(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình đếm và phân loại sản phẩm theo cân nặng, màu sắc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.13 MB, 118 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ
HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO
CÂN NẶNG, MÀU SẮC
GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH1: PHẠM THỊ THANH THẢO
MSSV: 15141284
SVTH2: PHAN TRẦN HOÀI VŨ
MSSV:15141333
SKL 0 0 6 1 1 0
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2019
do an
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG
MƠ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC
GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH:
1. PHẠM THỊ THANH THẢO 15141284
2. PHAN TRẦN HOÀI VŨ 15141333
Tp. Hồ Chí Minh – 06/2019
do an
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI
CƠNG MƠ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN
LOẠI SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG,
MÀU SẮC
GVHD: ThS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH:
1. PHẠM THỊ THANH THẢO 15141284
2. PHAN TRẦN HỒI VŨ 15141333
Tp. Hồ Chí Minh – 07/2019
do an
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----
SINH
Tp. HCM, ngày tháng năm 2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Phạm Thị Thanh Thảo
MSSV: 15141284
Phan Trần Hoài Vũ
MSSV: 15141333
Chuyên ngành:
Điện tử cơng nghiệp
Mã ngành:
41
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:
2015
Lớp:
15141DT2A
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ĐẾM
VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
(ghi những thơng số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh, …) ..............................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Nội dung thực hiện:
(ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) ........................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
i
do an
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
18/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
10/06/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Nguyễn Đình Phú
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM.
ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
ii
do an
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
NAM
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
SINH
----o0o----
Tp. HCM, ngày tháng năm 2019
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Phạm Thị Thanh Thảo
Lớp: 1514DT2A ............................................................ MSSV: 15141284
Họ tên sinh viên 2: Phan Trần Hoài Vũ
Lớp: 1514DT2A ............................................................ MSSV: 15141333
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI
SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC.
Tuần/ngày
Tuần 1
Nội dung
Xác nhận GVHD
Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài.
(18-24/02/2019)
Tuần 2
Tìm hiểu hướng làm đề tài, chọn vi xử lý điều
(25-03/03/2019)
khiển, ngơn ngữ lập trình.
Tuần 3
Tìm hiểu Raspberry Pi 3 mode B và ngơn ngữ lập
(04-10/03/2019)
trình Python
Tuần 4
Tiến hành lập trình nhận diện phân loại màu sắc.
(11-17/03/2019)
Tuần 5
Hồn chỉnh phân loại màu sắc, lập trình phân loại
(18-24/03/2019)
cân nặng
Tuần 6, 7, 8
Tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn bộ hệ
(25-14/04/2019)
thống.
iii
do an
Tuần 9, 10, 11,
Chạy thử nghiệm hệ thống và hiệu chỉnh sao cho
12
hệ thống hoạt động ổn định
(15-12/05/2019)
Tuần 13, 14, 15
Hoàn chỉnh báo cáo
(13-02/06/2019)
03/06/2019
Hoàn thành nhiệm vụ đồ án
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iv
do an
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi cơng mơ hình đếm và phân loại sản phẩm
theo cân nặng và màu sắc” là nhóm đề tài tự thực hiện dựa vào tham khảo một số tài
liệu trước đó và khơng sao chép từ tài liệu hay cơng trình nào khác.
Người thực hiện đề tài
Phạm Thị Thanh Thảo
Phan Trần Hoài Vũ
v
do an
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nhóm đề tài xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn
Đình Phú - giảng viên khoa Điện-Điện tử, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM
đã theo sát hỗ trợ và hướng dẫn nhóm một cách chi tiết trong q trình thực hiện đề
tài. Thầy ln hỗ trợ hết mình, giải đáp thắc mắc, chỉ ra sai sót cũng như gợi ý những
phương án thực hiện sao cho khả thi và dễ tiếp cận nhất.
Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy(cơ) trong khoa Điện-Điện tử đã
tận tình giải đáp thắc mắc, nguyện vọng trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm.
Sự hỗ trợ của q thầy(cơ) đóng góp một phần khơng nhỏ vào thành cơng ngày hơm
nay.
