TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH AQUAPONICS
Tổng quan về mô hình Aquaponics
2.1.1 Mô hình Aquaponics là gì?
Aquaponics, thuật ngữ kết hợp từ Aquaculture (nuôi trồng thủy sản) và Hydroponics (thủy canh), là một mô hình nông nghiệp bền vững kết hợp trồng rau sạch và nuôi cá Hệ thống này hoạt động theo chu trình khép kín, nơi vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.
Nuôi trồng theo mô hình Aquaponics, nông dân không cần sử dụng phân bón hóa học, mà thay vào đó, họ cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng thông qua việc phân giải chất thải hữu cơ Mô hình này không chỉ giúp cây phát triển khỏe mạnh mà còn lọc và làm sạch nguồn nước, trả lại cho bể cá một cách hiệu quả.
2.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Người Maya là những người đầu tiên áp dụng phương pháp Aquaponics ở vùng đất thấp, tiếp theo là việc nuôi cá bè trong hồ của người Aztec vào thế kỷ 15 và 16 trước Công nguyên.
Người Aztec đã phát triển hệ thống canh tác độc đáo gọi là Chinampa, cho phép họ trồng cây trên đất nổi tự nhiên hoặc nhân tạo giữa các hồ Hệ thống này tận dụng bụi bẩn và nước từ các kênh rạch, và đến nay vẫn được người Mexico áp dụng trong nông nghiệp.
Hình 2.1:Mô hình canh tác Aquaponics đầu tiên của con người.
Aquaponics đã xuất hiện từ lâu tại Việt Nam, miền nam Trung Quốc, Thái Lan và Indonesia, nơi mà cá và tôm được nuôi trong ruộng lúa Đây là một phương pháp truyền thống và hiệu quả, thể hiện sự kết hợp hài hòa giữa nuôi trồng thủy sản và trồng trọt.
Vào những năm 1970, nghiên cứu mô hình thủy canh kết hợp bộ lọc sinh học trong hệ thống trại cá đã được khởi xướng, với công trình nổi bật của Tiến sĩ James Rakocy tại Đại học Quần đảo Virgin Đến năm 1997, Rakocy cùng các nhà nghiên cứu đã tiếp tục phát triển và hoàn thiện các phương pháp này, góp phần quan trọng vào lĩnh vực thủy sản và nông nghiệp bền vững.
3 Đặng Gia Trang Aquaponics – mô hình kết hợp tối ưu giữa trồng rau và nuôi cá, link https://sfarm.vn/mo-hinh- aquaponics-la-gi/ , 8/2019
Mô hình Aquaponics đã trải qua một lịch sử phát triển đáng kể, đặc biệt là từ tháng 7 năm 2019, khi việc áp dụng hệ thống nuôi nước sâu thủy canh DWC trong Aquaponics quy mô lớn được chú trọng Mô hình này không chỉ tối ưu hóa việc sản xuất thực phẩm mà còn mang lại lợi ích bền vững cho môi trường Việc kết hợp giữa nuôi trồng thủy sản và trồng cây đã mở ra hướng đi mới cho nông nghiệp hiện đại.
2.1.3 Một số loại hình trồng rau Aquaponics
Phương pháp Aquaponics tưới ngập xả cạn
Phương pháp aquaponics này thích hợp cho các hệ thống nhỏ với chi phí đầu tư thấp, nơi cây được trồng trong khay chứa giá thể đất nung sâu khoảng 30 cm Khay có lỗ thoát nước và bộ ngắt nước (xi-phone), cho phép nước từ hồ cá được bơm qua bộ lọc đến khay trồng Khi nước đạt ngưỡng bão hòa, nó sẽ được bơm trở lại hồ cá, tạo ra một chu trình tuần hoàn liên tục.
- Mô hình lắp đặt, hoạt động đơn giản, nước tuần hoàn liên tục cung cấp oxi cho cây trồng Phù hợp đa số các loại rau củ.
- Rễ cây và chất thải tàn dư tích tụ lâu ngày dễ làm tắt đường lưu thông nước.
Hình 2.2:Mô hình Aquaponics tưới ngập xả cạn.
Phương pháp Aquaponics nước cạn
Phương pháp này lý tưởng cho các khu vực trồng cây có chiều dài lớn nhưng hẹp, được thiết kế theo dạng tầng nhằm tiết kiệm diện tích Việc sử dụng ống nhựa có lỗ khoét sẵn để trồng cây sẽ làm tăng chi phí đầu tư.
- Được bố trí theo chiều dọc, không cần diện tích sử dụng quá lớn.
- Không ứng dụng được với các loại rau thân cao, phương pháp này đòi hỏi phải có bể lọc riêng để xử lý chất thải từ hồ thủy sinh.
Hình 2.3:Mô hình Aquaponics nước cạn thực tế.
Phương pháp Aquaponics nước sâu hay bè nổi
Phương pháp này lý tưởng cho các mô hình thương mại quy mô lớn, thường tập trung vào việc trồng một loại rau cụ thể Hệ thống sử dụng tấm xốp đặt trên bề mặt nước với các lỗ khoét sẵn để trồng cây, đồng thời có ống thoát nước trên thùng chứa và cần trang bị bộ lọc nước riêng.
- Có thể phát triển mô hình thương mại quá, trang trại lớn, cho năng suất cao.
- Đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao đối với người nuôi trồng, không phù hợp lắp đặt tại hộ gia đình nhỏ 5
Hình 2.4:Mô hình Aquaponics nước sâu.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước
Trên toàn cầu và tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để lắp đặt hệ thống nuôi trồng nông - thủy sản theo mô hình Aquaponics Dưới đây là những mô hình đã được nhóm tìm hiểu và tham khảo từ cả thế giới và Việt Nam.
5 Trần Nguyên Vương, Aquaponics là gì? Hệ thống Aquaponics trồng rau thủy canh, link https://www.thietbithuycanh.vn/trong-rau-thuy-canh-theo-mo-hinh-aquaponics-co-kho-khong/ , 12/2019
Mô hình Nông nghiệp công Aquaponics: Cá nuôi rau, rau nuôi cá ở Tây Ninh Farm
Mô hình Aquaponics, được Trường Đại học Khoa học Tự nhiên chuyển giao cho Văn phòng Ủy ban Nhân dân tỉnh Tây Ninh, đã được triển khai từ tháng 4/2018 Dự án "Aquaponics Tây Ninh Farm" hoàn thiện với hệ thống nhà màng, hồ cá, bể lọc và hệ thống trồng rau thủy canh, tọa lạc tại ấp Giồng Tre, xã Bình Minh, TP Tây Ninh.
Nông trại Aquaponics tại Tây Ninh đã hoạt động hiệu quả và đạt năng suất thu hoạch cao Tuy nhiên, mô hình vẫn chưa tích cực áp dụng nhiều yếu tố khoa học kỹ thuật để nâng cao hiệu quả sản xuất.
Nhu cầu về thực phẩm sạch ngày càng tăng cao đã thúc đẩy sự quan tâm đối với mô hình Aquaponics, đặc biệt ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật Bản và Israel.
Adam Navidi, một đầu bếp tại Mỹ, đã xây dựng hệ thống nuôi trồng thủy sản Aquaponics tại Yorba Linda, California, với đam mê trồng thực phẩm sạch Nhà kính của anh có từ một đến hai bể cá rô phi nuôi bằng bèo tấm, trong đó chất dinh dưỡng từ cá được lọc Amoniac và điều chỉnh nồng độ pH phù hợp Nước sau đó được bơm vào các hồ thủy canh, nơi cây trồng hấp thụ dinh dưỡng và làm sạch nước trước khi trở lại bể cá, giúp tiết kiệm nước cho những tiểu bang thường xuyên thiếu nước sạch.
Mô hình nuôi cá và rau kết hợp tại Tây Ninh đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng, mang lại lợi ích kinh tế cao và phát triển bền vững Phương pháp này không chỉ tối ưu hóa không gian mà còn giúp cải thiện chất lượng nước và tăng năng suất cây trồng Nhiều nông dân đã áp dụng mô hình này thành công, tạo ra sản phẩm sạch và an toàn cho người tiêu dùng Sự phát triển của mô hình cá-rau nuôi lẫn nhau hứa hẹn sẽ mở ra hướng đi mới cho nông nghiệp địa phương.
Với hệ thống 10 nhà kính đã cho thu hoạch cá và rau củ với sản lượng cao đem đến nguồn kinh tế ổn định cho gia đình 7
Hình 2.6:Future Food Farm - Hệ thống Aquaponics tại Mỹ
Aquaponics là mô hình thủy canh kết hợp nuôi trồng thủy sản và trồng cây, đang ngày càng phổ biến tại Mỹ Mô hình này tận dụng nước từ ao nuôi cá để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, đồng thời cây xanh giúp lọc sạch nước trước khi trở lại ao Với những lợi ích về tiết kiệm nước và tăng năng suất, aquaponics hứa hẹn là giải pháp bền vững cho nông nghiệp đô thị trong tương lai.
Các điều kiện cần ảnh hưởng hệ thống Aquaponics
3.1.1 Chu kỳ cấp thoát nước Để hệ thống hoạt động ổn định, nông thủy sản phát triển và đạt năng suất cao, người trồng cần quan tâm đến vấn đề kỹ thuật ngập nước - thoát nước cho cây đối với mô hình. Theo những nghiên cứu và kinh nghiệm từ những mô hình đi trước, việc quan tâm đến chu kỳ cấp thoát nước rất quan trọng, việc này giúp tối ưu hóa nguồn nước cho cá cũng như cung cấp phân bón hưu cơ cho cây trồng. Đối với chu kỳ cấp thoát nước dưới mô hình Aquaponics sẽ chu kỳ ngắn hơn so với mô hình canh tác dưới dạng thủy canh, thời gian lý tưởng sẽ là trong 15 phút cứ sau 45 phút. Nếu người trồng thực hiện với chu kỳ giống như thủy canh (khoảng 4 giờ đến 6 giờ) sẽ gây hiện tượng tích tụ các chất thải trong hồ, gây bệnh và nguy hiểm cho cá.
Nhiệt độ không phải là yếu tố quyết định trong mô hình trồng cây Aquaponics như trong thủy canh, nhưng nó có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển và tăng trưởng của cá Do đó, người trồng cần lựa chọn những loại cá phù hợp để đảm bảo năng suất cao hơn trong quá trình nuôi trồng.
Trong các mô hình Aquaponics tại Việt Nam, cá rô phi, cá riêu hồng, cá da trơn và cá chép là những loài cá phổ biến nhất Cá rô phi và riêu hồng không chỉ được tiêu thụ rộng rãi mà còn có khả năng thích nghi tốt với môi trường, với nhiệt độ tối ưu khoảng 28°C - 30°C (82°F - 86°F) Ở nhiệt độ này, vi khuẩn Pythium, nguyên nhân gây bệnh thối rễ ở cây trồng, rất hiếm khi xuất hiện trong mô hình Aquaponics, do đó không ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ thống.
Trong mô hình Aquaponics, nồng độ pH đóng vai trò quan trọng hơn so với thủy canh, do cần phải cân nhắc đến cả cá, cây trồng và vi sinh vật Nghiên cứu chỉ ra rằng mức pH tối ưu cho Aquaponics nằm trong khoảng 6,8 - 7,0 Người giám sát cần chú ý để tạo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của cây và thủy sản.
3.1.4 Chu trinh Ni-tơ Aquaponics
Trong hệ thống Aquaponics, bên cạnh cây trồng và thủy sản, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng, góp phần vào sự thành công và hiệu quả của mô hình này Sự tương tác giữa ba nhóm sinh vật này là bí quyết giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất trong Aquaponics.
Vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn Nitrat hóa, đóng vai trò quan trọng trong mô hình lọc nước, vì lọc cơ học chỉ loại bỏ được chất thải lớn mà không xử lý được hạt siêu nhỏ và chất hòa tan Vi khuẩn Nitrat hóa chuyển đổi Amoniac và Nitrit thành Nitrat, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng và đảm bảo nước sạch được đưa trở lại bể cá, thực hiện chức năng của bộ lọc sinh học.
Hình 3.1:Vai trò của vi sinh vật trong mô hình Aquaponics
Firebase
Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây mạnh mẽ do Google cung cấp, giúp phát triển ứng dụng di động và trang web một cách dễ dàng Với API đơn giản, Firebase không yêu cầu backend hay máy chủ, hỗ trợ cả nền tảng iOS và Android.
Firebase cung cấp một loạt sản phẩm hỗ trợ cho quá trình phát triển ứng dụng, bao gồm hai loại cơ sở dữ liệu chính: Firestore và Realtime Database Nền tảng này cho phép lưu trữ phương tiện trên đám mây và phát triển ứng dụng một cách dễ dàng mà không cần máy chủ nhờ vào sự tích hợp của Cloud Functions.
3.2.2 Cách thức hoạt động Firebase
Người dùng có thể nhanh chóng đăng ký tài khoản trên Firebase để phát triển ứng dụng Sau khi hoàn tất đăng ký, dữ liệu sẽ được cung cấp dưới dạng Json và được đồng bộ hóa theo thời gian thực với tất cả các kết nối client.
Tất cả các client đều sử dụng chung một cơ sở dữ liệu, được cập nhật tự động khi người dùng phát triển ứng dụng Dữ liệu được truyền qua kết nối SSL an toàn với chứng nhận 2048 bit Trong trường hợp mất kết nối, dữ liệu sẽ được lưu trữ tạm thời ở local nhờ tính năng tự động cập nhật của Firebase.
Khi người dùng đăng nhập vào Firebase, họ cần xác nhận danh tính qua email, Facebook hoặc tài khoản Google, điều này giúp xác thực thông tin và ngăn chặn việc đánh cắp dữ liệu Đây là một trong những tính năng nổi bật của Firebase.
Người dùng sẽ nhận được hosting đạt tiêu chuẩn bảo mật SSL từ mạng CDN, giúp các nhà phát triển tiết kiệm thời gian trong việc thiết kế và phát triển ứng dụng.
Ưu và nhược điểm của Firebase Ưu điểm:
- Tạo tài khoảng và sử dụng dễ dàng.
- Sử dụng với tốc độ cao.
- Là nền tảng đa dịch vụ.
- Phát triển giao diện người dùng một cách hiệu quả.
- Không hoạt động dựa trên máy chủ tạo khả năng tối ưu hóa hiệu xuất mở rộng database.
- Chức năng phát hiện lỗi giúp đưa ra hướng giải quyết nhanh chóng, hiệu quả.
- Sao lưu dữ liệu tự động.
- Tốc độ cập nhật và truy vấn dữ liệu hơi chậm hơn với kích thước tài liệu lớn 8
Chuẩn giao tiếp I2C
Giao tiếp I2C kết hợp những ưu điểm nổi bật của SPI và UART, cho phép người dùng kết nối nhiều thiết bị slave với một master duy nhất Ngoài ra, I2C cũng hỗ trợ khả năng điều khiển một thiết bị slave từ nhiều master khác nhau.
Sử dụng chỉ hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị với nhau.
Hình 3.2:Mô hình chuẩn giao tiếp I2C SDA (Serial Data): Đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu.
8 ITNavi - Nền tảng kết nối việc làm IT, Firebase là gì? Giới thiệu Firebase và các tính năng của Firebase, link https://itnavi.com.vn/blog/firebase-la-gi , 3/2021
SCL (Serial Clock): Dòng mang tín hiệu xung nhịp.
Khi bắt đầu chu trình truyền - nhận dữ liệu, một bit khởi tạo sẽ khởi động quá trình, theo sau là bit địa chỉ để kết nối với thiết bị mong muốn Bit đọc/ghi được sử dụng để chọn chế độ nhận hoặc truyền dữ liệu Dữ liệu sẽ được đưa lên đường truyền và được xác nhận thành công qua bit ACK/NACK Cuối cùng, sẽ có một bit kết thúc để báo hiệu hoàn tất quá trình truyền nhận.
Giao tiếp I2C không sử dụng các dòng chọn slave như SPI, do đó cần có một bit địa chỉ để đảm bảo dữ liệu được truyền chính xác giữa master và slave Bit địa chỉ này giúp master nhận biết được slave nào đang gửi dữ liệu Điều kiện khởi động (Start condition) trong giao tiếp I2C được xác định bởi một bit bắt đầu, trong đó SDA sẽ nhận tín hiệu hiếu bắt đầu truyền nhận dữ liệu với điện áp ngược lại so với tín hiệu dừng.
Địa chỉ bit bao gồm chuỗi 7 hoặc 10 bit, trong đó Master và slave sẽ so sánh địa chỉ nhận dữ liệu với địa chỉ của chính mình Nếu hai địa chỉ trùng khớp, quá trình truyền nhận dữ liệu sẽ được bắt đầu.
Bit đọc/ghi nằm ngay sau khung địa chỉ và có giá trị 1 bit Khi master gửi dữ liệu đến slave, bit này sẽ ở mức 0; ngược lại, khi master nhận dữ liệu từ slave, bit sẽ ở mức 1.
