6. Thời gian và địa điểm thực hiện
1.7 Phương pháp đo thân nhiệt ở thỏ
Cơ chế sinh nhiệt trên cơ thể vật nuôi
Thân nhiệt phản ánh rất nhiều đặc tính sinh lý, sinh hóa của cơ thể vật nuôi (như dinh dưỡng cơ thể, vật nuôi no hay đói, mức độ hoạt động (chạy, nhảy,…), vật nuôi có bị kích động không, hay đơn giản vật nuôi có bị stress hay không). Mỗi khi các đặc tính sinh lý, sinh hóa trên thay đổi, cũng làm nhiệt độ thân nhiệt của vật nuôi biến đổi. Vậy cơ chế sinh nhiệt trên cơ thể sống hoạt động như thế nào? Khi nắm
được bản chất của việc sinh nhiệt trên cơ thể sống ở các loài khác nhau, hay đơn giản ở các vị trí khác nhau trên cơ thể sẽ giúp chúng ta tạo ra những bộ đo thân nhiệt phù hợp, có độ chính xác cao.
Theo nhiều nghiên cứu lâm sàng thì cho thấy thân nhiệt ở một số loại động vật có vú hay gia cầm biến đổi trong hai quá trình chính sau: Thân nhiệt sẽ thay đổi rất lớn tùy thuộc vào sự hoạt động của một số bộ phận chính trên cơ thể như não, tim, gan thận,… Trong đó, khi hoạt động bình thường, các bộ phận chính của cơ thể này có thể sinh ra lên đến 60% lượng nhiệt của toàn cơ thể. Quá trình biến đổi thân nhiệt thứ hai đó là kết quả của quá trình bù trừ giữa sự sinh nhiệt bởi hoạt động của các múi cơ trên cơ thể và sự mất nhiệt ở các bộ phận cơ thể khác. Ở đây có thể dễ dàng thấy thông qua dòng máu lưu thông, nhiệt độ cơ thể sẽ mất đi thông qua dẫn, bức xạ, đối lưu hay bay hơi thông qua các vết thương. Do đó thân nhiệt sẽ biến đổi rất lớn phụ thuộc vào các thông số sinh lý, sinh hóa bên trong cơ thể và bên ngoài môi trường sống tác động lên cơ thể đó. Dựa vào nguyên lý này thì một số bộ phận gây tổn hao nhiệt nhiều nhất trên cơ thể gia súc gia cầm có thể kể như là mũi, tai, da, chân, lớp vảy, sừng,…. Ngoài ra các trạng thái đặc biệt của cơ thể như trong quá trình động dục, mang thai, hay thời gian đầu sau đẻ cũng làm tăng thân nhiệt rõ rệt. Thân nhiệt vật nuôi cũng có thể biến đổi rõ rệt do các quá trình hô hấp, tiêu hóa hay loại và cường độ vận động của chúng. Theo kết quả nghiên cứu, khi bị nhiễm bệnh hoặc bị thương, cơ thể vật nuôi thường có thân nhiệt cao và có thể xuất hiện một số đốm, vệt hoặc đám đỏ bất thường trên cơ thể
1.8 Kết luận chương 1
Qua việc tìm hiểu, nghiên cứu ở chương 1 về tổng quan công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt và một số ứng dụng trong thực tế của camera ảnh nhiệt. Ngoài ra còn tìm hiểu về cơ chế sinh nhiệt và các cách đo thân nhiệt vật nuôi, đưa ra các công trình nghiên cứu về việc sử dụng camera ảnh nhiệt trong việc chuẩn đoán và phát hiện sớm một số bệnh thông thường ở thỏ. Từ đó rút ra các ưu, nhược điểm của việc sử dụng camera ảnh nhiệt trong việc chuẩn đoán và phát hiện sớm một số bệnh thông thường ở thỏ so với các phương pháp cũ.
Để giải quyết bài toán sử dụng camera ảnh nhiệt và công nghệ xử lý ảnh để chuẩn đoán, phát hiện sớm một số bệnh ở vật nuôi tôi tiến hành nghiên cứu đề tài
“Nghiên cứu hệ thống tự động nhận diện và phân loại một số bệnh thông thường trên thỏ nuôi bằng công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt”.
Khi đề tài được đi vào thực tiễn thì sẽ giúp người chăn nuôi quản lý được đàn vật nuôi của mình.
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống.
Với đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống tự động nhận diện và phân loại một số bệnh thông thường trên thỏ nuôi bằng công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt” này, phạm vi mô hình của em là thực hiện việc nhận diện, phát hiện và phân loại một số bệnh cơ bản cho thỏ trong các trang trại nuôi.
