Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và cảnh báo tự động một số thông số môi trường trong các ao nuôi tôm

- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ.
- CẢNH BÁO TỰ ĐỘNG MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG TRONG CÁC AO NUÔI TÔM.
- Nghiên cứu nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và cảnh báo tự động 03 thông số môi trường trong các ao nuôi tôm gồm độ pH, nồng độ DO và độ mặn.
- Mẫu nước của 03 ao được bơm lần lượt về trạm đo, tại đây, các thông số được xác định, xử lý và gửi tới giao diện giám sát trên điện thoại, đồng thời đưa ra cảnh báo kịp thời tới người quản lý thông qua tin nhắn khi các thông số này nằm ngoài ngưỡng cho phép.
- Nghiên cứu không chỉ ứng dụng cho môi trường ao nuôi tôm mà còn có thể áp dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản.
- Đây cũng là một hướng mở trong việc áp dụng tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp, trên cơ sở đó có thể phát triển hệ thống giám sát, lưu trữ dữ liệu tự động môi trường ao nuôi góp phần đưa ra phương án quản lý ao nuôi hiệu quả nhất..
- Từ khóa: Hệ thống giám sát và cảnh báo tự động, thông số môi trường ao nuôi tôm, độ pH, nồng độ DO, độ mặn..
- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đã quy định về ngưỡng của các thông số trong ao nuôi tôm (Bảng 1)..
- (2019) đã nghiên cứu và đưa ra mô hình tự động điều khiển một số thông số môi trường cho ao nuôi tôm.
- Mô hình có khả năng giám sát các thông số gồm nhiệt độ nước, nhiệt độ không khí, độ pH.
- các thông số nhiệt độ và độ pH được gửi tới người quản lý thông qua tin nhắn trên điện thoại di động.
- Tuy nhiên, mô hình hệ thống mới áp dụng cho từng ao nuôi riêng lẻ, chưa giám sát được nồng độ DO để đưa ra phương án điều khiển quạt sục khí cho phù hợp..
- Võ Minh Trí (2016) đến từ Đại học Cần Thơ đã nghiên cứu xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu và mô hình phân bố các chỉ số quan trọng trong ao nuôi thủy sản, trong đó, nhiệt độ ao nuôi giả lập được chọn làm thông số giám sát và sự phân tầng của nhiệt độ trong không gian ao nuôi được mô phỏng dựa trên dữ liệu thu thập thực tế.
- Hệ thống này chỉ phù hợp để thực hiện các nghiên cứu và ít có khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất vì khi thực hiện nhiều điểm đo như trên sẽ làm giá thành hệ thống tăng lên, trong khi thực tế không cần thiết phải giám sát quá nhiều điểm trong một ao nuôi trồng thủy sản..
- Naumoski (2018) đã triển khai một hệ thống giám sát và điều khiển một số thông số trong môi trường ao nuôi cá áp dụng công nghệ IoT.
- Hệ thống này kiểm soát nhiệt độ và mức nước trong ao nuôi, điều khiển thiết bị gia nhiệt theo nhiệt độ thực tại ao nuôi, phát tín hiệu cảnh báo tới người quản lý..
- Thông số Đơn vị Giá trị cho phép.
- Các hệ thống nêu trên chỉ áp dụng được cho từng ao nuôi riêng lẻ, với quy mô nuôi trồng lớn gồm nhiều ao nuôi hoặc trang trại ương giống thủy sản có nhiều bể ương thì phương án đưa ra là không phù hợp vì cần nhiều thiết bị đo và cần hình thành một mạng cảm biến..
- (2019) đã xây dựng một hệ thống đo và giám sát nhiệt độ trong 02 ao nuôi theo thời gian thực sử dụng mạng cảm biến không dây và công nghệ IoT.
- Hệ thống này có thể phát triển để giám sát thêm nhiều thông số môi trường của nhiều ao nuôi như độ mặn, nồng độ DO… Với mạng cảm biến không dây được thiết kế thì tại mỗi ao sẽ đặt 1 điểm đo dẫn tới số lượng thiết bị đo tăng lên theo số lượng ao cần giám sát và cấu trúc mạng sẽ trở nên phức tạp..
