NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐẾM CÁ GIỐNG TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐẾM CÁ GIỐNG
TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

TÁC GIẢ

VÕ VĂN HUY HOÀNG – NGUYỄN VĂN ĐỨC

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S TRẦN THỊ KIM NGÀ

Tháng 6 năm 2016
1


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin trân trọng cảm ơn tất cả các quý Thầy Cô ở trường Đại Học
Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí – Công Nghệ
đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ chúng em
trong suốt quá trình học tập tại trường.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã
giúp đỡ chúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài.
Chúng em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với cô Trần Thị Kim Ngà
đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình làm Luận Văn Tốt
Nghiệp.
Đặc biệt chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong hội đồng đã dành thời gian
nhận xét và góp ý để luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn

bè đã động viên ủng hộ và luôn tạo cho chúng em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt
quá trình hoàn thành luận văn.

TP.HCM, Ngày tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện
VÕ VĂN HUY HOÀNG
NGUYỄN VĂN ĐỨC

TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình đếm cá giống tự động ứng dụng
xử lý ảnh” được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh,
thời gian từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2016.
2


Đề tài đã thực hiện và đạt được kết quả khả quan như thiết kế chế tạo được mô
hình đếm cá giống tự động, xây dựng được chương trình xử lý ảnh và chương trình
điều khiển hệ thống.
Chúng em phát triển hệ thống theo hướng tự động hoạt động dựa trên kỹ thuật
xử lý ảnh và điều khiển bằng Raspberry Pi B+. Khi nhập số lượng cá giống cần đếm,
hệ thống sẽtự động mở van xả cá để đếm cho đến khi đạt đủ số lượng cá. Đây được
xem là kết quả chính của đề tài.
Để đạt được kết quả này thì nhóm chúng em đã thực hiện xử lý ảnh để nhận
diện và đếm cá giống bằng thư viện xử lý ảnh OpenCV 2.4 trên nền tảng Linux của
Raspberry Pi B+.Kết quả số lượng cá đếm được sẽ được hiển thị trên màn hình LCD.
Do thời gian còn hạn chế và mức độ rộng lớn của đề tài, nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy
Cô và bạn bè để đề tài của em ngày càng hoàn thiện hơn.

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
LCD
WTO
TV
CCD
CMOS
ATM
GPIO
SOC
GPU
HDMI
USB
GPS
LED
CPU
OpenCV
IEEE
CV

Liquid crystal display.
World Trade Organization.
Television.
Charge Couple Device.
Complementary metal oxide semiconductior.
Automated teller machine.
General Purpose Input/Output .
System-On-Chip.
Graphics Processing Unit.
High-Definition Multimedia Interface.

Universal Serial Bus.
Global Positioning System.
Light Emitting Diode.
Central Processing Unit.
Open Source Computer Vision.
Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Computer vision.
3


MLL
GUI

Machine learning library.
Graphical User Interface.

DANH SÁCH CÁC HÌNH

NG

4


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề.
Khi nước ta gia nhập WTO, nền kinh tế có nhiều cơ hội để phát triển. Thủy sản
trở thành ngành kinh tế mũi nhọn, giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.
Theo số liệu của Tổng cục Thống kê và Bộ thủy sản, sản lượng thủy sản của Việt Nam
trước năm 1985 có sự sa sút, nhưng từ năm 1985 trở lại đây liên tục tăng. Năm 1986,

