Nghiên cứu mô hình cảm biến và giám sát điều khiển tự động trong nuôi cá hồ thủy sinh gia đình

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN CÔNG TUÂN NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH CẢM BIẾN VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NUÔI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH Ngành: Khoa Học Máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN CÔNG TUÂN

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH CẢM BIẾN VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NUÔI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH

Ngành: Khoa Học Máy Tính

Mã số: 8480101

Người hướng dẫn: TS.NGUYỄN THÀNH ĐẠT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

- Những nội dung trong đề án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Nguyễn Thành Đạt

- Mọi tham khảo dùng trong đề án đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

- Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả đề án

Nguyễn Công Tuân

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề án này, ngoài sự cố gắng của bản thân ra, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình Xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Thành Đạt đã tận tình hướng dẫn, giúpđỡ em thực hiện đề án đúng tiến độ và hoàn thành tốt đẹp

Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô Khoa Công nghệ Thông tin, Phòng Sau đại học - Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành chương trình đào tạo thạc sĩ ngành Khoa học máy tính khóa 24B, khóa học 2021 - 2023

Tác giả đề án

Nguyễn Công Tuân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

1.1 Tổng quan về internet of things (IoT) 6

1.1.1 Giới thiệu về Internet of Things (IoT) 6

1.1.2 Ứng dụng của IoT 66

1.2 Các cảm biến liên quan 6

1.2.1 Chip Arduino Uno R3 6

1.2.2 Chip Wifi ESP32 10

1.2.3 Cảm biết nhiệt độ DS18B20 17

1.2.4 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 19

1.2.5 Cảm biến pH 20

1.3 Các thiết bị IoT khác 21

1.3.1 Module thời gian thực DS3231 21

1.3.2 Màn hình hiển thị I2C LCD 16x2 22

1.3.3 Relay 22

1.4 Các thiết bị ngoại vi 23

1.4.1 Thiết bị cho cá ăn (Hình 1.15) 23

1.4.2 Thiết bị làm mát hồ thủy sinh (Hình 1.16) 23

1.4.3 Đèn LED chiếu sáng cho hồ thủy sinh (Hình 1.17) 24

1.4.4 Thiết bị sưởi hồ thủy sinh (Hình 1.18) 24

1.5 Các loại giao tiếp truyền thông trong IoT 25

1.5.1 Giao tiếp I2C 25

1.5.2 Giao tiếp UART 25

1.6 Kỹ thuật nuôi cá thủy sinh 2626

1.6.1 Kỹ thuật nuôi cá thủy sinh 26

1.6.2 Cách tính các tham số để phù hợp môi trường sống của cá 32

1.7 Nghiên cứu liên quan 35

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỒ THỦY SINH 38

2.1.Mô tả mô hình đề xuất 38

2.2 Nguyên lý hoạt động 41

2.3 Kết nối các thành phần phần cứng trong hệ thống 41

2.4 Cách vận hành của mô hình 44

2.5 Kịch bản và hành động của hệ thống có thể xảy ra 47

2.5.1 Về thiết bị 47

2.5.2.Về môi trường trong hồ thủy sinh 48

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 50

3.1 Giới thiệu bài toán 50

3.1.1 Điều kiện thực nghiệm 51

3.1.2 Môi trường thực nghiệm 51

3.2 Dữ liệu 51

3.3 Mô tả thực nghiệm 52

3.3.1 Mô tả yêu cầu 52

3.3.2 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển 5353

3.4 Tiến hành thực nghiệm 53

3.4.1 Thực hiện đo nhiệt độ, độ PH, Co2 53

3.4.2 Thực hiện kiểm tra sự thay đổi của nhiệt độ, độ PH, Co2: 56

3.4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng 64

3.5 Kết quả thực nghiệm 64

3.5.1 Mô hình 64

3.5.2 Giám sát thiết bị và điều khiển tự động qua Blynk 68

3.6 Nhận xét và đánh giá 70

3.6.1 Nhận xét 70

3.6.2 Đánh giá 70

3.7 Kết luận và hướng phát triển 73

3.7.1 Kết luận 73

3.7.2 Hướng phát triển 74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IoT Internet of Things Internet vạn vật

I2C Inter – Integrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ

LCD Liquid-Crystal Display Công nghệ màn hình tinh thể lỏng

PH Pondus hydrogenii Chỉ số đo hoạt động của các ion H+ của một

chất thể hiện tính axit, trung tính hay kiềm VAC Volts Alternating Current Điện áp xoay chiều

VDC Volts Direct Current Điện áp một chiều

RFID Radio Frequency

Identification

Phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio

IP Internet Protocol Giao thức Internet

BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thấp, kết nối không dây

D2D Device-to-Device Liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị mà không

qua nút trung gian

ID Identification Nhận dạng, nhận biết hoặc nhận diện

OSI Open Systems

Interconnection Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở

PSTN Public Switched Telephone

AREF AnalogReference Định cấu hình điện áp tham chiếu được sử

dụng cho đầu vào analog DIP Dual inline package Gói nội tuyến kép

SCL Serial Clock Đường mang tín hiệu xung nhịp

SDA Serial Data Đường truyền cho master và slave để gửi và

nhận dữ liệu

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AEMS Agent based Environment

IR Sensor Infrared Sensor Cảm biến hồng ngoại

I2C Inter – Integrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ

UART Universal Asynchronous

Receiver-Transmitter Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các phiên bản module của ESP32 111

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 122

Bảng 1.3: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 13

Bảng 1.4: Bảng mô tả cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 18

Bảng 1.5: Kích thước của các vật liệu cần thiết khi thiết kế bể nuôi cá 28

Bảng 1.6: Bảng thông số Lumen trên số lít nước trong bể 33

Bảng 1.7: Bảng tham khảo công suất đèn cho hồ thủy sinh sử dụng cho một số kích thước bể thông dụng 34

