1. Giới thiệu
Ngành thủy sản giữ vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế của Việt Nam. Theo số liệu thống kê năm 2021, tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản của Việt Nam đạt 8,9 tỷ USD. Thấy được tầm quan trọng đó, Chính phủ rất quan tâm đến việc ứng dụng công nghệ trong thủy sản nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và phát triển bền vững ngành thủy sản Việt Nam.
Tự động hóa trong nông nghiệp nói chung và nuôi trồng thủy sản nói riêng là vấn đề khá mới và khó khăn. Đặc biệt, hệ thống cảm biến trong máy đo môi trường tự động được xem như là trái tim của cả hệ thống. Nó là nơi tiếp nhận dữ liệu liên tục phục vụ cho việc nhận biết các vấn đề diễn ra theo thời gian thực trong ao nuôi.
Hệ thống máy đo môi trường tự động, hệ thống tủ điều khiển tự động hệ thống tự động điều chỉnh một số chỉ tiêu môi trường là những thiết bị được thiết kế, chế tạo bởi nhóm thực hiện dự án “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) và dữ liệu lớn (Big Data) xây dựng trợ lý ảo nuôi trồng thủy sản” do Công ty TNHH Tép Bạc chủ trì. Nhóm thực hiện dự án đã phát triển và cải tiến rất nhiều phiên bản khác nhau của hệ thống nhằm đảm bảo đạt tất cả các tiêu chí đặt ra theo thuyết minh đề cương. Các thiết bị - một phần sản phẩm của dự án đã được ứng dụng vào thực tế tại Cà Mau trong 3 ao nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh. Kết quả thử nghiệm các thiết bị thực tế được trình bày trong bài viết này.
2. Thiết kế, chế tạo máy đo môi trường; hệ thống tự động điều chỉnh một số chỉ tiêu môi trường
2.1. Xây dựng tính năng, tiêu chuẩn và định hướng phát triển máy đo
Dựa trên đặc điểm mô hình nuôi trồng thủy sản phổ biến hiện nay, đặc biệt là mô hình nuôi tôm thâm canh và siêu thâm canh, nhóm thực hiện dự án đã thiết kế, xây dựng hệ thống máy đo môi trường với các tính năng cơ bản như sau:
- Hệ thống có chu kỳ lấy mẫu mỗi 5 phút một lần.
- Hệ thống có khả năng tự động vệ sinh và bảo quản đầu dò.
- Hệ thống có khả năng cảnh báo khi các chỉ số môi trường vượt ngưỡng cho phép.
Về định hướng cải tiến, phát triển hệ thống máy đo môi trường tự động ở các phiên bản tiếp theo trong tương lai là:
- Cải tiến giúp hệ thống hoạt động ổn định và tìm kiếm các nhà cung cấp các cảm biến đo môi trường có chất lượng tốt hơn, giá cả tốt hơn; đặc biệt là giảm giá chỉ số NH3, NO2.
- Tìm kiếm nhà cung cấp, mở rộng khả năng đo thêm chỉ số độ kiềm.
- Cải tiến, gia tăng độ bền của thiết bị.
- Thu nhỏ kích thước hệ thống tủ điều khiển, máy đo môi trường, hệ thống điều khiển tự động, thiết kế lại mẫu mã, kiểu dáng hệ thống đảm bảo tính thẩm mỹ, gia tăng khả năng chống nước, chống ẩm cho hệ thống.
Hình 1: Cận cảnh hệ thống máy đo môi trường
2.2. Lựa chọn nền tảng, thiết kế bản mẫu và hoàn thiện hệ thống
Hiện nay, phần cứng và nền tảng lập trình nhúng đang phát triển ở nhiều dạng từ cơ bản đến chuyên sâu, từ hệ thống đóng đến hệ thống mở. Nhiều nền tảng có thể kể đến như Arduino, Raspberry, ESP, NVIDIA, BeagleBone... Các công nghệ kết nối như 3G, Wifi, Zigbee, Lora... Các nền tảng nhúng như Window IoT, Android IoT, Arduino... Nhóm thực hiện dự án đã nghiên cứu, thử nghiệm và lựa chọn giải pháp theo thứ tự ưu tiên như giá thành sản phẩm, tính ổn định, khả năng phát triển nhanh, khả năng mở rộng trong tương lai. Vì vậy giải pháp cuối cùng phù hợp với những ưu tiên này là STM, ESP, Arduino và Wifi được chọn để phát triển hệ thống.