tổng sản lượng thủy sản chỉ đạt 830.500 tấn; năm 1990 là 1.019.000 tấn; năm 2000 đã
đạt 2.003.000 tấn ; năm 2004 đạt 3.073.000 tấn. Trong đó khai thác hải sản đạt tương
ương ứng là 487.000 tấn ; 709.000 tấn ; 1.280.000 tấn và nuôi trồng thủy sản là
243.500 tấn; 310.000 tấn; 723.000 tấn; 1.150.000 tấn.
Hệ thống sản xuất giống các loài cá nước ngọt truyền thống hầu hết đã được sản
xuất nhân tạo trong thời gian qua. Vấn đề cung cấp giống cho nuôi trồng các đối tượng
này tương đối ổn định. Số cơ sở sản xuất cá giống nhân tạo trên toàn quốc hiện nay
khoảng 354 cơ sở, hàng năm có khả năng sản xuất khoảng trên 4 tỷ cá giống cung cấp
kịp thời vụ cho nhu cầu nuôi trên cả nước.
Thực trạng, việc sản xuất và ươm giống thủy sản được thực hiển bởi các cơ sở
sản xuất tư nhân, trại sản xuất cá, tôm giống, có sự hỗ trợ của viện, trung tâm nghiên
cứu ngày càng chuyên nghiệp và gắn với chăn nuôi. Đến nay thủy sản Việt Nam đã có
mặt tại hơn 80 nước và vùng lãnh thổ . Trong đó Mỹ và Nhật Bản vẫn là thị trường
lớn.
Hiện nay, ở các vùng nuôi trồng thủy sản đang từng bước hoàn thiện quy trình
nuôi trồng để tăng hiệu quả và năng suất. Tuy nhiên, với một lượng cá giống, tôm lớn
được nuôi trồng hàng năm như vậy, nhưng khâu đếm cá giống để cung cấp cho người
nông dân tại các cơ sở cung cấp giống vẫn thực hiện thủ công hoặc theo kiểu ước
chừng. Điều này gây mất thời gian và công sức. Để giải quyết vấn đề trên cần phải có
một hệ thống đếm cá giống tự động.
5


1.2 Mục đích.
Dựa trên những yêu cầu thực tế và cấp thiết phải có một hệ thống tự động hóa
trong quá trình phân phối cá giống. Chúng em thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế,
chế tạo mô hình đếm cá giống tự động” với mục đích đếm số lượng cá giống và giảm
thời gian đếm thủ công, qua đó góp phần tăng năng suất lao động.
1.3 Nội dung nghiên cứu.
Do thời gian giới hạn, cũng như mức độ rộng lớn của đề tài nên chúng em xin giới

hạn nghiên cứu các vấn đề cơ bản sau:
•
•
•
•

Tìm hiểu về Raspberry PI B+.
Cài đặt chương trình OpenCv 2.4 lên Raspberry PI.
Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình Python và Open CV.
Dùng Webcam thu tín hiệu hình ảnh trưc tiếp và truyền dữ liệu qua cổng USB

của Raspberry PI.
• Xây dựng chương trình xử lý ảnh để phát hiện và đếm cá giống.
• Điều khiển đóng mở động cơ để xả Van cho cá chảy vào bể đếm.
• Tính toán và hiển thị kết quả số lượng cá lên màn Hình LCD (Liquid Crystal
Display) .

Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh.
Một hệ thống xử lý ảnh điển hình thường bao gồm những thành phần sau:

Lưu trữ

Lưu trữ
Thiết bị thu nhận ảnh
Thu nhận ảnh

Nhận dạng

Phân tích ảnhHệ quyết định

Số hóa

Hiển thị

6


Hình 2. 1 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh.
2.1.1 Các thiết bị thu nhận ảnh.
Ảnh có thể thu nhận qua Camera, hoặc ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh
thông qua các bộ phận cảm ứng (sensor) hay ảnh, tranh được quét trên các máy
scanner...
2.1.2 Khái niệm về Camera.
Camera là một thiết bị ghi hình. Với một chiếc camera, ta có thể ghi lại được
những hình ảnh trong một khoảng thời gian nào đó, lưu trữ và sau đó có thể xem lại
bất cứ khi nào ta muốn. Camera sẽ truyền hình ảnh nhận được tại địa điểm được lắp
đặt đến các thiết bị được hiển thị như TV (Television), computer, máy chiếu, ...
2.1.2.1 Phân loại Camera
- Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh.
- Phân loại theo đường truyền.
- Phân loại theo tính năng sử dụng.

 Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh.

+ Camera analog:
Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại
camera này hiện nay ít dùng.
+ Camera CCD (Charge Couple Device) (100% số):

Sử dụng kỹ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp những ô tích điện
có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số để đưa vào
các bộ xử lý.
CCD thu nhận những hình ảnh thông qua các hệ thống thấu kính của Camera. CCD
có hàng ngàn những điểm ảnh sẻ chuyển đổi ánh sáng thành những hạt điện tích và
được số hóa. Đây là một quá trình chuyển đổi tương tự số.
7


Các thông số kỹ thuật của Camera CCD là đường chéo màn hình cảm biến ( tính
bằng inch). Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt (màn hình
1/3 inch Sony CCD sẽ tốt hơn màn hình 1/4 inch CCD, vì 1/3 > 1/4) . Hiện nay chỉ có
hai hãng sản xuất màn hình cảm biến là Sony và Sharp. Chất lượng của Sharp kém hơn
của Sony.
+ Camera CMOS (Complementary metal oxide semiconductior).
CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Các camera số sử
dụng công nghệ CMOS. Các camera số thương mại sử dụng công nghệ CMOS thì
chưa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lượng hình ảnh với
Camera CCD. Các Camera CMOS có giá thành khoảng 500 USD đến 50000 USD.
Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ so với
Cameraanalog Camera analog về độ rõ nét và chất lượng hình ảnh.
 Phân loại theo kỹ thuật đường truyền:

Có ba loại: Camera có dây, Camera không dây và IP Camera (Camera mạng).
+ Camera có dây.

Hình 2. 2 Camera có dây.
Camera

có

dây có ưu diểm là khả

năng an toàn cao, tính bảo mật tốt, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng
75Ohm – 1Vpp, dây C5. Đây là giải pháp được đánh giá là an toàn. Nhược điểm là khi

8


truyền với khoảng cách xa hơn 300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh việc tín hiệu
đường truyền suy hao, dẫn đến chất lượng hình ảnh không tốt.
+ Camera không dây.

Hình 2. 3 Camera không dây.
Giống như tên gọi, các camera này đều không có dây. Nhưng rất tiếc là cũng
không hoàn toàn như vậy. Các Camera này vẫn cần phải có dây nguồn để hoạt động.
Ưu điểm của loại camera này là dễ thi công lắp đặt do không cần đi dây, tuy nhiên
nhược điểm của Camera là có hệ số an toàn không cao, do phải lưu ý đến tần số sử
dụng, dao động từ 1,2 đến 2,4 Mhz. Vì vậy camera rất dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh
hưởng nhiễu trước các nguồn sóng như điện thoại di động...
+ IP Camera

Hình 2. 4 IP Camera
9


Như đã đề cập ở trên, IP Camera được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh
và điều khiển được truyền qua mạng. Với Camera IP người dùng có thể điều khiển và
giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng Internet.
 Phân loại theo tính năng sử dụng.

+ Dome Camera (Camera áp trần ).
Camera này thường được đặt trong nhà, kiểu dáng trang nhã, có tính năng bảo
mật cao được bọc trong hộp kín.
+ Camera ẩn.
Camera này không thể nhận biết được. Có nhiều hình dạng và kích thước khác
nhau, có thể ngụy trang tránh phát hiện.Tuy nhiên khi sử dụng Camera này cần phải
đảm bảo tính hợp pháp tại nơi lắp đặt cũng như các ràng buộc tại nơi cư trú.
+ Box Camera.
Đây là loại Camera truyền thống thường được dùng trong các văn phòng siêu
thị. Đây là loại Camera giá thành rẻ , được bảo vệ trong hộp tránh tác động từ môi
trường.
+ Camera PTZ.
Pan: Quét ngang
Tilt: Quét dọc
Z: Zoom (Phóng to)
+ IR Camera và Exview.
•

Khoảng cách quan sát của Camera phụ thuộc vào công suất của đèn hồng ngoại,
dao động từ khoảng 10m đến 300m.Camera IR có thể quan sát trong điều kiện

tối hoàn toàn.
• Exview: Màn hình tự động khuếch đại ánh sáng làm rõ hình ảnh khi sáng tối,
tuy nhiên nếu tối hoàn toàn thì camera sẽ không quay được.