Nhóm đề tài cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa Điện-Điện tử đã
nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nhóm, đặc biệt là tập thể lớp 15141DT2A. Những đóng góp
của các bạn ln được nhóm tiếp nhận và đánh giá cao.
Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cha, Mẹ - những người
luôn bên cạnh hỗ trợ hết mình về tài chính cũng như tinh thần trong suốt những năm
tháng qua.
Thành công của đề tài ngày hôm nay chính là một phần đóng góp to lớn của
mọi người. Một lần nữa, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô,
bạn bè và quý phụ huynh đã hỗ trợ nhóm thực hiện đề tài hoàn chỉnh.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Phạm Thị Thanh Thảo
Phan Trần Hoài Vũ
vi
do an
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ....................................................................................................x
LIỆT KÊ BẢNG BIỂU ........................................................................................... xiii
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU .................................................................................................... 2
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 2
1.4. GIỚI HẠN ..................................................................................................... 3
1.5. BỐ CỤC ........................................................................................................ 3
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................5
2.1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH .................................................................. 5
2.1.1.
Giới thiệu về xử lý ảnh ...........................................................................5
2.1.2.
Những vấn đề xử lý ảnh[2] .....................................................................7
2.1.3.
Ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV ................................................11
2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC, CÂN
NẶNG .................................................................................................................... 12
2.2.1.
Các màu sắc cơ bản của sản phẩm ........................................................13
2.2.2.
Phương pháp phân loại theo màu sắc ...................................................18
2.2.3.
Phương pháp phân loại theo cân nặng ..................................................18
2.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 19
2.3.1.
Raspberry Pi 3 model B [5] ..................................................................19
2.3.2.
USB Camera .........................................................................................22
2.3.3.
Cảm biến cân nặng ................................................................................23
2.3.4.
Xi-lanh khí nén (air cylinder)[7]...........................................................26
2.3.5.
Van điện từ (solenoid) ..........................................................................28
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .................................................................30
3.1. TỔ CHỨC CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG ........................................... 30
3.2. THIẾT KẾ CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG ........................................... 31
vii
do an
3.2.1.
Khối thu tín hiệu hình ảnh (camera) .....................................................31
3.2.2.
Khối thu tín hiệu cân nặng (loadcell) và khối ADC (module HX711).34
3.2.3.
Khối xử lý trung tâm (Raspberry Pi 3) .................................................36
3.1.1.
Động cơ DC; Xi-lanh và Van điện từ ...................................................37
3.1.2.
Khối hiển thị .........................................................................................45
3.1.3.
Khối nguồn ...........................................................................................45
3.1.4.
Sơ ngun lý tồn mạch........................................................................49
Chương 4: THI CƠNG HỆ THỐNG ........................................................................50
4.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 50
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 50
4.2.1.
Thi cơng board mạch ............................................................................50
4.4.2.
Lắp ráp và kiểm tra ...............................................................................51
4.3
ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH .................................................... 54
4.4
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................... 56
4.4.1
Lưu đồ giải thuật ...................................................................................56
4.4.2
Giao diện hệ thống ................................................................................63
4.5
VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ........................ 64
Chương 5.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ...........................................76
5.1. KẾT QUẢ TỔNG QUAN ........................................................................... 76
5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .............................................................................. 77
5.2.1.
Giao diện hiển thị Tkinter. ....................................................................77
5.2.2.
Giao diện Web và Cơ sở lưu trữ dữ liệu Realtime Database. ...............78
5.2.3.
Kết quả mô hình thực tế ........................................................................79
5.2.4.
Kết quả thực nghiệm .............................................................................83
5.3. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ......................................................................... 84
5.3.1.
Nhận xét kết quả đạt được ....................................................................84
5.3.2.
