Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông tự động thông qua xử lý ảnh

MỤC LỤC NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ÐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3 1.1. Giới thiệu chương. 3 1.2. Đặt vấn đề. 3 1.3. Một số hệ thống điều khiển giao thông bằng xử lý ảnh hiện nay. 4 1.4. Mục đích đề tài. 4 1.5. Sơ đồ khối hệ thống. 5 1.6. Nội dung nghiên cứu. 5 1.7. Tính mới của đề tài. 6 1.8. Phạm vi ứng dụng. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1 Raspberry pi 4. 2 7 2.1.1 Giới thiệu chung. 7 2.1.2 Phân loại Raspberry Pi. 8 2.1.3 Hệ điều hành và phần mềm chạy được trên Raspberry Pi. 9 2.1.4 Phần cứng của Raspberry Pi 4. 10 2.1.5 Mô tả chân raspberry pi. 13 2.2 Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595. 17 2.3 Module đèn tín hiệu giao thông 5v. 18 2.4 Màn hình lcd 3.5 inch raspberry pi. 19 2.5 Arduino uno r3. 19 2.6 Camera hd 1080p. 22 2.7 Tổng quan về xứ lý ảnh. 3 22 2.7.1 Giới thiệu xử lý ảnh. 22 2.7.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh. 25 2.7.2.1 Điểm ảnh (Picture Element). 25 2.7.2.2 Độ phân giải của ảnh. 26 2.7.2.3 Mức xám của ảnh. 26 2.7.2.4 Trích chọn đặc điểm. 26 2.7.2.5 Nhận dạng. 27 2.7.2.6 Nén ảnh. 27 2.8 Xử lý ảnh sử dụng yolo. 4 28 2.8.1 Khái niệm yolo. 29 2.8.2 Kiến trúc mạng YoLo. 29 2.8.3 Cách yolo hoạt động. 31 2.8.4 Output của YOLO. 32 2.8.5 Hàm tính IOU. 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 35 3.1 Giới thiệu. 35 3.2 Thiết kế hệ thống phần cứng. 35 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. 35 3.2.2 Sơ đồ kết nối hệ thống. 36 3.2.3 Thiết kế mô hình ngã tư. 40 3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch. 40 3.3 Thi công hệ thống phần cứng. 42 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý khối salve. 42 3.3.2 Thi công cột đèn giao thông. 45 3.3.3 Thi công phần đế mô hình và camera. 46 3.3.4 Mô hình sau khi hoàn thiện. 47 3.4 Xây dựng chương trình mô phỏng giao thông. 48 3.5 Cài đặt hệ thống. 51 3.6 Lập trình hệ thống. 55 3.6.1 Lập trình trên Thonny của Raspberry Pi. 55 3.6.1.1 Sơ đồ đếm số lương phương tiện. 55 3.6.1.2 Lưu đồ thuật toán . 56 3.6.2 Lập trình chương trình điều trên arduino. 57 3.6.2.1 Sơ đồ khối xử lý trên arduino. 57 3.6.2.2 Lưu đồ thuật toán 57 3.6.3 Training dữ liệu ở mô hình YOLO. 58 3.6.3.1 Chuẩn bị dữ liệu. 59 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 63 4.1 Kết quả. 63 4.2 Nhận xét đánh giá mô hình hệ thống. 68 KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬCHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNĐÈN GIAO THÔNG TỰ ĐỘNG THÔNG QUA XỬ

LÝ ẢNH

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGÔ THỊ MINH HƯƠNG

NGUYỄN QUANG SƠN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TỐT NGHIỆP

NGÀNH : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬCHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNĐÈN GIAO THÔNG TỰ ĐỘNG THÔNG QUA XỬ

LÝ ẢNH

NGUYỄN QUANG SƠN

19115051502236

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2022

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho người hướng dẫn)

1 Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: Trần Quang Quý Nguyễn Quang Sơn

2 Lớp: 19D2 Mã SV: 19115051502144 19115051502236

3 Tên đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông tự động thông qua xử lý ảnh

4 Người hướng dẫn: Ngô Thị Minh Hương Học hàm/ học vị: Thạc sĩ

II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

1 Về tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu của đề tài: (1đ/1đ) Đề tài cơ bản đã đạt được mục tiêu yêu cầu của ĐATN

2 Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (3.75đ/4đ)

Đề tài đã xây dựng hệ thống đếm phương tiện qua hình ảnh với đầu vào là hình ảnh có chứa đối tượng cần đếm từ ảnh chụp Thông qua quá trình xử lý ảnh sẽ cho ra kết quả là số lượng phương tiện của mỗi làn đường từ đó gửi dữ liệu xuống kít điều khiển arduino để điều khiển tín hiệu đèn giao thông điều tiết giao thông.

3 Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (2đ/2đ) Đồ án được trình bày theo format chuẩn.

4 Kết quả đạt được, giá trị khoa học, khả năng ứng dụng của đề tài: (0.75đ/1đ) - Đề tài “Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông tự động thông qua xử lý ảnh” sinh viên đã hoàn thành đề tài đúng với mục tiêu đề ra ban đầu.

- Đề tài có tính thực tiễn cao, có khả năng tiếp tục phát triển 5 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

- Ham học hỏi và rất tận tâm trong quá trình làm Đồ án

- Thường xuyên trao đổi với Giảng viên trong quá trình làm Đồ án

IV Đánh giá:

1 Điểm đánh giá: 9.5/10 (lấy đến 1 số lẻ thập phân)

2 Đề nghị: ☒ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5 năm 2023

Người hướng dẫn

Ngô Thị Minh Hương

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa

học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn

minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị

ngày một đi lên Nhu cầu về giao thông

ngày

càng trở nên cấp

thiết, nhất là trong cáckhu vực thành thị

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa

học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn

minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị

ngày một đi lên Nhu cầu về giao thông

ngày

càng trở nên cấp

thiết, nhất là trong các khu vực thành thị

Ngày nay cùng với sựphát triển của khoa

học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn

minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị

ngày một đi lên Nhu cầu về giao thông

ngày

càng trở nên cấp

thiết, nhất là trong các khu vực thành thị.

