XÂY DỰNG mô HÌNH bãi GIỮ XE THÔNG MINH (có code)

Với hệ thống giữ xe thông minh, các vấn đề của cách giữ xe truyền thống sẽđược giải quyết như: không gây ùn tắc ở điểm vào ra của bãi, không ghi nhầm biển số xe, kiểm tra được thời gian

XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÃI GIỮ XE

THÔNG MINH

ID Identification

IoT Internet of Things

JPG (JPEG) Joint Photographic Experts Group

MISO Master Input Slave Output

MOSI Master Output Slave Input

OCR Optical Character Recognition

PPM Pulse Position Modulation

RAM Random Access Memory

RFID Radio Frequency Identification

SCK Serial Clock

SDA Serial Data

SPI Serial Peripheral Interface

TWI Two Wire Interface

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Trong thời buổi hiện nay, kỹ thuật công nghệ hiện đại được ứng dụng hầu như ởmọi khía cạnh trong đời sống hằng ngày Với tiêu chí giúp giảm thiểu chi phí cũngnhư tang sự chính xác trong công tác quản lý và vận hành, tầm quan trọng của côngnghệ là không thể phủ nhận, đặc biệt trong đó phải kể đến IoT (Internet of Things).IoT là một mạng lưới kết nối vạn vật, ở đó những thiết bị không dây được kết nối,truyền dữ liệu với nhau thông qua nhiều chuẩn khác nhau như Bluetooth, wifi màkhông có sự can thiệp của con người

Đi cùng sự phát triển đó, các bãi giữ xe ngày nay đã áp dụng nhiều công nghệkhác nhau nhằm thay thế các bãi giữ xe truyền thống vốn đã không thể đáp ứngđược lưu lượng xe cộ ra vào ngày càng tăng cao, để giúp tiết kiệm chi phí trongcông tác quản lý cũng như hạn chế mất mát tài sản Hệ thống bãi giữ xe thông minh

đã ra đời và đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia

Với hệ thống giữ xe thông minh, các vấn đề của cách giữ xe truyền thống sẽđược giải quyết như: không gây ùn tắc ở điểm vào ra của bãi, không ghi nhầm biển

số xe, kiểm tra được thời gian ra vào bãi, hiển thị chỗ trống trong bãi, giảm chi phínhân công

1.2 Mục tiêu

Đề tài “Bãi giữ xe thông minh” sẽ thực hiện nghiên cứu để xây dựng một môhình bãi giữ xe gồm các tính năng như kiểm tra ra vào tự động bằng thẻ RFID, hiểnthị vị trí ô trống ở bãi xe, tính toán thời gian ra vào bãi, tìm vị trí xe đang đậu bằngứng dụng

1.3 Nội dung thực hiện

Để thực hiện các mục tiêu trên, đề tài thực hiện bao gồm các nội dung cụ thểnhư sau:

 Tìm hiểu về thực trạng các bãi giữ xe nước ta hiện nay ở các khu đại siêu thị,rạp chiếu phim, nhà hát, bệnh viện cho thấy nhu cầu cấp thiết của đề tài.

 Đề xuất mô hình tổng quan gồm khối điều khiển có chức năng xử lý hìnhảnh, nhận diện biển số, lưu lại thông tin dùng thẻ RFID; khối ứng dụng hiểnthị chỗ trống ngay cổng vào, ghi nhớ vị trí đậu xe

 Tìm hiểu giải thuật nhận dạng biển số xe, viết chương trình nhận dạng biển

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG

1.4 Mô hình hệ thống

Một hệ thống quản lý bãi xe thông minh là áp dụng các kỹ thuật công nghệ mới đểtang cường tính tự động hóa trong quản lý, bao gồm các khối chính như trên hình2.1 sau Giải thuật trong đề tài này sẽ tập trung chủ yếu ở hệ thống nhận diện biển

số xe, với sự hỗ trợ của công nghệ thẻ RFID, thị giác camera, cảm biến…

Hình 2-1 Sơ đồ khối của hệ thống

 Biển số: biển số xe ô tô.

