Tóm tắt: Với tốc độ phát triển nhanh chóng của mô hình Internet of Things (IoT), một công nghệ quan trọng xuất hiện trong lĩnh vực nghiên cứu giúp giao tiếp không dây giữa các thiết bị đạt hiệu suất cao hơn, nó được gọi là mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN). LPWAN gồm nhiều công nghệ nhưng có 4 công nghệ chính là LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M. Các công nghệ này đã được đưa vào thực hiện tại các quốc gia và vùng lãnh thổ khác nhau. Đặc biệt, công nghệ Sigfox có nhiều ưu điểm vượt trội là một công nghệ hứa hẹn được phát triển để vượt qua những thách thức về ứng dụng IoT.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về công nghệ Sigfox và ý nghĩa của nó trong công nghệ kết nối.

Công nghệ Sigfox là gì?

Sigfox là một giao tiếp không dây di động tầm xa cung cấp các giải pháp tùy chỉnh chủ yếu cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) và M2M thông lượng thấp bằng cách tận dụng các dịch vụ kết nối IoT đầu cuối sử dụng các công nghệ đã được cấp bằng sáng chế. Giao thức mạng Sigfox có các trạm gốc được tích hợp với các radio do phần mềm xác định. Các thiết bị cuối sử dụng điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) để kết nối với các trạm gốc.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về công nghệ Sigfox và ý nghĩa của nó trong công nghệ kết nối.

Sigfox sử dụng khóa dịch pha nhị phân vi sai (DBPSK) và khóa dịch chuyển tần số Gaussian (GFSK) cho phép giao tiếp bằng băng tần vô tuyến ISM Công nghiệp, Khoa học và Y tế sử dụng tần số 868MHz ở Châu Âu và 902MHz ở Mỹ. Sigfox sử dụng một tín hiệu có phạm vi rộng truyền tự do qua các vật thể rắn, được gọi là “Ultra Narrowband” và cần ít năng lượng, được gọi là “mạng diện rộng năng lượng thấp” (LPWAN). Mạng này dựa trên cấu trúc liên kết hình sao một bước và yêu cầu một nhà khai thác di động thực hiện lưu lượng đã tạo.

Sigfox đã hợp tác với một số công ty trong ngành LPWAN như Texas Instruments, Silicon Labs và ON Semiconductor. Các băng tần vô tuyến ISM (công nghiệp, khoa học và y tế) hỗ trợ giao tiếp hai chiều hạn chế. Tiêu chuẩn hiện tại cho truyền thông Sigfox hỗ trợ lên đến 140 tin nhắn đường lên mỗi ngày, mỗi tin nhắn có thể mang tải trọng 12 octet với tốc độ dữ liệu lên đến 100 bit mỗi giây.

Quá trình phát triển

Sigfox là nhà điều hành mạng toàn cầu của Pháp được thành lập vào năm 2010.

Năm 2015, Sigfox đã có mặt trên 12 quốc gia và trong năm 2016, số quốc gia đã tăng gấp ba lần.

Năm 2017, 45 quốc gia đã tham gia vào mạng công nghệ Sigfox. Năm 2017 được đánh dấu bằng sự tăng trưởng mạnh mẽ của công ty Pháp. Số lượng đối tượng được kết nối với mạng Sigfox đã tăng 65% trong năm 2017.

Vào năm 2018, Sigfox có kế hoạch tiếp tục tận dụng sức mạnh của dữ liệu được thu thập trên mạng của mình, với mục tiêu tiếp cận 60 quốc gia và hơn một tỷ người trên toàn thế giới. Công ty cũng có kế hoạch kết nối tới 6 triệu đối tượng vào cuối năm nay, với tham vọng dài hạn là định vị mình là nhà cung cấp dữ liệu B2B chủ chốt.

Năm 2019, Sigfox chính thức phủ sóng toàn cầu với 70 quốc gia tham gia mạng này (30 triệu tin nhắn được gửi mỗi ngày, 5.3 triệu km2 phủ sóng, 1.2 tỷ người, 16.2 triệu thiết bị đã đăng ký).