- Bên cạnh đó, một số trung tâm nghiên cứu đã đưa ra các hệ thống giám sát, cảnh báo và điều khiển tự động chất lượng nước nuôi trồng thủy sản.
- Công ty NK Engineering đã nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi, giúp người nuôi có thể giám sát nước ao 24/24h qua điện thoại thông minh.
- Hệ thống được thiết kế có khả năng giám sát một số thông số của môi trường nuôi thủy sản như: nhiệt độ nước.
- Với mục tiêu giám sát tự động các thông số chính cho nhiều ao nuôi mà chỉ cần sử dụng một điểm đo, nhóm nghiên cứu đề xuất ý tưởng nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và cảnh báo tự động một số thông số môi trường trong các ao nuôi tôm bằng phương pháp lấy mẫu từ các ao, đưa về một trạm đo duy nhất..
- Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện hệ thống giám sát và cảnh báo cho 03 ao nuôi tôm, các thông số giám sát gồm pH, DO và độ mặn với sơ đồ cấu trúc của hệ thống được chỉ ra trong hình 1..
- Hệ thống được thiết kế gồm 01 trạm đo với 03 cảm biến đo độ pH, nồng độ DO và độ mặn..
- khi các thông số vượt ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ gửi tin nhắn cảnh báo tới điện thoại của người quản lý..
- So với phương pháp mạng cảm biến phải sử dụng nhiều cảm biến do các đầu đo đặt tại mỗi ao, phương pháp lấy mẫu về 01 trạm đo cho phép giảm số lượng cảm biến trong hệ thống (do đó chi phí đầu tư giảm) mà vẫn đáp ứng yêu cầu giám sát thường xuyên các thông số môi trường của nhiều ao nuôi.
- Sơ đồ khối hệ thống Van 3.
- Trạm đo của hệ thống giám sát và cảnh báo tự động sử dụng 03 cảm biến đo độ pH, nồng độ DO và độ mặn.
- Theo ngưỡng giới hạn của các thông số môi trường ao nuôi tôm (Bảng 1), các cảm biến được lựa chọn để đáp ứng yêu cầu xác định 03 thông số: độ pH, nồng độ DO và độ mặn..
- Để nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, trong hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm Arduino Nano 3.0 328 Mini CH340 với vi điều.
- Nghiên cứu tổng quan về sự ảnh hưởng của các thông số môi trường đến sự phát triển của thủy sản, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng của các thông số trong ao nuôi tôm..
- vi điều khiển, module truyền dữ liệu không dây để làm cơ sở cho việc lựa chọn các thiết bị của hệ thống giám sát, cảnh báo..
- Phương pháp thực nghiệm được áp dụng để thử nghiệm, đánh giá về quy trình hoạt động của hệ thống.
- độ chính xác của các thông số pH, nồng độ DO, độ mặn mà hệ thống đo được và độ tin cậy của tín hiệu cảnh báo khi các thông số này vượt ngưỡng cho phép..
- Thiết bị dùng trong hệ thống.
- Sơ đồ nguyên lý hệ thống giám sát và cảnh báo.
- Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống.
- Nguyên lý hoạt động của hệ thống giám sát và cảnh báo tự động một số thông số môi trường trong các ao nuôi tôm.
- Hệ thống có 2 chế độ hoạt động:.
- Chế độ bằng tay (Manual): người quản lý chọn ao và thông số cần đo trên giao diện giám sát Blynk trên điện thoại để thực hiện đo, thông số đo được sẽ hiển thị trên giao diện Blynk..
- Chế độ tự động (Auto): hệ thống hoạt động theo thời gian cài đặt trước, khi đến thời điểm đo (8h, 12h và 18h), hệ thống tự động lấy mẫu nước, đo và hiển thị dữ liệu trên giao diện giám sát.
- Nếu các thông số đo được nằm ngoài ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động gửi tin nhắn cảnh báo tới điện thoại người quản lý..
- Sau khi đo các thông số xong, mẫu nước sẽ được bơm xả ra bể xả..
- Giá trị đo được sẽ được hiển thị trên LCD của hệ thống đo.
- Đồng thời, hệ thống còn cho phép người sử dụng theo dõi và giám sát các thông số của môi trường nước trong các ao nuôi thông qua ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh..