Đánh giá kết quả ...................................................................................86
Chương 6: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................87
6.1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 87
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 88
viii
do an
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................89
PHỤ LỤC ..................................................................................................................90
ix
do an
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2. 1. Giới thiệu về xử lý ảnh ...............................................................................5
Hình 2. 2 Quá trình xử lý ảnh .....................................................................................6
Hình 2. 3 Các lân cận ảnh ...........................................................................................9
Hình 2. 4 Các trường hợp biên ..................................................................................11
Hình 2. 5 Mơ hình màu khơng gian màu RGB. ........................................................14
Hình 2. 6 Mơ hình màu HSV ....................................................................................15
Hình 2. 7. Dải màu sắc (H) trong hệ màu HSV ........................................................16
Hình 2. 8 Sắc đỏ hoặc đỏ hồng chiếm trên 90% diện tích bề mặt quả (quả đỏ) .......17
Hình 2. 9 Sắc vàng hoặc cam chiếm 30÷90% diện tích bề mặt quả (quả cam) .......17
Hình 2. 10. Sắc lục chiếm hầu như toàn bộ bề mặt quả (quả xanh) .........................18
Hình 2. 11 Raspberry Pi 3 Model B ..........................................................................19
Hình 2. 12 Sơ đồ Raspberry Pi3 model B .................................................................20
Hình 2. 13. USB camera cho Raspberry Pi ...............................................................22
Hình 2. 14 Sơ đồ khối USB Camera Raspberry Pi ...................................................23
Hình 2. 15 Loadcell cân nặng ngồi thực tế..............................................................24
Hình 2. 16. Loadcell cảm nhận sự thay đổi của tải (dây điện trở strain gauges) và
chuyển thành những tín hiệu điện. ............................................................................25
Hình 2. 17 Xi-lanh khí nén (air cylinder) ..................................................................26
Hình 2. 18 Cấu tạo chính của một xi-lanh khí nén. ...................................................27
Hình 2. 19 Van điện từ điều khiển xi-lanh. ...............................................................29
Hình 3. 1. Sơ đồ khối hệ thống
30
Hình 3. 2 Sơ đồ kết nối module camera USB với Raspberry Pi qua 1 hub
32
Hình 3. 3. Đèn led K3E19-3 dùng để ổn định nguồn sáng trắng
32
Hình 3. 4 Sơ đồ bố trí buồng chụp ảnh (nhìn từ trên xuống)
33
Hình 3. 5 Sơ đồ bố trí buồng chụp ảnh (nhìn từ mặt bên)
33
Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý module ADC HX711 (ảnh từ datasheet AVIA
Semiconductor)
35
Hình 3. 7. Hình ảnh thực tế module HX711
35
Hình 3. 8 Sơ đồ kết nối loadcell, HX711 với Raspberry Pi 3
36
Hình 3. 9 Sơ đồ các cổng ngoại vi sử dụng
36
Hình 3. 10 Động cơ DC và trục quay băng tải
38
Hình 3. 11. Động cơ giảm tốc DC 12V JGB37-3530
38
Hình 3. 12. Nguyên lý làm việc của PWM – Điều chế độ rộng xung.
39
Hình 3. 13. Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM dùng IC
555
40
Hình 3. 14. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ
41
Hình 3. 15. Hình ảnh thực tế Module PWM 12-40VDC/10A
42
Hình 3. 17 Sơ đồ kết nối module PWM và động cơ DC
43
x
do an
Hình 3. 18 Sơ đồ bố trí các xi-lanh và cảm biến tiệm cận trên băng tải
Hình 3. 19. Nguồn 5V 2.5A cung cấp cho Raspberry Pi
Hình 3. 20 . Nguồn 5V 1.5 A cung cấp cho board mạch chính
Hình 3. 21. Nguồn 12V 5A cung cấp cho băng tải
Hình 3. 22. Nguồn 24V 5A cung cấp cho van điện từ
Hình 3. 23. Mạch điện sơ đồ ngun lý tồn mạch
43
47
47
48
48
49
Hình 4. 1. Mạch PCB board mạch chính của hệ thống .............................................51
Hình 4. 2. Van khí nén được kết nối với xi-lanh thơng qua hệ thống dây dẫn khí ...52
Hình 4. 3. Động cơ DC kéo trục quay băng tải nhờ hệ thống bánh răng và dây đai.
