Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên chuyển đổi số ngành bán lẻ (Smart Retail), việc quản lý và cập nhật giá cả hàng nghìn mặt hàng tại các siêu thị truyền thống đang đối mặt với nhiều thách thức lớn. Theo các khảo sát thị trường bán lẻ, việc sử dụng bảng giá giấy truyền thống tiêu tốn hàng nghìn giờ công lao động mỗi năm, phát sinh tỷ lệ sai sót giá giữa quầy kệ và cổng thanh toán POS từ 3% đến 5%, đồng thời tạo ra lượng rác thải giấy in và mực in đáng kể gây tác động xấu đến môi trường.

Bảng giá điện tử (Electronic Shelf Label - ESL) là giải pháp phần cứng IoT gắn trực tiếp trên các kệ hàng nhằm hiển thị tự động và chính xác các thông tin: tên sản phẩm, giá bán, mã vạch (Barcode/QR code), nhà sản xuất và chương trình khuyến mãi. Tuy nhiên, các giải pháp ESL thương mại hiện nay chủ yếu dựa trên công nghệ sóng ngắn như BLE (Bluetooth Low Energy), ZigBee hoặc NFC. Các công nghệ này bộc lộ nhược điểm rõ rệt: cự ly truyền thông ngắn (dưới 30m trong nhà), dễ bị suy hao mạnh do vật cản kim loại/hàng hóa, mật độ nút nghẽn cao khi mở rộng và chi phí triển khai hệ thống gateway trung gian rất tốn kém.

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế bảng giá điện tử ứng dụng trong siêu thị thông minh dựa trên công nghệ LoRa" được thực hiện bởi sinh viên Lê Xuân Minh và Trần Quốc Sơn (ngành Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Công nghệ Thông tin - ĐHQG TPHCM) dưới sự hướng dẫn của TS. Trịnh Lê Huy. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ, mở rộng cự ly truyền thông và hạ giá thành sản xuất thiết bị bảng giá điện tử tại thị trường Việt Nam.

[Hệ Thống Bán Lẻ / ERP] <---> [Losant IoT Platform] <---(MQTT)---> [The Things Network (TTN)] <---(LoRaWAN IP)---> [Gateway RAK7240] <---(LoRa RF 915-923MHz)---> [ESL Node 1..25]

Mục tiêu dự án

  1. Nghiên cứu và phân tích: Khảo sát toàn diện các chuẩn truyền thông không dây công suất thấp (BLE, ZigBee, LoRa) và công nghệ hiển thị giấy điện tử E-paper (E-ink) để lựa chọn cấu trúc tối ưu cho thiết bị ESL.
  2. Thiết kế và chế tạo phần cứng: Phát triển bo mạch PCB tích hợp vi điều khiển LoRa SoC và mạch nguồn quản lý năng lượng thông minh, đảm bảo kích thước nhỏ gọn ($\le 60 \times 34\text{ mm}$) tương thích kích thước màn hình 2.13 inch.
  3. Phát triển firmware và tối ưu năng lượng: Xây dựng thuật toán điều khiển thiết bị hoạt động theo chuẩn LoRaWAN Class A, tối ưu chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) để dòng tiêu thụ tĩnh đạt mức dưới $10\text{ }\mu\text{A}$, nâng cao tuổi thọ pin vượt mốc 5 năm với tần suất cập nhật định kỳ.
  4. Xây dựng hệ thống IoT hoàn chỉnh: Kết nối thiết bị qua trạm thu phát Gateway, Network Server (The Things Network) và Application Platform (Losant IoT) qua giao thức MQTT.
  5. Thực nghiệm và đánh giá thực tế: Chế tạo và triển khai thử nghiệm mạng lưới gồm 25 nút ESL trong khuôn viên trường đại học để kiểm chứng độ bền gói tin, độ phủ sóng và thời lượng hoạt động thực tế.

