TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH AQUAPONICS
Tổng quan về mô hình Aquaponics
2.1.1 Mô hình Aquaponics là gì?
Aquaponics là bắt nguồn từ tiếng Pháp được ghép từ Aquaculture (nuôi trồng thủy sản) và Hydroponics (thủy canh) Một cách đơn giản, aquaponics là mô hình trồng rau sạch kết hợp nuôi cá Hệ thống thủy canh được thực hiện trong điều kiện là chu trình khép kín với sự hỗ trợ của vi sinh vật.
Nuôi theo mô hình Aquaponics, người nông dân không phải bón thêm phân bón cho cây trồng mà ngược lại cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng bằng cách phân giải chất thải hữu cơ thành các chất cần thiết cho cây trồng, đồng thời lọc, làm sạch và trả lại nguồn nước cho bể cá 3
2.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Từ ngày xưa, người Maya lần đầu tiên sử dụng Aquaponics ở vùng đất thấp, sau đó là nuôi cá bè trong hồ của người Aztec vào thế kỷ 15 và 16 trước Công nguyên.
Người Aztec canh tác đất nổi tự nhiên hoặc nhân tạo giữa các hồ Cây sẽ bị bụi bẩn và nước từ kênh rạch Hệ thống Aztec được gọi là Chinampa và vẫn được người Mexico sử dụng cho đến ngày nay 4
Hình 2.1: Mô hình canh tác Aquaponics đầu tiên của con người.
Những ví dụ sớm nhất về aquaponics có thể được tìm thấy ở Việt Nam, miền nam Trung Quốc, Thái Lan và Indonesia, nơi cá và tôm được nuôi trên ruộng lúa Đây là một cách tiếp cận ban đầu đối với aquaponics.
Vào những năm 1970, việc nghiên cứu mô hình thuỷ canh kết hợp bộ lọc sinh học trong các hệ thống trại cá đã bắt đầu và nổi bậc nhất là công trình của Tiến sĩ James Rakocy tại Đại học Quần đảo Virgin Đến năm 1997, Rakocy và những nhà nghiên cứu cùng ông đã
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
4 Tiêu Hồng Trân, Lịch sử phát triển của mô hình Aquaponics, link https://raucasach.com/lich-su-phat-trien-cua- mo-hinh-aquaponics/ , 7/2019 phát triển và sử dụng mô hình DWC nuôi nước sâu thuỷ canh trong một hệ thống
2.1.3 Một số loại hình trồng rau Aquaponics
Phương pháp Aquaponics tưới ngập xả cạn
Phương pháp này sử dụng phổ biến cho các hệ thống aquaponics có diện tích nhỏ, chi phí đầu tư khá thấp Phương pháp này cây được trồng trong một khay đựng giá thể đất nung (độ sâu khoản 30 cm), ở đáy khay có các lỗ thoát nước, có lắp bộ ngắt nước (hay còn gọi là xi-phone), nước từ hồ cá cảnh thông qua bộ lọc và hệ thống bơm được bơm đến khay trồng cây, khi lượng nước đến ngưỡng bão hoà nước sẽ được bơm từ từ đến điểm ngắt, nước sạch được đưa thẳng trở lại hồ cá, quá trình cứ thế lặp đi lặp lại. Đặc điểm
- 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 phù hợp với diện tích trồng có chiều dài lớn nhưng hẹp, được bố trí với dạng tầng, tiết kiệm diện tích bố trí Sử dụng những ống nhựa khoét lỗ sẵn để trồng cây nên chi phí sẽ cao hơn. Đặc điểm
- 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 phù hợp cho các mô hình quy mô lớn để thương mại Thường tập trung trồng một loại rau cụ thể Những tấm xốp được đặt trên bề mặt nước và khoét lỗ để trồng cây, có ống thoát nước ở trên thùng chứa, mô hình cần có bộ lọc nước riêng. Đặc điểm
- 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 thế giới nói riêng và Việt Nam nói chung, đã có những nghiên cứu và tiến hành lắp đặt hệ thống nuôi trồng nông - thủy sản dựa trên mô hình Aquaponics Sau đây là những mô hình đã có mà nhóm đã tìm hiểu và tham khảo trên thế giới cũng như Việt Nam nước ta.
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 là một trong những mô hình được Trường đại học khoa học tự nhiên chuyển giao kỹ thuật cho Văn phòng Ủy ban nhân dân tỉnh Tây Ninh Bắt đầu từ tháng 4/2018 dự án “Aquaponics Tây Ninh Farm" đã triển khai và hoàn thiện với hệ thống nhà màng, hệ thống hồ cá, bể lọc, hệ thống trồng rau thủy canh đặt tại ấp Giồng Tre, xã Bình Minh, TP Tây Ninh 6
Hình 2.5: Hệ thống Aquaponics tại Tây Ninh Farm
Nông trại hoạt động và đã cho năng suất thu hoạch cao, xong vẫn chưa áp dụng được nhiều yếu tố khoa học kỹ thuật vào mô hình.
Việc nhu cầu cung cấp các thực phẩm sạch ngày càng phát triển nên mô hình Aquaponics rất được quan tâm ở các nước như Mỹ, Nhật, Isarel nơi có điều kiện kinh tế phát triển.
Một đầu bếp ở mỹ có tên là Adam Navidi, với niềm đam mê của mình về trồng trọt những thực phẩm sạch, đã bắt tay vào xây dựng cho mình một hệ thống nuôi trồng thủy sản với mô hình Aquaponics tại thành phố Yorba Linda, bang California, Mỹ Nhà kính có từ một đến hai bể cá rô phi được nuôi bằng bèo tấm Chất dinh dưỡng của cá ở các bể sau khi đã lọc Amoniac và đảm bảo nồng độ PH phù hợp sẽ được bơm vào các hồ thủy canh, cây trồng hấp thụ dinh dưỡng để phát triển, đồng thời làm sạch nước trước khi chúng được bơm trở lại các bể cá, điều này giúp tiết kiệm nước đối với một số tiểu bang thường xuyên thiếu nước sạch.
