Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bối cảnh thực tiễn và lý do chọn đề tài

Trong đời sống kinh tế - xã hội hiện đại, nhu cầu truyền tải và tiếp nhận thông tin kịp thời, trực quan đóng vai trò quan trọng đối với cộng đồng cũng như hoạt động sản xuất, kinh doanh. Tại các địa điểm công cộng như sân bay, nhà ga, trung tâm thương mại hoặc các cơ sở dịch vụ, các phương thức thông báo truyền thống bằng biển bảng kim loại, gỗ, bạt hiflex hay phướn vải bộc lộ nhiều hạn chế về khả năng cập nhật nội dung, độ linh hoạt và tính thẩm mỹ.

Bảng điện tử LED ma trận (LED Matrix) khắc phục được các nhược điểm trên nhờ khả năng thay đổi nội dung linh hoạt qua phần mềm, hiển thị đa dạng thông điệp, hình ảnh động và thông tin thời gian thực. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về việc theo dõi các chỉ số môi trường, thời tiết ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người (như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, chỉ số bụi mịn, bức xạ tia cực tím), nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo mô hình "Bảng điện tử hiển thị thông tin thời tiết".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình bảng hiển thị LED ma trận đa sắc màu kết nối Internet nhằm:

  • Hiển thị tự động các thông số thời tiết thực tế và dự báo trong 4 giờ gần nhất bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, chỉ số bức xạ tia cực tím (UV) và chất lượng không khí (AQI).
  • Tự động đưa ra các cảnh báo trực quan cho người quan sát khi chỉ số UV vượt ngưỡng an toàn (ví dụ: khuyến cáo hạn chế ra đường).
  • Cung cấp giao diện máy chủ web (Webserver) nhúng cho phép người dùng tùy ý nhập, điều chỉnh nội dung thông báo, tốc độ cuộn chữ và màu sắc hiển thị từ các thiết bị thông minh.

Để đạt được mục tiêu trên, 8 nội dung nghiên cứu cụ thể đã được triển khai:

  1. Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phương pháp điều khiển module LED P10 Full Color.
  2. Nghiên cứu vi điều khiển và mô-đun thu phát Wi-Fi ESP32.
  3. Lập trình điều khiển cho chip ESP32 thông qua môi trường Arduino IDE.
  4. Tính toán, thiết kế và lựa chọn hệ thống nguồn cấp phù hợp với tải LED.
  5. Thi công khung cơ khí, lắp ráp phần cứng, đấu nối mạch và hiệu chỉnh hệ thống.
  6. Cài đặt các thông số phần mềm và tối ưu hóa hoạt động toàn hệ thống.
  7. Tổng hợp dữ liệu và viết báo cáo khoa học.
  8. Báo cáo bảo vệ đề tài trước hội đồng khoa học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bảng điện tử hiển thị thông tin thời tiết tích hợp vi xử lý trung tâm ESP32, khối hiển thị LED ma trận P10 Full Color và giao thức truyền thông không dây thu thập dữ liệu qua API mạng Internet.
  • Phạm vi kỹ thuật:
    • Phần cứng điều khiển trung tâm: Bo mạch ESP32-WROOM-32.
    • Khối hiển thị: 16 tấm module P10 Full Color ghép nối theo ma trận $4 \times 4$, tạo thành độ phân giải $128 \times 64$ pixel.
    • Nội dung hiển thị: Chữ viết tiếng Việt có dấu (chuẩn UTF-8), số, ký tự đặc biệt, biểu tượng (icon) thời tiết và hiệu ứng cuộn văn bản.
    • Nguồn dữ liệu thời tiết: Thu thập trực tuyến qua giao diện lập trình ứng dụng (API) từ OpenWeatherMap, AirVisual và OpenUV.
  • Thời gian và đơn vị thực hiện: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường được thực hiện từ tháng 02/2019 đến tháng 06/2020 tại Khoa Công nghệ Kỹ thuật Nông nghiệp Công nghệ cao (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa), Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Đề tài tích hợp các nền tảng lý thuyết và công nghệ thuộc lĩnh vực Điện tử - Viễn thông, Hệ thống nhúng và Mạng vạn vật kết nối (IoT):

  • Chuẩn giao tiếp không dây Wi-Fi (IEEE 802.11): Sử dụng các chuẩn 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz để truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và bộ định tuyến (router) Internet, cũng như thiết lập điểm truy cập cục bộ (Access Point).
  • Chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface): Chuẩn giao tiếp đồng bộ toàn song công (Full Duplex) với 4 đường tín hiệu cơ bản: SCK (xung nhịp đồng bộ), MOSI (dữ liệu từ Master đến Slave), MISO (dữ liệu từ Slave đến Master) và SS (tín hiệu chọn chip Slave), phục vụ việc đẩy dữ liệu nhịp cao sang các tầng ghi dịch của khối hiển thị.
  • Kiến trúc Máy chủ Web nhúng (Embedded Webserver): Sử dụng mô hình Client - Server qua giao thức HTTP để lưu trữ và phân phối giao diện web cấu hình dạng HTML trực tiếp từ bộ nhớ ESP32 tới trình duyệt của người dùng mà không cần cài đặt thêm phần mềm chuyên dụng.
  • Vi điều khiển ESP32-WROOM-32: Sử dụng chip lõi kép ESP32-D0WDQ6, tần số xung nhịp linh hoạt từ 80 MHz đến 240 MHz, tích hợp bộ nhớ mở rộng, kết nối Wi-Fi/Bluetooth/BLE, hỗ trợ hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS và ngăn xếp mạng LwIP/TLS.
  • Phương pháp quét LED ma trận P10 Full Color (Giao tiếp chuẩn HUB75): Module LED P10 Full Color có cấu tạo gồm 10 IC ghi dịch, 2 IC đệm dòng và 4 IC giải mã. Phương pháp quét áp dụng tỷ lệ $1/8$ (1/8 Scan); mỗi lần quét kích hoạt đồng thời 2 hàng trong tổng số 16 hàng của module (chia thành 2 nửa: 8 hàng trên điều khiển bởi cụm RGB1 và 8 hàng dưới bởi cụm RGB2).
  • Mã hóa Font tiếng Việt chuẩn UTF-8: Giải pháp hiển thị tiếng Việt trên nền ma trận LED được xây dựng dựa trên cơ chế giải mã độ dài byte biến đổi của UTF-8 (từ 1 đến 4 byte). Nhóm tác giả tận dụng dải mã ASCII mở rộng và bảng mã riêng (gán các chữ cái có dấu vào các vị trí nhúng từ 1 đến 31 và 127 đến 229, dải trên 229 dành cho icon thời tiết) kết hợp với công cụ tạo phông LCD Font Maker.

Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

  1. Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật: Tính toán phụ tải công suất điện tiêu thụ cực đại và công suất hoạt động thực tế của toàn bộ 16 tấm LED nhằm lựa chọn nguồn xung DC phù hợp; thiết kế sơ đồ nguyên lý ghép nối giữa ESP32 và các chân tín hiệu chuẩn HUB75.
  2. Phương pháp lập trình nhúng và bóc tách dữ liệu: Lập trình vi điều khiển trên nền tảng Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++; xây dựng hàm gọi API định kỳ dạng HTTP GET để lấy chuỗi dữ liệu JSON từ các máy chủ dự báo thời tiết toàn cầu, sau đó giải mã (parse JSON) để trích xuất các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ gió, chỉ số AQI và chỉ số tia UV.
  3. Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử hệ thống: Chế tạo khung đỡ kim loại, ốp lưng bảo vệ bằng nhựa polycarbonate, lắp ráp thực tế các khối phần cứng, thử nghiệm kết nối mạng Wi-Fi ở hai chế độ Station (STA) và Access Point (AP), đánh giá độ ổn định của việc hiển thị hình ảnh và văn bản chạy.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào của hệ thống được trích xuất thời gian thực thông qua API Key từ 3 nhà cung cấp dịch vụ trực tuyến:

  • OpenWeatherMap: Cung cấp thông tin nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, áp suất khí quyển và dự báo thời tiết 4 giờ gần nhất.
  • AirVisual (IQAir): Cung cấp chỉ số chất lượng không khí (AQI).
  • OpenUV: Cung cấp chỉ số bức xạ tia cực tím (UV Index) theo tọa độ địa lý.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Thông số kỹ thuật module LED P10 Full Color

