Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị giám sát quá trình phát triển của tảo trong hệ thống nuôi tảo liên tục bằng công nghệ xử lý ảnh

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ – ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA TẢO TRONG HỆ THỐNG NUÔI TẢO LIÊN TỤC BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH Người thực : TRẦN VĂN LỰC Mã sinh viên : 604926 Lớp : K60TDHB Chuyên ngành : Tự Động Hóa Giáo viên hướng dẫn : ThS NGUYỄN KIM DUNG Địa điểm thực : Khoa Cơ – Điện Hà Nội – Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu trình bày đồ án trung thực, khách quan chưa dụng bảo vệ cho đồ án môn học Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực đồ án cảm ơn, thơng tin trích dẫn đồ án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Trần Văn Lực i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực đồ án tốt nghiệp, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân, em nhận động viên giúp đỡ lớn nhiều cá nhân tập thể Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Bộ mơn Tự Động Hóa khoa Cơ – Điện , Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam cho phép em thực đề tài Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới giảng viên Th.S Nguyễn Kim Dung người giành nhiều thời gian, cơng sức tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình nghiên cứu thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo, bạn bè người thân động viên, giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành tốt đợt thực tập Do kiến thức thời gian hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong q thầy cơ, bạn đóng góp ý kiến để đồ án em hoàn chỉnh tốt Cuối em xin kính chúc tồn thể thầy giáo khoa Cơ Điện, thầy cô Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam tồn thể bạn bè người thân sức khỏe, hạnh phúc thành đạt Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Trần Văn Lực ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục đích nghiên cứu đề tài Giới hạn đề tài Thời gian địa điểm thực .2 Chương I: TỒNG QUAN TÀI LIỆU .3 1.1.Tổng quan tảo trình sinh trưởng tảo 1.1.1 Khái niệm chung tảo 1.1.2 Phân loại tảo 1.1.3 Tảo Chlorella vulgaris 1.1.4 Đặc điểm sinh học Tảo 1.1.5 Một số công nghệ nuôi vi tảo thực tế 11 1.2 Tổng quan công nghệ xử lý ảnh .13 1.2.1 Khái quát xử lý ảnh .13 1.2.2.Những vấn đề xử lý ảnh 15 1.3 Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh đời sống: .18 1.3.1 Giảm nhiễu ảnh .18 1.3.2 Điều chỉnh tương phản 18 1.3.3 Tìm cạnh (đường biên vật) 19 1.3.4 Nén ảnh 19 1.3.5 Phục chế ảnh .19 iii 1.4 Ứng dụng xử lý ảnh công nghiệp 20 Chương II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .21 2.1 Bài tốn cơng nghệ 21 2.2 Thiết kế thiết bị giám sát trình phát triển tảo dựa màu sắc .22 2.2.1 Cấu trúc tổng quan thiết bị .22 2.2.2 Giải thích hoạt động thiết bị 23 2.2.3 Lựa chọn thiết bị 23 2.2.4 Ngơn ngữ lập trình dùng cho xử lý ảnh 32 2.2.5 Hệ thống kiểu liệu python 32 2.2.6 Thư viện Open Cv .33 2.2.7 Giới thiệu PyQt5 (phần mềm thiết kế giao diện người dùng) 36 2.3 Thu thập sở liệu 38 2.4 Xây dựng thuật toán xác định thời điểm thu hoạch tảo 42 2.4.1 Thuật toán K – Láng giềng gần (K-Nearest Neighbors) 42 2.4.2 Xây dựng thuật toán đề tài: 43 2.5 Lưu đồ thuật toán 46 2.6 Các bước thiết kế giao diện HMI: 48 Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 3.1 Hình ảnh thực tế thiết bị: 53 3.2 Thực nghiệm đánh giá hệ thống: 54 3.2.1 Thử nghiệm: .54 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 68 Kết luận 68 Đề nghị .