6 Ngô Thiệu Phong, Báo điện tử VOV, Chuyện lạ ở Tây Ninh: Sốt rần rần với mô hình cá-rau nuôi lẫn nhau, link https://vov.vn/kinh-te/chuyen-la-o-tay-ninh-sot-ran-ran-voi-mo-hinh-ca-rau-nuoi-lan-nhau-771755.vov , 8/2020
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
7 Lê Minh (PV thuờng trú VTV tại Mỹ), Aquaponics - Mô hình thủy canh ao vườn tại Mỹ, link https://vtv.vn/doi-song/ aquaponics-mo-hinh-thuy-canh-ao-vuon-tai-my-20170417141131796.htm , 4/2017
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 vấn đề quá quan trọng trong mô hình trồng cây Aquaponics so với thủy canh, nhưng nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến việc phát triển và tăng trưởng của cá. Người trồng cần chọn những loại cá phù hợp để tiến hành nuôi trồng, từ đó mang lại năng suất cao hơn.
Những loài cá được ưa chuộng trong các mô hình Aquaponics ở Việt Nam như: Cá rô phi, cá riêu hồng, các loại cá da trơn, cá chép … Đối với cá rô phi và riêu hồng là những loại cá được tiêu thụ sử dụng nhiều ở Việt Nam, cũng như việc chúng có thể thích nghi với môi trường rất tốt, nhiệt độ tối ưu là khoảng 82°F - 86°F (khoảng 28°C - 30°C), với nhiệt độ này thì vi khuẩn Pythium (vi khuẩn gây bệnh thối rễ ở cây trồng) phát triển nhưng rất hiếm xuất hiện ở mô hình Aquaponics nên vấn đề này không có ảnh hưởng tới mô hình.
Trong Aquaponics, nồng độ PH là yếu tố khác biệt hơn so với mô hình thủy canh, vì cần phải quan tâm đến cả ba đối tượng: Cá, cây trồng, vi sinh vật có hại và có lợi Theo những nghiên cứu cho thấy độ PH tối ưu đối với mô hình Aquaponics là khoảng 6,8 - 7,0 Người giám sát cần quan tâm chú ý để đảm bảo điều kiện giúp cây và thủy sản phát triển tốt nhất.
3.1.4 Chu trinh Ni-tơ Aquaponics
Ngoài cây trồng và thủy sản, trong hệ thống Aquaponics còn có sự tham gia của nhóm sinh vật thứ ba đó là vi sinh vật, đây là bí quyết đăng sau việc hoạt động hiệu quả của mô hình Aquaponics.
Vi sinh vật đóng góp một vai trò vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến sự thành công của mô hình, đặc biệt là vi khuẩn Nitrat hóa, đối với việc lọc nước bằng cơ học chỉ có thể lọc được một số chất thải có kích thước lớn chứ không thể lọc được các hạt siêu nhỏ và chất thải hòa tan trong nước Vi khuẩn Nitrat hóa biến Amoniac và Nitrit thành Nitrat cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng, đồng thời nước sạch sẽ được đưa quay trở lại bể cá Đó là nhiệm vụ của bộ lọc sinh học 5
Firebase
Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu dựa trên Cloud với hệ thống máy chủ mạnh mẽ của riêng Google, hỗ trợ phát triển ứng dụng di động và trang web với API đơn giản, không yêu cầu backend hoặc server và giao diện lập trình ứng dụng API đơn giản Firebase hỗ trợ nền tảng iOS và Android.
Firebase cung cấp đầy đủ các sản phẩm hỗ trợ người dùng trong quá trình phát triển ứng dụng, bao gồm 2 cơ sở dữ liệu: Firestore và Realtime Database Firebase giúp lưu trữ phương tiện đám mây, phát triển ứng dụng dễ dàng không cần máy chủ thông qua việc tích hợp Cloud Functions.
3.2.2 Cách thức hoạt động Firebase
Người dùng dễ dàng có thể đăng ký tài khoản trên Firebase để tạo ứng dụng Sau khi đăng ký dữ liệu bạn nhận được sẽ có dạng Json và được đồng bộ hóa thời gian thực với mọi kết nối client.
Tất cả các client sử dụng cùng một cơ sở dữ liệu và được cập nhật tự động khi người dùng phát triển ứng dụng Tất cả các dữ liệu này được truyền qua kết nối an toàn SSL được bảo mật với chứng nhận 2048 bit Khi mất kết nối, tất cả dữ liệu sẽ được lưu trữ lại ở local nhờ tính năng tự động cập nhật của Firebase.
Khi đăng nhập vào Firebase, người dùng được yêu cầu xác nhận thông qua email,Facebook, tài khoảng Google… điều này giúp thông tin người dùng được xác thật, tránh việc bị đánh cấp dữ liệu Đây cũng được xem là hoạt động nổi bật của Firebase.
Với cách thức này, người dùng sẽ được cung cấp các hosting được phân phối với tiêu chuẩn bảo mật SSL từ mạng CDN, việc này sẽ giúp cho những nhà phát triển tiết kiệm được khoảng thời gian để thiết kế cũng như phát triển ứng dụng của mình.
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 được kết hợp các tính năng vượt trội của SPI và UART Người dùng có thể kết nổi nhiều slave với master duy nhất, đồng thời cũng có thể điều khiển một slave với 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.
Bắt đầu 1 chu trình truyền - nhận dữ liệu, sẽ có một bit bắt đầu khởi tạo quá trình, bit địa chỉ để có thể kết nối đúng thiết bị mong muốn, bit đọc/ghi giúp chọn chế độ nhận hay truyền dữ liệu Dữ liệu sẽ được đẩy lên đường truyền, dữ liệu được xác nhận truyền nhận thành công nhờ bit ACK/NACK, cho tới cuối chu trình sẽ có bit kết thúc để báo hiệu và kết thúc quá trình truyền nhận.
Giao tiếp I2C không có các dòng chọn slave như giao tiếp SPI, nên để dữ liệu được truyền đúng tới các thiết bị, cần có một bit địa chỉ để slave gửi đúng dữ liệu tới master và ngược lại master sẽ biết được chính xác là slave nào gửi dữ liệu Điều kiện khởi động (Start condition) bao gồm một bit bắt đầu trong quá trình truyện nhận dữ liệu trong giao tiếp I2C lúc này SDA sẽ nhận tính hiếu bắt đầu truyền nhận dữ liệu với tín hiệu điện áp ngược với tín hiệu dừng.
