Thiết kế bộ điều khiển tích hợp iot gateway đa năng ứng dụng cho nuôi trồng thủy sản công nghệ cao

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Thiết kế điều khiển tích hợp iot gateway đa ứng dụng cho nuôi trồng thủy sản công nghệ cao Mã số đề tài: 21/1DT01 Chủ nhiệm đề tài: TS Bùi Thư Cao Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Tp Hồ Chí Minh, 06/2023 LỜI CÁM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM tài trợ kinh phí, động viên, khích lệ tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình nghiên cứu, hồn tất đề tài Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu xắc đến anh KS Trần Hồng Vinh, ngun Trưởng phịng kỹ thuật trang trại Thạnh Phú, công ty TNHH Đầu Tư Thủy Sản Huy Thuận, tỉnh Bến Tre hỗ trợ tư vấn kỹ thuật tận tình cho tơi q trình thực đề tài Tơi xin cảm ơn anh Nguyễn Văn Điền, chủ trang trại tơm huyện Bình Đại Bến Tre hỗ trợ tạo điều kiện lắp đặt triển khai thử nghiệm điều khiển tích hợp IoT gateway đa Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo chuyên viên Phòng QLKH&HTQT Trường hỗ trợ tích cực cho tơi thủ tục giải vướng mắc trình thực đề tài Đây đề tài ứng dụng, nên tốn nhiều thời gian cho thực nghiệm hiệu chỉnh thiết kế cho thơng số thiết bị Bên cạnh đó, trình triển khai thực đề tài bị ảnh hưởng dịch Covid trình xét nhận đơn đăng ký SHTT, nên thời gian thực đề tài trễ nhiều so với tiến độ đặt i PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Thiết kế điều khiển tích hợp IoT gateway đa ứng dụng cho ni trồng thủy sản công nghệ cao 1.2 Mã số: 21/1DT01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) TS Bùi Thư Cao Đơn vị công tác Vai trị thực đề tài Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Chủ nhiệm 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ 17 tháng 03 năm 2021 đến 17 tháng 03 năm 2022 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến 17 tháng 09 năm 2022 1.5.3 Thực thực tế: từ 17 tháng 03 năm 2021 đến 09 tháng 06 năm 2023 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 100 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Nuôi trồng thủy sản lĩnh vực tiềm tỉnh ven biển Việt Nam Nuôi tôm lĩnh vực có giá trị kinh tế cao Cơng nghệ nuôi tôm phát triển mạnh cách ứng dụng cơng nghệ cao với trang thiết bị máy móc đại ao bạt nilon, quạt nước, hệ thống sục khí, bơm xi phơng, máy cho tơm ăn thiết bị đo môi trường nước Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ cao chưa triệt để Hầu hết trang trại nuôi tôm công nghệ cao (TTTCNC) điều khiển thiết bị truyền động tay Người nuôi tôm chưa trọng đến việc sử dụng điều khiển tự động cho trang trại Qua khảo sát đánh giá trạng số tỉnh vùng ĐBSCL, tác giả nhận số điểm hạn chế thiết bị hệ thống điều khiển tự động hóa cho TTTCNC Do cần phải có nghiên cứu thiết kế cải tiến cho điều khiển tự động hóa ii thiết bị chấp hành cho trang trại ni tơm CNC để làm cho việc sử dụng vận hành trở nên dễ dàng thuận tiện cho người nuôi tôm Mục tiêu Mục tiêu chung: Thiết kế điều khiển tích hợp IoT gateway đa hỗ trợ cho việc giám sát điều khiển xử lý môi trường nước nuôi thủy sản công nghệ cao với chi phí thấp dễ dàng sử dụng vận hành Mục tiêu cụ thể: - Làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo thiết bị IoT gateway đa ứng dụng cho nuôi trồng thủy sản - Sản phẩm thiết kế tối ưu thiết bị để có chi phí rẻ có khả tiếp cận cho đối tượng hộ ni gia đình - Sản phẩm thiết kế tối ưu thiết bị để dàng lắp đặt vận hành cho đối người sử dụng trình độ Phương pháp nghiên cứu a) Khảo sát mơ hình, thiết bị hệ thống điều khiển tự động hóa cho trang trại ni tơm cơng nghệ cao (TTTCNC) b) Tìm điểm hạn chế thiết bị hệ thống điều khiển tự động hóa cho TTTCNC có thị trường c) Thiết kế sơ đồ khối, phần cứng phần mềm cho điều khiển tích hợp