Phạm vi và giới hạn

  • Băng tần hoạt động: Băng tần 915–923 MHz (tương thích quy chuẩn KR920/AS923 được cấp phép tại Việt Nam).
  • Quy mô thử nghiệm: Triển khai 25 thiết bị ESL thực tế kết nối về 1 Outdoor Gateway 16 kênh đặt tại tòa nhà trường đại học.
  • Nguồn cấp: Sử dụng pin cúc áo Lithium Manganese Dioxide ($2 \times \text{CR2032}$ mắc song song/nối tiếp danh định 3.0V–3.3V, dung lượng khoảng 440–480 mAh).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tiến hành thiết kế phần cứng, đề tài đã thực hiện khảo sát và so sánh chuyên sâu giữa các giải pháp ESL hiện có trên thị trường cũng như các công trình nghiên cứu tiền nhiệm.

Giải pháp / Sản phẩm Công nghệ truyền thông Tần số / Chuẩn Cự ly truyền thông Nguồn cấp / Dòng hoạt động Tuổi thọ pin ước tính Giá thành ước tính
OPTICON RE-294 NFC / RF Proprietary 13.56 MHz / 2.4 GHz 25m (Indoor) / 100m (Open) Pin Li-ion 135 mAh / Max 80 mA Cần sạc lại định kỳ Cao (Thương mại)
Minew ESL Tag Bluetooth Low Energy 2.4 GHz BLE 5.0 30m – 60m $2 \times \text{CR2450}$ (1200 mAh) ~5 năm ~$13.00 USD
Nghiên cứu Tú - Bình (UIT) Bluetooth Low Energy 2.4 GHz BLE 5.0 (nRF52810) < 20m Pin 3.3V (Chưa tối ưu năng lượng) Chưa đo đạc cụ thể Prototype
Nghiên cứu LoRa (PIC18F) LoRa Point-to-Point 433 MHz (SX1278) 8 km (Urban) LiMnO2 500 mAh / RX: 20.8 mA ~2 năm ~$12.00 USD
Giải pháp đề tài (ESL LoRa) LoRaWAN Class A 915–923 MHz (KR920/AS923) > 500m (Deep Indoor) / > 5km (Line-of-Sight) $2 \times \text{CR2032}$ / Sleep: 1.69 $\mu\text{A}$ 6.2 năm (1 lần/ngày) <$6.00 USD (Module)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must-have (Bắt buộc): Màn hình E-paper giữ nguyên hình ảnh khi mất nguồn; chế độ ngủ sâu $\le 10\text{ }\mu\text{A}$; hỗ trợ kích hoạt LoRaWAN OTAA/ABP; giao diện quản lý trên Losant.
  • Should-have (Nên có): Mạch ngắt nguồn vật lý cho màn hình hiển thị khi không cập nhật dữ liệu; thiết kế ăng-ten PCB/Spring nhỏ gọn; kích thước mạch trùng khớp viền màn hình 2.13 inch.
  • Could-have (Có thể có): Cảnh báo mức pin theo thời gian thực về Cloud Dashboard; hỗ trợ đa băng tần (KR920, AS923, EU868, US915).
  • Won't-have (Chưa thực hiện): Màn hình hiển thị màu 3 sắc tố (Đỏ/Vàng/Đen); tính năng định vị vị trí từng kệ hàng bằng sóng vô tuyến.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc tổng thể của hệ thống gồm 3 tầng chính:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              APPLICATION LAYER (Losant IoT)                       |
|  - Real-time Dashboard Monitoring (Battery, RSSI, SNR, Last Update Status)        |
|  - Price & Barcode Database Management Workflow                                   |
|  - MQTT Broker Connector (QoS 0/1/2 Integration)                                  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         ^
                                         | Secure MQTT / TLS 1.2
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              NETWORK LAYER (The Things Network - TTN)             |
|  - LoRaWAN Network Server v3 (OTAA Authentication, ADR, Downlink Queue)           |
|  - Gateway RAK7240 (16 Channels LoRa Concentrator, SX1302 Baseband)              |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         ^
                                         | LoRa RF (CSS Modulation, SF7-SF12, BW125kHz)
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              PHYSICAL LAYER (ESL Node Hardware)                   |
|  +-----------------------------------+   +-------------------------------------+  |
|  | Module RAK3172 (STM32WLE5CCU6)    |   | GoodDisplay 2.13" E-Paper Display   |  |
|  | - ARM Cortex-M4 @ 48 MHz          |<->| - Resolution: 250 x 122 (130 DPI)   |  |
|  | - 256 KB Flash, 64 KB SRAM        |   | - 4-wire SPI Interface              |  |
|  +-----------------------------------+   +-------------------------------------+  |
|                  ^                                           ^                    |
|                  | 3.3V (Always ON)                          | 3.3V (Switched)    |
|  +-----------------------------------+   +-------------------------------------+  |
|  | LDO 1: NCV8170 (Iq = 0.9 uA)      |   | LDO 2: NCV8170 (Controlled by EN)   |  |
|  +-----------------------------------+   +-------------------------------------+  |
|                  ^                                           ^                    |
|                  +---------------------+---------------------+                    |
|                                        |                                          |
|                         Battery: 2 x CR2032 (3.0V - 3.3V)                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế phần cứng và quản trị năng lượng

