Nghiên cứu hệ thống canh tác chính xác ứng dụng robot, AI và iot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VŨ VÂN THANH VŨ VÂN THANH C C KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ R L T NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CANH TÁC CHÍNH XÁC ỨNG DỤNG ROBOT, AI VÀ IOT DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KHOÁ K37.KĐT Đà Nẵng – Năm 2020 I ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VŨ VÂN THANH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CANH TÁC CHÍNH XÁC ỨNG DỤNG ROBOT, AI VÀ IOT C C R L T Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 8520203 DU LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN TRẦN ĐĂNG KHOA Đà Nẵng, 2020 II LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác C C DU R L T II MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II TÓM TẮT LUẬN VĂN V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC HÌNH ẢNH .VIII MỞ ĐẦU CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Cơ sở lý thuyết C C 1.2.1 Giới thiệu nông nghiệp kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0 R L T 1.2.2 Các nghiên cứu nước liên quan đến đề tài 1.3 Ứng dụng IoT hệ thống canh tác xác cho nơng nghiệp DU 1.4 Ứng dụng Robot canh tác xác 1.5 Ứng dụng trí tuệ nhận tạo canh tác nơng nghiệp xác 11 1.6 Mục tiêu 12 1.7 Kết luận chương 13 CHƯƠNG - HỆ THỐNG CANH TÁC NƠNG NGHIỆP CHÍNH XÁC 14 2.1 Giới thiệu chương 14 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 14 2.3 Khối trạm cảm biến 15 2.4 Hệ thống robot canh tác 16 2.5 Hệ thống phát trồng 17 2.6 Khối giám sát điều khiển từ xa 24 2.7 Kết luận chương 24 III CHƯƠNG - THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CANH TÁC NƠNG NGHIỆP CHÍNH XÁC 25 3.1 Giới thiệu chương 25 3.2 Thiết kế khối trạm cảm biến 25 3.2.1 Thiết kế phần cứng 26 3.2.2 Thiết kế phần mềm 28 3.3 Thiết kế hệ thống Robot canh tác 30 3.3.1 Thiết kế phần cứng 30 3.3.2 Thuật tốn chương trình điều khiển Robot 34 3.4 Khối phát trồng 36 3.4.1 Cơ sở liệu (dataset) 37 C C 3.4.2 Quá trình huấn luyện 40 R L T 3.4.3 Triển khai thực máy tính nhúng Raspberry Pi 41 3.5 Thiết kế khối giám sát điều khiển từ xa 42 DU 3.6 Kết luận chương 43 CHƯƠNG - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 44 4.1 Giới thiệu chương 44 4.2 Thi công phần cứng khối trạm cảm biến 44 4.2.1 Layout mạch in khối trạm cảm biến 44 4.2.2 Mạch in mạch hồn thiện khối trạm cảm biến mơi trường 44 4.2.3 Kết thi công khối trạm cảm biến 45 4.3 Thi công phần cứng hệ thống robot canh tác 46 4.3.1 Kết thi công robot canh tác 46 4.3.2 Kết thi công toàn hệ thống 46 4.4 Thực nghiệm đánh giá hệ thống phát trồng 47 4.5 Thi công thực nghiệm phần mềm hệ thống 54 4.5.1 Website quản lý điều khiển hệ thống 54 4.5.2 Ứng dụng cho điện thoại thông minh Android 55 4.6 Đánh giá chung kết làm việc hệ thống 56 IV 4.7 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 61 Các cảm biến khối trạm cảm biến thu thập liệu môi trường 61 PHỤ LỤC 65 Máy tính nhúng Raspberry Pi chạy mơ hình học sâu nhận dạng trồng 65 PHỤ LỤC 66 C C DU R L T V TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CANH TÁC CHÍNH XÁC ỨNG DỤNG ROBOT, AI VÀ IOT Học viên thực hiện: Vũ Vân Thanh Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 Khóa: 37 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN Tóm tắt- Hiện nay, cách mạng công nghiệp 4.0 mang lại khác biệt lớn nhiều lĩnh vực, có lĩnh vực canh tác nơng nghiệp Các cơng nghệ tiên tiến áp dụng cho canh tác xác nơng nghiệp bao gồm Vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT), robot trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligent – AI) Sự kết hợp mảng công nghệ lớn cho phép tạo giải pháp tự động hóa cao phương pháp phân tích, đánh giá cho canh tác xác Từ thực trạng trên, tơi đề xuất thực luận văn theo hướng nghiên cứu thực thi hệ thống canh tác xác ứng dụng công nghệ IoT, Robot AI Hệ thống bao gồm khối sử dụng tảng IoT để giám sát, điều khiển, cảnh báo sớm rủi ro giúp tăng xuất giảm thiểu nguy cơ, đồng thời thực thi robot kết hợp trí tuệ nhân tạo để giúp robot thực số tác vụ canh tác Kết hệ thống hoạt động tối ưu việc chăm sóc trồng như: xác cho loại cây, bỏ qua