Bảng 1.8: Kết quả thử nghiệm hệ thống hoạt động ở chế độ tự động 37

Bảng 1.9: Chất lượng nước cấp vào ao nuôi và nước ao nuôi tôm Sú và tôm Chân trắng 37

Bảng 1.10: Bảng đo các thông số hồ thủy sinh ở cửa hàng thủy sinh tuần 1 54 Bảng 1.11: Bảng đo các thông số hồ thủy sinh ở cửa hàng thủy sinh tuần 2 55 Bảng 1.12: Theo dõi hồ thủy sinh sau một tuần nuôi chưa sử dụng công nghệ IoT 57

Bảng 1.13: Theo dõi hồ thủy sinh sau một tuần sử dụng công nghệ IoT 6262

Bảng 1.14: Bảng theo dõi hệ thống 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Board Arduino UNO R3 7

Hình 1.2 Sơ đồ chân Board Arduino UNO R3 8

Hình 1.3 Ứng dụng của Arduino UNO R3 10

Hình 1.4 Module ESP32-WOOM-32 11

Hình 1.5 Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 15

Hình 1.6 Hình ảnh thực tế board ESP32 1515

Hình 1.7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 17

Hình 1.8 Cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 1818

Hình 1.9 Sơ đồ nối chân của cảm biến nhiệt độ DS18B20 19

Hình 1.10 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 20

Hình 1.11 Cảm biến đo pH 21

Hình 1.12 Module thời gian thực DS3231 22

Hình 1.13 màn hình hiển thị I2C LCD 16x2 22

Hình 1.14.Relay 23

Hình 1.15.Thiết bị cho cá ăn 23

Hình 1.16 Quạt làm mát hồ thủy sinh 23

Hình 1.17 Đèn LED chiếu sáng hồ thủy sinh 24

Hình 1.18 Thiết bị sưởi hồ thủy sinh 24

Hình 1.19 I2C Clock 25

Hình 1.20 Mô hình mạng I2C 25

Hình 1.21 Định dạng khung truyền cơ bản của UART 26

Hình 1.7.1 Sơ đồ khối hệ thống 36

Hình 2.1 Mô hình hồ thủy sinh sử dụng công nghệ IoT 38

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống IoT trong hồ thủy sinh 39

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 41

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 với các thiết bị 41

Hình 2.5 Sơ đồ kết nối Relay với các thiết bị 43

Hình 2.6 Giao diện phần mềm Arduino IDE 44

Hình 2.7 Kết nối, theo dõi các thông số cảm biến hiển thị trên Blynk 45

Hình 2.8 Bộ test Co2 thủy sinh Indicator Reagent 46

Hình 2.9 Nhúng bộ test CO2 vào trong thành bể thủy sinh 47

Hình 3.1 Quy trình lấy dữ liệu và áp dụng 52

Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển 53

Hình 3.3 Hồ thủy sinh ban đầu khởi tạo 57

Hình 3.4.Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trong hồ thủy khi chưa sử dụng IoT 59

Hình 3.5.Biểu đồ biến thiên pH trong hồ thủy khi chưa sử dụng IoT 59

Hình 3.6.Biểu đồ biến thiên ánh sáng trong hồ thủy khi chưa sử dụng IoT 59

Hình 3.7 Hồ thủy sinh khi gắn hệ thống IoT (IAF) 60

Hình 3.8 Mô hình hệ thống hoàn thiện 64

Hình 3.9.Biểu đồ so sánh nhiệt độ trong hồ thủy sinh 65

Hình 3.10.Biểu đồ so sánh pH trong hồ thủy sinh 66

Hình 3.11.Biểu đồ so sánh ánh sáng trong hồ thủy sinh 67

Hình 3.12 Giao diện hiển thị WebBlynk trên máy tính 69

Hình 3.13 Ứng dụng Blynk hiển thị trên điện thoại 69

Hình 3.14 Hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD 70

Hình 3.15 Giao tiếp với Web Blynk 71

Hình 3.16 Thông tin thiết bị 72

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nuôi cá cảnh là một xu thế đã có từ rất lâu đời và xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới Tại Việt Nam, việc nuôi cá cảnh được xem là một phần văn hóa không thể thiếu Theo nghiên cứu thì việc nuôi cá cảnh giúp giảm căng thẳng chiếm tỷ lệ rất cao Ngoài mang lại cảm giác thoải mái, thư thái thì nó còn giúp cho không gian trở nên sang trọng và là một phần trong phong thủy cho gia chủ

Việc nuôi cá cảnh có những khó khăn nhất định Một trong những khó khăn lớn nhất đó chính là người nuôi không có thời gian chăm sóc Để duy trì được một hồ thủy sinh thì không thể thiếu sự quan tâm, chăm sóc thường xuyên của con người Việc đó khiến rất nhiều người e ngại khi quyết định nuôi một hồ thủy sinh Hoặc họ sẽ từ bỏ sau một thời gian ngắn vì không có thời gian chăm sóc Đây chính là vấn đề mà nhiều người đang quan tâm hiện nay

Với sự phát triển của công nghệ số, việc ứng dụng chúng trong việc thu thập dữ liệu, quản lý, cung cấp thông tin…là một nhu cầu tất yếu Do đó chúng ta có đủ công cụ và vận dụng nó một cách có hiệu quả, khuyến khích góp phần vào sự phát triển nền tảng khoa học kỹ thuật nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng để ứng dụng vào đóng góp thực tế đưa cuộc sống con người ngày càng tốt hơn

