Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống xã hội và hoạt động sản xuất kinh doanh hiện đại, nhu cầu tiếp cận và truyền tải thông tin quảng cáo, thông báo đóng vai trò thiết yếu. Các hình thức truyền thông truyền thống như báo in, truyền hình, tờ rơi, áp phích dần bộc lộ hạn chế về tính linh hoạt và khả năng cập nhật nội dung. Trong khi đó, hệ thống bảng thông tin điện tử (quang báo) mang lại hiệu quả thị giác trực quan, sinh động tại các khu vực công cộng như nhà sách, sân bay, nhà ga và đường phố đô thị. Tuy nhiên, việc thay đổi nội dung trên các bảng LED truyền thống thường đòi hỏi kết nối vật lý phức tạp hoặc máy tính cồng kềnh. Từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã lựa chọn hướng nghiên cứu: "Thiết kế và thi công hệ thống bảng LED Matrix điều khiển bằng App Android".

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng và phần mềm hệ thống bảng LED ma trận; cho phép hiển thị chữ tiếng Việt có dấu, hình ảnh tĩnh, ảnh động, hiệu ứng đồ họa, video clip ngắn, đồng hồ thời gian thực, cũng như thông số nhiệt độ và độ ẩm môi trường; toàn bộ dữ liệu hiển thị được điều khiển và cập nhật không dây thông qua mạng Wi-Fi từ ứng dụng di động trên hệ điều hành Android.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản phân định thành 9 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu các module LED P5 sử dụng cho bảng thông báo.
  2. Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về bo mạch NodeMCU ESP8266 và giao tiếp không dây.
  3. Nghiên cứu xây dựng ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android.
  4. Xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển bảng LED Matrix.
  5. Thiết kế và tính toán mạch phần cứng cho toàn bộ thiết bị.
  6. Thi công phần cứng, tiến hành thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống mạch.
  7. Thử nghiệm toàn diện, tối ưu hóa chương trình điều khiển và đánh giá các thông số vận hành thực tế của mô hình so với tính toán lý thuyết.
  8. Biên soạn báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp.
  9. Bảo vệ đề tài trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Module hiển thị LED ma trận P5 Full Color, vi điều khiển ARM Cortex-M7 STM32H743XI, module truyền thông Wi-Fi NodeMCU ESP8266, cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và ứng dụng điều khiển di động trên nền tảng Android.
  • Phạm vi giới hạn phần cứng: Hệ thống sử dụng 16 module LED P5 ghép nối tạo thành màn hình hiển thị có kích thước 256x128 điểm ảnh (pixel). Ứng dụng điều khiển được thiết kế chạy trên hệ điều hành di động Android. Dữ liệu truyền nhận giữa điện thoại và bảng LED được thực hiện qua mạng không dây cục bộ. Đề tài do sinh viên Trần Châu Phong và Nguyễn Minh Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh, hoàn thành vào tháng 6 năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nền tảng lý thuyết truyền thông, kỹ thuật vi xử lý và phương pháp quét hiển thị điện tử chuyên dụng trong kỹ thuật nhúng:

  • Mạng không dây Wi-Fi: Hoạt động dựa trên chuẩn IEEE 802.11 b/g/n ở băng tần 2.4 GHz, đảm bảo khả năng truyền dữ liệu khoảng cách ngắn giữa thiết bị cầm tay và trạm thu phát của hệ thống.
  • Giao thức truyền dữ liệu UDP (User Datagram Protocol): Là giao thức tầng giao vận thuộc bộ giao thức TCP/IP, hoạt động theo cơ chế phi kết nối (connectionless), không thực hiện bắt tay hay kiểm tra thứ tự gói tin. Việc lựa chọn UDP giúp tối ưu hóa tốc độ truyền tải gói tin datagram ngắn, giảm thiểu độ trễ thời gian thực khi truyền phát các khung hình ảnh, hiệu ứng động và lệnh điều khiển từ ứng dụng Android sang bộ thu Wi-Fi.
  • Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ được sử dụng để trao đổi dữ liệu hai chiều giữa vi điều khiển trung tâm STM32H743XI và module Wi-Fi ESP8266. Khung truyền dữ liệu bao gồm Start bit, các bit dữ liệu (truyền bit LSB trước, MSB sau), bit kiểm tra chẵn/lẻ (Parity) và Stop bit, vận hành tại tốc độ truyền (baud rate) được cấu hình đồng bộ giữa hai vi xử lý.
  • Chuẩn giao tiếp 1 dây (1-Wire): Được ứng dụng để giao tiếp giữa cảm biến DHT11 và module thu thập dữ liệu ESP8266 qua một đường dây tín hiệu có điện trở kéo lên nguồn (pull-up resistor). Chuẩn giao tiếp này phân định thời gian dựa trên các khe thời gian (time slot) tiêu chuẩn 60 µs:
    • Tín hiệu Reset/Presence: Vi điều khiển master kéo đường truyền xuống mức thấp tối thiểu 480 µs rồi nhả bus; cảm biến slave phản hồi bằng cách kéo mức thấp trong 60 µs.
    • Thao tác ghi bit 1: Master kéo bus xuống thấp từ 1 đến 15 µs rồi nhả đường truyền.
    • Thao tác ghi bit 0: Master duy trì bus ở mức thấp từ 60 đến 120 µs.
    • Thao tác đọc bit: Master kéo bus xuống thấp từ 0 đến 15 µs, sau đó lấy mẫu trạng thái tín hiệu tại thời điểm 15 µs.
  • Phương pháp quét hiển thị Module LED Matrix P5 RGB: Module P5 tích hợp 24 vi mạch ghi dịch 16-bit ICN2028BP, 2 vi mạch đệm dòng ICN74HC245TS và 4 vi mạch giải mã dòng quét ICN2012. Quá trình quét hiển thị áp dụng tỷ lệ quét 1/16 scan:
    • Màn hình 32x64 điểm ảnh trên mỗi tấm được chia thành hai nửa (16 hàng trên và 16 hàng dưới). Tại một thời điểm ngắt quét, 4 chân địa chỉ A, B, C, D qua bộ giải mã ICN2012 sẽ kích hoạt đồng thời 2 hàng (ví dụ: hàng 0 và hàng 16, hàng 1 và hàng 17, cho đến hàng 15 và hàng 31).
    • Tín hiệu CLK cấp xung đẩy nối tiếp 64 bit dữ liệu cho mỗi hàng; tín hiệu OE tích cực mức cao để điều khiển mở sáng hàng và thực hiện băm xung PWM điều chỉnh độ sáng; tín hiệu LAT chốt dữ liệu ngõ ra từ các IC ghi dịch.
    • Dữ liệu màu sắc được truyền đồng thời qua 6 đường song song: R1, G1, B1 (cho nửa màn hình trên) và R2, G2, B2 (cho nửa màn hình dưới).
  • Thuật toán quản lý bộ đệm trong vi điều khiển: Bộ nhớ STM32H743XI xây dựng hai tầng bộ đệm dữ liệu:
    • Bộ đệm nhận dữ liệu (DATA IN): Mảng 3 chiều [Màu][Hàng][Cột]. Mỗi màu cơ bản đỏ, xanh lá, xanh dương nhận giá trị từ 0 đến 255 (8-bit), cho phép pha trộn $255 \times 255 \times 255 = 16.581.375$ trạng thái màu sắc.
    • Bộ đệm xuất dữ liệu (DATA OUT): Mảng 3 chiều [Hàng][Điều khiển màu][Xuất giá trị]. Chiều hàng có kích thước 16 tương ứng với chu kỳ quét 1/16. Các giá trị bit màu R, G, B được tái cấu trúc thành các byte định dạng 00R1R2G1G2B1B2, xuất trực tiếp ra các cổng I/O song song tương ứng với nhịp ngắt timer.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, gồm 6 khối chức năng chính: Khối App Android, Khối thu thập và xử lý dữ liệu, Khối xử lý trung tâm, Khối nhiệt độ và độ ẩm, Khối hiển thị và Khối nguồn công suất.