10


2.1.3 Thu nhận ảnh và số hóa.

Việc thu nhận ảnh có thể thông qua Camera. Hình ảnh thu được có thể là tương
tự hoặc số, nếu ảnh nhận được là tương tự nó phải được số hóa nhờ quá trình lấy mẫu
và lượng tử hóa trước khi phân tích, xử lý hay lưu trữ ảnh.
2.1.4 Lưu trữ ảnh.
Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hóa được nhúng
trong cách thiết bị kỹ thuật khác nhau. Quá trình lưu trữ ảnh nhằm hai mục đích:
•
•

Tiết kiệm bộ nhớ
Giảm thời gian xử lý

Việc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in
ấn, và xử lý ảnh, được xem như là một tập hợp các điểm với cùng kích thước nếu sử
dụng càng nhiều điểm ảnh thì bức ảnh càng đẹp, càng mịn và càng hiển thị rõ hơn chi
tiết của ảnh, người ta gọi đặc điểm này là độ phân giải.
Để lưu trữ ảnh trên máy tính ta có các định dạng sau như: JPG, PNG, GIF...
2.1.5 Phân Tích Ảnh.
2.1.5.1 Một sô không gian màu.
• Không gian màu RGB (Red, Green, Blue) .
Còn gọi là ảnh “ truecolor” do tính trung thực của nó. Ảnh này được biểu diễn
bởi một ma trận ba chiều kích thước m x n x 3, với m x n là kich thước ảnh theo
pixels. Ma trận này định nghĩa các thành phần màu Red, Green, Blue cho mỗi điểm
ảnh, các phần tử của nó có thể thuộc kiểu unit 8, unit 16,hoắc double.

11

Hình 2. 5 Mô hình không gian màu RGB.

•

Không gian màu HSV.

Không gian màu này còn có tên gọi khác là HSI ( INTENSITY), HSL
(LIGHTNESS).
Mô hình này do AR Smith tạo ra vào năm 1978. Dực trên các đặc tính màu trực quan
như sắc (tint), bóng ( shade) và tông màu (tone); nói khác là họ màu, độ thuần khiết,
và độ sáng.
Hệ tọa độ cho không gian màu này là hình trụ:
+ Giá trị màu thuần khiết chạy từ 0 đến 360 độ.
+ Độ bão hòa màu (Saturation) là mức độ thuần khiết của màu, có thể hiểu là có bao
nhiều màu trắng được thêm vào màu thuần khiết này. Gía trị của S nằm trong đoạn
[ 0;1], trong đó S = 1 là màu tinh khiết nhất, hoàn toàn không pha trắng. Nói cách khác
, S càng lớn màu càng tinh khiết, nguyên chất.
+ Độ sáng của màu (Value), có khi được gọi là intensity, Lightness, cũng có giá trị dao
động trong đoạn [ 0;1], trong đó V = 0 là hoàn toàn tối (đen), V = 1 là hoàn toàn sáng.
Nói cách khác, V càng lớn thì màu càng sáng.

Hình 2. 6 Mô hình không gian màu HSV.
•

Mô hình màu HLS
Mô hình màu HLS được xác định bởi tập hợp hình chóp sáu cạnh đôi của

không gian hình trụ. Sắc màu là góc quanh trục đứng của hình chóp sáu cạnh đôi với
màu đỏ tại góc 0 độ. Các màu sẽ xác định theo thứ tự giống như trong biểu đồ CIE khi
12

ranh giới của nó bị xoay ngược chiều kim đông hồ: Màu đỏ, màu vàng, màu lục, màu
xanh tím, màu lam và đỏ thẫm. Điều này cũng giống như thứ tự sắp xếp trong mẫu
hình chóp sáu cạnh đơn HSV.