Bo mạch ESL được thiết kế trên phần mềm Altium Designer với các đặc tính kỹ thuật:

  • Khối xử lý trung tâm và RF: Module RAK3172 tích hợp vi điều khiển STM32WLE5CCU6 (ARM Cortex-M4 32-bit xung nhịp 48 MHz, 256 KB Flash, 64 KB RAM) kết hợp lõi thu phát Semtech SX126x. Mức tiêu thụ ở chế độ ngủ cực thấp chỉ 1.69 $\mu\text{A}$.
  • Khối hiển thị E-paper: Màn hình 2.13 inch của hãng GoodDisplay, độ phân giải $250 \times 122$, mật độ điểm ảnh 130 DPI, giao tiếp chuẩn 4-wire SPI (gồm các chân: SCLK, SDI/MOSI, D/C#, CS#, BUSY, RES#). Dòng tiêu thụ trạng thái tĩnh $< 0.01\text{ }\mu\text{A}$.
  • Khối quản lý nguồn kép (Dual LDO): Sử dụng 2 IC ổn áp NCV8170AMX330TCG (onsemi) có dòng tĩnh siêu nhỏ $I_q = 0.9\text{ }\mu\text{A}$, dòng chờ $I_{\text{stdby}} = 0.5\text{ }\mu\text{A}$ và dòng cấp tối đa 150 mA:
    • LDO 1: Cấp nguồn liên tục 3.3V cho module RAK3172 để duy trì bộ đếm thời gian RTC và trạng thái ngủ của vi điều khiển.
    • LDO 2: Cấp nguồn cho màn hình E-paper và mạch boost điện áp cao. Chân ENABLE của LDO 2 được nối trực tiếp vào một chân GPIO của vi điều khiển. Khi thiết bị ngủ, GPIO này kéo xuống mức LOW, ngắt hoàn toàn nguồn cấp cho khối E-paper, loại bỏ triệt để dòng rò qua màn hình.

Methodology

Quy trình phát triển hệ thống áp dụng mô hình phân kỳ kỹ thuật kết hợp (V-Model / Iterative Prototyping):

  • Giai đoạn 1 (Tháng 1 - Tháng 3): Khảo sát lý thuyết LoRa/LoRaWAN, phân tích các chuẩn màn hình E-paper và thiết kế mạch nguyên lý phiên bản 1 (vử dụng chip rời STM32WLE5C8U6).
  • Giai đoạn 2 (Tháng 4 - Tháng 5): Đánh giá thực nghiệm mạch v1, phát hiện và khắc phục các vấn đề tương thích vô tuyến, chuyển đổi thiết kế sang module RAK3172, gia công mạch PCB 2 lớp kích thước $60 \times 34\text{ mm}$.
  • Giai đoạn 3 (Tháng 6): Lập trình firmware điều khiển SPI, tích hợp ngăn xếp LoRaWAN RUI3 / AT Command, cấu hình Network Server TTN v3 và xây dựng Dashboard Losant.
  • Giai đoạn 4 (Tháng 7): Triển khai 25 thiết bị tại tòa nhà E, Trường Đại học Công nghệ Thông tin, đo kiểm dòng điện tĩnh/động bằng thiết bị phân tích chuyên dụng và đánh giá tỷ lệ rớt gói tin.

Implementation và kết quả

Development process

Trong giai đoạn đầu của dự án, nhóm nghiên cứu đã thiết kế phần cứng sử dụng vi điều khiển chip rời STM32WLE5C8U6 (UFQFPN48, $7 \times 7\text{ mm}$). Tuy nhiên, trong quá trình lập trình thực tế với STM32CubeMX và Keil C, hệ thống gặp lỗi nghiêm trọng: IRQ_RX_TX_TIMEOUT (Lỗi timeout cửa sổ nhận downlink sau khi gửi uplink LoRaWAN Class A).

// Trích xuất nhật ký lỗi Debug trên STM32WLE5C8U6:
4194303s770: TX on freq 922100000 Hz at DR 0
4194303s904: MAC txDone
4194303s970: MAC rxDone
4194303s971: PRE OK | SYNC OK | HDR OK
4194303s971: MAC rxTimeOut!
4194303s971: IRQ_RX_TX_TIMEOUT

Nguyên nhân do mạch phối hợp trở kháng RF rời và xung thạch anh TCXO của bo mạch tự thiết kế chưa đạt độ ổn định tần số tuyệt đối ở băng tần cao 920 MHz, khiến cửa sổ thu tín hiệu RX1/RX2 bị lệch pha thời gian.

Để đảm bảo tiến độ và tính ổn định công nghiệp, nhóm đã chuyển đổi sang module RAK3172 (trị giá $5.99 USD, rẻ hơn so với việc mua chip rời $6.66 USD cho lô số lượng nhỏ). Module này đã tích hợp sẵn mạch lọc RF, thạch anh bù nhiệt độ TCXO và bộ thư viện chuẩn RUI3 / AT Command tối ưu hóa giao tiếp UART/SPI.

Thuật toán điều khiển cập nhật màn hình và tối ưu năng lượng

#include "rak3172.h"
#include "epd_2in13.h"

// Quy trình đánh thức, cập nhật nội dung bảng giá và đưa thiết bị về Deep Sleep
void ESL_Update_Display_Sequence(uint8_t *frame_buffer) {
    // 1. Kích hoạt LDO2 để cấp nguồn cho mạch E-paper
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, EPD_PWR_EN_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10); // Chờ điện áp 3.3V ổn định
    
    // 2. Khởi tạo màn hình E-paper qua giao tiếp 4-wire SPI
    EPD_Init_4Wire_SPI();
    
    // 3. Ghi dữ liệu hình ảnh 250x122 pixel vào bộ nhớ Graphic RAM
    EPD_SendCommand(0x24); // Lệnh ghi dữ liệu RAM đen trắng
    for (uint16_t i = 0; i < EPD_BUFFER_SIZE; i++) {
        EPD_SendData(frame_buffer[i]); // Truyền byte dữ liệu qua chân SDI (MOSI)
    }
    
    // 4. Kích hoạt quy trình quét hiển thị hạt mực điện di
    EPD_SendCommand(0x20); // Master Activation
    EPD_WaitUntilIdle_High(EPD_BUSY_PIN); // Đợi chân BUSY về mức LOW
    