Hệ thống sử dụng các module hiển thị LED ma trận ngoài trời với các chỉ số kỹ thuật quy định trong thiết kế:

Thông số kỹ thuật Giá trị quy chuẩn
Khoảng cách hai điểm ảnh (Pitch) 10 mm
Độ phân giải điểm ảnh 10.000 điểm ảnh/$m^2$
Kích thước module ($W \times H$) $320\text{ mm} \times 160\text{ mm}$ ($32 \times 16\text{ pixel}$)
Khoảng cách nhìn tối ưu 12 m đến 200 m
Góc nhìn (Ngang / Dọc) $140^\circ / 140^\circ$
Số lượng màu hiển thị $> 10\text{ bit}$ (khoảng 281.000 tỷ màu)
Cường độ sáng $> 2.000\text{ cd}/m^2$
Nguồn điện hoạt động DC 5V – 6A / module
Công suất tiêu thụ Lớn nhất: $550\text{ W}/m^2$; Trung bình: $250\text{ W}/m^2$
Chế độ quét (Scan mode) $1/8\text{ Scan}$ (8s)
Chuẩn giao diện dữ liệu HUB75

Tính toán công suất và thiết kế nguồn cấp

  • Công suất cực đại lý thuyết: Một module LED P10 tiêu thụ dòng định mức tối đa 6A ở điện áp 5V (tương đương $30\text{ W}$). Khi hệ thống ghép 16 module sáng toàn bộ 100% điểm ảnh ở cường độ cao nhất, tổng công suất tiêu thụ cực đại là: $$P_{\text{max}} = 16 \times 30\text{ W} = 480\text{ W}$$
  • Công suất vận hành thực tế: Trong điều kiện hoạt động thực tế của bảng hiển thị thông tin thời tiết và chữ chạy, mật độ điểm sáng (độ phủ) chỉ chiếm khoảng 50% diện tích bảng LED. Do đó công suất thực tế yêu cầu rơi vào khoảng $240\text{ W}$.
  • Lựa chọn nguồn cấp: Nhóm nghiên cứu chọn bộ nguồn tổ ong DC 5V – 70A (công suất định mức $350\text{ W}$). Mức công suất này đảm bảo cấp đủ điện năng cho 16 module LED hoạt động ổn định và dự phòng hệ số an toàn cho khối vi xử lý trung tâm.

Sơ đồ kết nối phần cứng và phân bổ chân vi điều khiển

Mô-đun ESP32 được kết nối trực tiếp với cổng nhận dữ liệu HUB75 của khối LED theo sơ đồ phân bổ chân:

Tín hiệu LED HUB75 Chân kết nối trên ESP32 Chức năng kỹ thuật
B2 Chân MOSI (GPIO 13) Đường truyền dữ liệu màu xanh dương cho 8 hàng dưới
A GPIO 25 Chân chọn hàng địa chỉ quét số 1
B GPIO 26 Chân chọn hàng địa chỉ quét số 2
C GPIO 27 Chân chọn hàng địa chỉ quét số 3
OE GPIO 32 Chân cho phép xuất hiển thị (Output Enable, tích cực mức thấp)
LAT GPIO 33 Chân chốt dữ liệu (Latch)
CLK GPIO 4 Chân xung nhịp đồng bộ dịch dữ liệu vào IC
Switch Mode GPIO D5 Công tắc gạt chọn chế độ (D5 = 0: Access Point; D5 = 1: Station)

Cơ chế quét LED và xuất dữ liệu

  • Với tổ hợp 3 chân địa chỉ $A, B, C$, hệ thống điều khiển giải mã để chọn đồng thời 2 hàng trong 16 hàng:
    • $(A=1, B=0, C=0)$: Chọn hàng 0 và hàng 7.
    • $(A=0, B=1, C=0)$: Chọn hàng 1 và hàng 8.
    • $(A=1, B=1, C=0)$: Chọn hàng 2 và hàng 9.
    • $(A=0, B=0, C=1)$: Chọn hàng 3 và hàng 10.
    • $(A=1, B=0, C=1)$: Chọn hàng 4 và hàng 11.
    • $(A=0, B=1, C=1)$: Chọn hàng 5 và hàng 12.
    • $(A=1, B=1, C=1)$: Chọn hàng 6 và hàng 13.
  • Khi ghép 16 module (ma trận $4 \times 4$), chiều dài hiển thị gồm 128 cột, tương ứng mỗi chu kỳ quét cần đẩy 512 bit dữ liệu qua xung nhịp CLK theo thứ tự màu: Xanh dương $\rightarrow$ Xanh lá $\rightarrow$ Đỏ.
  • Thời gian quét cho một hàng được tính toán dựa trên hiện tượng lưu ảnh của mắt người (chu kỳ lưu ảnh khoảng 20 ms): $$t_{\text{hàng}} = \frac{20\text{ ms}}{16} = 1,25\text{ ms}$$

