- Do thời gian thực hiện đề tài còn có hạn. - Phạm vi của một đề tài sinh viên.
Nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu:
- Tìm hiểu kỹ cách quản lý thức ăn cho tôm.
- Thiết kế chế tạo thiết bị nhận biết dư lượng thức ăn tự động cho nuôi tôm công nghiệp.
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 26 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
Chương II.
THIẾT KẾ KỸ THUẬT BỘ CẢM BIẾN
II.1. LẬP PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.
Việc thực hiện kiểm tra dư lượng thức ăn tôn trong ao nuôi có thể thực hiện băng nhiều cách khác nhau. Trong nuôi tôm thương phẩm ở nước ta hiện nay việc kiểm tra dư lượng thức ăn thường thực hiện thủ công, phương pháp này thường rất mất công, thiếu chính xác, việc kiểm tra phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người nuôi. Do đó việc thiết kế chế tạo bộ cảm biến dư lượng thức ăn một cách tự động là rất cần thiết, nó giúp giảm nhẹ sức lao động, cho kết qủa chính xác cao.
Sau khi máy phun thức ăn hoạt động, thức ăn được rải xuống ao nuôi. Sau một khoảng thời gian ăn của tôm nếu thức ăn của tôm còn thì lượng thức ăn dư này sẽ còn lại trên sàng ăn (nhá). Lúc này thiết bị sẽ tự động nhận biết xem lượng thức ăn còn bao nhiêu để giúp cho việc điều chỉnh lượng thức ăn cho lần sau. Lượng thức ăn còn thì sẽ có những dấu hiệu sau:
- Còn về trọng lượng. - Còn về thể tích.
- Còn về số lượng (do thức ăn ở dạng viên nhỏ).
Để nhận biết chúng ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến làm các thiết bị nhận biết tự động.
II.1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN HÀNH. II.1.1.1. Dùng cơ học. [12, tr28]
· Nguyên tắc hoạt động:
Dựa vào trọng lượng thức ăn để nhận biết. Thức ăn ở trong nhá thường nằm dồn vào giữa nhá và chính do trọng lượng của của bản thân viên thức ăn nên làm cho nhá bị võng ở giữa. Dựa vào đặc điểm này để thiết kế thiết bị nhận biết xem thức ăn còn hay hết. Dưới tác động của trọng lượng thức ăn thì sẽ làm thay đổi điện trở của cảm biến lực. Với cách mắc cầu điện trở khi có sự thay đổi điện trở trên cầu thì gây ra thay đổi điện thế ở hai ngõ ra của cầu. Dựa vào sự chênh lệch điện thế này để biết được lượng thức ăn thay đổi như thế nào. Để tăng độ chính xác cần dùng
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 27 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
mạch khuếch đại điện áp để khuếch đại sự sai lệch này nên. Sự sai lệch càng lớn thì lượng thức ăn còn lại sẽ càng nhiều. Dùng vi xử lý để tự động xử lý tín hiệu đó và báo lên cho ta biết lượng thức ăn còn trang ao. [12, tr30]
Hình II.1: Sơ đồ khối của thiết bị.
· Mô hình thiết bị: Cấu tạo gồm: 1. Khung 2. Chân 3. Mắt nhá (lưới) 4. Dây tryền lực 5. Cảm biến lực
Hình II.2:Mô hình thiết bị kiểm tra dùng cảm biến lực.
Cảm biến lực Bộ khuyđại ếch Vi xử lý, chuyển đổi A/D Hiển thị kết quả 1 2 4 3 5
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 28 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
· Bộ phận cảm biến lực:[12, tr32]
Với tính chất của nhá cho ăn nên thiết kế bộ cảm biến lực như sau: 1: Thanh ngang của khung.
2: Thanh đứng cố định. 3: Lò xo chính. 4: Tay đòn. 5: Lò xo phụ. 6: bánh răng. 7: Ba cực ra của biến trở. 8: Biến trở. 9: Thanh răng. 10: Dây truyền lực.
Hình II.3: Cơ cấu cảm biến lực
· Ưu điểm của nhận biết bằng lực là:
- Không bị ảnh hưởng bởi độ trong hay đục của nước trong ao. - Dễ dàng điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.
· Khuyết điểm:
- Bị ảnh hưởng bởi một số vật nặng rơi vào trong nhá.
- Khi tôm vẫn còn ăn hay đang nằm ở trong nhá thì nhận biết thiếu chính xác.