 Khối điều khiển: camera chụp ảnh, đầu đọc thẻ RFID, thẻ từ

 Khối xử lý: chương trình nhận dạng biển số

 Các thông tin khác: ngày giờ ra vào bãi, ảnh chụp ra vào bãi …

 Khối điều khiển đóng mở thanh barie: nhận tín hiệu điều khiển thanhbarie đóng mở theo kết quả nhận dạng biển số của hệ thống

 Khối hiển thị chỗ trống: nhận tín hiệu báo chỗ còn trống trong bãi

lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh chocác loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiềungõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giaotiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).

Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno

1.1.2 Thẻ từ RFID

Thẻ từ được sử dụng trong đề tài để gửi mã ID đến bộ đầu đọc thẻ Reader

Hình 2-3 Thẻ RFID [3]

Công nghệ RFID cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không cầntiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặcgiữa 2 vật không nhìn thấy Công nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu

từ 1 điểm đến điểm khác Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dảitần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc) Tag cóthể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm,hộp hoặc giá kê (pallet) Reader scan dữ liệu của tag và gửi thông tin đến cơ sở dữliệu có lưu trữ dữ liệu của tag[4]

Nguyên lý hoạt động của thẻ RFID:

Hình 2-4 Nguyên lý hoạt động thẻ RFID [5].

Thẻ RFID chứa rất nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường là 32bit tươngứng với hơn 4 tỷ mã số khác nhau Ngoài ra khi xuất xưởng, mỗi thẻ RFID đượcgán cho một mã số khác nhau Do vậy một vật được gắn chip RFID thì khả năngnhận nhầm vật đó với một thẻ RFID khác là rất thấp, với xác xuất 1 phần 4 tỷ Với

ưu điểm như thế nên khả năng bảo mật của thẻ RFID là rất cao

1.1.3 Module đọc thẻ RC522

Module RC522 là bộ đầu thu Reader sử dụng chip MFRC522 có nhiệm vụ nhận

mã ID từ thẻ RFID sau đó gửi mã ID đến Arduino

1.1.4 Động cơ Servo SG90

Động cơ Servo SG90 được sử dụng như thanh Barie đóng mở sau khi chươngtrình trích xuất được biển số xe từ ảnh

Hình 2-6 Động cơ Servo [7]

Hình 2-7 Cấu tạo bên trong động cơ Servo SG90 [7]

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt, chỉ quay khi được điều khiển(bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o Mỗi loại servo

có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau

1.1.5 Cảm biến siêu âm HC-SR05

Cảm biến được sử dụng để gửi tín hiệu về trung tâm cảnh báo có vật thể haykhông có vật thể phía trước cảm biến

Hình 2-8 Cảm biến siêu âm HC-SR05 [8]

Cảm biến siêu âm HC-SR05 (cảm biến đo khoảng cách) sử dụng rất phổ biến đểxác định khoảng cách HC-SR05 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cáchtrong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lậptrình

Bảng 2-4 Sơ đồ chân của HC-SR05

Bảng 2-5 Thông số kỹ thuật HC-SR05

1.1.6 Arduino Mega2560

Đây là trung tâm nhận tín hiệu từ giao diện chương trình sau đó gửi tín hiệu đểdóng mở thanh Barie

Hình 2-9 Arduino Mega2560 [9]

Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụngFTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, nó sử dụngATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB Ngoài ra,Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân vànhiều tính năng mạnh mẽ hơn

Bảng 2-6 Thông số cơ bản Arduino Mega2560

1.6 Vẽ mạch kết nối schematic

Mạch nhận diện thẻ trong đề tài bao gồm 2 linh kiện chính là Arduino Uno cónhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được, sau đó gửi tín hiệu đến hệ thống giao diệnchương trình và module RFID RC522 có nhiệm vụ gửi ID thẻ RFID đến Arduino.

Hình 2-10 Mạch nhận diện thẻ

Mạch điều khiển thanh Barie trong đề tài gồm 2 linh kiện chính là ArduinoMega2560 và động cơ Servo SG90 Khi hoạt động, Arduino nhận được tín hiệu từgiao diện chương trình sẽ thực thi lệnh kích động cơ Servo xoay 1 góc 90 độ

Hình 2-11 Mạch điều khiển thanh Barie

Mạch hiển thị chỗ trống trong đề tài sử dụng gồm Arduino Uno, cảm biến SR05, đèn LED xanh dương và đỏ Khi có vật thể đặt trước cảm biến, cảm biến sẽgửi tín hiệu đến Arduino, Arduino tiếp nhận tín hiệu và kích chân LED sáng.