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị ngày một đi lên Nhu cầu về giao thông ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là trong các khu vực thành thị.Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và lượng dân cư đông đúc Nhu cầu đi lại, vận chuyển cũng tăng lên nhanh chóng đi kèm theo nó là bài toán tắc nghẽn ùn tắc giao thông Ùn tắc giao thông gây thiệt hại không nhỏ cho sự phát triển kinh tế quốc gia, giảm hiệu suất lao động và tăng các chi phí không cần thiết trong quá trình sản xuất Trong bối cảnh kinh tế lạm phát và khó khăn như hiện nay, lãng phí trong giao thông lại đặt thêm một gánh nặng đối với đời sống kinh tế của người dân Qua thực trạng đó, nhóm muốn xây dựng một hệ thống điều thiết giao thông tự động, phân luồng trực tiếp và hiệu quả hơn phần nào đó giảm bớt tình trạng ùn tắc giao thông Đồng thời tiêu tiếp cận, bổ sung các kiến thức mới, cũng như củng cố lại những kỹ năng kiến thức trong suốt quá trình học tập

Tóm tắt nội dung:

Chương 1: Tổng quan về đề tài nêu lên những vấn đề cấp thiết của thực trạng giao

thông nước ta Cùng với đó giới thiệu tổng quát về giải pháp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Đây là chương cũng cố lý thuyết nền tảng về kỹ thuật và

công nghệ liên quan.

Chương 3: Thiết kế hệ thống và thi công hệ thống Xác định những yêu cầu của thực

trạng giao thông hiện nay từ đó vận dụng những kiến thức cơ sở ở chương 2 để thiết kế mô hình.

Chương 4: Quá trình thực hiên và kết quả.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Ngô Thị Minh Hương

Sinh viên thực hiện:Trần Quang Quý Mã SV: 1911505120144 Nguyễn Quang Sơn Mã SV: 1911505120236

1 Tên đề tài:

Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông tự động thông qua xử lý ảnh.

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Camera thu thập hình ảnh đầu vào.

- Kit điều khiển chính: Raspberry Pi 4, 4 Module Led 7 thanh 2 digit, 4 đèn tín hiệu giao thông

3 Nội dung chính của đồ án:

phương tiện trên mỗi làn đường, từ đó dữ liệu sẽ được vi điểu khiển xử lý điều khiển tín hiệu đèn giao thông sao cho phù hợp nhất với mỗi thời gian thực khác nhau Nhóm sẽ thực hiện các nội dung như sau:

- Tìm hiểu về Raspberry Pi 4.

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đèn giao thông ở ngoài thực tế - Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.

- Xây dựng chương trình đếm phương tiện trên ảnh.

- Xây dựng chương trình điều khiển tín hiệu đèn giao thông.

Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Ngô Thị Minh

Hương, người đã đồng hành, dẫn dắt và hướng dẫn em trong quá trình hình thành và

phát triển đề tài tốt nghiệp này.

Theo đó em muốn gửi gắm lòng biết ơn đến các quý thầy cô trong khoa Điện –

Điện tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Đà Nẵng đã luôn tạo điều kiện thuận

lợi, môi trường học tập tốt nhất cho em Giúp em xây dựng vững chắc nền tảng kiến thức chuyên ngành mà mình đang hướng đến.

Cảm ơn sự giúp đỡ của giảng viên nhóm chúng em chắc rằng cuốn đồ án này cũng không tránh khỏi những thiếu sót trong khi làm cũng như trong suốt quá trình chúng em thực hiện đồ án này, chúng em rất cảm ơn nếu nhận được những ý kiến đóng góp của khoa, giảng viên và cùng với tất cả các bạn đọc để chúng tôi ngày càng hoàn thiện hơn.

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tên sinh viên: Trần Quang Quý sinh viên lớp 19D2 Nguyễn Quang Sơn sinh viên lớp 19D2

Chúng em xin cam đoan các kết quả được trình bày trong đồ án này là thành quả nghiên cứu của em trong suốt thời gian qua và chưa từng xuất hiện trong công bố hay sao chép của tác giả khác dưới sự định hướng và hướng dẫn của cô ThS Ngô Thị Minh Hương Các thông tin trích dẫn trong đồ án được chỉ rõ, nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố Các kết quả đạt được chính xác và trung thực Toàn bộ nội dung trong báo cáo không quá 80% là sao chép Nếu có bất kỳ vi phạm nào, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi sự kỷ luật của khoa và nhà trường.

Sinh viên thực hiện {Chữ ký, họ và tên sinh viên}

Trần Quang Quý Nguyễn Quang Sơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Đặt vấn đề 3

1.3 Một số hệ thống điều khiển giao thông bằng xử lý ảnh hiện nay 4

1.4 Mục đích đề tài 4

1.5 Sơ đồ khối hệ thống 5

1.6 Nội dung nghiên cứu 5

1.7 Tính mới của đề tài 6

1.8 Phạm vi ứng dụng 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Raspberry pi 4 [2] 7

2.1.1 Giới thiệu chung 7

2.1.2 Phân loại Raspberry Pi 8

2.1.3 Hệ điều hành và phần mềm chạy được trên Raspberry Pi 9

2.1.4 Phần cứng của Raspberry Pi 4 10

2.1.5 Mô tả chân raspberry pi 13

2.2 Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595 17

2.7.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) 25

2.7.2.2 Độ phân giải của ảnh 26

3.2.3 Thiết kế mô hình ngã tư 40

3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 40

3.3 Thi công hệ thống phần cứng 42

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý khối salve 42

3.3.4 Mô hình sau khi hoàn thiện 47

3.4 Xây dựng chương trình mô phỏng giao thông 48

3.5 Cài đặt hệ thống 51

3.6 Lập trình hệ thống 55

3.6.1 Lập trình trên Thonny của Raspberry Pi 55

3.6.1.1 Sơ đồ đếm số lương phương tiện 55

3.6.1.2 Lưu đồ thuật toán 56

3.6.2 Lập trình chương trình điều trên arduino 57

3.6.2.1 Sơ đồ khối xử lý trên arduino 57

3.6.2.2 Lưu đồ thuật toán 57

3.6.3 Training dữ liệu ở mô hình YOLO 58

3.6.3.1 Chuẩn bị dữ liệu 59

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 63

4.1 Kết quả 63

4.2 Nhận xét - đánh giá mô hình hệ thống 68

KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71PHỤ LỤC

ATM: Automated teller machine

OEM: Original Equipment ManufacturerGPU: Graphics Processing Unit

CPU: Central Processing UnitRAM: Random Access Memory

UART: Universal Asynchronous Receiver-TransmitterSPI: Serial Peripheral Interface

I2C: Inter-Integrated Circuit

HDMI: High-Definition Multimedia InterfaceSDIO: Storage Device Input/Output

VNP: virtual private networkCCD: Change Coupled DeviceCGA: Color Graphic AdaptorXLA: Xử lý ảnh