...................................................................................................................................52
Hình 4. 4. Loadcell được đặt ở mặt dưới của băng chuyền ......................................53
Hình 4. 5. Buồng chụp ảnh nhìn từ trên cao .............................................................53
Hình 4. 6. Buồng chụp ảnh nhìn từ phía dưới lên trên ..............................................54
Hình 4. 7. . Bố trí và lắp đặt các module, board mạch chính, kit Raspberry Pi 3 .....55
Hình 4. 8. Hệ thống sau khi được thi cơng hồn thiện..............................................56
Hình 4. 9. Lưu đồ hoạt động của hệ thống ................................................................57
Hình 4. 10. Lưu đồ chụp và lưu ảnh .........................................................................59
Hình 4. 11. Lưu đồ chương trình con xử lý ảnh........................................................60
Hình 4. 12. So sánh và dán nhãn phân loại ...............................................................62
Hình 4. 13. Giao diện hoạt động của chương trình chính .........................................63
Hình 4. 14. Giao diện Web của hệ thống ..................................................................63
Hình 4. 15. Giao diện firebase lưu dữ liệu của hệ thống ..........................................64
Hình 4. 16. Đèn báo hiệu của Raspberry Pi sáng lúc mới cấp nguồn .......................65
Hình 4. 17. Đèn led của buồng chụp ảnh sáng lúc mới cấp nguồn ..........................66
Hình 4. 18. Giao diện màn hình LCD của hệ thống khi mới cấp điện......................67
Hình 4. 19. Màn hình LCD hiển thị Raspberry Pi đã kết nối Internet ......................67
Hình 4. 20. Núm xoay điều chỉnh tốc độ băng chuyền hệ thống ..............................68
Hình 4. 21. Mở chương trình chính điều khiển hệ thống. .........................................69
Hình 4. 22. Màn hình LCD khi mới chạy chương trình điều khiển ..........................69
Hình 4. 23. Màn hình LCD hiển thị chọn chương trình “WEB_HE_THONG.html”
...................................................................................................................................70
Hình 4. 24. Giao diện web tùy chỉnh các thông số về loại sản phẩm .......................70
Hình 4. 25. Giao diện màn hình LCD sau khi điều chỉnh các thơng số phân loại. ...71
Hình 4. 26. Cà chua thứ nhất khi được đưa vào buồng chụp ....................................72
Hình 4. 27. Cà chua sau khi ra khỏi buồng chụp của hệ thống .................................72
Hình 4. 28. Xi lanh đẩy cà chua thứ nhất xuống hộp chứa loại 3 .............................73
Hình 4. 29. Màn hình LCD sau khi xi-lanh tác động quả cà chua thứ nhất..............73
Hình 4. 30. Băng tải di chuyển cà chua loại 5 đến cuối băng chuyền ......................74
Hình 4. 31. Cà chua sau khi được hệ thống phân loại. .............................................75
xi
do an
Hình 5. 1. Giao diện màn hình LCD sau khi mở chương trình chính. ......................77
Hình 5. 2. Số lượng cà chua được cập nhật sau khi hệ thống xử lý mỗi quả ............78
Hình 5. 3. Giao diện web tùy chỉnh các thơng số về loại sản phẩm .........................78
Hình 5. 4. Dữ liệu được lưu dữ tại firebase ..............................................................79
Hình 5. 5. Hệ thống hoàn thiện của đề tài (đầu băng chuyền, ngõ vào của cà chua)79
Hình 5. 6. Hệ thống hồn thiện của đề tài (phía trái so với đầu băng chuyền) .........80
Hình 5. 7. Bố trí và lắp đặt các module, board mạch trong hộp điện điều khiển......81
Hình 5. 8. Hình Hình ảnh chụp phía trên của buồng chụp ảnh khi cung cấp điện hoạt
động hệ thống ............................................................................................................82
Hình 5. 9. Hình Hệ thống hồn thiện của đề tài(phía phải so với đầu băng chuyền)
...................................................................................................................................82
Hình 5. 10. Các van điện từ được bố trí ngay dưới băng chuyền. ............................83
Hình 5. 11. Kết quả thực nghiệm đối với nhóm cà chua (thực hiện ngày 25/5/2019).