Quá trình phát triển của Sigfox từ 2015 đến 2019 (Nguồn: Sigfox)

Nguyên tắc công nghệ Sigfox 

Băng tần siêu hẹp (UNB)

Sigfox đang sử dụng 192KHz của băng tần công khai để trao đổi tin nhắn qua mạng. Tín hiệu được điều chế bằng băng tần siêu hẹp. Mỗi thông báo có độ rộng 100 Hz và được truyền với tốc độ dữ liệu 100 hoặc 600 bit mỗi giây tùy thuộc vào khu vực. Đây là điều cho phép các trạm gốc Sigfox liên lạc với nhau trong khoảng cách xa mà không bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn.

Truy cập ngẫu nhiên

Truy cập ngẫu nhiên là một tính năng chính để đạt được chất lượng dịch vụ cao. Đường truyền giữa mạng và thiết bị là không đồng bộ. Thiết bị phát mỗi tin 3 lần trên 3 tần số khác nhau (gọi là nhảy tần). Các trạm gốc giám sát phổ và tìm kiếm các tín hiệu UNB để giải điều chế.

Tiếp nhận hợp tác

Một thiết bị không được gắn vào một trạm gốc cụ thể nào đó như các giao thức di động. Bất kỳ trạm gốc nào trong phạm vi đều nhận được bản tin đã phát, trung bình là 3 bản tin.

Kích thước bản tin nhỏ

Để giải quyết các hạn chế về chi phí và quyền tự chủ của các đối tượng từ xa, Sigfox đã thiết kế một giao thức truyền thông cho các bản tin nhỏ. Kích thước bản tin từ 0 đến 12 byte. Tải trọng 12 byte là đủ để truyền dữ liệu cảm biến, trạng thái của một sự kiện như cảnh báo, tọa độ GPS hoặc thậm chí dữ liệu của ứng dụng. Một bản tin có trọng tải 12 byte mất 2,08 giây qua mạng với tốc độ 100 bps.

Các đặc điểm của mạng Sigfox

Dễ sử dụng

Vì là một mạng hoạt động, nên sẽ không có thiết bị mạng cục bộ cụ thể để cài đặt khi sử dụng Sigfox. Mạng luôn sẵn sàng để sử dụng.

Ngoài ra, ta không cần các nền tảng và công cụ phức tạp và đắt tiền để quản lý kết nối cho các thiết bị. Hơn thế, các API (giao diện lập trình ứng dụng) tích hợp thực sự dễ sử dụng và các ứng dụng quản lý được bao gồm trong gói kết nối.

Hoạt động tầm xa

Công nghệ mạng Sigfox cho phép một phạm vi rất xa giữa các đối tượng và bộ thu phát, cho phép mạng dễ dàng bao phủ các khu vực rộng lớn và tiếp cận các đối tượng ngầm và bị chôn vùi.

Bên cạnh đó, Sigfox cho phép thâm nhập tốt hơn các mạng di động truyền thống như hệ thống toàn cầu cho di động (GSM), trong khi vẫn đảm bảo độ tin cậy cao và mức tiêu thụ thấp hơn hoàn toàn.

Tiêu thụ năng lượng thấp

Để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, mạng Sigfox chỉ được sử dụng khi đối tượng cần truyền tải. Nguyên tắc cơ bản này là lý do chính khiến các đối tượng sử dụng Sigfox tiêu thụ ít điện năng hơn so với các đối tượng sử dụng các giải pháp kết nối truyền thống.

Mức tiêu thụ điện năng tiêu thụ theo thời gian rõ ràng phụ thuộc vào số lượng tin nhắn được gửi và tần suất. Ví dụ, một đối tượng đo năng lượng thông minh truyền 3 tin nhắn mỗi ngày bằng pin 2,5 Ah. Các giải pháp hiện tại thường chỉ tồn tại trong nhiều tháng trong khi đồng hồ thông minh hỗ trợ Sigfox có thời gian hoạt động lên đến 20 năm.

Độc lập về tần số

Sigfox không bị ràng buộc với bất kỳ tần số cụ thể nào. Mạng có thể thích ứng với các tần số ISM (Công nghiệp, Khoa học và Y tế) khác nhau và do đó có sẵn trên toàn thế giới ngày nay, nhưng cũng có thể thích ứng với các tần số khác nếu cần, chẳng hạn như các băng tần được cấp phép hoặc “khoảng trắng”.