Bit ACK/NACK được sử dụng để xác nhận khi master giao tiếp với slave, nhằm đảm bảo quá trình truyền nhận dữ liệu qua việc điều chỉnh mức điện áp trên dòng SDA Khi quá trình truyền nhận khung địa chỉ và khung dữ liệu giữa master và slave hoàn tất, bit ACK sẽ được gửi lại thiết bị nhận tín hiệu với mức điện áp ở mức 0.
Khung dữ liệu, điều kiện dừng
Sau khi master nhận tín hiệu bit ACK từ slave, quá trình gửi dữ liệu bắt đầu với khung dữ liệu đầu tiên có độ dài 8 bit, gửi bit quan trọng nhất trước (MSB) Sau mỗi lần gửi thành công, bit ACK/NACK sẽ trả về tín hiệu mức 0 trên dòng SDA trước khi bắt đầu gửi dữ liệu ở khung tiếp theo.
Khi quá trình truyền dữ liệu hoàn tất, master có thể gửi yêu cầu dừng truyền nhận (Stop condition) đến slave Điều này được thực hiện bằng cách tăng điện áp từ mức thấp lên mức cao trên dòng SCL, sau đó mới chuyển điện áp từ mức thấp lên mức cao trên dòng SDA.
Ưu điểm của giao thức I2C
− Kết nối đơn giản với hai dây SDA và SCL.
− Có thể kết nối một master với nhiều slave hoặc ngược lại.
− Phần cứng đơn giản hơn với giao tiếp UART.
− Được sử dụng rộng rãi.
Nhược điểm của giao thức I2C
− Tốc độ truyền nhận dữ liệu chậm hơn so với SPI.
− Thiết bị phần cứng phức tạp hơn SPI.
− Bị giới hạn khung dữ liệu (8 bit) 9
Thuật toán Fuzzy Logic (Logic mờ)
Fuzzy Logic, được giới thiệu bởi Zadeh, L.A vào năm 1965, đã giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong tư duy con người Hiện nay, Fuzzy Logic được ứng dụng rộng rãi và mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Khác với logic truyền thống chỉ cho phép hai giá trị True hoặc False, logic mờ đánh giá sự kiện theo một giá trị thực trong khoảng 0 (False) đến 1 (True) Điều này cho phép xác định mức độ đúng sai của vấn đề một cách linh hoạt hơn, từ “ít” đến “nhiều” Các giá trị trong logic mờ không chỉ là con số mà còn là các khái niệm như “nóng”, “ấm”, “lạnh”, “mát mẻ”, giúp việc giải quyết vấn đề gần gũi hơn với cách tư duy của con người.
3.4.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ bao gồm ba khối cơ bản: khối mờ hóa, thiết bị hợp thành và khối giải mờ, cùng với khối giao điện đầu vào và giao diện đầu ra.
Hình 3.3:Các khối chức năng của bộ logic mờ
9 Đam mê điện tử, Giới thiệu chuẩn giao tiếp I2C, link https://dammedientu.vn/gioi-thieu-chuan-giao-tiep-i2c ,6/2022
Các toán tử logic trên tập mờ
− Phép hợp hay toán tử OR
− Phép giao hay toán tử AND
− Phép bù hay toán tử NOT
3.4.3 Nguyên lý hoạt động của bộ điểu khiển logic mờ
Bộ điều khiển logic mờ hoạt động dựa trên các Membership Functions (MF) đầu vào và đầu ra, cùng với nhiều quy tắc liên hệ giữa chúng Khi nhận giá trị đầu vào, bộ điều khiển thực hiện quá trình “mờ hóa” để xác định mức độ của giá trị trong các MF đã được định nghĩa Một giá trị đầu vào có thể thuộc nhiều mức khác nhau, và sau đó sẽ được chuyển đổi thành các giá trị khái niệm Bộ điều khiển xử lý các giá trị khái niệm này để tạo ra một miền giá trị từ các MF đầu ra Cuối cùng, khối “giải mờ” sẽ biến đổi ngược để cung cấp một giá trị cụ thể tại đầu ra.
Bộ điều khiển Fuzzy logic được thiết kế để đánh giá bề mặt hạ cánh cho máy bay, sử dụng các phương pháp toán học để định nghĩa và lựa chọn các biến ngôn ngữ đầu vào và đầu ra cùng với luật điều khiển Nhờ khả năng xử lý các giá trị đầu vào và đầu ra dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao, hệ thống này đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển một cách rõ ràng và chính xác.
Hệ thống Logic mờ (Fuzzy Logic) là một phương pháp xử lý thông tin cho phép máy tính đưa ra quyết định trong các tình huống không chắc chắn hoặc mơ hồ Công ty TNHH Viettel - CHT đã áp dụng công nghệ này để cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng thực tiễn Fuzzy Logic giúp tối ưu hóa quy trình ra quyết định bằng cách sử dụng các giá trị mờ thay vì chỉ các giá trị nhị phân, từ đó mang lại giải pháp linh hoạt và hiệu quả hơn trong nhiều lĩnh vực Để tìm hiểu thêm về Fuzzy Logic và ứng dụng của nó, hãy truy cập vào link sau: https://viettelidc.com.vn/tin-tuc/cam-nang-ai-he-thong-logic-mo-fuzzy-logic-la-gi.
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Giới thiệu về hệ thống Aquaponics
Hình 4.2:Mô hình tổng quát hệ thống Aquaponics
Hệ thống được thiết kế trong nhà màng kích thước 6m x 6m, tích hợp các chức năng điều khiển tự động về nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng Các thiết bị bao gồm quạt, màng cooling pad và lưới che nắng nhằm tối ưu hóa môi trường Hệ thống còn bao gồm một robot di chuyển trên ray, hồ nuôi cá, bàn trồng cây và dàn trồng cây ớt chuông, tạo điều kiện thuận lợi cho việc canh tác và nuôi trồng.
Bộ phận hồ cá bao gồm một hồ có kích thước 4m x 2m x 0.7m, được xây dựng với khung sắt hộp 20 x 20 và ba lớp bạt ni-lông Hồ có van cấp nước sạch tự động, dẫn nước từ nguồn chính vào bên trong.
Bàn cây có kích thước 3.8m x 1.2m x 0.6m được đặt bên trong hồ cá, với khung làm từ bê tông và gạch men Bên trên lớp gạch men là một lớp bạt nilong, tạo thành bể chứa trồng cây có chiều cao 10 cm so với lớp gạch men.
Bộ phận ray di chuyển của robot được chế tạo từ khung sắt hộp 30x30, lắp đặt trên hồ cá với chiều cao 1,3 m so với mặt đất Ngoài ra, bộ phận sạc cho robot được gắn tại vị trí mà robot quay về sau khi hoàn thành nhiệm vụ.
Bộ phận dàn trồng cây ớt chuông có kích thước 4m x 1,5m x 2m, được làm từ khung sắt hộp 20 x 20 Hệ thống tưới nhỏ giọt với 18 béc được lắp cố định tại mỗi chậu cây, cung cấp nước từ hồ cá theo nguyên lý hoạt động xi-phông mà không cần máy bơm.
Hệ thống này còn tích hợp một bộ phận robot chuyên phục vụ cho việc chăn nuôi cá và trồng rau, điều này sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
Robot phục vụ canh tác Aquaponic
Trong phần này, nhóm sẽ mô tả về chức năng, thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của robot.
Robot hoạt động với các chức năng chính như cho ăn, tưới phun sương, tưới tiêu, lọc nước và kiểm tra chất lượng nước Các chức năng cho ăn, tưới phun sương và tưới tiêu được điều khiển qua điện thoại và phụ thuộc vào thời gian cũng như chất lượng nước Đối với chức năng kiểm tra chất lượng nước, robot thực hiện kiểm tra hai lần mỗi ngày, di chuyển đến các vị trí để bơm nước từ hồ lên thiết bị phân tích Sau khi đánh giá, robot gửi thông tin về pH, TDS, NTU, WQI và vị trí lên màn hình điện thoại để người điều hành có thể xử lý kịp thời Khi phát hiện nước có chất lượng kém, robot tự động bơm nước ra ngoài và ngừng chức năng cho ăn để thay nước mới vào hồ.