Kiến trúc phần mềm và lưu đồ thuật toán

Quy trình điều khiển của hệ thống được lập trình theo lưu đồ xử lý:

  1. Khởi tạo: Thiết lập cấu hình các chân vào/ra (I/O) và nạp cấu hình mạng.
  2. Kiểm tra công tắc chế độ (D5):
    • Nếu $D5 = 0$: Khởi động chế độ Access Point (AP), phát Wi-Fi nội bộ để người dùng kết nối điện thoại/máy tính truy cập vào địa chỉ Webserver cài đặt thông số (SSID Wi-Fi, mật khẩu, API Key, nội dung thông báo, thời gian).
    • Nếu $D5 = 1$: Khởi động chế độ Station (STA), kết nối vào mạng Wi-Fi đã lưu để truy cập Internet.
  3. Thực thi vòng lặp chính:
    • Khi kết nối Internet thành công: Gửi yêu cầu HTTP GET đến máy chủ OpenWeatherMap, AirVisual và OpenUV; bóc tách chuỗi dữ liệu nhận về.
    • Chuyển đổi dữ liệu thời tiết, thời gian và các dòng thông báo sang mã quét ma trận (sử dụng bảng phông tiếng Việt UTF-8).
    • Quét dữ liệu liên tục lên 16 tấm LED ma trận P10 qua chuẩn tín hiệu HUB75.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương mở đầu phân tích bối cảnh phát triển của các phương tiện truyền thông trực quan, so sánh ưu điểm vượt trội của bảng LED ma trận so với bảng quảng cáo truyền thống về tính cơ động và khả năng lập trình lại. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo bảng hiển thị thông số thời tiết, chỉ số tia UV, chất lượng không khí, dự báo thời tiết 4 giờ và hiển thị dòng thông báo tùy biến. Chương này cũng phân định 8 nội dung công việc và giới hạn thông số kỹ thuật của đề tài.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung trình bày các nền tảng lý thuyết cốt lõi phục vụ thiết kế:

  • Nguyên lý hoạt động của mạng không dây Wi-Fi chuẩn 802.11 và vai trò của các thiết bị chuyển đổi tín hiệu trong mô hình IoT.
  • Cấu trúc và giao thức truyền thông SPI với 4 đường tín hiệu chuyên dụng.
  • Khái niệm hệ thống IoT, kiến trúc máy chủ web nhúng và phương thức truyền nhận dữ liệu qua giao thức HTTP.
  • Kiến trúc phần cứng vi điều khiển ESP32 (lõi ESP32-D0WDQ6, hệ điều hành FreeRTOS, tính năng cập nhật firmware qua OTA).
  • Cấu tạo phần cứng module LED P10 Full Color, nguyên lý quét ma trận 1/8 qua IC giải mã và IC ghi dịch, biểu đồ thời gian chuyển hàng quét và tính toán thời gian quét $1,25\text{ ms}$ trên cơ sở hiện tượng lưu ảnh võng mạc.
  • Quy trình tạo phông chữ trên phần mềm LCD Font Maker và thuật toán giải mã phông tiếng Việt UTF-8 đa byte kết hợp bảng ánh xạ ký tự.

Chương III: Tính toán và thiết kế

Chương III trình bày quá trình tính toán, lựa chọn linh kiện và sơ đồ khối chức năng:

  • Lựa chọn khối vi xử lý trung tâm là bo mạch DOIT ESP32 DevKit V1 đáp ứng khả năng vừa làm Webserver vừa thu thập dữ liệu Internet thời gian thực.
  • Tính toán phụ tải công suất: 16 tấm LED tiêu thụ dòng tối đa 96A ($480\text{ W}$), tính toán công suất hiển thị thực tế 50% đạt khoảng $240\text{ W}$, từ đó lựa chọn bộ nguồn 5V – 70A ($350\text{ W}$) bảo đảm hiệu năng và tính kinh tế.

