THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNGQUẢ XOÀI SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÌNH ẢNH

2.MỤC ĐÍCH Đề tài “Thiết kế thiết bị đánh giá chất lượng quả xoài sử dụng phương pháp xử lý hìnhảnh “ được thực hiện theo định hướng phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TS Nguyễn Việt Sơn

Hà Nội - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Họ và tên: Phùng Tuấn Anh Mã số sinh viên: 20130213

Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài

Thiết kế thiết bị đánh giá chất lượng quả xoài sử dụng phương pháp xử lý hình ảnh

2 Các số liệu ban đầu

 Các hình ảnh bề mặt của quả xoài đã được khai thác;

 Kích thước bề rộng 2 chiều trong khoảng 60mm-70mm và 80mm-120mm

 Các loại xoài khác nhau được sử dụng để đánh giá chất lượng

3 Các nội dung tính toán, thiết kế

Xác định và phân loại quả xoài dựa trên kích thước bê mặt quả, kích thước vùngkhuyết tật và đưa ra kết luận đánh giá về chất lượng quả

Thiết kế thiết bị đo đạc cầm tay và trên băng tải tự động

4 Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Sơn

5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 1-3-2018

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 1-6-2018

Ngày tháng năm

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp của mình, em đã nhận được rất nhiều sự giúp

đỡ, động viên và chia sẻ của gia đình, các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ em đã giúp đỡ cả về vật chấtlẫn tinh thần, tạo điều kiện, động viên và khích lệ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện

đồ án, đặc biệt trong quá trình em mổ dạ dày trong 2 tuần đầu tiên của học kỳ 20172

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH Trần Hoài Linh, người hướng dẫn trực tiếp emthực hiện đề tài này PGS.TSKH Trần Hoài Linh đã có những định hướng, chỉ bảo, hướngdẫn và trao đổi với em trong suốt quá trình học tập, thực hiện đồ án này để đồ án có thể điđúng hướng và hoàn thành kịp thời gian

Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Minh Huy, sinh viên lớp KT ĐK&TĐH02 K60

đã giúp đỡ em trong quá trình lắp ráp và kiểm nghiệm mô hình thực tế

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Văn Tâm – Kĩ sư R&D tại viện hàngkhông vũ trụ Viettel đã giúp đỡ và trao đổi cùng em những kiến thức xử lý ảnh ban đầu cũngnhư lập trình trên hệ thống nhúng

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội,Viện Điện và Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp emhoàn thiện đồ án này

Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2018

TÁC GIẢ ĐỒ ÁN Phùng Tuấn Anh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÁI CÂY TẠI VIỆT NAM 10

1.1 Khái quát ngành chế biến trái cây ở Việt Nam hiện nay 10

1.2 Nhu cầu và định hướng phát triển chung ngành chế biến trái cây Việt Nam 11

1.3 Kết luận chương 1 11

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP YÊU CẦU THIẾT BỊ PHÂN LOẠI VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUẢ XOÀI 12

2.1 Các trường hợp cần phân loại và đánh giá chất lượng quả xoài 12

2.2 Các phương pháp phân loại và đánh giá xoài qua bề mặt hiện nay 12

2.2.1 Sử dụng cảm biến màu 12

2.2.2 Phương pháp quét laser từ trên không 13

2.2.3 Phương pháp phân loại và đánh giá thủ công 14

2.3 Bài toán công nghệ đặt ra và lựa chọn giải pháp 15

2.3.1 Bài toán công nghệ đặt ra 15

2.3.2 Đề xuất mô hình thay thế đánh giá, phân loại quả trên băng tải tự động .15 2.3.3 Mô hình thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài cầm tay 17

2.3.4 Lựa chọn thiết bị phần cứng 18

a) Phân tích lựa chọn bộ xử lý trung tâm 18

b) Phân tích lựa chọn camera 19

c) Lựa chọn màn hình hiển thị 20

d) Cảm biến hồng ngoại 21

2.3.5 Tông quan hệ thống phần mềm 22

a) Hệ điều hành 22

d) Ngôn ngữ lập trình 23

2.4 Kết luận chương 2 24

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUẢ XOÀI 25

3.1 Thiết kế, tính toán phần cứng thiết bị 25

3.1.1 Sơ đồ khối phần cứng 25

3.1.2 Tính toán nguồn tiêu thụ 26

a) Thiết bị trên băng tải tự động 26

b) Thiết bị cầm tay 27

3.2 Sơ đồ tổng quan thuật toán hệ thống 28

3.2.1 Lưu đồ thuật toán thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài trên băng tải 28

3.2.2 Lưu đồ thuật toán thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài cầm tay 29

3.3 Xử lý hình ảnh, trích xuất thông tin bề mặt quả 29

3.3.1 Phát hiện, tách đối tượng chuyển động 29

a) Thu nhận ảnh 29

b) Sử dụng bộ lọc màu xanh 31

c) Chuyển ảnh màu thành ảnh xám 32

d) Lọc nhiễu Gaussian blur 33

e) Sử dụng phép trừ nền bằng thuật toán Frame Diffirent 34

3.3.2 Xử lý thông tin bề mặt quả 36

a) Xác định đường biên bề mặt 36

b) Các phép co giãn hình thái học 38

c) Vẽ đường bao đối tượng 39

3.4 Hiển thị kết quả, lưu dữ liệu 41

3.4.1 Lưu file Text dữ liệu và hiển thị trên màn hình LCD 41

3.4.2 Lưu dữ liệu vào file trong máy tính nhúng 41

3.5 Kết luận chương 3 41

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ VÀ ĐÁNH GIÁ 42

4.1 Lắp ráp, cài đặt, hệ thống thử nghiệm 42

4.1.1 Lắp đặt thiết bị 42

a) Thiết bị trên băng tải tự động 42

b) Thiết bị cầm tay 42

4.1.3 Mô tả hoạt động thí nghiệm 44

4.1.4 Nội dung của các thử nghiệm 44

4.2 Kết quả 44

4.2.1 Giao diện người dùng 44

4.2.2 Xử lý hình ảnh 45

4.2.3 Lưu và hiển thị dữ liệu 50

4.3 Đánh giá kết quả 51

4.4 Kết luận chương 4 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

OpenCV Open source Computer Vision Thư viện mã nguồn mở cho thị giác

máy tínhGUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

RGB Red – Green - Blue Mô hình 3 màu đỏ – xanh lục – xanh

dươngGPIO General-Purpose Input/Output Cổng đầu vào và ra với mục đích cơ

bản

HDMI High-Definition Multimedia

Interface

Giao diện đa phương tiện độ phân giải cao

LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối có dây trong máy tínhIPS In-Plane Switching Một công nghệ hình ảnh được áp

dụng trên các màn hình LCD

tin có mức độ ưu tiên thấpPyQT Python QT Edition Chương trình lập trình giao diện

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Bảng so sánh các bộ xử lý trung tâm 18Bảng 4-1: Kết quả đo pixel vùng khuyết tật với các nguồn ánh sáng khác nhau 53Bảng 4-2: Kết quả đưa ra số vùng khuyết tật được nhận dạng đúng 53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Thị phần xuất khẩu của ngành xuất khẩu rau quả (%)[1] 10

Hình 2-1: Cảm biến màu TCS3200 13

Hình 2-2: Robot với cánh tay hái quả sử dụng cảm biến Lidar 14

Hình 2-3: Phương pháp phân loại quả xoài thủ công 14

Hình 2-4: Quá trình tác các loại quả theo theo yêu cầu 15

Hình 2-5: Mô hình tổng quan thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài 16

Hình 2-6: Sơ đồ tổng quan thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài trên băng chuyền 16

Hình 2-7: Mặt dưới thiết bị đánh giá chất lượng quả cầm tay 17

Hình 2-8: Sơ đồ tổng quan thiết bị cầm tay 18

Hình 2-9: Bộ vi xử lý Raspberry Pi3 19

Hình 2-10: Camera Waveshare 20

Hình 2-11: Màn hình cảm ứng Waveshare 7inch 21

Hình 2-12: Mắt thu phát hồng ngoại MH-IR01 22

Hình 3-1: Sơ đồ khối các chân trên máy tính nhúng Raspberry PI 3 25

Hình 3-2: Sơ đồ liên kết giữa các thiết bị phần cứng 25

Hình 3-3: Nguồn Raspberry Pi3 chính hãng 5V/2.5A 26

Hình 3-4: Lưu đồ thuật toán thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài trên băng tải 28

Hình 3-5: Lưu đồ thuật toán thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài cầm tay 29

Hình 3-6: Giai đoạn lấy mẫu 30

Hình 3-7: Quả xoài keo được trên nền bàn gỗ 31

Hình 3-8: Biểu đồ tần số Histogram của 3 kênh màu RGB 32

Hình 3-9: Ảnh đầu vào sau khi lọc kênh màu Green 32

Hình 3-10: Ảnh xám được chuyển đổi từ ảnh kênh màu G 33

Hình 3-11: Ảnh xám sau khi đưa qua bộ lọc Gaussian 34

Hình 3-12: Lưu đồ thuật toán Frame Difference 36

Hình 3-13: Đường biên bề mặt quả xoài 38

Hình 3-14: Đường biên bề mặt khuyết tật 39

Hình 3-15: Lấp đầy lỗ trong ảnh bằng phép giãn 39

Hình 3-16: Loại bỏ nhiễu bằng phép toán co 40

Hình 3-17: Họ các đường viền trong hàm Contours 40

Hình 3-18: Ảnh trích xuất lấy giá trị nằm trong đường bao 41

Hình 4-1: Thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài trên băng tải tự động 43

Hình 4-2: Thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài cầm tay 44

Hình 4-3: Mô phỏng hệ thống thử nghiệm thiết bị 45

Hình 4-4: Hệ thống băng tải và vị trí các thiết bị 45

Hình 4-5: Giao diện người dùng của thiết bị 46

Hình 4-6: Ảnh thu nhận trực tiếp từ camera 47

Hình 4-7: Ảnh màu được chuyển sang kênh Green 48

Hình 4-9: Ảnh đưa qua bộ lọc Gaussian Blur 49

Hình 4-10: Ảnh sau khi thực hiện trừ nền 49

Hình 4-11: Bộ lọc Canny và đối tượng được lấp đầy 50

Hình 4-12: Lặp lại bước xử lý với ảnh đã được trừ nền 50

Hình 4-13: Xác định đối tượng vết khuyết tật 51

Hình 4-14: Dữ liệu được hiển thị lên giao diện 51

Hình 4-15: Dữ liệu được lưu dưới dạng file Text 52

LỜI MỞ ĐẦU

1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trái cây là loại lương thực thực phẩm không thể thiếu trong cuộc sống của con ngườikhi cung cấp cho cơ thể nhiều chất dinh dưỡng, chất xơ và các loại vitamin giúp con ngườikhỏe mạnh về cả thể chất lẫn tinh thần, giảm nguy cơ mắc bệnh tật

Xoài là một trong những loại trái cây được người tiêu dùng lựa chọn hàng đầu và nhucầu này luôn là lựa chọn hàng đầu trong mùa hè Công dụng nổi bật của nó có thể kể đến nhưchống ung thư, kiểm soát choresterol, giảm cân, chăm sóc mắt, tăng cường hệ miễn dịch, tăngtrí nhớ và độ tập trung Cùng với đó, tiêu chí về trái cây tươi nói chung và xoài nói riêng củangười tiêu dùng được đặt ra ngày càng khắt khe và đòi hỏi ngành công nghiệp chế biến thựcphẩm cần phát phát triển để đáp ứng nhu cầu khách hàng

Ngành công nghiệp chế biến trái cây Việt Nam đa số đều là các doanh nghiệp vừa vànhỏ, chưa có yếu tố tập trung sản xuất từng giai đoạn như nước ngoài, vì vậy các sản phẩmmáy móc tự động hóa còn rất hạn chế trong các cơ sở trưng thu trái cây, các công đoạn chủyếu được làm một cách thủ công, có thể gây thiệt hại lớn cho doanh nghiệp khi tiêu tốn nhiềunhân lực cũng như gây ra các sai số trong quá trình phân loại chất lượng trái cây gây ra cácthiệt hại không đáng có cho doanh nghiệp

Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, việc nâng cấp máy móc thực hiệncông việc tự động được đặt ra để có thể giải quyết vấn đề hiện nay là giảm số lượng nhâncông cũng như tiết kiệm diện tích của cơ sở, giảm sai số đo đạc khi thực hiện thủ công vàchuyển sang thực hiện bằng máy móc, giúp cho chủ doanh nghiệp có thể quản lý nhà máy mộtcách tốt hơn Các dây chuyền phân loại trái cây sẽ được nâng cấp với một chi phí hết sức hợp

lý, giảm các lỗi do thao tác thủ công gây ra

2.MỤC ĐÍCH

Đề tài “Thiết kế thiết bị đánh giá chất lượng quả xoài sử dụng phương pháp xử lý hìnhảnh “ được thực hiện theo định hướng phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước.Đây là bước đầu trong quá trình thiết kế thiết bị đánh giá chất lượng trái cây Mục tiêu baogồm:

 Hệ thống tập trung vào việc thực hiện công việc phân loại và đánh giá chất lượng quảxoài

 Thực hiện công việc hiển thị trong trường hợp sử dụng thiết bị cầm tay để ngườidùng thao tác hành vi nhặt thủ công

 Dữ liệu được lưu vào trong file thư mục ảnh và file text để có truy xuất, nắm bắtđược quá trình lịch sử

 Có thể linh hoạt chuyển sang thiết bị cầm tay

Thiết bị có thể linh hoạt thay đổi khi có thể gắn cố định thành thiết bị phân loại vàđánh giá trên băng tải tự động hoặc có thể linh hoạt chuyển sang một thiết bị cầm tay nhỏgọn hơn.

Một cơ sở trưng thu và đóng gói trái cây có thể nâng cấp hệ thống tự động hóa tại nhiều

vị trí, hệ thống cố định tập trung vào việc sử dụng và nâng cấp băng chuyền phân loại trong

cơ sở đó khi có thể gắn trực tiếp vào băng chuyền và thực hiện nhiệm vụ một cách tự động đođạc, phân loại, đánh giá và lưu lại dữ liệu một cách tự động

Thiết bị cầm tay tập trung vào việc có thể dễ dàng di chuyển linh hoạt, mang đến cáckhu vườn trồng trái cây hay có thể mang đến các kho bãi trưng thu trái cây để có thể phân loại

và đánh giá chính xác giúp cho việc giảm thiểu sai số gây thiệt hại cho cơ sở

Đối tượng và phạm vi áp dụng của đề tài là dành cho các cơ sở trưng thu và chế biếntrái cây vừa và nhỏ, hoặc các nông trại trồng cây ăn quả cần nâng cấp hệ thống với các thiết bịđơn giản dễ lắp đặt và giá thành thiết bị hợp lý Tùy thuộc vào điều kiện của mỗi cơ sở mà cóthể tùy biến lại theo ý muốn của cơ sở đó

4.PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG

Đồ án được thực hiện bằng phương pháp xử lý ảnh kết hợp các cảm biến được xây dựngchủ yếu bằng phần mềm trên hệ thống nhúng Đồ án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và kếtluận Phần mở đầu thể hiện tính cấp thiết, mục đích nghiên cứu, đối tượng áp dụng và các nộidung trình bày trong đề tài

Chương 1 đưa ra cái nhìn tổng quan về ngành chế biến trái cây tại Việt Nam cũng nhưtrên thế giới bao gồm từ thị trường chế biến trái cây hiện nay và công nghệ đang được sửdụng và định hướng tiếp theo của ngành chế biến trái cây Việt Nam

Chương 2 đặt ra bài toán và đưa ra các giải pháp, yêu cầu Các giải pháp kĩ thuật sẽđược thực hiện trên thiết bị để giải quyết bài toán công nghệ đặt ra

Chương 2 là Cơ sở lý thuyết, thiết kế, lưu đồ thuật toán chi tiết của hệ thống Chươngnày nêu các cơ sở lý thuyết, các bước thiết kế và chi tiết lưu đồ thuật toán, các phương pháp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÁI CÂY TẠI

VIỆT NAM

1.1 Khái quát ngành chế biến trái cây ở Việt Nam hiện nay

Cùng với sự tăng về diện tích, sản lượng, giá trị xuất khẩu trái cây Việt Nam liên tụctăng trưởng cao trong những năm gần đây Từ con số vài trăm triệu USD/năm, đến năm 2016

đã đạt con số 2,45 tỷ USD, trong đó ước tính các sản phẩm trái cây chiếm hơn 80% giá trịxuất khẩu Riêng 10 tháng đầu năm 2017, giá trị xuất khẩu rau quả của Việt Nam đạt 2,48 tỷUSD, tăng hơn 47,3% so với cùng kỳ năm 2016 [1]

Về mặt thị trường, các thị trường nhập khẩu rau quả lớn liên tục tăng trưởng về giá trị,

từ 13 thị trường trên 1 triệu USD năm 2014 lên 10 thị trường trên 20 triệu USD năm 2016.Bên cạnh Trung Quốc là thị trường lớn nhất chiếm 70,8% thị phần, nhiều loại rau quả ViệtNam đã được xuất khẩu vào các thị trường cao cấp có yêu cầu rất cao như Mỹ, Hàn Quốc, HàLan, Malaysia, Đài Loan, Thái Lan, Singapore và Australia [1]

Hình 1-1: Thị phần xuất khẩu của ngành xuất khẩu rau quả (%)[1]

Tuy nhiên, với giá trị thị trường NK rau quả toàn thế giới vượt mức 200 tỷ USD/năm kể

từ năm 2011, giá trị XK rau quả Việt Nam hiện mới chiếm chưa đến 1% thị phần là rất nhỏ,chưa tương xứng với tiềm năng và lợi thế, dù ngành sản xuất rau quả Việt Nam có sự tăng

Đi sâu phân tích xuất khẩu rau quả, đặc biệt là mặt hàng quả của Việt Nam, chủ yếuxuất khẩu dưới dạng trái cây tươi nên giá trị gia tăng thấp và bị tác động bởi các rào cản kỹthuật như kiểm dịch thực vật, chất lượng trái cây giảm nhanh, thời gian bảo quản ngắn dochưa có các công nghệ bảo quản tiên tiến và các vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm…

1.2 Nhu cầu và định hướng phát triển chung ngành chế biến trái cây Việt Nam

Bên cạnh những tiềm năng, lợi thế, hiện nay ngành sản xuất cây ăn quả Việt Nam đứngtrước không ít khó khăn, thách thức như: Quy mô sản xuất nhỏ lẻ, phân tán, liên kết sản xuấttheo chuỗi giá trị còn hạn chế, chất lượng quả chưa cao, năng suất thấp, khâu kiểm tra chấtlượng chưa được đảm bảo, các sản phẩm qua chế biến còn ít,…

Một trong những thách thức mà ngành công nghiệp chế biến trái cây đang phải đối mặt

là công nghệ chế biến chưa đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế, để nâng cao giátrị gia tăng của sản phẩm tạo ra lợi nhuận bền vững Khâu đánh giá chất lượng rất quan trọngtrong các dây chuyền chế biến này

Vì vậy, giải pháp hàng đầu được đưa ra chính là sự thay đổi áp dụng công nghệ mớitrong sản xuất, áp dụng công nghệ mới, đầu tư dây chuyền sản xuất và kiểm định chất lượngtiên tiến nhằm tăng tính hiệu quả và đảm bảo chất lượng sản phẩm

Vùng nguyên liệu, thị trường tiềm năng và công nghệ sản xuất mới để các doanh nghiệpđánh giá các quy trình và tiềm năng lớn trong ngành trái cây chế biến

Việt Nam xác định trái cây là ngành hàng còn nhiều tiềm năng, dư địa để phát triển.Định hướng chung toàn ngành đặt ra là: Tiếp tục tập trung đẩy mạnh áp dụng khoa học côngnghệ vào khâu sản xuất cây ăn quả nhằm tăng năng suất, sản lượng và nâng cao chất lượng,

hệ thống kiểm định Bên cạnh đó, tăng cường phát triển công nghệ bảo quản, chế biến sâu cácsản phẩm từ cây ăn quả với các sản phẩm chế biến chính gồm các loại quả đông lạnh, đónghộp, sấy, nước quả tự nhiên, nước quả cô đặc… nhằm gia tăng giá trị sản xuất, mở rộng thịtrường, tăng kim ngạch xuất khẩu

1.3 Kết luận chương 1

Ngành sản xuất và chế biến trái cây tại Việt Nam cũng như trên thế giới đang ngày mộttăng trưởng mạnh hơn do nhu cầu từ đời sống sinh hoạt của con người Khả năng sản xuất củaViệt Nam không thua kém các nước xuất khẩu hàng đầu, nhưng các phương pháp, thiết bị tạicác cơ sở trưng thu, chế biến trái cây còn thô sơ, lạc hậu, làm giảm mức độ uy tín cho ngànhxuất khẩu trái cây

Chương tiếp theo, em xin phân tích yêu cầu bài toán và giải pháp thiết kế thiết bị phânloại và đánh giá chất lượng quả xoài

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP YÊU CẦU THIẾT BỊ PHÂN LOẠI VÀ ĐÁNH

GIÁ CHẤT LƯỢNG QUẢ XOÀI2.1 Các trường hợp cần phân loại và đánh giá chất lượng quả xoài

Trong việc phân loại và đánh giá chất lượng quả xoài, người ta đánh giá thông qua màusắc, kích thước và mức độ các vết khuyết tật trên bề mặt quả Với trường hợp màu sắc có thểchia ra làm 2 loại chính là xoài xanh và xoài chín

 Trường hợp 1: Đi trưng thu mua xoài

o Cần kiểm tra chất lượng quả từ người bán, đưa ra kết luận về mộtchuẩn về chất lượng để định ra giá tiền;

o Cả hai bên cùng đo để kiểm chứng định giá;

o Quả xoài có hình dạng chung sẽ được lựa chọn, loại bỏ các quả dị biệt

 Trường hợp 2: Xoài tự trồng và thu hoạch

o Khi trưng thu quả xoài cần phải kiểm tra một vài cây để xem xét mức

độ chín chung của cả vườn

o Người dùng sử dụng thiết bị cầm tay, lấy mẫu một số lượng nhất địnhcác hình ảnh trên các cây, sau đó đưa ra kết luận có thể thu hoạch hay chưa

o Với nhu cầu tìm kiếm từng quả xoài, cũng có thể chụp 3-5 hình ảnh vớimỗi quả xoài để đưa ra kết luận có thể hái được hay chưa, nhu cầu này đòi hỏi cần

có 1 lưỡi hái quả sử dụng làm cơ cấu chấp hành (tương tự như các thiết bị cắt háiquả tự động hiện nay)

 Trường hợp 3: Xoài khi ở cơ sở chế biến và đóng gói

o Được tích trữ lại và đưa lên các băng tải để kiểm tra chất lượng

o Sau khi đi qua hệ thống kiểm tra và đánh giá, hệ thống băng tải tự độngđẩy các quả xoài vào các ngăn tùy theo chất lượng, mức độ đặt ra

o Phân loại quả xoài theo mức độ chín, loại bỏ các quả hỏng sau khi pháthiện khuyết tật trên bề mặt

 Trường hợp 4: Kiểm tra chất lượng định kỳ

o Trái cây hay Xoài được bán tại các siêu thị thường có thời gian tiêu thụước tính

o Trong khoảng thời gian chờ (người tiêu dùng chưa chọn mua) thì cần

có bộ phận kiểm định chất lượng quả định kỳ theo các mốc thời gian

2.2 Các phương pháp phân loại và đánh giá xoài qua bề mặt hiện nay

2.2.1 Sử dụng cảm biến màu

Trên thế giới hiện nay, có rất nhiều máy móc phân loại màu sắc vật thể sử dụng cảmbiến màu sắc, đặc biệt là trong trường hợp phân loại màu quả xanh/chín như cà chua, táo,xoài, hay các vật thể nhỏ như hạt cà phê

Các thiết bị này chỉ cần bộ xử lý có tốc độ vừa phải và dễ dàng thiết kế như Arduino,kèm theo cảm biến màu Tổng chi phí cho một thiết bị như vậy ước tính là khoảng 50 USD(Arduino Nano và cảm biến màu TCS3200) So với các thiết bị sử dụng phương pháp khácthì giá thành tương đối rẻ

Hình 2-2: Cảm biến màu TCS3200

Tuy nhiên nhược điểm chính là cảm biến màu chỉ nhận biết được 1 màu, tức là muốnphân loại độ xanh/chín của quả và mức độ khuyết tật của quả cần phải sử dụng nhiều cảmbiến, hoặc sử dụng vòng lặp, điều này khiến chi phí và độ phức tạp của hệ thống tăng lên.Hiện nay có một số loại cảm biến sử dụng nhiều kênh màu, tuy nhiên giá thành của nókhá cao như ASTECH CR5-FO (4 kênh màu, tốc độ phản hồi khoảng 5-10ms) có mức giá là