II.1.1.2. Dùng quang học. [12, tr33]
· Nguyên tắc hoạt động:
Dựa vào số lượng thức ăn để nhận biết. Thức ăn ở trong nhá thường nằm dồn vào giữ nhá. Dựa vào đặc điểm này để thiết kế thiết bị nhận biết xem thức ăn còn hay hết. Dưới nhá cho ăn ta đặt cảm biến quang trên nhá ta đặt nguồn sáng nếu lượng thức ăn thay đổi thì cường độ sáng mà quang trở nhận được cũng thay đổi và dẫn đến điện trở của quang trở cũng thay đổi theo. Dựa vào đặc điểm này với mạch cầu khuếch đại ta cũng có thể nhận biết được lượng thức ăn còn hay hết. Sử dùng vi
10 9 1 2 3 4 7 8 5 6
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 29 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
xử lý để tự động xử lý tín hiệu đó và báo lên bộ điều khiển biết lượng thức ăn còn bao nhiêu.
Hình II.4: Sơ đồ khối của thiết bị.
· Mô hình thiết bị. Cấu tạo gồm: 1: Đèn chiếu. 2: Khung nhá. 3: Mắt lưới. 4: Cảm biến quang.
Hình II.5: Mô hình thiết bị kiểm tra dùng cảm biến quang.
· Cảm biến quang:
Là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu vật lý (ánh sáng) thành điện trở, đây là loại cảm biến có độ nhạy tương đối cao và tuyến tính. Nguyên tắc làm việc của nó là điện trở thay đổi khi cường độ ánh sáng tại nơi đặt nó thay đổi.
Ta đặt 4 quang trở để tăng độ chính xác, 4 quang trở này ta chia ra làm 2 đường tín hiệu lên. Một đường tín hiệu ta dùng 2 quang trở mắc song song với
Cảm biến
quang Bộ khuyếch đại chuyển đổi Vi xử lý,
A/D Hiển thị
1
2
3 4
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 30 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
nhau. Ta cũng có thể dùng thêm nhiều quang trở đặt thêm những vị trí khác nữa để tăng độ tin cậy.
Hình II.6: Bề mặt của cảm biến quang (quang trở).
Hình II.7: Bộ phận quang trở.
· Ưu điểm khi dùng quang:
- Không bị ảnh hưởng bởi vật nặng rơi vào nhá. - Độ nhạy cao.
· Nhược điểm:
- Bị ảnh hưởng bởi độ đục của nước.
- Khi sử dụng phải thường xuyên vệ sinh bề mặt quang trở và bề mặt của nhá. - Bi ảnh hưởng sự di chuyển qua lại của tôm.
Qua phân tích những ưu điểm, khuyết điểm của từng phương án thực hiện ở trên. Mỗi phương án đều có thể thưc hiện được nhưng ta có thể thấy hai phương án thực hiện không thật phù hợp khi làm việc trong môi trường ao nuôi. Để khắc phục
Đế để đặt quang trở Dây tín hiệu Quang trở Metal-film contact Cadmium Sulphide track Metal-film contact
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 31 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
những khuyết điểm của hai phương án nêu trên em xin đề xuất một phương án mới đó là : Xác định dư lượng thức ăn trong ao nuôi tôm theo công nghệ xử lý ảnh.
II.1.2. NHẬN DẠNG VÀ XỬ LÝ ẢNH.
· Nguyên tắc làm việc:
Khác với hai phương án nêu trên để xác định dư lượng thức ăn trong ao nuôi ta có thể dùng phương pháp nhận dạng và xử lý ảnh. Nhận dạng và xử lý ảnh được thực hiện theo các bước: Chụp ảnh được thực hiện bởi một Webcam được gắn trên nhá kiểm tra và nó sẽ ghi lại hình ảnh tại nhưng thời điểm kiểm tra. Webcam được kết nối với máy tính, sau khi Webcam chụp ảnh tín hiệu truyền vào máy tính và lưu dưới dạng file ảnh. Thông qua những hình ảnh thu nhận được việc xác định dư lượng sẽ được thực hiện bởi một chương trình nhận dạng và xử lý ảnh.
Chương trình nhận dạng và xử lý ảnh sẽ xác định lượng thức ăn còn trong ao. Để nhận biết được các viên thức ăn nó dựa vào hình dạng, kích thước và sự phân bố điều của các viên thức ăn trên mặt nhá kiểm tra, các điểm đen ở trong ảnh chính là viên thức ăn. Các điểm đen có kích thước và hình dáng nhất định, do đó chúng được nhận dạng các viên thức ăn còn thừa.
Hình II.8: Sơ đồ khối thiết bị.
Webcam
chụp ảnh Máy tính
Chương trình nhận dạng và xử lý ảnh
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 32 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh · Mô hình thiết bị: Cấu tạo: 1. Khung. 2. Mặt lưới (nhá). 3. Đèn. 4. Webcam. 5. Chân nhá.
Hình II.9 Hình dạng thiết bị chụp ảnh bằng Webcam.
· Ưu điểm của nhận biết bằng phương pháp chụp ảnh là:
- Cho phép ghi lại chính xác lượng thức ăn còn dư thừa dưới dạng file ảnh tại thời điểm kiểm tra.
- Không bị ảnh hưởng bởi sự di chuyển qua lại của tôm.
- Hình ảnh sau khi chụp được lưu trực tiếp vào máy tính, thuận tiện cho việc kiểm tra.
- Thiết bị đơn giản dễ sử dụng.
- Bên cạnh đó thiết bị cũng tương đối đơn giản dễ chế tạo và thiết bị cũng cho phép tự động chụp và xử lý nhanh, chính xác khả năng tự động hoá cao.
· Nhược điểm:
- Chụp ảnh bằng Webcam sẽ bị ảnh hưởng bởi độ đục của nước.
- Khi sử dụng phải thường xuyên vệ sinh bề mặt kính bọc Webcam và bề mặt của nhá. 3 5 1 4 2
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 33 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
- Webcam là thiết bị dễ bị cháy khi bị nước thấm vào.
Việc khắc phục những khuyết điểm của thiết bị kiểm tra như độ đục của nước, đảm bảo ánh sáng cho quá trình chụp ảnh. Việc khắc phục được thực hiện như sau: thiết bị kiểm tra ngoài Wecam dùng chụp ảnh, thiết bị còn có thêm một bóng đèn chiếu sáng để khắc phục khuyết điểm nêu trên.
Hình II.8: Sơ đồ khối thiết bị. II.2. THIẾT KẾ KỸ THUẤT THIẾT BỊ.
II.2.1. THIẾT KẾ SÀNG KIỂM TRA ( nhá kiểm tra). II.2.1.1. Yêu cầu kĩ thuật sàng kiểm tra.
Để quản lý tốt lượng thức ăn người ta đã dùng sàng kiểm tra (nhá). Sàng giúp kiểm tra, cho biết khả năng sử dụng thức ăn, sức khỏe, tỷ lệ sống của tôm và cả điều kiện đáy ao. Sàng kiểm tra có thể là hình vuông hay hình tròn. Sàng ăn hình vuông thường có kích cỡ 70x70 cm hay 80x80 cm, sàng hình tròn có đường kính 70-80 cm. Sàng được làm bằng vật liệu đủ nặng để có thể chìm xuống đáy ao. Sàng ăn nên đặt sát đáy ao, nơi sạch sẽ và hơi xa bờ ao.
Hiển thị kết quả Mô hình thiết bị Máy tính Chương trình nhận dạng và xử lý ảnh
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 34 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
Hình II.1: Sàng kiểm tra.
Trong thực tế hiện nay việc kiểm tra dư lượng thức ăn trong ao nuôi tôm vẫn còn mang tính thủ công, tốn rất nhiều công sức cho việc kiểm tra và quản lý thức ăn. Để giảm thời gian và quản lý thức ăn tốt thuận tiện cho việc tự động kiểm tra sàng kiểm tra cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật:
- Đủ nặng để có thể chìm xuống đáy ao.
- Diện tích sàng phải đủ lớn để thu nhận được thức ăn từ các thiết bị dải thức ăn tự động.
- Kết cấu của sàng phải đủ cứng vững để gắn các thiết bị khác và ổn định trong nước.
- Mặt lưới phải đủ căng để các viên thức ăn không bị dồn lại vào nhau để thuận tiện cho việc xác định lượng dư.
II.2.1.2. Cấu tạo sàng kiểm tra.
Từ hình dạng, kích thước sàng sử dụng trong các ao nuôi hiện nay ta có thể thiết kế chế tạo sàng kiểm tra đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nêu trên.
Cấu tạo sàng kiểm tra gồm 3 phần:
+ Khung mặt lưới (nhá) có kích thước 30x30 cm, được làm bằng thanh Inox chữ V. Mặt lưới cách mặt đáy ao 10 cm như vậy mắt lưới sẽ không chạm vào mặt bùn ở đáy ao làm cho thức ăn không bị lẫn với bùn việc kiểm tra sẽ dễ dàng và chính xác hơn. Ngoài khung và mắt lưới sàng kiểm tra (nhá ) dưới chân đế ta dùng
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 35 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
một tấm phẳng Conpozite được sơn màu trắng. Để trong quá trình chụp ảnh sẽ không nhầm lẫn màu của viên thức ăn với màu bùn ở đáy ao.
Hình II.2: Cấu tạo của khung nhá
1: Khung Inox.