Thiết kế hệ thống tự động nhận diện và phân loại một số bệnh thông thường trên thỏ nuôi bằng công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt đảm bảo các yêu cầu sau đây:
Hệ thống có thể phát hiện, nhận diện được thân nhiệt bất thường đã nhiễm bệnh của thỏ thông qua hình ảnh thân nhiệt
Hệ thống gửi thông tin cảnh báo về điện thoại cho người nuôi thông qua ứng dụng blynk
Sử dụng OpenCV và camera đo thân nhiệt
Giao diện thân thiện, dễ sử dụng
Độ chính xác đạt trên 90%
An toàn và tiết kiệm chi phí
Dựa trên toàn bộ những yêu cầu của bài toán như trên, ta bắt đầu xây dựng lưu đồ thuật toán và hoàn thiện giao diện chương trình nhận dạng.
2.2 Sơ đồ công nghệ của hệ thống
Vật nuôi: Là đối tượng được theo dõi tự động bởi camera thân nhiệt trong nghiên cứu là thỏ. Do điều kiện không cho phép giới hạn về kinh tế và kiến thức nên tôi nghiên cứu về bệnh bại huyết và bệnh sổ mũi ở thỏ.
Lấy ảnh thân nhiệt: Có nhiệm vụ làm dữ liệu phân tích cho chương trình. Chương trình phân tích xử lý ảnh nhiệt trực tiếp lấy ảnh thân nhiệt của cả đàn thỏ đang nuôi nhốt.
Bộ điều khiển trung tâm: Có nhiệm vụ thu thập lưu trữ các ảnh thân nhiệt chụp được để làm dữ liệu phân tích cho chương trình. Chương trình phân tích xử lý ảnh nhiệt, phân tích, xử lý ảnh thân nhiệt tìm sau đó xác định tọa độ của vùng nhiệt bất thường đó trên ảnh.
Kết quả loại bệnh được phát hiện:Sau khi tìm được vùng nhiệt bất thường chương trình sẽ xác định và đưa ra kết quả loại bệnh mà thỏ có thể nhiễm.
Đưa thông báo về khả năng nhiễm bênh qua thông báo trên ứng dụng blynk được cài đặt trên điện thoại: Bệnh của thỏ đã được xác định khi đó thông tin về bệnh có khả năng bị nhiễm sẽ được gửi đến người quản lý thông qua ứng dụng.
Người quản lý: Người quản lý là người sẽ nhận được thông báo về khả năng nhiễm bệnh của lợn, sẽ đưa ra phác đồ điều trị phù hợp cho cá thể nhiễm bệnh và cách ly cá thể đó ra khỏi đàn tránh sự lây lan.
Hình 2. 1 Sơ đồ công nghệ hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
Nhân viên sử dụng camera ảnh nhiêt Flir TG267 để chụp ảnh thân nhiệt trên cơ thể của đàn thỏ nuôi. Sau đó, sử dụng chương trình kết quả của đề tài phân tích các hình ảnh chụp được. Chương trình sẽ xử lý phân tích bằng công nghệ xử lý ảnh để tìm ra các vùng có dấu hiệu bất thường về nhiệt. Khi xác định được vùng nhiệt bất thường chương trình sẽ gửi thông báo về khả năng nhiễm bễnh thông qua cảnh báo trên ứng dụng blynk đến người quản lý. Người quản lý nhận thông tin qua ứng dụng và đưa ra pháp đồ điều trị phù hợp cho cá thể thỏ nhiễm bệnh.
Bước 1: Camera nhiệt thu nhận ảnh nhiệt của vật nuôi
Bước 2: Máy tính nhận và xử lý ảnh thân nhiệt, sau đó gửi tín hiệu nhiệt độ sang mạch ESP
Bước 3: Mạch ESP8266 nhận dữ liệu từ máy tính sang cổng COM
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Yêu cầu hệ thống:
- Xác định được cá thể có giá trị nhiệt độ bất thường theo yêu cầu.
- Xác định chính xác tọa độ những khu vực có giá trị nhiệt cao bất thường
- Xác định được tọa độ và giá trị nhiệt độ cao nhất trong vùng nhiệt độ bất thường tìm được, giá trị nhiệt độ xác định được có sai số cho phép không quá 0.5° C (1.3%)
Sau khi tìm được vùng nhiệt độ bất thường phải gửi được tin nhắn cảnh báo tới ứng dụng blynk cài đặt sẵn theo đúng nội dung quy định
2.3 Lựa chọn cấu trúc phần cứng và phần mềm điều khiển hệ thống
Dẫn đầu trong công nghệ nhìn hồng ngoại trên thế giới hiện nay là hãng FLIR Systems, trụ sở chính đặt tại Hoa Kỳ, đây là hãng cung cấp hầu hết cho quân
đội Mỹ và đồng minh trong các hợp đồng thiết bị truy tìm và dẫn hướng hồng ngoại ứng dụng trong máy bay chiến đấu, tàu chiến, xe humvee và bộ binh. Ngoài ra, để phục vụ trong dân dụng nhằm ngăn chặn các đại dịch toàn cầu, lần đầu tiên, FLIR đã công bố và cho sử dụng các Camera ảnh nhiệt sử dụng để dò tìm bệnh nhân nghi nhiễm Covid-19. Nhờ các thiết bị của FLIR, dịch Covid-19 đã và đang dần được ngăn chặn.
