Đồ án Báo trộm dùng camera và Kit Raspberry (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Báo trộm dùng camera và Kit Raspberry (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG BÁO TRỘM DÙNG CAMERA VÀ KIT RASPBERRY GVHD: TS. NGUYỄN THANH HẢI SVTH: ĐOÀN ANH KHOA MSSV: 12141110 SVTH: NGUYỄN NGỌC QUANG MSSV: 12141182 S K L 0 0 4 5 3 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: BÁO TRỘM DÙNG CAMERA VÀ KIT RASPBERRY GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải SVTH: Đoàn Anh Khoa MSSV: 12141110 SVTH: Nguyễn Ngọc Quang MSSV: 12141182 Tp. Hồ Chí Minh - 12/2016
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: BÁO TRỘM DÙNG CAMERA VÀ KIT RASPBERRY GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải SVTH: Đoàn Anh Khoa MSSV: 12141110 SVTH: Nguyễn Ngọc Quang MSSV: 12141182 Tp. Hồ Chí Minh - 12/2016 i
4. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 1 tháng 10 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đoàn Anh Khoa MSSV: 05101117 Nguyễn Ngọc Quang MSSV: 05101043 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2012 Lớp: 12141DT2C I. TÊN ĐỀ TÀI: BÁO TRỘM DÙNG CAMERA VÀ RASPBERRY II. NHIỆM VỤ: 1. Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh, ) 2. Nội dung thực hiện: (ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) Nhận dạng hình dáng đối tượng từ Camera, Webcam, video, ảnh tĩnh. Nhận dạng khuôn mặt của đối tượng thu được từ Camera, Webcam, video, ảnh tĩnh. Phân tích, xử lý ảnh thu được, so sánh với thư viện mẫu để đưa ra kết quả là đối tượng quen hay lạ. Báo động qua tin nhắn xuất hiện đối tượng và nhận dạng được đối tượng lạ hay quen. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/10/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/01/2017 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Thanh Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ii
5. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 1 tháng 10 năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Đoàn Anh Khoa Lớp: 12141DT2C MSSV: 12141110 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Ngọc Quang Lớp: 12141DT2C MSSV: 12141182 Tên đề tài: BÁO TRỘM DÙNG CAMERA VÀ RASPBERRY Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD 1 Tìm hiểu về xử lý ảnh, giao tiếp về module sim 900, kit Raspberry pi 2, Camera pi v1. Tìm kiếm tài liệu có liên quan. 2 Cài đặt cấu hình Raspberry và các thư viện ứng dụng có liên quan. 3 Kết nối với các module camera, sim 900 với kit Raspberry. Chạy thử các ví dụ cơ bản để kiểm tra kết nối với các module. 4 – 5 Viết giải thuật, viết chương trình nhận dạng khuôn mặt, chuyển động của con người 6 Nhận dạng được đối tượng 7 – 8 – 9 Nhận dạng được đối tượng lạ hay quen 10 – 11 – 12 Viết giải thuật, viết chương trình để gửi tin nhắn cho thiết bị di động 13 Chạy thử, kiểm tra và sửa lỗi 14 Viết báo cáo 15 Dự trữ GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii
6. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm thực hiện tự dưa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. TP.HCM, ngày 9 tháng 1 năm 2017 Người thực hiện đề tài Đoàn Anh Khoa Nguyễn Ngọc Quang iv
