Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày nghiên cứu, phân tích và thiết kế một hệ thống giám sát và đảm bảo thông số môi trường nước nuôi thủy sản hoàn chỉnh. Chúng tôi đã đưa ra một quy trình năm bước và thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh gồm các cảm biến đo trực tiếp tại môi trường và gửi thông số về ứng dụng quản lý trên web hoặc điện thoại di động.
HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CÁC NHÀ NGHIÊN CỨU TRẺ | 11/2019 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐẢM BẢO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN ĐẶNG THÁI VIỆT*, PHAN THÀNH NAM Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội * Email: viet.dangthai@hust.edu.vn Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, phân tích thiết kế hệ thống giám sát đảm bảo thông số mơi trường nước ni thủy sản hồn chỉnh Chúng tơi đưa quy trình năm bước thiết kế hệ thống hoàn chỉnh gồm cảm biến đo trực tiếp môi trường gửi thông số ứng dụng quản lý web điện thoại di động Hệ thống đo giám sát năm thông số nuôi trồng thủy sản gồm độ pH, nhiệt độ, độ xi hịa tan nước, độ dẫn diện nồng độ ion Ca2+ Kiểm tra thực tế cho thấy hệ thống hoạt động tốt thực đo xác thơng số Từ khóa: Cảm biến, hệ thống giám sát, hệ thống điều khiển, IoT (Internet of Things), truyền thông không dây GIỚI THIỆU Nông nghiệp thủy sản mạnh nước ta Việc nâng cao chất lượng sản phẩm thủy sản nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường nhu cầu thiết [4] Một hạn chế nông nghiệp thủy sản nước ta cịn sử dụng biện pháp giám sát mơi trường nước thơ sơ [4, 8, 9] Với mục đích chủ động q trình giám sát thơng số thơng báo điều chỉnh kịp thời tình trạng mơi trường nước ni, chúng tơi nghiên cứu, phân tích thiết kế hệ thống giám sát đảm bảo thơng số mơi trường nước ni thủy sản hồn chỉnh Hệ thống giám sát sử dụng thông số cảm biến thu nhận gửi tín hiệu hệ thống để sau đưa phản hồi gửi liệu lên giao diện web ứng dụng di động thông số đo nằm ngồi khoảng phù hợp cho tơm, cá [1, 3] Các thơng số mơi trường thủy sản gồm có thơng số độ pH, nhiệt độ, độ mặn, nồng độ oxi thông số khác nồng độ chất như: S, NH3+, Ca2+, Các kết thu nghiên cứu góp phần tạo tảng ban đầu cho việc nghiên cứu, phát triển tích hợp hệ thống IoT Việt nam THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO Hình Quy trình xử lý tín hiệu hệ thống 377 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐẠI HỌC HUẾ | HTKH 2019 Quy trình giám sát thông số nước gồm giai đoạn chính: Thu nhận thơng số từ thiết bị nút, gửi liệu qua mạng không dây đến thiết bị trung tâm, thiết bị trung tâm xử lý tín hiệu, gửi vào sở liệu truyền xuống giao diện cho người dùng [7] Hệ thống gồm đo 05 thông số độ pH, nhiệt độ, độ ô xi hòa tan (DO), độ dẫn diện nồng độ ion Ca2+ Thông số cảm biến sau: cảm biến đo độ pH hoạt động dải 0-14 pH có điện áp hoạt động V; cảm biến nhiệt độ hoạt động dải từ -55oC đến 200oC, điện áp hoạt động 3.3 V; cảm biến đo độ oxi hịa tan DO có điện áp hoạt động 0.8 V; cảm biến độ dẫn điện có điện áp hoạt động 5V; cảm biến đo nồng độ ion Ca2+ có điện áp hoạt động 0.8V Hệ thống có vỏ làm từ nhựa PVC, điện áp làm việc hệ thống 12V Chiều dài ống hút nước có đầu với độ cao điều chỉnh 1.5 m 0.8 m phù hợp với việc đo thông số lớp bề mặt lớp đáy ao nuôi tôm Thời gian để hệ thống ổn định phút ngâm trong mơi trường nước Phần