+-------------------------------------------------------------+
|                      KHỐI APP ANDROID                       |
|   (Giao diện điều khiển di động: Chữ, Ảnh, Video, Cài đặt)  |
+------------------------------+------------------------------+
                               | Sóng Wi-Fi (Giao thức UDP)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|              KHỐI THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU                 |
|             (Kit vi điều khiển NodeMCU ESP8266)             |
+---------------+-----------------------------+---------------+
                | Giao tiếp 1-Wire            | Chuẩn UART (TX/RX)
                v                             v
+-------------------------------+   +-------------------------+
|   KHỐI NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM     |   |   KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM  |
|       (Cảm biến DHT11)        |   |    (Bo STM32H743XI)     |
+-------------------------------+   +------------+------------+
                                                 | Tín hiệu quét LED
                                                 | (A,B,C,D,LAT,OE,CLK,DATA)
                                                 v
+-------------------------------+   +-------------------------+
|          KHỐI NGUỒN           |   |      KHỐI HIỂN THỊ      |
| (2 bộ nguồn tổ ong 5V - 40A)  |-->| (16 Module LED P5 RGB,  |
| Cấp toàn bộ hệ thống phần cứng|   |   độ phân giải 256x128) |
+-------------------------------+   +-------------------------+

Thông số kỹ thuật các linh kiện nền tảng

Khối chức năng Linh kiện sử dụng Thông số kỹ thuật cơ bản
Xử lý trung tâm STM32H743XI Lõi ARM Cortex-M7 32-bit RISC, xung nhịp 400 MHz; bộ nhớ Flash 2048 KB, RAM 1024 KB (192 KB TCM, 864 KB SRAM, 4 KB backup SRAM); 168 chân I/O; tích hợp DSP, MPU; điện áp hoạt động 3.3V qua hạ áp ASM1117.
Thu thập dữ liệu NodeMCU ESP8266 Chip ESP8266EX, Flash 4 MB, Wi-Fi 2.4 GHz chuẩn 802.11 b/g/n; điện áp hoạt động 3.3V, ngõ vào 5V qua Micro USB; 11 chân I/O; tích hợp TCP/IP; giao tiếp UART với STM32H7.
Cảm biến đo đạc DHT11 Điện áp 3V – 5V DC; dải đo độ ẩm 20% – 90% RH (sai số ±5% RH); dải đo nhiệt độ 0°C – 50°C (sai số ±2°C); tần số lấy mẫu cực đại 1 Hz; cự ly truyền tối đa 20m; kết nối chân D4 ESP8266.
Hiển thị ma trận 16 Module LED P5 Kích thước mỗi tấm 16 cm x 32 cm, khoảng cách điểm ảnh 5 mm; độ phân giải mỗi tấm 32x64 pixel; tỷ lệ quét 1/16 scan; góc nhìn ngang 110°, góc nhìn dọc 60°; độ sáng > 3500 nits; chống nước IP43.
Nguồn công suất Nguồn tổ ong (02 bộ) Điện áp vào 110V/220V AC (50/60 Hz); điện áp ngõ ra 5V DC; dòng định mức 40A; công suất 200W/bộ; tích hợp mạch bảo vệ quá tải, quá áp, ngắn mạch; tiêu chuẩn CCC, FCC, CE.

