(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công bãi giữ xe ứng dụng công nghệ reid và xử lý ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP THIẾT KẾ, THI CÔNG BÃI GIỮ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ XỬ LÝ ẢNH GVHD: Nguyễn Ngô Lâm SVTH1: Nguyễn Đăng Việt MSSV: 15141327 SVTH2: Trần Trí Đạt MSSV: 15141337 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2019 an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang i TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày tháng 07 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: Nguyễn Đăng Việt Trần Trí Đạt Điện tử cơng nghiệp Đại học quy 2015 MSSV: 15141327 MSSV: 15141337 Mã ngành: 14 Mã hệ: Lớp: 15141DT1B I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THI CÔNG BÃI GIỮ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ XỬ LÝ ẢNH II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: (ghi thơng số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,…) Vì đề tài thiết kế, thi cơng bãi giữ xe nên nhóm sưu tầm hình biển số xe có sẵn mạng để sau đưa vào sử dụng phần xử lý ảnh Nội dung thực hiện: (ghi nội dung cần thực phần tổng quan)       Tổng quan hệ thống quản lý xe vào tự động ứng dụng xử lý ảnh Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh ứng dụng Viết chương trình điều khiển cho Arduino, xử lý mơ hình thực tế Viết chương trình xử lý ảnh Giải pháp thiết kế giao diện giám sát hoạt động hệ thống Hồn thiện hệ thống điều khiển mơ hình, tiến hành chạy mẫu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ThS Nguyễn Ngơ Lâm BM ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày tháng 07 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Đăng Việt Lớp: 15141DT1B MSSV: 15141327 Họ tên sinh viên 2: Trần Trí Đạt Lớp: 15141DT1B MSSV: 15141337 Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CÔNG BÃI GIỮ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ XỬ LÝ ẢNH Tuần/ngày Tuần Nội dung - Chọn đề tài (18/2 – 24/2) Tuần - Viết đề cương chi tiết cho đồ án (25/2 – 3/3) Tuần (4/3 – 10/3) Tuần (11/3 – 17/3) Tuần (18/3 – 24/3) - Trình bày phướng án thực đề tài - Phân chia cơng việc cho thành viên - Tìm hiểu hoạt động, nguyên lý làm việc test thử module (Board Arduino, RFID, …) - Kết nối Board Arduino với module RFID, kiểm tra độ nhạy thẻ từ - Tìm hiểu phần mềm ngơn ngữ để viết chương trình điều khiển (Arduino IDE, Matlab) Tuần - Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh ứng dụng an Xác nhận GVHD Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iii (25/3 – 31/3) Tuần - Nghiên cứu thiết kế sơ đồ nguyên lý (1/4 - 7/4) - Nghiên cứu thiết kế phần cứng, mơ hình nhà giữ xe Tuần - Viết chương trình điểu khiển cho Arduino, nạp (8/4 – 14/4) code, chạy thử riêng phần RFID phần cứng thực tế Tuần (15/4 – 21/4) Tuần 10 (22/4 – 28/4) Tuần 11 (29/4 – 5/5) Tuần 12 - Xử lý hình ảnh biển số xe nhận từ camera thông qua phần mềm Matlab - Tiếp tục xử lý hình ảnh, ảnh bị lệch, chụp khơng rõ, nhận dạng sai,… - Đưa giải pháp thiết kế giao diện cách tối ưu để giám sát hệ thống - Hoàn chỉnh phần cứng (6/5 – 12/5) - Vẽ mạch in phần cho phù hợp mơ hình Tuần 13 - Lắp ráp mạch, linh kiện, mạch in, module (13/5 – 19/5) Tuần 14 (20/5 – 26/5) Tuần 15 (27/5 – 2/6) Tuần 16 lên mơ hình - Lập trình hồn chỉnh - Cân chỉnh, tối ưu sản phẩm - Viết chỉnh sửa báo cáo - In báo cáo - Bảo vệ ĐATN (18/6 – 22/6) GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm chúng tơi tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Nguyễn Đăng Việt – Trần Trí Đạt an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang v LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài này, nhóm em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè, nên nhóm em xin chân thành cảm ơn:  Ban giám hiệu nhà trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM tạo điều kiện tốt cho sinh viên học tập nghiên cứu  Thầy cô trường tận tình hướng dẫn thư viện trường cung cấp giáo trình tài liệu tham khảo suốt trình học tập sinh viên  Đặc biệt hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy giáo Nguyễn Ngô Lâm giảng dạy, giúp đỡ phân tích rõ vấn đề sinh viên cịn khúc mắc Nhóm em cố gắng q trình tìm hiểu thực đề tài kiến thức hạn chế khiến tiểu luận khơng ý thầy Nhóm mong góp ý, nhận xét đánh giá nội dung hình thức trình bày từ thầy để nhóm hoàn thiện báo cáo tốt Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, Ngày tháng 07 năm 2019 Nhóm sinh viên thực Nguyễn Đăng Việt – Trần Trí Đạt an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN v MỤC LỤC vi LIỆT KÊ HÌNH VẼ ix LIỆT KÊ BẢNG xi PHỤ LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii TÓM TẮT xiii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3 Tính cấp thiết đề tài 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Phương hướng thực đề tài 1.6 Bố cục đồ án Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu linh kiện 2.1.1 Borad Arduino Uno R3 2.1.2 Module RFID RC522 2.1.3 Màn hình LCD 20x4 10 2.1.4 Động Servo SG90 13 2.1.5 Camera USB 2.0 14 2.2 Phần mềm lập trình điều khiển 15 2.2.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 15 2.2.2 Giới thiệu phần mềm Matlab 21 2.2.3 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab 23 2.3 Sơ lược công nghệ RFID 25 2.4 Sơ lược UART 27 2.5 Sơ lược chuẩn giao tiếp SPI 33 2.6 Sơ lược I2C 33 2.7 Lý thuyết ảnh số 33 an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vii 2.7.1 Khái niệm ảnh số 33 2.7.2 Cấu trúc file ảnh 34 2.7.3 Ảnh RGB 34 2.7.4 Mức xám (Gray level) 35 2.7.5 Lược đồ mức xám (Histogram) 35 2.7.6 Ảnh nhị phân 36 2.8 Các Phương pháp xử lý ảnh số 36 2.8.1 Chuyển ảnh màu RGB thành ảnh mức xám Gray level 36 2.8.2 Phương pháp lọc nhiễu ảnh 37 Chương 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG HỆ THỐNG 38 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 38 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 38 3.1.2 Thiết kế sơ đồ khối 38 3.1.3 Hoạt động hệ thống 39 3.2 Thiết kế 39 3.2.1 Khối động 39 3.2.2 Khối hiển thị 40 3.2.3 Khối RFID 41 3.2.4 Khối nguồn 43 3.3 Thiết kế phần mềm 44 3.3.1 Thiết kế phần mềm cho PC 44 3.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình 44 3.3.3 Lưu đồ chương trình khởi tạo, điều khiển LCD – Servo 45 3.3.4 Lưu đồ chương trình RFID 46 3.3.5 Thiết kế giao diện quản lý PC 46 3.4 Thi công 47 3.4.1 Thiết kế mạch in 47 3.4.2 Board mạch hoàn thiện 48 3.4.3 Thi cơng mơ hình bãi xe 50 Chương : HỆ THỐNG NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE MÁY 52 4.1 Mơ hình tổng quát nhận dạng biển số xe máy 52 4.2 Ảnh đầu vào 52 4.3 Tiền xử lý 53 4.3 Phân vùng ảnh tách biển số 53 4.3.1 Phân vùng ảnh 53 an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang viii 4.3.2 Trích vùng biển số 54 4.4 Phân đoạn biển số 55 4.5 Nhận dạng biển số 55 4.5.1 Tạo mẫu ký tự 55 4.5.2 Nhận dạng ký tự phương pháp tương quan 57 Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 60 5.1 Kết thực 60 5.2 Nhận xét – Đánh giá 62 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 6.1 Kết luận 63 6.2 Hướng phát triển 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH 66 Code Arduino 66 Code Matlab 66 PHỤ LỤC 2: CÁCH VẬN HÀNH HỆ THỐNG 72 an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 1: Máy tính hiển thị lưu