HC-Hình 2-12 Mạch hiển thị chỗ trống

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH GIẢI THUẬT NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE

Giải thuật nhận dạng biển số xe là phần quan trọng nhất của hệ thống bãi giữ xethông minh, đóng vai trò quyết định thành công của đề tài

1.7 Các khái niệm cơ bản về ảnh số

1.1.7 Ảnh số

Hình 3-1 Ảnh số

Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tảảnh gần với ảnh thật Số điểm ảnh xác định độ phân giải của ảnh Ảnh có độ phângiải càng cao thì càng thể hiện rõ nét các đặt điểm của tấm hình càng làm cho tấm

ảnh trở nên thực và sắc nét hơn Một hình ảnh là một tín hiệu hai chiều Nó được

xác định bởi hàm toán học f (x, y) trong đó x và y là hai tọa độ theo chiều ngang vàchiều dọc

Các giá trị của f (x, y) tại bất kỳ điểm nào là cung cấp các giá trị điểm ảnh (pixel)tại điểm đó của một hình ảnh

Ảnh xám hay còn được gọi là ảnh đơn sắc, ở đó mỗi điểm ảnh chỉ có 1 màu duynhất là xám Ứng với mỗi điểm ảnh sẽ có 256 mức xám khác nhau Mỗi mức xámđược biểu diễn dưới dạng là một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 255 với mức

0 biễu diễn cho mức cường độ đen nhất, 255 biễu diễn cho mức cường độ sángnhất

1.1.10 Ảnh màu (RGB)

Hình 3-4 Ảnh màu [10]

Ảnh màu là ảnh tổ hợp từ 3 màu cơ bản: đỏ (R), lục (G), xanh (B) và thường thunhận trên các dải băng tần khác nhau Với ảnh màu, cách biểu diễn cũng tương tựnhư ảnh đen trắng, chỉ khác là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu diễn cho 3màu riêng rẽ gồm: đỏ (R), lục (G), xanh (B) Để biễu diễn cho mỗi điểm ảnh màucần 24 bit, 24 bit này được chia thành 3 khoảng 8 bit Mỗi màu cũng phân thành

256 cấp màu khác nhau Mỗi khoảng này biểu diễn cho cường độ sáng của mộttrong các màu chính

1.1.11 Các định dạng ảnh

Hình ảnh cũng có rất nhiều định dạng khác nhau và phổ biến nhất mà chúng tavẫn hay gặp đó là các định dạng như *.JPG, *.PNG, *.GIF, *.TIFF và *.BMP.Những định dạng hình ảnh này lại có các thuộc tính khác nhau và được tạo ra để sửdụng vào những mục đích khác nhau Định dạng ảnh JPG (JPEG) là chuẩn hình ảnhthông dụng nhất hiện nay cũng như được sử dụng trực tiếp trong đề tài này Với các

ưu điểm như có độ sâu màu từ 24bit đến 16 triệu màu, thích hợp để tạo ra các fileảnh có dung lượng nhỏ, JPEG tương thích với mọi trình duyệt web hiện nay, sửdụng tốt nhất, hiệu quả nhất cho ảnh đen trắng, ảnh với màu sắc phức tạp, ảnh tĩnhvật, ảnh đời thường, ảnh chân dung.

1.1.12 Các đại lượng đặc trưng

1.1.1.1 Điểm ảnh (Pixel):

Hình 3-5 Pixel

Là phần tử nhỏ nhất của một hình ảnh Mỗi điểm ảnh tương ứng với 1 giá trị.Trong 1 ảnh xám 8 bit, giá trị điểm ảnh trong khoảng từ 0 đến 255 Giá trị của pixeltại bất kỳ điểm nào tương ứng với cường độ photon tại điểm đó Mỗi giá trị điểmảnh tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng Mỗi điểm ảnh có 1 màu duy nhất, được chỉđịnh như 1 tỉ lệ nhất định của 3 màu cơ bản là đỏ, lục, lam Bằng cách phối hợp liềulượng khác nhau của 3 màu cơ bản trên chúng ta hầu như có thể tạo ra bất cứ màunào Thông thường một ảnh được tạo ra bởi hàng triệu điểm ảnh

