1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Hệ thống được thiết kế để điều khiển và hiển thị thông tin trên bảng LED Matrix thông qua mạng Wi-Fi. Các thành phần chính gồm vi điều khiển ESP8266, LED Matrix 7219, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, nguồn 5 V và hệ thống MQTT. ESP8266 đóng vai trò khối xử lý trung tâm, tiếp nhận dữ liệu từ MQTT Broker và cảm biến, sau đó xử lý và điều khiển LED Matrix hiển thị thông tin.

Theo cấu trúc của hệ thống, khối nguồn cung cấp điện cho các khối; khối thu thông tin nhận lệnh điều khiển không dây; khối xử lý tiếp nhận và thực thi lệnh, đồng thời điều khiển LED Matrix và tạo hiệu ứng cuộn văn bản. Đối với chức năng giám sát môi trường, DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm rồi cung cấp dữ liệu cho khối xử lý để hiển thị.

Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống

Trong cơ chế truyền thông, MQTT Broker hoạt động như trung tâm trung gian nhận và chuyển tiếp thông tin giữa thiết bị phát (điện thoại, máy tính) và ESP8266. Người dùng gửi nội dung cần hiển thị, ESP8266 nhận dữ liệu, xử lý và truyền kết quả đến LED Matrix. Cách tổ chức này cho phép thay đổi nội dung hiển thị mà không cần thao tác trực tiếp trên bảng LED.

Về phần cứng, LED Matrix 7219 được kết nối với ESP8266 qua các đường tín hiệu DIN, CLK và CS. Chân DIN nối D7 để truyền dữ liệu; CLK nối D5 để đồng bộ dữ liệu; CS nối D4 để lựa chọn mạch LED Matrix. DHT11 cung cấp dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm cho ESP8266. Phần mềm được xây dựng theo trình tự khởi tạo hệ thống, kết nối Wi-Fi và MQTT, nhận dữ liệu, xử lý và điều khiển LED Matrix.

2. THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM

Sau khi hoàn thành thiết kế, mô hình được lắp ráp và tiến hành kiểm tra các chức năng thực tế. Mô hình sản phẩm bao gồm module LED Matrix 7219 loại 4 LED và 8 LED, ESP8266, nguồn 5 V và cảm biến DHT11. Các linh kiện được bố trí đúng vị trí, đúng chiều và lắp ráp chắc chắn. Chương trình điều khiển được nạp vào vi điều khiển trước khi tiến hành khảo sát các chức năng của hệ thống.

Hình 2. Mô hình phần cứng thực tế hoàn chỉnh

Chức năng đầu tiên được kiểm tra là điều khiển nội dung từ xa. Sau khi kết nối MQTT, người dùng thực hiện Publish nội dung cần hiển thị. Dữ liệu được truyền đến ESP8266, xử lý và đưa đến LED Matrix 7219. Kết quả thử nghiệm cho thấy nội dung được gửi từ MQTT đều được hiển thị đúng trên bảng LED.

Qua nhiều lần thử nghiệm, thời gian truyền dữ liệu hoàn tất dao động từ 13 s đến 18 s, giá trị trung bình khoảng 15,5 s. Thời gian trễ phụ thuộc vào độ dài ký tự cần hiển thị và tốc độ nhận thông tin Publish của đường truyền. Mặc dù còn tồn tại độ trễ, các lần kiểm tra đều cho kết quả nội dung hiển thị đúng với thông tin đã gửi.

Chức năng thứ hai là hiển thị giờ, nhiệt độ và độ ẩm. DHT11 thực hiện đo các thông số môi trường, ESP8266 tiếp nhận và xử lý dữ liệu, sau đó cập nhật thông tin lên LED Matrix. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể hiển thị thời gian, nhiệt độ và độ ẩm trên bảng LED theo đúng chức năng đã thiết kế.

3. ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau quá trình thiết kế, thi công và thử nghiệm, mô hình đã thực hiện được các chức năng chính gồm hiển thị nội dung được điều khiển từ xa, hiển thị thời gian và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm. Hệ thống hoạt động theo đúng nguyên lý đã xây dựng; dữ liệu Publish từ MQTT có thể truyền đến ESP8266 và được hiển thị trên LED Matrix.

Mô hình đáp ứng các yêu cầu cơ bản của đề tài. ESP8266 thực hiện vai trò xử lý trung tâm và kết nối Wi-Fi; LED Matrix 7219 thực hiện chức năng hiển thị; DHT11 cung cấp dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm. Việc sử dụng MQTT giúp người dùng có thể thay đổi nội dung hiển thị từ xa thông qua thiết bị kết nối mạng.

Ưu điểm của hệ thống là sử dụng các linh kiện phổ biến, dễ tìm kiếm và có khả năng mở rộng. ESP8266 hỗ trợ kết nối Wi-Fi, giao tiếp với MQTT và điều khiển LED Matrix. Hệ thống cho phép thay đổi nội dung trực tuyến, phù hợp với các ứng dụng bảng thông tin điện tử quy mô nhỏ. Bên cạnh đó, hệ thống vẫn còn một số hạn chế. Kích thước và độ phân giải của bảng LED còn nhỏ; dữ liệu đôi khi có thể bị gián đoạn và thời gian truyền dữ liệu còn khá lớn. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ trễ trung bình khoảng 15,5 s, do đó hệ thống chưa phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cập nhật thông tin với tốc độ rất cao.