Để giải quyết những vấn đề trên, với sự phát triển của vi điều khiển và các

vi mạch số, Chúng tôi đã tìm hiểu và bắt tay vào thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH CẢM BIẾN VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NUÔI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH” Đề án chúng tôi đưa ra sẽ

có hiệu quả hơn vì theo cách thiết bị có sẵn trên thị trường Thiết bị này sẽ thay thế cho việc nuôi cá truyền thống bằng chức năng tự động sẵn có Hệ thống sẽ giám sát những thay đổi vật lý của môi trường nuôi dưỡng và duy trì các điều kiện lý tưởng phù hợp với những thay đổi cần thiết Ngoài ra, người

sử dụng còn có thể nắm bắt thông tin cũng như theo dõi thông số môi trường thông qua ứng dụng web Đây cũng là một trong những yếu tố khác biệt so với các thiết bị đang có trên thị trường mà chúng tôi đang chú trọng và phát triển nó

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

Trong đề án này, chúng tôi trình bày những nội dung như sau:

Chương I: Cơ sở lý thuyết

Chương II: Mô hình hồ thủy sinh (IAF: IoT Aquarium Fish)

Chương III: Thực nghiệm và đánh giá

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề án tập trung tìm hiểu, nghiên cứu một số phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến và ứng dụng IoT trong việc theo dõi, giám sát hồ thủy sinh Thực hiện điều khiển tự động các thiết bị như đèn chiếu sáng, thiết bị cho cá

ăn, quạt làm mát, đèn sưởi hồ thủy sinh Thông qua giao diện web Blynk hoặc qua mạng Internet để kiểm tra tình trạng và lịch sử của các thông số môi trường như độ pH, nhiệt độ nước, ánh sáng bật/ tắt các thiết bị; cài đặt chế

độ hoạt động phù hợp ứng với từng thiết bị; lên lịch bật/ tắt các thiết bị cụ thể (khi có nhu cầu)…

Tìm hiểu về các cảm biến về truyền nhận dữ liệu giữa các cảm biến với Board mạch chính, các thiết bị ngoại vi

Có chức năng giám sát theo dõi các thông số môi trường hồ thủy sinh

từ xa qua internet, sử dụng máy vi tính hoặc điện thoại thông minh

Xây dựng giao diện web Blynk để giám sát, theo dõi tình trạng thiết bị

Có thể thi công thực tế trên hồ thủy sinh hoặc mô hình

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1.Đối tượng nghiên cứu

*Về phần cứng:

- Hồ thủy sinh, cá và các sinh vật, thực vật thủy sinh

- Các thiết bị cảm biến như cảm biến pH, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo cường độ ánh sáng, module thời gian thực

- Relay bật tắt quạt làm mát, đèn chiếu sáng hồ, sưởi nhiệt, thiết bị cho cá ăn

- Board Arduino Uno R3, Vi điều khiển ESP32, màn hình hiển thị LCD16x2

- Bộ nguồn chuyển đổi điện áp từ 220VAC sang 5VDC, 12VDC, 24VDC

*Về phần mềm:

- Xây dựng giao diện giám sát, điều khiển trung tâm: ứng dụng Blynk trên điện thoại hoặc giao diện web trên máy tính

*Về kiến thức:

- Kiến thức về mạng, vi xử lý và các giao thức điều khiển không dây

- Kiến thức về điện dân dụng và các thiết bị điện

- Kiến thức về lập trình vi xử lý Arduino, mô phỏng mạch điện bằng Protues

+Các loài cá, cây thủy sinh

+Các loại đèn phù hợp cho các hồ thủy sinh khác nhau

+Cách chăm sóc, vệ sinh, thay nước cho hồ thủy sinh

- Các thông số này được chủ cửa hàng đánh giá là chuẩn, đang áp dụng cho các hồ thủy sinh, hồ thủy sinh đang ổn định, hiện đang bày bán tại cửa hàng

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Các vấn đề cần giải quyết liên quan đến việc xây dựng hệ thống để tự động

điều khiển các thiết bị Giám sát, theo dõi thông số của hồ thủy sinh thông qua các cảm biến và các thiết bị ngoại vi Có thể tuỳ biến và tối ưu hoá việc giám sát, điều khiển thiết bị

Phạm vi: Áp dụng tại hồ thủy sinh trong hộ gia đình

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài được thực hiện dựa trên lý thuyết bằng việc tham khảo các sách, giáo trình, bài báo liên quan kết hợp với thực nghiệm

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Việc nguyên cứu các mô hình cảm biến và ứng dụng IoT trong điều khiển giám sát hồ thủy sinh trong hộ gia đình giúp việc chăm sóc hồ thủy sinh được liên tục và tức thời nhờ đó mà cá và các sinh vật thủy sinh phát triển khỏe mạnh, giảm thiểu sự lo lắng của người nuôi khi mắc công việc bận rộn mà chưa quan tâm chăm sóc được Những điều này góp phần giảm tải gánh nặng,

sự rủi ro trong việc chăm sóc hồ thủy sinh nhờ đó sẽ nâng cao hiệu suất làm việc cũng như kiểm tra, giám sát hồ thủy sinh một cách chủ động và linh hoạt Mạch điều khiển nhỏ gọn, hoạt động ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, giao diện điều khiển và giám sát dễ sử dụng, thân thiện người dùng, mô hình

hệ thống có độ chính xác, tính an toàn và dễ dàng thao tác

Với chi phí hợp lý, Arduino Uno R3, ESP32 và các sensor cảm ứng khá thông dụng và dễ dàng mua sắm với giá cả hợp lý, các công nghệ hỗ trợ sẵn

có và khá mạnh (ngôn ngữ lập trình C/C++ , python và các thư viện hỗ trợ,

…), việc triển khai lắp đặt bộ thiết bị và cài đặt chương trình trên hồ thủy sinh

là hoàn toàn khả thi Hơn nữa, có thể điều chỉnh được ngưỡng giám sát của các sensor, do đó chương trình rất uyển chuyển, có thể triển khai bộ thiết bị và chương trình trên nhiều hồ thủy sinh khác (phục vụ cho việc chăm sóc hồ thủy sinh có kích thước khác nhau, cách bố trí hồ các thủy sinh khác nhau ở các hộ gia đình)