Chương IV: Thi công hệ thống

Chương IV mô tả chi tiết các bước triển khai chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm:

  • Thi công cơ khí: Gia công khung đỡ định hình cho 16 tấm LED mặt trước; mặt sau bố trí nguồn tổ ong, mạch điều khiển ESP32 và ốp tấm bảo vệ bằng nhựa polycarbonate.
  • Lập trình và nạp code: Hướng dẫn cấu hình môi trường Arduino IDE, cài đặt gói thư viện quản lý bo mạch ESP32 từ Espressif Systems (package_esp32_index.json) và thiết lập các cổng nạp chương trình.
  • Tích hợp API: Quy trình đăng ký tài khoản, lấy mã API Key từ các dịch vụ dữ liệu OpenWeatherMap, AirVisual và OpenUV để nhúng vào chương trình.
  • Đấu nối dây: Bản đồ kết nối chân vật lý từ ESP32 đến cổng giao tiếp HUB75 của bảng LED.

Chương V: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương V công bố kết quả vận hành thực tế của mô hình:

  • Giao diện Webserver quản trị: Triển khai thành công các trang cấu hình gồm:
    • Trang thiết lập SSID và mật khẩu kết nối Wi-Fi.
    • Trang nhập mã API Key lấy thông tin thời tiết trực tuyến.
    • Trang soạn thảo 5 dòng thông báo tùy chỉnh, hỗ trợ lựa chọn 7 màu sắc chữ và 5 cấp tốc độ cuộn.
    • Trang bảo mật phân quyền truy cập bằng mật khẩu quản trị.
    • Trang cài đặt lịch trình thời gian bật/tắt bảng LED tự động.
  • Kết quả hiển thị thực tế: Hệ thống hiển thị rõ nét các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, giờ thực tế, chỉ số AQI, chỉ số UV và icon thời tiết dự báo trực quan trên không gian hiển thị $128 \times 64$ pixel.

Chương VI: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu: hệ thống vận hành chính xác theo đúng mục tiêu thiết kế ban đầu. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai nhằm nâng cao tính ứng dụng và độ tin cậy.

Chương VII: Phụ lục

Chương phụ lục cung cấp đoạn mã nguồn lập trình hàm loop() trên Arduino IDE thể hiện quy trình quét LED và điều phối tác vụ hiển thị của vi điều khiển ESP32.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình bảng điện tử LED P10 Full Color kích thước hiển thị $128 \times 64$ pixel (ghép từ 16 tấm $32 \times 16$ pixel) kết hợp khung cơ khí hoàn chỉnh và mặt bảo vệ polycarbonate.
  • Hệ thống hoạt động độc lập, tự động lấy dữ liệu thời tiết qua Wi-Fi từ các nguồn API OpenWeatherMap, AirVisual, OpenUV và hiển thị đầy đủ: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, thời gian thực, dự báo thời tiết 4 giờ bằng biểu tượng đồ họa, chỉ số chất lượng không khí (AQI) và chỉ số tia bức xạ cực tím (UV Index).
  • Xây dựng thành công bộ phông chữ tiếng Việt đầy đủ dấu theo chuẩn mã hóa UTF-8 hiển thị mượt mà trên nền ma trận điểm.
  • Triển khai máy chủ Webserver nhúng trên ESP32 cung cấp các tính năng quản trị:
    • Lưu cấu hình Wi-Fi và API Key vào bộ nhớ không bay hơi.
    • Soạn thảo và phát 5 nội dung thông báo tùy biến với 7 màu sắc và 5 mức tốc độ cuộn chữ.
    • Phân quyền bảo mật qua hệ thống mật khẩu truy cập.
    • Lập lịch tự động bật và tắt bảng LED theo khung giờ định sẵn.