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC .71 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Dữ liệu sau thu thập: 40 Bảng 3.1: Kết thử nghiệm với mật độ 25.5250 triệu tế bào/ml D √2700 55 Bảng 3.2: Kết thử nghiệm với mật độ 25.5250 triệu tế bào/ml D 90√10 57 Bảng 3.3: Kết thử nghiệm với mật độ 20.4200 triệu tế bào/ml D √2700 59 Bảng 3.4: Kết thử nghiệm với mật độ 20.4200 triệu tế bào/ml D 90√10 60 Bảng 3.5: Kết thử nghiệm với mật độ 15.1259 triệu tế bào/ml D √2700 63 Bảng 3.6: Kết thử nghiệm với mật độ 15.1259 triệu tế bào/ml D 90√10 65 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Tế bào tảo .3 Hình 1.2: Tảo lục Hình 1.3: Tảo đỏ Hình 1.4: Tảo xoắn ( tảo nước ) Hình 1.5: Tảo nước mặn (Rong Mơ) Hình 1.6: Đồ thị biểu sinh trưởng tảo .10 Hình 1.7: Hệ thống ni phịng thí nghiệm 11 Hình 1.8: Hệ thống ni khép kín Photobioreactorpainn 12 Hình 1.9: Mơi trường ni hệ thống ln tuần hồn nhờ máy bơm 12 Hình 1.10: Hệ thống bể nuôi Raceway .12 Hình 1.11: Ni tảo Chlorella quy mơ cơng nghiệp 13 Hình 1.12: Quy trình xử lý ảnh 14 Hình 1.13: Ảnh trước sau lọc nhiễu 18 Hình 1.14: Ảnh trước sau điều chỉnh độ tương phản 18 Hình 1.15: Ảnh trước sau áp dụng thuật tốn tìm cạnh 19 Hình 1.16: Ảnh trước sau nén 19 Hình 1.17: Ảnh trước sau phục chế 19 Hình 1.18: Kiểm tra số serial nhãn thuốc .20 Hình 1.19: Kiểm tra linh kiện điện tử 20 Hình 2.1: Tổng quan thiết bị 22 Hình 2.2: Raspberry Pi model B 24 Hình 2.3: Hình ảnh thực tế Raspberry Pi 3B 25 Hình 2.4: Thẻ nhớ cho raspberry 27 Hình 2.5: Cổng chuyển đổi 27 Hình 2.6: Nguồn ni cho raspberry 27 Hình 2.7: Camera Module V2 8MP 28 vi Hình 2.8: Màn hình cảm ứng inch 28 Hình 2.9: Bơm Nhu Động Kamoer Peristaltic Pump NKP-DCL-S10B 12VDC 29 Hình 2.10: Led hắt 12v 29 Hình 2.11: Lọ nhựa suốt .30 Hình 2.12: Biến trở .31 Hình 2.13: Nhựa Mica đen 31 Hình 2.14: Relay 31 Hình 2.15: Quá trình lấy liệu phịng thí nghiệm 39 Hình 2.16: Mơ tả thuật tốn k-NN 43 Hình 2.17: Lưu đồ chu trình thực 46 Hình 2.18: Lưu đồ chu trình xử lý ảnh 47 Hình 2.19: Phần mềm PyQt5 Designer 48 Hình 2.20: Cửa sổ New Form 48 Hình 2.21: Cửa sổ làm việc phần mềm PyQT5 Designer 49 Hình 2.22: Cửa sổ thiết kế giao diện 49 Hình 2.23: Cửa sổ Widget Box Property Editor .50 Hình 2.24: Hồn thành lưu file hiển thị giao diện 51 Hình 2.25: Chuyển đổi File ui sang file py cmd .51 Hình 2.26: Giao diện sau lập trình xong chức 52 Hình 3.1: Thiết bị lấy mẫu .53 Hình 3.2: Thiết bị sau hoàn thành 54 Hình 3.3: Trạng thái bơm kích hoạt với mật độ chọn để thu hoạch là: 25.5250 (Triệu tế bào/ml) D 90√10 58 Hình 3.4: Trạng thái bơm kích hoạt với mật độ chọn để thu hoạch là: 20.4200 (Triệu tế bào/ml) D 90√10 62 Hình 3.5: Trạng thái bơm kích hoạt với mật độ chọn để thu hoạch