Board Arduino Uno R3 là mạch điều khiển chính trong hệ thống được tích

hợp nhiều thư viện trong board, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ để lập trình, nhận diện các sensor nhờ đó mà điều khiển các thiết bị ngoại vi theo ý của người lập trình Từ đó nắm được bản chất điều khiển, để có thể mở rộng cho các ứng dụng IoT sau này, giám sát, điều khiển được cho một hệ thống lớn,…

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về internet of things (IoT)

1.1.1 Giới thiệu về Internet of Things (IoT)

Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi

là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu [1]

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống Các ứng dụng của IoT được xếp hạng dựa trên 3 tiêu chí: Sự tìm kiếm về IoT trên Google, điều được nói đến về IoT trên Twitter, điều được viết về IoT trên LinkedIn [2]

IoT hiện nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực và mọi mặt trong cuộc sống Có thể kể đến một số ứng dụng tiêu biểu như: nhà thông minh, bóng đèn thông minh, hệ thống đồ gia dụng, công tắc thông minh, mua sắm thông minh, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng trong y tế, thành phố thông minh, điện lưới thông minh (Smart City), …

1.2 Các cảm biến liên quan

1.2.1 Chip Arduino Uno R3

1.2.1.1 Tổng quan Arduino Uno R3

Arduino UNO R3 là một loại bo mạch vi điều khiển, được sử dụng phổ biến trong họ Arduino Chúng được phát hành vào năm 2011, và là phiên bản thứ 3 mới nhất của bảng Arduino (Hình 1.1)

Mạch kit này được phát triển dựa trên ATmega328P với mục đích kiểm

soát và giữ bộ vi điều khiển

Arduino Uno R3 được sử dụng bằng cách gắn vào máy tính thông qua một cáp USB Sau khi đã lắp đặt xong, chúng ta sẽ sử dụng pin hoặc bộ chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện cho mạch kit Khi đấu nối thành công, mạch sẽ kích hoạt và hoạt động.[2]

Hình 1.1 Board Arduino UNO R3

1.2.1.2 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3

Board mạch Arduino Uno R3 bao gồm các thông số kỹ thuật sau:

• Nó là một Vi điều khiển dựa trên ATmega328P

• Điện áp hoạt động của Arduino là 5V

• Điện áp đầu vào được đề xuất nằm trong khoảng từ 7V đến 12V

• Điện áp i/p (giới hạn) là 6V đến 20V

• Chân đầu vào và đầu ra kỹ thuật số -14

• Chân đầu vào và đầu ra kỹ thuật số (PWM) -6

• Chân i/p analog là 6 chân

• Dòng điện DC cho mỗi chân I/O là 20 mA

• Dòng DC được sử dụng cho Pin 3.3V là 50 mA

• Bộ nhớ Flash -32 KB và bộ nhớ 0.5 KB được bộ tải khởi động sử dụng

• SRAM là 2 KB

• EEPROM là 1 KB

• Tốc độ của CLK là 16 MHz

• Đèn LED tích hợp

• Chiều dài và chiều rộng của Arduino là 68.6 mm X 53.4 mm

• Trọng lượng của bảng Arduino là 25g

1.2.1.5 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 (Hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ chân Board Arduino UNO R3

► Chân reset trên Arduino để thiết lập lại toàn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban đầu Chân reset này hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình

► Có 14 chân I / O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino cho phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào với Arduino Các chân này cung cấp sự linh hoạt và dễ sử dụng cho các thiết bị bên ngoài có thể được kết nối thông qua các chân này

► 6 chân analog được đánh dấu là A0 đến A5 và có độ phân giải 10 bit Các chân này đo từ 0 đến 5V, tuy nhiên, chúng có thể được cấu hình ở phạm

vi cao bằng cách sử dụng chức năng analogReference () và chân ISF

► Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới dạng mã

► Chỉ cần nguồn 5V để sử dụng với Arduino, hoặc lấy nguồn trực tiếp

từ cổng USB Arduino có thể hỗ trợ nguồn điện bên ngoài lên đến 12 V có thể được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5 V hoặc 3,3 V dựa trên yêu cầu của projects

► Đèn LED : Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp được kết nối thông qua chân 13 Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương ứng tắt

► Vin : Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB Pin này được sử dụng

để cung cấp điện áp toàn mạch thông qua jack nguồn, thông thường khoảng 12VDC

7-► 5V : Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra Arduino được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC

► USB : Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ dải điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V

► GND : Chân mass chung cho toàn mạch Arduino

► Reset : Chân reset để thiết lập lại về ban đầu

► IOREF : Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino

► PWM : PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10, 11 Các chân này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit

► SPI : Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI

► AREF : Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự

► TWI : Chân Giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây Chân A4 và A5 được sử dụng cho mục đích này

► Serial Communication :Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx)

► Rx : Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được

sử dụng để truyền dữ liệu

► External Interrupts (Ngắt ngoài) : Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài. [3]

1.2.1.6 ứng dụng của Arduino Uno R3

Aruino Uno R3 được sử dụng phổ biến trong việc tự thiết kế ra các mạch điện tử như điều khiển led, gửi dữ liệu lên lcd, điều khiển motor, hay được gắn thêm các Shield để kết nối nhiều module cảm biến khác để thực hiện thêm nhiều chức năng mở rộng như gửi dữ liệu qua wifi (Hình 1.3)

Ngoài ra, trên thị trường còn có nhiều biến thể của Arduino Uno để thực hiện thêm các tính năng chuyên dụng, ví dụ như mCore, Orion trên mBot được chuyên dụng với việc dễ dàng phân biệt các loại module nào có thể sử dụng cắm vào trên các cổng để trẻ dễ dàng sử dụng