1.1.1.2 Độ phân giải

Độ phân giải cho biết số lượng pixel có trong ảnh đó, ảnh có độ phân giải càngcao thì càng hiển thị rõ nét nhưng tốn nhiều dung lượng để lưu trữ Hầu hết các

chương trình ứng dụng đồ họa đều diễn tả độ phân giải của hình ảnh bằng pixeldimensions - kích thước pixel, với số đo chiều ngang đi trước

Hình 3-6 Ví dụ độ phân giải của ảnh [11]

Ví dụ, một hình ảnh có kích thước được nêu ra là “2592x1944” sẽ chứa 2,592pixel trên mỗi hàng ngang và 1,944 pixel trên mỗi hàng dọc Nhân 2 con số này vớinhau sẽ cho ta 5,038,848-pixel hay độ phân giải xấp xỉ 5 megapixel

1.1.1.3 Mức xám

Hình 3-7 Mức xám

Là kết quả của sự biến đổi tương ứng giá trị độ sáng của một điểm ảnh với mộtgiá trị số nguyên dương Tùy thuộc vào số giá trị biểu diễn mức xám mà mỗi điểmảnh sẽ được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit Số lượng bit biểu diễn mức xámcàng lớn thì chất lượng ảnh càng cao nhưng sẽ tốn dung lượng bộ nhớ nhiều hơn đểlưu trữ và cần một hệ thống mạnh hơn để xử lý Ảnh 8 mức xám sẽ có giá trị mỗiđiểm ảnh nằm trong đoạn [0, 7] Ảnh 256 mức xám sẽ có giá trị mỗi điểm ảnh nằmtrong đoạn [0, 255] Giá trị điểm ảnh = 0 nghĩa là điểm ảnh đó tối (đen), giá trị điểm

ảnh lớn nhất nghĩa là điểm ảnh đó trắng Nói cách khác, giá trị mỗi điểm ảnh cànglớn thì điểm ảnh đó càng sáng.

1.8 Tổng quan xử lý ảnh

Một hệ thống xử lý ảnh thường được định nghĩa như sau:

Một hệ thống xử lý ảnh điển hình có xử lý số tín hiệu được biểu diễn trong hình 3-8.Nguồn ảnh đầu vào I(x,y) là một vật hoặc một cảnh tự nhiên, nhưng nó cũng có thểđược tạo ra bởi một hệ thống khác, như bộ lọc, đèn hình CRT Bộ số hóa chuyển tínhiệu nguồn đầu vào thành tín hiệu điện mà biên độ biểu diễn cường độ ảnh và sau

đó đem số hóa nó bằng bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D) Sau đó chuỗi f(n1,n2) ởđầu ra bộ số hóa được xử lý bởi một giải thuật (algorit) xử lý ảnh số Algorit này cóthể cài trên máy tính, bộ vi xử lý, hoặc một phần cứng chuyên dụng Algorit cụ thểđược sử dụng vào phụ thuộc vào mục đích xử lý, có thể là cải thiện ảnh, phục hồiảnh, mã hóa ảnh, lý giải ảnh, hoặc một tổ hợp bất kỳ của chúng Kết quả xử lý đượchiển thị cho người dùng xem, nhưng đôi khi cũng đưa vào đầu vào của hệ thốngkhác Bộ hiển thị được dùng là đèn hình CRT, nhưng cũng có thể là bức ảnh hoặcbăng video catxet Nếu kết quả là một biểu diễn bằng ký hiệu như trong lý giải ảnh,thì thiết bị hiển thị có thể là máy in[12]

kỹ thuật quang học chẳng hạn như gương và ống kính) và nhận dạng ký tự số (sửdụng máy quét và các thuật toán máy tính) lúc đầu được xem xét như hai lĩnh vực

khác nhau Bởi vì chỉ có rất ít các ứng dụng tồn tại với các kỹ thuật quang học thực

sự, bởi vậy thuật ngữ Nhận dạng ky tự quang học được mở rộng và bao gồm luôn ýnghĩa nhận dạng ky tự số Đầu tiên hệ thống nhận dạng yêu cầu phải được huấnluyện với các mẫu của các ký tự cụ thể Các hệ thống "thông minh" với độ chínhxác nhận dạng cao đối với hầu hết các phông chữ hiện nay đã trở nên phổ biến Một