2.3.1 Camera Flir TG267
Flir TG267 là dòng camera nhiệt tiên tiến của Flir Mỹ với khả năng đo trong khoảng từ 25 ° C đến 380 ° C với độ chính xác cao. Camera thuộc series mới ra mắt nên áp dụng công nghệ tiên tiến mới nhất của hãng Flir. Camera nhiệt Flir TG267 có trường nhìn rộng, độ phân giải 160×120 được áp dụng để xác định các vấn đề về quá nhiệt của động cơ, tủ điện, hệ thống máy móc….
Hình 2. 2 Camera ảnh nhiệt cầm tay FLIR TG267[6] Bảng 2. 1 Thông số kỹ thuật của camera ảnh nhiệt cầm tay FLIR TG267
Màn hình 320 × 240 pixel, màn hình LCD 2,4 màu Loại pin Pin Lion 3,7V có thể sạc lại
Độ chính xác ± 1,5 ° C (2,7 ° F) cho nhiệt độ 50 ÷ 100 ° C (122 ÷ 212 ° F); lên đến ± 3 ° C (± 5,4 ° F) cho −25 ÷ 50 ° C (−13 ÷ 122 ° F)
Độ phân giải hồng ngoại 160 × 120 pixel
Laze Laze loại 1 chỉ định vùng đo nhiệt độ; kích hoạt nút Phạm vi nhiệt độ đối −25 ° C đến 380 ° C (−13 ° F đến 716 ° F)
Độ nhạy nhiệt / NETD <70 mK Đèn LED chiếu sáng tích
hợp
100 lumens, đèn pin 6500 K Truyền thông USB 2.0, Bluetooth
USB: USB Type-C truyền dữ liệu/ nguồn USB - Tiêu chuẩn USB 2.0 tốc độ cao Dung lượng lưu trữ hình
ảnh
4 GB để lưu trữ tới 50.000 hình ảnh
Loại bộ nhớ Nội bộ
2.3.2 ESP8266 NodeMCU
ESP8266 là một vi mạch trong gói QFN có khả năng của cả bộ TCP/IP và bộ vi điều khiển. ESP8266 cung cấp giải pháp WiFi tích hợp cao đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT (Internet of Things) như chi phí thấp, sử dụng năng lượng hiệu quả, hiệu suất đáng tin cậy và thiết kế nhỏ gọn. Nó được sản xuất bởi Espressif Systems ở Thượng Hải, Trung Quốc.
Có khả năng kết nối mạng WiFi hoàn chỉnh, ESP8266 có thể hoạt động như một thiết bị tớ cho một bộ vi điều khiển chủ hoặc như một ứng dụng độc lập. Khi chúng ta nói thiết bị tớ cho vi điều khiển chủ, điều đó có nghĩa là nó có thể sử dụng làm bộ điều hợp WiFi cho bất kỳ vi điều khiển nào sử dụng giao tiếp SPI hoặc UART. Trong khi sử dụng độc lập, nó có thể thực hiện được các chức năng của một bộ vi điều khiển và mạng WiFi.
ESP8266 dựa trên dòng L106 Diamond của Tensilica, là bộ xử lý 32-bit và có SRAM trên chip. Đồng thời tích hợp module nguồn, balun RF, bộ thu và phát RF, bộ thu và phát tương tự, băng tần số, bộ khuếch đại, bộ lọc và một số thành phần tối thiểu khác.
Hình 2. 3 ESP8266 Arduino[7] Các loại Module ESP8266
ESP8266 có nhiều phiên bản khác nhau như được thể hiện trong hình bên dưới. Hiện nay, NodeMCU ESP-12E là phiên bản phổ biến nhất vì nó dễ kết nối, lập trình và có nhiều chân GPIO.