Hình 1.3 Ứng dụng của Arduino UNO R3

1.2.2 Chip Wifi ESP32

ESP32-D0WDQ6, ESP32-D0WD, ESP32-D2WD và ESP32-S0WD

Espressif đã thiết kế và sản xuất ra một số module để người dùng dễ dàng tiếp cận hơn với dòng chip ESP32 Các thành phần chính trên những module này bao gồm chip ESP32, bộ tạo dao động thạch anh, mạch ăngten, chỉ khác nhau về một số chức năng tùy từng phiên bản như số lượng chân GPIO, các thiết bị ngoại vi được thêm vào như: màn hình L , bảng cảm ứng, khe cắm thẻ SD, module máy ảnh,… dưới đây là một số phiên bản đã được phát triển và đưa vào sử dụng [4]

Bảng 1.1: Các phiên bản module của ESP32

Phiên bản ESP32-WOOM-32 (Hình 1.4) là một module vi điều khiển

(MCU) Wifi (Wireless Fidelity) - BT (Bluetooth) - BLE (Bluetooth Low Energy) phổ biến và mạnh mẽ phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị, đọc giá trị cảm biến đến những nhiệm vụ phức tạp như mã hóa giọng nói, phát nhạc trực tuyến, giải

mã MP3,…[4]

Hình 1.4 Module ESP32-WOOM-32

Module này được xây dựng với lõi nhân là chip ESP32-D0WDQ6, chip được thiết kế để có thể mở rộng Có 2 lõi CPU (Central Processing Unit) có thể kiểm soát riêng biệt và tần số xung đồng hồ dao động từ 80MHz đến 240MHz Do tích hợp Bluetooth, Bluetooth LE, Wifi nên rất nhiều ứng dụng

có thể thực hiện được trên module Sử dụng Wifi cho phép kết nối trong phạm

vi rộng, không giới hạn, sử dụng Bluetooth cho phép kết nối một cách dễ dàng Module cũng hỗ trợ truyền dữ liệu lên đến 150Mbps

- Một số ứng dụng của ESP32: Đa số các ứng dụng của SP32 được

phục vụ cho các dự án IoT như: Nhà thông minh, Robot công nghiệp, nhận dạng giọng nói, nhận dạng hình ảnh, ứng dụng chăm sóc sức khỏe, …

1.2.2.2 Đặc điểm ESP32

• Mức năng lượng thấp: Chip ESP32 được thiết kế cho các ứng dụng di động, điện tử, ứng dụng IoT ESP32 có tất cả các đặc tính của một chip tiêu thụ mức năng lượng thấp, nhiều chế độ hoạt động giúp giảm thiểu tối đa năng lượng

mà chip tiêu tốn Ví dụ cảm biến trong ứng dụng IoT, SP32 được đánh thức theo chu kỳ và chỉ phát hiện khi có một điều kiện cụ thể

• Tích hợp hoàn chỉnh: Chip SP32 có khả năng tích hợp cao Wifi và Bluetooth cho các ứng dụng IoT, với khoảng 20 thiết bị ngoại vi ESP32 tích hợp ăngten, sóng R (Radio frequency), bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu tiếng ồn, module quản lý năng lượng, …

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32

Wifi Giao thức 802.11 b/g/n (802.11n lên đến 150 Mbps)

Audio CVSD và SBC

Phần cứng

Giao tiếp module

Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, Led PWM, Motor PWM, I2S, IR, Counter, GPIO, cảm biến cảm ứng, ADC, DAC

Chip cảm biến Hall sensor (từ trường)

Điện áp hệ thống 2.7V ~ 3.6V Dòng hệ thống Trung bình: 80mA Dòng điện tối

thiểu của nguồn cung cấp

500mA

Nhiệt độ hoạt động -40℃ ~ +85℃

Kích thước (18.0) mm x (25.5) mm x (3.1) mm

1.2.2.3 Sơ đồ chân của module ESP32

Bảng 1.3: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32

GND 1 P (nguồn) Ground

EN 3 I (input) Cho phép module hoạt động, mức cao

SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0

SENSOR_V

IO32 8 I/O (input,

output)

GPIO32,XTAL_32K_P,ADC1_CH4,TOUCH

9, RTC_GPIO9

Tên Số Loại Chức năng

8, RTC_GPIO8 IO25 10 I/O GPIO25,DAC_1,ADC2_CH8,RTC_GPIO6 IO26 11 I/O GPIO26,DAC_2,ADC2_CH9,RTC_GPIO7

IO14 13 I/O GPIO14,ADC2_CH6,TOUCH6,RTC_GPIO16 IO12 14 I/O GPIO12,ADC2_CH5,TOUCH5,RTC_GPIO15

IO13 16 I/O GPIO13,ADC2_CH4,TOUCH4,RTC_GPIO14 SHD/SD2 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, U1RXD

SWP/SD3 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, U1TXD

SCS/CMD 19 I/O GPIO11, SD_CMD, U1RTS

SCK/CLK 20 I/O GPIO6, SD_CLK, U1CTS

SDO/SD0 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, U2RTS

SDI/SD1 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, U2CTS

Tên Số Loại Chức năng

Hình 1.5 Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32

1.2.2.4 Chức năng tích hợp trong ESP32

ESP32 có cấu hình khủng, thêm chức năng, tăng số chân I/O, thêm nhiều cảm biến, giá thành phù hợp, …(Hình 1.6)

❖ Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây

• Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

• Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

❖ Hỗ trợ cả tất các loại giao tiếp

• 8-bit DACs (digital to analog) 2 cổng

• Băm xung PWM (tất cả các chân )

• Ultra low power analog pre-amplifier

• External Flash (bộ nhớ flash ngoài) và SRAM: ESP32 hỗ trợ nhiều external QSPI flash và SRAM, có thể truy cập ở tốc độ cao SRAM được hổ trợ lên đến 8MB, đọc và ghi 8bit, 16bit, 32bit