là: 15.1259 (Triệu tế bào/ml) D vii 90√10 66 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Đất nước ta nước có nơng nghiệp phát triển mạnh Là nước dần bắt kịp với phát triển khoa học – kỹ thuật tiên tiến giới Trong đó, lĩnh vực kĩ thuật điều khiển tự động hóa yếu tố quan trọng để phát triển giảm bớt số quy trình, tiết kiệm lao động giải tốn kinh tế Khơng thế, đóng vai trị quan trọng hầu hết lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ… góp phần đẩy mạnh kinh tế nước ta Thực phẩm – tâm điểm ngành nông nghiệp ta Thực phẩm loại thực phẩm gieo trồng, chăm sóc kĩ thuật nơng nghiệp an tồn, nói khơng với hóa chất độc hại, khơng sử dụng chất kích thích tang trưởng để nâng cao sản lượng hay lợi nhuận Công nghệ nuôi tảo du nhập vào Việt Nam năm gần đây, nhờ cần cù, học hỏi chăm mà công nghệ nuôi tảo phát triển nhanh Tảo thực vật có phát triển, sinh sơi nhanh lại yêu cầu vấn đề vệ sinh môi trường nuôi khắt khe, phải đảm bảo nhiều yếu tố Để đảm bảo vấn đề đó, đồng thời giảm bớt tác động người vào q trình ni cần có vào ngành tự động hóa Để đảm bảo cho hệ thống ni lớn cần có hệ thống điều khiển, giám sát lớn, theo dõi, đảm bảo thông số quan trọng cần thiết q trình ni Vì khối lượng cơng việc mơ lớn, nên em định lựa chọn đề tài khâu nhỏ trình khơng quan trọng, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị giám sát q trình phát triển tảo hệ thống ni tảo liên tục công nghệ xử lý ảnh” để giúp người biết thời điểm thu hoạch xác đạt suất cao Với việc nghiên cứu, triển khai phát triển đề tài giúp em có nhìn cụ thể, rõ ràng công nghệ xử lý ảnh Từ hướng đến phát triển nơng nghiệp nuôi trồng với công nghệ cao, đại Đề tài tập trung vào việc xây dựng thuật toán, xác định thời điểm thu hoạch giám sát trình sinh trưởng phát triển tảo q trình ni liên tục Mục đích nghiên cứu đề tài Trong phạm vi đề tài này, sâu vào phần quan trọng xây dựng thuật toán xử lý ảnh để phát thời điểm thu hoạch tảo, sau phát tín hiệu điều khiển để bơm dung dịch nuôi tảo để giúp mật độ tảo không thay đổi Giới hạn đề tài Trong đề tài này, em chọn đối tượng để quan sát, xây dựng thuật toán Vi Tảo chlorella vulgaris loại tảo có hàm lượng dinh dưỡng cao làm thực phẩm cho người Trong đó, phần điều khiển giám sát so sánh ảnh liên tục trình tảo phát triển với mẫu Từ đưa kết luận trạng thái phát triển tảo thời điểm lấy mẫu đưa tín hiệu điều khiển Thời gian địa điểm thực - Thời gian: Từ tháng 9/2020 đến tháng 3/2021 - Địa điểm: Khoa điện, Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Bảng 3.5: Kết thử nghiệm với mật độ 15.1259 triệu tế bào/ml 𝐷 STT Mẫu tảo √2700 Hình ảnh hình HMI Trạng D 𝐃𝟎 thái bơm Trạng thái tảo Đang 411.54 5.4453 829.76 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Đang 395.24 7.1649 411.54 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Đang 393.20 8.3346 395.24 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) 63 Đang 349.91 9.9609 393.20 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Đang 232.83 14.0827 349.91 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Nhận xét: Với mật độ cho phép thu 15.1259 triệu tế bào/ml Giá trị D thu