Bit địa chỉ gồm một chuỗi 7 hoặc 10 bit, Master và slave sẽ so sánh địa chỉ nhận dữ liệu mà nó được gửi đến với chính nó, nếu trùng khớp sẽ bắt đầu quá trình truyền nhận.
Là bit ở ngay sau khung địa chỉ gồm có 1 bit Nếu master muốn gửi dữ liệu đến slave thì bit đọc/ghi sẽ được gửi ở mức 0, ngược lại nếu master muốn nhận dữ liệu từ slave bit đọc/ghi sẽ được gửi ở mức 1.
Bit ACK/NACK dùng để xác nhận mỗi khi master liên lạc với slave đảm bảo quá trình truyền nhận dữ liệu bằng cách thay đổi mức điện áp trên dòng SDA Nếu khung địa chỉ và khung dữ liệu được hoàn tất việc truyền nhận giữa master và slave thì bit ACK sẽ gửi lại thiết bị nhận tín hiệu ở mức 0.
Khung dữ liệu, điều kiện dừng
Sau khi master gặp tín hiệu bit ACK từ slave, sẽ bắt bắt đầu gửi từ khung dữ liệu đầu tiên với độ dài 8 bit và được gửi với bit quan trọng nhất trước(MSB) Sau mỗi lần gửi thành công bit ACK/NACK sẽ gửi lại tín hiệu mức 0 ở dòng SDA sau đó mới bắt đầu thực hiện gửi dữ liệu ở khung dữ liệu tiếp theo.
Khi khung dữ liệu được gửi hoàn tất, master có thể gửi yêu cầu dừng truyền nhận(Stop conditon) đến slave để tạm dừng quá trình truyện nhận bằng việc chuyển điện áp từ mức thấp lên mức cao trên dòng SCL trước khi 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 phát biểu bởi Zedeh, L.A lần đầu tiên vào năm 1965, nó giúp giải quyết những vấn đề về nhiều mặt tư duy trong cuộc sống con người Hiện nay, Fuzzy Logic được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực một cách mạnh mẽ.
Khác với cách đánh giá theo logic truyền thống, chỉ nhận hai giá trị là True hoặc False. Logic mờ đánh giá một sự kiện đúng sai theo một giá trị thực nằm trong khoảng 0(tương đương với False) và 1(tương đương với True), tùy thuộc mức độ đúng “ít” hay “nhiều” của vấn đề Giá trị của các biến trong logic mờ không phải là những giá trị các con số mà đó là các khái niệm, ví dụ như “nóng”, “ấm”, “lạnh”, “mát mẻ”… nhờ đó việc giải quyết vấn đề trong Fuzzy logic gần như giống cách tư duy của con người.
3.4.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ cấu tạo gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hóa, thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra còn có 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 với cấu tạo gồm các Membership Functions (MF) đầu vào và đầu ra kéo theo đó là rất nhiều các quy tắc( hay còn được gọi là luật) liên hệ giữa chúng Khi một giá trị cụ thể được đưa vào, bộ điều khiển logic mờ thực hiện “mờ hóa” tại các MF đầu vào, xem giá trị thuộc mức nào trong các giá trị mà đã được định nghĩa trước. Một giá trị đầu vào có thể thuộc trong nhiều mức khác nhau của bộ điều khiển Tiếp theo các giá trị số đó sẽ được cụ thể thành các giá trị khái niệm Bộ điều khiển sẽ tiến hành xử lý các giá trị khái niệm này và cho ra một miền giá trị nào đó được tạo bởi các MF của đầu ra. Khối “giải mờ” trong bộ điều khiển sẽ tiến hành biến đổi ngược để có thể đưa ra một giá trị cụ thể tại đầu ra.
Hình 3.4: Bộ điều khiển Fuzzy logic danh cho việc đánh giá bề mặt hạ cánh cho máy bay Bằng các phương pháp toán học dựa trên cơ sở định nghĩa và lựa chọn các biến ngôn ngữ vào/ra với luật điều khiển, từ đó điều khiển mờ có thể xử lý các giá trị đầu vào/đầu ra biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động có độ chính xác cao, vì vậy chúng hoàn toàn đáp ứng với yêu cầu câu hỏi điều khiển một cách “rõ ràng” và “chính xác” 10
10 Công ty TNHH Viettel - CHT, Hệ thống Logic mờ (Fuzzy Logic) là gì?, link https://viettelidc.com.vn/tin- tuc/cam-nang-ai-he-thong-logic-mo-fuzzy-logic-la-gi, 05/2022
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 đặt trong nhà màng với kích thước 6m x 6m có hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và độ sáng tự động (bao gồm các cơ cấu chấp hành quạt, màng cooling pad, và lưới che nắng) Hệ thống thiết kế bao gồm 1 robot, ray di chuyển cho robot, hồ nuôi cá, bàn trồng cây và dàn trồng cây ớt chuông.
Bộ phận hồ cá bao gồm 1 hồ cá với kích thước (l: 4m x w: 2m x h: 0.7m được cấu tạo với khung được gia công từ sắt hộp 20 x20 và 3 lớp bạt ni- long; có van cấp nước sạch tự động được dẫn từ nguồn chính vào hồ.
Bàn cây với kích thước (l: 3.8m x w: 1.2m x h: 0.6m) được đặt bên trong lòng hồ cá như hình trên Bàn cây được cấu tạo với khung từ vật liệu bê tông, gạch men và một lớp bạt nilong được đặt trên lớp gạch men nhằm tạo thành bể chứa trồng cây với chiều cao so với lớp gạch men là 10 cm.
Bộ phận ray di chuyển cho robot được cấu tạo từ khung sắt hộp 30x 30, được lắp đặt trên hồ cá với độ cao so với mặt đất là 1,3 m và được gắn thêm bộ phận sạc cho robot tại vị trí lúc robot quay về.
Bộ phận dàn trồng cây ớt chuông có kích thước là (l: 4m x w: 1,5m x h: 2m) được cấu tạo với khung gia công từ sắt hộp 20 x 20 Trong bộ phận này có gắn hệ thống tưới nhỏ giọt với 18 béc đặt cố định tại mỗi chậu cây và nước được cung cấp dẫn ra từ hồ cá mà không cần máy bơm theo nguyên lý hoạt động xi- phông.