    // 5. Đưa IC điều khiển màn hình vào Deep Sleep Mode
    EPD_SendCommand(0x10); // Deep Sleep Command
    EPD_SendData(0x01);    // Giữ nguyên trạng thái hạt mực hiển thị
    
    // 6. Ngắt hoàn toàn nguồn cấp LDO2 để triệt tiêu dòng rò
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, EPD_PWR_EN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

[Khởi động] -> [Gửi LoRa Uplink báo trạng thái] -> [Mở cửa sổ nhận Downlink RX1/RX2]
                    |
          (Có dữ liệu giá mới?)
         /                      \
      [Có]                      [Không]
        |                          |
[Bật LDO 2 qua GPIO]               |
[Truyền dữ liệu SPI vào EPD]       |
[Kích hoạt hiển thị E-paper]       |
[Tắt LDO 2 (Cắt nguồn EPD)]        |
        \                          /
     [Vào chế độ LoRa Deep Sleep (< 2.6 uA)]

Testing và validation

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện đo kiểm tiêu thụ năng lượng chi tiết trên từng trạng thái hoạt động của thiết bị bằng đồng hồ đo chuyên dụng:

+------------------------------------+--------------------------+-------------------+
| Trạng thái hoạt động               | Dòng điện tiêu thụ (I)   | Thời gian thực thi|
+------------------------------------+--------------------------+-------------------+
| 1. Chế độ ngủ sâu (Deep Sleep)     | 2.59 uA (MCU + LDO)      | Chiếm 99.98% ngày |
| 2. Khởi động và xử lý lệnh         | 4.50 mA                  | 50 ms             |
| 3. Phát sóng LoRa Uplink (+14 dBm) | 18.20 mA                 | 120 ms            |
| 4. Thu sóng LoRa Downlink (RX1/RX2)| 4.82 mA                  | 1000 ms           |
| 5. Quét màn hình E-paper (Refresh) | 3.50 mA                  | 2200 ms           |
+------------------------------------+--------------------------+-------------------+

Công thức tính toán tuổi thọ pin thiết bị

Dung lượng khả dụng của 2 viên pin CR2032 là $C_{\text{bat}} = 440\text{ mAh}$. Năng lượng tiêu thụ trung bình mỗi ngày ($Q_{\text{day}}$) khi cập nhật $N$ lần/ngày:

$$Q_{\text{day}} = I_{\text{sleep}} \times (86400 - N \times t_{\text{active}}) + N \times (I_{\text{tx}} \times t_{\text{tx}} + I_{\text{rx}} \times t_{\text{rx}} + I_{\text{epd}} \times t_{\text{epd}})$$

  • Với tần suất cập nhật 1 lần/ngày:
    • Dòng tiêu thụ trung bình: $I_{\text{avg}} \approx 8.08\text{ }\mu\text{A}$.
    • Tuổi thọ pin lý thuyết: $T = \frac{440\text{ mAh}}{8.08\text{ }\mu\text{A} \times 24 \times 365} \approx \mathbf{6.21\text{ năm}}$.
  • Với tần suất cập nhật 2 lần/ngày: Tuổi thọ pin đạt 4.15 năm.
  • Với tần suất cập nhật 3 lần/ngày: Tuổi thọ pin đạt 3.12 năm.
Tuổi thọ pin thực nghiệm theo tần suất cập nhật:
[1 lần/ngày] |============================================================| 6.2 Năm
[2 lần/ngày] |========================================| 4.1 Năm
[3 lần/ngày] |==============================| 3.1 Năm

Kết quả đạt được

Hệ thống 25 nút ESL đã được lắp đặt phân tán tại 4 tầng thuộc Tòa nhà E, Trường ĐH Công nghệ Thông tin. Gateway RAK7240 (16 kênh, ăng-ten đẳng hướng 5 dBi) kết nối qua Ethernet lên Network Server TTN v3.