7. LỜI CẢM ƠN Sau thời gian tập trung nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Báo trộm dùng Camera và Kit Raspberry”, nhóm đã hoàn thành cơ bản những mục tiêu đã đề ra đối với đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài cũng gặp phải những khó khăn, xong nhóm chúng em cũng tìm được ra hướng giải quyết nhờ những sự giúp đỡ từ mọi người xung quanh. Chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Hải _ Trưởng bộ môn Điện tử Công nghiệp, đã trực tiếp hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức, góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho chúng em hoàn thành tốt đề tài và nhóm em cũng xin cảm ơn Thầy, Cô trong ban quản lý Thư viện đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 12141DT2C đã chia sẻ, trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Và cuối cùng, chúng con xin gửi lời cảm ơn cha me, là những người luôn lo lắng, là chỗ dựa vững chãi và là nguồn động viên chúng con những lúc khó khăn nhất. Cha mẹ luôn là động lực để chúng con cố gắng trên con đường học tập của bản thân. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Đoàn Anh Khoa Nguyễn Ngọc Quang v
8. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ xi Tóm tắt xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 1 1.3. Nội dung nghiên cứu 2 1.4. Giới hạn 2 1.5. Bố cục 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1. Giới thiệu về kit Raspberry và module Camera pi 4 2.2. Tiền xử lý ảnh 8 2.2.1. Tổng quan về quá trình tiền xử lí ảnh 8 2.2.2. Không gian màu YCbCr, RGB 8 2.2.3. Ảnh màu, ảnh xám 10 2.2.4. Kỹ thuật co, giản ảnh 11 2.3. Phương pháp nhận dạng dáng người 11 2.4. Thuật toán phân tích thành phần chính 13 2.5. Phương pháp nhận dạng khuôn mặt 15 2.5.1. Trích chọn đặc trưng 15 vi
9. 2.5.2. Nhận dạng dựa trên đặc trưng riêng 17 2.6. Quá trình hoạt động của hệ thống báo trộm 19 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 22 3.1. Giới thiệu 22 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống gửi tin nhắn 22 3.2.1. Mô tả hệ thống 22 3.2.2. Tính toán và thiết kế khối báo động 23 3.2.3. Sơ đồ nguyên lí của toàn mạch 27 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 32 4.1. Giới thiệu 32 4.2. Thi công hệ thống báo động 32 4.2.1. Thi công mạch 32 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra 34 4.3. Mô tả hệ thống báo trộm 35 4.4. Giải thuật chương trình hệ thống 36 4.4.1. Nhận dạng khuôn mặt và dáng người 36 4.4.2. Huấn luyện nhận dạng khuôn mặt 37 4.4.3. Lưu đồ nhận dạng khuôn mặt 38 4.4.4. Chương trình hệ thống báo động 39 4.5. Hướng dẫn sử dụng, thao tác 42 4.5.1. Hướng dẫn sử dụng 42 4.5.2. Quy trình vận hành hệ thống 48 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ 50 5.1. Kết quả 50 5.2. Đánh giá hệ thống 52 5.3. Kết quả thống kê 62 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 vii
10. 6.1. Kết luận . 64 6.2. Hướng phát triển 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHU LỤC 66 viii
11. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Cấu tạo một Raspberry Pi 2 4 Hình 2.2: Module Camera Pi 7 Hình 2.3: Kết nối giữa module Camera Pi và Kit Raspberry Pi 7 Hình 2.4: Hình học của không gian màu RGB 9 Hình 2.5: Ảnh màu 9 Hình 2.6: Ảnh xám 11 Hình 2.7: Khối gồm 9 ô 12 Hình 2.8: Các khối được xếp chồng lên nhau 12 Hình 2.9: Biểu đồ vector trong không gian 14 Hình 2.10: Các ảnh mẫu có cùng kích thước và định dạng 16 Hình 2.11: Minh hoạc khoảng cách vector Euclide 19 Hình 2.12: Sơ đồ khối hệ thống báo trộm 19 Hình 3.1: Sơ đồ khối của khối báo tin nhắn 22 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp cho khối báo động 23 Hình 3.3: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 