Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bể nuôi cá

- Mục tiêu cụ thể: + Điều khiển được nhiệt độ, điều khiển mức nước cho bể cá + Thiết kế và vận hành được hệ thống lọc tuần hoàn tự động cho bể cá + Thiết kế và vận hành được hệ thống c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BỂ NUÔI CÁ

Mã số đề tài : 2020 - 11

Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Thị Thắm

THANH HÓA, THÁNG 3 NĂM 2023

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT Họ và tên Đơn vị công tác và

Khảo sát, tính toán thiết kế hệ thống điều khiển, xây dựng mô hình

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.1.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2 Điều kiện môi trường bể nuôi 5

1.3 Giới thiệu về nền tảng Arduino 8

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 9

2.1 Thiết kế mô hình 9

2.1.1 Module điều khiển nhiệt độ 9

2.1.2 Module điều khiển mức nước 10

2.1.3 Module lọc nước tuần hoàn 11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2 Bảng 2.2: Mô tả hiệu chỉnh bộ điều khiển nhiệt độ EWELLY 22

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2 Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển và giám sát bể nuôi

cá

9

3 Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển nhiệt độ 10

4 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển mức nước 10

5 Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lọc nước tuần

7 Hình 2.6: Module giám sát các thông số môi trường nước 13

9 Hình 2.8: Cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện loại K) 14

12 Hình 2.11: Cảm biến đo tổng lượng chất rắn hòa tan TDS 17

15 Hình 2.14: Sơ đồ chân bộ điều khiển nhiệt độ rkc CH402 20

17 Hình 2.16: Sơ đồ chân bộ điều khiển nhiệt độ EWELLY 181H 21

29 Hình 3.2 Mô hình bể chứa nước 31

30 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển và khống chế

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bể

- Cơ quan quản lý đề tài: Trường Đại học Hồng Đức - Đơn vị chủ trì đề tài: Khoa Kỹ thuật công nghệ

- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Thắm Đơn vị công tác: Khoa Kỹ thuật công nghệ

- Điện thoại: 0917281139 Email: nguyenthitham@hdu.edu.vn

2 Mục tiêu

- Mục tiêu chung: Thiết kế được mô hình giám sát, điều khiển một số thông số cho bể nuôi cá

- Mục tiêu cụ thể:

+ Điều khiển được nhiệt độ, điều khiển mức nước cho bể cá

+ Thiết kế và vận hành được hệ thống lọc tuần hoàn tự động cho bể cá + Thiết kế và vận hành được hệ thống cho cá ăn tự động theo giờ

+ Thiết kế và chạy thử nghiệm hệ thống giám sát môi trường nước trong bể cá như: độ PH, độ mặn

3 Tính mới và sáng tạo:

- Tạo ra mô hình hệ thống điều khiển và giám sát các thông số bể nuôi phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học về việc ứng dụng công nghệ thông tin và tự động hóa trong nuôi cá công nghiệp

- Ứng dụng thuật toán PID điều khiển nhiệt độ, mức nước để kiểm soát nhiệt độ và mức nước trong bể nuôi

- Sử dụng cảm biến đo độ đục của nước để lọc nước tuần hoàn làm sạch bể cá

4 Kết quả nghiên cứu

- Đề tài đã xây dựng được mô hình hệ thống điều khiển và giám sát các thông số môi trường cho bể nuôi thủy sản với kích thước 60x40x60 cm (dài x

rộng x cao), bao gồm các chức năng: điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức nước, cho ăn tự động, đo và giám sát độ PH, độ mặn

- Vận hành thử nghiệm được mô hình tại Xưởng thực hành – Khoa Kỹ thuật công nghệ Kết quả vận hành cho thấy các module chức năng của hệ

thống hoạt động ổn định trong suốt quá trình vận hành thử nghiệm 5 Sản phẩm của đề tài

- Báo cáo tổng kết đề tài;

- Bài báo đăng trên tạp chí trường ĐHHĐ

- Mô hình điều khiển nhiệt độ, mô hình điều khiển mức nước, mô hình lọc và cấp thức ăn tự động, mô hình theo dõi giám sát thông số qua điện thoại thông minh

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng ứng dụng

- Điều khiển và giám sát một số thông số điều kiện môi trường nước, phát hiện các yếu tố bất lợi cho môi trường nuôi nhằm mục đích phát hiện và điều chỉnh kịp thời

- Xây dựng mô hình nuôi trồng thủy sản nhân tạo ở nhiều loại địa hình cho các tổ chức, cá nhân có nhu cầu

MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết của đề tài

Ứng dụng công nghệ thông tin và tự động hóa trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản đã đạt được những thành tựu đáng kể Việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật hiện đại đã giúp người nuôi nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản nói chung và nuôi cá công nghiệp nói riêng, việc áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại sẽ mang lại nhiều lợi ích, hiệu quả cho người nuôi trồng như: tăng năng suất, giảm nhân lực, tiết kiệm nước, chất lượng sản phẩm tốt, giảm giá thành, giảm ô nhiễm môi trường, ít rủi ro, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Theo tài liệu [2] thì ứng dụng tự động hóa trong nuôi cá công nghiệp có thể tiết kiệm được chi phí đầu tư, vận hành cũng như nâng cao được chất lượng sản phẩm, cụ thể: giảm khoảng 20% chi phí điện năng; giảm 50% chi phí nhân công; gia tăng 5-10% sản lượng do vật nuôi phát triển tốt hơn trong môi trường tốt hơn; loại bỏ rủi ro cá chết do sự cố môi trường

Tuy nhiên, theo đánh giá việc ứng dụng công nghệ thông tin và tự động hóa trong nuôi cá công nghiệp còn rất hạn chế so với nhu cầu hiện nay Đây cũng là một trong những lý do thúc đẩy các công trình nghiên cứu tích hợp công nghệ thông tin và tự động hóa trong lĩnh vực nuôi cá công nghiệp Ở nước ta, đã phát triển thành công nhiều hệ thống nuôi cá nhân tạo, cụ thể như: Nuôi cá quả, nuôi cá chạch, nuôi cá tầm,… Tuy nhiên, để đạt được các ưu điểm vượt trội so với cách nuôi ao truyền thống, vấn đề đặt ra của bể cá công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ về môi trường và điều kiện sống cho vật nuôi như: nguồn nước, nhiệt độ, điều kiện thức ăn, điều kiện vệ sinh, kiểm soát các loại bệnh Trong các vấn đề trên, việc cải thiện môi trường sống cho cá là yếu tố then chốt để nâng cao sản lượng, tiết kiệm chi phí về nguồn nước, kiểm soát điều kiện sống và dịch bệnh tốt hơn nhằm mang lại hiệu quả sản xuất cao và lợi ích kinh tế đáng kể

Đề tài này sẽ phát triển hệ thống điều khiển và giám sát một số thông số cho bể nuôi cá thông qua sóng Wifi và điện thoại, công nghệ này có nhiều ưu điểm như: quá trình giám sát có thể thực hiện ở mọi lúc và mọi nơi, có thể quan sát để biết được tình trạng bể nuôi với các thông số đo được Ngoài ra đề tài phát triển thêm các hệ thống tự động hóa để điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức nước, điều khiển lọc tuần hoàn, điều khiển cấp thức ăn tự động… Đây là

các vấn đề cơ bản nhưng mang lại hiệu quả thiết thực trong quá trình nuôi cá ở thực tế

2 Mục tiêu

Thiết kế được mô hình giám sát, điều khiển một số thông số cho bể nuôi cá với các tính năng:

- Điều khiển được nhiệt độ, điều khiển mức nước cho bể cá - Lọc nước tuần hoàn cho bể cá

- Cho cá ăn tự động

- Giám sát môi trường nước trong bể cá công nghiệp như: độ PH, độ mặn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống senso để giám sát một số thông số của bể cá - Hệ thống tự động điều khiển mức nước, nhiệt độ bể cá - Hệ thống lọc nước và cấp thức ăn tự động

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Mô hình bể cá kích thước nhỏ hơn 1m3

- Điều khiển nhiệt độ bể cá trong khoảng từ 26 đến 30oC - Điều khiển mức nước từ 35 đến 40 cm

- Các thiết bị tự động hóa cho bể cá

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan lý thuyết áp dụng cho bể nuôi cá - Phân tích và xây dựng mô hình

- Phân tích nguyên lý hoạt động của mô hình - Xây dựng hệ thống thực nghiệm

5 Cách tiếp cận

Nghiên cứu về nguyên lý làm việc của các thiết bị điều khiển và giám sát bể nuôi cá Trên cơ sở lý thuyết, lựa chọn và thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát thông số bể nuôi

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: tìm hiểu tổng quan các vấn đề nghiên cứu, các ưu điểm nhược điểm và các vấn đề cần khắc phục của các bộ biến đổi hiện tại - Phương pháp thực nghiệm: lựa chọn thiết bị phù hợp với mô hình, xây dựng hệ thống thực nghiệm để chứng minh kết quả nghiên cứu