EasyEDA: Easy Electronics Design AutomationIOU: intersection over union

SSD: Single Shot DetectorYOLO: You Only Look Once

Hình 2-2 Mặt trước Raspberry Pi 10

Hình 2-3 Mặt sau Raspberry Pi 10

Hình 2-4 Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 11

Hình 2-5 Cổng nguồn type C 12

Hình 2-6 Cổng màn hình HDMI 12

Hình 2-7 Cổng Ethernet và USB 12

Hình 2-8 Sơ đồ chân Raspberry Pi 13

Hình 2-9 GPIO Raspberry Pi 14

Hình 2-10 Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595 17

Hình 2-11 module đèn tín hiệu giao thông 5v 18

Hình 2-12 Màn hình lcd 3.5 inch raspberry pi 19

Hình 2-18 Sơ đồ kiến trúc mạng YOLO 29

Hình 2-19 Các layer trong mạng darknet-53 30

Hình 3-1 Sơ đồ khối hệ thống 35

Hình 3-2 Sơ đồ kết nối hệ thống 36

Hình 3-3 Sơ đồ kết nối thẻ nhớ và Raspberry 37

Hình 3-4 Kết nối Camera và Raspberry 37

Hình 3-5 Nguồn Raspberry Pi 39

Hình 3-6 Mô hình đèn giao thông 40

Hình 3-7 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 41

Hình 3-14 Ống nhựa sau khi uốn 45

Hình 3-15 Trụ đèn sau khi hoàn thành 45

Hình 3-16 Mô hình sau khi phân chia làn đường 46

Hình 3-17 Vị trí lắp camera trên mô hình 46

Hình 3-18 Góc nhìn camera trên cao 47

Hình 3-19 Mô hình sau khi hoàn thiện 47

Hình 3-20 Vị trí đặt bộ điều khiển 48

Hình 3-21 Mô hình trên nhìn xuống 48

Hình 3-22 Mô hình giả lập giao thông 50

Hình 3-23 Simulation of Urban MObility (SUMO) 50

Hình 3-24 Phương tiên khi gặp đèn tín hiệu 50

Hình 3-25 Giao diện chương trình mô phỏng ngã tư có cảm biến 51

Hình 3-26 Chọn hệ điều hành và thẻ nhớ 51

Hình 3-27 Tạo tệp trống để cấu hình wifi 52

Hình 3-28 Thay đôi tên và mật khẩu wifi 53

Hình 3-29 Địa chỉ IP của Raspberry Pi 53

Hình 3-30 Dùng địa chỉ IP để truy cập 54

Hình 3-31 Giao diện Raspbian nhìn từ máy tính 54

Hình 3-32 Sơ đồ quá trình đếm đối tượng sử dụng OPENCV 55

Hình 3-33 Sơ đồ khối xử lý trên arduino 57

Hình 3-34 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển trên arduino 58

Hình 3-37 Cắt các đối tượng xe trong ảnh 60

Hình 3-38 Xuất file tọa độ đối tượng 60

Hình 3-39 Tọa độ đối tượng trong ảnh 61

Hình 3-40 Tiến hành cho huấn luyện 100 lần 61

Hình 3-41 Kết quả sau khi huấn luyện 62

Hình 3-42 Câu lệnh chạy chương trình nhận diện 62

Hình 3-43 Kết quả nhận diện 62

Hình 4-1 Mô hình hoàn thiện và cho chạy thử 63

Hình 4-2 Giao diện camera quan sát trên máy tính 63

Hình 4-3 Hình ảnh chương trình nhận diện ở chế độ ít xe 65

Hình 4-4 Tín hiệu đèn xanh ở làn 1 và đèn đỏ ở làn 2 65

Hình 4-5 Tín hiệu đèn đỏ ở làn 1 và đèn xanh ở làn 2 65

Hình 4-6 Giản đồ thời gian đèn tín hiệu ở chế độ ít phương tiện 66

Hình 4-7 Kết quả đếm phương tiện ở 2 làn xe 66

Hình 4-8 Giản đồ thời gian đèn tín hiệu ở chế độ đông phương tiện 67

Hình 4-9 Chương trình nhận diện ở chế độ đông xe 67

Hình 4-10 Thời gian đèn xanh ở làn 1 và đèn đỏ ở làn 2 67

Hình 4-11 Thời đèn đỏ ở làn 1 và đèn xanh ở làn 2 68

Hình 4-12 Giản đồ thời gian đèn tín hiệu 68

MỞ ĐẦU

Ngày nay trên các thành phố lớn tại Việt Nam xảy ra tình trạng ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm, gây ra thiệt hại kinh tế, ô nhiễm môi trường Có nhiều giải pháp để giảm ùn tắc như mở rộng đường, xây các cầu vượt tại giao lộ Nhưng đa số rất tốn kém và khó áp dụng tại tất cả các các giao lộ mà chỉ áp dụng vào các nút giao thông trọng điểm Từ thực trạng đó chúng tôi đã đưa ra một giải pháp điều khiển hệ thống giao thông bằng công nghệ xử lý hình ảnh và liên kết các hệ thống lại với nhau nhằm đưa ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất.

Qua thực trạng đó, nhóm muốn xây dựng một hệ thống điều thiết giao thông tự động, phân luồng trực tiếp và hiệu quả hơn phần nào đó giảm bớt tình trạng ùn tắc giao thông Đồng thời tiêu tiếp cận, bổ sung các kiến thức mới, cũng như củng cố lại những kỹ năng kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường Do đó, nhóm thực

hiện đồ án chọn đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông tự

động thông qua xử lý ảnh”.

Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống đếm đối tượng (phương tiện) qua hình ảnh với đầu vào là hình ảnh có chứa đối tượng cần đếm từ ảnh chụp Thông qua quá trình xử lý ảnh sẽ cho ra kết quả là số lượng phương tiện của mỗi làn đường từ đó gửi dữ liệu xuống kít điều khiển arduino để điều khiển tín hiệu đèn giao thông điều tiết giao thông.

Bố cục của đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này trình bày vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Giới thiệu về Raspberry Pi 4, giới thiệu về xử lý ảnh Các phần cứng được sử dụng trong đề tài cũng như trên mô hình Giới thiệu về thuật toán phát hiện và đếm số lượng phương tiện

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Phân tích, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ phần cứng, thiết kế chương trình cho hệ thống đếm phương tiện qua hình ảnh được viết trên Raspberry Pi 4 Thiết kế training mô hình mô phỏng giao thông thực tế Thiết kế hệ thống thi công mô hình, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

Chương 4: Kết quả, nhận xét, đánh giá và hướng phát triển

Nêu các kết quả đạt được khi thực hiện chương trình, phân tích, nhận xét, đánh giá kết quả thực thi được, những hình ảnh của hệ thống, đưa ra những thông số đánh giá về hệ thống.Tóm tắt những kết quả đạt được, những hạn chế và nêu lên các hướng phát triển trong tương lai cho hệ thống.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chương.

