Thiết kế mô hình aquaponics trên nền tảng điện toán đám mây

Bài viết đề xuất mô hình Aquaponics trên nền tảng điện toán đám mây cho phép mở rộng khả năng lưu trữ dữ liệu phục vụ việc phân tích hiệu quả nuôi trồng và cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống trên diện rộng thông qua các hệ thống aquaponic thành phần ở các vị trí khác nhau. Hệ thống đã được thử nghiệm thành công cho thấy khả năng đáp ứng được việc triển khai trên diện rộng trong thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thiết Kế Mơ Hình Aquaponics Trên Nền Tảng Điện Tốn Đám Mây Nguyễn Đình Nam Lê Anh Ngọc Khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Điện Lực Số 235 Hoàng Quốc Việt, Hà nội Email: namnguyendinh@hc.com.vn, anhngoc@epu.edu.vn Abstract — Trong báo này, chúng tơi đề xuất mơ hình Aquaponics tảng điện toán đám mây cho phép mở rộng khả lưu trữ liệu phục vụ việc phân tích hiệu ni trồng cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống diện rộng thông qua hệ thống aquaponic thành phần vị trí khác Hệ thống thử nghiệm thành công cho thấy khả đáp ứng việc triển khai diện rộng thực tế Keywords - Aquaponics, điện toán đám mây I GIỚI THIỆU Hiện nay, vấn đề an toàn thực phẩm xã hội quan tâm, đặc biệt loại thực phẩm thiết yếu rau cá Lý nguồn nước cho ni trồng bị nhiễm, việc sử dụng phân bón hóa học thuốc trừ sâu làm cho đất canh tác bị ô nhiễm, bạc màu Bên cạnh diện tích ni trồng ngày bị thu hẹp, đặc biệt khu vực thành thị, điều làm cho nguồn thực phẩm an toàn ngày khan đắt đỏ Để giải vấn đề mơ hình nghiên cứu áp dụng nơi có diện tích hạn chế, chẳng hạn hộ gia đình thành phố…, mơ hình Aquaponics tức trồng rau theo phương pháp thủy canh kết hợp với nuôi thủy sản Đây hệ thống tuần hồn khép kín độc đáo vừa cung cấp nguồn thực phẩm an tồn vừa tạo cảnh quan mơi trường lành mạnh [2-4] Trong thực tế, nhiều hệ thống Aquaponics triển khai [1], nhiên quy trình sản xuất cịn mang tính thủ cơng khó để theo dõi q trình sinh trưởng trồng vật ni Bên cạnh hệ thống đa số khơng có tính cảnh báo, giám sát chất lượng môi trường nước bể ni cá dẫn đến cá bị chết môi trường nước bị ô nhiễm, kéo theo chất lượng bị ảnh hưởng Các mơ hình triển khai chưa tối ưu khả lưu trữ liệu hệ thống, hoạt động độc lập thiếu tính liên kết Trong q trình nghiên cứu, chúng tơi nhận thấy mơ hình điện tốn đám mây đáp ứng yêu cầu lưu trữ liệu lớn, thao tác giám sát điều khiển đơn giản, đáp ứng u cầu trên, báo đề xuất giải pháp xây dựng mơ hình aquaponics tích hợp tảng điện toán đám mây nhằm khắc phục nhược điểm hệ thống có, khó khăn vận hành giảm bớt , đồng thời tăng thêm độ tin cậy bền vững cho hệ thống Phần lại báo tổ chức sau: Phần II giới thiệu tổng quan aquaponnic dịch vụ điện tốn đám mây Trong phần III, chúng tơi giới thiệu mơ hình đề xuất Aquaponics điện tốn đám mây Phần IV cung cấp kết thử nghiệm đánh giá Cuối cùng, kết luận báo phần V 174 II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AQUAPONIC VÀ DỊCH VỤ ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY a Tổng quan Aquaponic Mơ hình Aquaponics kết hợp hai hệ thống: Nuôi trồng thủy sản (aquaculture) trồng theo phương pháp thủy canh (hydroponics) Sự kết hợp mang lại lợi ích thiết thực tính độc đáo Thay bổ sung phân bón hóa chất để trồng cây, mơ hình sử dụng chất thải từ cá nhờ chuyển hóa từ loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết đầy đủ cho phát triển Ngược lại, thay xả nước mơi trường, sử dụng trồng để làm nước trả lại cho bể cá Nước tái sử dụng vô thời hạn cần thay bị bay Đây hệ thống tuần hồn khép kín hồn hảo (hình 1) Hình Mơ hình Aquaponic Một số yếu tố cần quan tâm Aquaponics: Oxy hịa tan: Cá cần