...................................................................................................................................84
xii
do an
LIỆT KÊ BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1. Dòng tiêu thụ các ngoại vi Raspberry Pi .................................................46
Bảng 4. 1. Thông tin các thiết bị, linh kiện sử dụng cho mạch .................................50
xiii
do an
TĨM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi cơng hệ thống phân loại sản phẩm theo cân
nặng, màu sắc; Quản lý và điều khiển bằng điện thoại” là mô hình phân loại sản phẩm,
cụ thể ở đây là nơng sản quả cà chua theo cân nặng và màu sắc đã được cài đặt sẵn.
Hoạt động của mơ hình dựa trên cơ chế điều khiển động cơ và xử lý tín hiệu tương tự
(màu sắc, cân nặng) của kit Raspberry Pi 3 Model B, với ngơn ngữ lập trình Python
và thư viện OpenCV, cùng khả năng quản lí và điều khiển qua điện thoại thơng minh.
Nhóm sử dụng những đặc điểm riêng về màu sắc và cân nặng của quả cà chua để làm
cơ sở nhận dạng và tiến hành cho hệ thống phân loại. Kết quả thực hiện đề tài là một
mơ hình có thể phân loại được một nhóm quả cà chua thành những nhóm nhỏ có hình
dạng và cân nặng khác nhau. Việc quản lí hoạt động của hệ thống, đếm số lượng, cài
đặt thông số phân loại…sẽ được thực hiện từ xa thông qua webserver.
xiv
do an
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường, ngành chế biến nông
sản của nước ta cũng đang phát triển mạnh mẽ. Trên cơ sở những tiềm năng và chiến
lược phát triển mà Nhà nước đã đề ra, nông sản Việt ngày càng khẳng định được vị
thế ở cả thị trường trong nước và quốc tế, trở thành một trong những mặt hàng trọng
điểm, chiếm tỉ trọng lớn trong ngành xuất khẩu, đóng góp một phần khơng nhỏ vào
nền kinh tế quốc dân.
Nông sản sau khi thu hoạch sẽ được phân loại thành loại 1, loại 2, ...với những
tiêu chuẩn khác nhau về trọng lượng, màu sắc, hình dáng, … Nhờ vậy, người nông
dân cũng như thương lái có thể dễ dàng định giá cho từng loại nơng sản, tránh được
tình trạng ép giá, nơng dân phải bán rẻ nông sản. Chẳng hạn, giá dưa chuột thường
bấp bênh, không ổn định, dao động từ 7.000 - 10.000 đồng/kg nhưng vào chính vụ
thu hoạch, giá dưa giảm chỉ cịn 4.000 - 5.000 đồng/kg đơi lúc bị rớt xuống cịn
khoảng 500-1.000 đồng/kg mà vẫn khó tiêu thụ. Trong khi đó, sản phẩm dưa chuột
của bà con Tiên Lãng, Hải Phòng đang được chế biến thành dưa chuột bao tử đóng
hộp xuất khẩu đi nhiều nước trên thế giới. Phân loại dưa chuột ở đây theo nhiều tiêu
chuẩn vì mỗi thị trường thường có một tiêu chuẩn nhất định, khơng đồng nhất. Nhưng
với phương pháp phân loại bằng tay truyền thống thì người nơng dân cũng như các
cơ sở chế biến khó có thể đáp ứng chính xác các u cầu tiêu chuẩn được.
Với sự ra đời và phổ biến rộng rãi của băng tải cơng nghiệp, chúng ta gần như
có thể tối ưu hóa mọi lĩnh vực, trong đó có việc chế biến và phân loại nông sản. Thông
qua việc tự động hóa ở các khâu, sử dụng những cơng nghệ, sản phẩm của khoa học
kỹ thuật, băng tải công nghiệp có thể giảm thiểu sai sót, giảm bớt nhân công, cho thời
gian làm việc liên tục cũng như hiệu suất làm việc cao. Hiện nay trên thị trường trong
nước và ngồi nước đã có các sản phẩm băng chuyền phân loại nơng sản có quy mơ
lớn cơng nghiệp, dùng cảm biến hoặc cánh tay robot để xác định kích thước, màu sắc.