❖ Cảm biến tích hợp trên chip ESP32: 1 cảm biến Hall (cảm biến từ

trường), 1 cảm biến đo nhiệt độ, Cảm biến chạm (điện dung) với 10

đầu vào khác nhau

❖ Bảo mật:

IEEE 802.11 standard security features all supported, including WFA, WPA/WPA2 and WAPI, Secure boot, Flash encryption, 1024-bit OTP, up to 768-bit for customers, Cryptographic hardware acceleration: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC), random number generator (RNG) Nguồn điện hoạt động: Nhiệt độ hoạt động -40 + 85oC; điện hoạt động: 2.2 - 3.6V, số cổng GPIOs: 34

❖ Đánh giá chung

Với ESP8266, cùng với wifi ESP32 hỗ trợ thêm truyền nhận Blutooth, RAM nhiều hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, số chân GPIO nhiều hơn, nhiều cổng giao tiếp hơn, nhiều chân PWM hơn, nhiều chân ADC hơn, tích hợp cả 3 loại cảm biến (nhiệt độ, hall, touch sensor),… Tốc độ xử lý ESP32 với các dòng mạch nhúng khác, theo như kết quả tại trang web https://hilo90mhz.com/arduino-esp32-, thì ESP32 hiện tại đang đứng đầu về cấu hình cũng như tốc độ xử lý

1.2.3 Cảm biết nhiệt độ DS18B20

DS18B20 là cảm biến nhiệt độ có giao thức 1-wire được tích hợp tối đa Sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ trong các môi trường như trong dung dịch hóa chất, hầm mỏ hoặc đất, v.v.(Hình 1.7)

Hình 1.7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cấu hình chân (Hình 1.8)

Hình 1.8 Cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 Bảng 1.4: Bảng mô tả cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20

Số chân Tên chân Mô tả

2 Vcc Chân cấp nguồn cho cảm biến, có thể là 3.3V hoặc

5V

3 Data Chân xuất đầu ra giá trị nhiệt độ có thể được đọc

bằng giao thức giao tiếp 1-wire

Thông số kỹ thuật cảm biến DS18B20

• Cảm biến nhiệt độ digital

• Giao tiếp bằng giao thức 1-wire

• Điện áp hoạt động: 3V đến 5V

• Phạm vi nhiệt độ: -55 ° C đến + 125 ° C

• Độ chính xác: ± 0,5°C

• Độ phân giải đầu ra: 9-bit đến 12-bit (có thể điều chỉnh)

• Địa chỉ 64-bit cho phép ghép kênh

• Thời gian chuyển đổi tín hiệu: 750ms ở 12 bit

• Các tùy chọn báo động có thể điều chỉnh

• Có package To-92, SOP và chống thấm nước

Cảm biến hoạt động với phương thức giao tiếp 1 dây Nó chỉ yêu cầu chân

dữ liệu được kết nối với vi điều khiển có điện trở kéo lên và hai chân còn lại

được sử dụng để cấp nguồn như hình dưới đây

Hình 1.9 Sơ đồ nối chân của cảm biến nhiệt độ DS18B20

Điện trở kéo lên được sử dụng để giữ cho đường dây ở mức cao khi bus không được sử dụng (Hình 1.9) Giá trị nhiệt độ do cảm biến đo được sẽ được lưu trong thanh ghi 2 byte bên trong cảm biến Dữ liệu này có thể được đọc bằng cách sử dụng phương pháp 1 dây bằng cách gửi theo một chuỗi dữ liệu

Có hai loại lệnh được gửi để đọc các giá trị, một là lệnh ROM và lệnh kia là lệnh hàm Giá trị địa chỉ của mỗi bộ nhớ ROM cùng với trình tự được đưa ra trong datasheet bên dưới Bạn phải đọc qua nó để hiểu cách giao tiếp với cảm biến

1.2.4 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750

1.2.4.1 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750

BH1750 là một IC cảm biến số 16 bit dùng để đo cường độ ánh sáng môi trường xung quanh giao tiếp qua giao thức I2C IC này là thích hợp nhất để lấy dữ liệu ánh sáng xung quanh để điều chỉnh công suất đèn nền của màn hình LCD và bàn phím của điện thoại di động Cảm biến có thể đo cường độ ánh sáng trong phạm

vi rộng với độ phân giải cao (1 lux – 65535 lux) (Hình 1.10).[5]

Thông số kỹ thuật:

• Điện áp hoạt động: 2,4V – 3,6VDC

• Chuẩn giao tiếp: I2C

• Dải đo ánh sáng: 1 – 65535 lx

• Đặc điểm độ nhạy phổ: Độ nhạy cực đại với bước sóng 560nm

• Khả năng phát hiện các nguồn sáng như: đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn LED trắng, đèn huỳnh quang,

• Kích thước: 2,6 x 2,8 cm

Hình 1.10 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 Ứng dụng:

+ Để phát hiện xem đó là ngày hay đêm;

+ Để điều chỉnh hoặc bật / tắt độ sáng của đèn LED cho phù hợp với ánh sáng xung quanh;

+ Trong nuôi trồng thủy hải sản…

Hình 1.11 Cảm biến đo pH Thông số kỹ thuật:

• Nguồn cấp: 5VDC

• Dòng điện làm việc: 5 ~ 10mA

• Công suất tiêu thụ: <0.5W

1.3 Các thiết bị IoT khác

1.3.1 Module thời gian thực DS3231

1.3.1.1 Giới thiệu Module thời gian thực DS3231

Mạch thời gian thực RTC DS3231 sử dụng thạch anh nội dung nên có độ chính xác rất cao, được sử dụng để cung cấp thông tin thời gian: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây, cho Vi điều khiển qua giao tiếp I2C, mạch tích hợp sẵn pin dự phòng để duy trì thời gian trong trường hợp không cung cấp nguồn,

ngoài mạch còn được tích hợp thêm IC EEPROM AT24C32 để lưu trữ thông tin khi cần, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển hoặc ứng dụng RTC đồng

bộ dữ liệu thời gian (Hình 1.12)

