NGHIÊN cứu, THIẾT kế hệ THỐNG PHÂN LOẠI cây bắp cải THEO cân NẶNG và KÍCH THƯỚC

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ – ĐIỆN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÂY BẮP CẢI THEO CÂN NẶNG VÀ KÍCH THƯỚC Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực : Th.S : Mã Sinh Viên : Lớp : K61-TĐH Chuyên ngành : T ỰĐỘNG HÓA Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Để hồn thành đề tài em có tham khảo số tài liệu liên quan đến đo kích thước sử dụng camera, xử lý ảnh đo cân nặng sử dụng loadcell Em xin cam đoan đồ án em thực hiện, số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực Mọi giúp đỡ cho báo cáo cảm ơn thơng tin trích dẫn báo cáo ghi nguồn gốc rõ ràng Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2021 Tác giả đồ án 2 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới 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 cô Th.S Đặng Thị Thúy Huyền - 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 hồn thành nhiệm vụ học tập đồ án tốt nghiệp cách tốt Mặc dù có nhiều cố gắng với kiến thức hạn hẹp thời gian tiếp xúc với thực tế chưa nhiều, báo cáo đồ án em tránh khỏi nhiều thiếu sót Em mong có ý kiến đóng góp chân thành thầy bạn kiến thức báo cáo hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 19 tháng 11 năm 2021 Sinh viên 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH 5 DANH MỤC BẢNG 6 MỞ ĐẦU Đặt vấn dề Nông nghiệp chắn ngành sản xuất sơ khai lâu đời loài người Khi sống ngày phát triển, đồng đời xuất phân cấp sản phẩm nơng sản sản xuất không đơn phục vụ nhu cầu ăn uống đơn giản mà cần trải qua nhiều công đoạn phân loại khác nhau, dẫn đến sản phẩm lại có giá trị riêng khác Người ta đánh giá sản phẩm thơng nhiều tiêu chí kích thước, khối lượng, mức độ chín, mức độ hư hỏng, hàm lượng thuốc bảo vệ thực vật, chất bảo quản, sản phẩm Những sản phẩm 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 phân loại giúp người tiêu dùng sử dụng sản phẩm tốt nhất, chất lượng đảm bảo an tồn Đối với người nơng dân sản xuất nơng sản việc phân loại giá trị sản phẩm thúc đẩy họ sản xuất nhiều sản phẩm chất lượng để mang lại lợi nhuận cao 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 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 băng tải kết hợp với người để tăng suất cho trình phân loại Đặc biệt nhiều nước giới áp dụng toàn dây chuyền phân loại hoàn toàn tự động kiểm tra camera, cân với loadcell mà không cần sử dụng đến nhân công trực tiếp dây chuyền, nhiên hệ thống Việt Nam hạn chế Việt Nam nước có ngành nơng nghiệp chiếm tỷ lệ cao 14,85% năm 2020 (theo báo cáo tình hình kinh tế - xã hội quý IV năm 2020 Tổng cục thống kê) [1] Hơn trước diễn biến phức tạp dịch Covid 19 năm qua khiến khơng hoạt động sản xuất, thương mại xuất bị đình trệ nơng sản lại mặt hàng xuất 7 trội tổng kim ngạch xuất Việt Nam thời gian qua, lập kỷ lục với giá trị xuất đạt 41,2 tỷ USD năm 2020 22,83 tỷ USD tháng đầu năm 2021 Ngoài ra, biết để sản phẩm nơng sản xuất nước ngồi cần phải vượt qua nhiều kiểm định, quy định tiêu chuẩn chất lượng cao nghiêm ngặt Tuy nhiên, hầu hết dây chuyền phân loại sản phẩm cịn thơ sơ, tốn