Hình 2. 7 Mô hình màu HLS.
•

Mô hình màu

L*a*b

Là không gian màu phổ biến cho việc so sánh sự khác biệt về màu sắc. Trong đó hệ
thống L*a*b đại diện cho ba mức tỉ lệ với L (Light) đại diện cho độ sáng.

Hình 2. 8 Mô hình màu L*a*b.
2.1.5.2 Biên và các phương pháp phát hiện biên.
Biên là các vấn đề quan trọng trong trích chọn đặc điểm nhằm tiến tới hiệu
ảnh.
Cho đến nay vẫn chưa có định nghĩa chính xác về biên, trong mỗi ứng dụng người ta
đưa ra các độ đo khác nhau về biên, một trong các độ đo đó là độ đo về sự thay đổi đột
ngột về cấp xám .
Ví du: Đối với ảnh đen trắng, một diểm được gọi là điểm biên nếu nó là điểm
đen có ít nhất một điểm trắng bên cạnh. Tập hợp các điểm biên tạo nên biên hay đường
13


bao của đối tượng. Xuất phát từ cơ sở này người ta thường sử dụng hai phương pháp
phát hiện biên cơ bản:
+ Phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này làm nổi biên dựa vào sự biến thiên mức
xám của ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên ở đây là kỹ thuật lấy đạo hàm.

Nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta được ta có các kỹ thuật Gradient, nếu lấy đạo
hàm bậc hai của ảnh ta được kỹ thuật Laplace. Ngoài ra còn có một số các tiếp cận
khác.
+ Phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân được ảnh thành các vùng thì
ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên, Kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh là hai bài
toán đối ngẫu nhau vì dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng mà khi đã phân lớp
xong nghĩa là đã phân vùng được ảnh và ngược lại, khi đã phân vùng ảnh đã được
phân lớp thành các đội tượng, do đó có thể phát hiện được biên.
Phương pháp phát hiện biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả và ít chịu ảnh hưởng
của nhiễu, song nếu sự biến thiên độ sáng không đột ngột, phương pháp tỏ ra kém hiệu
quả, phương pháp phát hiện biên gián tiếp, tuy khó cài đặt, song lại áp dụng khá tốt
trong trương hợp này. Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này là: Phương pháp
phát hiện trực tiếp cho ta kết quả này là ảnh biên, còn phương pháp phát hiện gián tiếp
cho kết quả là đường biên.
2.1.6 Hệ quyết định.
Cuối cùng tùy theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng hiển thị
hay đưa ra quyết định khác.
2.1.7 Màn hình LCD (16x2).
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng rất rộng
rãi. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị
kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng
theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ.

14


Hình 2. 9 Hình dáng của LCD 16x2.
Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên
trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết. Các chân này được đánh số thứ tự
và đặt tên như hình :

Hình 2. 10 Sơ đồ chân của LCD.
 Chức năng các chân của LCD.

Bảng 1 Chức năng các chân của LCD.
Châ
n

Ký
hiệu

1

Vss

2

VDD

3

VEE

4

RS

5

R/W

6

E

Mô tả
Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
GND của mạch điều khiển
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này
với VCC=5V của mạch điều khiển
Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic
“0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của
LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của
LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR
bên trong LCD.
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với
logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic
“1” để LCD ở chế độ đọc.
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho
phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp
nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-tolow transition) của tín hiệu chân E.
15


+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi

phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được
LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

7–
14

DB0 DB7

15
16

-

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với
MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit
MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới
DB7, bit MSB là DB7
Nguồn dương cho đèn nền
GND cho đèn nền