IoT gateway đa (MFC) d) Triển khai lắp đặt vận hành thử nghiệm thực tế TTTCNC Tổng kết kết nghiên cứu Phần 1: Khảo sát tổng quan − Cách tiếp cận: Khảo sát nghiên cứu tổng quan thiết kế IoT gateway internet khảo sát trạng mơ hình hệ thống trang trại ni thủy sản công nghệ cao thực tế địa phương tiêu biểu có nghề ni thủy sản mạnh Bến Tre Cà Mau − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Tìm hiểu kỹ thuật cơng nghệ giám sát điều khiển xử lý môi trường nước ao nuôi − Kết đạt được: Tài liệu trạng mơ hình trang trại ni tơm CNC tỉnh Bến Tre Trong tài liệu này, tác giả rõ điểm hạn chế điều khiển tích hợp có thị trường, để làm sở phát triển nghiên cứu đề tài iii Phần 2: Phương pháp nghiên cứu kết đạt a) Thiết kế kiến trúc IoT gateway đa − Cách tiếp cận: Thiết kế kiến trúc mở, cho phép mô đun điều hiển giao tiếp với linh hoạt, phù hợp với môi trường địa hình khu vực ni thủy sản − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thiết kế kiến trúc mở, cho phép giao tiếp với chuẩn truyền thông: Lora, Zigbee Wifi − Kết đạt được: Sơ đồ kiến trúc hệ thống điều khiển tích hợp IoT gateway đa b) Thiết kế board mạch điều khiển − Cách tiếp cận: Sử dụng phần mềm Eagle để thiết kế sơ đồ nguyên lý, sử dụng tích hợp mơ đun truyền thơng có sẵn thị trường, sử dụng vi xử lý hỗ trợ tảng mã nguồn mở Arduino để giám chi phí giá thành sản xuất chi phí − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Xác định thông số đầu vào đầu hệ thống, khối chức hệ thống để thiết kế sơ đồ ngun lý, tính tốn tối ưu nguồn cung cấp, cơng suất điều khiển cho thiết bị chấp hành − Kết đạt được: Sơ đồ nguyên lý board mạch PCB điều khiển tích hợp IoT gateway đa c) Lắp đặt tủ điều khiển − Cách tiếp cận: Sử dụng tủ điện công nghiệp lắp đặt theo tiêu chuẩn an toàn − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Bố trí vị trí mô đun chức đấu dây nối qui cách − Kết đạt được: Tủ điều khiển tích hợp IoT gateway đa d) Vận hành thử nghiệm − Cách tiếp cận: Thực lắp đặt vận hành thử nghiệm trang trại nuôi thủy sản công nghệ cao − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Khảo nghiệm hiệu chỉnh thông số kỹ thuật thiết bị − Kết đạt được: Tủ điều khiển tích hợp IoT gateway đa vận hành thử nghiệm trang trại nuôi tôm CNC huyện Bình Đại, tỉnh Bến Tre Thiết bị hệ thống hoạt động tốt đạt yêu cầu tiêu chí thơng số sản phẩm đề tài kề từ ngày lắp đặt 04/2022 đến e) Viết báo khoa học iv − Cách tiếp cận: Tổng hợp phần nội dung công việc thực viết báo khoa học, trình bày thiết kế điều khiển tích hợp IoT gateway đa − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Bài báo thể logic phương pháp, bố cục chi tiết giá trị hàm lượng khoa học đóng góp tác giả − Kết đạt được: Bài báo chấp nhận đăng kỹ yếu Hội nghị quốc tế, CIIA_ICASD2022 tổ chức Trường Đại Học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh f) Viết báo cáo tổng kết − Cách tiếp cận: Tổng hợp phần nội dung công việc thực viết báo cáo tổng hợp luận chứng kỹ thuật cho đề tài − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Báo cáo thể theo trình nội dung thực hiện, đáp ứng đủ tiêu chí trích dẫn khoa học logic bố cục − Kết đạt được: Báo cáo tổng kết đề tài luận án kỹ thuật Đánh giá kết đạt kết luận Đề tài thiết kế điều khiển đa tích hợp IoT gateway đề xuất đáp ứng yêu cầu điều khiển thiết bị chấp hành cho ao nuôi tôm theo thuyết minh đề ra, với số cải tiến so với điều khiển có thị trường sau: - Sử dụng relay bán dẫn thay khởi động từ làm cho trình điều khiển an tồn, ổn định tăng độ bền thiết bị - Sử dụng sensor dòng pha cho motor giúp phát cố hư hỏng kịp thời để tránh tổn thất hao phí điện trình sử dụng thiết bị - Trong nuôi tôm công nghệ cao, với mật độ thả lớn, cần dừng xục khí vài đủ làm cho tơm chết thiếu ơxy Bộ điều khiển đa giúp phát