giảm dần giá trị sai số D = 232.83 > √2700 nên bơm khơng kích hoạt, trạng thái tảo phát triển khơng có vấn đề 64 Bảng 3.6: Kết thử nghiệm với mật độ 15.1259 triệu tế bào/ml 𝐷 STT Mẫu tảo 90√10 Hình ảnh hình HMI D 𝐃𝟎 Trạng Trạng thái bơm thái tảo Đang 411.54 5.4453 829.76 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Đang 395.24 7.1649 411.54 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Đang 393.20 8.3346 395.24 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) Đang 349.91 9.9609 393.20 Tắt phát triển (Triệu tế bào/ml) 65 Có thể 232.83 14.0827 349.91 Bật thu hoạch (Triệu tế bào/ml) Nhận xét: Với mật độ cho phép thu 15.1259triệu tế bào/ml, giá trị D thu giảm dần Vì giá trị sai số D = 232.83 < 90√10 nên bơm kích hoạt, tảo phát triển khơng có vấn đề Hình 3.5: Trạng thái bơm kích hoạt với mật độ chọn để thu hoạch là: 15.1259 (Triệu tế bào/ml) 𝐷 90√10  Đánh giá thử nghiệm: Bức ảnh trình thử nghiệm lưu lại vào sở liệu cắt với kích thước 30x30 pixel tọa độ với ảnh 66 Từ kết thử nghiệm ta thấy thiết bị hoạt động với yêu cầu đề Với lần thử nghiệm sai số D giảm dần tiến dần đến khoảng cách D cho phép để kích hoạt bơm cấp dung dịch cho bể nuôi đẩy tảo thu ngồi Có vài mẫu khơng đáng tin cậy nên xảy trường hợp thực nghiệm sai số D tăng vọt giảm sâu Lý có trường hợp lúc lấy mẫu chụp tảo lấy không chuẩn nên lúc chụp gây nhiễu Mặc dù kết thử nghiệm kết thu tương đối tốt, nhưnng mẫu thu có số lượng ít, cịn vài bị nhiễu, thời gian đánh giá thiết bị chưa nhiều nên thiết bị chưa hồn thiện 100% Thuật tốn xây dựng sở dựa màu sắc tổng thể tồn ảnh, khơng trọng đến vài điểm ảnh riêng lẻ nên trường hợp 𝑫 ≤ √𝟐𝟕𝟎𝟎 mà có vài điểm ảnh có sai lệch lớn thoả mãn điều kiện hệ thống hoạt động Thuật tốn cịn sai số chưa phải thuật toán tốt nhất, em tiếp tục phát triển thêm để hoàn thành thiết bị 67 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Quá trình thực đồ án: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị giám sát trình phát triển tảo hệ thống ni tảo liên tục công nghệ xử lý ảnh”, hướng dẫn tận tình ThS Nguyễn Kim Dung với kiến thức học, trình tiến hành nghiên cứu tài liệu thực nghiệm ,em thu số kết sau: - Tìm hiểu giống tảo chlorella vulgaris, q trình ni tảo, áp dụng chun nghành vào q trình ni để giúp giảm bớt công sức nhân lực - Tìm hiểu rõ máy tính nhúng Raspberry Pi ngơn ngữ lập trình Python - Học sử dụng thành thạo cách lập trình ngơn ngữ Python thiết kế giao diện HMI phần mềm PyQt5 - Trong trình nghiên cứu, em gặp khơng khó khăn phát sinh việc lựa chọn linh kiện phù hợp, hướng thiết kế gặp số trục trặc phần cứng phần mềm, thơng qua q trình tìm hiểu vấn đề giải - Nhìn chung thiết bị hoạt động ổn định, với yêu cầu đề Do thời gian thực tương đối ngắn nên yêu cầu đặt thiết bị đạt 85 %, sơ sài điểm hạn chế chưa thực nghiệm với hệ thống thật - Cần có thêm thời gian nghiên cứu để chế tạo chuẩn hoá lại thiết bị để mang lại hiệu tốt - Quá trình lấy mẫu cần lấy nhiều mẫu để có độ xác cao Đề nghị Trong trình thực đề tài, việc tìm kiếm tài liệu cịn gặp nhiều khó khăn, em mong nhà trường khoa cung cấp thêm số tài liệu, phần 68 mềm số trang thiết bị