nhiều lao động chi phí cho khâu phân loại Chính thế, điều thơi thúc em việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phân loại hoàn toàn tự động thực đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại bắp cải theo cân nặng kích thước” Sản phẩm em lựa chọn đồ án bắp cải, đo kích thước qua camera xử lý ảnh, đo cân nặng sử dụng loadcell Mục đích nghiên cứu đề tài • Phân loại nơng sản, cụ thể rau bắp cải có đạt tiêu chuẩn khơng • Đo kích thước bắp cải sử dụng camera xử lý ảnh • Đo cân nặng sử dụng loadcell (0  kg) Đối tượng nghiên cứu • Đối tượng phân loại: Rau bắp cải (đo kích thước cân nặng) • Arduino: dùng để điều khiển động băng tải đọc giá trị cân nặng gửi máy tính • Camera: Tính tốn lựa chọn loại camera phù hợp để thu hình ảnh tốt từ rau bắp cải • Thiết kế băng tải có tích hợp loadcell • Các phương pháp xử lý ảnh liên quan đến thuật tốn đo kích thước Nội dung phương pháp nghiên cứu 4.1 Nội dung Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết thảo luận 8 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 phần mềm Opencv, ngơn ngữ lập trình C#, lập trình arduino • Tham khảo tài liệu, sách báo, internet hệ thống phân loại nông sản có thực tế Giới hạn đề tài • Đo kích thước cân nặng rau bắp cải với thời gian từ 1-2s/1 sản phẩm • Rau bắp cải bó màng bọc thực phẩm • Cân nặng tối đa đo 5kg Thời gian địa điểm thực - Thời gian: Từ tháng 10/2021 đến 12/2021 - Địa điểm: Học viện Nông nghiệp Việt Nam 9 CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Phân loại nông sản Phân loại nông sản khâu cần thiết sản xuất sản phẩm từ nông nghiệp nhằm xác định sản phẩm đạt tiêu chuẩn, định giá cho phân khúc sản phẩm chất lượng khác có ý nghĩa quan trọng việc xuất sang thị trường quốc tế 1.1.1 Phân loại kiểu truyền thống Hình 1 Phân loại thủ cơng [1] Trước chưa có phát triển khoa học kỹ thuật hay nước chưa phát triển Việt Nam, sản xuất với quy mơ nhỏ gia đình, thương lái hay sở sản xuất nhỏ hoàn toàn thực thủ công sức người Việc nhận định chất lượng sản phẩm dựa phân tích mắt thường Trực tiếp phân loại tay, nhặt chia sản phẩm chất lượng khác vào vị trí khác Cơng việc địi hỏi tốn nhiều thời gian nhân cơng chí chất lượng sản phẩm khó đồng mà tiêu chuẩn đánh giá sản phẩm người lại khác Phương pháp phù hợp với sản lượng sản phẩm tương đối nhỏ 10 10 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết phần cứng hệ thống Hình Mơ hình 3D phần cứng Mơ tả mơ hình: Bước 1: Cho bắp cải lên băng tải để di chuyển đến vị trí bàn cân Bước 2: Bắp cải đến vị vị trí bàn cân, cảm biến nhận tín hiệu, thơng báo đến arduino dừng băng tải Bươc Arduino thực thu tín hiệu cân nặng từ loadcell thông báo lên phần mềm thực thu ảnh Bước Phần mềm xử lý ảnh, cho kích thước bắp cải gửi arduino Bước Nếu bắp cải không đạt tiêu cân nặng kích thước cho băng tải đến vị trí cần gạt Bước 5.1 Bắp cải đến vị trí cần gạt cảm biến nhận tín hiệu, cho dừng băng tải Bước 5.2 Cần gạt đẩy bắp cải xuống vị trí máng trượt Bước Nếu bắp cải đạt tiêu Băng tải đưa bắp cải đến vị trí cuối sang cơng đoạn 49 49 Hình Băng tải Hình 3 Bộ phận cân Hình Bộ phận đẩy 50 50 Hình Mơ hình thực tế 3.2 Xây dựng chương trình cho