Chi phí vật tư thấp

Chi phí truyền thông của Sigfox hoàn toàn hấp dẫn hơn và hợp lý hơn cho hầu hết mọi trường hợp kinh doanh so với các giải pháp kết nối hiện có. Được bao gồm trong phí đăng ký hàng năm Sigfox cung cấp kết nối, giao diện lập trình ứng dụng (API), quản trị dựa trên web và hỗ trợ như một khoản phí trọn gói mà không có bất kỳ khoản phí bổ sung nào.

Kiến trúc mạng Sigfox

Mạng Sigfox có kiến ​​trúc theo chiều ngang và mỏng bao gồm 2 lớp chính. Lớp đầu tiên là lớp thiết bị mạng bao gồm các trạm gốc và các phần tử khác. Mục đích của lớp này là nhận bản tin từ thiết bị IoT, truyền chúng đến hệ thống hỗ trợ Sigfox Mạng này có cấu trúc liên kết hình sao một bước cho phép các thiết bị IoT kết nối với bất kỳ trạm gốc nào gần nó. Hệ thống hỗ trợ Sigfox là lớp thứ hai cấu thành mạng lõi chịu trách nhiệm xử lý các bản tin và gửi chúng thông qua các cuộc gọi lại đến hệ thống khách hàng. Lớp này cung cấp điểm vào của các tác nhân khác nhau như Sigfox, khách hàng cuối, nhà khai thác Sigfox và các kênh đến hệ sinh thái sử dụng giao diện web hoặc API. Lớp này cũng bao gồm các mô-đun và tính năng cần thiết để đảm bảo việc triển khai, vận hành và giám sát mạng. Bên cạnh đó, lớp này bao gồm kho lưu trữ và các công cụ để phân tích dữ liệu do mạng thu thập hoặc tạo ra. Internet công cộng kết nối hai lớp qua các kết nối VPN an toàn.

Kiến trúc mạng của Sigfox (Nguồn: Avnet)

Tổng quan về 3 công nghệ lớn LPWAN

Sigfox LoRaWAN NB-Iot
Mô-đun BPSK CSS QPSK
Tần số Dải ISM chưa được cấp phép Dải ISM chưa được cấp phép Băng tần LTE được cấp phép
Băng thông 100 Hz 250kHz and 125kHz 200 kHz
Tốc độ truyền lớn nhất 100 bps 50 kbps 200kbps
Tin nhắn được nhiều nhất mỗi ngày 140 (UL), 4 (DL) Vô hạn Vô hạn
Lượng trọng tải lớn nhất 12bytes (UL), 8bytes(DL) 243 bytes 1600 bytes
Về 2 chiều truyền Giới hạn/bán song công Vô hạn Vô hạn
Tầm xa 10km (thành thị), 40km (nông thôn) 5km (thành thị), 20km (nông thôn) 1km (thành thị), 10km (nông thôn)
Khả năng kháng nhiễu Rất cao Rất cao Thấp
Xác thực và mã hóa Có (mã hoá dữ liệu là tuỳ chọn) có (AES 128b) có (mã hóa LTE)

Ứng dụng công nghệ Sigfox

Về mặt cải thiện an ninh kho hàng, Sigfox cho phép các chủ doanh nghiệp bảo vệ cơ sở vật chất của họ với chi phí thấp và cũng giải quyết điểm yếu chính của hệ thống báo động – thời gian ngừng hoạt động do gây nhiễu vì nó có khả năng chống gây nhiễu, vì vậy bạn sẽ không phải lo lắng về bất kỳ nỗ lực nào của kẻ xâm nhập để làm nhiễu tín hiệu. Ngoài ra, không chỉ có lợi ích về an ninh kho hàng mà các ứng dụng khác như bảo quản thực phẩm hay theo dõi xe cộ đều có thể áp dụng mạng Sigfox. Hơn nữa, công nghệ Sigfox được thiết kế để tiêu thụ năng lượng thấp, có nghĩa là các thiết bị phát hiện sự hiện diện được kết nối có thể chạy trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm mà không cần thay pin.