cần thiết để sinh viên thực đề tài dễ dàng Dù cố gắng thời gian hạn hẹp kiến thức cịn hạn chế nên đồ án hồn thành cịn nhiều thiếu sót mong thầy, giáo hội đồng giúp đỡ để đề tài phát triển hoàn thiện mở rộng áp dụng vào nhiều lĩnh vực sống 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình xử lý ảnh – PGS.TS Nguyễn Quang Hoan – (2006) (Học viện công nghệ bưu viễn thơng) Trí tuệ nhân tạo – Nguyễn Quang Hoan – (2008) (Học viện bưu viễn thông) https://mlab.vn/index.php?_route_=17161-bai-7-lap-trinh-giao-dien-voipyqt5-cho-raspberrypi-phan-1.html&fbclid=IwAR0-DY-dKwBneqAQdSclV6D0185-x9Vf9TZk3J9emXSSZll_j7SvbtknWE https://openplanning.net/11381/huong-dan-lap-trinh-python-cho-nguoimoi-bat-dau http://bis.net.vn/forums/t/370.aspx 70 PHỤ LỤC Chương trình giao diện HMI: from PyQt5 import QtWidgets,uic from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QWidget, QPushButton, QLabel, QVBoxLayout from PyQt5 import QtCore from PyQt5.QtGui import QIcon, QPixmap, QFont from PyQt5.QtCore import QTimer, QTime, Qt import time import cv2 import numpy as np import array as arr import math import sys from picamera import PiCamera camera = PiCamera() camera.rotation=180 camera.resolution = (600, 800) import RPi.GPIO as GPIO GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(18,GPIO.OUT) GPIO.output(18,0) global name global mat_do_mau global cp 71 global tgian_dau global tgian_set global runn d0 = 830 runn = tgian_dau = time.time() tgian_set = def mau1(): global name global cp name=1 cp = xuly() def mau2(): global name global cp name=2 cp = xuly() def mau3(): global name global cp name=3 cp = xuly() def chup(): global cp cp=1 72 xuly() def stop(): global runn runn = def Time(): current_time = QTime.currentTime() label_time = current_time.toString('hh:mm:ss') call.lb_time.setText(label_time) call.lb_time.setAlignment(QtCore.Qt.AlignCenter) if runn == 1: auto() # # def xuly(): namechup = 'chup.jpg' global name global cp global d0 tongB = tongG = tongR = tongB_H = tongG_H = tongR_H = B_H = G_H = R_H = Bm = 73 Gm = Rm = G=0 R=0 B=0 d_ss = 285 d=0 mangss = [0]*36 mang_md = [0,1,2,3] mat_do_mau = mat_do_mau = mang_md[name] mau = cv2.imread("mau%d.jpg"%name,1) #tinh toan mau if cp == 1: camera.capture(str(namechup)) doc = cv2.imread(str(namechup)) doc = doc[385:415,285:315] #doc = cv2.imread("chup.jpg") cv2.imwrite('chup.jpg',doc) for y in range(0,29): for x in range(0,29): pxm = mau[x][y] #B G R px = doc[x][y] #B G R B = px[0] G = px[1] R = px[2] Bm = pxm[0] 74 Gm = pxm[1] Rm = pxm[2] R_H =(abs(R - Rm)*abs(R - Rm)) G_H =(abs(G - Gm)*abs(G - Gm)) B_H =(abs(B - Bm)*abs(B - Bm)) tongB_H = tongB_H + B_H tongG_H = tongG_H + G_H tongR_H = tongR_H + R_H d = math.sqrt(tongR_H + tongB_H + tongG_H) tongB_H = tongG_H = tongR_H = print("mat do:",mat_do_mau) print("d = ", d) print("d0= ", d0) cp=0 #hien thi anh chup pixmap2 = QPixmap(str(namechup)) call.image_chup.setPixmap(pixmap2) if(d>d_ss): print("TAT BOM") GPIO.output(18,0) if (d>d0): text2 = "KIEM TRA LAI TAO" else: text2 = "DANG PHAT TRIEN" 75 else: GPIO.output(18,1) print("BAT BOM") text2 = "CO THE THU HOACH" '''if(d