Nội dung chương này bày về mục tiêu, nội dung nghiên cứu, lý do chọn đề tài, sơ đồ khối của hệ thống, phạm vi ứng dụng của hệ thống, một số hệ thống điều khiển giao thông tự động hiện nay.

1.2 Đặt vấn đề.

Tại Việt Nam số lượng xe máy trong những năm qua tăng một cách đột biến, mật độ xe lưu thông trên đường ngày một nhiều, trong khi đó hệ thống đường xá ở Việt Nam còn quá nhiều hạn chế nên thường gây ra các hiện tượng như kẹt xe, ách tắc giao thông, đặc biệt là tai nạn giao thông ngày càng phô biến trở thanh mối hiểm họa cho nhiều người Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và lượng dân cư đông đúc Nhu cầu đi lại, vận chuyển cũng tăng lên nhanh chóng đi kèm theo nó là bài toán tắc nghẽn ùn tắc giao thông Ùn tắc giao thông gây thiệt hại không nhỏ cho sự phát triển kinh tế quốc gia, giảm hiệu suất lao động và tăng các chi phí không cần thiết trong quá trình sản xuất Trong bối cảnh kinh tế lạm phát và khó khăn như hiện nay, lãng phí trong giao thông lại đặt thêm một gánh nặng đối với đời sống kinh tế của người dân Nguyên nhân của vấn đề này một phần là do cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được nhu cầu lưu thông hiện nay, một phần là do việc phân chia, định thời gian của hệ thống đèn giao thông hiện tại ở các giao lộ chưa hợp lý khiến cho số lượng phương tiện giao thông bị ùn tắc theo thời gian rồi dẫn đến tắc nghẽn giao thông Qua thực trạng đó, nhóm muốn xây dựng một hệ thống điều thiết giao thông tự động, phân luồng trực tiếp và hiệu quả hơn phần nào đó giảm bớt tình trạng ùn tắc giao thông Đồng thời tiêu tiếp cận, bổ sung các kiến thức mới, cũng như củng cố lại những kỹ năng kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường [1].

Do đó, nhóm thực hiện đồ án chọn đề tài: “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phát triển giải thuật điều khiển hệ thống đèn giao thông cho một giao lộ, với chu kỳ đèn tín hiệu tùy thuộc vào tình trạng xe lưu thông trên hai tuyến đường quan sát được bởi 2 camera Giải thuật đếm số lưu lượng xe trên đường được xây dựng để quyết định thời gian của chu kỳ đèn xanh kế tiếp cho tuyến đường tương ứng Hình ảnh thu được từ camera sẽ được phần mềm mô phỏng giả lập để kiểm chứng giải thuật điều khiển Kết quả mô phỏng cho thấy tuyến đường nào có lưu lương xe lớn hơn thì chu kỳ đèn xanh của tuyến đường đó dài hơn và ngược lại.

1.3 Một số hệ thống điều khiển giao thông bằng xử lý ảnh hiện nay.

Hiện nay trên thế giới, có nhiều hệ thống giao thông điều khiển tự động bằng công nghệ xử lý ảnh Có thể kể đến một số hệ thống như sau:

Hệ thống phát hiện và điều khiển đèn giao thông dựa trên luồng giao thông: Hệ thống này sử dụng camera để theo dõi và phân tích luồng giao thông trên các tuyến đường Bằng cách phân tích dữ liệu hình ảnh, hệ thống có thể xác định mật độ giao thông và điều chỉnh đèn giao thông tự động để ưu tiên cho luồng giao thông chật chội hơn và giảm ùn tắc.

Hệ thống nhận dạng phương tiện ưu tiên: Hệ thống này sử dụng xử lý ảnh để nhận dạng phương tiện ưu tiên như xe cứu thương, xe cảnh sát hoặc xe cứu hỏa Khi phương tiện ưu tiên tiến đến giao lộ, hệ thống có thể phát hiện và ưu tiên mở đèn xanh cho phương tiện ưu tiên để đảm bảo an toàn và ưu tiên cho những trường hợp khẩn cấp.

Hệ thống nhận dạng và điều khiển đèn giao thông dựa trên người đi bộ: Hệ thống này sử dụng xử lý ảnh để nhận dạng và đếm số lượng người đi bộ tại các vạch đi bộ hoặc vạch dừng Dựa trên thông tin này, hệ thống có thể điều chỉnh đèn giao thông để đảm bảo an toàn cho người đi bộ và tăng cường tính hiệu quả của giao thông đô thị.

Hệ thống phát hiện và điều chỉnh đèn giao thông dựa trên dữ liệu thời tiết: Hệ thống này sử dụng xử lý ảnh cùng với dữ liệu thời tiết để đánh giá tình hình giao thông Ví dụ, trong trường hợp mưa lớn, hệ thống có thể phát hiện và điều chỉnh đèn giao thông để giảm tốc độ và tăng cường an toàn cho người tham gia giao thông.

Ở các quốc gia tiên tiến, giải pháp đưa ra là lắp đặt các hệ thống camera để tự động điều tiết giao thông tại các giao lộ trọng yếu Trong quá trình phát triển hệ thống kiểm soát giao thông, đã có rất nhiều công bố về việc nghiên cứu thông qua mô phỏng và thực nghiệm nhằm tối ưu hóa các bộ điều khiển đèn tín hiệu Trong đó, các nghiên cứu điển hình về việc sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh kết hợp với điều khiển mờ (fuzzy control) đèn tín hiệu đã được áp dụng thành công Các hệ thống này có giá rất cao, ví dụ một hệ thống đèn giao thông thông minh thương mại sử dụng máy tính công nghiệp và các camera giám sát được giới thiệu bởi AdvanTech lên đến hàng tỉ đồng cho mỗi chốt giao thông.

Việc sử dụng công nghệ xử lý vấn đề giao thông tại nước ta thật sự là một bài toán khó.

1.4 Mục đích đề tài.

Trước tình hình phương tiện tham gia giao thông ngày càng gia tăng không ngừng và hệ thống giao thông nước ta ngày càng phức tạp Dần đến tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày càng gia tăng Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, chúng ta thiết nghĩ cần các giải pháp để giải quyết một phần nào đó về các nhu cầu thực tế trên.