ESP8266 cần ít nhất thêm 7 linh kiện nữa mới có thể hoạt động, trong đó phần khó nhất là Antena. Đòi hỏi phải được sản xuất, kiểm tra với các thiết bị hiện đại. Do đó, trên thị trường xuất hiện nhiều Module và Board mạch phát triển đảm đương hết để người dùng đơn giản nhất trong việc phát triển ứng dụng. Một số Module và Board phát triển phổ biến:
Bảng 2. 2 So sánh các thông số các loại module ESP8266 thông dụng trên thị trường hiện nay Phiên bản Số chân pitch form factor LEDs Antenn a Socket Bảo vệ dài mm
ESP-01 8 .1“ 2×4 DIL Yes
Etched- on PCB No No 14.3 x 24.8 ESP-02 8 .1” 2×4
notch No? None Yes No
14.2 x 14.2 ESP-03 14 2mm 2×7 notch No Ceramic No No 17.3 x 12.1 ESP-04 14 2mm 2×4
notch No? None No No
14.7 x 12.1
ESP-05 5 .1“ 1×5 SIL No None Yes No
14.2 x 14.2 ESP-06 12+GND misc 4×3 dice No None No Yes 16.3 x13.1 ESP-07 16 2mm 2×8pinhole Yes Ceramic Yes Yes 20.0 x16.0
ESP-08 14 2mm
2×7
notch No None No Yes
17.0 x 16.0 ESP-08
New 16 2mm
2×8
notch No None No Yes
18.0 x 16.0 ESP-09
12+GN
D misc 4×3 dice No None No No
10.0 x 10.0 ESP-10 5 2mmm ? 1×5 notch No None No No 14.2 x 10.0 ESP-11 8 1.27mm 1×8pinhole No? Ceramic No No 17.3 x12.1 ESP-12 16 2mm 2×8notch Yes Etched-on PCB No Yes 24.0 x16.0
ESP-12-E 22 2mm 2×8 notch Yes Etched- on PCB No Yes 24.0 x 16.0 ESP-13 18 1.5mm 2×9 ? Etched- on PCB No Yes ? ESP-14 22 2mm 2×8 + 6 1 Etched- on PCB No Yes 24.3 x 16.2 WROOM -02 18 1.5mm 2×9 No Etchedon PCB No Yes 20. 0 x 18. 0
WT8266- S1 18 1.5mm 3×6 1 Etched on PCB No Yes 15.0 x 18.6
ESP8266 NodeMCU (Node MicroController Unit) là một môi trường phát triển phần mềm và phần cứng mã nguồn mở được xây dựng trên một hệ thống trên chip (SoC) được gọi là ESP8266. ESP8266, được thiết kế và sản xuất bởi Espressif Systems, chứa các thành phần quan trọng của một máy tính: CPU, RAM, mạng (WiFi), thậm chí cả hệ điều hành và SDK hiện đại.
Board mạch thu phát wifi ESP8266 NodeMCU với kích thước nhỏ gọn, giá rẻ được dùng nhiều cho các thiết bị IoT, các ứng dụng cần kết nối mạng wifi.
Sơ đồ chân:
Các module ESP8266 được sử dụng rộng rãi nhất là ESP-01, ESP8266 NodeMCU (ESP8266-12E) và Wemos D1 Mini. Hình bên dưới cho thấy sơ đồ chân của Kit NodeMCU ESP8266-12E.
Hình 2. 5 Sơ đồ chân của Kit NodeMCU ESP8266-12E [7] Bảng 2. 3 Thông số kỹ thuật ESP8266 Arduino
WiFi 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n Điện áp hoạt động 5VDC thông qua cổng micro USB
Số chân Analog Input 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)
Bộ nhớ Flash 4MB
Giao tiếp Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ) Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2
Tích hợp giao thức TCP/IP Lập trình trên các ngôn
ngữ
C/C++, MicroPython, Lua
2.4 Giới thiệu về ứng dụng blynk
Blynk là một phần mềm mã nguồn mở được thiết kế cho các ứng dụng IoT(Internet of Things). Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa, có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu, biến đổi dữ liệu hoặc làm nhiều việc khác..
Đồ án này lựa chọn Blynk vì một số lý do sau:
Dễ sử dụng: Quá đơn giản, chỉ việc vào store, cài đặt, sau đó đăng ký tài khoản và mất không quá 5 phút để làm quen.
Đẹp và đầy đủ: Giao diện của Blynk quá tuyệt vời, sử dụng bằng cách kéo thả, bạn cần nút bấm, kéo thả nút bấm, bạn cần đồ thị, kéo thả đồ thị, bạn cần LCD, kéo thả LCD, tóm lại là bạn cần gì thì kéo thả cái đó.
Không phải lập trình android hay ios: Nếu như không có kiên thức về làm app trên điện thoại thì việc điều khiển thiết bị từ chính smartphone của mình quả là điều vô cùng khó khăn và phức tạp. Nhờ blynk thì chúng ta có thể bỏ qua bước lập trình tạo app. Có thể thử nhanh chóng và ứng dụng được dự án của mình vào thực tế.
Thử nghiệm nhanh chóng, có thể điều khiển giám sát ở bất kỳ nơi nào có internet.
Hình 2. 6 Cấu trúc nền tảng của blynk
Blynk App – Ứng dụng Blynk cho phép khởi tạo giao diện cho các dự án của mình.
Blynk Server – Chịu trách nhiệm giao tiếp qua lại hai chiều giữa điện thoại và phần cứng.