hệ thống 3.2.1 Các bước xây dựng hệ thống C# Các bước thiết kế giao diện C# thực sau: Bước 1: Vào Visual Studio tạo Project 51 51 Hình Tạo project Bước 2: Chọn Winform (application) để tạo ứng dụng cho chương trình Hình Chọn Windows Form App(.NET Framework) Bước 3: Đặt tên cho ứng dụng vị trí lưu 52 52 Hình Khởi tạo thông tin app Bước 4: Vào giao diện thiết kế visual studio Hình Giao diện với 1-ToolBox, 2-Giao diện chính, 3-Thơng tin quản lý giao diện 53 53 Bước 5: Bắt đầu nạp code cho ứng dụng Hình 10 Giao diện viết code cho ứng dụng 3.2.2 Giao diện hệ thống Giao diện hệ thống phân loại bắp cải gồm phần: - Phần 1: Phần hiển thị hình ảnh ảnh chụp từ camera kết - boudingbox Phần 2: Bảng điều khiển gồm nút thao tác mở ảnh, mở camera chụp - ảnh, kết nối trạm Phần 3: Phần hiển thị thông tin bắp cải cân nặng, kích thước, thời gian - phân loại Ngồi góc cuối giao diện chứa thơng tin cá nhân đồ án tốt nghiệp như: họ tên, lớp, mã số sinh viên, giảng viên hướng dẫn Giao diện thiết kế đơn giản với số nút thao tác bản, phần hiển thị hình ảnh lớn, trực quan mà đảm bảo hiển thị đầy đủ thông tin cần thiết đồ án giúp người sử dụng dễ dàng hơn, hiệu 54 54 Hình 11 Giao diện hệ thống phân loại bắp cải 3.3 Hoạt động hệ thống Các bước thao tác hệ thống: Bước 1: Mở chương trình, chọn kết nối COM3 kích chuột vào kết nối trạm Hệ thống hiển thị thông báo kết nối trạm cân thành cơng chương trình sẵn sàng Hình 12 Kết nối trạm 55 55 Bước 2: Chọn mở ảnh mở camera, hệ thống bắt đầu chạy qua cho hiển thị ô boudingbox màu vàng khoanh vùng bắp cải đưa thơng tin kích thước chiều dài, chiều rộng hình Hình 13 Kết chạy hệ thống Bước 3: Sau thu kết cân, đo hệ thống điều khiển nhận kết phân tích, đưa cần gạt gạt bỏ sản phẩm lỗi 3.4 Kết thảo luận Để đánh giá kết hệ thống, em thực số thử nghiệm cho kết sau: 3.4.1 Kết thử nghiệm Thử nghiệm 1- Kiểm tra ổn định hệ thống Thực hiện: Thả liên tục 100 lần bắp cải qua hệ thống để kiểm tra kết cân, đo phân loại thực tế Kết đánh giá thể bảng 3.1 đây: Bảng Đánh giá hiệu suất hệ thống qua 100 lần chạy Số lần chạy Đạt Không đo 56 56 Không phân loại Tỉ lệ đạt 100 93 93% Dựa theo bảng đánh giá trên, độ ổn định hệ thống phân loại bắp cải dựa cân nặng kích thước đạt 93% Theo bảng cịn xuất hiện tượng hệ thống khơng đo kích thước bắp cải cần gạt không phân loại bắp cải Ngun nhân tượng khơng đo: Do thuật tốn phát chưa tối ưu, không bắt boudingbox xung quanh bắp cải nên khơng xuất kích thước Cách khắc phục: Tiếp tục thêm liệu đa dạng góc cạnh bắp cải, điều kiện ánh sáng, tối ưu, cải thiện độ xác mơ hình huấn luyện Nguyên nhân tượng hệ thống không phân loại: Cần gạt không gạt phân loại bắp cải Cách khắc phục: Kiểm tra lại hệ thống điều khiển tay gạt Hình 14 Hệ thống lỗi khơng đo kích thước bắp cải Thử nghiệm – Thực kiểm tra với nhiều cách đặt bắp cải tốc độ phân loại bắp cải Tiêu chí đánh giá bắp cải đạt hay không đạt hệ thống sau: 57 57 Bắp cải đạt: Kích thước khoảng 11x13 cm đến 17x20 cm, cân nặng 300 gram Bắp cải khơng đạt: Kích thước ngồi khoảng cân nặng 300 gram Thực hiện: Sử dụng bắp cải khác nhau, với bắp cải thực lần chạy qua hệ thống liên tiếp với việc đặt góc cạnh khác