Mục tiêu của đề tài “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” là xây dựng hệ thống đếm đối tượng (phương tiện) qua hình ảnh với đầu vào là hình ảnh có chứa đối tượng cần đếm từ ảnh chụp Thông qua quá trình xử lý ảnh sẽ cho ra kết quả là số lượng phương tiện của mỗi làn đường từ đó gửi dữ liệu xuống kít điều khiển arduino để điều khiển tín hiệu đèn giao thông điều tiết giao thông.

1.5 Sơ đồ khối hệ thống.

Đây là sơ đồ khối của hệ thống xử lý đèn giao thông tự động bằng xử lý ảnh:

Hình 1-1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống.

1.6 Nội dung nghiên cứu.

Mục tiêu xây dựng đề tài: “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” nhóm sẽ thực hiện những nội dung như sau:

 Nội dung 1: Tìm hiểu về Raspberry Pi 4.

 Nội dung 2: Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng giao thông

 Nội dung 3: Cài đặt thư viện cho Raspberry Pi.

 Nội dung 4: Tìm hiểu các thuật phát hiện phương tiện giao thông, nguyên lý hoạt

động của đèn giao thông ở ngoài thực tế.

 Nội dung 5: Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.

 Nội dung 6: Xây dựng hệ thống đếm phương tiện trong ảnh, lập trình giao diện sử

dụng để mô phỏng quá trình thu thập dữ liệu.

 Nội dung 7: Xây dựng chương trình điều khiển điều tín hiệu đèn giao thông trên

Raspberry Pi 4.

 Nội dung 8: Đánh giá kết quả thực hiện.1.7 Tính mới của đề tài.

Đề tài “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” điểm mới của đề tài là sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi để nhúng chương trình thuật toán xử lý ảnh sau đó dữ liệu được xử lý để điều khiển tín hiệu đèn giao thông Hệ thống sẽ tự điều chỉnh thời gian cho hợp lý khi phát hiện số lượng phương tiện lưu thông đông tránh tính trạng tắc nghẽn giao thông vào các giờ cao điểm.

1.8 Phạm vi ứng dụng.

Đề tài “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” được ứng dụng cho tình trạng giao thông nước ta hiện nay Xử lý tính trạng giao thông đông đúc tại các thành phố của nước ta Cũng như Kiểm soát đèn giao thông tại các điểm nguy hiểm Hệ thống có thể sử dụng xử lý ảnh để phát hiện các điểm nguy hiểm trên đường như ngã tư, giao lộ không có đèn tín hiệu hoặc khu vực có nguy cơ tai nạn cao Bằng cách phân tích hình ảnh và dữ liệu giao thông, hệ thống có thể điều chỉnh đèn giao thông để tăng cường an toàn cho người tham gia giao thông và giảm thiểu nguy cơ tai nạn Điều khiển đèn giao thông tại các khu vực đô thị đông đúc: Trong các khu vực đô thị có mật độ dân cư cao, việc điều khiển đèn giao thông trở nên phức tạp Hệ thống có thể sử dụng xử lý ảnh để theo dõi và phân tích luồng giao thông tại các ngã tư và giao lộ Dựa trên thông tin này, hệ thống có thể điều chỉnh đèn giao thông tự động để tối ưu hóa luồng giao thông, giảm thiểu ùn tắc và tạo ra một môi trường giao thông an toàn Đó chính là các bài toán cần xử lý trong hệ thống giao thông nước ta hiện nay.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Raspberry pi 4 [2]

2.1.1 Giới thiệu chung.

Raspberry Pi là một máy vi tính rất nhỏ gọn, kích thước hai cạnh chỉ cỡ một cái thẻ ATM, trong đó đã tích hợp mọi thứ cần thiết để bạn sử dụng như một máy vi tính Bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835 của nó bao gồm CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, WiFi, Bluetooth và 4 cổng USB 2.0.

Hình 2-2 Raspberry Pi.

Khi mua Pi về, bạn chỉ việc cài hệ điều hành (bằng cách copy/paste thư mục vô thẻ nhớ), gắn chuột, bàn phím và màn hình là có thể sử dụng được.

Với khả năng tùy biến cao, Raspberry Pi có thể biến thành rất nhiều thiết bị từ phần cứng đến phần mềm, có thể kể đến một số công dụng như sau:

 Máy chơi game cầm tay, console, game thùng Chơi như máy điện tử băng ngày xưa, giả lập được nhiều hệ máy.

 Dùng làm VPN cá nhân.

 Biến ổ cứng bình thường thành ổ cứng mạng (NAS)  Làm camera an ninh, quan sát từ xa.

 Hiển thị thời tiết, hiển thị thông tin mạng nội bộ…  Máy nghe nhạc, máy đọc sách.

Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman Và được phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman.

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lập trình cho những sinh viên , nhưng Pi đã được sự quan tầm từ nhiều đối tượng khác nhau Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835 ( là chip xử lí mobile mạnh mẽ có kích thước nhỏ hay được dùng trong điện thoại di động ) bao gồm CPU , GPU , bộ xử lí âm thanh /video , và các tính năng khác … tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Bạn không thể chạy Windows trên đó vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64 , nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web , môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị đa năng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo cho những hệ thống điện tử , những dự án DIY , thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền cho những bài học trải nghiệm lập trình …

2.1.2 Phân loại Raspberry Pi.

Đã có 4 thế hệ Raspberry Pi: Pi 1, Pi 2, Pi 3 và Pi 4 (thường có một Model A và một Model B trong hầu hết các thế hệ) Model A là một biến thể rẻ hơn, có xu hướng giảm bớt số RAM và các cổng, như USB và Ethernet.

Có 2 phiên bản model Raspberry Pi bao gồm Model A và Model B, tên các model này dược đặt theo tên BBC Micro Model A có bộ nhớ RAM 256 MB và một cổng USB Model này rẻ hơn và sử dụng ít năng lượng hơn so với Model B Model B có 2 cổng USB, một cổng Ethernet để kết nối với mạng và có bộ nhớ RAM 512MB 2 loại model Raspberry Pi là Model A và Model B đã được nâng cấp lên A + và B + Trên các bản nâng cấp này có một số cải tiến nhỏ, chẳng hạn như tăng số cổng USB và mức tiêu thụ năng lượng được cải thiện, đặc biệt là trong phiên bản B +.