2.2 Tổng quan về Raspberry Pi.
2.2.1 Giới thiệu về Raspberry Pi.
Raspberry Pi là một chiếc máy tính tí hon chạy hệ điều hành dựa trên nhân
Linux ra mắt vào tháng 2 năm 2012. Ban đầu Raspberry Pi được phát triển dựa trên ý
tưởng tiến sĩ Eben Upton tại đại học Cambridge muốn tạo ra một chiếc máy tính giá rẻ
để học sinh có thể dễ dàng tiếp cận và khám phá thế giới tin học.
Raspberry Pi có thể làm được hầu như mọi ứng dụng hằng ngày như lướt web,
học lập trình, xem phim HD đến những ý tưởng không ngờ đến như điều khiển

robot...v.v.Nó cũng có thể kết nối và điều khiển các thiết bị trong cuộc sống thực tế
như đèn, động cơ, GPS… Rất nhiều ứng dụng nhà thông minh đã sử dụng Raspberry
Pi làm bộ điều khiển trung tâm.
Đặc biệt với kích thước chỉ tương đương một chiếc thẻ ATM và nặng chưa đầy
50 gram. Gắn với chiếc tivi, có thể biến thành nó thành một thiết bị giải trí thông minh
trong phòng khách. Gắn với màn hình và bàn phím, chuột, có thể biến nó thành một
chiếc máy tính đúng nghĩa. Nhỏ gọn và tiện lợi.

Hình 2. 11 Raspberry Pi B+
16


2.2.2 Các
Hình 2. 12 Sơ đồ chân Raspbeery Pi B+.
Bản.
Raspberry Pi có hai phiên bản, Model A và Model B

Loại Phiên

 Model B thông dụng hơn cả. Model B bao gồm những phần cứng và những cổng

giao diện:
 SoC 700MHz với 512MB RAM .
 1 cổng HDMI cho đầu ra âm thanh / video số .
 1 cổng video RCA cho đầu ra video Analog .
 Jack Headphone Stereo 3.5mm cho đầu ra âm thanh Analog .
 02 cổng USB .
 01 đầu đọc thẻ nhớ SD để tải hệ điều hành.
 01 cổng Ethernet LAN.
 01 giao diện GPIO (General Purpose Input/Output) .

 Model A cũng gần tương tự như Model B nhưng có sự thay đổi như sau:
 1 cổng USB
 Không có cổng Ethernet vì thế người dùng phải thêm Adapter USB Wi-Fi
hoặc Ethernet nếu cần kết nối mạng .
 Có 256MB RAM .

17


2.2.3 Phần cứng của Raspberry Pi (Model B).

Hình 2. 13 Cấu tạo của Raspberry Pi Model B.
Trái tim của Pi là chip SOC (System-On-Chip) Broadcom BCM2835 chạy ở tốc độ
700mHz. Chip này tương đương với nhiều loại được sử dụng trong smartphone phổ
thông hiện nay, và có thể chạy được hệ điều hành Linux. Tích hợp trên chip này là
nhân đồ họa (GPU) Broadcom VideoCore IV. GPU này đủ mạnh để có thể chơi 1 số
game phổ thông và phát video chuẩn full HD.
•
•
•