oxy để sống cần ý đến việc đảm bảo hàm lượng oxy thích hợp cho cá phát triển Hàm lượng oxy hòa tan thường thấp vào lúc sáng sớm phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác mật độ cá, nhiệt độ nước, độ mặn,… người sử dụng nên có dụng cụ kiểm tra hàm lượng oxy hàng ngày để đảm bảo cho cá phát triển tốt Nhiệt độ: Nhiệt độ nước quan trọng Aquaponics Nhiệt độ nước cao làm cá sốc chết ảnh hưởng đến phát triển trồng Ngược lại, nhiệt độ hạ xuống thấp gây hại cho trồng cá Vì người sử dụng nên thường xun theo dõi để có biện pháp hợp lí giữ nhiệt độ nước ổn định giúp cho hệ thống phát triển tốt đẹp Giá trị pH: Đây yếu tố quan trọng cần quan tâm theo dõi hệ thống Độ pH độ axit hay độ chua nước giá trị pH biểu diễn giá trị biểu diễn cho diện ion H+ môi trường (nước đất) Giá trị pH thường thấp vào ban đêm sáng sớm nên trì giữ pH khoảng – thích hợp Dinh dưỡng nước: Cả dinh dưỡng dạng NO3/NH44 (Macro Nutrients) vi lượng (Micro Nutrients) cần thiết cho trồng hệ thống Aquaponics Phần lớn nguồn dinh dưỡng đến từ chất thải cá phần hòa tan từ thức ăn cá Trong số trường hợp (thường chất lượng thức ăn cá kém) cần thiết phải bổ sung thêm số nguyên tố vi lượng cần thiết cho trồng Kiểm soát lượng nước: người sử dụng nên có dụng cụ kiểm tra yếu tố mơi trường để kiểm sốt chất lượng nước ni cá hệ thống Cần ghi lại biến động suốt trình vận hành hệ thống để so sánh, đối chiếu dùng tài liệu tham khảo cho hệ thống khác mà sau ta phát triển Ánh sáng: Vì hệ thống aquaponics thường đặt không gian tiết kiệm diện tích nên đơi ánh sáng tự nhiên khơng đủ cho quang hợp ta cần bổ sung ánh sáng thích hợp cho cây, giải pháp dùng ánh sáng thay đèn chiếu sáng Đánh giá ưu, nhược điểm Aquaponic: Ưu điểm:  Phương pháp sản xuất hữu cơ, bền vững  Sử dụng tiết kiệm hiệu nguồn nước  Giảm thiểu vấn đề sâu bệnh cho trồng  Đơn giản dễ thực Nhược điểm:  Quy trình sản xuất mang tính thủ cơng  Cần có hiểu biết hệ cá, sinh vật  Khó khăn việc theo dõi q trình sinh trưởng  Yêu cầu phải có nguồn điện để vận hành Ở Việt Nam, Aquaponic có nhiều tiềm phát triển hộ gia đình vùng thị với hứa hẹn giải vấn đề gây nhức nhối an toàn thực phẩm bảo vệ mơi trường Những ưu điểm điện tốn đám mây sau:  Triển khai nhanh chóng  Giảm chi phí  Đa phương tiện truy cập  Khả chia sẻ tài nguyên người dùng  Khả chịu tải nâng cao  Độ tin cậy  Tính co giãn linh động  Bảo mật III THIẾT KẾ MƠ HÌNH AQUAPONICS TRÊN NỀN TẢNG ĐIỆN TỐN ĐÁM MÂY a Mơ hình tổng qt Mơ hình kiến trúc tổng quát hệ thống Aquaponics điện tốn đám mây mơ tả Hình 3: hệ thống Aquaponics thành phần (aquaponics_1, aquaponics_2,…), aquaponics_n) bố trí khu vực khác Dữ liệu thu thập từ hệ thống truyền máy chủ đám mây (cloud server) lưu trữ liệu Người dùng sử dụng dịch vụ thiết kế tảng đám mây để theo dõi, giám sát thông số điều khiển hệ thống aquaponics thành phần nhằm phục vụ cho việc chăm sóc b Dịch vụ điện tốn đám mây Điện tốn đám mây mơ hình điện tốn mà giải pháp liên quan đến công nghệ thông tin cung cấp dạng dịch vụ qua mạng internet, giải phóng người sử dụng khỏi việc phải đầu tư nhân lực, công nghệ hạ tầng để triển khai hệ thống [5,6] Từ điện tốn đám mây giúp tối giản chi phí thời gian triển khai, tạo điều kiện cho người sử dụng tảng điện toán đám mây tập trung tối đa nguồn lực vào cơng việc chun mơn (hình 2) Hình Mơ hình tổng quan điện tốn đám mây 175 Hình Mơ hình tổng qt hệ thống Aquaponic Cấu trúc môt hệ thống Aquaponics thành phần mơ tả Hình 4, bao gồm: Khối xử lí trung tâm, Khối cảm biến, Khối truyền thông Khối thiết bị đầu  Khối cảm biến: Gồm cảm biến thu thập thông số quan trọng hệ thống Aquaponics nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, mức