Pi 4 là phiên bản đầu tiên của Raspberry Pi có sẵn với nhiều cấu hình RAM Các model trước đó đã được nâng cấp với những phiên bản nhỏ (như Pi Zero và Pi Zero W, hoặc Raspberry Pi 3 và 3B+) Bạn có thể chọn ba phiên bản Raspberry Pi 4:

 Raspberry Pi 4 2GB  Raspberry Pi 4 4GB

 Raspberry PI 4 8GB

2.1.3 Hệ điều hành và phần mềm chạy được trên Raspberry Pi.

Raspberry Pi được thiết kế cho hệ điều hành Linux, và nhiều bản phân phối Linux hiện cũng có phiên bản tối ưu hóa Raspberry Pi Hai trong số các lựa chọn phổ biến nhất là Raspbian Jessie, dựa trên hệ điều hành Debian, và Pidora, dựa trên hệ điều hành Fedora

Trên thực tế cả 2 tùy chọn này đều hoạt động tốt, lựa chọn Raspbian Jessie hay Pidora là do sở thích của mỗi người Khi khởi động đầu tiên từ thẻ SD, bạn sẽ được cung cấp menu có nhiều phân phối (bao gồm cả Raspbian và Pidora) để lựa chọn.

Chúng ta vẫn còn những lựa chọn khác: OpenELEC và RaspBMC là 2 hệ điều hành phân phối dựa trên Linux, nhắm mục tiêu hướng tới sử dụng Raspberry Pi làm trung tâm truyền thông Ngoài ra còn có các hệ thống không phải Linux, chẳng hạn như RISC OS, chạy trên Pi.

Có rất nhiều hệ điều hành khác nhau chạy được với Raspberry Pi Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bạn lựa chọn cho phù hợp

Raspberry Pi OS: Hệ điều hành khuyên dùng cho các nhu cầu như văn phòng, lập trình, máy chủ, lưu trữ … Pi OS có các phiên bản 32/64Bit với các tùy chọn Lite (giao diện dòng lệnh), Desktop (có giao diện đồ họa) và Full (có giao diện đồ họa và các phần mềm cơ bản như Office, web, mail, ….).

Ubuntu: Tương tự như Raspberry Pi OS, nó cũng có các tùy chọn cho bản server (chỉ có dòng lệnh), desktop Tuy nhiên, so sánh phiên bản có giao diện desktop thì Ubuntu có vẻ chậm hơn Pi OS, bù lại nó có giao diện đẹp và bóng bẩy hơn

Phục vụ nhu cầu media: Với nhu cầu sử dụng Pi để giải trí, bạn có thể lựa chọn LibreELEC hoặc OSMC (xem phim, nghe nhạc, truyền hình, … trên nền Kodi) Nếu bạn có nhu cầu nghe nhạc thì có thể lựa chọn Volumio, RuneAudio Nhu cầu chơi game, giả lập: Bạn sẽ có các lựa chọn như RetroPie, RecallBox, Lakka

Windows: Raspberry Pi có thể chạy được Windows 10 hoặc Windows 11, Win IoT Tuy nhiên, chạy Windows 10/11 trên Raspberry Pi không phù hợp với tất cả mọi nhu cầu Nó khá chậm và không sử dụng được Wifi.

3D Printing: Bạn có thể chọn OctoPi, Mainsail OS, SimplyPi, ….

Home Automation: Với nhu cầu nhà thông minh, bạn có thể chọn Home Assistant, Home Bridge, Raspbery Matic …

Ở đề tài này nhóm chúng em sử dụng Raspbian Đây là bản build Linux dựa trên

nên Debian (Gần giống ubuntu) với giao diện LXDE (thay vì GNOME) Có đầy đủ web browser, media player, tools, etc … Nói chung HĐH này dành cho những người muốn dùng Raspberry Pi như một cái PC.

2.1.4 Phần cứng của Raspberry Pi 4.

Hình 2-3 Mặt trước Raspberry Pi.

Hình 2-4 Mặt sau Raspberry Pi.

 Thông số kỹ thuật

• Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @ 1.5GHz • 2GB, 4GB hoặc 8GB LPDDR4-3200 SDRAM (tùy thuộc vào kiểu máy)

• 2,4 GHz và 5,0 GHz IEEE 802.11ac wireless • Bluetooth 5.0, BLE

• Gigabit Ethernet

• 2 cổng USB 3.0, 2 cổng USB 2.0

• Đầu cắm GPIO 40 chân tiêu chuẩn Raspberry Pi • 2 × cổng micro-HDMI (hỗ trợ lên đến 4kp60) • Cổng hiển thị MIPI DSI 2 làn

• Cổng camera MIPI CSI 2 làn

• Cổng video tổng hợp và âm thanh stereo 4 cực

• H.265 (giải mã 4kp60), H264 (giải mã 1080p60, mã hóa 1080p30) • Đồ họa OpenGL ES 3.0

• Khe cắm thẻ nhớ Micro-SD để tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu • 5V DC qua đầu nối USB-C (tối thiểu 3A *)

• 5V DC qua đầu cắm GPIO (tối thiểu 3A *)

• Bật nguồn qua Ethernet (PoE) (yêu cầu PoE HAT riêng biệt)

Hình 2-5 Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi.

 Những tính năng mới của Raspberry Pi 4.

Nguồn: Đầu kết nối chuyển từ micro USB type B sang USB type C.

Hình 2-6 Cổng nguồn type C.

Video: Hỗ trợ màn hình kép với độ phân giải lên tới 4K Đầu kết nối chuyển từ HDMI type A ( kích thước đầy đủ) sang HDMI type D (micro HDMI).

Hình 2-7 Cổng màn hình HDMI

Ethernet và USB: Magjack Gigabit Ethernet được chuyển sang bên phải của board mạch so với phiên bản trước.

Hình 2-8 Cổng Ethernet và USB

Bộ điều khiển Ethernet trên SoC chính được kết nối với PHY Broadcom bên ngoài qua liên kết RGMII chuyên dụng, cung cấp thông lượng đầy đủ - (Full-throughput Gigabit Ethernet).

USB được cung cấp thông qua bộ điều khiển VLI bên ngoài, được kết nối qua PCI Express Gen 2 duy nhất và cung cấp tổng băng thông 4Gbps, được chia sẻ giữa bốn cổng.

 Công suất tiêu thụ: Mức tiêu thụ điện năng tối đa của Pi 4 là khoảng 7,6W khi tải và 3,4W khi không tải.

 Nguồn điện cung cấp: Bộ cấp nguồn USB Type-C, ở mức 5.1V / 3A.