Bên cạnh đó trong hệ thống này còn có thêm một bộ phận robot nhằm phục vụ cho nhu cầu chăn nuôi cá và trồng rau sẽ được mô tả trong phần mục 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.
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của robot
Nói về chức năng của robot thì robot gồm các chức năng chính như sau: cho ăn, tưới phun sương, tưới tiêu và lọc nước, kiểm tra chất lượng nước Các chức năng cho ăn, tưới phun sương, tưới tiêu hoạt động phụ thuộc theo thời gian, chất lượng nước và được điều khiển bằng điện thoại Riêng về chức năng kiểm tra chất lượng nước thì cũng hoạt động theo thời gian (2 lần /1 ngày) bằng cách khi đúng với thời cài đặt kiểm tra chất lượng thì robot sẽ di chuyển đến từng vị trí để bơm nước từ hồ lên thiết bị kiểm tra chất lượng nước, sau đó robot sẽ tiến hành phân tích và đánh giá nước tại khu vực đó, tiếp đến robot sẽ gửi các giá trị(pH, TDS, NTU, WQI, vị trí) và kết quả đánh giá lên màn hình điện thoại để người điều hành dễ dàng xử lý kịp thời khi chất lượng nước ở trạng thái xấu Khi nước ở trạng thái xấu thì robot tự động bơm nước từ đáy hồ ra ngoài để thay nước mới vào hồ kèm theo đó là ngừng cho ăn.
Về chức năng cho ăn, Robot sẽ tiến hành cho ăn khi đúng thời gian cài đặt cho ăn hoặc bằng điện thoại được điều khiển từ xa Khi chức năng này được kích hoạt thì cơ cấu chất hành hoạt động, tùy thuộc vào sự sinh trưởng của cá, robot sẽ tiến hành cho ăn nhiều hay ít dựa theo thời gian cho ăn (ít nhất là 1 phút), về các loại cá khác nhau thì sẽ có những tập tính khác nhau, robot sẽ tiến hành cho ăn tại một chỗ hoặc có thể di chuyển rãi từng khu vực trong hồ để đáp ứng được tập tính của loại cá đó Chức năng này sẽ ngừng hoạt động khi chất lượng nước ở mức thấp ảnh hưởng tới cá.
Về chức năng tưới phun sương, Robot sẽ tiến hành cho ăn khi thời gian cài đặt tưới phun sương hoặc bằng điện thoại điều khiển từ xa Khi chức năng này được kích hoạt thì máy bơm áp suất hoạt động Chức năng này có nhiệm vụ làm cho rau sạch hơn hoặc có thể trộn lẫn dung dịch hữu cơ mà không ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng để cho rau có thể phát triển tốt hơn.
Về chức năng tưới tiêu và lọc nước, chức năng này sẽ hoạt động khi đúng với thời gian cài đặt hoặc bằng điện thoại được điều khiển từ xa Khi chức năng này được kích hoạt thì máy bơm lưu lượng hoạt động Chức năng này có nhiệm vụ bơm nước vào hồ bể trồng rau để tưới rau và kết hợp lọc nước theo định kỳ (2 lần/ 1 ngày) sáng và chiều sau khi cho ăn. Robot sẽ tiến hành di chuyển và bơm nước ra ngoài khi chất lượng nước ở trạng thái xấu (chức năng này phải kết hợp với hoạt động của con người Người điều hành có nhiệm vụ đều chỉnh, xoay đầu xả nước ra ngoài hệ thống để nước bơm ra ngoài tránh việc bơm nước xấu ngược lại vào trong 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.
Hình 4.4: Sơ đồ phân bố bộ phận và thiết bị bên trong Robot
Robot có kích thước (l: 2m x w: 0,3m x h: 0,28m), được gắn thêm thùng chứa dung dịch dưới đáy robot có kích thước (l: 40cm x w: 30cm x h: 40cm) và lắp ghép thêm 5 đầu béc phun sướng phía trước robot Bên trong robot gồm các bộ phận: ắc quy, máy bơm áp suất, máy bơm lưu lượng, thiết bị cho ăn, bảng điện và bộ phận thu thập chất lượng nước. Máy bơm áp suất, máy bơm lưu lượng và thiết bị cho ăn được đặt bên trái robot Các thiết bị được lắp ghép với độ chính xác không cần cao (vì không gian bên trong robot còn rộng) và được đặt từ trái sang phải lần lượt là: thiết bị cho ăn, máy bơm lưu lượng, máy bơm áp suất. Ắc quy và bảng mạch được lắp ghép ở giữa robot, với bảng mạch điện được đặt trên ắc quy (vị trí cao nhất bên trong robot) Tới đây, có thể hiểu rõ hơn bên trong robot được chia làm 2 tầng Tầng 2 đặt bảng mạch điện và tầng 1 đặt các thiết bị, bộ phận còn lại.
Bộ phận thu thập chất lượng nước được làm từ vật liệu PVC phi 60, bên trên các ống có gia công các lỗ vừa đủ để lắp đạt các cảm biến pH, TDS, NTU Bộ phận này có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ cảm biến và là bộ phận cho (trộn) hòa tan các dung dịch làm cho chất lượng nước được nâng cao hơn.
Kết luận
Với những mô tả vừa nêu ở trên, chúng ta sẽ thấy rằng robot được đặt trong nhà màng nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng hư hại đến các thiết bị và cây trồng, vật nuôi Các bộ phận được đặt trong nhà màng ở những vị trí có điều kiện thuận lợi nhất cho sự phát triển cây trồng và vật nuôi Bên cạnh có hệ thống robot chăm sóc, theo dõi và đánh giá tự động với các chức năng cho ăn, tưới tiêu, xử lý nước, bón vi phân và giám sát đánh giá chất lượng nước để 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 Cơ cấu chuyển động bằng cách Cơ cấu chuyển động bằng cách bánh xích là bánh chủ bánh răng là bánh chủ động và cách bánh xe là bánh chủ động và di chuyển trên dây di chuyển trên thanh răng động và di chuyển trên xích thanh đỡ. Ưu điểm: Ưu điểm: Ưu điểm:
- Có hiệu suất cao - Đặc điểm của công suất - Dễ dàng lắp đặt, chi phí
- Không bị trượt và dao truyền lớn và bộ truyền hoạt lắp đặt thấp. trong quá trình truyền lực, động hiệu quả Bộ truyền này - Dễ dàng bảo trì, khả năng đảm bảo tỷ số vận tốc hoàn được sử dụng để truyền chuyển mài mòn thấp, tuổi thọ cao. hảo động và công suất giữa hai trục - Bánh xe có cao su xung
- Dễ dàng lắp đặt bất kỳ. quanh nên khả năng trượt
- Tốc độ truyền khá cao, công
- Chi phí bảo trì thấp không xảy ra.