- Khi độ pH, nồng độ DO hoặc độ mặn hạ thấp hơn (hoặc tăng cao hơn) ngưỡng được cài đặt, không phù hợp với môi trường nuôi tôm, hệ thống sẽ báo đến người quản lý thông qua tin nhắn cảnh báo để người quản lý có biện pháp xử lí kịp thời, tránh việc gây nguy hại đến sinh vật nuôi..
- Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.
- Sơ đồ nguyên lý của hệ thống (Hình 4) gồm hai khối có nhiệm vụ như sau:.
- Mạch thời gian thực DS1307 được sử dụng để xác định thời điểm hệ thống thực hiện lấy mẫu đo..
- Kết quả thử nghiệm hoạt động của hệ thống.
- Thử nghiệm hệ thống tại phòng thí nghiệm.
- Thử nghiệm so sánh hệ thống chế tạo với thiết bị đo.
- Để đánh giá sai số của hệ thống chế tạo được với một số thiết bị đo khác, chúng tôi đo 03 mẫu nước bằng các thiết bị gồm pH KIT TEST và ống đo độ mặn, đồng thời đọc kết quả đo được trên màn hình LCD của hệ thống..
- Tiến hành xử lý số liệu đo được qua 03 lần đo, chúng tôi nhận thấy độ pH mà hệ thống đo được có sai số tương đối nhỏ so với giá trị đo được bằng pH KIT TEST, sai số này dao động trong khoảng 0,42.
- Đối với số liệu độ mặn đo được, số liệu hệ thống đo và số liệu đọc trên ống đo độ mặn có sai số nằm trong khoảng 13.
- Tuy nhiên, đối với ao nuôi tôm, giới hạn của các thông số môi trường nước khá rộng nên sai số này có thể chấp nhận được.
- Trong nghiên cứu này, do không có thiết bị tiêu chuẩn để đo nồng độ DO nên chúng tôi chưa đánh giá được sai số của hệ thống khi đo thông số này..
- Thử nghiệm chế độ cảnh báo của hệ thống Chế độ cảnh báo của hệ thống khi các thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm với 3 mẫu nước thể hiện cho 3 ao..
- Sau khi kết nối hệ thống với giao diện điều khiển, hệ thống sẽ gửi tin nhắn tới số điện thoại đã đăng ký để thông báo hệ thống đã sẵn sàng làm việc.
- Điều chỉnh các mẫu nước thử sao cho các thông số đều ở trong ngưỡng cho phép, khi ấy hệ thống sẽ gửi tin nhắn thông báo về điện thoại các thông số bình thường (Hình 6a).
- Để thử nghiệm chức năng cảnh báo của hệ thống, ta sẽ điều chỉnh các thông số đó trên ngưỡng hoặc dưới ngưỡng cho phép để kiểm tra tính ổn định, chính xác của phần cảnh báo: thay đổi pH của ao 1 bằng cách thêm dung dịch NaOH vào mẫu nước để pH của ao 1 tăng cao (pH >.
- Ngay sau đó hệ thống đã gửi tin nhắn cảnh báo về điện thoại thông báo pH của ao 1 đã thay đổi..
- Vì các thông số khác của ao 1, ao 2 và ao 3 không thay đổi nên hệ thống sẽ không gửi tin nhắn về (Hình 6b).Sau khi điều chỉnh mẫu nước để độ pH thay đổi trở về trong ngưỡng cho phép (7,5 <.
- 8,5), hệ thống gửi tin nhắn mới báo trạng thái bình thường về điện thoại (Hình 6c)..
- Trên đây là thử nghiệm trong điều kiện của phòng thí nghiệm, sự thay đổi nội dung tin nhắn theo thông số môi trường đã cho thấy sự chính xác cũng như độ ổn định khi hoạt động ở chế độ cảnh báo của hệ thống..
- Bằng hệ thống đo (D1).
- Bằng hệ thống đo (a2).
- Các thông số trong ngưỡng cho phép b.
- Tin nhắn báo trạng thái các thông số trong ao nuôi.
- Thử nghiệm hoạt động của hệ thống tại các ao nuôi tôm.
- Sau khi cấp nguồn cho hệ thống đo, người quản lý sẽ bật ứng dụng Blynk- IoT for Arduino trên điện thoại thông minh và kết nối ứng dụng với hệ thống.