thân có hai khoang dùng để chứa nước hút từ hai ống lấy nước đo mức điều chỉnh mong muốn Hình Bản vẽ tổng thể hệ thống phao chứa hệ thống đo HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN a Sơ đồ hệ thống phát liệu đo b Sơ đồ hệ thống thu liệu đo Hình Sơ đồ hệ thống thu phát liệu đo 378 HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CÁC NHÀ NGHIÊN CỨU TRẺ | 11/2019 Trên sơ đồ điều khiển hệ thống sử dụng Arduino UNO với vi điều khiển Atmega328 thành phần mạch xử lý cảm biến, mạch giao tiếp SIM808, mạch NRF24L01 thu, phát mạch Rơ le điều khiển thiết bị bên phục vụ nơng nghiệp thủy sản Hệ thống bao gồm nhiều thiết bị nút giao tiếp với thiết bị trung tâm Các thiết bị nút giám sát đặt vị trí khác mặt ao Ở đây, hệ thống kiểm chứng với thiết bị trung tâm giao tiếp với thiết bị nút đo thơng số từ vị trí khác Để thuận tiện cho việc theo dõi thông số môi trường thu cảnh báo cho người sử dụng từ thiết bị giám sát đặt vị trí khác ao giao diện web thể kênh theo dõi Và có thêm thiết bị giám sát hồn tồn thêm kênh hiển thị giao diện web Hình Giao diện web hiển thị hệ thống giám sát thông số nước Với dải giá trị phù hợp với thông số đo, hệ thống tự động điều khiển cấu chấp hành ao ni để trì dải an tồn cho thơng số Q TRÌNH THỰC NGHIỆM ĐO Để đạt độ xác tốt cho cảm biến phương pháp xác định đường chuẩn cảm biến sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để thiết lập đường chuẩn cảm biến qua nhều hai điểm đo từ dung dịch hiệu chuẩn [6] Đường cảm biến cần tìm có dạng: y = ax+b Theo lý thuyết bình phương tối thiểu ta tính được: a n y x x y n x ( x ) i i i i Hình Lưu đồ điều khiển tự động hệ thống đo cấu chấp hành i (1) i 379 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐẠI HỌC HUẾ x y x x y b n x ( x ) | HTKH 2019 i i i i i i (2) i Sau có đường chuẩn cảm biến ta xử lý sai số cảm biến gây nhiễu ngẫu nhiên làm giá trị đo ln thay đổi quanh vị trí cân q trình đo cảm biến Từ đó, phương pháp xử lý sai số sử dụng phương pháp chia trung bình khoảng thời gian nhỏ giá trị cảm biến ổn định Để làm tăng độ xác kết đo, tăng số lượng lớp chia trung bình làm tăng thời gian thu kết cuối cảm biến [5, 6] Hình Đường hiệu chuẩn cảm biến Hình Thuật toán xử lý nhiễu giá trị đo cảm biến Kết kiểm chứng với cảm biến nhiệt độ chạy thử nghiệm Matlab điều kiện nhiệt độ phòng 28oC thời gian 6s sau cảm biến ổn định với 600 lần lấy mẫu, lần lấy mẫu cách 10ms, kết thu trước hiệu chuẩn cảm biến sau hiệu chuẩn cảm biến : Đồ giá tri trước xử lý nhiễu : Đồ giá trị sau xử lý nhiễu Hình Đồ thị giám sát nhiệt độ ao nuôi 380 HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CÁC NHÀ NGHIÊN CỨU TRẺ Hình Hệ thống đo thực nghiệm số ao đất Bạc Liêu Thời gian 2017-0908 22:08 017-0908 21:54 2017-0908 21:41 2017-0909 00:32 2017-0908 00:18 2017-0908 00:15 Hình 10 Hệ thống đo kết hợp cho ăn tự động điều khiển quạt ôxy Rạch Giá Nhiệt độ PH Độ mặn 31.00 6.24 4.77 262.00 3.17 31.00 6.14 4.70 261.00 3.01 31.00 6.14 4.27 254.0 31.00 6.96 0.69 193.00 2.47 31.00 6.91 0.00 176.00 2.24 31.00 6.96 0.00 184.00 2.49 Ca2+ | 11/2019 DO 3.01 Bảng Bảng đo online số theo thời gian thực Hình 11 Hệ thống đo thực nghiệm số thêm đo cường độ ánh sáng, ao bạt Cà Mau Hình 12 Hệ thống đo thực nghiệm số pH, nhiệt độ, DO ao đất, Bạc Liêu 381 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐẠI HỌC HUẾ | HTKH 2019 KẾT LUẬN Thiết bị