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Ứng dụng thành công vi điều khiển giá thành thấp ESP32 để xử lý đồng thời nhiều tác vụ phức tạp: duy trì kết nối mạng, chạy Webserver, gửi yêu cầu HTTP bóc tách JSON và xuất tín hiệu quét LED tần số cao theo chuẩn HUB75.
  • Đưa ra phương án tối ưu hóa công suất nguồn thông qua việc tính toán độ phủ điểm sáng thực tế (50%), giúp giảm kích thước và chi phí đầu tư bộ nguồn cấp (chọn nguồn 5V - 70A 350W thay vì nguồn cực đại 480W).
  • Cung cấp giải pháp cảnh báo sức khỏe cộng đồng trực quan tại chỗ thông qua việc trực quan hóa các chỉ số môi trường vô hình (tia cực tím, chất lượng không khí).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

  • Hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối mạng Wi-Fi và đường truyền Internet; khi mất mạng hoặc nhà cung cấp API thay đổi cấu trúc dữ liệu, bảng LED không thể cập nhật thông tin thời tiết mới.
  • Việc quét LED ma trận bằng phương pháp điều khiển phần mềm trực tiếp từ GPIO của ESP32 chiếm dụng đáng kể tài nguyên xử lý của CPU.
  • Module P10 với khoảng cách điểm ảnh 10 mm tối ưu cho khoảng cách quan sát từ 12 m đến 200 m, độ mịn hình ảnh chưa cao khi nhìn ở cự ly gần.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm các module cảm biến đo đạc môi trường thực tế tại chỗ (như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT/SHT, cảm biến bụi mịn PM2.5) để hệ thống vẫn hiển thị dữ liệu đo trực tiếp khi mất kết nối Internet.
  • Mở rộng quy mô kích thước bảng LED hoặc nâng cấp sang các dòng module có độ phân giải cao hơn như P5, P4 hoặc P3 để tăng độ chi tiết cho hình ảnh và biểu tượng dự báo.
  • Nâng cấp phần mềm quản lý tập trung trên nền tảng đám mây (Cloud Server) cho phép đồng bộ và điều khiển đồng thời nhiều bảng điện tử từ xa qua mạng diện rộng.

Giá trị tham khảo

Báo cáo nghiên cứu khoa học này là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT/Hệ thống nhúng): Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về cách thức ghép nối vi điều khiển ESP32 với module LED ma trận thông qua chuẩn giao tiếp HUB75.
  • Kỹ sư phát triển sản phẩm điện tử ứng dụng: Tham khảo phương pháp xây dựng máy chủ web nhúng (Webserver) trên vi điều khiển, giải pháp phân tích dữ liệu JSON từ API dịch vụ công cộng, và thuật toán mã hóa bộ phông tiếng Việt UTF-8 đa byte trên màn hình ma trận điểm ảnh.
  • Các đề tài nghiên cứu về hệ thống quan trắc và cảnh báo môi trường công cộng: Cung cấp mô hình tham chiếu về giải pháp trực quan hóa chỉ số AQI và chỉ số tia cực tím phục vụ cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp quét hiển thị trên module LED P10 Full Color trong đề tài được thực hiện như thế nào?

Module LED P10 Full Color sử dụng phương pháp quét tỉ lệ $1/8$ (1/8 Scan). Module gồm 16 hàng và 32 cột, được chia làm 2 nửa theo chiều dọc (8 hàng trên do cụm RGB1 điều khiển, 8 hàng dưới do cụm RGB2 điều khiển). Ba chân địa chỉ A, B, C từ ESP32 sẽ giải mã để kích hoạt đồng thời 2 hàng sáng trong cùng một thời điểm. Dữ liệu màu sắc được đẩy nối tiếp vào IC ghi dịch qua chân xung nhịp CLK (512 xung/hàng đối với hệ thống 16 tấm), sau đó được chốt hiển thị thông qua các chân LAT (Latch) và OE (Output Enable). Thời gian quét mỗi hàng được định thời là $1,25\text{ ms}$ nhằm đảm bảo mắt người nhìn thấy hình ảnh liên tục và không bị nhấp nháy (dựa trên chu kỳ lưu ảnh 20 ms).

