Master's Thesis

Advanced RGB LED display unit control

Final Thesis 4.58 MB Appendix 194.53 kB

Author of thesis: Bc. Ondřej Janíček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D.

Reviewer: Ing. Matěj Turinský

Abstract:

This master's thesis focuses on the architectural design of a modular LED display board utilizing WS2812B addressable RGB LEDs. The primary objective is to develop a system capable of smoothly displaying complex visual content, including real-time animations and video, while offering remote control and configuration via a wireless Wi-Fi interface. The thesis encompasses both software and hardware architecture designs.

The software architecture comprises a Qt-based application used for system configuration and managing display data transmission. An ESP32-S3 microcontroller serves as the main control unit, communicating with the Qt application via UDP over Wi-Fi. This UDP communication is split into two main categories: the transmission of control commands via ASCII instructions, and the transmission of LED packets carrying the visual data. To drive the display, the ESP32-S3 utilizes 14 independent channels and the FastLED library.

The hardware configuration consists of 16x16 pixel WS2812B LED matrices. The final display board is composed of 28 of these panels arranged in a 7:4 layout, resulting in a total resolution of 112x64 pixels. The LED matrices are mounted onto an aluminum plate using thermally conductive tape, which simultaneously serves as a passive heat sink. The system is powered by a power supply with nominal ratings of 5 V and 300 A. The modular panels are connected in vertical pairs, enabling a refresh rate of 65 fps. The functionality of the entire proposed system was successfully verified on a fully operational prototype.

Keywords:

LED display, WS2812B, ESP32, WiFi, real-time transmission, video streaming, embedded systems, power systems, network communication, UDP.

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy týkající se komunikačního rozhraní, funkce aplikace a hardwarová konfigurace LED panelů.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Peter Honec, Ph.D. (člen)
Ing. Ilona Janáková, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Klusáček, Ph.D. (člen)
Ing. Miloslav Richter, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D.

Student měl za úkol navrhnout a zrealizovat zobrazovaní LED panel vybavený digitálně ovládanými inteligentním RGB LED zobrazovači. Vlastní realizace byla zaměřena na tvorbu koncepce, HW řešení, programové vybavení  a datovou komunikaci tak, aby bylo možné přehrávat na LED zobrazovači video.
Student navrhnul koncepci zobrazovače. Provedl analýzu zobrazovacích prvků, možnosti jejich napájení a ovládání. Na základě této analýzy student navrhnul napájecí obvody a obvody řídicí elektroniky. Vzhledem k výraznému ztrátovému výkonu při zobrazování student věnoval zvýšené úsilí mechanické konstrukci a chlazení celého LED panelu. Pro zobrazování student analyzoval a navrhnul programovatelné vybavení, které umožňuje zobrazení na LED panelu včetně přehrávání videa.
Student pracoval samostatně a využíval ve vhodné míře odborné konzultace. Z časového hlediska byl student schopen splnit body zadání a zrealizovat celý LED panel. Bohužel technické stránka předložené textové části diplomové práce je na nižší úrovni. Text obsahuje vetší množství chyb, překlepů, chybějících názvů tabulek, přetékajících textů mimo stránku a podobně. Toto bohužel snižuje navrhnuté hodnocení. Přesto považuji práci za zdařilou a navrhuji ji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 78

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Matěj Turinský

Práce se zabývá návrhem a realizací velkoplošného displeje vytvořeného pomocí bloků maticově zapojených programovatelných LED WS2812B.
V první kapitole se zaměřuje na analýzu existujících řešení, které je možné použít při práci s programovatelnými LED WS2812B. Konkrétně práce zmiňuje volně dostupné knihovny WLED, FastLED a Adafruit Neopixel a protokoly Art-Net a sACN používaných pro komerčně dostupné LED panely. Následuje bližší popis zapojení a způsobu a rychlosti komunikace s LED WS2812B. Tento popis je věcný a to až na ojedinělé nejednoznačné výrazy (kapitola 1.1.1 “pokročilá matematika barev”). Dále se teoretický úvod zaobírá “worst-case” požadavky na napájecí obvody a vodiče použitých 16x16 LED modulů a možnosti jejich chlazení a podrobný výběr vhodného řídícího mikrokontroleru a použitých knihoven a způsobů síťové komunikace.
Druhá kapitola se zaměřuje na SW a je rozdělena do několika podkapitol popisující jak uživatelskou desktopovou aplikaci implementovanou pomocí frameworku Qt, tak i FW pro vybraný mikrokontroler ESP32-S3 a komunikaci mezi nimi rozdělenou do obrazových a konfiguračních (tzv. ASCII) UDP paketů. Implementace je srozumitelně popsána a samotné zdrojové kódy přehledné, i když by mohly být strukturované do více souborů.
Třetí kapitola je následně zaměřená na HW LED panelu. Stěžejní částí této kapitoly je měření skutečného proudu LED v závislosti na požadovaném jasu z důvodu nejednoznačnosti v dokumentaci WS2812B. V rámci měření proudu LED byla určena i jeho nejistota, ale při jejím výpočtu dochází k záměně nejistoty typu B a kombinované nejistoty nepřímého měření. Samotné hodnoty proudu je ale správná a je dále použita pro návrh konkrétních rozměrů respektive rozlišení LED panelu na 112x64 a tomu odpovídajících napájecích obvodů a konstrukce. Závěr kapitoly pak popisuje testování funkčního prototypu a odhalené nedostatky v nastavení komunikace a jejich řešení.
Po formální stránce je text práce na dobré úrovni. Nicméně v některých místech dochází k přetečení textu (rovnice 3.7, kapitola 1.2.1 poznámka pod čarou) a zejména v úvodu jsou používána nejednoznačná pojmenování, která jsou vysvětlena až v navazujícím textu práce. Množství a druh literatury považuji za odpovídající typu práce, s výjimkou podkapitol popisujících framework Qt použitý pro implementaci desktopové aplikace.
I přes mírné nedostatky se student dokázal zorientovat v dané problematice a vytvořit LED panel s parametry vyhovující zadání diplomové práce. Do obhajoby doporučuji zahrnout ukázku funkčnosti výsledného LED panelu.
Celkově práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení 84 bodů (B). Topics for thesis defence:
  1. 1) Při výběru vodičů uvažujete konstantní rezistivitu při teplotě 20 °C. Bylo ověřována zda se tato teplota nebude při chodu panelu zvyšovat popřípadě bylo provedeno měření oteplení LED panelu?
  2. 2) Byla u napájecích vodičů zohledněna kromě činného odporu i jejich indukčnost a mohla by mít významnější vliv na kolísání napájecího napětí?
  3. 3) V kapitole týkající se implementace FW pro ESP-S3 zdůvodňujete použití knihovny FastLED nedostatkem RMT (Remote Control Transceiver), který FastLED řeší využitím sběrnice I2S/LCD. Jak tato sběrnice funguje při komunikaci s WS2812B?
  4. 4) Jak je zajištěna deklarovaná synchronizace (závěr kapitoly 2.1) videa mezi LED panelem a desktopovou aplikací?
Points proposed by reviewer: 84

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová