Thiết kế hệ thống phát hiện bệnh sương mai trên cây dưa lưới và phun thuốc tự động

Engineering Document Template HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN ((( ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN BỆNH SƯƠNG MAI TRÊN CÂY DƯA LƯỚI VÀ PHUN THUỐC TỰ ĐỘNG . Nông nghiệp chắc chắn là ngành sản xuất sơ khai và lâu đời nhất của loài người. Khi cuộc sống ngày càng phát triển, đồng đời xuất hiện sự phân cấp thì các sản phẩm nông sản được sản xuất ra không đơn thuần phục vụ nhu cầu ăn uống đơn giản mà còn cần trải qua rất nhiều công đoạn chăm sóc khác nhau, dẫn đến mỗi sản phẩm lại có giá trị riêng khác nhau. Người ta có thể đánh giá sản lượng cũng như chất lượng các sản phẩm thông quá nhiều tiêu chí như sâu bệnh, thời tiết. Những vụ mùa tốt, đạt tiêu chuẩn chất lượng sẽ có mức giá ở phân khúc cao hơn các sản phẩm loại 2, loại 3 hoặc các sản phẩm nào thì đủ tiêu chuẩn sử dụng cho con người, sản phẩm nào dùng cho động vật. Mục đích của việc phát hiện bệnh sớm và chăm sóc tự động có thể giúp nông dân tiết kiệm chi phí cũng như thời gian và thu được năng suất cao nhất. Tuy nhiên công việc này đa số đang được làm thủ công và mất khá nhiều nhân công.

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ - ĐIỆN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN BỆNH SƯƠNG MAI TRÊN CÂY DƯA LƯỚI VÀ PHUN THUỐC TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Msv : Lớp : Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trình bày đồ án trung thực, khách quan chưa dùng để bảo vệ cho đồ án môn học Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực đồ án cám ơn, thơng tin trích dẫn đồ án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 07 tháng 05 năm 2022 Tác giả đồ án i LỜI CẢM ƠN Em xin cám ơn Ban giám đốc Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện tồn thể thầy, giáo tận tình dạy dỗ, giúp đỡ em thời suốt q trình học tập trường Học viện Nơng nghiệp Việt Nam Xin cảm ơn thầy cô trực tiếp giảng dạy em thầy cô gián tiếp giúp đỡ em trình tìm kiếm tài liệu cho việc thực đồ án tốt nghiệp Đặc biệt em xin trân trọng cảm ơn thầy …– Người tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu truyền đạt nhiều ý kiến thiết thực suốt trình thực đồ án Những kinh nghiệm quý báu mà thầy truyền đạt hành trang vững giúp em tự tin nghề nghiệp sau Xin cảm ơn gia đình bạn bè ủng hộ, động viên, giúp đỡ em vượt qua khó khăn suốt thời gian vừa qua để em hoàn thành nhiệm vụ học tập đồ án tốt nghiệp cách tốt Mặc dù có nhiều cố gắng với kiến thức cịn hạn hẹp thời gian tiếp xúc với thực tế chưa nhiều, báo cáo đồ án em khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Em mong có ý kiến đóng góp thầy cô bạn kiến thức báo cáo hoàn thiện Em xin trân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 07 tháng 05 năm 2022 Sinh viên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH VI DANH MỤC BẢNG VII MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan bệnh sương mai dưa lưới .4 1.1.1 Thế bệnh sương mai 1.1.2 Tác hại bệnh sương mai 1.1.3 Điều kiện thuận lợi cho bệnh 1.2 Các phương pháp bảo vệ cho dưa lưới trước nguy hiểm bệnh sương mai thực tế 1.2.1 Phòng tránh bệnh từ gieo trồng 1.2.2 Kiểm tra, phun thuốc phát có bệnh .7 1.3 Bài toán phát đối tượng 1.4 Kết luận chương 12 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động .13 2.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống phát bệnh sương mai .13 iii 2.3 Các thiết bị phần cứng sử dụng 14 2.3.1 Webcam Logitech 15 2.3.2 Arduino nano 16 2.3.3 Arduino mega 18 2.3.4 Cảm biến dò line 19 2.3.5 Bơm mini 21 2.3.6 Động servo 22 2.3.7 Động giảm tốc 12v 23 2.3.8 Driver L298N điều khiển động 24 2.3.9 Mô –đun thu phát Esp 32 25 2.3.10 Bánh xe điều hướng 26 2.3.11 Bánh xe nhôm 27 2.3.12 Tấm Aluminium 28 2.3.13 Nhơm định hình 29 2.4 Nghiên cứu tổng quan công nghệ yolo v4 31 2.4.1 Sơ lược yolo 31 2.4.2 Yolov4 32 2.5 Nền tảng darknet phát đối tượng 35 2.1 Công dụng GPU (card đồ họa) ứng dụng deep learning 38 2.6 Lưu đồ thuật toán 41 2.7 Kết luận chương 43 CHƯƠNG CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .44 3.1 Xây dựng phần cứng hệ thống 44 3.1.1 Bản vẽ mô 3D 44 3.1.2 Mơ hình thực tế 45 3.2 Xây dựng chương trình cho hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động 45 3.3 Một số kết thực nghiệm 45 3.4 Kết đạt 45 iv 3.5 Kết chưa đạt 45 3.6 Đánh giá 45 3.7 Kết luận chương 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 47 PHỤ LỤC 48 v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG vii MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Nông nghiệp chắn ngành sản xuất sơ khai lâu đời loài người Khi sống ngày phát triển, đồng đời xuất phân cấp sản phẩm nông sản sản xuất không đơn phục vụ nhu cầu ăn uống đơn giản mà cần trải qua nhiều cơng đoạn chăm sóc khác nhau, dẫn đến sản phẩm lại có giá trị riêng khác Người ta đánh giá sản lượng chất lượng sản phẩm thông nhiều tiêu chí sâu bệnh, thời tiết Những vụ mùa tốt, đạt tiêu chuẩn chất lượng có mức giá phân khúc cao sản phẩm loại 2, loại sản phẩm đủ tiêu chuẩn sử dụng cho người, sản phẩm dùng cho động vật Mục đích việc phát bệnh sớm chăm sóc tự động giúp nơng dân tiết kiệm chi phí thời gian thu suất cao Tuy nhiên công việc đa số làm thủ công nhiều nhân công Bản thân em xuất phát từ gia đình làm nơng nghiệp, chứng kiến bố mẹ phân loại sau thu hoạch loại nông sản loại rau, ớt, cà chua, khoai tây, lạc, đỗ, vất vả nhiều thời gian, công sức mà lợi nhuận không sâu bệnh độc hại phun thuốc Trong trình học tập nghiên cứu Học viện Nơng Nghiệp, em có tìm hiểu vấn đề biết có nhiều sở sản xuất sử dụng thiết bị, dây chuyền tự động tưới tiêu tự động, hệ thống tưới nhỏ giọt Chính thế, điều thúc em việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phát bệnh tưới nước phun thuốc hoàn toàn tự động thực đề tài “ Thiết kế hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động” Mục đích nghiên cứu đề tài • Phát hiện bệnh dưa lưới • Phun thuốc tự động phát bệnh • Xe tự hành mang cấu phun thuốc tự động phạm vi nhà kính Đối tượng nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng chọn dưa lưới vài năm gần dưa lưới mang lại hiệu kinh tế cao cho người trồng • Arduino: dùng để điều khiển xe tự hành thu nhận tín hiệu • Camera: Tính tốn lựa chọn loại camera phù hợp để thu hình ảnh tốt từ dưa lưới • Thiết kế cấu xe phù hợp cho cấu chấp hành phun thuốc phát bệnh • Các phương pháp xử lý ảnh liên quan đến thuật toán kiểm tra bệnh Nội dung phương pháp nghiên cứu 4.1 Nội dung Đề tài thực với nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan xử lý ảnh nhận dạng - Tìm hiểu bệnh sương mai dưa lưới - Xây dựng mơ hình giải thuật phát bệnh sương mai dưa lưới Tập hợp sở liệu ảnh bị bệnh Xây dựng mơ hình hệ thống gồm bước: Tiền xử lý, trích xuất đặc trưng dựa màu sắc/hình dạng bệnh lá, phát đối tượng thông qua huấn luyện yolov4 - Thực đánh giá mơ hình giải thuật phát bệnh dựa tập sở liệu thu thập - Xây dựng giao diện tương tác người dùng Các nội dung chia làm chương: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết thảo luận 4.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kế thừa: • Dựa vào thuật tốn có để phân tính đối tượng • Kế thừa từ cơng trình nghiên cứu khoa học sử dụng yolov4, lập trình arduino Hình 2.19 Gán nhãn phần mềm LabelImage Sau gán nhãn cho ảnh ta thu file txt chứa kí hiệu nhãn vị trí tọa độ chúng Như ta thấy hình 2.20, dịng bao gồm năm hàng hàng thứ nhãn đối tượng (tốt/xấu), hàng số hai ba tọa độ theo trục x trục y tâm khung giới hạn quanh đối tượng, hàng số bốn năm chiều dài chiều rộng khung giới hạn Hình 20 Kết gán nhãn Hệ thống dựa tọa độ để xác định hình dạng, trích xuất đặc trưng phục vụ cho trình huấn luyện xác định đối tượng Sau thu số lượng ảnh nhãn định darknet thiết lập tiến hành đào tạo, cần cần ý đến file cfg, train val sử dụng trình huấn luyện 36 Hình 21 Hệ thống chạy q trình huấn luyện Thời gian để hồn thiện mơ hình huấn luyện phụ thuộc vào số lượng ảnh đào tạo thông số ta chọn batchsize, thông thường khoảng vài tiếng Trong q trình hệ thống đào tạo có xuất biểu đồ loss giúp ta quan sát theo dõi kết Nếu đường biểu đồ loss giảm dần theo chiều tăng max batchsize tức mô hình chạy tốt Ngược lại đường biểu đồ loss xuất nhiều điểm bất thường ta cần kiểm tra lại liệu Sau khoảng định hệ thống xuất mơ hình, điều giúp ta dễ dàng việc lấy mơ hình có nhiều lựa chọn để tìm mơ hình có kết tốt 37 Hình 22 Biểu đồ theo dõi trình huấn luyện yolo 2.1 Cơng dụng GPU (card đồ họa) ứng dụng deep learning Trong trình Deep Learning, giai đoạn training giai đoạn nhiều thời gian để đạt Đây không q trình tốn thời gian mà cịn tốn Phần có giá trị lộ trình Deep Learning yếu tố người Các nhà khoa học liệu thường đợi hàng hàng ngày để việc training hoàn thành Nếu diễn lâu làm ảnh hưởng đến suất thời gian đưa mơ hình thị trường 38 Hình 2.23 Card xử lý đồ họa[25] Để giảm đáng kể thời gian training, bạn sử dụng GPU vào Deep Learning Cho phép bạn thực song song hoạt động tính tốn AI Khi đánh giá GPU, bạn cần xem xét khả kết nối nhiều GPU Phần mềm hỗ trợ có sẵn, cấp phép, tính song song liệu, hiệu suất sử dụng nhớ GPU Giai đoạn dài sử dụng nhiều tài nguyên triển khai Deep Learning giai đoạn training Giai đoạn thực thời gian hợp lý mơ hình có số lượng thông số nhỏ Nhưng số lượng bạn tăng lên thời gian training bạn tăng theo Các đơn vị sử lý đồ họa (GPU) làm giảm chi phí Cho phép chạy mơ hình với số lượng lớn thơng số cách nhanh chóng hiệu Điều GPU cho phép bạn thực nhiệm vụ training song song Phân phối công việc qua cụm xử lý thực hoạt động tính tốn đồng thời GPU tối ưu hóa để thực tác vụ mục tiêu, hoàn thiện phép tính nhanh so với phần cứng khơng chuyên dụng Các xử lý cho phép bạn xử 39 lý tác vụ tương tự nhanh giải phóng CPU cho tác vụ khác Nó giúp loại bỏ tắc nghẽn giới hạn tính toán tạo Việc chọn GPU để triển khai bạn có ý nghĩa với ngân sách hiệu suất Bạn cần chọn GPU hỗ trợ dự án bạn Về lâu dài có khả mở rộng quy mơ thơng qua tích hợp gơp thành nhóm Đối với dự án có quy mơ lớn Bạn cần lựa chọn GPU có khả chuyên sâu sử dụng thường xuyên sử dụng GPU trung tâm liệu Những yếu tố ảnh hưởng đến khả mở rộng dễ sử dụng GPU bạn chọn - Khả kết nối GPU với Khi chọn GPU, bạn cần xem xét đơn vị kết nối với Việc kết nối GPU liên kết trực tiếp với khả mở rộng triển khai bạn khả sử dụng nhiều GPU chiến lược đào tạo phân tán Thông thường, GPU tiêu dùng không hỗ trợ kết nối (NVlink cho kết nối GPU máy chủ Infiniband / RoCE để liên kết GPU máy chủ) NVIDIA loại bỏ kết nối GPU RTX 2080 - Phần mềm hỗ trợ GPU NVIDIA hỗ trợ tốt thư viện machine learning tích hợp với framework phổ biến Chẳng hạn PyTorch TensorFlow Bộ công cụ NVIDIA CUDA bao gồm thư viện tăng tốc GPU Trình biên dịch C C ++ thời gian chạy cơng cụ tối ưu hóa gỡ lỗi Nó cho phép bạn bắt đầu mà không cần lo lắng việc xây dựng tích hợp tùy chỉnh - Cấp phép Một yếu tố khác cần xem xét hướng dẫn NVIDIA việc sử dụng số chip định trung tâm liệu Kể từ cập nhật cấp phép vào năm 2018 Có thể có hạn chế việc sử dụng phần mềm CUDA với GPU tiêu dùng trung tâm liệu - Yếu tố thuật toán ảnh hưởng đến việc sử dụng GPU Theo kinh nghiệm giúp tổ chức tối ưu hóa khối lượng cơng việc học sâu quy mơ lớn Sau ba yếu tố bạn nên xem xét mở rộng thuật toán nhiều GPU 40 Tính song song liệu – Xem xét lượng liệu mà thuật toán bạn cần xử lý Nếu liệu lớn, đầu tư vào GPU có khả thực đào tạo đa GPU cách hiệu Đối với liệu quy mô lớn Hãy đảm bảo máy chủ giao tiếp nhanh với với thành phần lưu trữ Sử dụng công nghệ Infiniband / RoCE, phép đào tạo phân tán hiệu Sử dụng nhớ –Ví dụ: mơ hình xử lý hình ảnh y tế video dài có đào tạo lớn Vì ta muốn đầu tư vào GPU có nhớ tương đối lớn Ngược lại, liệu dạng bảng đầu vào văn cho mơ hình NLP thường nhỏ thực với nhớ GPU Hiệu suất GPU – Cân nhắc xem ta có định sử dụng GPU để gỡ lỗi phát triển hay không Trong trường hợp này, không cần GPU mạnh Để điều chỉnh mơ hình thời gian dài Ta cần có GPU mạnh để đẩy nhanh thời gian đào tạo