- Chịu được điều kiện mài suất truyền lớn Tuổi thọ dài, hoạt động ổn định và độ tin cậy mòn cao.
- Có hoạt động trong điều
- Nó có thể đảm bảo một tỷ số kiện ẩm ướt. truyền không đổi và có thể truyền chuyển động giữa hai trục ở mọi góc độ.
Khuyết điểm: Khuyết điểm: Khuyết điểm:
- Yêu cầu thường xuyên - Yêu cầu về độ chính xác trong -Yêu cầu gia công một bôi trơn chế tạo và lắp đặt cao, do đó giá cách chính xác, đảm bảo
- Không thể sử dụng trong thành cũng cao bánh xe luôn di chuyển trên chuyển động chính xác - Nó không thích hợp để truyền thanh trượt
- Cần lắp đặt chính xác và đường dài.
Trong dự án này, hệ thống hoạt động trong môi trường ẩm ướt, bảo trì không thường xuyên và yêu cầu giá thành thấp nên trong dự án lựa chọn và sử dụng cơ cấu truyền động bánh xe – thanh đỡ.
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: Ưu điểm:
- Chuyển đông tịnh tiến thẳng - Đơn giản, dễ dàng chế tạo và mượt, nhẹ nhàng với lực ma sát lắp đặt. không đáng kể - Giá thành thấp.
- Khả năng chịu trải trọng lớn - Khả năng chịu lực lớn.
Bền bỉ, chính xác trong thời gian - Hoạt động bình thường ở môi dài với vận tốc lớn trường khắc nghiệt.
- Các thanh trượt có tuổi thọ làm việc cao, khả năng hoạt động ở nhiều môi trường, nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau.
- Thường xuyên bảo trì - Nếu hoạt động 1 bánh sẽ dẫn
- Không thể lắp đặt trong quãng đến bị trật ray nên cần cố định đường hoạt động dài thêm 3 bánh.
- Giá thành cao - Hoạt động được trong quãng đường dài
Hệ thống trong dự án này yêu cầu bộ phận dẫn hướng được thiết kế đơn giản, dễ dàng lắp đặt và dễ dàng bảo trì và yêu cầu giá thành thấp nên nhóm sử dụng cơ cấu dẫn hướng bánh xe V – thanh V.
Các loại động cơ
Với các yêu cầu đưa ra đối với hệ thống điều khiển cũng như các chức năng, mô hình hệ thống thực hiện một cách tự động và cần di chuyển tự do trên không gian làm việc vì thế việc lựa chọn đông cơ nền là các lại động cơ sử dụng dòng điện DC Các loại động cơ dùng dòng điện DC hiện nay gồm có: động cơ DC (DC motor), động cơ bước (step motor), động cơ servo (servo motor), 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.
Giới thiệu về động cơ DC Động cơ DC là một động cơ quay liên tục khi cung cấp đủ nguồn điện với hai dây là dây cấp nguồn và dây âm, động cơ DC bắt đầu quay cho đến khi ngừng cung cấp năng lượng Đa số các động cơ DC chạy ở tốc độ vòng quay mỗi phút khá cao (RPM).
Bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM (điều chế độ rộng xung) người dùng có thể dễ dàng điều khiển tốc độ hơn so với động cơ seo, một kỹ thuật tạo xung nhanh nhằm bật hoặc tắt nguồn ở một tần số nào đó Tỷ lệ phần trăm thời gian tiêu thụ theo chu kỳ tỷ lệ BẬT / TẮT sẽ xác định tốc độ của động cơ Vận tốc của động cơ tỉ lệ với công suất của nó, nghĩa là nếu nó hoạt động với 50% công suất thì vận tốc của nó sẽ bằng một nữa so với vận tốc tối mà nó hoạt động ở mức 100% công suất. Ưu điểm:
− 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, sẽ trình bày về phần tính toán, thiết kế hệ thống truyền động, kết cấu phần cứng của robot nhằm đáp ứng được việc hoạt động trong mô hình một cách chính xác và ổn định.
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, mô hình 3D để có thể đánh giá, hình dung được cơ cấu robot trong thực tế, để có những thay đổi phù hợp và thuận tiện cho việc chế tạo sau này.
6.1.2 Tính toán hệ thống truyền động
Sau khi phân tích các hệ thống dẫn động, nhóm quyết định lựa chọn hệ thống dẫn động với hai bánh chủ động di chuyển trên thanh ray vuông với mỗi bên bánh là hai bánh xe rãnh
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 nên phản lực mặt đất phẳng tác dụng lên mỗi bánh như sau:
Do đó với 2 bánh chủ động phải tạo ra được lực kéo ban đầu lớn hơn1 lực= nhất của robot so với mặt thanh vuông là ma sát tĩnh, với hệ số ma sát là bánh cao su so với bề 2 =mặt0.18kim loại thanh ray, hệ số ma sát của bánh rãnh V với hướng kim loại là , do đó lực ma sát tĩnh được tính như sau:
0ma.8 sát lớn của vỏ thanh định
≥ ≥1∙ 6∙ +2∙6∙ 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:
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:
Vì bộ truyền là truyền trực tiếp từ hai động cơ đến hai bánh chủ động nên hiệu suất hệ thống của mỗi bánh được tính toán dựa trên bộ truyền như sau:
= 1; đ =1 Qua đó ta tính được công suất cần thiết của động cơ đ= = ∙
Tốc độ vòng quay cần thiết của động cơ như sau:
Tốc độ góc cần thiết của động cơ như sau: đ = 2∙
Mo-men xoắn cần thiết của động cơ như sau: đ = đ đ
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
4.62 Mô-men xoắn trên trục làm việc (
Tốc độ vòng quay trên trục động cơ )
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 chọn đúc bằng nhôm có độ bền cao, hoạt động di chuyển trên bề mặt bằng phẳng nên việc bị biến dạng là rất thấp và gần như là bằng 0.