cảnh báo kịp thời tình trạng motor q tải hay khơng chạy cho người sử dụng Điều quan trọng hữu ích - Bộ điều khiển cho phép tùy chỉnh cấu hình theo thiết bị chấp hành cho ao nuôi tôm, nên linh động dễ dàng cho việc lắp đặt vận hành sử dụng không cần chuyên môn kỹ thuật điều khiển tự động hóa v Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) TĨM TẮT (TIẾNG VIỆT) Phần Tìm hiểu tổng quan trạng lĩnh vực nuôi tôm CNC Trong phần tác giả khảo sát trạng việc sử dụng thiết bị hệ thống điều khiển tự động hóa ni tơm cơng nghệ cao (CNC) Từ tìm điểm hạn chế cho thiết bị hệ thống điều khiển tự động hóa trang trại ni tơm CNC thị trường Đó điều khiển có thị trường cấu hình cứng số port ngõ điều khiển với thông số điện áp công suất định Mặt khác thiết bị chấp hành hoạt động môi trường nước lợ nên theo thời gian bị rỉ sét mối nối dây nguồn hay rỉ sét phần cuộn dây bên motor Hơn nữa, hầu hết điều khiển tích hợp có thị trường sử dụng relay điện từ hay khởi động từ để đóng ngắt cho thiết bị chấp hành nên tuổi thọ thiết bị giảm điều khiển bị nhiễu gây lỗi thiết bị Phần Phương pháp thiết kế điều khiển đa tích hợp IoT gateway Trên sở hạn chế thiết bị hệ thống điều tự động hóa cho trang trại nuôi tôm CNC tại, tác giả đề xuất ý tưởng thiết kế điều khiển tích hợp iot gateway đa (MFC) ứng dụng cho nuôi trồng thủy sản CNC Ý tưởng thiết kế sử dụng relay bán dẫn thay khởi động từ làm cho trình điều khiển cấu hình mềm (linh động thay đổi theo thiết bị), an toàn, ổn định tăng độ bền thiết bị Bên cạnh tác giả sử dụng cảm biến đo dòng pha cho motor giúp phát cố hư hỏng kịp thời để tránh tổn thất hao phí điện trình sử dụng thiết bị Phần Kết Mơ hình hệ thống điều khiển MFC lắp đặt thử nghiệm trang nuôi tôm CNC huyện Bình Đại, tỉnh Bến Tre Qua trình thự nghiệm cho thấy điều khiển MFC cho phép điều khiển đóng ngắt thiết bị chấp hành qua app smartphone, đồng thời phát cảnh báo kịp thời tình trạng motor tải hay ngừng chạy cho người sử dụng Đặc biệt điều khiển MFC cho phép tùy chỉnh cấu hình theo thiết bị chấp hành cho ao nuôi tôm, nên linh động dễ dàng cho việc lắp đặt vận hành sử dụng khơng có chun mơn kỹ thuật điều khiển tự động hóa Phần Kết luận Đề tài đã thực mục tiêu đề Phương pháp nghiên cứu logic, đa dạng hóa ứng dụng hiệu lý thuyết vào thực tế Đề tài góp phần thúc đẩy việc ứng dụng công nghiệp I4.0 vào thực tế cho ngành nuôi trồng thủy sản CNC vi ABSTRACT Part Overview of the current status in high tech shrimp farming (HTSF) In this section, the author has investigated the current status of equipment and automation control systems using in high-tech shrimp farming (HTSF) From there, some limitations of them has been found out That is the controllers currently on the market only have been hard-configured for the control output ports with certain voltage and power parameters On the other hand, the actuators operate in brackish water, so over time, the power cord connections or the coils inside the motor will be rusted Moreover, most of the integrated controllers currently on the market use electromagnetic relays or magnetic starters to switch actuators, so the life of the device will reduce and the controller can be noised and create errors Part Design method of the multi-function controller integrated with IoT gateway Based on the limitations of the current automation equipment and systems for HTSFs, the author proposes the idea of designing a multi-function IoT gateway integrated controller (MFC) for high-tech aquaculture The design idea of using semiconductor relays to replace magnetic starters makes the control process more soft (flexibly changeable according to the device), safe, stable and increases the durability of the device In addition, the author uses a sensor to measure the phase