Tuy nhiên các hệ thống này tương đối lớn, vận hành phức tạp, điều chỉnh các thông
số sản phẩm phải thường phức tạp. Điều này không phù hợp với quy mơ sản xuất nhỏ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH
1
do an
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
như nông dân hoặc tiểu thương lái do tính chất sản xuất, tính chất thay đổi chất lượng
nông sản hàng năm cũng như sự thay đổi về tiêu chuẩn ở các thị trường.
Với mục đích có thể tạo ra một hệ thống phân loại sản phẩm theo dây chuyền,
thân thiện với người dùng, khả năng tùy biến cao và giá thành phải chăng, nhóm xin
giới thiệu đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và thi cơng mơ hình đếm và phân loại sản phẩm
theo cân nặng, màu sắc”, do chính nhóm tiến hành nghiên cứu và thực hiện. Với mơ
hình này, chúng ta có thể phát triển thêm thành một hệ thống hồn chỉnh, có thể giúp
nơng dân dễ dàng sử dụng, vận hành cũng như điều chỉnh, thay thế lao động chân tay
giúp giảm nhân công, tiền bạc, tăng năng suất làm việc, đồng thời giảm bớt chi phí
lắp đặt và vận hành khi phải đầu tư một hệ thống lớn. Sau q trình tìm hiểu, nhóm
quyết định chọn cà chua làm đối tượng phân loại.
1.2.
MỤC TIÊU
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi cơng mơ hình đếm
và phân loại sản phẩm theo cân nặng, màu sắc” là nắm rõ nguyên lí hoạt động của
cảm biến cân nặng, camera, làm quen với ngơn ngữ lập trình Python cũng như các
cơng cụ hỗ trợ trong thư viện OpenCV, thực hiện các tác vụ cơ bản trên Kit Raspberry
Pi và hệ điều hành Raspbian để nhận biết và phân loại sản phẩm.
Ngồi ra, nhóm đề tài mong muốn thi công được một hệ thống có khả năng
phân loại sản phẩm về màu sắc và cân nặng; đếm và tùy chỉnh các thông số đặt trưng
của loại sản phẩm từ xa thông qua Web localhost.
1.3.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• NỘI DUNG 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm, các giải pháp
thiết kế hệ thống băng chuyền
• NỘI DUNG 2: Nghiên cứu thuật tốn xử lý ảnh ứng dụng vào phân loại màu
sắc sản phẩm.
• NỘI DUNG 3: Xử lý phân loại sản phẩm theo cân nặng.
• NỘI DUNG 4: Giải pháp thiết kế giao diện Web localhost tùy chỉnh các đặc
trưng về màu sắc và chỉ số về cân nặng của hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
2
do an
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
• NỘI DUNG 5: Hồn thiện hệ thống điều khiển và mơ hình, tiến hành chạy
mẫu.
• NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.
1.4.
GIỚI HẠN
-
Thiết kế mơ hình băng chuyền phân loại nơng sản.
-
Sử dụng động cơ DC để làm hoạt động băng tải.
-
Sử dụng xi-lanh khí nén làm cơ cấu phân loại.
-
Nhận dạng màu sắc cà chua qua thuật toán xử lý ảnh và trọng lượng qua
cảm biến cân nặng.
-
Dùng Raspberry Pi 3 model B để xử lý hình ảnh, trọng lượng, nhận dữ
liệu từ môi trường web trung gian, hiển thị giao diện người dùng.
-
Đếm số lượng cà chua mỗi loại bằng bộ đếm được lập trình trên Raspberry
Pi 3.
-
1.5.
Tùy chỉnh các đặc trưng về màu sắc và chỉ số về cân nặng của hệ thống.
BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng quan
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
• Chương 3: Thiết kế và tính tốn
• Chương 4: Thi cơng hệ thống
• Chương 5: Kết quả - nhận xét – đánh giá
• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
• Chương 1: Tổng quan.