2.1.5 Mô tả chân raspberry pi.

Raspberry Pi 4 có thể sử dụng trong hệ thống nhúng bên ngoài để giao tiếp tín hiệu

Trong 40 chân GPIO bao gồm:

 26 chân GPIO Khi thiết lập là input, GPIO có thể được sử dụng như chân interupt, GPIO 14 & 15 được thiết lập sẵn là chân input.

 1UART, 1 I2C, 2 SPI, 1 PWM (GPIO 4)

 2 chân nguồn 5V, 2 chân nguồn 3.3V, 8 chân GND  2 chân ID EEPROM

Các chân GPIO không chỉ thực hiện các chức năng I / O đơn giản mà còn hỗ trợ giao thức UART, SPI và I2C.

Hình 2-9 Sơ đồ chân Raspberry Pi.

Hình 2-10 GPIO Raspberry Pi.

Chân cấp nguồn

Power In: Trong Raspberry pi, có hai cách cấp nguồn, một là từ cổng nguồn

USB-C và thứ hai là từ các chân 5V

Đầu vào ở chân 5V phải ổn định và theo đúng thông số kỹ thuật Trong trường hợp có điện áp cao hơn, thiết bị có thể bị cháy

Các chân đầu vào 5V sẽ không có cầu chì và bộ điều chỉnh điện áp khi được sử dụng làm đầu vào cấp nguồn, do đó nguồn điện 5V phải theo đúng thông số kỹ thuật để tránh hư hại Chân đầu vào cấp nguồn cho Raspberry Pi 4 được cung cấp bên dưới:

Từ chân 2 đến 6 : 5V Chân 6 : GND

Power Out: Có hai loại chân nguồn ra trong Raspberry pi 4 là 3V3 và 5V 5V

được kết nối trực tiếp với cổng USB nhưng 3V3 được kết nối thông qua bộ điều chỉnh điện áp cho ra đầu ra 3V ổn định Tất cả các chân nguồn ra được cung cấp bên dưới:

3V3 – Chân 1, chân 17 5V – Chân 2, chân 6

Ground: Raspberry Pi 4 có nhiều chân ground được kết nối bên trong và các

chân này này có thể làm điểm nối đất chung cho nguồn điện hoặc thiết bị bên ngoài Danh sách các chân ground được đưa ra dưới đây:

Hầu hết mọi thiết bị đều cần các chân đầu vào và đầu ra để giao tiếp Trong thiết bị này có 28 chân GPIO được sử dụng làm đầu vào và đầu ra digital Các chân GPIO trong bộ điều khiển có một số giá trị mặc định

Các chân GPIO từ 0-9 sẽ ở trạng thái logic cao và từ 10 trở lên các chân sẽ ở trạng thái logic thấp Tất cả các chân đó trong Raspberry Pi 4 đều được cung cấp bảng bên dưới:

Bảng 2.2 Bảng chân I/O digital.

GPIO0 – Chân 27 GPIO1 – Chân 28 GPIO2 – Chân 3 GPIO3 – Chân 5 GPIO4 – Chân 7 GPIO5 – Chân 29 GPIO6 – Chân 31 GPIO7 – Chân 26 GPIO8 – Chân 24 GPIO9 – Chân 21 GPIO10 – Chân 19 GPIO11 – Chân 23 GPIO12 – Chân 32 GPIO13 – Chân 33 GPIO14 – Chân 8 GPIO15 – Chân 10 GPIO16 – Chân 36 GPIO17 – Chân 11 GPIO18 – Chân 12 GPIO19 – Chân 35 GPIO20 – Chân 38 GPIO21 – Chân 40 GPIO22 – Chân 15 GPIO23 – Chân 16 GPIO24 – Chân 18 GPIO25 – Chân 22 GPIO26 – Chân 37 GPIO27 – Chân 13

Module giao tiếp dữ liệu nối tiếp Raspberry Pi Các chân UART trong Raspberry Pi

Có nhiều giao thức nối tiếp và UART là một trong số đó Nó khá phổ biến vì có hệ thống giao tiếp đơn giản và phụ thuộc vào hầu hết các phần mềm Có nhiều chân giao tiếp UART trong Raspberry pi 4 được đưa ra bên dưới:

Bảng 2.3 Bảng chân UART.

TXD1 – GPIO14 – Chân 8 RXD1 – GPIO15 – Chân 10 TXD2 – GPIO0 – Chân 27 RXD2 – GPIO1 – Chân 28 TXD3 – GPIO5 – Chân 29 RXD3 – GPIO4 – Chân 7 TXD4 – GPIO8 – Chân 24 RXD4 – GPIO9 – Chân 21 TXD5 – GPIO12 – Chân 32 RXD5 – GPIO13 – Chân 33

Chân giao tiếp SPI

Một số thiết bị sử dụng giao thức SPI và nó giúp điều khiển nhiều thiết bị bằng cách sử dụng 1 đường truyền dữ liệu duy nhất Trong Raspberry pi 4 có nhiều chân SPI được sử dụng cho giao tiếp SPI Chân SPI của Raspberry Pi 4 được cung cấp bên dưới:

Bảng 2.4 Bảng sơ đồ chân SPI.

Chân giao tiếp I2C

Raspberry Pi 4 có hỗ trợ giao thức I2C Là giao thức được sử dụng ở một số cảm biến và động cơ Tất cả các chân này được đưa ra bên dưới:

Để tạo ra tín hiệu đầu ra xung mong muốn Raspberry Pi 4 có một số chân PWM Các chân này cấp dữ liệu trực tiếp cho các thiết bị ngoại vi điện áp thấp Để tạo ra tín hiệu đầu tiên các chân phải được lập trình trước Tất cả các chân PWM được đưa ra bên dưới:

Bảng 2.6 Chân PWM.

PWM0 – GPIO12 – Chân 32 PWM1 – GPIO13 – Chân 33 PWM0 – GPIO18 – Chân 12 PWM1 – GPIO19 – Chân 35

Các chân SDIO Raspberry Pi

Trong Raspberry Pi 4 có một khe cắm thẻ SD nhưng các cgaab GPIO cũng hỗ trợ

khả năng tương thích với thẻ SD Chân SDIO trên thiết bị có thể được sử dụng cho thẻ SD khi có ứng dụng yêu cầu:

Raspberry Pi 4 có hai cổng micro HDMI, cho phép kết nối hai màn hình riêng biệt Cần cáp micro HDMI-to-HDMI hoặc cáp HDMI-to-HDMI cùng với bộ chuyển đổi micro HDMI-to-HDMI để kết nối Raspberry Pi 4 với màn hình.