Robot cho ăn sẽ hoạt động theo thời gian cài đặt hoặc qua điều khiển từ xa bằng điện thoại Khi kích hoạt, cơ cấu chất hành sẽ điều chỉnh lượng thức ăn dựa vào sự sinh trưởng của cá, với thời gian cho ăn tối thiểu là 1 phút Tùy thuộc vào từng loại cá, robot có thể cho ăn tại một vị trí cố định hoặc di chuyển rải thức ăn khắp hồ để phù hợp với tập tính của chúng Chức năng này sẽ tự động ngừng khi chất lượng nước xuống thấp, ảnh hưởng đến sức khỏe của cá.
Robot tưới phun sương tự động sẽ được kích hoạt theo thời gian cài đặt hoặc thông qua điều khiển từ xa bằng điện thoại Khi chức năng này hoạt động, máy bơm áp suất sẽ bắt đầu, giúp rau sạch hơn và có thể trộn dung dịch hữu cơ an toàn cho sức khỏe, từ đó hỗ trợ sự phát triển tốt hơn của rau.
Chức năng tưới tiêu và lọc nước hoạt động theo thời gian cài đặt hoặc điều khiển từ xa qua điện thoại Khi được kích hoạt, máy bơm lưu lượng sẽ bơm nước vào hồ trồng rau và lọc nước định kỳ hai lần mỗi ngày vào buổi sáng và chiều sau khi cho ăn Robot sẽ tự động di chuyển và bơm nước ra ngoài khi chất lượng nước kém, tuy nhiên, chức năng này cần sự can thiệp của con người để điều chỉnh và xoay đầu xả nước, nhằm tránh bơm nước xấu trở lại hồ.
Sau mỗi lần thực hiện chức năng như vậy, robot sẽ tự động về vị trí ban đầu để sạc pin nhằm phục vụ cho nhiệm vụ tiếp theo.
Robot có kích thước 2m x 0,3m x 0,28m, được trang bị thùng chứa dung dịch dưới đáy có kích thước 40cm x 30cm x 40cm và 5 đầu béc phun sướng phía trước Bên trong robot có các bộ phận như ắc quy, máy bơm áp suất, máy bơm lưu lượng, thiết bị cho ăn, bảng điện và bộ phận thu thập chất lượng nước Các thiết bị như máy bơm áp suất, máy bơm lưu lượng và thiết bị cho ăn được bố trí bên trái robot, lắp ghép từ trái sang phải với độ chính xác không cần cao Ắc quy và bảng mạch được lắp ghép ở giữa robot, với bảng mạch điện đặt trên ắc quy, tạo thành hai tầng bên trong: tầng 2 cho bảng mạch điện và tầng 1 cho các thiết bị còn lại.
Bộ phận thu thập chất lượng nước được chế tạo từ vật liệu PVC phi 60, với các lỗ gia công cho phép lắp đặt cảm biến pH, TDS, NTU Nhiệm vụ chính của bộ phận này là thu thập dữ liệu từ các cảm biến và hòa tan các dung dịch, nhằm nâng cao chất lượng nước.
Kết luận
Robot được sử dụng trong nhà màng nhằm giảm thiểu hư hại cho thiết bị, cây trồng và vật nuôi Các bộ phận robot được lắp đặt ở vị trí tối ưu để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng và vật nuôi Hệ thống robot này có chức năng tự động chăm sóc, theo dõi và đánh giá, bao gồm cho ăn, tưới tiêu, xử lý nước, bón vi phân và giám sát chất lượng nước cho nuôi trồng thủy sản.
PHƯƠNG ÁN VÀ GIẢI PHÁP
Cơ cấu di chuyển
Bảng 5.1:Ưu và nhược điểm của các loại cơ cấu di chuyển
Bánh xích – dây xích Bánh răng- thanh răng Bánh xe – thanh đỡ
Cơ cấu chuyển động bằng cách bánh xích là bánh chủ động và di chuyển trên dây xích.
Cơ cấu chuyển động bằng cách bánh răng là bánh chủ động và di chuyển trên thanh răng.
Cơ cấu chuyển động bằng cách bánh xe là bánh chủ động và di chuyển trên thanh đỡ. Ưu điểm:
- Không bị trượt và dao trong quá trình truyền lực, đảm bảo tỷ số vận tốc hoàn hảo.
- Chi phí bảo trì thấp.
- Chịu được điều kiện mài mòn.
- Có hoạt động trong điều kiện ẩm ướt. Ưu điểm:
Công suất truyền lớn và bộ truyền hoạt động hiệu quả là những đặc điểm quan trọng trong việc truyền chuyển động và công suất giữa hai trục bất kỳ Bộ truyền này đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo sự kết nối và hoạt động đồng bộ giữa các trục, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống cơ khí.
- Tốc độ truyền khá cao, công suất truyền lớn Tuổi thọ dài, hoạt động ổn định và độ tin cậy cao.
- Nó có thể đảm bảo một tỷ số truyền không đổi và có thể truyền chuyển động giữa hai trục ở mọi góc độ. Ưu điểm:
- Dễ dàng lắp đặt, chi phí lắp đặt thấp.
- Dễ dàng bảo trì, khả năng mài mòn thấp, tuổi thọ cao.
- Bánh xe có cao su xung quanh nên khả năng trượt không xảy ra.
- Yêu cầu thường xuyên bôi trơn.
- Không thể sử dụng trong chuyển động chính xác.
- Cần lắp đặt chính xác và cẩn thận.
- Yêu cầu về độ chính xác trong chế tạo và lắp đặt cao, do đó giá thành cũng cao.
- Nó không thích hợp để truyền đường dài.
-Yêu cầu gia công một cách chính xác, đảm bảo bánh xe luôn di chuyển trên thanh trượt
Trong dự án này, hệ thống được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường ẩm ướt, với yêu cầu bảo trì không thường xuyên và chi phí thấp Do đó, việc lựa chọn cơ cấu truyền động bánh xe – thanh đỡ là giải pháp tối ưu cho dự án.
Cơ cấu dẫn hướng
Bảng 5.2:Ưu và nhược điểm các loại cơ cấu dẫn hướng
Con trượt – thanh trượt Bánh xe V - Thanh dẫn V Ưu điểm:
- Chuyển đông tịnh tiến thẳng mượt, nhẹ nhàng với lực ma sát không đáng kể.
- Khả năng chịu trải trọng lớn
Bền bỉ, chính xác trong thời gian dài với vận tốc lớn.
- Các thanh trượt có tuổi thọ làm việc cao, khả năng hoạt động ở nhiều môi trường, nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau. Ưu điểm:
- Đơn giản, dễ dàng chế tạo và lắp đặt.
- Khả năng chịu lực lớn.
- Hoạt động bình thường ở môi trường khắc nghiệt.
- Không thể lắp đặt trong quãng đường hoạt động dài
- Nếu hoạt động 1 bánh sẽ dẫn đến bị trật ray nên cần cố định thêm 3 bánh.
- Hoạt động được trong quãng đường dài
Hệ thống trong dự án yêu cầu bộ phận dẫn hướng thiết kế đơn giản, dễ lắp đặt và bảo trì, đồng thời cần giá thành thấp Vì vậy, nhóm đã lựa chọn cơ cấu dẫn hướng bánh xe V kết hợp với thanh V.
Các loại động cơ
Để đáp ứng các yêu cầu về hệ thống điều khiển và chức năng, mô hình hệ thống cần hoạt động tự động và di chuyển linh hoạt trong không gian làm việc, việc lựa chọn động cơ nền là các loại động cơ sử dụng dòng điện DC Hiện nay, các loại động cơ DC bao gồm: động cơ DC (DC motor), động cơ bước (step motor), động cơ servo (servo motor) và động cơ bước vòng kín.
Yêu cầu về động cơ
− Dễ dàng thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với việc tưới nước phun sương với từng loại cây.
− Chịu quá tải cao, kéo được tải trọng lớn.
− Không cần độ chính xác quá cao.
− Giá thành thấp nhằm tối ưu chi phí chế tạo.
Với những tiêu chí được đưa ra thì nhóm đã quyết định chọn động cơ DC là phù hợp nhất để thiết kế hệ thống.
Động cơ DC là loại động cơ quay liên tục khi được cung cấp đủ nguồn điện thông qua hai dây: dây cấp nguồn và dây âm Khi có năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay và tiếp tục hoạt động cho đến khi nguồn điện ngừng cung cấp Hầu hết các động cơ DC hoạt động với tốc độ vòng quay mỗi phút (RPM) khá cao.