vị trí khơng có trồng nhằm tiết kiệm thời gian hoạt động, tiết kiệm lượng, nguồn nước với mơ hình chăm sóc lớn hơn, đồng thời áp dụng IoT giúp chủ động ứng phó tối ưu vận hành với thay đổi từ môi trường sinh trưởng trồng C C R L T DU Từ khóa: Trí tuệ nhân tạo, Nơng nghiệp thông minh, Vạn vật kết nối, Robot canh tác, công nghiệp 4.0 A STUDY ON ACCURATE CULTIVATION SYSTEM WITH APPLICATION OF ROBOT AI, AND IOT Abstract- Currently, the Industrial Revolution 4.0 is making a big difference in many fields, including the field of agricultural cultivation Current advanced technologies that can be applied to precision farming in agriculture include Internet of Things (IoT), robotics and Artificial Intelligence (AI) The combination of these large technologies allows the creation of highly automated solutions as well as analytical and evaluation methods for precision farming From the above situation, I propose to conduct the thesis in the direction of researching and implementing a precision farming system applying IoT, Robot and AI technologies The system consists of blocks using the IoT platform to monitor, control, early warning of risks to increase productivity and reduce risks, and implement a robot that incorporates artificial intelligence to help the robot performs some basic farming tasks As a result, the system works more optimally in the care of plants such as: precise for each plant, bypassing the location without plants to save uptime, save energy, water resources with tissue With a larger form of care, and the application of IoT helps to proactively respond as well as optimize in operation to any changes from the growing environment of plants Key word- AI, Smart Agriculture, IoT, Farming Robot, Industry 4.0 VI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT IoT Internet of Thing (Internet vạn vật) AI Artifical Intelligence (Trí tuệ nhân tạo) PC Personal Computer (Máy tính cá nhân) IC Integrated Circuit (Vi mạch tích hợp) I2C Inter-Integrated Circuit (Giao tiếp bus nối tiếp) UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter (Giao tiếp phát – thu bất đồng phổ biến) EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (Bộ nhớ đọc lập trình xố tín hiệu điện) SRAM Static Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh) MCU Microcontroller Unit (Bộ vi điều khiển) PWM Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung) SoC System on Chip (Hệ thống chip) HTML Hyper Text Markup Language (Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản) CSS Cascading Style Sheet (Tập tin định dạng thiết kế theo tầng) JS Javascript (Tên ngơn ngữ lập trình website) CNN Convolutional Neural Network (Mạng nơ ron tích chập) FCNN Full Convolutional Neural Network (Mạng nơ ron tích chập kết nối đủ) C C R L T DU VII DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Mô tả chi tiết phần cứng phần mềm hệ thống robot canh tác 15 Bảng 4.1 Số lượng nhãn thu thập 48 Bảng 4.2 Bảng định nghĩa TP, FP, FN TN 49 Bảng 4.3 Giá trị mAP mô hình huấn luyện 53 C C DU R L T VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cánh đồng thơng minh Đồng Tháp [10] Hình 1.2 Mơ hình sản xuất nấm thơng minh ứng dụng IoT AgriConnect [11] Hình 1.3 Mơ hình nơng nghiệp thơng minh Gigabyte Hình 1.4 Mơ hình robot thu hoạch cà chua Panasonic [12] Hình 1.5 Robot xua đuổi động vật gây hại Robirds [13] 10 Hình 1.6 Robot diệt cỏ Tertill [14] 10 Hình 1.7 Robot trồng Tree Rover [15] 11 Hình 2.1 Hệ thống canh tác trồng ứng dụng IoT, Robot học sâu 15 C C Hình 2.2 Các khối trạm cảm biến thu thập liệu môi trường canh tác 16 R L T Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống robot canh tác 16 Hình 2.3 Mơ hình di chuyển Prusa 17 DU Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống phát trồng 18 Hình 2.5 USB Camera Logitech C270 18 Hình 2.6 Máy tính nhúng Raspberry pi mode B 19 Hình 2.7 So sánh thuật tốn nhận dạng vật thể 19 Hình 2.8 Kiến trúc mạng lưới YOLOv3 20 Hình 2.9 Ơ lưới vùng bao 21 Hình 2.10 Dự báo hộp đường biên 22 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động khối giám sát điều khiển từ xa với FRD 24 Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế chi tiết khối