2.2 Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595.

Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595 được thiết kế giúp bạn có thể dễ dàng điều khiển và hiển thị thông tin lên 2 led 7 đoạn chỉ với 3 chân giao tiếp thông qua IC ghi dịch 74HC595, ngoài ra mạch còn có khả năng mở rộng thêm các led tiếp theo qua cổng đầu ra nối tiếp, mạch có bộ thư viện đi kèm dễ sử dụng phù hợp cho các ứng dụng: bộ đếm, đồng hồ.

Hình 2-11 Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595

Thông số kỹ thuật của Mạch hiển thị 2 led 7 đoạn 74hc595

 Nguồn sử dụng: 3 ~ 6VDC  Dòng điện sử dụng: 50mA  IC Driver: 74HC595.

 3 chân giao tiếp: SCLK, RCLK, DIO  Hiển thị 2 led 7 đoạn cỡ 0.5”.

2.3 Module đèn tín hiệu giao thông 5v.

Module đèn tín hiệu giao thông được sử dụng trong các mô hình sử dụng đèn giao thông hoặc trong các bài thực hành vi điều khiển về đèn giao thông, mạch có thiết kế nhỏ gọn, dễ kết nối với chân GND (0VDC) chung, các chân điều khiển kích mức

 Đầu vào: đầu ra tín hiệu số

 Giao diện: điều khiển riêng cực âm đỏ vàng xanh lục

 Ánh sáng vàng sáng hơn ánh sáng xanh và ánh sáng đỏ là sáng nhất.

2.4 Màn hình lcd 3.5 inch raspberry pi.

Màn Hình LCD 3.5 inch Raspberry Pi Cảm Ứng Điện Trở được sử dụng với các loại Raspberry Pi có GPIO 40 chân: Raspberry Pi 4, Raspberry Pi 3, Raspberry Pi 2, giúp biến Raspberry Pi thành một máy tính hoàn chỉnh với màn hình cảm ứng siêu nhỏ gọn, màn hình tích hợp cảm ứng điện trở, chất lượng hiển thị tốt, độ bền cao, rất dễ sử dụng.

Thông số kỹ thuật

 Màn Hình LCD 3.5 inch Raspberry Pi Cảm Ứng Điện Trở

 Độ phân giải: 320 x 480 pixels.

 Giao tiếp và cấp nguồn: 40 chân GPIO của Raspberry Pi, phương thức giao tiếp chuẩn SPI.

Hình 2-13 Màn hình lcd 3.5 inch raspberry pi.

2.5 Arduino uno r3.

Arduino Uno R3 được sử dụng vi điều khiển ATmega328, tương thích với hầu hết các loại Arduino Shield trên thị trường, có thể gắn thêm các module mở rộng để thực hiện thêm các chức năng như điều khiển motor, kết nối wifi hay các chức năng khác Sử dụng ngôn ngữ lập trình C, C++ hoặc Arudino, một ngôn ngữ bắt nguồn từ C, C++ trên phần mềm riêng cho lập trình Arduino IDE.

Hình 2-14 Arduino UNO R3.

Thông số kỹ thuật:

 Chip điều khiển chính: ATmega328P

 Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC.

 Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM)  Số chân PWM Digital I/O: 6

 Số chân Analog Input: 6

 Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA  Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA

 Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader  SRAM: 2 KB (ATmega328P)

 EEPROM: 1 KB (ATmega328P)  Clock Speed: 16 MHz

 LED_BUILTIN: 13

Bộ nhớ của Arduino UNO R3

32KB bộ nhớ Flash: Đây là nơi lưu trữ những đoạn lệnh bạn lập trình Những

ứng dụng thông thường thì sẽ để ra vài KB trong số này cho bootloader, nhưng bạn yên tâm, vì mình chắc bạn không dùng quá 20KB đâu.

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): Đây là nơi lưu những giá trị

các biến bạn khai báo khi lập trình Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Cũng như Flash, bạn không cần quá quan tâm đến dung lượng của bộ nhớ RAM này Và đã là Ram thì tất nhiên dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất khi mất điện.

1K cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):

Đây được coi là chiếc mini USB, nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình mà không phải lo bị mất khi mất điện Với những ứng dụng lớn, các bạn nên quan tâm đến dung lượng của bộ nhớ này để phân bố cho hiệu quả.

Các cổng vào/ra trên Arduino UNO R3

Nhìn hình ảnh trên ta có thể thấy 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Mức điện áp logic là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up đươc thiết kế có sẵn trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối) Khi muốn dùng các điện trở pull up này, các bạn cần đến lập trình.

Ngoài ra, cần lưu ý một số chân dùng cho các giao tiếp cơ bản:

2 chân Serial: 1 (TX) và 0 (RX): dùng để nhận (receive – RX) và gửi (transmit

– TX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn băm xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite()

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

LED 13: trên board Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Bạn sẽ

thấy đèn này nhấp nháy khi nhấn nút reset Công dụng của nó chỉ để báo hiệu Nó được nối với chân số 13

Analog Pin: 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →

210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Bạn có thể để đưa vào

chân AREF trên board điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Nói cách

khác, khi bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.

Giao tiếp I2C: 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các

thiết bị khác.

Ứng dụng của Arduino Uno R3

Aruino Uno R3 được sử dụng phổ biến trong việc tự thiết kế ra các mạch điện tử như điều khiển led, gửi dữ liệu lên lcd, điều khiển motor, hay được gắn thêm các Shield để kết nối nhiều module cảm biến khác để thực hiện thêm nhiều chức năng mở rộng như gửi dữ liệu qua wifi.

Ngoài ra, trên thị trường còn có nhiều biến thể của Arduino Uno để thực hiện thêm các tính năng chuyên dụng, ví dụ như mCore, Orion trên mBot được chuyên dụng với việc dễ dàng phân biệt các loại module nào có thể sử dụng cắm vào trên các cổng để trẻ dễ dàng sử dụng.

2.6 Camera hd 1080p.

Webcam chuyên dụng để học zoom, quay webcam, livestream

WEBCAM full hd độ phân giải 1080p và 720p (1920x1080 và 1280x720)

Có thể xoay nghe nói thu âm giúp thao tác dễ dàng, camera webcam sịn sò âm thanh nổi.

Webcam pc có camera thông minh tốc độ lấy nét bằng tay nhanh, hình ảnh âm thanh sắc nét video mượt mà.

Cắm vào máy tính qua cổng usb sử dụng luôn không cần cài đặt, tương thích các phần mềm và game.