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 sẽ xảy ra một số hiện tượng cơ học ảnh hưởng đến chuyển động của bánh xe 11
Một số trường hợp khi bánh xe chuyện động trong thực tế
Bánh xe không biến dạng
- : bán kính lăn bánh xe
- : vận tốc lý thuyết. v: vận tốc thực tế.
Thiết kế sơ bộ có:
Từ công thức (6.5) ta có:
Bánh xe lăn không trượt
Giả sử khi hoạt động bình thường thì bánh xe không bị trượt.
Hình 6.4: Bánh xe lăn không trượt
Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh 0 xe (cũng là tốc độ của xe) bằng với tốc độ góc hay tốc độ thực tế v bằng tốc độ lý thuyết , ta có:
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)
Hình 6.5: Bánh xe lăn có trượt quay Đây là trường hợp của bánh xe đang có lực kéo, khi đó tốc độ của tâm bánh xe (tốc độ thực tế) nhỏ hơn tốc độ lý thuyết Trong vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, hiện một vận tốc trượtngược hướng với véc-tơ vận theo quy luật phân bố vận tốc sẽ xuất 0 tốc dài của cả bánh xe ( 0 ) δ
- Hệ số ma sát kéo:
Từ biểu thức (6.14) tav có: = − 0 = 0,45 − 0,5 =− 0,05 < 0
Bánh xe trượt quay hoàn toàn (bánh xe chủ động quay, xe đứng yên)
⇨ Hình 6.6: Bánh xe trượt hoàn toàn
Bánh xe lăn có trượt lết = − 0 Đây là trường hợp bánh xe được phanh dừng Trong trường hợp này, tốc độ thực tế v lớn hơn tốc độ lý thuyết , cực P nằm bên ngoài bánh xe và > Tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường xuất hiện tốc độ trượt nhưng theo hướng cùng chiều với chuyển
Hình 6.7: Bánh xe trượt lết
Ta có hệ số trượt khi phanh là:
Bánh xe trượt lết = 0.05 + 0.5 = 0, biểu thức (6.14) ta có:
⇨ 55 m/s hoàn toàn (bánh xe bị hãm cứng không quay, xe và bánh xe vẫn
⇨ Kết luận: Trong các trường hợp được mô hình hóa và tính toán, ta thấy được với vận tốc mong muốn 0,3 m/s thì tất cả các trường hợp đều thỏa điều kiện (vận tốc mong muốn nhỏ hơn trong các trường hợp) vì thế khả năng làm việc vẫn còn trong mức ổn địch, hiệu quả. Động học của hệ thống robot
Hình 6.8: Biểu diễn hướng, vị trí và kích thước của bệ robot
Mô hình động học của robot có 2 bánh xe vi sai chủ động, từ đó ta có thể thu được 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 ràng buộc, hạn chế cho robot.
Thứ ba, giả sử trong một thời gian ngắn, ngay cả khi robot di chuyển thẳng về phía trước, thì nó luôn di chuyển trên một cung tròn và cung tròn này được định nghĩa với bán kính R0, 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
Tính toán thiết kế hệ thống điện
Để robot có thể thực hiện được các chức năng được nêu ra, ngoài hệ thống cơ khí thì cần có hệ thống điện và điều khiển để thu thập dữ liệu môi trường và tương tác với con người, Đối với robot, hệ thống cảm biến là vô cùng quan trọng Cảm biến cung cấp tín hiệu đầu vào như vị trí hiện tại của robot và các thống số liên quan đến chất lượng nước Giao diện tương tác cung cấp các tín hiệu đầu vào thông qua việc người dùng tương tác với robot trên màn hình hoặc từ xa thông qua mạng internet Tất cả tín hiệu và dữ liệu đầu vào được đưa về máy tính trung tâm để xử lý và xuất các tín hiệu và thông tin đầu ra thông qua các cơ cấu chất hành là động cơ và màn hình tương tác.
Robot cũng cần phải có hệ thống an toàn để bảo vệ hệ thống điện không bị hư hỏng khi có sự cố xảy ra và đảm bảo an toàn cho robot khi có ngoại vật tác động từ môi trường Cấu trúc hệ thống điện và điều khiển được mô tả hình bên dưới.
Hệ thống điện và điều khiển được chia làm ba phần Phần thứ nhất là mạch điều khiển và giám sát vị trí robot (slave 1) có chức năng thu thập tín hiệu từ cảm biến (siêu âm và hồng ngoại) và điều khiển sự di chuyển của robot thông qua cơ cấu chấp hành là 2 động cơ.Phần thứ hai là mạch điều khiển và giám sát Chất lượng nước (slave 2) từ 3 cảm biến biến(PH, NTU, TDS) và điều khiển 3 động cơ để phục vụ việc cho ăn, tưới phun sương (nước và phân vi sinh) Phần thứ 3 là mạch trung gian có chức năng thứ nhất là gửi và nhận dữ liệu từ máy tính đã xử lý dữ liệu và điện thoại, chức năng thứ hai là nhận và gửi dữ liệu với hai mạch slave thông qua giao tiếp 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
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 thu nhỏ của Arduino Uno R3 sử dụng vi điều khiển Atmega328 P-AU dán, ưu điểm của Arduino Nano là sử dụng phiên bản IC dán nên sẽ có thêm 2 chân Analog A6, A7 giống với dòng Arduino Uno R3 đang sử dụng hiện nay Một chức năng hấp dẫn khác khi sử dụng Arduino Nano đó là nó sẽ làm việc với công xuất cao nhất ứng với công suất của nó.
Hình 6.22: Sơ đồ chân Arduino NanoBảng 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
Mạch điều khiển động cơ 2 động cơ XY - 160D có khả năng điều khiển hai động cơ
DC với dòng điện cấp lên đến 7A, điện áp hoạt động từ 6.5V đến 27V Tín hiệu đầu vào có
44 cách ly bảo vệ điện áp tránh trường hợp động cơ gắp sự cố dẫn đến hỏng mạch Có chức năng phanh động cơ khi hai đầu vào ở mức 0 và thả tự do khi đầu vào lên 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
Hình 6.24: Cảm biến độ pH DFRobot Gravity
Cảm biến độ pH DFRobot Gravity: Analog pH Sensor/Meter Kit For Arduino được sử dụng để đo nồng độ pH trong môi trường nước thải, cảm biến bao gồm một que đo (Probe) và một mạch điều khiển, khuếch đại tín hiệu để tạo ra tín hiệu Analog được điều khiển bởi ADC của Vi điều khiển.