Tránh phải chờ hàng hàng ngày để mơ hình chạy 2.6Lưu đồ thuật toán Bước 1: Xe AGV di chuyển đến vị trí Bước 2: Xe AGV dừng Bước 3: Camera tiến hành chụp ảnh Bước 4: Máy tính xử lý ảnh để phát vùng sâu bệnh Bước 5: Nếu phát sâu bệnh, máy tính gửi tọa độ sâu bệnh cho arduino Bước 6: Arduino điều khiển cấu chấp hành chứa vòi phun vị trí bị bệnh phun thuốc Bước 7: Thơng báo phun thuốc hoàn thành đến arduino Bước 8: Kết thúc chu kì 41 Hình 24 Lưu đồ thuật toán hệ thống phát bệnh sương mai phun thuốc tự động 42 2.7Kết luận chương Kết thúc chương 2, xác định mục tiêu , thiết bị phương pháp phát bệnh cho Xây dựng lưu đồ thuật toán cho hệ thống , đồng thời tiến hành việc gán nhãn, huấn luyện mơ hình học sâu Trong chương 3, tiến hành xây dựng phần cứng kiểm nghiệm kết mơ hình sau đào tạo 43 CHƯƠNG CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1Xây dựng phần cứng hệ thống 3.1.1 Bản vẽ mơ 3D Kích thước xe vào khoảng 600 x 330 x 870 mm (tương ứng chiều dài x chiều rộng x chiều cao) Hệ thống khung xe dựng nhơm định hình linh hoạt, tiện lợi tháo lắp chắn hệ thống xe bọc lót đế alu bền, đẹp Hình Bản vẽ chi tiết kích thước, hình dạng hệ thống Hệ thống có cấu tạo đơn giản gọn nhẹ sử dụng alu nhôm định hình kết hợp với bánh xe vừa dễ dàng lại vừa linh hoạt di chuyển nơi có địa hình 44 phức tạp ruộng dưa lưới lại chịu tải cao từ bình nước, thuốc trừ sâu Hình Bản vẽ 3D hệ thống 3.1.2 Mơ hình thực tế 3.2Xây dựng chương trình cho hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động 3.3Một số kết thực nghiệm 3.4Kết đạt 3.5Kết chưa đạt 3.6Đánh giá 3.7Kết luận chương 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Cơng Ngơ, “Lập trình C# từ đến nâng cao”, Nhà xuất giáo dục Pgs Ts Nguyễn Linh Giang, "Giáo trình xử lý ảnh", Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nguyễn Thanh Tuấn, "Deep Learning bản" https://iq.opengenus.org/understand-support-vector-machine-in-depth/ https://towardsdatascience.com/machine-learning-basics-with-the-k-nearestneighbors-algorithm-6a6e71d01761 Nguồn ảnh: https://www.fao.org.vn/trong-trot/cach-trong-dua-luoi-trong-thung-xop/ https://lisadofoods.com.vn/tin-tuc/dua-luoi/benh-suong-mai-tren-dua-luoi/ https://thigiacmaytinh.com/khong-gian-mau-color-space/ 4.https://nshopvn.com/product/arduino-nano-v3-0-atmega328p-khong-kem-daycap-usb/ 47 PHỤ LỤC namespace { 48 ... NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1Yêu cầu thiết kế hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động Với đề tài ? ?Thiết kế hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động? ?? này,... cứu thiết kế hệ thống phát bệnh tưới nước phun thuốc hoàn toàn tự động thực đề tài “ Thiết kế hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động? ?? Mục đích nghiên cứu đề tài • Phát hiện bệnh. .. từ phát khu vực chứa mầm bệnh để kịp thời phun thuốc, đảm bảo chất lượng cho trồng Thiết kế hệ thống phát bệnh sương mai dưa lưới phun thuốc tự động đảm bảo yêu cầu sau đây:  Hệ thống phát hiện,