578 Euro tương đương khoảng 15 triệu VNĐ

Các thiết bị sử dụng những loại cảm biến như vây có giá rất đắt tiền khi và thường sửdụng ở các nước phát triển hoặc các tập đoàn lớn, có ngành chế biến, xuất khẩu hoa quả đượcchuyên biệt hóa mỗi cơ sở chỉ làm một hoặc hai công đoạn chính

2.2.2 Phương pháp quét laser từ trên không

Hiện nay trên thế giới có một thiết bị từ trường “Linköping “ ở Thụy Điển trongnghiên cứu “Thiết bị dò tìm trái xoài và ước tính thời gian trưởng thành“

Thiết bị sử dụng cảm biến Lidar quét lại ảnh 3D của cây xoài từ phía xa, đưa vào bộ xử

lý hình ảnh, đưa ra đánh giá về độ chín của quả, sử dụng cơ cấu chấp hành là cánh tay Robot

để hái quả ngay trên cây

Hình 2-3: Robot với cánh tay hái quả sử dụng cảm biến Lidar

 Ưu điểm: tính tự động hóa cao, tốc độ đo cực nhanh khi so sánh với phương pháp thủcông

 Nhược điểm: giá thành của cảm biến Lidar cũng giống như cảm biến màu có giáthành rất cao và chưa thể đáp ứng được chi phí nếu sử dụng trực tiếp cho chủ cácnông trại

2.2.3 Phương pháp phân loại và đánh giá thủ công

Sử dụng trực tiếp thị giác mắt để kiểm tra màu sắc của quả và các dị biệt trên các loạiquả, tuy nhiên phương pháp này không được sử dụng trong ngành xuất khẩu trái cây do tínhchính xác, và thiếu vệ sinh khi chạm trực tiếp da tay hoặc các đồ vật có bụi bẩn ngay trướckhi đóng gói sản phẩm Điều này có thể gây ra độ hỏng của quả do các vi sinh trên da tay haycác vật thể tiếp xúc với quả, đặc biệt là trong quá trình vận chuyển hay lưu trữ sau khi đónggói

Hình 2-4: Phương pháp phân loại quả xoài thủ công

 Ưu điểm: đơn giản, không cần máy móc, dễ thực hiện nên được áp dụng một cáchrộng rãi

 Nhược điểm:

o Gây ra sai số lớn;

o Không thể phân loại chính xác các khuyết tật trên bề mặt quả;

o Phân loại mức độ chín của quả xoài theo cảm tính và thường khôngchính xác

o Tốc độ phân loại, đánh giá rất chậm

Tại Việt Nam, đa số các nông trại hoa quả sau khi trưng thu (ước tính thời gian quả chín

và trưng thu hàng loạt) sau đó vận chuyển cho các đầu mối ở chợ, địa phương tiêu thụ, chỉthông qua quy trình đánh giá thủ công Còn các cơ sở trưng thu, đầu mối ở chợ cũng thực hiệnquy trình thủ công và trong quá trình này quả xoài nói riêng hay trái cây nói chung đều bị tiếpxúc môi trường ô nhiễm, nơi có các vi sinh khuẩn gây bệnh cho trái cây

Ngành xuất khẩu hoa quả của Việt Nam chủ yếu là nhập khẩu sang Trung Quốc, do quytrình kiểm tra đầu vào của trái cây không cần tính chính xác cao Tuy nhiên thị phần trái câynhập khẩu vào Trung Quốc của Việt Nam vẫn xếp sau Thái Lan

2.3 Bài toán công nghệ đặt ra và lựa chọn giải pháp

2.3.1 Bài toán công nghệ đặt ra

Những phương pháp phân loại trái cây hiện nay hoặc có giá thành khá cao, hoặc khôngđảm bảo tính chính xác Công nghệ cao sẽ mất chi phí vô cùng lớn, còn quy trình thủ công lạilàm giảm tính chính xác và độ uy tín bị đánh giá thấp

2.3.2 Đề xuất mô hình thay thế đánh giá, phân loại quả trên băng tải tự động

Thiết bị đo được đặt vuông góc với băng tải phụ và đăt cách băng tải phụ khoảng 30 cmhoặc sẽ tự động thay đổi độ cao với yêu cầu của người dùng sao cho quả xoài khi chạy quathiết bị thì bề mặt quả xoài nằm gần tâm giữa camera và khung hình của camera có thể chứatoàn bộ bề mặt quả

Hình 2-5: Quá trình tác các loại quả theo theo yêu cầu

Hệ thống băng chuyền là các mắt xích nối tiếp nhau, mỗi mắt sẽ đặt 1 quả lên và có thểxoay đa hướng, cụ thể là 2 hướng trái phải để quả có thể nghiêng sang các ô phân loại

Hình 2-6: Mô hình tổng quan thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài

Mô hình đánh giá, phân loại chất lượng quả trên băng tải tự động được mô tả như hình2-4 và 2-5 với quá trình như sau:

 Bước 1: Từng quả Xoài được đặt lên băng tải, khâu này có thể tự động hoặc thủ côngsao cho khoảng cách đều nhau

 Bước 2: Khi quả xoài chạy qua vùng đặt cảm biến hồng ngoại, khối xử lý trung tâm

sẽ nhận được thông tin quả xoài đang chạy tới gần vùng chụp, mục đích của bướcnày em sẽ trình bày trong phần thuật toán xử lý ảnh

 Bước 3: Khi quả xoài chạy đến vùng chụp, thực hiện công việc chụp ảnh quả Xoàiqua camera và tiến hành phân tích

 Bước 4: Sau 1 thời gian phân tích, khối xử lý ra quyết định phân loại quả Xoài nàyvào từng nhóm phân loại, được chia ra ở mức độ khuyết tật bề mặt, chất lượng quả

Hình 2-7: Sơ đồ tổng quan thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài trên băng chuyền

Sơ đồ tổng quan phần cứng hệ thống thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài trên băngtải tự động bao gồm:

 Khối nguồn

 Khối xử lý trung tâm

 Khối đo bao gồm cảm biến hồng ngoại và Camera, riêng khối LED tương tác tácgián tiếp với thiết bị bằng việc cung cấp ánh sáng tự nhiên

