Giải pháp nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics trên nền tảng đám mây

Nội dung bài viết trình bày giải pháp nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics trên nền tảng đám mây. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết này.

Giải Pháp Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Cho Hệ Thống Aquaponics Trên Nền Tảng Đám Mây Lê Anh Bình Khoa Quốc tế, Đại học Quốc gia Hà nội Email: anhbinhlevn@gmail.com Nguyễn Đình Nam Khoa Điện Tử Viễn Thơng, Đại Học Điện Lực Email: namnguyendinh@hc.com.vn Abstract — Trong báo này, đề xuất giải pháp nguồn lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống aquaponics tảng đám mây Giải pháp cho phép cung cấp giám sát lượng cách hiệu quả, đồng thời giúp theo dõi giám sát điều khiển hệ thống aquaponics tảng đám mây Hệ thống thử nghiệm thành công cho thấy triển vọng việc triển khai diện rộng thực tế Keywords - Aquaponics, lượng mặt trời, điện toán đám mây I GIỚI THIỆU Năng lượng tái tạo, có lượng mặt trời (NLMT) đóng vai trị quan trọng việc tạo nguồn lượng tin cậy tương lai Trên giới, nước phát triển có nhiều ứng dụng đời sống công nghiệp để thu nguồn lượng Với ưu điểm sẵn có, dồi dào, nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường, lượng mặt trời giải pháp thay cho nguồn lượng khác ngày cạn kiệt Trái Đất Việt Nam với ưu điểm nước có tiềm lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài, nằm khu vực có cường độ xạ tương đối cao Do việc sử dụng lượng mặt trời Việt Nam khuyến khích áp dụng lĩnh vực đời sống sản xuất Năng lượng mặt trời ứng dụng thiết thực đời sống người đặc biệt lĩnh vực nông nghiệp máy sấy, nấu ăn, sưởi ấm, cung cấp điện cho trang trại thiết bị chiếu sáng, [1] Trong thực tế nhiều hệ thống Aquaponics triển khai nông nghiệp nhằm mang lại nguồn thực phẩm an toàn hiệu quả, nhiên hệ thống chủ yếu triển khai phạm vi nhỏ (các hộ, gia đình,…) chủ yếu dựa vào lưới điện quốc gia Do triển khai quy mô lớn phân tán vị trí khác nhau, nơi xa nguồn điện lưới, hệ thống không phát huy hiệu thiếu nguồn điện cung cấp chi phí cao lắp đặt trì lưới điện Để giải vấn đề này, số giải pháp sử dụng nguồn lượng tái tạo có sẵn nơi canh tác có sử dụng lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho hệ thống [2,3] Các mơ hình dừng lại việc cung cấp nguồn cho hệ thống mà chưa đề cập đến hiệu việc thu lượng pin mặt trời, khơng có khả giám sát cảnh báo dung lượng acquy, khả tích hợp điều khiển thống với hệ thống aquaponics tảng đám mây Trong báo này, đề xuất giải pháp nguồn lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống aquaponics Giải pháp cho phép cung cấp nguồn điện giám sát dung lượng acquy cách hiệu quả, đồng thời giúp theo dõi giám sát điều khiển hệ thống aquaponics tảng đám mây Bên cạnh giải pháp cho phép triển khai mở rộng hệ thống aquaponics cách phân tán linh hoạt Phần lại báo tổ chức sau: Phần II giới thiệu tổng quan aquaponnics, nguồn lượng mặt trời dịch vụ điện toán đám mây Trong phần III, chúng tơi đề xuất mơ hình nguồn lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống aquaponics tảng đám mây Phần IV cung cấp kết thử nghiệm đánh giá Cuối cùng, kết luận báo phần V