Đồ án Thiết kế, thi công bãi giữ xe ứng dụng công nghệ RFID và xử lý ảnh

Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng 07 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Đăng Việt MSSV: 15141327 Trần Trí Đạt MSSV: 15141337 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 14 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT1B I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THI CÔNG BÃI GIỮ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ XỬ LÝ ẢNH. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,) Vì đề tài là thiết kế, thi công bãi giữ xe nên nhóm chỉ sưu tầm những tấm hình biển số xe có sẵn trên mạng để sau này đưa vào sử dụng trong phần xử lý ảnh. 2. Nội dung thực hiện: (ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan)  Tổng quan về hệ thống quản lý xe ra vào tự động ứng dụng xử lý ảnh.  Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh ứng dụng.  Viết chương trình điều khiển cho Arduino, xử lý trên mô hình thực tế.  Viết chương trình xử lý ảnh.  Giải pháp thiết kế giao diện giám sát hoạt động của hệ thống.  Hoàn thiện hệ thống điều khiển và mô hình, tiến hành chạy mẫu. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Ngô Lâm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng 07 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Đăng Việt Lớp: 15141DT1B MSSV: 15141327 Họ tên sinh viên 2: Trần Trí Đạt Lớp: 15141DT1B MSSV: 15141337 Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CÔNG BÃI GIỮ XE ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID VÀ XỬ LÝ ẢNH Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (18/2 – 24/2) - Chọn đề tài. Tuần 2 (25/2 – 3/3) - Viết đề cương chi tiết cho đồ án. Tuần 3 (4/3 – 10/3) - Trình bày phướng án thực hiện đề tài. - Phân chia công việc cho từng thành viên. Tuần 4 (11/3 – 17/3) - Tìm hiểu hoạt động, nguyên lý làm việc và test thử các module. (Board Arduino, RFID, ) Tuần 5 (18/3 – 24/3) - Kết nối Board Arduino với module RFID, kiểm tra độ nhạy của thẻ từ. - Tìm hiểu các phần mềm và ngôn ngữ để viết chương trình điều khiển. (Arduino IDE, Matlab). Tuần 6 - Nghiên cứu về thuật toán xử lý ảnh ứng dụng. Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iii (25/3 – 31/3) Tuần 7 (1/4 - 7/4) - Nghiên cứu thiết kế cơ bản sơ đồ nguyên lý. - Nghiên cứu thiết kế cơ bản về phần cứng, mô hình nhà giữ xe. Tuần 8 (8/4 – 14/4) - Viết chương trình điểu khiển cho Arduino, nạp code, chạy thử riêng phần RFID trên phần cứng thực tế. Tuần 9 (15/4 – 21/4) - Xử lý hình ảnh biển số xe nhận về từ camera thông qua phần mềm Matlab. Tuần 10 (22/4 – 28/4) - Tiếp tục xử lý về hình ảnh, khi ảnh bị lệch, chụp không rõ, hoặc nhận dạng sai, Tuần 11 (29/4 – 5/5) - Đưa ra giải pháp thiết kế giao diện cách tối ưu nhất để giám sát hệ thống. Tuần 12 (6/5 – 12/5) - Hoàn chỉnh cơ bản phần cứng. - Vẽ mạch in từng phần cho phù hợp mô hình. Tuần 13 (13/5 – 19/5) - Lắp ráp mạch, các linh kiện, mạch in, module lên mô hình. Tuần 14 (20/5 – 26/5) - Lập trình hoàn chỉnh. - Cân chỉnh, tối ưu sản phẩm. Tuần 15 (27/5 – 2/6) - Viết và chỉnh sửa báo cáo. - In báo cáo. Tuần 16 (18/6 – 22/6) - Bảo vệ ĐATN GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Nguyễn Đăng Việt – Trần Trí Đạt Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang v LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài này, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô và bạn bè, vậy nên nhóm em xin chân thành cảm ơn:  Ban giám hiệu nhà trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho sinh viên học tập và nghiên cứu.  Thầy cô trong trường đã tận tình hướng dẫn và thư viện trường đã cung cấp giáo trình và tài liệu tham khảo trong suốt quá trình học tập của sinh viên.  Đặc biệt là sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Nguyễn Ngô Lâm đã giảng dạy, giúp đỡ và phân tích rõ về những vấn đề sinh viên còn khúc mắc. Nhóm em đã cố gắng trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài nhưng vì kiến thức còn hạn chế khiến bài tiểu luận này không được như ý thầy. Nhóm rất mong được sự góp ý, nhận xét đánh giá về nội dung và hình thức trình bày từ thầy để nhóm có thể hoàn thiện bài báo cáo tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, Ngày tháng 07 năm 2019 Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Đăng Việt – Trần Trí Đạt Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP....................................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................ ii LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. iv LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ v MỤC LỤC ............................................................................................................................ vi LIỆT KÊ HÌNH VẼ .............................................................................................................. ix LIỆT KÊ BẢNG ................................................................................................................... xi PHỤ LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... xii TÓM TẮT ...........................................................................................................................xiii Chương 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1 1.1 Giới thiệu ..................................................................................................................... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu hiện nay .................................................................................... 1 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................... 1 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................................... 3 1.3 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 3 1.4 Mục tiêu đề tài ............................................................................................................. 4 1.5 Phương hướng thực hiện đề tài .................................................................................... 4 1.6 Bố cục đồ án ................................................................................................................. 4 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................... 