 Khối hiển thị LCD kết nối với bộ xử lý được đặt phía trên băng tải

2.3.3 Mô hình thiết bị đánh giá và phân loại quả xoài cầm tay

Thay vì lắp đặt trên băng tải, trong 1 quy trình tự động như phân xưởng, người dùng cóthể sử dụng thiết bị như một máy ảnh với kích thước nhỏ gọn trong lòng bàn tay khi đi trưngthu trực tiếp Sau khi khởi động thiết bị, người dùng đặt thiết bị vuông góc với bề mặt quả vàbấm nút chụp hình, thao tác lặp lại với các mặt còn lại của quả, áng chừng mỗi quả chỉ cầnchụp từ 3-4 hình ảnh, khi đó camera làm nhiêm vụ thu nhận hình ảnh, sau đó đưa những hìnhảnh đó vào bộ xử lý trung tâm qua bus nối giữa chúng Dữ liệu hình ảnh được bộ xử lý trungtâm xử lý hình ảnh Luồng xử lý hình ảnh, trích xuất sẽ thu được các thông tin cần thiết nhưđặc tính màu, phần khuyết tật (đen) trên bề mặt quả Từ đó đưa ra kết luận quả xanh/chín vàđạt/không đạt

Hình 2-8: Mặt dưới thiết bị đánh giá chất lượng quả cầm tay

Thiết bị cầm tay được thiết kế với kích thước hợp lý, sử dụng đèn LED để giúp camera

có thể tập trung hơn vào bề mặt vật thể cần đo ngoài ra sử dụng pin dự phòng để cung cấpđiện cho thiết bị có thể hoạt động liên tục không cần nguồn, giúp cho công nhân có thể vậndụng, di chuyển hệ thống một cách linh hoạt tại những nơi không có điện hay không tiện kếtnối

Hình 2-9: Sơ đồ tổng quan thiết bị cầm tay

Đối với thiết bị cầm tay, phần cứng hệ thống được rút gọn lại như Hình 2-7 gồm:camera, bộ vi xử lý trung tâm, và màn hình cảm ứng LCD 3,5 inch hiển thị giao diện ngườidùng

2.3.4 Lựa chọn thiết bị phần cứng

a) Phân tích lựa chọn bộ xử lý trung tâm

Đối với hệ thống của đề tài này, bộ xử lý trung tâm là trái tim của hệ thống, đảm bảoduy trì các hoạt động xử lý một cách trơn tru, yêu cầu nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng Có một

số lựa chọn như: Máy tính PC, FPGA, máy tính nhúng Các ưu, nhược điểm của chúng đượctrình bày trong Bảng 2-1

Tốc độ xử lý Cao Cao Trung bình

Bảng 2-1: Bảng so sánh các bộ xử lý trung tâm

Ta tổng kết thông tin từ bảng trên như sau:

 Máy tính PC rất cồng kềnh, không thể đặt tại các tuyến đường, tiêu thụ nhiều điệnnăng và giá thành tương đối cao;

 FPGA khả năng xử lý tín hiệu tốt, nhanh, tuy nhiên giá thành là khá cao Giá chỉriêng một con chip FPGA đã từ 10-30$;

 Máy tính nhúng Raspberry Pi có kích thước rất nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện năng mà giáthành lại khá rẻ

Do đó, đề tài sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi, với kích thước rất nhỏ gọn, chỉ

xấp chỉ một chiếc điện thoại, chạy hệ điều hành mở linux, tốc độ xử lý vừa đủ, mà giá thànhlại khá rẻ (giá chỉ 30-40$) Raspberry Pi thực hiện thu thập hình ảnh từ camera, xử lý số liệungay tại hiện trường mà không cần truyền về trung tâm giám sát

Raspberry Pi là một máy tính có kích thước nhỏ gọn chỉ bằng một chiếc điện thoại,được phát triển tại Anh bởi Raspberry Pi Foundation, phiên bản đầu tiên ra đời vào năm 2012,với mục đích ban đầu là thúc đẩy việc giảng dạy về khoa học máy tính cơ bản trong cáctrường học Raspberry Pi chạy hệ điều hành Linux Phiên bản đầu bao gồm bộ xử lýARM1176 700MHz, 256MB RAM (Hình 2-9)

Hình 2-10: Bộ vi xử lý Raspberry Pi3

Tháng 2 năm 2015, thế hệ thứ hai được phát hành với nhân ARM Cortex A7 900MHz

và 1GB RAM Đến tháng 1 năm 2016, phiên bản mới nhất và mạnh nhất hiện nay củaRaspberry được phát hành Raspberry Pi 3 ra mắt với nhiều cài tiến mới, tích hợp wifi sẵn

xử lý trung tâm là Raspberry Pi 3.Trên bo mạch Raspberry Pi 3 có CPU, GPU, RAM, khecắm microSD, Wifi, Ethernet, bus CSI camera và 4 cổng USB 2.0.

Raspberry Pi sử dụng lõi ARM chứ không phải x86 như của Intel, do đó nó sử dụng tậplệnh rút gọn RISC và tiêu thụ điện năng rất thấp Toàn bộ mạch có thể hoạt động với nguồn5V, 700mA tức chỉ tiêu hao 3.5W mỗi giờ

Thông số Raspberry Pi 3:

 CPU ARM Cortex-A53 Qualcore 1.2GHz 64bit

 1GB LPDDR2 memory

 Hỗ trợ wifi 802.11n

 Dual core VideoCore IV

 1 Ethernet port, 1 HDMI, 4 USB 2.0

b) Phân tích lựa chọn camera

Để thu nhận hình ảnh bề mặt quả xoài, ta cần có camera Khi lựa chọn camera choRaspberry Pi, ta có một số lựa chọn là: Picamera hoặc USBcamera Picamera được nối vớiRaspberry Pi qua bus riêng có sẵn của trên bo mạch, còn USBcamera sẽ được nối qua cổngUSB trên bo mạch

Theo tài liệu của nhà sản xuất Raspberry Pi, tốc độ gửi dữ liệu từ Picamera đếnRaspberry nhanh hơn so với dùng USBcamera Camera từ hãng Waveshare có thể điều chỉnhđược tiêu cự của camera, camera từ nhà sản xuất raspberry không thể điều chỉnh được Do đó,

đề tài sử dụng Picamera của Waveshare để phù hợp với yêu cầu bài toán đã đặt ra (Hình 10)

2-Thông số camera:

 5 megapixel OV5647

 Thay đổi được tiêu cự

 CCD size: 1/4inch, Kích thước 32mm  32mm

Hình 2-11: Camera Waveshare

c) Lựa chọn màn hình hiển thị

Đối với thiết bị đánh giá chất lượng quả xoài trên băng tải tự động, có thể sử dụng mànhình máy tính để hiển thị, tùy theo kích cỡ mà người sử dụng mong muốn, được kết nối vớimáy tính Raspberry Pi3 qua cổng HDMI

Đối với thiết bị cầm tay, ngoài chức năng hiển thị, màn hình còn sử dụng để điều khiển,

vì vậy yêu cầu đặt ra là một màn hình cảm ứng Tùy vào giá tiền ta có thể chọn các loại mànhình kích cỡ khác nhau từ 3.2inch đến 7inch và cảm ứng điện trở hoặc cảm ứng điện dung

Hình 2-12: Màn hình cảm ứng Waveshare 7inch

Thông số của màn hình cảm ứng Waveshare:

 Độ phân giải cao 1024×600;

 Công nghệ màn hình IPS screen, góc nhìn rộng hơn, hiển thị nhiều hơn;

 Giao thức chuẩn HID, dễ dàng tích hợp vào hệ thống của bạn;

 Đối với mini-PCs khác, người dùng không được hỗ trợ trình điều khiển (driver);

 7inch HDMI LCD có thể làm việc như một màn hình máy tính với kết nối HDMI;

 Giao tiếp HDMI cho hiển thị giao tiếp USB cho cảm ứng;

 Màn hình có nút Back light điều chỉnh tắt/bật;

 Trên Raspberry Pi, hỗ trợ Raspbian, Ubuntu, cảm ứng đơn điểm và không cần cài đặtdriver;

Trong đồ án này, do yếu tố có sẵn màn hình, nên em chọn màn hình cảm ứngWaveshare 7inch HDMI LCD (C), 1024×600, IPS với ưu điểm chỉ cần kết nối qua cổng USB

và cổng HDMI với Pi là có thể cảm ứng, sử dụng cảm ứng điện dung giúp dễ điều chỉnh miêu

tả như Hình

d) Cảm biến hồng ngoại

Sử dụng module LED thu phát hồng ngoại MH-IR01 với mức tín hiệu đầu ra là 0-1, có

độ nhạy điều chỉnh được qua biến trở và khi thực nghiệm sẽ cần điều chỉnh cho phù hợp

Hình 2-13: Mắt thu phát hồng ngoại MH-IR01

Thông số kĩ thuật module MH-IR0:

 Nguồn cấp: VCC 3.3V - 5V, có thể sử dụng nguồn trực tiếp từ vi điều khiển

 Đầu vào: tín hiệu analog từ mắt thu hồng ngoại

 Đầu ra: mức logic 0-1

 Khoảng cách phát hiện: 2-30cm

 Góc phát hiện: 35o

2.3.5 Tổng quan hệ thống phần mềm

a) Hệ điều hành

Từ những ưu nhược điểm và cân nhắc vấn đề của đặt ra của bài toán cần giải, từ một số

hệ điều hành phổ biến như Raspbian, Ubuntu, Win 10 IoT CoreOSMC và OpenELEC, emquyết định sử dụng hệ điều hành Raspbian Jesse là hệ điều hành chính cho máy tính nhúngRaspberry Pi3

Hệ điều hành Raspbian Jessie có nền tảng xây dựng từ hệ điều hành Ubuntu, là hệ điềuhành dễ sử dụng, khá phổ biến trong cộng đồng người sử dụng Raspberry Pi nên có thể nhậnđược sự hỗ trợ tốt từ cộng đồng sử dụng Hơn thế nữa, Raspbian là phiên bản không chínhthức của Debian Wheezy – một phiên bản Linux có tiếng Raspbian rất đơn giản và quenthuộc Nó là nền tảng rất tốt cho những người mới bắt đầu làm quen với Raspberry Pi nóiriêng và Linux nói chung.

Nhược điểm của nó là giao diện đơn giản, cổ điển và rất không hào nhoáng Nhưng bùlại hiệu suất của hệ điều hành là cực kì cao và được tối ưu rất tốt khi so sánh với các hệ điềuhành phổ biến trên Pi như Ubuntu Mate hay Win10 IoT Core Phù hợp cho các tác vụ phục vụnghiên cứu, văn phòng

b) Thư viện xử lý ảnh

OpenCV (Open Source Computer Vision) là một thư viện mã nguồn mở về thị giác máytính với hơn 500 hàm và 2500 thuật toán đã tối ưu về xử lý ảnh và các vấn đề liên quan đếnthị giác máy tính OpenCV được thiết kế một cách tối ưu, sử dụng tối đa sức mạnh của dòngchip đa lõi để thực hiện các phép tính toán trên thời gian thực, nghĩa là tốc độ đáp ứng đủnhanh cho các phép tính toán thông thường OpenCV là thư viện thiết kế để chạy trên nhiềunền tảng khác nhau (cross – platform), nghĩa là nó có thể chạy trên hệ điều hành Windows,Mac, Ios, Ubuntu,… Việc sử dụng thư viện OpenCV tuân theo các quy định về sử dụng mãnguồn mở BSD do đó có thể sử dụng thư viện này cho các mục đích thương mại và phithương mại Năm 2005, OpenCV đã được sử dụng trên Stanley, chiếc xe đã giành được giảiGrand DARPA 2005 OpenCV hỗ trợ rất nhiều thuật toán liên quan đến thị giác máy tính vàhọc máy và đang ngày càng mở rộng Cho đến nay thì OpenCV vẫn là một thư viện mở, đượcphát triển bởi nguồn quỹ không lợi nhuận và được sự hưởng ứng từ cộng đồng

Trong đồ án này, em sử dụng thư viện OpenCV bản 3.4 với lí do là có thể dễ dàng kếthợp với ngôn ngữ lập trình C++/Python giúp cho có thể lập trình và đọc code dễ dàng hơn,ngoài ra phiên bản 3.4 cũng được bổ sung nhiều thuật toán, được sự hỗ trợ tốt hơn từ cộngđồng người sử dụng OpenCV

Thư viện Qt được rất nhiều các công ty lớn Adobe, Boeing, Google, Skype,… sử dụng

và được cộng đồng hỗ trợ rất nhiều Do là một framework đa nền tảng nên mỗi lần thay thế hệ

Cụ thể trong bài toán này, em sẽ sử dụng thư viện PyQt4 phiên bản dành cho ngôn ngữlập trình C++.