II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AQUAPONICS, NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ DỊCH VỤ ĐIỆN TỐN ĐÁM MÂY 2.1 Hệ thống Aquaponics Mơ hình aquaponics kết hợp hai hệ thống: Nuôi trồng thủy sản (aquaculture) trồng theo phương pháp thủy canh (hydroponics) [4-6] Sự kết hợp mang lại lợi ích thiết thực tính độc đáo Thay bổ sung phân bón hóa chất để trồng cây, mơ hình sử dụng chất thải từ cá nhờ chuyển hóa từ lồi vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết đầy đủ cho phát triển Ngược lại, thay xả nước mơi trường, sử dụng trồng để làm nước trả lại cho bể cá Nước tái sử dụng vơ thời hạn cần thay bị bay (hình 1) 167 Hình Mơ hình Aquaponics Một số yếu tố cần quan tâm Aquaponics: 2.2 Hệ thống nguồn lượng mặt trời Oxy hòa tan: Cá cần oxy để sống cần ý đến việc đảm bảo hàm lượng oxy thích hợp cho cá phát triển Hàm lượng oxy hòa tan thường thấp vào lúc sáng sớm phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác mật độ cá, nhiệt độ nước, độ mặn,… người sử dụng nên có dụng cụ kiểm tra hàm lượng oxy hàng ngày để đảm bảo cho cá phát triển tốt Nhiệt độ: Nhiệt độ nước quan trọng hệ thống Aquaponics Nhiệt độ nước cao làm cá sốc chết ảnh hưởng đến phát triển trồng Ngược lại, nhiệt độ hạ xuống thấp gây hại cho trồng cá Vì người sử dụng nên thường xuyên theo dõi để có biện pháp hợp lí giữ nhiệt độ nước ổn định giúp cho hệ thống phát triển tốt đẹp Giá trị pH: Đây yếu tố quan trọng cần quan tâm theo dõi hệ thống Độ pH độ axit hay độ chua nước giá trị pH biểu diễn giá trị biểu diễn cho diện ion H+ môi trường (nước đất) Giá trị pH thường thấp vào ban đêm sáng sớm nên trì giữ pH khoảng – thích hợp Hệ thống pin lượng mặt trời nhận xạ mặt trời Sau chuyển hóa thành nguồn điện chiều (DC) Dòng điện DC qua điều khiển sạc pin lượng mặt trời Nguồn điện DC sau nạp vào bình ắc quy để lưu trữ điện Từ sử dụng trực tiếp từ bình ắc quy với phụ tải dùng điện DC cắm vào hai cực âm dương bình (hình 2) Trong trường hợp muốn sử dụng điện 220V AC phải qua Inverter kích đổi điện 12V DC lên 220V AC 2.3 Dịch vụ điện toán đám mây Điện tốn đám mây mơ hình điện tốn mà giải pháp liên quan đến cơng nghệ thông tin cung cấp dạng dịch vụ qua mạng internet, giải phóng người sử dụng khỏi việc phải đầu tư nhân lực, công nghệ hạ tầng để triển khai hệ thống [7,8] Từ điện tốn đám mây giúp tối giản chi phí thời gian triển khai, tạo điều kiện cho người sử dụng tảng điện toán đám mây tập trung tối đa nguồn lực vào cơng việc chun mơn (hình 3) Dinh dưỡng nước: Cả dinh dưỡng dạng NO3/NH44 (Macro Nutrients) vi lượng (Micro Nutrients) cần thiết cho trồng hệ thống Aquaponics Phần lớn nguồn dinh dưỡng đến từ chất thải cá phần hòa tan từ thức ăn cá Trong số trường hợp (thường chất lượng thức ăn cá kém) cần thiết phải bổ sung thêm số nguyên tố vi lượng cần thiết cho trồng Kiểm sốt lượng nước: người sử dụng nên có dụng cụ kiểm tra yếu tố môi trường để kiểm sốt chất lượng nước ni cá hệ thống Cần ghi lại biến động suốt trình vận hành hệ thống để so sánh, đối chiếu dùng tài liệu tham khảo cho hệ thống khác mà sau ta phát triển Ánh sáng: Vì hệ thống aquaponics thường đặt khơng gian tiết kiệm diện tích nên đơi ánh sáng tự nhiên