Công nghệ Sigfox đặt ra lợi ích của việc theo dõi tài sản của bạn để tối ưu hóa chuyến tàu cung cấp vì nó đã phá vỡ các rào cản mà công nghệ theo dõi truyền thống gặp phải. Tính năng theo dõi tài sản hiện có giá cả phải chăng, dễ cài đặt và bảo trì và có sẵn trên toàn thế giới. Các thiết bị theo dõi có thể chạy trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm mà không cần thay pin và chúng hoạt động cả trong nhà và ngoài trời. Trình theo dõi truyền dữ liệu vị trí từ các đoàn container có thể trả lại, cũng như thông tin có giá trị về nơi ở của các chuyến giao hàng khác, bao gồm pallet, bưu kiện và xe đẩy. Điều này mang lại sự an toàn cho chuỗi giá trị, sự an tâm và hiệu quả.

Trong thị trường tiện ích ngày nay, hiệu quả là vua. Các giải pháp IoT hỗ trợ Sigfox mang đến một tùy chọn đáng tin cậy, thân thiện với người dùng cho kết nối lưới điện tiện ích. Các giải pháp này kết hợp tốt với tất cả các loại hoạt động quản lý tiện ích như giảm việc đọc đồng hồ tại chỗ tốn kém, cắt giảm các lần bảo trì không cần thiết, giám sát mạng lưới cấp nước và nước thải, khảo sát từ xa các cột điện hoặc thậm chí đọc mức độ bể chứa từ xa trong thời gian thực .

Như chúng ta đã biết, nhà thông minh và tòa nhà thông minh không còn là một khái niệm xa lạ trong thế giới hiện đại ngày nay nhưng mạng đáng tin cậy của Sigfox dành riêng cho IoT sẽ đưa khái niệm này lên một tầm cao mới nhờ có nhiều giải pháp tiên tiến từ đó. Trước hết, việc thu thập thông tin chi tiết theo thời gian thực về sự ổn định của cơ sở hạ tầng, sự xâm nhập của loài gặm nhấm, thu gom rác và hơn thế nữa chưa bao giờ dễ dàng hơn thế. Thứ hai, việc giám sát các hệ thống tòa nhà, truy tìm thiết bị hạng nặng và bảo đảm các tài sản có giá trị rất thuận lợi với các giải pháp plug-and-play không dây hoạt động tốt ở cả các tòa nhà lớn cũng như nhỏ và quan trọng hơn là chúng có chi phí thấp, tự chủ và linh hoạt.

Ứng dụng Sigfox cho nhà thông minh (Nguồn: Endless Wireless)

Các sản phẩm tiêu biểu sử dụng công nghệ Sigfox

Nhiệt kế, áp kế, ẩm kế không dây

Thiết bị này được sản xuất bởi Comet System. Nó đo nhiệt độ môi trường xung quanh, độ ẩm tương đối và áp suất khí quyển từ các cảm biến tích hợp bên trong. Các giá trị đo được hiển thị trên màn hình LCD và được gửi trong một khoảng thời gian có thể điều chỉnh được (10 phút đến 24 giờ) qua đường truyền vô tuyến trong mạng Sigfox tới kho dữ liệu đám mây. Thiết lập cảm biến được thực hiện bằng máy tính (cục bộ, bằng cáp truyền thông) hoặc từ xa thông qua giao diện web đám mây.

Đối với mỗi biến được đo, có thể đặt hai giới hạn cảnh báo. Báo động được phát tín hiệu bằng các ký hiệu trên màn hình LCD và gửi một tin nhắn vô tuyến đặc biệt đến mạng Sigfox, nơi nó được chuyển tiếp đến người dùng cuối qua e-mail.

Thiết bị được cung cấp năng lượng bởi pin Li bên trong có tuổi thọ phụ thuộc vào phạm vi truyền dẫn và nhiệt độ hoạt động và dao động từ 4 tháng đến 8 năm. Thông tin trạng thái pin được hiển thị trên màn hình và trong mỗi tin nhắn đã gửi.

Cảm biến IoT của Comet System

Thiết bị kiểm tra hiện trường

Thiết bị kiểm tra hiện trường – Xác thực mạng, trước khi triển khai giải pháp của bạn.

Thiết bị kiểm tra hiện trường Sigfox của Adeunis là một thiết bị cầm tay sẵn sàng sử dụng để thiết lập kết nối với bất kỳ mạng nào được vận hành bằng giao thức Sigfox. Nó cho phép truyền, nhận và hiển thị ngay lập tức các khung vô tuyến trong mạng được sử dụng.