Nhóm đề tài đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên
cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
3
do an
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Nội dung chương bao gồm lý thuyết cơ bản về xử lý ảnh, phương pháp cơ bản
để nhận dạng và phân loại ảnh, cảm biến cân nặng, giới thiệu cơ bản về Raspberry
Pi, ngơn ngữ lập trình Python và thư viện hỗ trợ Open CV, xi-lanh khí nén.
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn
Từ những cơ sở lý thuyết có được, nhóm đề tài sẽ trình bày về sơ đồ khối,
cơng thức tính tốn và kết nối của hệ thống.
• Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống
Sau khi thực hiện tính tốn và thiết kế, nhóm đề tài sẽ tiến hành thi cơng hệ
thống và trình bày lại q trình thi cơng tại chương này.
• Chương 5: Kết Qủa - Nhận Xét - Đánh Giá
Những kết quả đạt được cùng với những nhận xét, đánh giá về tồn bộ hệ thống
nhóm đề tài sẽ tóm tắt tại Chương 5.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Cuối cùng, nhóm xin được trình bày những kết luận đã được rút ra trong suốt
quá trình thực hiện đề tài cùng với hướng phát triển, cải tiến của đề tài sao cho phù
hợp với thực tế hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
4
do an
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH
2.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là quá trình xử lý số tín hiệu với đối tượng xử lý là tín hiệu hình
ảnh. Trong đó, ảnh đầu vào sẽ được xử lý sao cho ảnh sau khi xử lý đạt kết quả mong
muốn. Kết quả của xử lý ảnh là một ảnh khác có đặc điểm khác với ảnh ban đầu hoặc
một kết luận (Hình 2.1). Xử lý ảnh phát triển rất mạnh mẽ trong thời gian gần đây,
bao gồm ở rất nhiều lĩnh vực: y tế, kinh tế, văn hóa, quân sự, quốc phịng… Hiện nay,
có bốn khía cạnh chính liên quan đến xử lý ảnh: xử lý và nâng cao chất lượng ảnh,
nhận dạng ảnh, truy vấn ảnh và nén ảnh. Ở phạm vi đề tài này sẽ tìm hiểu về mảng
nhận dạng ảnh.
Hình 2. 1. Giới thiệu về xử lý ảnh
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
5
do an
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2. 2 Quá trình xử lý ảnh
• Thu nhận ảnh[1]: đây là cơng đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với q
trình xử lý ảnh. Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận qua các thiết bị như camera,
sensor, máy quét… và sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa. Việc lựa chọn
các thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần xử
lý. Các thơng số quan trọng ở bước này là độ phân giải, chất lượng màu, dung
lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị.
• Q trình tiền xử lý[1]: Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản,
khử nhiễu, khử bóng, khử độ lệch… với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở
lên tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn về sau trong quá
trình xử lý ảnh. Quá trình này thường được thực hiện bởi các bộ lọc.
• Trích chọn đặc điểm[1] (hoặc trích chọn đặc trưng): Đặc trưng ảnh ở đây
chính là đặc trưng nội dung ảnh, hay nói cách khác là nội dung thực sự của các
bức ảnh. Nội dung ảnh được thể hiện bằng màu sắc, hình dạng, kết cấu, các
đặc trưng cục bộ… hay bất cứ thơng tin nào có từ chính nội dung ảnh. Phạm
vi đề tài bao gồm nhận biết màu sắc từ bề mặt quả cà chua nên đặc trưng được
trích chọn là màu sắc.
• Hậu xử lý[1]: có nhiệm vụ xử lý các đặc điểm đã trích chọn, có thể lược bỏ
hoặc biến đổi các đặc điểm này để phù hợp với các kỹ thuật cụ thể sử dụng
trong hệ quyết định.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
6
do an
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• Hệ quyết định và lưu trữ[1]: có nhiệm vụ đưa ra quyết định (phân loại) dựa
trên dữ liệu đã học lưu trong khối lưu trữ
• Đối chiếu, so sánh và kết luận[1]: đưa ra kết luận cuối cùng dựa vào những
cơ sở của hệ quyết định.