nước,…Sau gửi định kỳ khối xử lí trung tâm  Khối xử lí trung tâm: nhận liệu thu từ cảm biến, xử lí phân tích từ điều khiển thiết bị đầu cho phù hợp với kịch người điều khiển lập trình sẵn; đẩy liệu qua khối truyền thơng lên server dịch vụ điện tốn đám mây phục vụ cho việc giám sát lưu trữ liệu; nhận tín hiệu phản hồi từ giao diện điều khiển dịch vụ điện toán đám mây từ điều khiển thiết bị đầu  Khối thiết bị đầu ra: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lí trung tâm hoạt động nhằm kiểm sốt  thơng số đầu vào hệ thống nhiệt độ, độ ẩm,.… Khối truyền thông: ESP8266 mô-đun công suất thấp, hỗ trợ chuẩn IEEE802.11b/g/n tích hợp sẵn giao thức TCP/IP Do ưu điểm giá thành thấp, việc lựa chọn sử dụng mô-đun ESP8266 đảm nhận hai nhiệm vụ truyền liệu từ trường trung tâm đưa liệu từ trung tâm lên Internet giúp giảm chi phí đầu tư cho hệ thống Hình Sơ đồ khối hệ thống aquaponics thành phần sử dụng tảng đám mây b Thuật toán điều khiển Hệ thống định kỳ đọc giá trị cảm biến để giám sát điều khiển, đồng thời chuyển lên máy chủ để lưu trữ Hệ thống hoạt động hai chế độ: điều khiển tự động điều khiển theo yêu cầu (manual) Trong chế độ điều khiển tự động, hệ thống tự động bật/tắt thiết bị máy bơm, đèn còi cảnh báo dựa liệu nhận từ cảm biến (pH, mực nước, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) Khi độ pH bể cá vượt ngưỡng cho phép (k8) hệ thống đưa tín hiệu cảnh báo chng nhằm nhắc nhở người sử dụng cân lại độ pH cho hệ thống (chẳng hạn bổ sung thêm nước sạch, thay nước hay bổ sung thêm dung dịch cân pH, …) Tín hiệu điều khiển bật, tắt máy bơm nước dựa vào thông số liệu lấy từ cảm biến mực nước SRF40 cảm biến độ ẩm Từ thông số nhận so sánh với ngưỡng mực nước yêu cầu bể cá, từ đưa tín hiệu điều khiển bật, tắt máy bơm cách hợp lý Nếu mực nước ngưỡng tối thiểu bể cá chng báo bật nước bơm vào đạt ngưỡng cho phép chng báo dừng lại Khi nước bồn thấp mức cho phép cịi chuông báo động đồng thời máy bơm hoạt động bơm tới mực nước thiết lập Cảm biến ánh sáng gửi tín hiệu khối xử lý trung tâm Nếu ánh sáng không đủ yêu cầu so với ngưỡng đặt vi điều khiển gửi tín hiệu điều khiển để zơ le bật đèn, đèn bật tự động để giúp trì cường độ ánh sáng cho ngược lại, ánh sáng đủ để cung cấp cho trồng đèn tự động tắt Nhiệt độ môi trường nuôi trồng có giới hạn định: 25≤t≤35, khoảng nhiệt độ trồng cá sinh trưởng tốt, cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ thu thập thơng số nhiệt độ mơi trường sau so sánh với ngưỡng cho phép nằm ngưỡng cho phép hệ thống gửi cảnh báo Trong chế độ điều khiển tay, hệ thống nhận lệnh bật/tắt thiết bị theo yêu cầu chuyển sang chế độ điều khiển tự động qua giao diện web dịch vụ đám mây Ubidots ứng dụng Ubidots điện thoại thông minh IV THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH a Mơ hình thực tế: Mơ hình thử nghiệm thực tế mơ tả hình 6, bao gồm thành phần như: bể cá, máng cạn trồng rau, bể lọc, máy bơm, cảm biến mực nước, cảm biến độ pH, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, mạch điều khiển Hình Mơ hình thử nghiệm thực tế hệ thống aquaponics Hình Thuật tốn điều khiển 176 b Thử nghiệm đánh giá Kịch 1: Nước máng cạn mức cho phép Bước 1: Khối cảm biến độ ẩm gửi tín hiệu khối xử lí trung tâm Bước 2: Khối xử lí trung tâm phân tích liệu, nhận nước máng cạn mức cho phép đưa tín hiệu điều khiển bật máy bơm cho khối relay Bước 3: Trong suốt trình bơm nước, cảm biến độ ẩm liên tục nhận gửi liệu khối xử lí trung tâm Bước 4: Khi mực nước đạt ngưỡng cho phép khối xử lí trung tâm đưa tín hiệu điều khiển để tắt máy bơm Bước 5: Trong suốt q trình bơm, máy bơm khơng hoạt động, nước bể cá thấp (dưới ngưỡng cho phép) khối