Bảng 6.12: Thông số kỹ thuật Cảm biến độ pH DFRobot
Module Cảm biến độ pH DFRobot Gravity Điện áp 5V
Thời gian đáp ứng ≦1 phút
Cảm Biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot Gravity
Cảm biến tổng chất rắn hoà tan DFRobot Gravity: Analog TDS Sensor/ Meter for Arduino được sử dụng để đo tổng chất rắn hoà tan trong nước (TDS - Total Dissolved Solids) giúp xác định chất lượng nước, thông số TDS cho thấy có bao nhiêu miligam chất rắn hoà tan hoà tan trong một lít nước, giá trị TDS càng cao nồng độ chất rắn hoà tan trong nước càng cao và nước sẽ kém sạch.
Cảm biến tổng chất rắn hoà tan DFRobot Gravity: Analog TDS Sensor/ Meter for Arduino bao gồm một que đo (Probe) và một mạch điều khiển, xử lý tín hiệu để cho ra tín hiệu Analog được xử lý bởi ADC của Vi điều khiển, cảm biến được thiết kế để có thể giao tiếp với các bo mạch sử dụng ở hai mức điện áp 3.3VDC hoặc 5VDC.
Hình 6.25: Cảm Biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot Gravity Bảng 6.13: Bảng thông số kỹ thuật cảm Biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot
Gravity Đặc tính Cảm Biến Tổng Chất Rắn Hòa Tan DFRobot Gravity Điện áp vào 3.3 ~ 5.5V Điện áp ra 0 ~ 2.3V
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
Hình 6.26: Cảm Biến Đo Độ Đục Của Nước DFRobot Gravity
Cảm biến đo mức độ đục của nước DFRobot Gravity: Analog Turbidity Sensor For Arduino được sử dụng để đo mức độ đục của nước giúp xác định chất lượng của nước, cảm biến sẽ xác định số lượng chất rắn lơ lửng trong nước bằng cách đo vận tốc lan truyền và khúc xạ ánh sáng thay đổi theo tổng lượng chất rắn lơ lửng trong nước (TSS), khi TSS tăng, mức độ đục của chất lỏng sẽ tăng.
Cảm biến đo độ đục của nước DFRobot Gravity: Analog Turbidity Sensor For Arduino có thể thiết lập ngõ ra dạng Analog hoặc Digital bằng cách sử dụng công tắc chuyển trên cảm biến, ở chế độ ngõ ra Digital cảm biết còn có thêm 1 biến trở để thiết đặt mức.
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, thì thực hiện cho robot đi lùi với giá trị xung PWM là 100, nếu giá trị 50 < disS < 80 thì robot sẽ thực hiện đi lùi với xung PWM là 50 và cuối cùng nếu disS < 0 thì robot sẽ dừng lại Giải thuật này sử dụng tương tự cho việc đi tới của robot nhưng lúc này cảm biến nhận gửi giá trị là cảm biến siêu âm đằng trước robot và giá trị gửi đi sẽ là disT.
Xác định ví trị hồ đang khảo sát
Hình 6.42: Lưu đồ đọc giá trị logic từ cảm biến hồng ngoại
Hình 6.43: Lưu đồ xác định vị trí hồ từ cảm biến hồng ngoại
Giá trị i đọc được slave 2(Arduino Nano 2), nếu như i = 0 thì thực hiện hàm đi lùi và biến đếm Counter giảm, nếu như i = 1 thì thực hiện hàm di chuyến tiến và biến đếm Counter tăng.
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 đọc được slave 2(Arduino Nano 2), và được gửi từ điện thoại xuống, nếu như Pos = Counter thì thực hiện hàm đi tới và biến đếm Counter tăng, nếu Pos < Counter thì thực hiện hàm di chuyến lùi và biến đếm Counter giảm Nếu Pos > Counter thì robot sẽ dừng.
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 chế tạo bộ cung cấp thức ăn tự động sẽ giúp người dùng tiết kiệm được thời gian để trực tiếp tới hồ để cho ăn mỗi ngày, cung cấp thức ăn phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cá đồng theo lượng thức ăn đã được quy định sẵn Việc cho ăn tự động sẽ thuận lợi cho việc chia nhỏ ra từng thời điểm trong ngày tránh việc thức ăn bị dư thừa do việc cho ăn một lần sẽ ảnh hưởng đến môi trường nước của cá Sau khi tìm hiểu và thiết kế nhóm đã đưa ra được mô hình thiết bị cho cá ăn bằng phần mềm Inventor như sau.
Hình 6.46: Hình ảnh thiết kế thiết bị cung cấp thức ăn cho cá Để chế tạo thiết bị cung cấp thức ăn cho cá, nhóm đã sử dụng vật liệu gồm: Ống nhựa PVC đường kính 110 mm và 60 mm, thùng nhựa dùng để chứa thức ăn cho cá Việc sử dụng vật liệu này giúp việc thiết kế đơn giãn hơn, đồng thời không bị rỉ sét so với việc sử dụng kim loại sẽ gây ảnh hướng đến chất lượng thức ăn cho cá Sử dụng động cơ DC 12V, có hộp số, tốc độ vòng quay thấp dễ kiểm soát được lượng thức ăn cung cấp.
Bằng việc thực nghiệm nhiều lần và đánh giá chúng em đã đưa ra được lượng thức ăn cung cấp cho cá mà thiết bị hoạt động trong 10 giây là 300 gam đối với loại hạt cám kích thước 3 - 5 mm Từ đó ta có thể rút ra được lượng thức ăn cần thiết để cung cấp vừa đủ cho số lượng mà người dùng đang nuôi trồng.
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 phần này, nhóm sẽ trình bày vè cách đánh giá chất lượng nước bằng cách sử dụng Fuzzy logic dựa trên bài báo khoa học về “Chất lượng nước cho hệ thống nuôi cá tra” của ThS Huỳnh Trường Giang, Khoa Thủy sản, Đại học Cần Thơ 12
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 NTU
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
Hình 6.53: Biểu đồ chất lượng nước trạng thái tốt nhất
Biều đồ kết quả WQI bằng 80% với 3 giá trị đầu vào (pH: 7, NTU: 0, TDS: 0) Đây là trạng thái tốt nhất.