băng tải Bảng Một số kết kiểm tra điển hình Bắp cải Chiều Chiều dài (cm) rộng Cân nặng Đạt/Không Tốc (gram) đạt (ms) (cm) 18 21 646 Đạt 300 20 17 646 Đạt 297 0 646 Không đạt 300 17 18 646 Đạt 300 13 11 283 Không đạt 298 10 13 283 Không đạt 297 12 10 283 Không đạt 300 13 12 283 Không đạt 300 15 16 306 Đạt 300 16 15 306 Đạt 302 13 17 306 Đạt 301 17 14 306 Đạt 298 15 17 304 Đạt 300 17 16 304 Đạt 303 15 17 304 Đạt 297 18 16 304 Đạt 298 58 58 độ 20 17 572 Đạt 300 18 19 572 Đạt 298 19 17 572 Đạt 302 20 18 572 Đạt 301 Ghi chú: Ở lần thử nghiệm thứ 3, hệ thống không bắt boudingbox quanh bắp cải nên khơng có kết đo kích thước Tốc độ phân loại bắp cải dao động từ 297 ms đến 303 ms Thử nghiệm – Kiểm tra độ xác hệ thống cân đo Thực cân đo bắp cải hệ thống so sánh với cân, thước đo thông thường Bảng 3 Bảng so sánh kết cân, đo hệ thống cân, thước đo STT Kết hệ thống Cân nặng (gram) Sử dụng cân Dài x Rộng (cm) Cân Thước đo nặng Dài x Rộng (cm) (gram) 360 21x15 360 21x15 320 18x15 320 18x15 340 20x17 340 20x17 350 18x20 350 18x20 375 18x16 375 18x16 Với kết hệ thống cân, đo hồn tồn xác với cân đo cân thước thực tế 59 59 3.4.2 Kết đạt - Thiết kế hoàn thiện hệ thống phân loại bắp cải theo cân nặng kích thước đảm bảo yêu cầu đề - Có thêm nhiều hiểu biết hệ thống phân loại tự động sử dụng công nghệ cao - Tạo sản phẩm có tính thiết thực ứng dụng cao - Hệ thống phân loại tương đối xác - Giao diện hệ thống trực quan, dễ sử dụng - Có thêm nhiều kiến thức xử lý ảnh, OpenCV, yolo - Rèn luyện kỹ tìm kiếm thơng tin, phân tích, tự nghiên cứu - Có thêm kỹ trình bày, biểu đạt báo cáo nghiên cứu khoa học 3.4.3 Kết chưa đạt - Do điều kiện không cho phép nên sản phẩm dừng lại mơ hình thực nghiệm - Mơ hình có tính thẩm mĩ chưa cao 3.4.4 Kiến nghị Thiết kế hệ thống phân loại bắp cải theo cân nặng kích thước đề tài thú vị mang tính thực tiễn cao, hỗ trợ cho người dân, nhà sản xuất công tác phân loại nơng sản cách nhanh chóng, hiệu xác Q trình hồn thiện đồ án tốt nghiệp khơng giúp em hồn thiện mục tiêu đề tài xây dựng hệ thống phân loại bắp cải theo kích thước cân nặng mà quãng thời gian quan trọng giúp em hồn thiện kiến thức chun môn kỹ cần thiết, nâng cao hiểu biết chỉnh chu, tỉ mỉ công việc Để chất lượng đồ án tốt nghiệp ngày nâng cao, mang tính thực tiễn lớn, em mong nhà trường tạo điều kiện cho sinh viên chúng em thực tập, va chạm nhiều với môi trường thực tế, đặc biệt sớm tốt để chúng em tiếp xúc tìm hiểu sớm, nhằm định hướng cơng việc u thích, xác định rõ ràng mục tiêu hướng Ngoài ra, em mong nhà trường đẩy mạnh việc đầu tư sở vật chất, phịng lab, phịng thí nghiệm, thực hành, …tạo điều kiện tốt cho chúng em thực nghiên cứu Đồng thời phổ biến nhiều đến sinh viên thi, 60 60 chương trình nghiên cứu để khơi dậy niềm đam mê thúc đẩy sinh viên đến với nghiên cứu khoa học Em tin với tác động mạnh mẽ nhà trường, bạn sinh viên dễ dàng tiếp cận chủ động việc học tập, phát triển định hướng nghề nghiệp tương lai, từ nâng cao chất lượng nghiên cứu 3.4.5 Hướng phát triển đề tài Với điều kiện kinh tế eo hẹp, kiến thức nhiều hạn chế thời gian thực đề tài gấp rút nên mơ hình phân loại bắp cải theo cân nặng kích thước