giám sát sau hoàn thiện, đo đạt thực tế đạt độ xác cảm biến pH với pH = 0.1 pH, cảm biến nhiệt độ NTC Thermistor với T 0,50 C , cảm biến DO-500 với DO 1,5mg / l , Hệ thống làm việc ổn định việc thông báo giám sát online số thiết lập cho ao ni Bên cạnh đó, điều khiển tự động cấu chấp hành đảm bảo cho việc trì số hồ nuôi Hệ thống hoạt động song song với hệ thống tay, có thơng báo qua smartphone website giúp cho trung tâm quản lý quản lý đa kênh nhiều hồ nuôi với đối tượng khác Người dùng dễ dàng quản lý thơng qua hệ thống bảo mật thông tin chủ tài khoản để nắm bắt ao ni Hệ thống hồn thiện góp phần tạo sản phẩm cơng nghệ đảm bảo cho q trình ni trồng thủy sản, mạnh Việt Nam Bên cạnh đó, cần phát triển thêm công nghệ chế tạo cảm biến để chủ động giảm giá thành nâng cao khả làm việc dài hạn môi trường nước mặn LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đề tài mã số TC2018PC-024 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Joel Lee (2013) What Is The Internet Of Things & How Will It Affect Out Future, June 28 Brian Proffitt (2013) What’s Holding Up The Internet Of Things, June 14 Wikipedia, Digital filter, chỉnh sửa lần cuối 24/5/2018 Bộ Nông nghiệp Và Phát triển Nông thôn (2014) Dự án quan trắc môi trường phục vụ nuôi trồng thủy sản, Hà Nội Chao Yang, Jianying Zheng, Xiaoqiang Ren, Wen Yang, Hongbo Shi, and Ling Shi (2018) Multi-Sensor Kalman Filtering With Intermittent Measurements, 5/2018 Nguyễn Quốc Trung (2007) Giáo trình Xử lý tín hiệu số, NXB Giáo dục The US Geological Survey (USGS) (2011) Office of Water Quality Technical Memorandum, The US Viện Nghiên cứu nuôi trồng thủy sản III, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2019) Báo cáo kết nghiên cứu phát triển khoa học viện nghiên cứu nuôi trồng thủy sản III, 2019 Hà Nội Viện Nghiên cứu nuôi trồng thủy sản I, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, Đề án kiểm sốt mơi trường ni trồng thủy sản (Tơm, cá tra) đến năm 2020, 2013 Hà Nội Title: RESEARCH AND DESIGN THE AUTOMATIC SYSTEM OF INSPECTION AND GUARANTEE THE PARAMETERS OF AQUACULTURE ENVIRONMENT Abstract: The paper presents research, analysis and design of a completed environmental monitoring and assurance system for aquaculture Authors proposed a five-step process and designed a completed system including sensors for direct measuring in the environment and sending parameters to the web or smartphone The system measures and monitors five basic parameters in aquaculture including pH, temperature, dissolved oxygen in water, conductivity and Ca2+ concentration Actual tests proved that the system works well and measure quite accurately the above parameters Keywords: Aquaculture, Automatic system, control system, Internet of Thing (IoT), monitor 382 ... theo dõi Và có thêm thiết bị giám sát hồn tồn thêm kênh hiển thị giao diện web Hình Giao diện web hiển thị hệ thống giám sát thông số nước Với dải giá trị phù hợp với thông số đo, hệ thống tự... Hệ thống làm việc ổn định việc thông báo giám sát online số thiết lập cho ao nuôi Bên cạnh đó, điều khiển tự động cấu chấp hành đảm bảo cho việc trì số hồ ni Hệ thống hoạt động song song với hệ. .. phục vụ nơng nghiệp thủy sản Hệ thống bao gồm nhiều thiết bị nút giao tiếp với thiết bị trung tâm Các thiết bị nút giám sát đặt vị trí khác mặt ao Ở đây, hệ thống kiểm chứng với thiết bị trung tâm