Kỹ thuật PWM (điều chế độ rộng xung) cho phép người dùng điều khiển tốc độ động cơ một cách dễ dàng hơn so với động cơ servo Kỹ thuật này tạo ra các xung nhanh để bật hoặc tắt nguồn ở một tần số nhất định, trong đó tỷ lệ phần trăm thời gian BẬT/TẮT sẽ quyết định tốc độ của động cơ Vận tốc động cơ tỷ lệ thuận với công suất, nghĩa là khi động cơ hoạt động ở 50% công suất, vận tốc của nó sẽ chỉ đạt một nửa so với vận tốc tối đa ở 100% công suất.
− Tiêu thụ điện năng ít hơn so với các động cơ điện một chiều khác.
− Thiết kế đơn giản, có độ bền cao.
− Có khả năng hoạt động thay đổi tốc độ quay dễ dàng.
− Độ tin cậy cao vì
− Khả năng chịu được tải trọng cao.
− Tạo tiếng ồn khi hoạt động.
− Độ chính xác không cao.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Tính toán thiết kế cơ khí
Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình tính toán và thiết kế hệ thống truyền động cùng với cấu trúc phần cứng của robot, nhằm đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định trong mô hình.
6.1.1 Yêu cầu thiết kế Để hoàn thành một mô hình hoàn chỉnh dựa trên ứng dụng của robot chúng ta cần thỏa mãn những yêu cầu thiết kế sau:
- Robot di chuyển trên thanh ray, nên phải đáp ứng được việc di chuyển chính xác trên đường ray tránh việc lệch ra khỏi hướng đi.
- Thay ray phải đảm bảo chịu được tải trọng của Robot không bị biến dạng trong quá trình hoạt động.
- Tính toán, lựa chọn các cơ cấu phù hợp với điều kiện làm việc.
Thiết kế bản vẽ và mô hình 3D là bước quan trọng giúp đánh giá và hình dung cơ cấu robot trong thực tế Qua đó, chúng ta có thể thực hiện những thay đổi cần thiết, đảm bảo tính tiện lợi và hiệu quả cho quá trình chế tạo sau này.
6.1.2 Tính toán hệ thống truyền động
Sau khi phân tích các hệ thống dẫn động, nhóm đã quyết định chọn hệ thống dẫn động với hai bánh chủ động, di chuyển trên thanh ray vuông Mỗi bên bánh được trang bị hai bánh xe rãnh để đảm bảo khả năng vận hành ổn định và hiệu quả.
V di chuyển trên thanh ray V nhằm để dẫn hướng truyền động đảm báo bánh xe chủ động không bị lệch khỏi quỹ đạo.
Hình 6.1:Sơ đồ động học chuyển động Robot
Tính toán lựa chọn động cơ
Mô hình vật lý được áp dụng để mô hình hóa tính toán chọn động cơ cho Robot Các thông số đầu vào của robot:
− M = 40(kg): tổng tải trọng lên robot;
− R = 7.25(cm): bán kính bánh xe nhôm, vỏ cao su;
− v = 0.3(m/s): vận tốc dài tối đa mong muốn.
Hình 6.2:Sơ đồ phân bố lực Tổng trọng lực tác dụng lên mặt đế Robot như sau:
Robot được thiết kế với 2 bánh chủ động và 4 bánh rãnh V dẫn hướng, được bố trí cân đối, giúp phân phối phản lực mặt đất phẳng đồng đều lên mỗi bánh.
Để robot hoạt động hiệu quả, hai bánh chủ động cần tạo ra lực kéo ban đầu lớn hơn lực ma sát tĩnh tối đa với bề mặt thanh vuông Với hệ số ma sát của vỏ bánh cao su so với bề mặt kim loại thanh ray là μ1 = 0.8 và hệ số ma sát của bánh rãnh V với thanh định hướng kim loại là μ2 = 0.18, lực ma sát tĩnh có thể được tính toán dựa trên các hệ số này.
Từ biểu thức (6.3), ta có thể xác định được lực kéo của động cơ
Từ đó tính ra mô-men cần thiết của động cơ như sau: 6
Với tốc độ tối đa đầu vào là v = 0.5 (m/s), ta tính được tốc độ góc của bánh xe cần thiết như sau:
Và tốc độ vòng quay của của bánh xe (tốc độ vòng quay trục làm việc) như sau:
Công suất làm việc trên trục bánh xe được tính dựa vào công thức sau:
Bộ truyền động trực tiếp từ hai động cơ đến hai bánh chủ động, do đó, hiệu suất của hệ thống mỗi bánh được xác định dựa trên bộ truyền này.
� = 1;� đ =1 Qua đó ta tính được công suất cần thiết của động cơ
Tốc độ vòng quay cần thiết của động cơ như sau:
Tốc độ góc cần thiết của động cơ như sau:
Mo-men xoắn cần thiết của động cơ như sau:
Thay các thông số đã cho ban đầu vào các biểu thức vừa mới thành lập, ta có được bản giá trị các thông số như sau:
Bảng 6.1:Thông số kỹ thuật yêu cầu của truyền động đế Robot
Mô-men xoắn trên trục động cơ (� �) 4.62 Mô-men xoắn trên trục làm việc (� �) 4.62
Tốc độ vòng quay trên trục động cơ (RPM) 39.5
Tốc độ vòng quay trên trục làm việc (RPM) 39.5
Công suất trục làm việc (W) 19.2
Công suất trục động cơ (W) 19.2
Qua quá trình tính toán và tìm kiếm động cơ phù hợp những yêu cầu ở trên thì nhóm em đã lựa chọn là Động cơ giảm tốc DCM50-775.
Hình 6.3:Động cơ DCM50-775 12VDC 50RPM
Bảng 6.2:Thông số kỹ thuật của động cơ DCM50-775-12VDC-50RPM
Thông số Giá trị Điện áp (VDC) 12
Tốc độ trước giảm tốc (RPM) 6000
Tốc độ sau giảm tốc (RPM) 50
Tỉ số truyền hộp số 116:1
Qua đó thấy rằng thông số của động cơ đáp ứng với các yêu cầu cơ bản có được từ quá trình mô hình hóa và tính toán.
6.1.3 Phân tích động học Động học của bánh xe
Bánh xe được chế tạo từ nhôm có độ bền cao, đảm bảo khả năng di chuyển ổn định trên bề mặt phẳng, giúp giảm thiểu tối đa nguy cơ biến dạng, gần như là không có.
Theo giáo trình ô tô 1 - Chương 3 “Cơ học lăn của bánh xe” của thầy Đặng Quý, trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, khi bánh xe hoạt động, có nhiều hiện tượng cơ học diễn ra, ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động của bánh xe.
11 Đặng Quý (chủ biên), “Giáo trình ô tô (tập 1)” Nhà xuất bản Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Tp.HCM., 2001.
Một số trường hợp khi bánh xe chuyện động trong thực tế
Bánh xe không biến dạng
- � � : bán kính lăn bánh xe
Thiết kế sơ bộ có:
- Từ công thức (6.5) ta có:
- Hệ số ma sát kéo� � = 0,1
Bánh xe lăn không trượt
Giả sử khi hoạt động bình thường thì bánh xe không bị trượt.
Trong hình 6.4, bánh xe lăn không trượt cho thấy rằng tốc độ của tâm bánh xe, tương đương với tốc độ của xe, bằng với tốc độ góc Cụ thể, tốc độ thực tế v đạt được bằng tốc độ lý thuyết ω0.
Do vậy, tâm quay tức thời (cực P) của bánh xe nằm trên vòng bánh xe và bán kính lăn bằng bán kính tính toán:
�� = �� = 72,5 (��) Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe khi lúc đó�δ = 0
Bánh xe lăn có trượt quay (trong trường hợp tải lớn)
Bánh xe lăn có trượt quay xảy ra khi có lực kéo, khiến tốc độ thực tế của tâm bánh xe nhỏ hơn tốc độ lý thuyết Trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, theo quy luật phân bố vận tốc, sẽ xuất hiện một vận tốc trượt ngược hướng với véc-tơ vận tốc dài của bánh xe.
- Hệ số ma sát kéo:
Từ biểu thức (6.14) ta có: v = � − �0 = 0,45 − 0,5 =− 0,05 < 0
Bánh xe trượt quay hoàn toàn (bánh xe chủ động quay, xe đứng yên)
Bánh xe trượt quay hoàn toàn khi�� = 1
Hình 6.6:Bánh xe trượt hoàn toàn
Bánh xe lăn có trượt lết xảy ra khi bánh xe bị phanh dừng, dẫn đến tốc độ thực tế v lớn hơn tốc độ lý thuyết Trong tình huống này, cực P nằm bên ngoài bánh xe và tốc độ trượt δ xuất hiện tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, theo cùng chiều với chuyển động.