không đủ cho quang hợp ta cần bổ sung ánh sáng thích hợp cho cây, giải pháp dùng ánh sáng thay đèn chiếu sáng Hình Mơ hình tổng quan điện tốn đám mây Các ứng dụng IoT dùng nhiều tảng đám mây với khả sức mạnh xử lý khác ThingWorx, OpenIoT, Google Cloud, Amazon, GENI, Ubidots Ví dụ, Xively đại diện cho ứng dụng đưa dịch vụ lưu trữ liệu từ cảm biến hiển thị website Xively hướng đến mục tiêu đảm bảo kết nối thiết bị ứng dụng phần mềm theo thời gian thực Xively cung cấp tảng giải pháp phù hợp cho lập trình viên nhà cung cấp dịch vụ Nó giúp thống thiết bị thơng qua tảng thư viện có sẵn (như ARM mbed, Electric Imp and iOS/OSX) liên lạc thuận tiện thơng qua giao thức HTTP(S), Sockets/Websocket, MQTT Nó sử dụng tảng khác với thư viện Java, JS, Python Ruby Một đặc điểm khiến Xively dịch vụ tảng đám mây ưa thích là: • Mã nguồn mở, khơng phí dễ dàng sử dụng giao diện lập trình ứng dụng (API) • Tương thích với nhiều giao thức, môi trường khả quản lý cảm biến thời gian thực phân phối liệu nhiều dạng JSON, XML CSV • Cho phép người dùng thấy biểu đồ liệu theo thời gian thực để giám sát hoạt động cảm biến Nó cho phép người dùng điều khiển cảm biến từ xa Hình Ngun lí hệ thống nguồn lượng mặt trời 168 • Hỗ trợ nhiều nhà sản xuất phần cứng (OEM) Arexx, Nanode, OpenGear, Arduino mBed III THIẾT KẾ MƠ HÌNH NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO AQUAPONICS 3.1 Mơ hình nguồn Mơ hình nguồn lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics gồm thành phần (hình 4): • Acquy (12V): Lưu trữ điện năng, cung cấp nguồn cho toàn hệ thống 3.2 Hệ thống aquaponics mở rộng Mơ hình hệ thống aquaponics mở rộng (hình 6) bao gồm nhiều hệ thống aquaponics thành phần với nguồn lượng mặt trời (aqua-solar) bố trí vị trí địa lí khác Do hệ thống aqua-solar khơng phụ thuộc vào nguồn điện nên di chuyển triển khai cách linh hoạt Dữ liệu từ hệ thống aqua-solar thành phần thu thập lưu trữ server dịch vụ đám mây Người dùng giám sát theo dõi thơng số, điều khiển hệ thống aquaponics thành phần thông qua giao diện dịch vụ đám mây • Tấm pin lượng mặt trời: Nhận xạ mặt trời chuyển hóa thành điện nạp vào acquy • Bộ điều khiển sạc: Là thiết bị thực chức điều tiết sạc cho acquy, bảo vệ cho acquy chống nạp tải xả sâu nhằm nâng cao tuổi thọ bình acquy giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu lâu dài • Modul ổn áp 5V: Hạ áp từ 12V xuống 5V cho servo hoạt động • Động servo: Điều hướng tối ưu cho pin lượng mặt trời • Cảm biến ánh sáng: Nhận gửi tín hiệu đến xử lí trung tâm dùng để điều khiển hướng tối ưu pin lượng mặt trời Hình Mơ hình hệ thống aquaponics mở rộng 3.3 Thuật toán điều khiển 3.3.1 Thuật toán điều khiển hệ thống Bộ xử lý trung tâm thực việc giám sát điều khiển trực tiếp toàn hệ thống (hình 7): Hình Mơ hình nguồn lượng mặt trời cho aquaponics • Bộ xử lí trung tâm: Nhận tín hiệu từ cảm biến xử lí theo lệnh người điều khiển Đẩy liệu qua khối truyền thông để lưu trữ server để giám sát điều khiển, nhận phản hồi điều khiển thiết bị theo u cầu • Khối truyền thơng: Là cổng giao tiếp hệ thống aquaponics dịch vụ đám mây, có nhiệm vụ chuyển tiếp liệu lên xuống • Khối IoT Aquaponics: Thực tất chức mơ hình aquaponics 169 Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển hệ thống Aquaponics • Để thực việc giám sát thông số hệ thống, xử lý trung tâm định kỳ đọc giá trị cảm biến tự động xác định dung lượng acquy acquy, sau gửi lên máy chủ đám mây • Để điều chỉnh hướng pin lượng mặt trời cho tối ưu nhất, xử lý trung tâm dựa vào giá trị cảm biến ánh sáng để tự động điều chỉnh góc quay 02 động servo gắn với pin lượng mặt trời • Để điều khiển hệ thống aquaponics, xử lý trung tâm cho phép hoạt động hai chế độ: điều khiển tự động điều khiển theo yêu cầu (bằng tay) Trong chế độ điều khiển tự động, hệ thống tự động bật/tắt thiết bị máy bơm, đèn còi cảnh báo dựa liệu nhận từ cảm biến (pH, mực nước, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) Khi dung lượng acquy ngưỡng cho phép (10%) hệ thống đưa cảnh báo với người dùng Trong chế độ điều khiển tay, hệ thống nhận lệnh bật/tắt thiết bị hệ thống aquaponics theo yêu cầu qua giao diện dịch vụ đám mây Ubidots 3.3.2 Thuật toán điều chỉnh tối ưu hướng pin lượng mặt trời Thuật toán dựa vào giá trị đầu vào 04 quang trở, kết hợp thành 04 giá trị trung bình trên, dưới, trái, phải servo hoạt động giá trị trên, so sánh, servo hoạt động giá trị trái, phải so sánh (hình 8) Khi nguồn sáng chuyển động, cảm biến ánh sáng tự động gửi giá trị xử lí trung tâm, so sánh điều chỉnh servo quay hướng có cường độ sáng lớn Các bước so sánh giá trị trung bình – dưới, trái – phải liên tục xử lí trung tâm thực giá trị đạt ngưỡng cân servo ngừng quay (lúc pin mặt trời hướng nơi có nguồn xạ mặt trời lớn nhất) acquy ta dựa vào số đo điện áp acquy để từ suy dung lượng acquy Vì chân analog arduino đo điện áp từ – 5V nên ta dùng cầu phân áp với R1=10kΩ, R2=4.7KΩ để có dịng điện nhỏ 5V đưa vào chân analog (hình 9) Hình Mạch dùng để xác định dung lượng acquy Để tìm điện áp Vout1, trước tiên ta tìm dịng (I) qua mạch điện: I = Vcc / (R1 + R2) Vout1 = I x R2 Sau đo xong giá trị đầu vào analog, ta chia tỉ lệ để giá trị acquy ban đầu Vacquy = Vout1 / R2 x (R1+R2) Dựa vào bảng quan hệ suy giảm điện áp (tính Volt) dung lượng acquy (tính %) ta có giá trị dung lượng acquy tương ứng IV THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH 4.1 Mơ hình thực tế Mơ hình thử nghiệm thực tế bao gồm thành phần nguồn lượng mặt trời như: pin lượng mặt trời, cảm biến ánh sáng, acquy, điều khiển sạc, modul ổn áp 5V, 02 động servo, bo mạch arduino mega 2560 (hình 9) Hình Lưu đồ thuật toán điều chỉnh tối ưu hướng pin lượng mặt trời 3.3.3 Thuật toán chuyển đổi dung lượng acquy Khi acquy tiêu hao dung lượng, điện áp acquy giảm theo, để theo dõi dung lượng 170 Hình Mơ hình thử nghiệm thực tế nguồn lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics Ngồi ra, hệ thống cịn bao gồm thành phần aquaponics bể cá, máng cạn trồng rau, bể lọc, máy bơm, cảm biến mực nước, cảm biến độ pH, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến ánh sáng (hình 10) Bước 3: Trong trình điều chỉnh hướng, cảm biến ánh sáng tiếp tục gửi liệu khối xử lí trung tâm Bước 4: Khi pin mặt trời hướng có nhiều xạ khối xử lí trung tâm lệnh cho servo ngừng quay (hình 9) Kết quan sát cho thấy pin lượng mặt trời điều chỉnh vị trị nguồn sáng thử nghiệm Kịch 2: Giám sát dung lượng acquy hoạt động hệ thống tảng đám mây Ubidots Bước 1: Khối xử lí trung tâm yêu cầu đọc giá trị cảm biến dung lượng acquy Bước 2: Khối xử lí trung tâm gửi tồn liệu nhận lên máy chủ đám mây hiển thị dung lượng acquy thông số khác giao diện đám mây Ubidots (hình 11) Kết theo dõi cho thấy thông số phản ánh trạng thái thực tế hệ thống Bước 3: Khi có lệnh điều khiển tự động (ngầm định) điều khiển theo yêu cầu (bằng tay) sử dụng nút điều khiển giao diện dịch vụ đám mây Ubidots, kết cho thấy hệ thống đáp ứng xác theo thuật tốn xây dựng (hình 11) V Hình 10 Mơ hình hệ thống aquaponics KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu thiết kế mô hình nguồn lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics tảng đám mây Mơ hình cho phép cung cấp giám sát lượng cách hiệu quả, đồng thời giúp cho việc mở rộng liên kết hệ thống aquaponics cách dễ dàng linh hoạt Hệ thống thử nghiệm thành công cho thấy triển vọng việc triển khai diện rộng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Hình 11 Giao diện giám sát điều khiển máy tính điện thoại [6] 4.1 Thử nghiệm đánh giá [7] Kịch 1: Tự động điều chỉnh hướng pin lượng mặt trời theo nguồn sáng [8] Bước 1: Khối cảm biến ánh sáng gửi tín hiệu khối xử lí trung tâm Bước 2: Khối xử lí trung tâm phân tích liệu điều chỉnh dần hướng pin mặt trời hướng hướng nguồn sáng 171 Mohammad Vahedi Torshizi and Atefeh Hosseini Mighani, The Application of Solar Energy in Agricultural Systems, Journal of Renewable Energy and Sustainable Development (RESD), Volume Issue 2, June 2017 - ISSN 2356-8569 T Shafeena, “Smart aquaponics system: challenges and opportunities”, European Journal of Advances in Engineering and Technology, (2)(2016), pp 52-55 N R Mohamad, Development of Aquaponic System using Solar Powered Control Pump, Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE), Volume 8, Issue 6, 2013 FAO, “FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper: Small-scale Aquaponic food production", 2014 Sylvia Bernstein, “Aquaponic Gardening”, New Society Publishers, 2011 Sylvia Bernstein, “Aquaponic gardening : a step-by-step guide to raising vegetables and fish together”, New Society Publishers, 2011 Hwang, Kai, Jack Dongarra, and Geoffrey C Fox, “Distributed and cloud computing: from parallel processing to the internet of things”, Morgan Kaufmann, 2013 Rountree, Derrick, and Ileana Castrillo, “The Basics of Cloud Computing: Understanding the Fundamentals of Cloud Computing in Theory and Practice”, Newnes, 2013  ... HÌNH NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO AQUAPONICS 3.1 Mơ hình nguồn Mơ hình nguồn lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics gồm thành phần (hình 4): • Acquy (12V): Lưu trữ điện năng, cung cấp nguồn cho. .. cung cấp nguồn cho toàn hệ thống 3.2 Hệ thống aquaponics mở rộng Mơ hình hệ thống aquaponics mở rộng (hình 6) bao gồm nhiều hệ thống aquaponics thành phần với nguồn lượng mặt trời (aqua-solar) bố... trời cho hệ thống aquaponics tảng đám mây Mơ hình cho phép cung cấp giám sát lượng cách hiệu quả, đồng thời giúp cho việc mở rộng liên kết hệ thống aquaponics cách dễ dàng linh hoạt Hệ thống thử