25 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 27 Hình 3.5: Sơ đồ mạch reset 28 Hình 3.6: Sơ đồ mạch Relay điều khiển thiết bị 29 Hình 3.7: Sơ đồ mạch kích dùng Transistor 30 Hình 4.1: Mạch in mạch điều khiển 33 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện 34 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện trong không gian 3D 34 Hình 4.4: Mô hình thi công thực tế 35 Hình 4.5: Mạch điều khiển được đóng hộp bảo vệ 35 Hình 4.6: Mạch được kết nối với nhau 36 Hình 4.7: Lưu đồ nhận dạng khuôn mặt và dáng người 37 Hình 4.8: Sơ đồ thuật toán huấn luyện khuôn mặt 38 Hình 4.9: Lưu đồ chương trình nhận dạng khuôn mặt 38 Hình 4.10: Lưu đồ chương trình hệ thống báo động 40 ix
12. Hình 4.11: Lưu đồ chương trình chính 41 Hình 4.12: Kết nối các thiết bị và mạch báo động 43 Hình 4.13: Cửa sổ mới để lấy hình ảnh từ máy tính 45 Hình 4.14: Ảnh đang chờ để nhận dạng 46 Hình 4.15: Kết quả quá trình nhận dạng 46 Hình 4.16: Sơ đồ hướng dẫn quy trình vận hành hệ thống 48 Hình 5.1: Đối tượng được phát hiện 50 Hình 5.2: Khuôn mặt được phát hiện 51 Hình 5.3: Khoảng cách 3 m 52 Hình 5.4: Khoảng cách 4 m 53 Hình 5.5: Môi trường ánh sáng hành lang 53 Hình 5.6: Nhận dạng nhiều đối tượng 54 Hình 5.7: Nhận dạng vào buổi tối 54 Hình 5.8: Nhận dạng vào buổi tối có ánh đèn 55 Hình 5.9: Nhận dang đối tượng có trang phục sáng 55 Hình 5.10: Nhận dạng một phần người 56 Hình 5.11: Hình ảnh động vật được camera ghi nhận 56 Hình 5.12: Những trường hợp hệ thống không thể nhận dạng được 57 Hình 5.13: Đối tượng không được hệ thống nhận dạng 58 Hình 5.14: Khuôn mặt đối tượng 1 58 Hình 5.15: Khuôn mặt đối tượng 2 58 Hình 5.16: Nhận dạng khuôn mặt nhìn sang trái 59 Hình 5.17: Nhận dạng khuôn mặt nhìn sang phải 59 Hình 5.18: Ảnh nhận dạng ở khoảng cách 1.5 m 60 Hình 5.19: Nhận diện khuôn mặt ở xa 60 Hình 5.20: Camera bị ngược sáng 61 Hình 5.21: Môi trường thiếu ánh sáng 61 Hình 5.22: Khuôn mặt nghiêng nhiều 62 Hình 5.23: Hệ thống nhận dạng nhầm 62 Hình 5.24 Tin nhắn được gửi khi phát hiện người và khuôn mặt 62 x
13. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Sơ đồ chân GPIO của Raspberry Pi 2 6 Bảng 3.1: Thanh ghi Port A 25 Bảng 3.2: Thanh ghi Port B 26 Bảng 3.3: Thanh ghi Port C 26 Bảng 3.4: Thanh ghi Port D 26 Bảng 4.1: Các linh kiện sử dụng trong mạch 32 Bảng 4.2: Bảng phím bấm trên giao diện điều khiển 44 Bảng 4.3: Bảng tra cứu lỗi kỹ thuật 47 Bảng 5.1: Thống kế kết quả nhận dạng dáng người 62 Bảng 5.2: Thống kế kết quả nhận dạng khuôn mặt khoảng cách 0.5 m 63 Bảng 5.3: Thống kế kết quả nhận dạng khuôn mặt khoảng cách 1 m 63 xi
14. TÓM TẮT Đề tài này sẽ thực hiện việc báo trộm thông qua việc thu lại hình ảnh dáng người, nhân diện khuôn mặt khi chủ nhà đi vắng. Hệ thống gồm có một Camera Pi để thu nhận ảnh màu có chứa hình dáng đối tượng hoặc khuôn mặt, Camera Pi kết nối với Raspberry để chạy chương trình xử lý ảnh. Chương trình sẽ nhận dạng đối tượng khi người này đi vào vùng quan sát của Camera, sau đó cắt khung đã khoanh vùng nhận dạng dáng người hoặc khuôn mặt. Hệ thống sau quá trình xử lý ảnh sẽ gửi tín hiệu thông qua chân GPIO của Raspberry tới Pic để điều khiển Sim900, gửi tin nhắn báo cho chủ nhà. Riêng với khuôn mặt, chương trình sẽ tìm những đặc điểm riêng của khuôn mặt sau đó thực hiện vòng quét ảnh lấy vào với các đặc điểm có trong thư viện ảnh mẫu. Nếu khuôn mặt mà Camera thu lại được không thỏa so với các ảnh được xây dựng sẳn, hệ thống sẽ gọi và báo tin qua tin nhắn. Hệ thống này được lập trình trên ngôn ngữ Matlab để tiến hành cắt lấy hình ảnh dáng người, khuôn mặt để xử lí, phân tích rồi điều khiển các chân của ngõ ra của Raspberry. Đối với phần hệ thống gửi tin nhắn, nhóm quyết định dùng ngôn ngữ C để viết chương trình cho vi điều khiển Pic thực hiện gửi tin nhắn. xii
15. CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới ngày càng phát triển, con người càng vận dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào đời sống hằng ngày để cho cuộc sống của con người ngày càng được nâng cao. Trong đó, phải kể đến sự ra đời của các hệ thống với các giác quan như con người. Ngoài ra, để giảm mức độ gây nguy hại đến con người trong môi trường làm việc khắc nghiệt, robot được ra đời và ngày càng được cải tiến để có thể đem lại hiệu suất cao nhất. Chúng còn có thể thay thế con người giám sát an ninh hoặc báo động các tình huống được lập trình sẵn. Để đáp ứng hiệu suất giám sát hay báo động, những hệ thống được trang bị Camera có những ưu điểm phù hợp với yêu cầu công việc. Hệ thống giám sát có thể giúp chúng ta theo dõi ngôi nhà của mình khi vắng mặt và cập nhật những tình huống xảy ra được Camera ghi lại và báo qua tin nhắn. Đề tài “Báo Trộm Dùng Camera Và Kit Raspberry” dựa vào nguyên lý giám sát đó. Hệ thống giám sát “Báo Trộm Dùng Camera Và Kit Raspberry” nếu được ứng dụng trong các điều kiện thuận lợi có thể giúp con người yên tâm với tài sản của chính mình. Ngoài ra có thể cải thiện với các loại Camera khác nhau để đem đến những tiện ích lớn lao trong nhiều lĩnh vực khác. 1.2. MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài là hoàn thành việc thiết kế và thi công một hệ thống kết hợp giữa phát hiện dáng người, nhận diện khuôn mặt có thể giám sát an ninh cho ngôi nhà của người dùng bằng việc nhận dạng đối tượng chuyển động xuất hiện trong tầm hoạt động của Camera. Kết hợp việc gửi tin nhắn báo chủ nhà qua tin nhắn. Ngoài ra nếu ở vị trí thuận lợi, Camera sẽ thu được khuôn mặt của đối tượng và phân tích, so sánh quen hay lạ so với thư viện ảnh mẫu – gồm các thành viên trong gia đình đã được lưu để báo một tin nhắn khác cho người sử dụng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
16. CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài “Báo Trộm Dùng Camera Và Kit Raspberry” được thực hiện và nghiên cứu với những nội dung sau: - Thu thập video từ Camera. - Xử lý video thu được thành những ảnh tĩnh. - Nhận dạng được đối tượng chuyển động trong ảnh. - Báo tin nhắn qua Sim900 khi nhận dạng được đối tượng. - Nhận dạng được khuôn mặt đối tượng. - Cắt phân vùng khuôn mặt, biến đổi ảnh đã cắt về ảnh xám. - So sánh ảnh với thư viện ảnh mẫu. - Phân tích khuôn mặt bằng thuật toán phân tích thành phần chính rồi báo tin nhắn thông qua Sim 900. 1.4. GIỚI HẠN - Nhận biết người trong điều kiện ánh sáng tối. - Nhận dạng dáng người ở khoảng cách xa. - Màu sắc của da và màu áo phải khác với màu nền xung quanh. - Khoảng cách để Camera phát hiện và chụp được ảnh khuôn mặt có độ phân giải cao. 1.5. BỐ CỤC - Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, tính chất, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. - Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Trình bày phần giới thiệu thành phần chính, tổng quan về môi trường ngôn ngữ mà hệ thống sử dụng. Sơ lược về lý thuyết có liên quan đến xử lý ảnh, phương pháp cắt, co và giãn ảnh, thuật toán nhận dạng dáng người bằng Matlab, nhận dạng khuôn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
17. CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT mặt người bằng thuật toán phân tích thành phần chính (Principle Components Analysic- PCA). - Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Đưa ra sơ đồ khối cho toàn mạch, tính toán thiết kế và lựa chọn linh kiện phù hợp cho từng khối, sau đó ghép các khối lại và thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in cho toàn mạch. - Chương 4: Thi công hệ thống Chương 4 sẽ trình bày các bản vẽ mạch sẽ thi công. Bao gồm các mạch gửi tin nhắn, kết nối phần cứng hoàn chỉnh để hệ thống có thể hoạt động. Đóng gói các mạch điện tử để đảm bảo tính thẩm mỹ cho hệ thống và để bảo vệ khỏi các tác nhân của môi trường. Các mạch in và mạch thực tế cũng được trình bày một cách rõ nhất để người đọc có thể hiểu rõ hơn về sơ đồ của mạch. Chương này cũng trình bày về lưu đồ giải thuật của từng quá trình xử lý. Ta có lưu đồ của quá trình huấn luyện ảnh, lưu đồ về phát hiện người và nhận diện khuôn mặt, lưu đồ chương trình hệ thống báo động. Từ các lưu đồ trên, người đọc có thể hiểu được các bước hoạt động ra sao. - Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Kết quả của quá trình hoạt động sẽ được trình bày trong phần này. Từ các kết quả thu được, ta đưa ra những nhận xét về ưu điểm, nhược điểm của quá trình hoạt động của hệ thống. - Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Đưa ra những đánh giá khách quan về đề tài thực hiện: những kết quả tốt mà nhóm đã thực hiện, những gì chưa làm được, những mặt hạn chế của đề tài. Cuối cùng là đưa ra hướng phát triển trong thời gian tới để đề tài có thể ứng dụng trong thực tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 . GIỚI THIỆU VỀ RASPBERRY PI VÀ MODULE CAMERA PI Raspberry Pi - chiếc máy tính mini kích thước chỉ bẳng một thẻ tín dụng ATM, được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation-UK. Raspberry Pi sản xuất và được phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman. Vào đầu tháng hai năm 2015, thế hệ tiếp theo của Raspberry Pi, Raspberry Pi 2, đã được phát hành. Board máy tính mới này đầu tiên chỉ có một cấu hình (model B) và trang bị SoC Broadcom BCM2836, với một nhân ARM Cortex-A7 CPU lõi tứ và một VideoCore IV dual-core GPU, bộ nhớ RAM: 1GB, thông số kỹ thuật còn lại tương tự như của các thế hệ model B+ trước đó. Hiện tại, Raspberry Pi 3 đã phát hành, tích hợp 2 module tiện ích là wifi và bluetooth. Mục đích chính là tạo ra máy tính rẻ tiền hỗ trợ việc giảng dạy lập trình ở các trường học. Có thể lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, chẳng hạn như Python, C và những ngôn ngữ mà nhà sản xuất quy định cho kit. Trong đồ án này, đề tài “Báo Trộm Dùng Camera Và Kit Raspberry” sẽ giao tiếp và lập trình với ngôn ngữ Matlab. Hình 2.1 là hình ảnh thực tế và vị trí các bộ phận của Raspberry Pi 2 [1]. Hình 2.1. Cấu tạo một Raspberry Pi 2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Raspberry Pi 2 được trang bị một bộ xử lý Broadcom lõi ARM Cortex A7 900MHz, với 1GB RAM, do đó nó mang lại hiệu xuất cao hơn gấp 6 lần so với Raspberry trước là Raspberry Pi Model B+. Raspberry Pi dựa trên SoC BCM2835 của Broadcom, CPU là bộ xử lý Broadcom BCM2836 quad-core ARM Cortex A7 900MHz. Chip này đã được ứng dụng