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7.1 Ý nghĩa khoa học

- Xây dựng cơ sở khoa học về việc thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát thông số môi trường bể nuôi thủy sản

- Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ thông tin và tự động hóa vào việc nuôi trồng thủy sản góp phần nâng cao năng suất, chất lượng nuôi trồng thủy sản

7.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc ứng dụng hệ thống điều khiển, giám sát thông số môi trường bể nuôi thủy sản giúp giảm rủi ro cho quá trình nuôi Quan sát thông số điều kiện môi trường nước, phát hiện các yếu tố bất lợi cho môi trường nuôi nhằm mục đích phát hiện và điều chỉnh kịp thời

8 Đóng góp mới của đề tài

Tạo ra mô hình bể nuôi cá có khả năng điều khiển và giám sát các thông số môi trường bể nuôi Bên cạnh đó mô hình có thể sử dụng làm mô hình cho sinh viên ngành kỹ thuật điện học tập nghiên cứu

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hình 1.1 Mô hình bể nuôi công nghiệp

Nuôi trồng thủy sản nói chung và nuôi cá trong môi trường nhân tạo nói riêng Việt Nam đang có nhiều cơ hội như: Nhu cầu các sản phẩm chế biến sẵn từ cá của thế giới đang ngày càng gia tăng [2]; Các sản phẩm từ cá nuôi là một trong các sản phẩm thủy sản có cơ hội phát triển lớn khi Việt Nam gia nhập TPP (Hiệp định thương mại xuyên thái bình dương) và các hiệp định thương mại khác [3] Tuy nhiên ở Việt Nam, việc nuôi cá ở quy mô lớn đang còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ môi trường sống ở quy mô lớn còn rất hạn chế, hạ tầng chưa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật; phòng, chống dịch bệnh còn hạn chế, nhiều trường hợp gây thiệt hại lớn khi có biến động về môi trường [4] Khi có tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng rất khó kiểm soát dịch bệnh, gây tổn thất nặng nề cho người nuôi cá

Ở Việt Nam, việc áp dụng công nghệ nuôi cá công nghiệp còn nhiều hạn chế, mà các nguyên nhân chủ yếu do giá thành đầu tư tốn kém, do thói quen, hay chưa có các mô hình mẫu để học hỏi… Các hệ thống hiện tại chủ yếu sử dụng công nghệ của nước ngoài với giá thành cao Các hệ thống xây dựng chưa được nghiên cứu và báo cáo hoàn chỉnh từ quy trình và công nghệ chế tạo khiến nhiều người khó có thể tiếp cận để học hỏi đưa vào thực tế

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Mô hình nuôi cá công nghiệp trên thế giới luôn được quan tâm phát triển, đặc biệt là những nước có điều kiện khắc nghiệt Việc này đã mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí trong việc nuôi cá công nghiệp dưới sự hỗ trợ của máy móc hiện đại Để làm được điều đó, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về hệ thống điều khiển giám sát nguồn nước nuôi cá, các hệ thống tự động hóa trong việc nuôi cá như: lọc tuần hoàn, xử lý ô nhiễm, cho ăn tự động, thu hoạch tự động [1]… Nhiều công trình nghiên cứu đã được ứng dụng thành công trong thực tế, điển hình ở các nước phát triển [4] như: Nhật Bản, Hoa Kỳ, Isarel… các công nghệ này tạo ra hiệu quả thiết thực với ý nghĩa thực tiễn trong việc nuôi cá thương phẩm, mang lại hiệu quả kinh tế cao Tuy nhiên việc áp dụng ở quy mô lớn các công nghệ này ở các nước đang phát triển gặp nhiều khó khăn do vấn đề nhập khẩu các hệ thống thiết kế sẵn luôn có giá thành rất cao

1.2 Điều kiện môi trường bể nuôi

1.2.1 Nước nuôi cá

Vấn đề nguồn nước để nuôi cá chính là yếu tố quan trọng hàng đầu người nuôi cần lưu ý Tu y thuộc vào giống cá được nuôi mà sử dụng loại nước thích hợp Nước nuôi cá có thể là nước ngọt, nước lợ, nước mặn Nhưng đa số thì người nuôi thường chọn nuôi cá nước ngọt hơn Vì cá nước ngọt thường dễ nuôi, và nguồn nước cũng dễ tìm hơn Vì vậy, các nội dung tiếp theo sẽ áp dụng cho các loại cá sử dụng nguồn nước ngọt là chủ yếu