d) Ngôn ngữ lập trình

C++ về bản chất được xây dựng trên nền của Ngôn ngữ lập trình C Điểm khác là C++

mở rộng thêm và hỗ trợ hướng đối tượng

OpenCV - C++ là một chuỗi các thư viện được viết bằng tối ưu hóa C/C++, thư viện cóthể tận dụng lợi thế của xử lý đa lõi Do đó việc lập trình bằng ngôn ngữ C++ sẽ làm tiết kiệmtối đa thời gian xử lý của bộ xử lý

Đối với hệ điều hành Raspbian nói chung, xu hướng hiện nay là ngôn ngữ lập trìnhPython Tuy nhiên C++ có tốc độ xử lý nhanh hơn và dễ dàng phân lớp đối tượng, quan sátcác thuộc tính của đối tượng một cách có tổ chức, thuận tiện trong việc xây dựng và chỉnhsửa Công việc chuyển đổi qua lại giữa các ngôn ngữ như Python hay Java cũng có thể thựchiện trong khi chỉnh sửa, nâng cấp

Từ những ưu điểm trên, em sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ khi làm việc với với tậpthư viện xử lý ảnh là OpenCV để có thể dễ quản lý code

2.4 Kết luận chương 2

Từ tính cấp thiết của bài toán, dựa trên các phương pháp đánh giá và phân loại quả xoàiđược sử dụng hiện nay với những ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp, em đã lựachọn phương pháp xử lý hình ảnh với ưu điểm là chi phí phần cứng ít Thiết bị nhỏ gọn dễdàng di chuyển để xây dựng nguyên thiết bị trên băng tải tự động và thiết bị cầm tay, hai thiết

bị này có thể chuyển đổi linh hoạt cho nhau đơn giản bằng cách ghép nối các module

Chương tiếp theo, em xin phân tích lý thuyết, chi tiết lưu đồ thuật toán cùng với việcthiết kế và cài đặt hệ thống

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG QUẢ XOÀI3.1 Thiết kế, tính toán phần cứng thiết bị

3.1.1 Sơ đồ khối phần cứng

Các thiết bị phần cứng kết nối với nhau thông qua các cổng vào/ra của máy tính nhúngRaspberry Pi 3 Mô tả chi tiết sơ đồ khối của máy tính nhúng được mô tả như hình dưới

Hình 3-14: Sơ đồ khối các chân trên máy tính nhúng Raspberry PI 3

Từ sơ đồ khối này, em xây dựng được sơ đồ liên kết giữa các thiết bị phần cứng vớimáy tính nhúng này như sau:

Mô tả cụ thể:

 Nguồn cấp: 5V thông qua cổng micro USB của Raspberry Pi 3

 Nút nhấn: thông qua các chân GPIO của Pi với thiết lập input trên Pi

 Cảm biến hồng ngoại: thông qua chân GPIO với thiết lập input, trả về mức tín hiệu

só là 0 hoặc 1

 Camera: thông qua các chân kết nối CSI Camera của Pi

 LCD thông qua cổng HDMI và sử dụng thêm các chân GPIO nếu đó là thiết bị cầmtay

 Ngoài ra trong quá trình xây dựng, chỉnh sửa, hoặc lấy dữ liệu nhanh, người dùng cóthể thao tác cắm chuột, bàn phím hoặc USB thông qua cổng USB

3.1.2 Tính toán nguồn tiêu thụ

a) Thiết bị trên băng tải tự động

Thiết bị được xác định có các phần tử tiêu thụ điện năng đáng kể được liệt kê đo trongthực tế và theo datasheet là:

 Máy tính nhúng Raspberry Pi3: sử dụng 400mA;

 Camera: tiêu tốn 250mA;

 Sử dụng cổng HDMI: tiêu tốn 50mA;

 Bàn phím và chuột: tùy từng loại tiêu tốn từ 80mA

 Màn hình hiển thị: tiêu tốn tối đa 900mA theo datasheet

Theo datasheet của Raspberry Pi3 thì dòng điện tổng với các thiết bị kết nối qua cổngUSB là 1,2A Ở mạch trên ta có bàn phím chuột được kết nối qua cổng USB vì vậy đủ điềukiện Theo những gì đo được trong thực tế và theo datasheet của thiết bị thì dòng điện tổng sẽkhông thể vượt quá 1180mA

Hình 3-16 : Nguồn Raspberry Pi3 chính hãng 5V/2.5A

Ngoài ra hệ thống cần sử dụng thêm 4 LED có công suất 20W nguồn cấp 220VAC đểtạo ánh sáng tự nhiên cho ảnh chụp, thuận tiện cho công việc xử lý hình ảnh.

b) Thiết bị cầm tay

Hệ thống cầm tay được xác định có các phần tử tiêu thụ điện năng đáng kể được liệt kê

đo trong thực tế và theo datasheet là:

 Máy tính nhúng Raspberry Pi3: sử dụng 400mA;

 Camera: tiêu tốn 250mA;

 Màn hình hiển thị: tiêu tốn tối đa 400mA theo datasheet

Theo datasheet của Raspberry Pi3 thì dòng điện tối đa với các thiết bị kết nối qua cổngUSB 1,2A nên đáp ứng đủ điều kiện cung cấp cho màn hình hiển thị, trong thực tế thử nghiệm

có thể sử dụng cùng cả chuột và bàn phím một thời gian dài và thiết bị vẫn hoạt động bìnhthường

Theo những gì đo được trong thực tế và theo datasheet của thiết bị thì dòng điện tổng sẽkhông thể vượt quá 1850mA, vì vậy việc sử dụng nguồn là pin dự phòng 5V/2A hoàn toàncung cấp đủ cho cả mạch điện

Sử dụng pin 36000mAh làm bộ nguồn di động, Thời gian sử dụng sẽ được tính dựa theodung lượng thực tế của pin có thể sạc đối với đầu ra điện áp 5V Đối với các cục pin sạc dựphòng hiện nay đại đa số thông số được thể hiện là 18650mAh/3.7V, hiệu suất bình thườngcủa một viên pin dự phòng là 85%, vậy dung lượng pin thực tế khi đầu ra 5V là:

Thời gian tối thiểu có thể sử dụng thiết bị là:

Với một thời gian dùng là khoảng hơn 7 giờ được ước tính là khá thoải mái, pin có thểsạc lại được nên giảm được chi phí không phải thay thế thay pin