Hình 6.54: Biểu đồ chất lượng nước trạng thái xấu nhất
Biều đồ kết quả WQI bằng 8% với 3 giá trị đầu vào (pH: 0, NTU: 5, TDS: 1000) Đây là kết quả xấu 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.
Hình 6.56: Biểu đồ chất lượng nước trạng thái trung bình
Biều đồ kết quả WQI bằng 53% với 3 giá trị đầu vào (pH: 5, NTU: 0, TDS: 100) Đây là kết quả trung bình.
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.
Với kết quả của WQI ở trên, cho ta thấy việc kiểm định và đánh giá chất lượng rất nghiêm ngặt và chặt chẽ Cụ thể, ở việc các giá trị pH: 7, NTU: 0, TDS: 0 thì kết quả kiểm định cho ra cũng chỉ đạt 80% chứ hoàn toàn ở ngưỡng 90% -100%, mặc dù các giá trị đầu vào là đủ tiêu chuẩn để dạt 100% Việc kiểm tra nghiêm ngặt như vậy, giúp cho người điều hành hệ thống này luôn quan tâm chú ý đến chất lượng nước, đặt biệt là nuôi những loài cá có giá trị kinh tế cao.
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
Từ những yêu cầu đề ra về nhiệm vụ, chức năng, yêu cầu về độ bền đối với hệ thống cơ khí đã được nêu ở phần tính toán thiết kế Nhóm đã xây dựng được mô hình hệ thống như sau.
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 dưới mô hình Aquaponics, nhóm nhận thấy hệ thống robot đã đáp ứng đa số những yêu cầu kỹ thuật cũng như chức năng đã đưa 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 pH TDS NTU WQI Thời gian lọc
Theo hình ảnh trên và bảng khảo sát, có thể thấy rằng nước ban đầu chưa lọc chứa rất nhiều cặn và đục (rong và phân cá) với các thông số đo được lần lượt là pH: 5, TDS: 76, NTU: 173 và kết quả đánh giá chất lượng nước (WQI) cho ra là 66,7% Sau 2 tiếng lọc lần đầu tiên, thấy rằng nước được xử lý tốt hơn (rong và phân cá đã được xử lý) với các thông số đo được là pH: 6, TDS: 34, NTU: 150 và WQI được robot đánh giá 70,8% Ở hình ảnh lọc lần 1, chúng ta thấy rằng nước có màu nước hơi phèn (màu của sơ dừa chưa qua xử lý kỹ càng, không ảnh hưởng đến sự phát triển của cá) Sau 5 tiếng lọc thì lần lọc thứ 2, chúng ta thấy rằng nước trong hơn, hoàn toàn không còn cặn bẩn và các thông số đo được lần lượt là pH: 6.5, TDS: 13, NTU: 100 và WQI 75.6% ở mức tốt đảm bảo rằng cá được phát triển khỏe mạnh hơn Nhưng trong trường hợp lâu ngày, thì chúng ta vẫn cần thay nước mới vào để đảm bảo chất lượng nuôi cá hơn.
Hình 7.9: Hình ảnh cá sau 45 ngày nuôi
Sau thời gian vận hành hệ thống khoảng 1,5 tháng thì cá phát triển đồng đều, khỏe mạnh và không mắc bệnh ngoài da Kích thước ban đầu của cá giống có chiều dài là 6cm, sau 1,5 tháng thì cá phát triển về mặt chiều dài là 16cm tăng lên 10cm và bề ngang tăng lên 2cm so với ban đầu là 1.5 cm Và tỉ lệ cá chết là 2% (tức là ban đầu thả 300 con cá giống thì chết đi khoảng 6 con) Như vậy, có thể nhận định rằng hệ thống và robot đã đáp ứng được và đưa vào vận hành thực tế rất là cao So với việc nuôi truyền thống trước đây, thì năng suất và chất lượng cao hơn, đặc biệt là giảm đi nhiều về sức lao động của con người.
Hình 7.10: Hình ảnh rau xà lách sau 10 ngày trồng
Sau khi 10 ngày trồng rau, thì rau có sự sinh trưởng nhanh về mặt kích thước về chiều cao thì rau phát triển lên 22 cm, về đường kính xoay quanh rau là 21 cm Như vậy, nhận định rằng mô hình hoàn toàn hợp lý để trồng rau sạch ngắn hạn.
Đánh giá kết quả
Nhìn chung, sau khi hoàn thành hệ thống robot hỗ trợ canh tác trong nhà mang dưới mô hình Aquaponics đã đạt được những kết quả những yêu cầu như ban đầu đề ra.
Hệ thống đã đáp ứng được các chức năng sau:
− Thực hiện được chức năng phun sương tự động.
− Thực hiện được chức năng tưới xã tràn thông qua hệ thống máy bơm và nước được lọc sinh học qua hệ thống trồng cây với thứ tự tưới dưới lên bề mặt lần lượt là cát, than vụn, đất sét nung, trên cùng là sơ dừa Nước được lọc qua đã loại bỏ được các chất thải hữu cơ cũng như chất thải hòa tan nhờ rễ cây, từ đó nước sạch được trả về bể cá Qua kết quả thực nghiệm thì nhận thấy được nước sạch và trong hơn, nồng độ chất rất hòa tan giảm so với nước ban đầu.
− 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 kiểm tra và đánh giá tương đối chính xác nồng độ pH, nồng độ chất rắn hòa tan, độ đục của nước thông qua các cảm biến pH, NTU, TDS.
− Đã thực hiện được chức năng giám sát chất lượng nước bằng gửi các thông số kỹ thuật của nước qua phần mềm điện thoại, có thể điều khiển ở chế độ Manual bằng điện thoại Tuy nhiên, thời gian cập nhật thông tin còn khá chậm.
7.2.2 Về độ bền, độ ổn định của hệ thống
− Hệ thống đã hoạt động ổn định so với yêu cầu ban đầu Thanh ray, thanh dẫn hướng không bị biến dạng, không có hiện tưởng rung lắc trong quá trình hoạt động của robot.
− 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.