6 2.1 Giới thiệu linh kiện ...................................................................................................... 6 2.1.1 Borad Arduino Uno R3 ......................................................................................... 6 2.1.2 Module RFID RC522............................................................................................ 9 2.1.3 Màn hình LCD 20x4 ........................................................................................... 10 2.1.4 Động cơ Servo SG90 .......................................................................................... 13 2.1.5 Camera USB 2.0 ................................................................................................. 14 2.2 Phần mềm lập trình điều khiển .................................................................................. 15 2.2.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE ....................................................................... 15 2.2.2 Giới thiệu phần mềm Matlab .............................................................................. 21 2.2.3 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab ................................................................. 23 2.3 Sơ lược về công nghệ RFID ...................................................................................... 25 2.4 Sơ lược về UART ...................................................................................................... 27 2.5 Sơ lược về chuẩn giao tiếp SPI .................................................................................. 33 2.6 Sơ lược về I2C ........................................................................................................... 33 2.7 Lý thuyết ảnh số ......................................................................................................... 33 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vii 2.7.1 Khái niệm ảnh số ................................................................................................ 33 2.7.2 Cấu trúc một file ảnh .......................................................................................... 34 2.7.3 Ảnh RGB ............................................................................................................ 34 2.7.4 Mức xám (Gray level) ......................................................................................... 35 2.7.5 Lược đồ mức xám (Histogram) .......................................................................... 35 2.7.6 Ảnh nhị phân ....................................................................................................... 36 2.8 Các Phương pháp xử lý ảnh số .................................................................................. 36 2.8.1 Chuyển ảnh màu RGB thành ảnh mức xám Gray level ...................................... 36 2.8.2 Phương pháp lọc nhiễu ảnh ................................................................................. 37 Chương 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................. 38 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống............................................................................................. 38 3.1.1 Yêu cầu hệ thống ................................................................................................ 38 3.1.2 Thiết kế sơ đồ khối ............................................................................................. 38 3.1.3 Hoạt động của hệ thống ...................................................................................... 39 3.2 Thiết kế ...................................................................................................................... 39 3.2.1 Khối động cơ....................................................................................................... 39 3.2.2 Khối hiển thị ....................................................................................................... 40 3.2.3 Khối RFID .......................................................................................................... 41 3.2.4 Khối nguồn ......................................................................................................... 43 3.3 Thiết kế phần mềm ..................................................................................................... 44 3.3.1 Thiết kế phần mềm cho PC ................................................................................. 44 3.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ................................................................. 44 3.3.3 Lưu đồ chương trình con khởi tạo, điều khiển LCD – Servo ............................. 45 3.3.4 Lưu đồ chương trình con RFID .......................................................................... 46 3.3.5 Thiết kế giao diện quản lý trên PC ..................................................................... 46 3.4 Thi công ..................................................................................................................... 47 3.4.1 Thiết kế mạch in ................................................................................................. 47 3.4.2 Board mạch đã hoàn thiện .................................................................................. 48 3.4.3 Thi công mô hình bãi xe ..................................................................................... 50 Chương 4 : HỆ THỐNG NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE MÁY ............................................ 52 4.1 Mô hình tổng quát nhận dạng biển số xe máy ........................................................... 52 4.2 Ảnh đầu vào ............................................................................................................... 52 4.3 Tiền xử lý ................................................................................................................... 53 4.3 Phân vùng ảnh và tách biển số ................................................................................... 53 4.3.1 Phân vùng ảnh ..................................................................................................... 