  • Độ tin cậy truyền dữ liệu: Tổng số 2,500 gói tin uplink/downlink được phát thử nghiệm; tỷ lệ nhận thành công (Packet Delivery Ratio) đạt 98.7% trong môi trường xuyên qua các tường bê tông và vật cản phòng thí nghiệm.
  • Chỉ số tín hiệu vô tuyến:
    • RSSI (Received Signal Strength Indicator): Dao động từ $-72\text{ dBm}$ (khoảng cách gần 15m) đến $-108\text{ dBm}$ (vị trí xa nhất 180m xuyên nhiều lớp tường).
    • SNR (Signal-to-Noise Ratio): Đạt từ $+8.5\text{ dB}$ đến $-4.2\text{ dB}$, bảo đảm giải mã chính xác gói tin mà không cần truyền lại nhiều lần.
  • Tính năng giao diện Losant: Đồng bộ hóa dữ liệu từ Web Dashboard tới nhãn hiển thị E-paper với độ trễ phản hồi trung bình < 3.8 giây.

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc phần cứng quản lý nguồn phân vùng (Dual-domain Power Architecture): Đề xuất giải pháp sử dụng 2 LDO độc lập kết hợp cơ chế ngắt nguồn vật lý cho khối hiển thị E-paper thông qua chân GPIO Enable. Giải pháp này giúp cắt giảm 99.5% dòng rò tĩnh so với các thiết kế bảng giá điện tử thông thường chỉ dùng chế độ Standby của IC driver màn hình.
  2. Ứng dụng công nghệ LoRa SoC thế hệ mới: Thay thế cấu trúc ghép nối truyền thống giữa MCU và module RF rời bằng giải pháp tích hợp System-on-Chip (RAK3172 / STM32WLE5CCU6), giảm diện tích bo mạch đi 42% và giảm chi phí sản xuất phần cứng xuống dưới $6.00 USD/nút.
  3. Mô hình kết nối chuẩn mở loại bỏ Vendor Lock-in: Sử dụng hoàn toàn hạ tầng tiêu chuẩn mở LoRaWAN v1.0.3, The Things Network v3 và giao thức truyền tin công nghiệp MQTT. Khác với các hệ thống ESL thương mại đóng kín (như SES-imagotag hay Pricer), giải pháp này cho phép doanh nghiệp dễ dàng tích hợp trực tiếp vào hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu POS/ERP sẵn có mà không phải trả phí bản quyền phần mềm độc quyền hàng năm.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong thực tế

  • Siêu thị thông minh & Chuỗi bán lẻ tiện lợi: Tự động hóa chiến lược định giá linh hoạt (Dynamic Pricing) theo thời gian thực (ví dụ: tự động giảm giá 20% cho thực phẩm tươi sống sau 19h00 hàng ngày chỉ bằng 1 thao tác trên máy chủ trung tâm).
  • Quản lý kho vận và Logistics (Smart Warehousing): Gắn nhãn lên các vị trí ô kệ pallet chứa hàng; nhãn điện tử hiển thị mã SKU, số lượng tồn kho và cập nhật tự động khi có lệnh xuất nhập kho.
  • Nhà thuốc và kho lạnh y tế: Kết hợp hiển thị hạn sử dụng thuốc, nguồn gốc xuất xứ và kiểm soát tồn kho dược phẩm chính xác.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI CHO DOANH NGHIỆP                       |
|                                                                                   |
|  [Tuần 1-2] Khảo sát hiện trường (Site Survey), kiểm tra độ suy hao RF            |
|       |                                                                           |
|  [Tuần 3]   Lắp đặt trạm Gateway RAK7240 (Bán kính phủ sóng 1-2 km)               |
|       |                                                                           |
|  [Tuần 4-5] Đăng ký danh mục thiết bị (DevEUI, AppKey) lên hệ thống TTN Server    |
|       |                                                                           |
|  [Tuần 6]   Tích hợp RESTful API / MQTT kết nối Losant với cơ sở dữ liệu POS/ERP  |
|       |                                                                           |
|  [Tuần 7+]  Gắn nút ESL lên ray kệ hàng và vận hành tự động                      |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Với một siêu thị quy mô vừa trang bị 5,000 nhãn giá:
    • Chi phí in ấn và nhân công thay bảng giá giấy trung bình: ~35,000,000 VNĐ/tháng.
    • Tổng chi phí đầu tư hệ thống ESL LoRa (5,000 node + 2 Gateway Outdoor + Triển khai): ~450,000,000 VNĐ.
    • Thời gian thu hồi vốn (Payback Period): Khoảng 12.8 tháng. Thiết bị hoạt động ổn định trên 6 năm mang lại lợi ích tài chính và thương hiệu vượt trội.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ trễ truyền nhận Downlink ở Class A: Do thiết bị hoạt động ở Class A để tiết kiệm pin tối đa, lệnh cập nhật giá từ máy chủ chỉ được gửi xuống sau khi có gói tin Uplink định kỳ từ nút ESL, dẫn đến việc không thể cập nhật tức thời theo thời gian thực từng giây.
  • Giới hạn màu sắc hiển thị: Màn hình sử dụng trong đề tài là loại E-paper 2 màu Đen - Trắng, chưa hỗ trợ màu Đỏ hoặc Vàng để làm nổi bật các thông tin giảm giá sốc.
  • Băng thông truyền ảnh: Do băng thông LoRa hẹp, việc truyền tải toàn bộ dữ liệu bitmap ảnh thô (gần 3.8 KB) đòi hỏi thuật toán phân mảnh gói tin (fragmentation) và nén dữ liệu.

Hướng nghiên cứu và phát triển

  1. Chuyển đổi linh hoạt Class A / Class B: Nghiên cứu cơ chế đồng bộ hóa thời gian định kỳ bằng Beacon để mở các cửa sổ nhận tín hiệu (Ping Slots) ở Class B, giúp rút ngắn độ trễ cập nhật xuống dưới 30 giây mà vẫn đảm bảo tuổi thọ pin trên 4 năm.
  2. Nâng cấp màn hình 3 màu (B/W/Red): Ứng dụng tấm nền E-paper 3 sắc tố giúp tăng cường hiệu quả tiếp thị tại điểm bán lẻ.
  3. Thu hoạch năng lượng (Energy Harvesting): Tích hợp tế bào pin quang điện siêu nhỏ hấp thụ ánh sáng đèn LED trong nhà (Indoor Solar Cell) để tạo ra thiết bị tự cấp nguồn vĩnh cửu không cần thay pin.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Nghiên cứu sinh: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về thiết kế mạch vi điều khiển LoRa SoC STM32WL, kỹ thuật điều khiển màn hình E-paper qua chuẩn SPI và phương pháp đo kiểm tối ưu năng lượng vi mô.
  • Kỹ sư nhúng & IoT Developer: Nắm bắt kiến trúc tích hợp hệ thống hoàn chỉnh từ phần cứng biên (Edge Hardware) đến máy chủ The Things Network và nền tảng đám mây Losant qua MQTT.
  • Doanh nghiệp bán lẻ & Quản lý chuỗi cửa hàng: Sở hữu phương án công nghệ khả thi, chi phí thấp để tự động hóa toàn diện quy trình niêm yết giá, giảm thiểu sai sót vận hành và cắt giảm chi phí nhân sự.
  • Cộng đồng nguồn mở: Đóng góp mô hình thiết kế bảng giá điện tử sử dụng module RAK3172 với đầy đủ sơ đồ nguyên lý mạch nguồn tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng để triển khai hệ thống ESL LoRa là gì?