Hình 1.12 Module thời gian thực DS3231

1.3.2 Màn hình hiển thị I2C LCD 16x2

Hiển thị các thông tin lên màn hình LCD thông qua giao tiếp I2C thay

vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay Nhờ đó sẽ tiết kiệm chân cho vi điều khiển và dể dàng kết nối đến LCD để xuất các thông tin lên màn hình (Hình 1.13)

Hình 1.13 màn hình hiển thị I2C LCD 16x2

1.3.3 Relay

Cho phép dòng điện nhỏ kích hoạt một dòng có cường độ lớn hơn nó rất nhiều Công tắc relay dùng để cho phép các thiết bị hay bộ máy lớn có thể sử dụng dòng điện lớn hơn với cường độ nhỏ của dòng điện ban đầu (Hình 1.14)

Hình 1.14.Relay 1.4 Các thiết bị ngoại vi

1.4.1 Thiết bị cho cá ăn (Hình 1.15)

Hình 1.15.Thiết bị cho cá ăn

- Có thể điều chỉnh lượng thức ăn cho cá theo ý muồn

- Hẹn giờ cho cá ăn trong ngày

- Chế độ xoay 180 độ để rải thức ăn xuống cho cá

- Có thể gắn vào hệ thống IoT để điều khiển

- Dùng điện áp 5V để chạy

- Gắn vào thành hồ thủy sinh nhờ giá đỡ

1.4.2 Thiết bị làm mát hồ thủy sinh (Hình 1.16)

Hình 1.16 Quạt làm mát hồ thủy sinh

- Dùng để làm mát, hạ nhiệt hồ thủy sinh khi nhiệt độ môi trường trong hồ tăng cao

- Gồm 3 quạt làm mát được mắc song song với nhau và chạy cùng một lúc

- Điện áp cấp là 12V

- Được gắn vào hệ thống IoT để điều khiển

- Gắn vào thành hồ thủy sinh nhờ giá đỡ

1.4.3 Đèn LED chiếu sáng cho hồ thủy sinh (Hình 1.17)

- Tùy theo diện tích hồ thủy sinh để chọn đèn hồ có công suất phù hợp

- Dùng để cung cấp ánh sáng cho hồ, giúp cá và các sinh vật, thực vật trong hồ khỏe mạnh, phát triển

- Điện áp cấp 220V đầu vào qua bộ chuyển đổi nguồn điện để sử dụng

- Có thể điều chỉnh dải đèn chiếu sáng nhờ thiết bị điều chỉnh

- Được gắn vào hệ thống IoT để điều khiển

- Gắn vào thành hồ thủy sinh nhờ giá đỡ

Hình 1.17 Đèn LED chiếu sáng hồ thủy sinh

1.4.4 Thiết bị sưởi hồ thủy sinh (Hình 1.18)

Hình 1.18 Thiết bị sưởi hồ thủy sinh

- Dùng để sưởi hồ thủy sinh khi nhiệt độ trong hồ xuống thấp

- Điện áp cấp là 220V

- Chống nước, cách điện tốt

- Được gắn vào hệ thống IoT để điều khiển

- Được gắn xuống dưới nước vào thành hồ thủy sinh

1.5 Các loại giao tiếp truyền thông trong IoT

1.5.1 Giao tiếp I2C

I2C (Inter-Integrated Circuit) là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi hãng Philips nhằm truyền nhận dữ liệu giữa các IC I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu, 1 đường xung nhịp đồng hồ (SCL) do Master phát đi và 1 đường truyền dữ liệu theo 2 hướng (SDA) (Hình 1.19) [6]

Hình 1.19 I2C Clock

Hình 1.20 Mô hình mạng I2C

Mạch vật lý I2C là mạch cực thu hở, do đó để mạng I2C có thể hoạt động được, cần tối thiểu 2 cặp điện trở pull-up như trên hình Thông thường 4k7, hoặc 1k2 Tùy thuộc vào tốc độ truyền và khoảng cách truyền (Hình 1.20)

1.5.2 Giao tiếp UART

Truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART (Universal Asynchronus Receiver Transmitter), truyền thông nối tiếp có các đặc điểm sau:

- Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song

- Số dây kết nối ít

- Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại

- Có thể ghép nối với vi điều khiển PLC (Programmable Logic Device)

- Cho phép kết nối mạng

- Có thể tháo lắp trong lúc máy tính đang làm việc

Truyền nối tiếp (serial transmission) các thông tin số hay bit thông qua một dây đơn (single wire) hay một vật liệu trung gian nào đó thì tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với truyền song song dùng nhiều dây cùng một lúc Truyền

dữ liệu dùng UART có thể thực hiện theo phương thức song công (full duplex) tức là việc gửi và nhận thực hiện cùng một lúc, hay bán song công (half duplex), tức là các thiết bị thay phiên nhau phát và nhận

Bộ truyền UART phát từng bit trong byle dữ liệu một cách tuần tự Bộ thu UART chịu trách nhiệm lắp ghép các bit này lại thành các byle hoàn chỉnh Mỗi UART gồm có hai thanh ghi dịch, được dùng làm thành phần cơ bản trong việc chuyền giữa nổi tiếp sang song song và ngược lại (Hình 1.21) [7]