trong điện thoại smartphone và có thể chạy được trên hệ điều hành Linux. Cấu tạo một kit Raspberry Pi 2 được mô tả như sau: - GPIO: Raspberry Pi 2 có tất cả 40 chân. Số chân của model này nhiều hơn so với các model A và B chỉ có 26 chân. Các chân này có chức năng là kết nối với các thiết bị điện tử khác. - Cổng CSI (Camera Serial Interface): khe cắm này là để cắm module Camera vào Raspberry Pi. Ngày 14 tháng 5 năm 2013, Foundation và các nhà phân phối RS Components & Premier Farnell / Element 14 đã ra mắt board Camera Raspberry Pi với một bản cập nhật firmware kèm theo. Nó có thể tạo ra video 1080p, 720p và 640x480p. Kích thước của module này là 25 mm x 20 mm x 9 mm. - Nguồn cấp: Raspberry Pi có thể sử dụng đến 700mA tại mức áp 5V khi bạn sử dụng nhiều thiết bị USB và cổng LAN. Vì thế, để tránh hư hỏng không mong muốn xảy ra trên kit, nên sử dụng nguồn có điện áp 5V-1A. Ta có thể thông qua chân GPIO để cung cấp nguồn, tuy nhiên điện áp quá mức 5V cấp trực tiếp vào GPIO có thể gây hư hỏng các thiết bị cắm vào cổng USB, chip quản lý USB và LAN. Vì vậy, nên cân nhắc khi sử dụng trường hợp này để tránh gây hư hỏng cho kit. - Kết nối mạng Ethenet: 10/100 Ethernet (RJ45) với USB hub, cho phép kết nối Internet, mạng LAN và truy cập SSH dễ dàng. Cắm dây mạng vào kit Raspberry Pi, kết nối với màn hình máy tính có kết nối mạng, ta có thể kết nối và sử dụng Internet một cách dễ dàng. - Ngoại vi cấp thấp: 8 × GPIO, UART, I2C , SPI với 2 chip lựa chọn, +3.3 V, +5 V, Mass. - Khe cắm thẻ micro SD: Có thể nhận thấy sẽ không có ổ cứng trên Raspberry Pi và thay vào đó là thẻ nhớ SD. Tất cả dữ liệu sẽ được lưu trữ trên thẻ nhớ này. Cần BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT dùng ít nhất là thẻ 4GB class 4 (4MB/s) cho Raspberry Pi (khuyên dùng thẻ 8GB class 10). Đối với các chân GPIO của Raspberry, để tiện cho việc kết nối phần cứng ngoại vi với Raspberry, ta dựa vào sơ đồ chân GPIO được nhà sản xuất công bố trên sách hướng dẫn đi kèm và trong đồ án này trình bày như bảng 2.1 [1]: Bảng 2.1. Sơ đồ chân GPIO của Raspberry Pi 2 Pin Name Name Pin 01 3.3v DC Power 5v DC Power 02 03 GPIO 02 5v DC Power 04 05 GPIO 03 Ground 06 07 GPIO 04 GPIO 14 08 09 Ground GPIO 15 10 11 GPIO 17 GPIO 18 12 13 GPIO 27 Ground 14 15 GPIO 22 GPIO 23 16 17 3.3v DC Power GPIO 24 18 19 GPIO 10 Ground 20 21 GPIO 09 GPIO 25 22 23 GPIO 11 GPIO 08 24 25 Ground GPIO 07 26 27 ID_SD ID_SC 28 29 GPIO 05 Ground 30 31 GPIO 06 GPIO 12 32 33 GPIO 13 Ground 34 35 GPIO 19 GPIO 16 36 37 GPIO 26 GPIO 20 38 39 Ground GPIO 21 40 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong đồ án này, module Camera pi đi kèm với kit Raspberry để làm thiết bị thu ảnh đầu, thiết bị được mô tả như hình 2.2 là hình ảnh thực tế của Camera Pi. Module Camera có kích thước 25mm x 20mm x 9mm và nặng khoảng 3g. Camera Raspberry Pi V1 5MP là version đầu tiên của modul Camera cho Raspberry Pi từ trước đến nay, độ phân giải cao và có khả năng quay video với độ phân giải full HD tốc độ 30 fps, độ phân giải HD là 60 fps và VGA là 60/90 fps. Module Camera được kết nối với cổng CSI (Camera Serial Interface) thông qua cáp tín hiệu. Hình 2.3 là sự kết nối của module Camera pi và kit Raspberry thông qua cáp tín hiệu để nhận hình ảnh khi hệ thống hoạt động [1]. Hình 2.2. Module Camera Pi Hình 2.3. Kết nối giữa module Camera pi và kit Raspberry Pi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7