Hệ thống yêu cầu các nút ESL trang bị vi điều khiển tích hợp LoRa (như RAK3172/STM32WLE5), màn hình E-paper 2.13 inch giao tiếp SPI, nguồn pin 3.0V–3.3V và tối thiểu một trạm thu phát Gateway chuẩn LoRaWAN 8 kênh hoặc 16 kênh (ví dụ RAK7240/SX1302) có kết nối Internet qua LAN/4G.

2. Hệ thống LoRaWAN có bị nghẽn mạng khi hàng nghìn bảng giá cùng nhận dữ liệu không?

Giao thức LoRaWAN sử dụng cơ chế trải phổ không trực giao kết hợp thuật toán điều chỉnh tốc độ dữ liệu thích ứng (Adaptive Data Rate - ADR) trên nhiều kênh tần số khác nhau. Hệ thống phân chia lịch trình gửi dữ liệu ngẫu nhiên (pseudo-random delay) cho các nút, giúp hạn chế xung đột và đảm bảo khả năng mở rộng lên đến 5,000–10,000 nút trên mỗi Gateway.

3. Làm thế nào để tích hợp hệ thống ESL vào phần mềm bán hàng POS hiện có?

Losant IoT Platform cung cấp sẵn các giao diện kết nối Webhook và RESTful API. Khi có thay đổi giá trên phần mềm POS, hệ thống POS chỉ cần gửi một HTTP POST request chứa mã sản phẩm (barcode) và giá mới (price) tới Losant, luồng Workflow tự động định tuyến gói tin mã hóa xuống nút ESL tương ứng qua TTN MQTT Broker.

4. Chi phí bảo trì pin và quy trình thay thế có phức tạp không?

Nhờ thiết kế tối ưu dòng tĩnh xuống mức $2.59\text{ }\mu\text{A}$, thiết bị đạt tuổi thọ lên tới 6.2 năm với tần suất cập nhật 1 lần/ngày. Khi hết pin, khay pin cúc áo $2 \times \text{CR2032}$ dạng trượt phía sau vỏ hộp cho phép nhân viên siêu thị thay thế nhanh chóng chỉ trong 10 giây mà không cần tháo rời bo mạch.

5. Thời gian thu hồi vốn đầu tư (ROI) của hệ thống kéo dài bao lâu?

Đối với một siêu thị quy mô 5,000 sản phẩm, việc loại bỏ hoàn toàn chi phí in ấn nhãn giấy, mực in và tiết kiệm 3–4 nhân sự phụ trách thay nhãn giá định kỳ giúp doanh nghiệp đạt điểm hòa vốn trong vòng 11 đến 14 tháng.

Kết luận

Đề tài khóa luận "Nghiên cứu và thiết kế bảng giá điện tử ứng dụng trong siêu thị thông minh dựa trên công nghệ LoRa" của nhóm tác giả Lê Xuân Minh và Trần Quốc Sơn đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra:

  • Thiết kế, chế tạo thành công thiết bị phần cứng ESL nhỏ gọn, tích hợp màn hình E-paper 2.13 inch và module vi điều khiển LoRa SoC RAK3172 (STM32WLE5CCU6).
  • Đột phá trong giải pháp quản trị năng lượng thông minh với cấu trúc Dual LDO NCV8170, đưa dòng tiêu thụ ở chế độ nghỉ sâu xuống mức ấn tượng 2.59 $\mu\text{A}$, kéo dài tuổi thọ hoạt động của thiết bị lên tới 6.2 năm.
  • Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi truyền thông hai chiều bảo mật từ thiết bị đầu cuối qua Gateway RAK7240, Network Server TTN v3 đến nền tảng đám mây Losant IoT qua giao thức MQTT.
  • Triển khai thực nghiệm thành công mạng lưới 25 thiết bị thực tế với tỷ lệ truyền nhận dữ liệu đạt 98.7% trong môi trường vật cản phức tạp.

Công trình khẳng định tính khả thi cao, mở ra hướng ứng dụng công nghệ IoT hiện đại, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp cho ngành bán lẻ thông minh và đô thị thông minh tại Việt Nam.