Hầu hết nước du ng cho bể cá hiện nay đều dùng nước sinh hoạt là nước máy Do vậy, cần xử lý chất Clo rồi mới dùng để nuôi cá bằng cách để nước máy trong các dụng cụ chứa nước không có nắp đậy trên 24 giờ, để cho hơi clo tự bay hơi Để tăng hiệu quả và giảm thời gian thì có thể đặt các dụng cụ chứa nước này ở nơi có nhiều ánh nắng và có thể thêm máy xủi oxi, hay sử dụng dung dịch khử clo có bán tại các cửa hàng khi cần nước gấp, hoặc không có thời gian trữ nước đã khử clo

Nếu du ng nước giếng nuôi cá cần chú ý nước giếng thường có PH thấp cỡ 4.5, cũng như hàm lượng oxi ít, thậm chí 1 số vùng có nước giếng bị nhiễm phèn nặng thì cần phải xử lý kỹ hơn Để xử lý nước giếng nuôi cá, phải chứa nước giếng trong các bể chứa, kết hợp xủi oxi thật mạnh để tăng hàm lượng oxi và tăng pH Có thể cho thêm san hô vụn vào hộp lọc để tăng

độ pH

Cách xử lý nước giếng bị nhiễm phèn: Ngoài việc xử lý như trên cần bỏ than hoạt tính vào bồn chứa nước Trung bình số lượng than chiếm 1/3 thể tích bồn chứa nước

Nuôi cá bằng nước mưa: Nước mưa mát sẽ kích thích cá bơi lội trong mu a hè, tuy nhiên nước mưa có độ pH thấp nên cần xử lý như nước giếng và thêm các yếu tố khác Tuy nhiên vì nước mưa làm cho hồ cá nhanh có tảo rêu nên bạn hạn chế sử dụng

1.2.2 Cách thay nước bể cá

Không nên hút nước cũ 100% và thay nước mới, ta nên hút nước cũ từ 30 – 50% và thêm nước mới vào từ từ nhẹ nhàng để cá có thể thích nghi, hạn chế tình trạng cá bị sock nước do chênh lệch pH và nhiệt độ…

Hạn chế di chuyển cá sang hồ khác, nếu muốn di chuyển thì nên cân bằng pH và nhiệt độ cho phù hợp để cá không bị sock cũng như stress do thay đổi môi trường sống

Dùng ống nhựa hoặc ống bơm nước nhựa bằng tay có bán ở các cửa tiệm cá và dùng ống bơm tay này hút thức ăn dư thừa, cặn bã dưới đáy hồ, sau đó cho nước mới vào

Ngoài ra, để hạn chế việc thay nước cá thì có thể sử dụng máy lọc nước để nước cá luôn được trong và hạn chế mất đi đặc tính nước mà cá đã quen sống Việc lọc nước nếu bật liên tục thì sẽ lãng phí dư thừa Vì chỉ cần mỗi ngày lọc từ 2-8h là đủ để duy trì nước trong hồ luôn trong

1.2.3 Thức ăn cho cá

Nên cho cá ăn vừa đủ không nên để thức ăn dư thừa tránh làm thừa nhiều thức ăn gây ảnh hưởng đến chất lượng nước bể cá

Cá có tập tính thấy mồi là đớp, nên nhiều người tưởng cá còn đói nên cho ăn nhiều sẽ làm cá bị đầy bụng mà chết Vì thế cho ăn 2 lần/ngày (Sáng và chiều) Nếu lỡ để cá đói vài ngày cá không chết, nhưng cho ăn no quá cá lại rất dễ chết Ngoài thức ăn khô, tùy loại cá mà ta nên bổ sung thêm thức ăn tươi như cá con, cá trâm, cá chép mồi… tùy thuộc vào giống cá đang nuôi

Thức ăn tổng hợp là một trong những loại thức ăn mà người nuôi cá hay sử dụng Bởi tính tiện dụng và dễ bảo quản lâu dài hơn các loại thức ăn tươi Có 2 loại là thức ăn dạng bột và thức ăn dạng hạt Đây là loại thức ăn thích hợp để sử dụng cho hệ thống nuôi cá tự động

1.2.4 Ánh sáng

Ánh sáng là yếu tố cần thiết cho mỗi bể cá Ánh sáng vừa giúp trang trí cho bể cá thêm lung linh nổi bật vừa giúp cho những loại cá phát triển các sắc tố cho chúng

Cần đặt hồ cá nơi tháng mát, tránh ánh sáng trực tiếp, nếu để hồ cá nơi tối tăm, không thoáng khí lâu ngày dễ làm cá phát bệnh Tùy tình huống có thể sử dụng đèn công suất nhỏ cho hồ cá với liều lượng khoảng vài giờ trên/ngày (Bật ban ngày dưới 8 tiếng, và tắt ban đêm cho cá nghỉ ngơi) Nếu bể cá đặt ngoài trời cần tạo bóng mát, hạn chế tác động từ nắng, mưa

1.2.5 Nhiệt độ nước

Nhiệt độ môi trường nước là một trong những yếu tố rất quan trọng khi nuôi cá Nhiệt độ thích hợp cho cá cảnh thường từ 26 - 30 độ C tùy thuộc vào giống cá được nuôi Nếu chênh lệch vài độ thì cá sống vẫn tốt Nếu ở khu vực Miền Nam thì không cần quá quan tâm đến vấn đề nhiệt độ, nếu ở khu vực Miền Bắc và các tỉnh lân cận có khí hậu lạnh thì cần quan tâm đến việc sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ nước kết hợp với cách sử dụng cây sưởi nhiệt độ hồ cá cho phù hợp

Nước nóng hơn bình thường thì cần xử lý hạ nhiệt Ngược lại, nước lạnh hơn bình thường thì cần xử lý gia nhiệt để cá không bị sốc nhiệt Việc này sẽ dễ dàng hơn nếu sử dụng các thiết bị điện tử

1.2.6 Oxi cho cá

Bất kể loài vật nào dù sống trên cạn hay dưới nước hoặc trên không đều cần oxi để tồn tại Cá có thể ngoi lên mặt nước để lấy oxi Nhưng nhiều loại cá thường nhát khi được nuôi, vì thế chúng rất hạn chế ngoi lên Thay vào đó, chúng lấy oxi bằng cách lọc oxi có sẵn trong nước qua mang Với những người nuôi cá thì cách giải quyết của họ là trang bị cho bể cá những bình thổi oxi

Việc bơm oxi cho cá thì mỗi ngày bơm khoảng vài giờ là đủ cho cá Không cần bật liên tục 24/24h mỗi ngày

1.2.7 Độ pH

Độ pH là độ axit hay độ chua của nước Độ pH được hiểu là méc độ hoạt động của ion H+ trong môi trường dung dich dưới sự tác động của một hằng số điện ly Tất cả các dung dịch đều tồn tại ở dạng lỏng đều có nồng độ

pH riêng và độ pH cho biết mức độ ảnh hưởng của dung dịch là có lợi hay có hại

pH được định nghĩa là logarit âm của nồng độ ion hydro chạy trong khoảng từ 0-14 và có công thức tính: pH= -log[H+]

Nguồn nước có PH>7 thường chứa nhiều ion nhóm carbonate và bicarbonate Nguồn nước có PH<7 thường chứa nhiều ion gốc axit Độ của nước sinh hoạt thường là 6.0-8,5 và cả nước uống là 6.5-8.5

1.2.8 Chỉ số TDS

TDS (Total Dissolved Solids): là chỉ số thể hiện tổng lượng chất rắn hòa tan (tổng số các ion mang điện tích bao gồm muối, khoáng chất hoặc, kim loại, ) tồn tại trong một thể tích nước nhất định Tổng chất rắn hòa tan có trong nước là một trong những nguyên nhân gây ra độ đục và trầm tích trong nước uống

Các chất rắn hòa tan mà TDS nói tới bao gồm các ion: Canxi, Magie, kali, natri, biocacbonat, clorua, Sunfat Ngoài ra còn một lượng nhỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan

1.3 Giới thiệu về nền tảng Arduino

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện-điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn

Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình được và thực hiện các ứng dụng điện điện tử một cách đơn giản hơn mà không cần dùng các công cụ chuyên biệt

Arduino bao gồm:

 Phần cứng gồm một board mạch mã nguồn mở: có thể lập trình được

 Các phần mềm được hỗ trợ phát triển tích hợp IDE(Intergrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board

Ứng dụng của Aruino: Arduino có khả năng làm bộ xử lý trung tâm cho một dự án hoặc đóng vai trò xử lý các tác vụ mở rộng cho một dự án điện điện tử Các lĩnh vực của Arduino có thể làm như: Robot, tự động hóa, droine, IOT, in 3D,

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 2.1 Thiết kế mô hình

Hệ thống điều khiển và giám sát chất lượng thông số môi trường bể nuôi cá được nghiên cứu dựa trên việc phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp với việc xây dựng mô hình thực nghiệm (kích thước 60x40x40 cm) Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra mô hình được xây dựng gồm các module điều khiển riêng lẻ như: module điều khiển nhiệt độ, module điều khiển mức nước, module lọc nước tuần hoàn tự động, module cho cá ăn tự động, module giám sát thông số PH và độ mặn (DTS) của môi trường bể nuôi Sơ đồ khối và chức năng của từng module được thực hiện cụ thể như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển và giám sát bể nuôi cá

2.1.1 Module điều khiển nhiệt độ

Nhiệt độ môi trường nước là yếu tố quan trọng góp phần vào sự sinh trưởng và phát triển của vật nuôi thủy sản Mỗi loại sinh vật sẽ thích hợp với một khoảng nhiệt độ môi trường sống nhất định, do đó bộ điều khiển có nhiệm vụ duy trì một khoảng nhiệt độ nhất định đối với môi trường nước Trong mô hình này, nhiệt độ được cài đặt ở giá trị 25,5oC đến 26,5oC, nghĩa là khi nhiệt độ môi trường có cao hơn hoặc thấp hơn ngưỡng nhiệt độ trên thì nhiệt độ trong bể nuôi vẫn duy trì ở mức xung quanh giá trị 26oC

Module điều khiển nhiệt độ được thực hiện bởi bộ điều khiển PID và các cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ của môi trường nước, nguyên lý làm việc của bộ điều khiển PID được thể hiện chi tiết trong tài liệu [5], sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển nhiệt độ được thể hiện như hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển nhiệt độ

Trong quá trình hoạt động, cảm biến nhiệt độ liên tục đo nhiệt độ của môi trường nước, sau đó tín hiệu sẽ được phản hồi và so sánh với giá trị đặt là 26oC, khi phát hiện nhiệt độ môi trường nằm ngoài khoảng nhiệt độ 25,5oC đến 26,5o

C thì bộ điều khiển PID sẽ tác động để điều chỉnh nhiệt độ nước về ngưỡng nhiệt độ đã chọn bằng cách cấp tín hiệu đến cơ cấu chấp hành để cung cấp nguồn nóng hoặc nguồn lạnh vào bể nước nhằm tăng hoặc giảm nhiệt độ bể nước bằng giá trị 26oC Quá trình này luôn hoạt động liên tục và thường xuyên trong suốt quá trình vận hành hệ thống Đối với môi trường nuôi ở nhiệt độ khác thì chỉ cần cài đặt lại thông số của bộ điều khiển PID và cho hệ thống hoạt động tương tự như quá trình trên

2.1.2 Module điều khiển mức nước

Nước là yếu tố quan trọng hàng đầu để thủy sản có thể tồn tại và phát triển Trong quá trình nuôi trồng thì lượng nước trong bể luôn bị thất thoát với nhiều nguyên nhân, khiến cho người nuôi phải theo dõi thường xuyên để cấp bù lại lượng nước thất thoát này, nếu không cấp lại lượng nước thất thoát sẽ ảnh hưởng để quá trình sinh trưởng của vật nuôi Để khắc phục điều này, mô hình được trang bị hệ thống điều khiển cấp nước tự động để bù lại lượng nước thất thoát trong quá trình vận hành và luôn duy trì mức nước trong bể ở một giá trị nhất định không đổi Với điều kiện xây dựng mô hình thì mực nước cố định của bể nuôi luôn duy trì trong khoảng tối thiểu là 35cm và mức nước tối đa là 40cm

Module điều khiển mức nước được thực hiện bởi bộ điều khiển PID và các cảm biến đo mức để đo mức nước trong bể, sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển nhiệt độ được thể hiện như hình 2.3

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển mức nước

Trong hình 2.3, để thực hiện đo được mức nước trong bể, hệ thống sử dụng cảm biến siêu âm kết hợp với bộ điều khiển PID Trong quá trình hoạt

động, cảm biến siêu âm liên tục đo mực nước để so sánh với giá trị đặt trước, khi mức nước trong bể ở mức tối thiểu là 35cm thì cảm biến siêu âm phát hiện, gửi tín hiệu để so sánh với giá trị đặt, nếu sai lệch với giá trị đặt thì bộ điều khiển PID sẽ có nhiệm vụ triệt tiêu các sai lệch và gửi tín hiệu đến cơ cấu chấp hành, khi cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu sẽ mở van cấp nước, nước trong bể sẽ được bổ sung, khi mức nước được bổ sung đến 40cm, cảm biến siêu âm sẽ phát hiện và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PID để tác động đóng van cấp nước, quá trình hoạt động luôn được cập nhật và theo dõi để bộ điều khiển làm việc và luôn đảm bảo được mức nước trong bể ở một thông số nhất định đảm bảo được môi trường sống ổn định cho thủy sản

2.1.3 Module lọc nước tuần hoàn

Yếu tố then chốt trong sự sinh trưởng, phát triển của vật nuôi thủy sản đó là chất lượng môi trường nước Một trong những yếu tố mà ảnh hưởng đến chất lượng nước đó là chất thải của vật nuôi trong quá trình nuôi dưỡng, nếu không được loại bỏ thì môi trường nước sẽ bị ô nhiễm và ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vật nuôi Do đó, bài toán đặt ra là các chất thải phát sinh trong bể phải được lọc để loại bỏ ra bên ngoài Để đảm bảo được điều này, hệ thống được trang bị thiết bị lọc tuần hoàn được điều khiển bởi module Arduino và cảm biến quang có giá trị điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của module Arduino được trình bày trong tài liệu [6] Trong nghiên cứu này, cảm biến sẽ được hiệu chỉnh để có

thể đo được cường độ sáng trong khoảng l = 0-1024 lux Khi đặt trong môi trường nước, cảm biến được cài đặt để báo tín hiệu ở mức l = 796 lux

Quá trình điều khiển lọc nước tuần hoàn: thiết bị điều khiển arduino được nạp sẵn chương trình lập trình, sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống được mô tả như hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lọc nước tuần hoàn

Trong quá trình vận hành, chất thải từ vật nuôi và thức ăn dư thừa sẽ làm nước trong bể trở nên đục, khi nước đạt đến một độ đục giới hạn và cảm biến đo được cường độ sáng nhỏ hơn 796 lux, cảm biến quang sẽ phát hiện và gửi tín hiệu đến module arduino đã được cài đặt chương trình điều khiển để có thể

tự động bật máy bơm để lọc nước, bộ phận lọc được thiết kế bên ngoài bể nuôi, khi nước trong bể đạt độ trong cần thiết ở mức 898 lux, cảm biến quang phát hiện và gửi tín hiệu về module Arduino để tác động tắt máy bơm Quá trình được hoạt động liên tục trong suốt quá trình vận hành bể chứa

2.1.4 Module cấp thức ăn tự động

Đối với những mô hình nuôi thủy sản quy mô lớn, việc cho ăn là một công việc mất nhiều công sức và thời gian, để đảm bảo nhịp sinh trưởng cho vật nuôi tốt thì việc cho ăn đúng thời gian, đúng lượng thức ăn giữ vai trò quan trọng Để đảm bảo yêu cầu đó, module cấp thức ăn tự động theo giờ được trang bị thiết bị điều khiển arduino, động cơ bước để điều khiển cấp thức ăn tự động cho vật nuôi, như vậy sẽ tiết kiệm nhân công và thời gian lao động, đồng thời kiểm soát lượng thức ăn giữ cho bể nuôi được sạch sẽ

Quá trình điều khiển cấp thức ăn tự động được thực hiện bởi một chương trình lập trình nạp sẵn cho module arduino, chương trình này sẽ tính toán sẵn thời gian cho ăn, lượng thức ăn một cách chính xác theo yêu cầu Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống được mô tả như hình 2.5

Arduino Động cơ bước Van xả Bể nuôithức ăn

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển cấp thức ăn tự động

Quá trình hoạt động được thực hiện theo thời gian thực, khi đến giờ thiết bị arduino sẽ gửi tín hiệu đến động cơ bước được gắn với cơ cấu thả thức ăn được chứa sẵn thức ăn, tùy theo thời gian gửi tín hiệu tương ứng với số vòng quay của động cơ bước mà lượng thức ăn phù hợp sẽ được thả vào bể theo đúng tỷ lệ cho phép, đảm bảo một lượng vừa đủ cho vật nuôi, hạn chế được thức ăn dư thừa và tránh ô nhiễm môi trường nước Quá trình này được thực hiện vào các khung giờ cố định theo nhu cầu cho ăn của vật nuôi Quá trình này được thực hiện mỗi ngày trong suốt quá trình nuôi thủy sản, khi thủy sản lớn lên thì nhu cầu thức ăn lớn, khi đó chương trình sẽ được nạp lại tương ứng với việc tăng thêm lượng thức ăn thích hợp cho vật nuôi

2.1.5 Module giám sát thông số môi trường nước

Việc giám sát chỉ tiêu môi trường nước là một nhiệm vụ quan trọng để kiểm soát nồng độ vi chất có trong nước để có giải pháp kịp thời trong trường hợp các chỉ số vượt ngưỡng cho phép Đối với các vùng nuôi trồng dễ bị nhiễm phèn, nhiễm mặn thì quá trình giám sát chất lượng nước là một yếu tố quyết định đến hiệu quả nuôi trồng Trong nghiên cứu này ngoài việc xây

dựng các hệ thống điều khiển, bể nuôi được trang bị các thiết bị đo và hiển thị giá trị độ pH và độ mặn (DTS) cho bể cá, quá trình này được thực hiện bằng cách trang bị các cảm biến về độ pH, các cảm biến đo độ mặn, các cảm biến này được kết nối với các thiết bị hiển thị qua màn hình LCD Khi các thông số vượt ngưỡng cho phép sẽ đưa ra cảnh báo đến điện thoại thông minh của người nuôi thông qua kết nối các thiết bị bằng sóng Wifi, việc này giúp cho quá trình giám sát các yếu tố môi trường trong ao nuôi một cách dễ dàng, nhanh chóng với độ tin cậy cao khi môi trường có sự thay đổi đột ngột, từ đó giúp người nuôi có thể thực hiện các can thiệp cần thiết để duy trì môi trường ao nuôi luôn ở trạng thái tốt nhất Module gồm hệ thống các cảm biến đo nồng độ pH và độ mặn, hệ thống điều khiển adruino và màn hình LCD Các cảm biến đo giá trị pH và độ mặn dưới dạng tín hiệu điện tương tự Tín hiệu này sau đó được khuếch đại và chuyển đến khối Arduino Arduino nhận tín hiệu, xử lý và chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Sau khi chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, Arduino sẽ hiển thị kết quả lên LCD Sơ đồ khối

a Cảm biến nhiệt độ Thermocouple type K (Cặp nhiệt điện loại K)

Cảm biến nhiệt độ Thermocouple hay còn gọi là cặp nhiệt điện, được dùng để đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý hay hiệu ứng được tìm ra bởi nhà vật lý học người Đức tên là Thomas Seebeck (1770-1831) Tên của ông cũng được đặt cho hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Peltier-SeeBeck hay còn gọi là hiệu ứng nhiệt điện

Nội dung của hiện tượng là sự chuyển nhiệt năng thành điện năng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại

Nguyên lý hoạt động: Khi có sự tác động của nhiệt độ, 2 đầu dây của

cảm biến sẽ sinh ra một điện áp một chiều tỷ lệ thuận với nhiệt độ cần đo

Hình 2.7:Hiện tượng nhiệt điện [nguồn tham khảo]

Cấu tạo của cặp nhiệt điện: Cặp nhiệt điện có cấu tạo bao gồm hai dây

kim loại khác nhau được kết nối với nhau tại một điểm nối Khi điểm nối được cấp nhiệt độ (nóng hoặc lạnh), thì sẽ có một điện áp nhỏ được tạo ra trong mạch này, điện áp này có thể đo được và được quy đổi giá trị tương ứng với nhiệt độ tại điểm nối Về lý thuyết thì điểm nối giữa 2 kim loại khác nhau bất kỳ nào cũng sinh ra điện áp Nhưng trong thực tế, các nhà nghiên cứu chỉ chọn một số kim loại để làm cảm biến để đảm bảo tính chính xác và độ tuyến tính cho phép đo

Hình 2.8: Cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện loại K)

Thông số kỹ thuật của cặp nhiệt độ K:

- Cặp nhiệt điện loại k có dải đo nhiệt rộng;

- Có nhiều chiều dài đường kính ren khác nhau, phù hợp với dạng máy

- Dễ bị nhiễu và sụt áo trên đường dây; - Đấu nối có phân biệt dương(+) và âm(-) Ứng dụng:

- Đo nhiệt độ lò nung;

- Đo nhiệt độ khí thải tuabin khí, động cơ diesel; - Giám sát nhiệt độ trong các lò sấy rau củ quả;

- Các hệ thống gia nhiệt khác trong quá trình sản xuất công nghiệp khác b Giới thiệu về cảm biến điện trở nhiệt NTC (NTC Thermistor)

Cảm biến điện trở nhiệt NTC là cảm biến sử dụng hiện tượng thay đổi điện trở dưới sự tác động của nhiệt độ Điện trở của cảm biến sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, do đó có thể đo được nhiệt độ thông qua sự thay đổi của điện trở

Hình 2.9:Cảm biến nhiệt độ NTC

Nguyên lý hoạt động: khi nhiệt độ tăng, trở kháng của cảm biến giảm

làm dòng tín hiệu ra tăng tỷ lệ thuận với giá trị nhiệt độ

c Cảm biến đo PH

Cấu tạo của cảm biến đo PH gồm 2 bộ phận chính: đầu dò, vỏ cảm biến và cơ cấu chỉ thị Đầu dò của máy đo PH được thiết kế bằng 2 điện cực: điện