2. Nhóm tác giả đã tính toán công suất nguồn cấp cho hệ thống 16 module LED ra sao?

Mỗi module LED P10 ở trạng thái sáng tối đa 100% công suất tiêu thụ dòng điện 6A tại điện áp 5V (tương đương $30\text{ W}$). Đối với hệ thống 16 module ghép nối, công suất cực đại trên lý thuyết là $16 \times 30\text{ W} = 480\text{ W}$ (tương đương dòng 96A). Tuy nhiên, trên thực tế khi hiển thị văn bản và icon thời tiết, độ phủ điểm sáng chỉ chiếm khoảng một nửa diện tích màn hình ($50%$), do đó công suất biểu kiến tiêu thụ thực tế chỉ cần khoảng $240\text{ W}$. Nhóm tác giả đã chọn bộ nguồn tổ ong 5V – 70A (công suất $350\text{ W}$), vừa đáp ứng thừa tải thực tế vừa bảo đảm an toàn cho hệ thống và vi điều khiển.

3. Dữ liệu hiển thị trên bảng LED được lấy từ những nguồn API nào và bao gồm những thông số gì?

Hệ thống sử dụng khóa API (API Key) để lấy dữ liệu thời gian thực từ 3 nền tảng trực tuyến:

  • OpenWeatherMap: Thu thập thông tin nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, áp suất và biểu tượng dự báo thời tiết cho 4 giờ gần nhất.
  • AirVisual: Thu thập chỉ số chất lượng không khí (AQI).
  • OpenUV: Thu thập chỉ số bức xạ tia cực tím (UV Index) nhằm đưa ra cảnh báo bảo vệ sức khỏe cho người quan sát.

4. Cơ chế chuyển đổi giữa chế độ cấu hình và chế độ chạy thực tế của hệ thống hoạt động như thế nào?

Hệ thống sử dụng một công tắc gạt phần cứng kết nối vào chân GPIO D5 của vi điều khiển ESP32:

  • Khi gạt công tắc để $D5 = 0$: ESP32 khởi chạy ở chế độ Access Point (AP), tự phát một mạng Wi-Fi cục bộ để người dùng kết nối điện thoại hoặc máy tính vào địa chỉ Webserver nhúng nhằm cài đặt thông số Wi-Fi, nhập API Key, cấu hình thông báo và mật khẩu.
  • Khi gạt công tắc để $D5 = 1$: ESP32 chuyển sang chế độ Station (STA), tự động kết nối vào mạng Wi-Fi đã lưu để truy cập Internet, gửi truy vấn lấy dữ liệu thời tiết và xuất nội dung lên bảng LED.

5. Bộ phông chữ tiếng Việt có dấu được thiết kế và lưu trữ trên bộ nhớ như thế nào?

Nhóm tác giả thiết kế phông chữ tiếng Việt dựa trên chuẩn mã hóa UTF-8 với cơ chế giải mã độ dài byte linh hoạt (từ 1 đến 4 byte). Các ký tự được tổ chức ánh xạ trong bộ nhớ như sau: vị trí 0 lưu giá trị NULL; các vị trí từ 1 đến 31 dùng để lưu các ký tự tiếng Việt có dấu thường dùng (bắt đầu từ chữ À ở vị trí 1, Á ở vị trí 2... đến Í ở vị trí 31); dải từ 32 đến 127 dùng cho bảng mã ASCII chuẩn; dải từ 127 đến 229 lưu trữ các ký tự tiếng Việt có dấu còn lại; và từ vị trí 229 trở đi được sử dụng để lưu các ký tự đặc biệt cùng các biểu tượng (icon) thời tiết.

Kết luận

Đề tài "Bảng điện tử hiển thị thông tin thời tiết" của sinh viên Võ Đình Huy và Lê Công Thành (Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu) đã thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống phần cứng hoàn chỉnh kết hợp giữa vi điều khiển ESP32 và 16 module LED P10 Full Color. Bằng việc tích hợp các API thời tiết quốc tế và xây dựng giao diện Webserver quản trị nhúng, hệ thống cho phép tự động cập nhật, hiển thị trực quan các thông số môi trường quan trọng (nhiệt độ, độ ẩm, gió, AQI, tia UV) và hỗ trợ phát các thông điệp tùy chỉnh bằng tiếng Việt chuẩn UTF-8. Kết quả nghiên cứu thể hiện tính ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực truyền thông số công cộng và là tài liệu tham khảo kỹ thuật chi tiết cho các dự án phát triển hệ thống nhúng IoT điều khiển ma trận LED.