Đấu nối tín hiệu điều khiển hiển thị

Hệ thống ghép nối 16 tấm LED P5 thành 4 hàng, mỗi hàng gồm 4 tấm mắc nối tiếp thông qua các đầu nối DATA-IN và DATA-OUT, tạo thành bảng hiển thị có độ phân giải $128 \times 256 \times 3 = 98.304$ điểm ảnh LED (tương đương 32.768 bóng LED RGB). Các đường tín hiệu điều khiển từ STM32H743XI được phân bổ qua các chân GPIO như sau:

Chân trên STM32H743 Chân trên Module P5 Chức năng tín hiệu
PA0, PA1, PA2, PA3 A, B, C, D 4 đường giải mã địa chỉ chọn cặp hàng quét
PA4 LAT Xung chốt dữ liệu ngõ ra hiển thị
PA5 OE Cho phép hiển thị hàng và điều chế độ sáng PWM
PB15 CLK Xung đồng hồ dịch dữ liệu nối tiếp
PB0, PB2, PB4 R1_PIN1, G1_PIN1, B1_PIN1 Dữ liệu màu dãy trên - Khối 1
PB1, PB3, PB5 R2_PIN1, G2_PIN1, B2_PIN1 Dữ liệu màu dãy dưới - Khối 1
PB6, PB8, PB13 R1_PIN2, G1_PIN2, B1_PIN2 Dữ liệu màu dãy trên - Khối 2
PB7, PB9, PB14 R2_PIN2, G2_PIN2, B2_PIN2 Dữ liệu màu dãy dưới - Khối 2
PC1, PC3, PC5 R1_PIN3, G1_PIN3, B1_PIN3 Dữ liệu màu dãy trên - Khối 3
PC2, PC4, PC6 R2_PIN3, G2_PIN3, B2_PIN3 Dữ liệu màu dãy dưới - Khối 3
PC7, PC9, PC11 R1_PIN4, G1_PIN4, B1_PIN4 Dữ liệu màu dãy trên - Khối 4
PC8, PC10, PC12 R2_PIN4, G2_PIN4, B2_PIN4 Dữ liệu màu dãy dưới - Khối 4

Bảng trạng thái quét hàng theo 4 chân địa chỉ

Chân D Chân C Chân B Chân A Hàng tích cực đồng thời
0 0 0 0 Hàng 0 và Hàng 16
0 0 0 1 Hàng 1 và Hàng 17
0 0 1 0 Hàng 2 và Hàng 18
0 0 1 1 Hàng 3 và Hàng 19
0 1 0 0 Hàng 4 và Hàng 20
0 1 0 1 Hàng 5 và Hàng 21
0 1 1 0 Hàng 6 và Hàng 22
0 1 1 1 Hàng 7 và Hàng 23
1 0 0 0 Hàng 8 và Hàng 24
1 0 0 1 Hàng 9 và Hàng 25
1 0 1 0 Hàng 10 và Hàng 26
1 0 1 1 Hàng 11 và Hàng 27
1 1 0 0 Hàng 12 và Hàng 28
1 1 0 1 Hàng 13 và Hàng 29
1 1 1 0 Hàng 14 và Hàng 30
1 1 1 1 Hàng 15 và Hàng 31

Tính toán công suất và thiết kế khối nguồn

  • Bảng LED gồm tổng cộng 32.768 bóng LED RGB. Về mặt lý thuyết, dòng điện tiêu thụ định mức của mỗi LED khi sáng cực đại là 20 mA tại điện áp 5V, tương đương công suất tiêu thụ của 1 LED là: $$P_{\text{LED}} = 20\text{ mA} \times 5\text{ V} = 0,1\text{ W}$$
  • Nếu toàn bộ 32.768 bóng LED cùng sáng cực đại liên tục, tổng công suất tiêu thụ lý thuyết sẽ đạt: $$P_{\text{max}} = 32.768 \times 0,1\text{ W} = 3.276,8\text{ W}$$
  • Tuy nhiên, do module P5 vận hành theo phương pháp quét 1/16 chu kỳ, tại mỗi thời điểm chỉ có 1/16 số hàng được cấp điện phát sáng. Công suất tiêu thụ tức thời của khối hiển thị gồm 16 tấm LED là: $$P_{\text{tức thời}} = \frac{3.276,8\text{ W}}{16} = 204,8\text{ W}$$
  • Dòng điện tiêu thụ tức thời của hệ thống hiển thị tại mức điện áp 5V được tính toán như sau: $$I = \frac{P_{\text{tức thời}}}{U} = \frac{204,8\text{ W}}{5\text{ V}} = 40,96\text{ A}$$ (Văn bản tính toán thực tế quy đổi tương đương xấp xỉ 40,9825 A).
  • Để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, liên tục và không bị sụt áp trên các đường dây dẫn dòng lớn, nhóm tác giả lựa chọn phương án trang bị 02 bộ nguồn tổ ong 5V DC - 40A mắc phân tải độc lập cho các cụm module LED và mạch điều khiển trung tâm.