2: Tấm chắn Compozite. 3: Mắt lưới.
+ Khung dùng để lắp ráp Webcam và đèn chiếu sáng do đó khung đảm bảo độ cứng, không bị dao động trong nước. Vật liệu làm khung là làm bằng ống nhựa
Æ21, ống nhựa tròn sẽ đảm bảo độ cứng vững khi lắp ráp Webcam và đèn chiếu sáng, ngoài ra nhựa PVC không bị phá hủy ở môi trường nước mặn như là nhôm hoặc sắt, hay tôn, giá thành hạ. Khung được đặt nghiêng một góc 30o cách mặt lưới là 40 cm.
Hình II.3: Cấu tạo của khung lắp đặt Webcam.
60
30 cm
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 36 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
Cấu tạo gồm:
1: Khung nhựa Æ21 mm.
2: Khung nhá. Hình II.4: Hình dạng sàng kiểm tra.
3: Mặt lưới. 4: Tấm đót. 5: Chân nhá.
- Tất cả các kích thước ghi trên hình có đơn vị (cm).
II.2.2. LỰA CHỌN WEBCAM SỬ DỤNG. II.2.2.1. Webcam là gì.
Webcam, còn gọi là Webcamera hay PC video cameras, là một loại máy quay phim kỹ thuật số được chế tạo riêng cho các máy tính cá nhân nhằm giúp người sử dụng có thể hội thoại thấy hình (video conferencing), gửi thư bằng hình ảnh (video mail) hoặc gửi liên tục những hình ảnh của mình lên một Website cho mọi người cùng xem (Web casting). [17]
1
2 3
4
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 37 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
II.2.2.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Webcam. [17]
· Cấu tạo.
Các loại Webcam có cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương đối giống nhau.
Hình II.5: Một số bộ phận chính của Webcam Overview.
· Nguyên lý hoạt động.
Để ghi được hình ảnh, Webcam sử dụng một thiết bị cảm nhận hình ảnh, thường là CCD (charge-coupled device) hoặc CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Thiết bị cảm nhận hình ảnh này là một con chip bằng silicon gồm 75.000 đến 300.000 điểm ảnh, ánh sáng truyền tới những điểm ảnh này tạo ra những dòng điện. Những dòng điện này sau đó được chuyển thành dữ liệu số hóa, được nén lại và truyền tới máy tính thông qua dây dẫn được cắm vào cổng USB của máy tính. Phần mềm điều khiển Webcam trên máy tính sẽ giải nén dữ liệu chuyển dữ liệu này tới những phần mềm có nhu cầu sử dụng như Yahoo Messenger, MSN, Media Movie Maker, Amcap…
Thông thường, Webcam tạo ra hình ảnh với độ phân giải 640 x 480 pixel (trong khi máy ảnh số hoặc camera số chuyên nghiệp tạo được hình ảnh có độ phân
Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 38 GVHD: Th.S Đinh Bá Hùng Anh
giải lên tới 2.048 x 2.048 pixel), và phát đi hình ảnh tới phần mềm điều khiển với tốc độ 30 khuôn hình trong một giây (30fps).
II.2.2.3. Công dụng của Webcam. [17]
· Hội thoại thấy hình:
Một trong những công dụng phổ biến nhất của Webcam là hội thoại thấy hình (video conferencing) qua sử dụng các phần mềm gửi tin nhanh (Instant Messenger) có hỗ trợ hội thoại bằng âm thanh và hình ảnh động qua mạng Internet như Yahoo Messenger hoặc MSN Messenger. Hội thoại thấy hình qua Internet thực sự là một phương tiện lý tưởng để bạn có thể liên lạc với bạn bè và người thân ở xa.
· Chụp hình:
Với việc chụp ảnh bằng máy ảnh chụp phim truyền thống có quá nhiều thao tác phức tạp như tráng phim, rửa ảnh rồi mới quét ảnh vào máy tính? Hãy thử với Webcam mà xem. Webcam ngoài chức năng lưu giữ hình ảnh như một máy quay phim còn cho phép bạn chớp được những khuôn hình mà bạn muốn và lưu chúng dưới dạng file ngay trên máy tính.
· Theo dõi an ninh:
Theo dõi an ninh bằng Webcam đang trở thành một hình thức khá phổ biến tại Mỹ. Tại Mỹ, nhiều gia đình thường lắp đặt Webcam ở những vị trí quan trọng để quan sát với nhiều mục đích khác nhau như theo dõi trẻ em sơ sinh, theo dõi hỏa hoạn, chống đột nhập, Những Webcam này được nối với máy tính và truyền trực tiếp lên một Website riêng giúp người sử dụng khi đang làm việc tại công sở có thể