currents for each motor not only to detect damages in time but also avoid loss and waste of power during operation time of the actuator devices Part Results The model of the MFC controller system was installed and tested at a shrimp farm in Binh Dai district, Ben Tre province Through the experimental process, the MFC controller allows not only to control of switching on and off of actuators via the smartphone app but on also to detect and promptly warn the user whether the motor is overloaded or stopped running In particular, the MFC controller allows soft configuration according to the actuators for shrimp ponds, so it is very flexible and easy for installation and operation with users who are nontechnical in automation Part Conclusion The project has achieved its objectives Logical research methods, diversification, and effective application of theory in practice The project has contributed to promoting the application of I4.0 industry in practice for high-tech aquaculture industry vii III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 3.1 Kết nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3) Bảng Sản phẩm dạng I: Mẫu (model, maket) Tên TT sản phẩm Bộ điều khiển tích hợp IoT gateway đa (MFC) Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Số lượng Cần đạt Mô tả chi tiết Kết ngõ điều khiển cấp nguồn cho thiết bị (máy bơm, sục khí, motor đảo nước, máy cho tơm ăn), cơng suât 2HP ngõ Bộ điều khiển đóng ngắt nguồn cung cấp cho thiết bị chấp hành lắp ráp riêng Đạt, vượt tiêu: 01 điều khiển công suất lên đến 9HP (thuyết minh 2HP), thêm chức bảo vệ tải rớt pha Cài đặt lập trình Cài đặt thơng Đạt điều khiển hệ thống số: P, V, Pha qua app điện thoại Hoạt động hệ thống ao nuôi giám sát điều khiển qua app điện thoại Giám sát trạng Đạt thái (on/off), dòng điện, nhiệt độ Dev1, Dev2, Dev3, Dev4 Bảng Sản phẩm dạng II (Nguyên lý; Phương pháp; Tiêu chuẩn; Quy phạm) TT Tên sản phẩm Số Yêu cầu khoa học Kết lượng cần đạt Bản vẽ kiến trúc hệ 01 thống điều khiển IoT gateway đa Bản vẽ sơ đồ khối hệ Phụ lục C.1: thống Trang 51 & 52 Bản vẽ sơ đồ nguyên 01 lý board điều khiển IoT gateway đa Bản vẽ mạch điện tử Phụ lục C.2: Trang 53 & 54 Báo cáo tổng hợp 01 Báo cáo khoa học Quyển in file mềm Đăng ký SHTT 01 Giấy chấp nhận đơn Phụ lục C.3: đăng ký SHTT Trang 55 viii Bảng Sản phẩm dạng III (Bài báo khoa học) TT Yêu cầu Tên báo chấp Nơi công bố (IUH, ISI, khoa học Ghi nhận SCOPUS) cần đạt An Improvement Design of Multi-function Controller for High-tech Shrimp Farm International Conference on Computational Intelligence and Innovative Applications (CIIA2022) (IUH) An Improvement Design of Multi-function Controller for High-tech Shrimp Farm Journal of Computer Science and Cybernetics, V.39, N.2 (2023), DOI no 10.15625/1813-9663/18172 Đạt, vượt tiêu: số báo (thuyết Tác giả minh 1) Hội nghị CIIA2022 tiến cử phát triển mở rộng báo số cho tạp chí JCC Bài báo số có mức độ khác báo sô 70% nội dung 3.2 Kết đào tạo TT Họ tên Nguyễn Hữu Phúc Nguyễn Văn Pháp Hồng Cơng Ngun Nguyễn Văn Long Đặng Phi Long Nguyễn Thành Nguyên Ngô Tiến Sâm Nguyễn Quốc Trung Thời gian thực đề tài Tên đề tài Tên chuyên đề tài NCS Tên luận văn Cao học Đã bảo vệ Sinh viên Đại học 10/2022 đến Thiết kế hệ thống truyền thông qua đường dây diện lưới 06/2023 10/2022 đến Thiết kế trạm tích hợp đa cảm 06/2023 biến môi trường nước ao nuôi tôm 10/2022 đến Thiết kế hệ thống camera cảm 06/2023 biến màu sinh học môi trường nước ao nuôi thủy sản 10/2022 đến Nhận diện đếm số lượng 06/2023 thức ăn tơm dư thừa khay vó, quan sát camera online sử dụng Rasberry Pi3 Ghi chú: - Kèm photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ học viên bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể phần cuối báo cáo khoa học) ix