Triển khai phần mềm và gia công cơ khí

  • Phần mềm vi điều khiển: Cấu hình xung nhịp 400 MHz và khởi tạo các khối ngoại vi GPIO, Timer, UART trên công cụ STM32CubeMX; biên dịch và nạp mã nguồn điều khiển quét màn hình bằng phần mềm Keil C.
  • Phần mềm giao tiếp Wi-Fi: Soạn thảo, nạp mã nguồn thu nhận dữ liệu mạng UDP và thuật toán đọc cảm biến 1-Wire cho NodeMCU ESP8266 thông qua Arduino IDE.
  • Phần mềm điều khiển di động: Thiết kế giao diện và xử lý logic kết nối trên môi trường Android Studio, đóng gói thành tệp ứng dụng cài đặt trực tiếp trên smartphone.
  • Gia công phần cứng: Thiết kế mạch in layout PCB kết nối trung gian; chế tạo khung sắt định hình kích thước kỹ thuật chính xác nhằm cố định vững chắc 16 module P5 và bảo vệ các cụm dây nguồn công suất lớn phía sau bảng hiển thị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Đặt vấn đề

Chương này trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp thiết của việc hiện đại hóa hình thức thông tin quang báo trong các lĩnh vực thương mại, giao thông và công cộng. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế và thi công bảng LED Matrix điều khiển không dây bằng ứng dụng Android; vạch rõ 9 nội dung nghiên cứu thực hiện tuần tự từ khảo sát linh kiện, thiết kế mạch, lập trình nhúng, lập trình ứng dụng đến thi công thực tế; xác định các giới hạn kỹ thuật của hệ thống về chủng loại vi điều khiển (STM32H743XI, ESP8266, DHT11), độ phân giải hiển thị (256x128 điểm ảnh ghép từ 16 tấm P5) và bố cục tổng thể gồm 6 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa toàn bộ kiến thức tảng về mạng truyền thông và phần cứng hiển thị: phân tích nguyên lý mạng không dây Wi-Fi theo chuẩn IEEE 802.11; cơ chế truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART với các thông số baud rate, cấu trúc khung truyền (Start, Data, Parity, Stop); đặc tính không hướng kết nối và tốc độ cao của giao thức UDP trong bộ TCP/IP; chi tiết giản đồ xung và 4 thao tác khe thời gian 60 µs của chuẩn giao tiếp 1-Wire; cấu tạo phần cứng module LED P5 (ICN2028BP, ICN74HC245TS, ICN2012); nguyên lý quét hiển thị 1/16 với chu kỳ ngắt timer dịch 64 bit dữ liệu cho mỗi hàng; cấu trúc 2 tầng bộ đệm dữ liệu DATA IN (mảng 3 chiều màu - hàng - cột với 16.581.375 màu) và DATA OUT (mảng 3 chiều hàng - điều khiển màu - xuất giá trị định dạng 00R1R2G1G2B1B2).