•

•

•

•

•

8 ngõ GPIO (General Purpose Input Output): đúng như tên gọi của nó, từ đây
bạn có thể kết nối và điều khiển rất nhiều thiết bị điện tử/cơ khí khác.
Ngõ HDMI: dùng để kết nối Pi với màn hình máy tính hay tivi có hỗ trợ cổng
HDMI.
Ngõ RCA Video (analog): khi thiết kế Pi người ta cũng tính đến trường hợp
người sử dụng ở các nước đang phát triển không có điều kiện sắm một chiếc
tivi đời mới tích hợp cổng HDMI. Vì vậy cổng video analog này được thêm
vào, giúp bạn có thể kết nối với chiếc tivi đời cũ mà không phải lo lắng.
Ngõ audio 3.5mm: kết nối dễ dàng với loa ngoài hay headphone. Đối với tivi
có cổng HDMI, ngõ âm thanh được tích hợp theo đường tín hiệu HDMI nên
không cần sử dụng ngõ audio này.
Cổng USB: một điểm mạnh nữa của Pi là tích hợp 2 cổng USB 2.0. Bạn có thể
kết nối với bàn phím, chuột hay webcam, bộ thu GPS..v.v qua đó có thể mở
rộng phạm vi ứng dụng. Vì Pi chạy Linux nên hầu hết thiết bị chỉ cần cắm-vàchạy (Plug-n-Play) mà không cần cài driver phức tạp.
Cổng Ethernet: cho phép kết nối Internet dễ dàng. Cắm dây mạng vào Pi, kết
nối với màn hình máy tính hay tivi và bàn phím, chuột là bạn có thể lướt web
dễ dàng.
Khe cắm thẻ SD: Pi không tích hợp ổ cứng. Thay vào đó nó dùng thẻ SD để
lưu trữ dữ liệu. Toàn bộ hệ điều hành Linux sẽ hoạt động trên thẻ SD này vì vậy
nó cần kích thước thẻ nhớ tối thiểu 4 GB và dung lượng hỗ trợ tối đa là 32 GB.
Đèn LED: trên Pi có 5 đèn LED để hiển thị tình trạng hoạt động.
18


•

Jack nguồn micro USB 5V, tối thiểu 700mA: nhờ thiết kế này mà chúng ta có
thể tận dụng hầu hết các sạc điện thoại di động trên thị trường để cấp nguồn
điện cho Pi.

2.2.4 Giới thiệu về hệ điều hành Raspbian.
Về cơ bản Raspberry Pi có khá nhiều OS linux chạy được nhưng vẫn có sự
thiếu vắng của Ubuntu (do CPU ARMv6).
Điểm danh một số Distributions Linux (nhúng) chạy trên Raspberry Pi như
Raspbian, Pidora, openSUSE, OpenWRT, OpenELEC,….
Trong đề tài này, chúng em sử dụng hệ điều hành Raspbian và cũng là hệ điều hành
phổ biến nhất.

Hình 2. 14 Giao diện hệ điều hành Raspbian
Đây là hệ điều hành cơ bản, phổ biến nhất và do chính Raspberry Pi Foundation
cung cấp. Nó cũng được hãng khuyến cáo sử dụng, nhất là cho người mới bắt đầu làm
quen với RPI.
Raspbian được hướng đến người dùng có mục đích:
Sử dụng Raspberry Pi như máy tính văn phòng để lướt web, soạn văn bản,
check mail và thi thoảng nghe nhạc/xem phim.
• Nghiên cứu phát triển các thiết bị điều khiển tự động.
•

19


•

Sử dụng như một máy chủ cung cấp các dịch vụ như web, file server, printer
server, ..

Theo đánh giá ,Raspbian hoạt động rất ổn định, tốc độ nhanh .Nhược điểm của nó
là giao diện đơn giản, cổ điển và rất không hào nhoáng. Nếu không quá quan tâm tới
giao diện mà hướng đến hiệu năng thì Raspbian tỏ ra vượt trội.

2.2.5 Ngôn ngữ Python.
Python là một ngôn ngữ thông dịch (interpreted), tức là ngôn ngữ không cần
phải biên dịch một lần ra file chạy mà đọc code đến đâu chạy đến đấy.
Khi chạy lệnh python ta sẽ có một giao diện dòng lệnh giống của Unix, có thể
chạy từng dòng code Python ngay trực tiếp tại đây. Ngoài ra còn có ipython là một
phiên bản cải tiến hơn của dòng lệnh python có đánh mã màu, tự động điền khi ấn tab
(autocomplete) và nhiều tính năng khác khiến việc khám phá ngôn ngữ trở nên dễ
dàng hơn.
Cần phân biệt 2 khái niệm ở đây là ngôn ngữ Python viết hoa chữ cái đầu bằng
text thường và python là dòng lệnh và trình thông dịch của Python.
Python có mặt ở mọi nơi và dễ dàng cài đặt. Gần như tất cả các bản phân phối
Linux đều cài sẵn Python, Mac OS X từ bản Lion trở đi cũng cài sẵn Python. Trên
Windows có thể tải Python từ trang chủ.
Python có rất nhiều module đi kèm và vô số module từ các bên thứ ba để tăng
thêm tính năng cho ngôn ngữ như truy cập mạng, hệ thống file, mã hóa, giao diện đồ
họa, 3D…
Python có hệ thống documentation rất độc đáo, đi kèm trong code.
2.3 Webcam sử dụng.

Hình 2. 15 Webcam logitech quickcam C905.

20


Webcam logitech quickcam C905 là loại có dây giao tiếp với Raspberry Pi B+
thông qua cổng USB và bao gồm một số thông số kỹ thuật sau:
•
•
•
•

•

Hình ảnh sắc nét.
Độ phân giải 2.0 MP.
Ống kính Carl Zeiss Autofocus.
Viedeo HD độ nét cao.
Tương thích Windows XP/Vista/Windows 7/Linux.

Webcam dùng để lấy khung ảnh cho OpenCV xử lý.
2.4 Van điều khiển.

Hình 2. 16 Van điều khiển.

Van được điều khiển bằng một động cơ giảm tốc DC 12V với hệ thống đóng
mở van được điều khiển thông qua Raspberry Pi B+.
Van được cấu tạo bởi:
• Một van nước phổ thông.
• Một motor giảm tốc DC 12V.
1. Một đầu nối kết nối trục động cơ với van phổ thông.

2.5 Các linh kiện điện tử trong hệ thống.
2.5.1 Điện trở.
Điện trở là mộtlinh kiện điện tử thụ động trong mạch điệncó biểu tượng:

Điện trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của
vật liệu. Điện trở kháng được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể
đó với cường độ dòng điện đi qua nó.
21

Hình 2. 17 Điện trở.

2.5.2 Tụ Điện.
Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được
ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ
xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượngđiện
trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự
tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch
điện xoay chiều.

Hình 2. 18 Ký hiệu của tụ điện trong mạch điện.

Hình 2. 19 Các loại tụ điện.

22


2.5.3 Transistor.
Transistor hay tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử
dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.
Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch ở máy
tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác
nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại,
đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động. Transistor cũng
được kết hợp thành mạch tích hợp (IC), có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một
diện tích nhỏ..

Hình 2. 20 Transistor thực tế.
2.5.4 Relay.

(Rơ-le 5 chân).
Rơ-le là một công tắc (khóa K). Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơle được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng
làm công tắc điện tử. Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở
Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và
transistor, nên module rơ-le có những thông số của chúng. Nói như thế thật phức tạp,
nên mình có cách khác và sẽ liệt kê ngay cho bạn ở dưới đây.

23


Hình 2. 21 Rơ le 5V

2.5.5 Diode (Điốt).
Điốt bán dẫn hay Điốt là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi
qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại.Có nhiều loại điốt bán dẫn, như
điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED. Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung
là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N.

Hình 2. 22 Ký hiệu và một số loại điốt.

2.5.6 Diode cầu (KBU1008).
KBU1008 gồm 4 diode đơn mắc thành cầu chỉnh lưu được đóng gói trong một
vỏ duy nhất.
Công dụng chính: dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều.

Hình 2. 23 Diode cầu (KBU1008).
24


2.5.7 Lm1117.

LM1117 1A là loại Ic ổn áp với ngõ ra 3,3 V 1A.

Hình 2. 24 LM1117
2.5.8 Module LM2596.
Module LM2596 3A là loại IC ổn áp nguồn 5V 3A.

Hình 2. 25 Module LM2596.
2.5.9 LED đơn.
LED, viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một
nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó. Được biết tới từ những năm
đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu
tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn hay
phát ra các tia hồng ngoại hoặc tử ngoại.

Hình 2. 26 Các loại led đơn thường gặp
25