Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống
Việc tính toán thiết kế là công việc không thể thiếu khi thực hiện bất cứ đề tài nào. Chính công việc này sẽ quyết định phần lớn đến kết quả của đề tài. Mọi thiết bị, linh kiện cần được tính toán lựa chọn kỹ lưỡng mới đem đến kết quả tốt cho đề tài.
Adapter 5V-2.5A
Adapter 12V-3A
camera LCD 16x2
I2C
Hình 3.2. Sơ đồ kết nối hệ thống Giải thích sơ đồ kết nối:
Hệ thống sử dụng Raspberry Pi để điều khiển. Kết nối với module camera qua cổng CSI điều khiển camera chụp ảnh lấy ảnh đầu vào xử lý. Sau khi xử lý xong cho ra kết quả đếm dữ liệu sẽ được truyền hiển thị ra màn hình LCD được kết nối thông qua module I2C. Chân VSS được nối với chân số 2(VSS 5V), chân GND nối với chân số 9 (GND), chân SDA nối với chân số 3 (SDA), chân SCL nối với chân số 5(SCL) của Raspberry.
Apdapter 5V-2.5A cung cấp nguồn cho Raspberry thông qua cổng micro.
Apdapter 12V-3A cung cấp nguồn cho led. Máy tính kết nối với Raspberry thông qua cổng ethernet để gõ lệnh, liên kết lâp trình cho raspberry và xem kết quả xử lý ảnh.
Khối xử lý trung tâm: 1 board Raspberry Pi3 Model B.
Khối nguồn: 1 module nguồn 5V – 2.5A và 1 module guồn 12V-3A từ adapter có sẵn.
Khối camera: 1 module camera Raspberry Pi V1.3.
Khối led: dây led ánh sáng trắng.
Bể chứa cá: 1 hồ cá bằng thủy tinh.
Khối hiển thị: 1 lcd 16x2.
a. Khối xử lý trung tâm
Khối xử lí trung tâm gồm 1 vi điều khiển được lập trình để:
- Giao tiếp điều khiển module camera chụp ảnh từ bể cá.
- Thu nhận dữ liệu ảnh đầu vào xử lý ảnh theo mục đích.
- Giao tiếp với màn hình xuất dữ liệu ra LCD.
Để thực hiện các công việc điều khiển người ta có thể sử dụng các vi điều khiển như Raspberry, Arduino, PC… Tuy nhiên từ những thuận lợi mà raspberry mang lại phù hợp với đề tài nghiên cứu nên nhóm chọn Raspberry để lập trình điều khiển.
Hình 3.3. Hình mặt trước và mặt sau của Raspberr Pi 3 Model B
Raspberry Pi 3 Model B có tích hợp cổng CSI (Camera Serial Interface).
Cổng này dùng để kết nối với module camera riêng của raspberry Pi. Điều này giúp viêc kết nối trở nên đơn giản, hệ thống gọn gàng và tốc độ truyền dữ liệu cao.
CSI camera
Kết nối I2C
Hình 3.4. Sơ đồ chân Raspberry Pi 3 Model B
Ngoài ra Raspberry Pi 3 Model B có 40 chân GPIO (General Purpose Input and Output) giống như các chân của vi điều khiển, các IO này của raspberry Pi cũng được sử dụng để xuất tín hiệu ra led, thiết bị… hoặc đọc tín hiệu vào từ các nút nhấn, công tắt cảm biến…. Ngoài ra còn có các IO tích hợp các chuẩn truyền dữ liệu UART, I2C và SPI. Ở đây hệ thống sử dụng chuẩn truyền I2C để truyền dữ liệu ra LCD và sử dụng 2 chân nguồn của Pi để cấp cho LCD.
b. Khối camera
Hệ thống có hồ chứa với diện tích mặt đáy là 20cm2, kích thước cá từ 1-2 cm và số lượng dưới 50 con thì nhóm nghiên cứu chọn module Camera Raspberry Pi V1.3.
Với thông số kỹ thuật đả được nêu ở chương 2. Module Camera Raspberry Pi V1.3 đáp ứng được các chức năng mà đề tài yêu cầu như: có thể chụp ảnh tĩnh với ống kính tiêu cự cố định, khả năng lấy ảnh tĩnh 2592x1944 pixel, đồng thời có nhiều chế độ chup như Time-Lapse, Slow-Motion và nhiều ứng dụng khác. Camera có chất lượng hình ảnh, màu sắc trung thực và hiệu suất ánh sáng thấp đồng thời hổ trợ nhiều chế độ chụp hình. Được hỗ trợ trong phiên bản mới của hệ điều hành Raspbian. Module camera Raspberry Pi V1.3 hoàn toàn tương thích với Raspberry Pi 3 Model B, có cáp ribbon đi kèm dài 15cm cắm trược tiếp vào board Raspberry Pi (cổng CSI). Với kích thước nhỏ gọn 20x25x9mm và trọng lượng gần 3g rất thích hợp cho các hệ thống nhỏ gọn. Vì những tính năng phù hợp nhóm chọn Module Camera Raspberry Pi V1.3 để sử dụng.
c. Khối hiển thị
Vì dữ liệu xuất ra đơn giản chỉ là số lượng cá đếm được trong bể nên nhóm chọn LCD 16x2 làm khối hiển thị sử dụng chuẩn truyền I2C.
Hình 3.6. Module I2C
Cấu tạo Module I2C có 16 chân kết nối LCD tương ứng với 16 chân trên LCD 16x2 dễ dàng kết nối. Có 4 chân kết nối trực tiếp với các cổng GPIO tương ứng của Raspberry Pi giúp tiết kiệm được các chân GPIO và dễ dàng kết nối.
Bảng 3.1. Kết nối phần cứng Module I2C với Raspberry Pi
5V Pi 5V
GND Pi GND
SDA Pi SDA
SCL Pi SCL
Để sử dụng chuẩn I2C cần phải cài đặt giao tiếp I2C cho Raspberry trong phần Setup Option. Và để lập trình I2C trên Pi ta phải cài smbus và i2c-tools.
Hình 3.7. Module I2C kết nối với LCD 16x2 Để kết nối với chip điều khiển trên LCD cần chú ý những chân sau:
RS: thiết lập dữ liệu truyền là dữ liệu kí tự hay lệnh. Khi gửi lệnh hay cần đọc trạng thái của LCD chân này được kéo mức thấp. Chân này được kéo mức cao khi cần truyền hay đọc dữ liệu kí tự từ LCD.
R/W: điều khiển hướng dữ liệu được truyền, khi ở mức thấp dữ liệu sẽ được truyền tới LCD. Ngược lại, khi cần đọc dữ liệu từ LCD chân này sẽ được kéo lên mức cao.
E: dữ liệu chỉ được truyền khi có sự chuyển mức từ cao sang thấp trên chân này.
D0-D7: là các chân truyền dữ liệu, có 2 kiểu truyền dữ liệu 8bits (D0-D7) và 4bits. Nếu dùng 8bits sẽ mất 8GPIO nên để tiết kiệm người ta thường dùng chế độ 4bits (D4-D7) nhưng phải truyền 2 lần.
d. Khối led
Để thuận lợi cho việc tính toán thì ảnh đầu vào phải có chất lượng ảnh tốt ít bị nhiễu. Ánh sáng là một trong những yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng
của ảnh. Vì thế nhóm chọn đèn led dây ánh sáng trắng có sẵn trên thị trường để sử dụng.
Hình 3.8. Led dây
Để dễ dàng cho việc cho việc lập trình đảm bảo kết quả chính xác thì cần cung cập một lượng ánh sáng vừa đủ, cường độ phân bố ánh sáng phải đều không quá sáng sẽ làm lóa ảnh hoặc tối làm giảm chất lượng ảnh đầu vào. Vị trí đặt led cũng rất quan trọng, cần lựa chọn vị trí phù hợp để đảm bảo không bị lóa ảnh hoặc xuất hiện bóng khi đếm sẽ làm giảm hiệu xuất.
e. Khối nguồn
Khối nguồn sẽ cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch. Từ các thông số của từ khối ta thấy điện áp hoạt động trung bình chủ yếu của toàn mạch là 12V và 5V, nên ta sẽ phải phân nguồn 12V và 5V để cấp cho toàn mạch.
Hình 3.9. Adapter 5V-2.5A
Đối với nguồn 5V-2.5A nhóm dùng để cung cấp cho Raspberry và sử dụng ngõ ra 5V từ chân I/O của raspberry để cấp cho Module I2C và quạt tản nhiệt.
Hình 3.10. Adapter 12V-3A
Đối với nguồn 12V-3A nhóm dùng cung cấp trực tiếp cho led dây.
f. Bể chứa cá
Đếm số lượng cá khoảng dưới 50 con mỗi con có kích thước 1-2cm, nhóm thiết kế hồ chứa có diện tích đáy là 20cm2 và chiều cao thành 25cm với mực nước 2cm.
Để có khung hình bao quát diện tích đáy cần đặt camera cao 27cm so với đáy hồ.
Nhóm chọn cá giống có màu đen bên phải chọn nền có màu sắc tương phải làm nổi bật đối tượng thuận lợi cho viêc trừ nền nhóm chọn nền màu trắng để dể dàng phân biệt với cá.
Để đảm báo ánh sáng cho môi trường lấy ảnh. Ảnh không bị chiếu bóng và camera không bị chóa thì led phải được đặt giữa thành hồ có chiều cao 10cm so với đáy hồ và phải bao quanh 4 mặt hồ. Led được dán ngoài thành hồ vì vậy chất liệu của thành hồ phải trong suốt để ánh sáng có thể xuyên qua nên nhóm chọn chất liệu hồ sẽ là thủy tinh.