em cịn nhiều thiếu sót, chưa hoàn toàn tối ưu Trong tương lai, em mong muốn tiếp tục cải thiện mơ hình ngày hồn thiện để ứng dụng vào thực tế Đặc biệt trình cải thiện hệ thống ngồi việc nâng cao độ xác, em cịn mong muốn hệ thống xử lý linh hoạt, thơng minh nhanh nhạy Từ giải nhiệm vụ rộng cho sản phẩm nơng sản khác Trong q trình thực đồ án em gặp khơng khó khăn việc cài đặt thiết bị, lên ý tưởng thực hiện… với nhiệt tình giúp đỡ sinh viên ThS Đặng Thị Thúy Huyền, em hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy thầy cô ban hội đồng hướng dẫn tạo điều kiện cho em hoàn thiện đồ án tốt nghiệp cách tốt Em xin chân thành cảm ơn! 61 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình, sách tham khảo: Pgs Ts Nguyễn Linh Giang, "Giáo trình xử lý ảnh", Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phạm Cơng Ngơ, “Lập trình C# từ đến nâng cao”, Nhà xuất giáo dục Trang web tham khảo: https://www.gso.gov.vn/du-lieu-va-so-lieu-thong-ke/2020/12/baocao-tinh-hinh- kinh-te-xa-hoi-quy-iv-va-nam-2020/#:~:text=V%E1%BB%81%20c %C6%A1%20c%E1%BA%A5u%20n%E1%BB%81n%20kinh,64%25%3B %209%2C91%25 http://phulongtech.com/san-pham/day-chuyen-phan-loai-san-pham-theo-kichthuoc-236.html https://abm-vietnam.com/may-phan-loai-san-pham-theo-khoi-luong https://khomay3a.com/ky-thuat-trong-bap-cai-nd273.html https://nongnghiep.vn/giong-cai-bap-chat-luong-cao-ct17-d254921.html https://opencv.org/ Hình ảnh tham khảo: https://haanhtech.com/Day-chuyen-phan-loai-san-pham https://phunuvatiepthi.net/13-cong-dung-it-biet-cua-bap-cai/ https://itvplus.net/webcam-logitech-c270-hd-1 https://hshop.vn/products/arduino-nano-2 10 https://tktech.vn/cam-bien-tiem-can-e3f-ds30c4-npn/ 11 https://tktech.vn/cam-bien-tiem-can-e3f-ds30c4-npn/ 12 https://nshopvn.com/product/cam-bien-loadcell-5kg/ 13.https://anttekvietnam.com/bang-tai-bang-chuyen-la-gi-ung-dung-trong-cacnganh-nghe.html 14 https://nshopvn.com/product/nguon-to-ong-12v-10a-power-supply/ 62 62 16.https://www.thegioididong.com/game-app/arduino-ide-phan-mem-lap-trinharduino-mien-phi-da-nen-235232 17 https://minhdq99hp.github.io/technology/opencv/ 18 https://vuvanlong.com/kiem-tra-so-nguyen-to-trong-c/ 19.https://goatysite.wordpress.com/2016/07/09/gioi-thieu-net-core-va-asp-netcorephan-2phan-biet-net-framework-net-core-va-mono/ 20 https://timviec365.com/blog/yolo-la-gi-new62.html 21 https://phamdinhkhanh.github.io/2020/03/09/DarknetAlgorithm.html 22.https://nandhini-aitec.medium.com/day-87-dl-yolov4-optimal-speed-andaccuracy-of-object-detection-part-1-f5298fe9f692 63 63 ... dựa kết cân đo để phân loại bắp cải thành hai loại đạt tiêu chuẩn không đạt tiêu chuẩn Thiết kế hệ thống phân loại bắp cải theo cân nặng kích thước đảm bảo yêu cầu sau đây:  Hệ thống cân, đo cân. .. nghiên cứu đề tài, ta cụ thể chương 18 18 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống Với đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại bắp cải theo kích thước cân. .. thiết kế hệ thống phân loại bắp cải theo cân nặng kích thước? ?? Sản phẩm em lựa chọn đồ án bắp cải, đo kích thước qua camera xử lý ảnh, đo cân nặng sử dụng loadcell Mục đích nghiên cứu đề tài • Phân