2.1.2. Những vấn đề xử lý ảnh[2]
a. Điểm ảnh (Picture Element)
Là đơn vị cơ bản nhất để tạo nên một bức ảnh kỹ thuật số. Địa chỉ của điểm
ảnh được xem như là một tọa độ (x, y) nào đó. Một bức ảnh kỹ thuật số, có thể được
tạo ra bằng cách chụp hoặc bằng một phương pháp đồ họa nào khác, được tạo nên từ
hàng ngàn hoặc hàng triệu pixel riêng lẻ. Bức ảnh càng chứa nhiều pixel thì càng chi
tiết. Một triệu pixel thì tương đương với 1 megapixel.
b. Ảnh số
Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả
ảnh gần với ảnh thật. Số điểm ảnh xác định độ phân giải của ảnh. Ảnh có độ phân
giải càng cao thì càng thể hiện rõ nét các đặc điểm của tấm ảnh và càng làm cho tấm
ảnh trở nên thực và sắc nét hơn. Một hình ảnh là một tín hiệu hai chiều, nó được xác
định bởi hàm tốn học f (x, y) trong đó x và y là hai tọa độ theo chiều ngang và chiều
dọc. Các giá trị của f (x, y) tại bất kỳ điểm nào là các giá trị điểm ảnh (pixel) tại điểm
đó của một hình ảnh. Ảnh số thực tế là biểu diễn số học của hình ảnh trong máy tính,
thường là biểu diễn nhị phân. Có thể phân ảnh số thành 2 loại: ảnh raster và ảnh vector
• Ảnh raster
Ảnh Raster là một tập hợp hữu hạn các giá trị số, gọi là điểm ảnh (pixel picture element). Thông thường một hình ảnh được chia thành các hàng và cột chứa
điểm ảnh. Điểm ảnh là thành phần bé nhất biểu diễn ảnh, có giá trị số biểu diễn màu
sắc, độ sáng,… của một thành phần trong bức ảnh.
Ảnh raster thường được thu từ camera, các máy chiếu, chụp, quét… và chính là đối
tượng chính của xử lý ảnh và thị giác máy tính.
• Ảnh vector
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH
7
do an
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ảnh vector là loại ảnh tạo thành từ các thành phần đơn giản của hình học như
điểm, đường thẳng, hình khối… Thay vì được lưu lại thành các ma trận điểm ảnh như
ảnh raster, ảnh vector được biểu diễn dưới dạng tọa độ của các thành phần trong ảnh.
Chính điều này đã tạo nên sự đặc biệt của ảnh vector, khiến nó có thể được kéo dãn,
thu nhỏ tùy ý mà không bị vỡ, không xuất hiện răng cưa như ảnh raster. Dữ liệu trong
ảnh vector nhỏ, do vậy thường tiết kiệm dung lượng lưu trữ hơn ảnh raster.
Tuy thế, màu sắc trong ảnh vector nhìn khơng thật, màu sắc ít tinh tế hơn ảnh
raster.
Thơng thường người ta sử dụng ảnh vector trong thiết kế các logo, banner,
giao diện đồ họa… Loại ảnh này gần như không xuất hiện khi đề cập đến xử lý ảnh /
thị giác máy tính.
c. Phân loại ảnh [1]
Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng, gán bằng một giá trị tại điểm đó.
Các mức ảnh xám thơng thường: 16, 32, 64, 128, 256. Mức được sử dụng thông dụng
nhất là 265, tức là dùng 1byte để biểu diễn mức xám. Trong đó:
• Ảnh nhị phân: Là ảnh có 2 mức trắng và đen, chỉ có 2 giá trị 0 và 1 và chỉ sử
dụng 1bit dữ liệu trên 1 điểm ảnh.
• Ảnh đen trắng: Là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với
mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau.
• Ảnh màu: Là ảnh kết hợp của 3 màu cơ bản lại với nhau để tạo ra một thế
giới màu sinh động. Người ta thường dùng 3byte để mô tả mức màu, tức là có khoảng
16, 7 triệu mức màu.
d. Quan hệ giữa các điểm ảnh
Lân cận ảnh là tập hợp những điểm ảnh có xung quanh điểm ảnh đang xét.
Có 2 loại lân cận ảnh: lân cận 4 và lân cận 8.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
8
do an