Hình 1.21 Định dạng khung truyền cơ bản của UART

1.6 Mô hình kỹ thuật nuôi cá thủy sinh

1.6.1.1 Xử lý nước cho hồ thủy sinh

Hệ thống lọc nước rất cần thiết cho hồ thủy sinh Chúng có chức năng lọc, lọc sạch nước trong hồ thủy sinh nhờ lớp lọc được trang bị trong các hệ thống lọc Điều đó sẽ tạo ra nước trong hồ thủy sinh sạch, giàu oxy và tạo môi trường thuận lợi cho cá phát triển tốt Các hệ thống lọc nước hồ thủy sinh trên thị trường hiện nay khá đa dạng về chủng loại Nhìn chung, các hệ thống này

bao gồm ba cơ chế chính: lọc cơ học, lọc hóa học và lọc sinh học Hệ thống lọc thường là sự kết hợp của 2 cơ chế lọc cơ học và lọc sinh học hoặc kết hợp

cả 3 cơ chế lọc cơ học, lọc hóa học và lọc sinh học để đảm bảo hiệu quả hệ thống Các hệ thống lọc phổ biến trên thị trường hiện nay như: Lọc treo, Lọc xốp, Lọc tràn, Canister/lọc ngoài, Lọc Undergravel, Lọc nhỏ giọt tầng sôi, Lọc tảo cát… Trong các hệ thống này, nước được bơm liên tục qua một hoặc nhiều lớp lọc vật liệu trong quá trình hoạt động của bộ lọc Khi đi qua các lớp vật liệu, các hạt có kích thước lớn chất gây ô nhiễm sẽ bị giữ lại trên bề mặt vật liệu Các hạt, chất hòa tan có kích thước nhỏ sẽ là các vi sinh vật bám dính trên bề mặt vật liệu lọc đang phân hủy, chuyển hóa thành các chất vô cơ đơn giản hoặc không độc hại Kết quả là nước trong hồ thủy sinh được làm sạch

Ưu điểm của các hệ thống này là khả năng xử lý khá tốt các chất chứa trong nước, mẫu mã đa dạng, đẹp mắt, dễ lắp đặt và sử dụng Nhưng những hệ thống này có nhiều nhược điểm Dễ bị tắc, thường xuyên phải vệ sinh hoặc thay thế vật liệu lọc Mặt khác, máy bơm nước phải hoạt động liên tục trong quá trình lọc.[8]

1.6.1.2 Lý thuyết về hồ cá

Qui luật vàng: Bể nuôi phải đủ lớn, phải có đủ bề rộng lớn để oxy khuếch tán và giải thoát các khí độc hại Tuy nhiên đối với những bể nuôi kín (có nắp đậy) thì cần có hệ thống sục khí và lọc nước [9]

Khung kim loại Khung phải vững chắc để giữ cho bể không bị sạt Khung có thể làm bằng sắt, nhôm, hoặc plastic cứng

Vật liệu làm bể Bể kính là vật liệu rất tốt để nuôi cá cảnh trong nhà Tuy nhiên bể có thể làm bằng xi măng như những hồ nhỏ đặt trong nhà, dưới cầu thang

Sự chiếu sáng Ánh sáng đóng vai trò quan trọng làm tăng vẻ đẹp của bể kính Ánh sáng tác động đến cá như là một chất kích thích và cũng cần thiết

kế cho cây quang hợp Bể nuôi phải đặt ở nơi thuận tiện cho việc chiếu sáng Mỗi ngày cần chiếu sáng cho bể khoảng 1 giờ dưới ánh sáng mặt trời Tuy

nhiên có thể sử dụng các đèn chiếu sáng khoảng 8-15 giờ trong ngày Có thể dùng bóng đèn 25 watts cho 0.09m2 mặt bể và có thể chiếu sáng trong 8 giờ Nếu ánh sáng vượt quá sẽ làm quần thể tảo phát triển và nếu không đủ thì là rong héo đi Ánh sáng thường là màu đỏ, xanh da trời, xanh lá cây

- Chiếu sáng bằng đèn thường như bóng đèn tròn Đèn này có tác dụng là

dễ lắp đặt và thay thế Trở ngại là ánh sáng ngắn, tiêu thụ nhiều điện, có thể làm nóng bể nuôi

- Chiếu ánh sáng bằng đèn huỳnh quang như đèn nê-ông Đèn có ưu điểm là thời gian sử dụng lâu, tiêu thụ không đáng kể, không làm nóng bể, phân bố đồng đều ánh sáng, màu ánh sáng khác nhau có thể làm tăng giá trị màu sắc của cá và giúp cho cây tăng trưởng dễ dàng Trở ngại là tương đối đắt

và lắp đặt tương đối phức tạp

Tiêu chuẩn của một bể Nước trong bể kính có thể được tính theo công thức:

Kích thước của bể nuôi cá

Bảng 1.5: Kích thước của các vật liệu cần thiết khi thiết kế bể nuôi cá

(mm)

Độ dày kính

(mm) Dài Rộng Cao Bề rộng Kim loại

(mm)

Độ dày kính

(mm) Dài Rộng Cao Bề rộng Kim loại

a Chu trình sinh học

Thực vật nhờ sự đồng hóa Chlorophyl dưới ánh sáng mặt trời mà ta gọi

là sự quang hợp, sẽ sản sinh ra oxy cung cấp cho cá Đồng thời qua quá trình quang hợp chúng sẽ hấp thu CO2 do cá thải ra, nếu không được hấp thụ thì cá

bị ngợp

6CO2 + 6H2O → 6O2 + C6H12O6 [9]

Lưu ý: asmt: Ánh sáng mặt trời

b Nguyên nhân mất cân bằng sinh học của bể nuôi

* Thiếu cây Thật khó xác định chính xác lượng rong tảo cần thiết cho

bể nuôi, điều này tùy thuộc từng loại cây trồng Thông thường một số nhánh rong xương cá Myriophyllum cung cấp oxy đầy đủ cho 1 lít nước [9]

* Thiếu ánh sáng Trong quá trình quang hợp, thực vật cần ánh sáng

asmt