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương này thực hiện thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 6 khối chức năng và phân tích chi tiết từng khối: lựa chọn vi điều khiển hiệu năng cao STM32H743XI (Cortex-M7, 400 MHz) cho khối xử lý trung tâm; kit NodeMCU ESP8266 cho khối thu thập dữ liệu không dây; cảm biến DHT11 cho khối đo nhiệt độ và độ ẩm; 16 module P5 ghép nối cho khối hiển thị ma trận 256x128 pixel. Tác giả trình bày sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp ASM1117 (5V xuống 3.3V), sơ đồ kết nối UART chéo chân TX/RX giữa STM32H7 và ESP8266, bảng phân bổ 24 chân GPIO điều khiển LED P5. Đồng thời, chương thực hiện bài toán tính toán công suất tiêu thụ tức thời của 32.768 bóng LED ở chế độ quét 1/16 là 204,8W, từ đó xác định dòng điện 40,9825A và lựa chọn giải pháp sử dụng 02 bộ nguồn tổ ong 5V - 40A.

Chương 4. Thi công hệ thống và kết quả thực hiện

Trình bày toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ đến sản phẩm thực tế: quy trình thi công mạch in (layout PCB), lắp ráp linh kiện và kiểm tra mạch trung gian; thi công khung sắt cơ khí đỡ 16 module LED P5; xây dựng lưu đồ giải thuật toàn hệ thống, lưu đồ điều khiển trên ESP8266 và STM32H743XI; các bước thiết lập dự án trên STM32CubeMX, cấu hình xung nhịp, cấu hình ngoại vi và sinh mã nguồn; quy trình biên dịch và nạp code trong Keil C; nhập thư viện và lập trình trên Arduino IDE; xây dựng kiến trúc project trên Android Studio; biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành phần cứng và thao tác điều khiển ứng dụng trên điện thoại di động.

Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 ghi nhận các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi tích hợp hoàn chỉnh hệ thống: giao diện phần mềm App Android hiển thị đầy đủ các phân hệ chức năng gồm màn hình chính, màn hình nhập Text (hỗ trợ tiếng Việt có dấu), màn hình vẽ tự do Paint, bảng điều khiển trò chơi (game xếp hình, xe tăng, rắn săn mồi), giao diện đồng hồ thời gian, giao diện đo nhiệt độ - độ ẩm môi trường, thanh điều chỉnh độ sáng, giao diện hiển thị hình ảnh, giao diện lựa chọn hiệu ứng chuyển động và giao diện phát video; hình ảnh thực tế vận hành mặt trước bảng LED hiển thị sáng rõ, màu sắc đồng đều và kết cấu lắp đặt gọn gàng ở mặt sau khung mô hình.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận tổng kết về mức độ hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra ban đầu của đề tài: chế tạo thành công bảng LED ma trận kích thước 256x128 pixel hoạt động ổn định, điều khiển không dây mượt mà qua ứng dụng Android. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các ưu điểm về tính tiện dụng, khả năng mở rộng kích thước dễ dàng cũng như nhược điểm về độ mịn hình ảnh do mật độ bóng P5 tương đối thưa khi nhìn gần; từ đó đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo cho hệ thống.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Chế tạo thành công bảng hiển thị LED Matrix Full Color kích thước lớn gồm 16 tấm P5 ghép nối, đạt tổng độ phân giải hiển thị thực tế $256 \times 128$ pixel (tương đương 98.304 điểm ảnh LED, kiểm soát 32.768 bóng LED RGB).
    • Xây dựng hoàn chỉnh mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32H743XI kết hợp mạch giao tiếp không dây NodeMCU ESP8266 qua chuẩn truyền thông UART ổn định.
    • Đọc chính xác và hiển thị thời gian thực thông số môi trường từ cảm biến DHT11 (nhiệt độ trong dải 0°C – 50°C, độ ẩm trong dải 20% – 90% RH).
    • Lập trình thành công ứng dụng di động chạy trên hệ điều hành Android, kết nối và truyền lệnh qua giao thức mạng UDP; đáp ứng đầy đủ các chế độ hiển thị: văn bản tiếng Việt có dấu với hiệu ứng cuộn chữ, hình ảnh tĩnh, ảnh động, hiệu ứng đồ họa, video clip, đồng hồ số, giao diện điều khiển 3 trò chơi (xếp hình, xe tăng, rắn săn mồi) và thay đổi độ sáng linh hoạt bằng băm xung PWM trên chân OE.
    • Thiết kế hệ thống cấp nguồn công suất hoạt động ổn định với 2 bộ nguồn tổ ong 5V - 40A, giải quyết triệt để bài toán tiêu thụ dòng điện tức thời 40,9825A ở tỷ lệ quét 1/16.
  • Đóng góp so với các nghiên cứu trước được tác giả nêu rõ:
    • Tối ưu hóa giải thuật quét ma trận LED bằng cơ chế ngắt timer song song trên STM32H743XI, tận dụng hiệu năng vượt trội của lõi ARM Cortex-M7 (xung nhịp 400 MHz) để xử lý lượng điểm ảnh lớn thay vì các dòng vi điều khiển 8-bit hoặc ARM Cortex-M3/M4 thông thường vốn dễ bị hiện tượng giật, trễ khung hình khi hiển thị video và ảnh động.
    • Thay thế hoàn toàn phương thức nạp dữ liệu truyền thống qua cáp nối tiếp hoặc máy tính bằng ứng dụng di động trực quan trên smartphone, cho phép người dùng thay đổi nội dung quảng cáo linh hoạt từ xa thông qua kết nối Wi-Fi nội bộ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của hệ thống:
    • Module P5 có khoảng cách giữa các điểm ảnh là 5 mm, dẫn đến mật độ bóng tương đối thưa; hình ảnh và video hiển thị khi quan sát ở cự ly gần chưa đạt độ mịn và sắc nét cao.
    • Chuẩn bảo vệ vỏ ngoài của module đạt mức IP43, chỉ thích hợp lắp đặt trong nhà hoặc khu vực có mái che chắn, chưa có khả năng chống chọi điều kiện thời tiết khắc nghiệt ngoài trời (mưa lớn, bụi bẩn độ ẩm cao).
    • Kích thước khung cơ khí và hệ thống dây cấp nguồn dòng tải lớn (trên 40A) đòi hỏi không gian bố trí chắc chắn, cần các biện pháp tản nhiệt thụ động cho bộ nguồn công suất.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nâng cấp phần cứng hiển thị sang các dòng module LED có khoảng cách điểm ảnh nhỏ hơn (như P3, P2.5 hoặc P2) nhằm nâng cao độ phân giải, cải thiện độ mịn hình ảnh khi nhìn ở cự ly gần.
    • Tối ưu hóa băng thông truyền dữ liệu và thuật toán nén ảnh trên ESP8266 để truyền phát video thời gian thực với tốc độ khung hình cao hơn.
    • Thiết kế vỏ hộp bảo vệ đạt tiêu chuẩn chống nước IP65 phục vụ nhu cầu lắp đặt biển quảng cáo ngoài trời.
    • Mở rộng tính năng điều khiển bảng LED thông qua máy chủ đám mây (Cloud/IoT Platform), cho phép cập nhật thông tin qua mạng Internet từ bất kỳ vị trí địa lý nào.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử Công nghiệp và Hệ thống Nhúng đang thực hiện các đồ án liên quan đến vi điều khiển dòng cao cấp STM32H7 (ARM Cortex-M7).
  • Người nghiên cứu và phát triển sản phẩm màn hình LED quảng cáo: Tài liệu cung cấp chi tiết phương pháp tính toán tải nguồn công suất lớn (chế độ quét 1/16 scan), sơ đồ ghép nối chân tín hiệu song song giữa GPIO và các IC ghi dịch ICN2028BP/ICN74HC245TS, cùng thuật toán tổ chức hai tầng bộ đệm dữ liệu (DATA IN / DATA OUT) để quản lý hiển thị không gian màu RGB 16 triệu màu.
  • Kỹ sư phát triển ứng dụng IoT: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về mô hình phối hợp giữa vi điều khiển tác vụ nặng (STM32) và vi điều khiển truyền thông mạng (ESP8266), kết hợp lập trình ứng dụng Android điều khiển thiết bị phần cứng qua giao thức UDP.