Thiết bị kiểm tra hiện trường của mạng Sigfox công cộng hoặc riêng tư trước khi các đối tượng kết nối được sử dụng. Được trang bị màn hình LCD lớn, bạn có thể kiểm tra tất cả thông tin hoạt động (tọa độ GPS, nhiệt độ, pin …) và sử dụng mạng (đường lên, đường xuống, độ nhạy, tỷ lệ lỗi gói tin …). GPS siêu nhanh và chính xác của nó tối ưu hóa các hoạt động định vị địa lý.

Thiết bị này này đặc biệt thích hợp để xác nhận các ứng dụng như mạng cảm biến, theo dõi tài sản, tòa nhà thông minh, đo lường, bảo mật hoặc M2M. Với pin sạc tích hợp, nó cho phép sử dụng trong nhiều giờ và có thể được sạc lại bằng bất kỳ loại bộ sạc điện thoại di động nào.

Thiết bị kiểm tra hiện trường mạng Sigfox của Adeunis

Thiết bị thông minh hàng hải

IoT Marine là bạn đồng hành của du thuyền do IOT Solutions Ltd sản xuất. Đây là một thiết bị đơn giản cung cấp khả năng giám sát bơm nước/giây trên thuyền, điện áp pin của thuyền, vị trí địa lý của thuyền và sự xâm nhập của thuyền. Nó giúp giữ liên lạc trạng thái các thông số chính của du thuyền và được cảnh báo trên điện thoại di động của bạn qua SMS và email nếu có bất kỳ sự cố nào. Các cảm biến của IoT Marine bao gồm: nhiệt độ, nút, âm thanh, chuyển động, khói, dòng điện, điện áp, khí dễ cháy.

Thiết bị thông minh hàng hải của IoT Solutions

Cảm biến độ ẩm đất 

Cảm biến độ ẩm đất là cảm biến không dây Sigfox thiết kế mô-đun, được sản xuất bởi công ty Daviteq. Cảm biến gồm 2 phần: bộ cảm biến và bộ phát không dây. Nó có thể được sử dụng để đo độ ẩm của đất, phân bón và xói mòn đất. Với thiết kế năng lượng cực thấp và phần mềm cơ sở thông minh cho phép cảm biến có thể kéo dài đến 10 năm với một pin C.

Cảm biến độ ẩm sử dụng kỹ thuật đo Frequency Domain để mang lại kết quả đo chính xác và ổn định cao. Giá trị độ ẩm không bị ảnh hưởng bởi hàm lượng phân bón và nhiệt độ như các cảm biến độ ẩm điện dung đơn giản khác trên thị trường. Cảm biến sẽ truyền dữ liệu ở khoảng cách hàng km đến các trạm Sigfox. Các ứng dụng tiêu biểu của cảm biến này là trang trại thông minh, nông nghiệp thông minh, hệ thống tưới tiêu tự động, đo chất lượng đất, giám sát xói mòn đất,…

Cảm biến độ ẩm đất của Daviteq

Kết luận

Không có một thước đo nào thực sự phù hợp với tất cả công nghệ LPWAN vì mỗi công nghệ đều có ưu và nhược điểm riêng và Sigfox cũng không ngoại lệ. Nhìn chung, công nghệ được sử dụng bởi Sigfox đóng góp một mạng lưới thông tin liên lạc tầm xa, công suất thấp, năng lượng thấp với khả năng bảo vệ tuyệt vời khỏi sự can thiệp của môi trường cho phép dữ liệu đến được nhiều ứng dụng một cách hiệu quả. Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này. nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi tại Email: info@daviteq.com

Reference 

https://en.wikipedia.org/wiki/Sigfox

https://www.sigfox.com

https://www.businesswire.com/news/home/20180214005898/en/Sigfox-Presents-2017-Results-2018-Roadmap

https://lafibre.info/images/3g/201302_sigfox_whitepaper.pdf

https://www.avnet.com/wps/wcm/connect/onesite/03aebfe2-98f7-4c28-be5f-90638c898009/sigfox-technical-overview.pdf?MOD=AJPERES&CVID=magVa.N&CVID=magVa.N&CVID=magVa.N

https://partners.sigfox.com/products/iot-sensor

https://partners.sigfox.com/products/field-test-device-sigfox-868

https://partners.sigfox.com/products/marine-smart-hub-rc1

https://www.daviteq.com/en/?prd=wireless-sensors-actuators_WSSFC-SMT_sigfox-soil-moisture-sensor