Hình 6.7:Bánh xe trượt lết
Ta có hệ số trượt khi phanh là:
Từ biểu thức (6.14) ta có:� = v+ �0 = ����+ v = ����
Bánh xe trượt lết hoàn toàn (bánh xe bị hãm cứng không quay, xe và bánh xe vẫn chuyển động tịnh tiến)
Kết luận cho thấy rằng với vận tốc mong muốn 0,3 m/s, tất cả các trường hợp mô hình hóa và tính toán đều đáp ứng điều kiện, vì vận tốc mong muốn nhỏ hơn trong các trường hợp này Do đó, khả năng làm việc của hệ thống robot vẫn duy trì trong mức ổn định và hiệu quả.
Hình 6.8:Biểu diễn hướng, vị trí và kích thước của bệ robot
Mô hình động học của robot với hai bánh xe vi sai chủ động cho phép chúng ta xây dựng các giả thuyết về chuyển động của bánh xe trên mặt phẳng Oxy.
Thứ nhất, Robot có thể di chuyển trong mặt phẳng trong khi trục Z luôn luôn vuông góc với mặt phẳng Oxy.
Thứ hai, bánh xe có thể lăn về phía trước không trượt mà không phải đưa ra những ràng buộc, hạn chế cho robot.
Trong một khoảng thời gian ngắn, ngay cả khi robot di chuyển thẳng về phía trước, nó vẫn di chuyển trên một cung tròn có bán kính R0 và tâm I.
Thứ tư, khung và các liên kết cơ khí của robot chắc chắn, khối lượng không đổi và bánh xe chỉ tải các thành phần cấu tạo của robot.
Hình 6.9:Mô tả động học di chuyển của bánh xe
Mô hình động học của robot được thể hiện trong hình 4.3, trong đó vận tốc góc của tâm C gần như quay quanh điểm I Dựa vào đó, chúng ta có thể thiết lập các phương trình (6.16) và (6.17).
Từ (6.16) và (6.17), ta suy ra được vận tốc góc của tâm C robot:
Với b là khoảng cách giữa bánh xe và tâm C của robot.
Bán kính R0của cung tròn mà robot di chuyển được thể hiện bằng:
Vận tốc thẳng của robot di chuyển tại cung tròn là:
Tính toán thiết kế hệ thống điện
Để robot thực hiện các chức năng cần thiết, ngoài hệ thống cơ khí, cần có hệ thống điện và điều khiển để thu thập dữ liệu môi trường và tương tác với con người Hệ thống cảm biến đóng vai trò quan trọng, cung cấp tín hiệu đầu vào như vị trí hiện tại của robot và các thông số liên quan đến chất lượng nước Giao diện tương tác cho phép người dùng gửi tín hiệu đầu vào qua màn hình hoặc từ xa qua internet Tất cả tín hiệu và dữ liệu đầu vào sẽ được gửi về máy tính trung tâm để xử lý, từ đó xuất ra các tín hiệu và thông tin đầu ra thông qua các cơ cấu chấp hành như động cơ và màn hình tương tác.
Robot cần một hệ thống an toàn để bảo vệ hệ thống điện khỏi hư hỏng khi xảy ra sự cố, đồng thời đảm bảo an toàn cho robot trước các tác động từ môi trường Cấu trúc của hệ thống điện và điều khiển được trình bày trong hình bên dưới.
Hệ thống điện và điều khiển được chia thành ba phần chính Phần đầu tiên là mạch điều khiển và giám sát vị trí robot (slave 1), có nhiệm vụ thu thập tín hiệu từ cảm biến siêu âm và hồng ngoại, đồng thời điều khiển chuyển động của robot thông qua hai động cơ Phần thứ hai là mạch điều khiển và giám sát chất lượng nước (slave 2), sử dụng ba cảm biến (pH, NTU, TDS) để điều khiển ba động cơ phục vụ việc cho ăn và tưới phun sương với nước và phân vi sinh Cuối cùng, phần ba là mạch trung gian, có chức năng gửi và nhận dữ liệu từ máy tính và điện thoại, cũng như giao tiếp với hai mạch slave qua giao thức I2C.
6.2.1 Lựa chọn linh kiện điện
Mô-đun truyền nhận wifi ESP8266
Hình 6.20:Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266
Bảng 6.9:Bảng thông số kỹ thuật Kit RF thu phát Wifi ESP8266 Đặc tính Kit RF thu phát Wifi ESP8266
Phiên bản firmware NodeMCU Lua
Mạch nạp và giao tiếp UART CP2102
Cấp nguồn 5VDC MicroUSB hoặc Vin
GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
HDIM 2 cổng HDMI, với ngõ ra 4K
Nguồn USB-C - Cấp nguồn qua cổng USB-C
- Hỗ trợ dòng 3A Miscro SD Card Dùng chứa hệ điều hành, lưu trữ dữ liệu, dễ dàng tháo/lắp
Chân GPIO 40 chân GPIO, 5 x UART, 5 x I2C, 5 x SPI
Hình 6.21:Sơ đồ chân GPIO của Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua
Vi điều khiển Arduino Nano
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3, sử dụng vi điều khiển Atmega328 P-AU dán Điểm nổi bật của Arduino Nano là có thêm 2 chân Analog A6 và A7, tương tự như Arduino Uno R3 Ngoài ra, Arduino Nano còn có khả năng hoạt động với công suất cao nhất tương ứng với khả năng của nó.
Hình 6.22:Sơ đồ chân Arduino Nano
Bảng 6.10:Thông số kỹ thuật của Arduino Nano được thể hiện như sau
Vi điều khiển Arduino Nano Thông số kỹ thuật
Bộ nhớ Flash 32 KB of which 2 KB used by
Bootloader Điện áp ngõ vào 7-12V
Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V
Kích thước bo mạch 18 x 45 mm
Mạch điều khiển động cơ 2 động cơ XY - 160D
Hình 6.23:Mạch điều khiển động cơ 2 động cơ XY - 160D Mạch điều khiển động cơ 2 động cơ XY - 160D có khả năng điều khiển hai động cơ
Dòng điện DC cung cấp lên tới 7A và hoạt động với điện áp từ 6.5V đến 27V Tín hiệu đầu vào được cách ly bảo vệ điện áp, giúp ngăn ngừa hỏng mạch do sự cố của động cơ Ngoài ra, thiết bị còn có chức năng phanh động cơ khi hai đầu vào ở mức 0 và thả tự do khi đầu vào đạt mức 1.
Bảng 6.11:Thông số kỹ thuật động cơ XY - 160D
Module Mạch điều khiển động cơ 2 động cơ
Công suất tối đa 160W/1 động cơ
Tần số điều khiển tối đa 10KHz
Dòng tối đa cho mỗi cầu H 7A
Cảm biến độ pH DFRobot Gravity
Cảm biến độ pH DFRobot Gravity là bộ kit cảm biến pH analog dành cho Arduino, được thiết kế để đo nồng độ pH trong nước thải Bộ sản phẩm bao gồm một que đo và một mạch điều khiển, có chức năng khuếch đại tín hiệu để tạo ra tín hiệu analog, được xử lý bởi ADC của vi điều khiển.
Bảng 6.12:Thông số kỹ thuật Cảm biến độ pH DFRobot Gravity
Module Cảm biến độ pH DFRobot Gravity Điện áp 5V
Nhiệt độ làm việc 0~60 ℃ Độ tin cậy ±0.1PH (25℃)
Thời gian đáp ứng ≦1 phút
Cảm Biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot Gravity
Cảm biến tổng chất rắn hòa tan DFRobot Gravity là một thiết bị đo TDS (Total Dissolved Solids) cho Arduino, giúp xác định chất lượng nước Chỉ số TDS cho biết lượng miligam chất rắn hòa tan trong một lít nước; giá trị TDS cao đồng nghĩa với nồng độ chất rắn hòa tan cao, dẫn đến nước kém sạch.
Cảm biến tổng chất rắn hòa tan DFRobot Gravity là một cảm biến TDS Analog dành cho Arduino, bao gồm một que đo và một mạch điều khiển để xử lý tín hiệu Cảm biến này cung cấp tín hiệu Analog, được xử lý bởi ADC của vi điều khiển, và có khả năng giao tiếp với các bo mạch ở hai mức điện áp 3.3VDC hoặc 5VDC.
Hình 6.25:Cảm Biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot Gravity
Cảm biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot Gravity có điện áp vào từ 3.3 đến 5.5V và điện áp ra từ 0 đến 2.3V, mang lại hiệu suất ổn định cho các ứng dụng đo lường chất lỏng.