Câu hỏi thường gặp

Bảng hiển thị LED ma trận trong đồ án có độ phân giải bao nhiêu và cấu tạo từ bao nhiêu module?
Bảng hiển thị có tổng độ phân giải là $256 \times 128$ pixel (tương đương 98.304 điểm ảnh LED, kiểm soát 32.768 bóng LED RGB), được tạo thành từ 16 tấm module LED P5 kích thước 16 cm x 32 cm ghép lại theo ma trận 4 hàng song song, mỗi hàng gồm 4 tấm nối tiếp.

Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn vi điều khiển STM32H743XI làm bộ xử lý trung tâm?
Do yêu cầu xử lý liên tục lượng dữ liệu điểm ảnh rất lớn (98.304 pixel), hiển thị màu sắc đa dạng (hơn 16 triệu màu) và xuất xung quét tốc độ cao tránh giật hình, STM32H743XI được lựa chọn nhờ sở hữu lõi ARM Cortex-M7 tốc độ lên đến 400 MHz, bộ nhớ RAM lớn 1024 KB (gồm TCM RAM và SRAM) cùng 2048 KB Flash, tích hợp bộ hướng dẫn DSP và MPU nâng cao.

Dòng điện tiêu thụ tức thời của hệ thống hiển thị được tính toán là bao nhiêu và sử dụng nguồn điện nào?
Ở chế độ quét 1/16 scan, công suất tiêu thụ tức thời của 16 module LED là 204,8W, tương ứng với dòng điện tiêu thụ tức thời là 40,9825A tại điện áp 5V. Hệ thống sử dụng 02 bộ nguồn tổ ong 5V DC - 40A để đảm bảo cung cấp đủ công suất và dự phòng vận hành ổn định.

Chuẩn giao tiếp giữa các khối STM32H743XI, ESP8266, DHT11 và App Android được thiết lập như thế nào?
Điện thoại Android truyền lệnh và dữ liệu hình ảnh đến ESP8266 qua mạng Wi-Fi bằng giao thức UDP; ESP8266 giao tiếp hai chiều với vi điều khiển STM32H743XI thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART (chân TX/RX chéo); cảm biến DHT11 truyền dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm về chân D4 của ESP8266 thông qua giao tiếp 1-Wire (khe thời gian 60 µs).

Module P5 sử dụng tỷ lệ quét bao nhiêu và các chân tín hiệu cơ bản có chức năng gì?
Module P5 sử dụng tỷ lệ quét 1/16 scan (tại một thời điểm kích hoạt sáng đồng thời 2 hàng). Tín hiệu OE dùng để cho phép hiển thị hàng và điều chế PWM kiểm soát độ sáng; 4 chân địa chỉ A, B, C, D giải mã chọn 1 trong 16 cặp hàng; chân LAT chốt dữ liệu ngõ ra; chân CLK cấp xung dịch dữ liệu; các chân R1, G1, B1 và R2, G2, B2 cấp dữ liệu màu cho nửa trên và nửa dưới của module.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống bảng LED Matrix điều khiển bằng App Android" đã hoàn thành toàn diện việc xây dựng mô hình bảng quang báo điện tử kích thước $256 \times 128$ điểm ảnh từ 16 module LED P5. Bằng việc kết hợp hiệu năng tính toán mạnh mẽ của vi điều khiển STM32H743XI với khả năng kết nối mạng không dây của NodeMCU ESP8266, hệ thống cho phép người dùng điều khiển linh hoạt việc hiển thị văn bản tiếng Việt có dấu, đồ họa, video, thông số cảm biến DHT11 và trò chơi thông qua ứng dụng di động Android trực quan. Đây là công trình kỹ thuật có tính hoàn thiện cao về thiết kế phần cứng, giải thuật nhúng quét ma trận LED đa hàng và tính toán công suất nguồn thực tế.