53 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang viii 4.3.2 Trích vùng biển số .............................................................................................. 54 4.4 Phân đoạn biển số ...................................................................................................... 55 4.5 Nhận dạng biển số...................................................................................................... 55 4.5.1 Tạo mẫu ký tự ..................................................................................................... 55 4.5.2 Nhận dạng ký tự bằng phương pháp tương quan ................................................ 57 Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................................... 60 5.1 Kết quả thực hiện ....................................................................................................... 60 5.2 Nhận xét – Đánh giá .................................................................................................. 62 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 63 6.1 Kết luận ...................................................................................................................... 63 6.2 Hướng phát triển ........................................................................................................ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 65 PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH ......................................................................................... 66 1. Code Arduino ............................................................................................................ 66 2. Code Matlab .............................................................................................................. 66 PHỤ LỤC 2: CÁCH VẬN HÀNH HỆ THỐNG ................................................................. 72 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 1. 1: Máy tính hiển thị và lưu dữ liệu thông tin xe ra - vào ............................... 2 Hình 1. 2: Đầu đọc thẻ xe CR500 ............................................................................... 3 Hình 2. 1: Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 ............................................................. 6 Hình 2. 2: Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 ............................................................... 7 Hình 2. 3: Hình ảnh thực tế module RFID RC522 ..................................................... 9 Hình 2. 4: Hình ảnh LCD 20x4 ................................................................................. 10 Hình 2. 5: Dạng sóng điều khiển LCD ...................................................................... 12 Hình 2. 6: Module chuyển đổi I2C ........................................................................... 12 Hình 2. 7: Hình ảnh động cơ Servo SG90 ................................................................ 13 Hình 2. 8: Hình ảnh Camera ..................................................................................... 14 Hình 2. 9: Giao diện phần mềm Arduino IDE .......................................................... 16 Hình 2. 10: Vùng lập trình code Arduino ................................................................. 16 Hình 2. 11: Chọn board để biên dịch code ................................................................ 17 Hình 2. 12: Chọn port của board đang kết nối .......................................................... 17 Hình 2. 13: Lưu lại file đã lập trình .......................................................................... 18 Hình 2. 14: Biên dịch chương trình........................................................................... 18 Hình 2. 15: Biên dịch chương trình........................................................................... 19 Hình 2. 16: Nạp chương trình ................................................................................... 19 Hình 2. 17: Nạp chương trình ................................................................................... 20 Hình 2. 18: Nạp chương trình ................................................................................... 20 Hình 2. 19: Kết quả chương trình ............................................................................. 21 Hình 2. 20: Giao diện phần mềm Matlab .................................................................. 22 Hình 2. 21: Nhận gói hỗ trợ phần cứng .................................................................... 24 Hình 2. 22: Chọn gói hỗ trợ phần cứng cho Arduino ............................................... 24 Hình 2. 23: Chọn hoàn tất cài đặt .............................................................................. 25 Hình 2. 24: Hệ thống RFID cơ bản ........................................................................... 27 Hình 2. 25: Giao tiếp UART ..................................................................................... 28 Hình 2. 26: Giao tiếp song song ................................................................................ 29 Hình 2. 27: Sơ đồ khối UART .................................................................................. 30 Hình 2. 28: Truyền thông UART .............................................................................. 31 Hình 2. 29: Giao diện UART .................................................................................... 32 Hình 2. 30: Mảng 2 chiều của một file ảnh ............................................................... 34 Hình 2. 31: Mô hình màu RGB ................................................................................. 35 Hình 2. 32: Ảnh xám và lược đồ mức xám ............................................................... 36 Hình 2. 33: Ảnh nhị phân .......................................................................................... 36 Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................. 38 Hình 3. 2: Sơ đồ kết nối Arduino với 2 servo ........................................................... 40 Hình 3. 3: Sơ đồ kết nối Arduino với LCD ............................................................... 41 Hình 3. 4: Sơ đồ kết nối