Cường độ dòng điện 3 ~ 6mA
Phạm vi đo 0 ~ 1000ppm Độ chính xác ± 10% F.S (25 ℃)
Kích thước Mô đun 42 x 32mm
Cảm Biến Đo Độ Đục Của Nước DFRobot Gravity
Cảm biến đo độ đục của nước DFRobot Gravity là một thiết bị analog dành cho Arduino, được sử dụng để xác định chất lượng nước bằng cách đo mức độ đục Cảm biến này hoạt động bằng cách đo vận tốc lan truyền và khúc xạ ánh sáng, từ đó xác định số lượng chất rắn lơ lửng (TSS) trong nước Khi TSS tăng, mức độ đục của chất lỏng cũng sẽ tăng theo.
The DFRobot Gravity Turbidity Sensor for Arduino features adjustable output options, allowing users to select between Analog and Digital modes using a switch on the sensor In Digital mode, the sensor includes a potentiometer for fine-tuning the turbidity level measurement.
Bảng 6.14:Thông số kỹ thuật
Module Cảm Biến Đo Độ Đục Của Nước
DFRobot Gravity Điện áp đầu vào 5V DC
Dòng điện hoạt động 40mA (Max)
Thời gian đáp ứng 80, robot sẽ lùi với xung PWM là 100; nếu 50 < disS < 80, xung PWM sẽ là 50; và nếu disS < 0, robot sẽ dừng lại Tương tự, khi robot di chuyển tới, cảm biến siêu âm phía trước sẽ cung cấp giá trị disT để điều chỉnh hành động của robot.
Xác định ví trị hồ đang khảo sát
Hình 6.42:Lưu đồ đọc giá trị logic từ cảm biến hồng ngoại
Để xác định vị trí hồ từ cảm biến hồng ngoại, nếu giá trị i đọc được từ slave 2 (Arduino Nano 2) là 0, hệ thống sẽ thực hiện hàm đi lùi và giảm biến đếm Counter Ngược lại, nếu i = 1, hệ thống sẽ thực hiện hàm di chuyển tiến và tăng biến đếm Counter.
Robot di chuyển theo vị trí được yêu cầu
Hình 6.44:Lưu đồ di chuyển theo vị trí được yêu cầu
Giá trị Pos từ slave 2 (Arduino Nano 2) được nhận từ điện thoại Nếu Pos bằng Counter, robot sẽ thực hiện hàm đi tới và tăng biến đếm Counter Nếu Pos nhỏ hơn Counter, robot sẽ di chuyển lùi và giảm biến đếm Counter Ngược lại, nếu Pos lớn hơn Counter, robot sẽ dừng lại.
Điều khiển động cơ bơm lưu lượng nước
Hình 6.45:Lưu đồ điều khiển động cơ bơm nước.
WQI là giá trị nhận được từ bộ điều khiển Fuzzy gửi về Timer.
Timer là giá trị đếm số lần ON/OFF từ Timer relay
M2 là giá trị nhận từ điện thoại gửi xuống bộ điều khiển.
Thiết kế bộ cung cấp thức ăn tự động cho cá
Việc thiết kế bộ cung cấp thức ăn tự động giúp tiết kiệm thời gian cho người dùng, tránh việc phải đến hồ cho cá ăn hàng ngày Thiết bị này cung cấp thức ăn phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cá đồng, dựa trên lượng thức ăn đã được quy định sẵn Hệ thống cho ăn tự động cho phép chia nhỏ thức ăn theo từng thời điểm trong ngày, giảm thiểu tình trạng dư thừa thức ăn và bảo vệ môi trường nước Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Inventor để phát triển mô hình thiết bị cho cá ăn.
Để chế tạo thiết bị cung cấp thức ăn cho cá, nhóm đã chọn vật liệu ống nhựa PVC với đường kính 110 mm và 60 mm, cùng thùng nhựa để chứa thức ăn Việc sử dụng vật liệu này không chỉ giúp thiết kế trở nên đơn giản hơn mà còn ngăn ngừa tình trạng rỉ sét, từ đó bảo vệ chất lượng thức ăn cho cá Động cơ DC 12V với hộp số và tốc độ vòng quay thấp được sử dụng để dễ dàng kiểm soát lượng thức ăn cung cấp.
Sau khi thực nghiệm và đánh giá nhiều lần, chúng tôi xác định rằng thiết bị cung cấp 300 gam thức ăn cho cá trong 10 giây với loại hạt cám kích thước 3 - 5 mm Từ kết quả này, người nuôi trồng có thể tính toán lượng thức ăn cần thiết để đáp ứng đúng nhu cầu cho số lượng cá đang nuôi.
Hình 6.47:Lưu đồ điều khiển thiết bị cung cấp thức ăn cho cá.
WQI là giá trị nhận được từ bộ điều khiển Fuzzy gửi về Timer.
Timer là giá trị đếm số lần ON/OFF từ Timer relay
M3 là giá trị nhận từ điện thoại gửi xuống bộ điều khiển.
Thiết kế bộ đánh giá Fuzzy logic cho chất lượng nước
Trong bài viết này, nhóm sẽ giới thiệu phương pháp đánh giá chất lượng nước cho hệ thống nuôi cá tra thông qua việc ứng dụng Fuzzy logic Nghiên cứu được thực hiện dựa trên bài báo khoa học của ThS Huỳnh Trường Giang thuộc Khoa Thủy sản, Đại học Cần Thơ.
6.6.1 Xác đinh đầu vào và đầu ra
Hình 6.48:Giá trị đầu vào pH Giá trị đầu vào của pH là từ 0 đến 14, nhóm chia làm 5 khoảng (1 v_bad, 2 Bad, 3. good, 4 badd, 5 v_badd)
− Khoảng 1: (0, 7) trong đó đỉnh là 0 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất xấu.
− Khoảng 2: (0, 7) trong đó đỉnh là 3.5 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng xấu.
− Khoảng 3: (3.5, 10.5) trong đó đỉnh là 7 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng tốt.
− Khoảng 4: (7, 14) trong đó đỉnh là 10.5 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng xấu.
− Khoảng 5: (7, 14) trong đó đỉnh là 14 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất xấu.
12 ThS Huỳnh Trường Giang: Chất lượng nước cho hệ thống nuôi cá tra, pp 1-2, Tạp chí khoa học trường Đại học Cần Thơ, 2023.
Hình 6.49:Biểu đồ đầu vào NTU Giá trị đầu vào của NTU là từ 0 đến 5, nhóm chia làm 5 khoảng (1 V_good,2 good, 3. medium, 4 Bad, 5 V_bad)
− Khoảng 1: (0, 1.25) trong đó đỉnh là 0 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất tốt.
− Khoảng 2: (0, 2.5) trong đó đỉnh là 1.25 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng tốt.
− Khoảng 3: (1.25, 3.75) trong đó đỉnh là2.5 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng trung bình.
− Khoảng 4: (2.5, 5) trong đó đỉnh là 3.75 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng xấu.
− Khoảng 5: (3.75, 5) trong đó đỉnh là 5 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất xấu.
Hình 6.50:Biểu đồ đầu vào TDS Giá trị đầu vào của TDS là từ 0 đến 1000, nhóm chia làm 4 khoảng (1 good,2. medium, 3 bad, 4 V_bad)
− Khoảng 1: (0, 100) trong đó đỉnh là 0 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng tốt.
− Khoảng 2: (0, 300) trong đó đỉnh là 100 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng trung bình.
− Khoảng 3: (100, 1000) trong đó đỉnh là 500 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng xấu.
− Khoảng 4: (500, 1000) trong đó đỉnh là 100 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất xấu.
Hình 6.51:Biểu đồ đầu ra WQI Giá trị đầu ra của WQI (Chất lượng nước) là từ 0 đến 5, nhóm chia làm 5 khoảng (1. V_good,2 good, 3 medium, 4 Bad, 5 V_bad)
− Khoảng 1: (0, 25) trong đó đỉnh là 0 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất xấu.
− Khoảng 2: (0, 75) trong đó đỉnh là 25 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng xấu.
− Khoảng 3: (25, 75) trong đó đỉnh là50 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng trung bình.
− Khoảng 4: (50, 100) trong đó đỉnh là 75 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng tốt.
− Khoảng 5: (75, 100) trong đó đỉnh là 100 Tương ứng với giá trị đạt ở ngưỡng rất tốt.
Bảng 6.20:Luật giữa NTU và pH
VB VB VB B VB VB
Bảng 6.21: Luật giữa NTU và TDS
Bảng 6.22:Luật giữa TDS và pH
VB VB VB B VB VB
Hình 6.52:Mô hình tạo luật fuzzy logic cho đánh giá chất lượng nước
Với sơ đồ trên ta có thể thấy rằng, luật được tạo ra sẽ liên kết chặc chẽ với nhau và mạch thiết không có tính rời rạc.