liệu thông tin xe - vào .2 Hình 2: Đầu đọc thẻ xe CR500 .3 Hình 1: Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 .6 Hình 2: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 .7 Hình 3: Hình ảnh thực tế module RFID RC522 .9 Hình 4: Hình ảnh LCD 20x4 10 Hình 5: Dạng sóng điều khiển LCD 12 Hình 6: Module chuyển đổi I2C 12 Hình 7: Hình ảnh động Servo SG90 13 Hình 8: Hình ảnh Camera .14 Hình 9: Giao diện phần mềm Arduino IDE 16 Hình 10: Vùng lập trình code Arduino 16 Hình 11: Chọn board để biên dịch code 17 Hình 12: Chọn port board kết nối 17 Hình 13: Lưu lại file lập trình 18 Hình 14: Biên dịch chương trình 18 Hình 15: Biên dịch chương trình 19 Hình 16: Nạp chương trình 19 Hình 17: Nạp chương trình 20 Hình 18: Nạp chương trình 20 Hình 19: Kết chương trình .21 Hình 20: Giao diện phần mềm Matlab 22 Hình 21: Nhận gói hỗ trợ phần cứng 24 Hình 22: Chọn gói hỗ trợ phần cứng cho Arduino .24 Hình 23: Chọn hồn tất cài đặt 25 Hình 24: Hệ thống RFID 27 Hình 25: Giao tiếp UART .28 Hình 26: Giao tiếp song song 29 Hình 27: Sơ đồ khối UART 30 Hình 28: Truyền thơng UART 31 Hình 29: Giao diện UART 32 Hình 30: Mảng chiều file ảnh .34 Hình 31: Mơ hình màu RGB 35 Hình 32: Ảnh xám lược đồ mức xám .36 Hình 33: Ảnh nhị phân 36 Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống 38 Hình 2: Sơ đồ kết nối Arduino với servo 40 Hình 3: Sơ đồ kết nối Arduino với LCD .41 Hình 4: Sơ đồ kết nối khối RFID với Arduino .42 Hình 5: Lưu đồ giải thuật chương trình 44 Hình 6: Lưu đồ chương trình khối xử lý trung tâm 45 Hình 7: Lưu đồ chương trình RFID 46 an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 59 Ví dụ: Gọi A ma trận ảnh chứa ký tự cần nhận dạng số 1, B ma trận mẫu số 1, C ma trận mẫu số Hình 8: Mẫu ký tự số 1, (42 hàng, 24 cột) Kết hệ số tương quan ma trận A với B A với C: Corr2(A,B) = Corr2(A,C) = 0.3677 Suy A B ảnh giống nhau, dựa vào ma trận mẫu B ký tự xuất ký tự Hồn tất trình nhận dạng Chương 4: Hệ Thống Nhận Dạng Biển Số Xe Máy an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 60 Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết thực Sau q trình thiết kế thi cơng nhóm hồn thành mơ hình giao diện quản lý hệ thống PC Hình 1: Giao diện PC mơ hình hệ thống Và sau có mơ hình hệ thống, ta nói hoạt động chức hệ thống làm được: Hình 2: Giao diện khởi động Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 61 Ở giao diện khởi động khơng có thơng tin xe bãi xe chưa hoạt động chưa có xe bãi Chỉ có camera ngõ ngõ vào hoạt động bình thường thơi Tiếp theo, có xe vào hệ thống chụp ảnh xe ngõ vào, phân tích xử lý đọc biển số xe khách hàng, đồng thời hiển thị lên dòng chữ “MỜI XE VÀO” lưu liệu xe (bao gồm: mã thẻ, biển số xe, thời gian xe vào) vào PC Hình 3: Giao diện có xe vào Khi có xe ra, hệ thống chụp ảnh xe ra, đọc lại biển số khách hàng, sau truy xuất lại liệu tương ứng với mã thẻ, so sánh có với biển số xe hay khơng, mở servo cho xe ra, hiển thị hình LCD dịng chữ “MỜI XE RA”, “TẠM BIỆT Q KHÁCH, THƯỢNG LƠ BÌNH AN” Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 62 Hình 4: Giao diện có xe Trường hợp quẹt thẻ, biển số xe không giống với liệu ban đầu xe vào servo khơng mở, giữ xe khách hàng lại hiển thị dịng chữ “KHƠNG HỢP LỆ”, sau chờ nhân viên tới xử lý Hình 5: Giao diện xe không hợp lệ 5.2 Nhận xét – Đánh giá Sau hoàn thiện ta tiến hành chạy thử toàn hệ thống để kiểm tra độ ổn định, tính xác độ trễ điều khiển hệ thống Sau trình thực nghiệm cho thấy hệ thống sử dụng thời gian dài mạch điều khiển chưa ổn định, có thời gian trễ dễ bị nhiễu Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 63 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau thời gian thực đề tài đến nhóm hồn thành yêu cầu đề ra, thiết kế thi cơng thành cơng mơ hình bãi giữ xe ứng dụng công nghệ RFID xử lý ảnh, nhận dạng biển số xe phần mềm matlab, có giao diện quản lý với phương pháp chức sau:  Lập trình Arduino để đọc liệu từ RFID, nhận liệu để hiển thị LCD điều khiển động Servo cho xe vào  Sử dụng chuẩn phương thức giao tiếp thường gặp UART  Sử dụng thuật toán xử lý ảnh để xử lý, tách nhận dạng biển số  Ứng dụng công nghệ RFID để đọc ghi hình ảnh, biển số xe trước sau tách biển số  Điều khiển động servo để mở barie cho xe vào  Ứng dụng phần mểm hỗ trợ xử lý ảnh matlab Tuy nhiên kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi thiếu xót nhóm cịn hạn chế phần thời gian trễ quẹt thẻ RFID (cách vận hành hệ thống nhóm nêu kỹ phần phụ lục 2) Một số ưu điểm hệ thống:  Giải vấn đề kẹt xe, vé gửi xe, đánh tráo thẻ xe bãi xe truyền thống trước  Giảm nhiều thời gian, khoản chi phí thuê nhân viên quản lý, bảo vệ, thu lợi nhuận cao  Khả đọc ghi lại liệu nhiều lần (khi khách hàng trả thẻ lấy xe khỏi bãi có thẻ tái sử dụng lại thẻ với khách hàng mới)  Thẻ RFID bền, hoạt động tốt mơi trường khơng thuận lợi nóng, ẩm, bụi bẩn, ăn mịn, hay có va chạm,… tạo độ tin cậy cao sử dụng  Lưu trữ, kiểm soát đội tượng (thông tin khách hàng) mà không cần phải xếp Một số nhược điểm hệ thống:  Chi phí triển khai cao bãi xe truyền thống trước  Thẻ RFID dễ bị nhiễu sóng mơi trường nước kim loại  Thời gian trễ lớn (khoảng – 3s), thực tế bãi xe lớn thời gian trễ nhỏ Vì mơ hình nên nhóm sử dụng thẻ RFID RC-522 khơng phải đầu đọc chuyên dụng Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 64 6.2 Hướng phát triển Để mơ hình phát triển tương lai nhóm có số phương án đề xuất sau:  Tích hợp thêm nhiều cảm biến để nâng tính ổn định đảm bảo cho hệ thống  Lập trình thêm chức nhận dạng người lái xe cho hệ thống, tăng cường thêm tính bảo mật  Kết hợp thêm pin lượng mặt trời đặt bãi xe, hướng tới mục tiêu sử dụng nguồn lượng tiết kiệm  Upload liệu lên cloud để tránh trường hợp bị điện hay hệ thống xảy cố ý muốn Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách: [1] Giáo trình “Xử lý ảnh – Nguyễn Thanh Hải” – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [2] Giáo trình “Cơng nghệ nhận dạng vô tuyến RFID – Nguyễn Văn Hiệp” – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [3] Giáo trình “Matlab – Phan Thanh Tao” – Đại học Đà Nẵng [4] Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế, thi cơng mơ hình bãi giữ xe ô tô – Nguyễn Lưu Trọng Đông, Nguyễn Thanh Huy” – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [5] Đồ án tốt nghiệp “Hệ thống bãi giữ xe thông minh ứng dụng công nghệ IoT RFID – Nguyễn Thanh Bình, Đồn Nguyễn Như Bảo” – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Website: [1] https://www.fecegypt.com/uploads/dataSheet/1522237550_arduino%20uno%20 r3.pdf [2] https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MFRC522.pdf [3] https://www.vishay.com/docs/37314/lcd020n004l.pdf [4] http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/DE1_EE/stores/sg90_datasheet.pdf [5] http://arduino.vn/ [6] https://ww2.mathworks.cn/en/ [7] Mạnh Tùng, “4 bãi giữ xe thông minh đề xuất xây Sài Gịn” VNExpress mục Giao thơng, 30/3/2017 Tài Liệu Tham Khảo an Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 66 PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH Code Arduino #include void loop() #include { sv='0'; if ( mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) #define SS_PIN 10 { #define RST_PIN if ( mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); { char sv; for (byte i = 0; i