trạm cảm biến thu thập liệu môi trường 25 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển PIC18F4550 26 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp cho trạm cảm biến 26 Hình 3.4 Khối mạch ESP8266 28 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán khối đọc liệu cảm biến (PIC18F4550) 29 63 Thông số kỹ thuật    Nguồn cung cấp: 5V DC Công suất tiêu thụ: ≤0.3W Nhiệt độ hoạt động: -20℃~+60℃，0%RH~80%RH     D Mức đo: 0.1m/s Ngưỡng đo: 0~60m/s Thời gian đáp ứng động: ≤0.5s Tốc độ gió khởi đầu: ≤0.2m/s Cảm biến mưa Yilin YL21103 Dựa tính giãn nở xốp có mưa xốp nở to làm đóng tiếp điểm, điều chỉnh tính giãn nở, để báo lượng mưa tương ứng C C R L T DU Cảm biến mưa Yilin YL21103 Thông số kỹ thuật     E Không cần nguồn cung cấp, phát mưa phương pháp vật lý Điều chỉnh độ nhạy theo mức Dây nối dài 5m, cho khả kết nối khoảng cách xa Tương tích với định thời Yilin Cảm biến độ ẩm đất 4W49 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn trang bị đầu dò chống ăn mòn cho độ bền độ ổn định cao loại đầu dò làm PCB Cảm biến giúp xác định độ ẩm đất qua đầu dò trả giá trị điện áp tương tư 64 Cảm biến độ ẩm đất Thông số kỹ thuật     Điện áp hoạt động: 3.3~12VDC Tích hợp đầu dị chống ăn mịn cho độ bền độ ổn định cao Tín hiệu đầu ra: + Analog (Tương tự): theo điện áp cấp nguồn tương ứng + Digital (Số): Mức cao (HIGH) mức thấp (LOW), điều chỉnh độ ẩm mong muốn biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp Chiều dài dây cảm biến: 1m C C DU R L T 65 PHỤ LỤC Máy tính nhúng Raspberry Pi chạy mơ hình học sâu nhận dạng trồng Raspberry Pi máy tính kích thước nhỏ tích hợp nhiều phần cứng mạnh mẽ đủ khả chạy hệ điều hành cài đặt nhiều ứng dụng Raspberry máy tính nhúng bật Pi phù hợp cho ứng dụng cần khả xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm đặc biệt xử lý ảnh với nhiều phần cứng, ngoại vi thư viện hỗ trợ Hiện có hàng ngàn ứng dụng đa dạng cài đặt Rasberry Pi Với yêu cầu trên, ta chọn máy tính nhúng Raspberry pi mode B Ưu điểm kết nối nhiều ngoại vi lúc, hỗ trợ nhiều thư viện khả xử lý mạnh C C R L T DU Máy tính nhúng Raspberry pi mode B Với thông số kỹ thuật: - Vi xử lý Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @ 1.5GHz Vi điều khiển Videocore-IV RAM 4GB LPDDR2 SDRAM Chuẩn kết nối mạng: Gigabit Ethernet (via USB channel), 2.4GHz and 5GHz 802.11b/g/n/ac Wi-Fi Bluetooth 5.0 Lưu trữ: Micro-SD Các chân giao tiếp vào: 40 chân Kết nối ngoại vi: 2x Micro HDMI, kết nối audio 3.5mm, 2x USB 2.0,2 xUSB 3.0, mạng có dây, giao tiếp camera có dây(CSI), giao tiếp với hình (DSI) Kích thước: 82mm x 56mm x 19.5mm, 50g 66 PHỤ LỤC Google colab phần mềm Google cung cấp cho phép sử dụng server máy tính Google cơng việc chạy thuật tốn phức tạp server Google cung cấp cho người dùng 12GB RAM GPU 359GB nhớ, thuận lợi cho việc huấn luyện mơ hình học máy cách nhanh chóng Xong Google có giới hạn thời gian sử dụng 10 giờ, sau thời gian kết nối tự ngắt khởi động lại xóa tồn liệu Một số thông số Google Colab      Hệ điều hành: Linux RAM GPU: 12GB, hỗ trợ CUDA Bộ nhớ: 359GB Thời gian sử dụng: 10 Khả tự kết nối lại kết nối mạng Ưu điểm Colab:    C C Cấu hình chip mạnh mẽ RAM lớn: 12GB GPU lớn, cung cấp 12-16 Gb VRAM, có hỗ trợ CUDA Nhược điểm Colab: DU R L T  Đây môi trường ảo Google cung cấp để thực hành, khó khăn cho tốn lớn Trên thực tế Colab giới hạn sau 10 tự động ngắt kết nối dừng hoạt động hệ thống xóa tồn liệu 67 C C DU R L T 68 C C DU R L T 69 C C DU R L T 70 C C DU R L T 71 C C DU R L T 72 C C DU R L T 73 C C DU R L T 74 C C DU R L T 75 C C DU R L T 76 C C DU R L T 77 C C DU R L T ... nghiên cứu nước liên quan đến đề tài 1.3 Ứng dụng IoT hệ thống canh tác xác cho nơng nghiệp DU 1.4 Ứng dụng Robot canh tác xác 1.5 Ứng dụng trí tuệ nhận tạo canh tác nơng nghiệp xác. .. sóng ứng dụng AI mạnh mẽ vào sản xuất nơng nghiệp tồn giới Từ thực trạng nêu trên, đề xuất thực luận văn theo hướng nghiên cứu thực thi hệ thống canh tác xác ứng dụng cơng nghệ IoT, Robot AI Hệ thống. .. thuật nhận dạng dựa học sâu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết  Nghiên cứu mơ hình robot canh tác xác, hệ thống IoT hệ thống kết hợp IoRT  Nghiên cứu kiến trúc mạng nơ-ron, đặc biệt