6.6.3 Kết quả mô hình cho 3 đầu vào và 1 đầu ra
Biểu đồ chất lượng nước cho thấy trạng thái tốt nhất với chỉ số WQI đạt 80% Các giá trị đầu vào bao gồm pH là 7, NTU là 0 và TDS là 0.
Biểu đồ chất lượng nước cho thấy trạng thái xấu nhất với chỉ số WQI đạt 8%, dựa trên ba giá trị đầu vào: pH là 0, NTU là 5 và TDS là 1000 Đây là kết quả không khả quan nhất.
Hình 6.55:Biểu đồ chất lượng nước trạng thái xấu Biều đồ kết quả WQI bằng 35% với 3 giá trị đầu vào (pH: 5, NTU: 3, TDS: 400) Đây là kết quả xấu.
Biểu đồ chất lượng nước cho thấy chỉ số WQI đạt 53%, dựa trên ba giá trị đầu vào: pH 5, NTU 0 và TDS 100 Đây là kết quả trung bình của quá trình đánh giá chất lượng nước.
Hình 6.57:Biểu đồ chất lượng nước trạng thái mức khá Biều đồ kết quả WQI bằng 72% với 3 giá trị đầu vào (pH: 7, NTU: 1, TDS: 10) Đây là kết quả khá.
Kết quả WQI cho thấy quá trình kiểm định và đánh giá chất lượng nước rất nghiêm ngặt Mặc dù các giá trị pH, NTU và TDS đạt tiêu chuẩn, kết quả kiểm định chỉ đạt 80%, chưa đủ ngưỡng 90%-100% Sự kiểm tra chặt chẽ này giúp người điều hành hệ thống luôn chú trọng đến chất lượng nước, đặc biệt trong việc nuôi các loài cá có giá trị kinh tế cao.
Thiết kế giao diện phần mềm giám sát, điểu khiển trên điện thoại
Để thiết kế giao diện phần mềm dễ sử dụng cho mọi người, nhóm chúng tôi chú trọng vào việc cập nhật thông số kỹ thuật nhanh chóng và chính xác Chúng tôi đã nghiên cứu và tham khảo một số công cụ tạo giao diện phần mềm điều khiển qua internet, trong đó Firebase nổi bật như một công cụ hỗ trợ hiệu quả trong việc xây dựng và phát triển giao diện cho hệ thống Đặc biệt, Firebase tương thích với cả hai hệ điều hành phổ biến hiện nay là iOS và Android.
Hình 6.58:Giao diện thiết kế phầm mềm điều khiển
Hình 6.59:Giao diện lập trình phần mềm
13 Code First with Hala, “Python + Firebase Authentication signup and login tutorial”, Internet: https://www.youtube.com/watch?v=LaGYxQWYmmc&list=PLs3IFJPw3G9Jwaimh5yTKot1kV5zmzupt ,2020
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả thi công hệ thống Robot
Thiết kế hệ thống cơ khí dành cho mô hình robot phục vụ trong mô hình Aquaponics.
Dựa trên các yêu cầu về nhiệm vụ, chức năng và độ bền của hệ thống cơ khí đã được trình bày trong phần tính toán thiết kế, nhóm đã phát triển mô hình hệ thống tương ứng.
Hình 7.1:Hệ thống nhà màng trên thực tế.
Hình 7.2:Hình ảnh tổng quan mô hình sau khi hoàn thành.
Hình 7.3:Hệ thống Robot phục vụ canh tác Aquaponics thực tế.
Sau khi hoàn thành chế tạo robot phục vụ canh tác trong nhà màng theo mô hình Aquaponics, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng hệ thống robot đã đáp ứng hầu hết các yêu cầu kỹ thuật và chức năng đã đề ra.
Thiết kế hệ thống điện dành cho mô hình robot phục vụ trong mô hình Aquaponics.
Một số hình ảnh thực tế sau khi nhóm hoàn tất thiết kế hệ thống điện.
Hình 7.4:Hình ảnh hệ thống điện sau khi hoàn thành.
Hình 7.5:Hệ thống cảm biến đo chất lượng nước.
Hình 7.6:Kết nối hệ thống điện của động cơ bơm nước và thiết bị cho cá ăn.
Thiết kế hệ thống điều khiển - giám sát thông qua Internet sử dụng trên điện thoại.
Hình ảnh giao diện phần mềm điều khiển thực tế sau hoàn thành.
Hình 7.7:Giao diện điều khiển của App đối với hệ thống Robot.
Chất lượng nước sau khi qua bộ lọc
Hình 7.8:Chất lượng nước sau khi qua 2 lần lọc
Bảng 7.1:Bảng thông số kiểm tra chất lượng nước
Số lần lọc pH TDS NTU WQI Thời gian
Nước ban đầu chưa lọc có nhiều cặn và đục với pH: 5, TDS: 76, NTU: 173 và WQI 66,7% Sau 2 tiếng lọc lần đầu, nước được cải thiện với pH: 6, TDS: 34, NTU: 150 và WQI 70,8% Hình ảnh cho thấy nước có màu hơi phèn, không ảnh hưởng đến cá Sau 5 tiếng lọc lần thứ 2, nước trong hơn với pH: 6.5, TDS: 13, NTU: 100 và WQI 75,6%, đảm bảo cá phát triển khỏe mạnh Tuy nhiên, cần thay nước mới định kỳ để duy trì chất lượng nuôi cá.
Sau 45 ngày nuôi, cá đã phát triển đồng đều và khỏe mạnh, không mắc bệnh ngoài da, với chiều dài ban đầu là 6cm và sau 1,5 tháng đạt 16cm, tăng 10cm, trong khi bề ngang cũng tăng từ 1.5cm lên 3.5cm Tỉ lệ cá chết chỉ là 2%, tương đương với 6 con trong tổng số 300 con cá giống Điều này cho thấy hệ thống nuôi và robot đã hoạt động hiệu quả, mang lại năng suất và chất lượng cao hơn so với phương pháp nuôi truyền thống, đồng thời giảm thiểu sức lao động cần thiết.
Sau 10 ngày trồng, rau xà lách đạt chiều cao 22 cm và đường kính 21 cm, cho thấy sự sinh trưởng nhanh chóng Điều này khẳng định rằng mô hình trồng rau sạch ngắn hạn là hoàn toàn hợp lý.
Đánh giá kết quả
Sau khi hoàn thành hệ thống robot hỗ trợ canh tác trong nhà theo mô hình Aquaponics, chúng tôi đã đạt được những kết quả đáp ứng đầy đủ các yêu cầu ban đầu.
Hệ thống đã đáp ứng được các chức năng sau:
− Thực hiện được chức năng phun sương tự động.
Hệ thống tưới xã tràn sử dụng máy bơm và quy trình lọc sinh học qua các lớp vật liệu như cát, than vụn, đất sét nung và sơ dừa, giúp loại bỏ chất thải hữu cơ và chất hòa tan nhờ vào rễ cây Kết quả thực nghiệm cho thấy nước được lọc sạch hơn, trong suốt hơn và nồng độ chất hòa tan giảm so với nước ban đầu, đảm bảo nước sạch được trả về bể cá.
− Chức năng cung cấp thức ăn cho cá được đảm bảo thông qua thời gian cài đặt sẵn phù hợp với từng loại thủy sản.
Đã tiến hành kiểm tra và đánh giá chính xác nồng độ pH, nồng độ chất rắn hòa tan (TDS) và độ đục của nước bằng các cảm biến chuyên dụng như pH, NTU và TDS.
Chức năng giám sát chất lượng nước đã được triển khai, cho phép gửi các thông số kỹ thuật qua ứng dụng điện thoại và điều khiển ở chế độ Manual Tuy nhiên, thời gian cập nhật thông tin vẫn còn chậm.
7.2.2 Về độ bền, độ ổn định của hệ thống
Hệ thống hoạt động ổn định theo yêu cầu ban đầu, với thanh ray và thanh dẫn hướng không bị biến dạng Trong suốt quá trình hoạt động của robot, không xuất hiện hiện tượng rung lắc.
− Phần mềm điều khiển dễ dàng cài đặt trên điện thoại đối với cả hệ điều hành IOS và Androi.
7.2.3 Về mức độ thân thiện với con người.
− Phần mềm điều khiển có giao diện đơn giản, dễ dàng sử dụng đối với người sử dụng.