- Trên giao diện Blynk, chọn chế độ đo tự động hoặc bằng tay để kiểm tra các thông số: độ pH, nồng độ DO và độ mặn S của ao nuôi..
- Giao diện Blynk trên điện thoại và màn hình LCD của hệ thống sẽ hiển thị các giá trị đo được gồm độ pH, nồng độ DO và độ mặn (Hình 8)..
- Ngoài ra, người dùng có thể chọn chế độ hoạt động của hệ thống hoặc chọn ao cần đo thông qua các nút được thiết kế trên giao diện..
- Hệ thống giám sát và cảnh báo tự động môi trường ao nuôi tôm.
- Giao diện Blynk và LCD giám sát môi trường ao nuôi tôm Bảng 4.
- Kết quả thử nghiệm hệ thống hoạt động ở chế độ bằng tay Lần.
- đo Ao nuôi.
- Tiến hành thử nghiệm hệ thống hoạt động ở chế độ đo “Bằng tay” và ghi lại các kết quả đo được hiển thị trên giao diện Blynk và màn hình LCD, ta có kết quả cho 3 lần đo của các ao như bảng 4..
- Trên giao diện Blynk, chọn chế độ hoạt động của hệ thống ở “Tự động”, hệ thống sẽ tự động lấy mẫu và đưa ra kết quả đo theo thời gian cài đặt (Bảng 5)..
- Từ kết quả thử nghiệm hệ thống trong bảng 4 và bảng 5, ta có thể thấy số liệu hiển thị trên giao diện Blynk và trên màn hình LCD là xấp xỉ bằng nhau.
- Hệ thống làm việc ổn định ở cả hai chế độ, các thông số pH, DO và độ mặn đo được qua mạng trùng với kết quả hiển thị trên LCD đặt tại hiện trường.
- Các số liệu đo được cho thấy 03 thông số cơ bản của môi trường ao nuôi nằm trong ngưỡng cho phép..
- Kết quả thử nghiệm hệ thống hoạt động ở chế độ tự động Lần.
- Hệ thống thiết kế đã đáp ứng được mục tiêu đặt ra đó là giám sát được 03 thông số của môi trường gồm độ pH, nồng độ DO và độ mặn S của 03 ao nuôi từ 01 trạm đo.
- Hệ thống có thể thực hiện đo theo thời gian cài đặt ở chế độ tự động và bằng tay, kết quả đo được hiển thị trên phần mềm ứng dụng trên điện thoại có kết nối internet của người quản lý.
- Hệ thống cũng đã thực hiện được việc gửi tin nhắn cảnh báo tới điện thoại khi các thông số đo được nằm ngoài ngưỡng cho phép..
- Hệ thống giám sát và cảnh báo tự động một số thông số môi trường trong các ao nuôi tôm hoạt động ổn định trong quá trình thử nghiệm.
- Các chức năng hoạt động của hệ thống bao gồm chế độ điều khiển bằng tay thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh, chế độ chạy tự động theo thời gian cài đặt và chức năng cảnh báo bằng tin nhắn khi các thông số trong ao nuôi nằm ngoài ngưỡng cho phép (7,5 <.
- Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã tiến hành đánh giá so sánh kết quả đo của hệ thống với một số kỹ thuật đo thường dùng trong nuôi trồng thủy sản hiện nay, bước đầu cho thấy hệ thống có thể đáp ứng yêu cầu đo trong nuôi trồng thủy sản.
- Tuy nhiên hệ thống còn nhiều hạn chế.
- Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm để phát triển hệ thống có thêm đầu đo cho các thông số khác của môi trường ao nuôi.
- thiết kế thêm chức năng lưu trữ dữ liệu hỗ trợ cho quá trình giám sát ao nuôi.
- đánh giá sai số của hệ thống chế tạo được với các thiết bị đo lường tiêu chuẩn..
- Hệ thống giám sát chất lượng nước nuôi trồng thủy sản e-AQUA.
- Mô hình trường 3D thông số môi trường ao nuôi thủy sản.
- Hệ thống giám sát môi trường nước trong nuôi trồng thủy sản.
- Thiết kế và chế tạo mô hình tự động điều khiển một số thông số môi trường cho ao nuôi tôm quy mô phòng thí nghiệm

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt