Toàn, 2016. “Nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ thống giám 
sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính nông nghiệp dựa trên công nghệ mạng không 
dây wifi”. Tạp chí KH-CN Nghệ An, số 8, pp 9-12. 
[4]. Lê Đình Tuấn, Thái Doãn Ngọc, 2013. “Xây dựng mạng cảm biến không 
dây trong nông nghiệp chính xác”. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, P 
115-122. 
[5]. Mare Srbinovska, Cvetan Gavrovski, Vladimir Dimcev, Aleksandra 
Krkoleva, Vesna Borozan, 2014. “Environmental parameters monitoring in 
precision agriculture using wireless sensor networks”. Journal of Cleaner 
Production , pp 1-11. 
[6]. Nguyễn Văn Thuật, 2016. “Internet of things và các công nghệ kết nối”. 
Công nghệ Thông tin và Truyền thông, số 10, pp51-56 
[7]. “A technical overview of LoRa® and LoRaWAN™”, LoRa® Alliance, 2015. 
[8]. Ly Lan, (2016), “LoRa: Giải pháp cho triển khai mạng IoT”, Công nghệ 
Thông tin và Truyền thông, số 10, pp 57-59 
[9]. [Online]. Available: https://www.uit.edu.vn/sinh-vien-che-tao-thiet-bi-
ho-tro-cuu-nan-ngu-dan, [Truy cập 16 04 2017] 
[10]. “SX1272/3/6/7/8: LoRa Modem Designer’s Guide, AN1200.13”, 
Semtech Corporation, 2013.