xử lí trung tâm bật còi báo hệ thống để người giám sát tăng lượng nước bể Bước 6: Toàn thơng số mức nước q trình hiển thị giao diện điều khiển Ubidots tăng đồ thị lên Kết cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt Kịch 3: Thiếu ánh sáng cho trồng Bước 1: Khối cảm biến ánh sáng gửi tín hiệu ánh sáng cho khối xử lí trung tâm Bước 2: Khối xử lí trung tâm nhận liệu, so sánh với cường đồ ánh sáng cho phép hệ thống Bước 3: Nếu ánh sáng yếu, khối xử lí trung tâm đưa tín hiệu điều khiển để bật đèn (hình 9) Bước 4: Khi lượng ánh sáng đủ khối xử lí trung tâm tín hiệu điều khiển tắt đèn Hình Biểu đồ thể mực nước Ubidots Biểu đồ hình thể mực nước bể giảm dần sau thời gian dài hoạt động, sau bổ sung thêm nước cho bể cá, đồ thị thay đổi hướng lên Quá trình xử lí hệ thống cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt Kịch 2: Nồng độ PH nước bể cá tăng (hoặc giảm) Bước 1: Cảm biến thu thập liệu nồng độ pH bể cá gửi khối xử lí trung tâm Bước 2: Khối xử lí trung tâm nhận liệu từ cảm biến, phân tích so sánh với ngưỡng an toàn mà hệ thống cho phép Bước 3: Nếu nồng độ pH mức cho phép pH8, khối xử lí trung tâm bật còi cảnh báo cho người giám sát để phát nguyên nhân khắc phục Bước 4: Toàn biến đổi độ pH trình hiển thị giao diện điều khiển Ubidots Hình Kết thử nghiệm thiếu ánh sáng Sau kiểm tra xong kịch hoạt động chế độ điều khiển tự động, hệ thống chuyển sang thử nghiệm chế độ điều khiển tay (manual) cho thấy hệ thống đáp ứng xác lệnh điều khiển thiết bị theo yêu cầu qua giao diện ứng dụng dịch vụ đám mây Ubidots V KẾT LUẬN Trong báo này, nghiên cứu thiết kế hệ thống aquaponics tảng điện toán đám mây cho phép mở rộng khả lưu trữ liệu phục vụ việc phân tích hiệu ni trồng cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống diện rộng thông qua hệ thống aquaponic thành phần vị trí khác Hệ thống thử nghiệm thành công cho thấy khả triển khai phạm vi lớn thời gian tới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Hình Biểu đồ thể độ pH Ubidots [4] Biểu đồ hình thể độ pH 7, trạng thái mơi trường trung tính Khi tác động vào mơi trường nước bể nuôi cách thêm dung dịch dấm để tăng độ axit hai thời điểm 14:55 15:10 biểu đồ hiển thị Ubidots có đồ thị xuống, tương tự trường hợp pH [5] 177 T Shafeena, “Smart aquaponics system: challenges and opportunities”, European Journal of Advances in Engineering and Technology, (2)(2016), pp 52-55 FAO, “FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper: Small-scale Aquaponic food production", 2014 Sylvia Bernstein, “Aquaponic Gardening”, New Society Publishers, 2011 Sylvia Bernstein, “Aquaponic gardening : a step-by-step guide to raising vegetables and fish together”, New Society Publishers, 2011 Hwang, Kai, Jack Dongarra, and Geoffrey C Fox, “Distributed and cloud computing: from parallel processing to the internet of things”, Morgan Kaufmann, 2013 Rountree, Derrick, and Ileana Castrillo, “The Basics of Cloud Computing: Understanding the Fundamentals of Cloud Computing in Theory and Practice”, Newnes, 2013  ... III THIẾT KẾ MƠ HÌNH AQUAPONICS TRÊN NỀN TẢNG ĐIỆN TỐN ĐÁM MÂY a Mơ hình tổng qt Mơ hình kiến trúc tổng quát hệ thống Aquaponics điện tốn đám mây mơ tả Hình 3: hệ thống Aquaponics thành phần (aquaponics_ 1,... xác lệnh điều khiển thiết bị theo yêu cầu qua giao diện ứng dụng dịch vụ đám mây Ubidots V KẾT LUẬN Trong báo này, nghiên cứu thiết kế hệ thống aquaponics tảng điện toán đám mây cho phép mở rộng... [5,6] Từ điện tốn đám mây giúp tối giản chi phí thời gian triển khai, tạo điều kiện cho người sử dụng tảng điện toán đám mây tập trung tối đa nguồn lực vào cơng việc chun mơn (hình 2) Hình Mơ hình