số hệ thống còn có khả năng tái tạo lại các định dạng của tài liệu gần giống với bảngốc bao gồm: hình ảnh, các cột, bảng biểu, các thành phần không phải là văn bản.Hiện nay, với chữ Việt, phần mềm nhận dạng chữ Việt in VnDOCR 4.0 có khảnăng nhận dạng trực tiếp các loại tài liệu được quét qua máy quét, không cần lưu trữdưới dạng tệp ảnh trung gian Các trang tài liệu có thể được quét và lưu trữ dướidạng tệp tin nhiều trang Kết quả nhận dạng được lưu trữ sang định dạng củaMicrosoft Word, Excel phục vụ rất tốt nhu cầu số hoá dữ liệu

1.1.14 Các bước nhận dạng biển số

Hình 3-9 Sơ đồ nhận dạng biển số

 Tách biển số: Ảnh sau khi được camera chụp là ảnh toàn cảnh phần đầu

xe, vậy nên ta cần xử lý và khoanh vùng chứa biển số xe Sau đó táchbiển số để thực hiện bước tiếp theo

 Phân đoạn ký tự: Sau khi biển số được tách ra khỏi ảnh, ta cần cắt từng

ký tự của biển số ra để quá trình nhận dạng được dễ dàng hơn

 Nhận dạng ký tự: Sau khi từng ký tự đã được tách ra, ta tiến hành nhận

dạng ký tự và cho ra dạng text

1.10 Mô phỏng giải thuật nhận dạng biển số

Giải thuật được xây dựng trên ứng dụng Matlab chạy trên hệ điều hành Windows để

xử lý biển số cần nhận diện

1.1.15 Tách biển số

Tách biển số là bước đầu tiên đồng thời cũng là bước quan trọng nhất trong nhậndạng biển số xe Hình chụp từ camera sẽ chứa các thông tin khác ngoài biển số xenên ta cần cắt thô ảnh để kết quả còn lại là biển số xe Các bước cắt biển số đượcthể hiện như hình dưới đây:

Hình 3-10 Quá trình cắt biển số

Hình 3-11 Ảnh đầu vào

Hình 3-12 Biển số sau khi được cắt

1.1.17 Nhận dạng ký tự

Sau khi quá trình cắt các ký tự kết thúc, ta tiến hành so sánh các ký tự được cắtvới các ký tự mẫu có sẵn, ký tự nào gần giống với ký tự mẫu có sẵn nhất thì chọnkết quả đó, từ đó hiển thị được biển số dạng text Mỗi ký tự sẽ có 5 mẫu để so sánh,

số từ 0-9, chữ từ A-Z Ví dụ cho quá trình so sánh mẫu cho số “7” được hiển thịdưới dạng biểu đồ như sau:

Hình 3-15 Nhận dạng ký tự “7”

Hình 3-16 Biển số dạng text sau khi đã được nhận dạng

1.1.18 Đánh giá và nhận xét

Hệ thống nhận diện biển số còn nhiều hạn chế như còn phụ thuộc nhiều vào điềukiện ánh sáng, thời tiết, góc đặt camera nhưng nhìn chung đã có thể giải quyết đượcyêu cầu của đề tài Từ đề tài này ta còn có thể phát triển nhiều thêm nhiều tính năngkhác phục vụ cho nhiều loại phương tiện trong tương lai

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÃI GIỮ XE THÔNG MINH

Mô hình hệ thống bãi giữ trong đề tài bao gồm mô hình hoạt động, giao diệnchương trình và kết quả thực hiện phần cứng

1.11 Mô hình hoạt động

Hình 4-1 Mô hình hoạt động bãi giữ xe [13]

Qui trình hoạt động của hệ thống:

 Khi xe đi vào, dùng thẻ RFID để quẹt thẻ gửi tín hiệu đến hệ thống thôngbáo chụp biển số xe

 Khi biển số xe đã được chụp bởi camera, chương trình bắt đầu xử lý hìnhảnh, cắt biển số từ hình ảnh camera sau đó tiến hành nhận diện biển số

 Biển số sau khi được nhận diện sẽ chuyển thành dạng text, đồng thời hìnhảnh chụp, biển số và số ID của thẻ RFID sẽ được lưu lại trên hệ thốngdưới dạng file Excel