Nền tảng cảm biến (đầu dò) nhóm thực hiện dự án lựa chọn giải pháp điện cực để giảm giá thành sản xuất xuống 3 lần so với giải pháp quang hoặc quang phổ còn quá đắt và cần nhiều thời gian nghiên cứu hơn.
Nhóm thực hiện dự án đã nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm 6 phiên bản bo mạch, phiên bản thứ sáu đã đạt được các yêu cầu về mặt kỹ thuật, đảm bảo độ ổn định và chính xác.
2.3 Hoàn thiện cấu trúc truyền nhận dữ liệu
Sau khi nghiên cứu, đánh giá ưu nhược điểm của các nền tảng công nghệ kết nối để truyền nhận dữ liệu, nhóm thực hiện dự án đã thống nhất chọn giải pháp Wifi là công nghệ kết nối không dây liên tục để truyền nhận dữ liệu vì có nhiều ưu điểm so với các công nghệ kết nối khác. Nhóm dự án đặt tiêu chuẩn kết nối có tính an toàn cao theo tiêu chuẩn bảo mật SSL và giao thức MQTT đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu. Kiểu dữ liệu kết theo chuẩn JSON đã được chuẩn hóa phù hợp nhất với các dữ liệu từ máy đo môi trường. Cấu trúc truyền nhận dữ liệu ứng dụng các công nghệ nêu trên đáp ứng được tất cả các yêu cầu cần thiết của hệ thống. Dữ liệu ghi nhận từ hệ thống máy đo được thiết kế để hiển thị theo dạng biểu đồ và các con số, giúp người dùng dễ dàng theo dõi.
2.4. Hệ thống điều khiển tự động
Theo thuyết minh đề cương dự án, nhóm thực hiện dự án đã hoàn chỉnh thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển tự động các thiết bị từ xa hoặc theo các điều kiện thực tế của môi trường trong ao nuôi thông qua kết quả đo của các cảm biến. Trong khuôn khổ dự án, 2 chỉ tiêu môi trường là oxy hòa tan và pH được chọn để thử nghiệm.
Hệ thống điều khiển tự động các thiết bị từ xa hoặc theo điều kiện môi trường có thể hoạt động theo 2 chế độ:
- Điều khiển từ xa: Người nuôi có thể điều khiển từ xa các thiết bị trong ao như máy sục khí, quạt nước, máy cho ăn, bơm... ở bất kỳ đâu có kết nối internet thông qua ứng dụng Farmext.
- Hoạt động theo điều kiện: Người nuôi có thể đặt các điều kiện để thiết bị tự động bật hoặc tắt theo kết quả đo các chỉ số môi trường từ cảm biến. Trong dự án này có 2 chỉ số điều khiểm gồm:
+ Tự động điều chỉnh oxy hòa tan: Quạt nước sẽ tự động tắt hoặc bật khi hàm lượng oxy hòa tan trong ao nuôi tôm trên 6 mg/L hoặc dưới 4 mg/L.
+ Tự động điều chỉnh pH: Khi pH dưới 7,5 thì hệ thống tự động bật máy bơm vôi vào ao nuôi; Khi pH trên 8,5 thì hệ thống tự động mở máy bơm rỉ mật đường vào ao nuôi để hạ pH.
Hình 3: Tủ điều khiển tự động
Nhóm thực hiện dự án đã thiết kế và thử nghiệm 3 phiên bản khác nhau của hệ thống máy đo môi trường và thử nghiệm thực tế tại các trang trại nuôi tôm tại huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả thử nghiệm thực tế, cải tiến suốt 12 tháng của hệ thống qua các phiên bản khác nhau như: Tăng khả năng chống nước, chống nóng của hệ thống lên 2 lần; Thiết kế phần thân nhỏ gọn hơn từ phi 160 mm xuống 114 mm; Cải tiến khả năng tự vệ sinh, làm sạch đầu dò 3 lần; Giảm ảnh hưởng nhiễu từ môi trường 5 lần; Cải tiến khả năng chống lật, độ ổn định, đảm bảo hệ thống đầu dò hoạt động tốt, có tính thẩm mỹ cao. Về độ chính xác của hệ thống máy đo môi trường, nhóm thực hiện dự án đã triển khai lắp đặt thử nghiệm tại 3 ao nuôi tôm thâm canh trên địa bàn tỉnh Cà Mau.
|
|
|
Phiên bản 1 | Phiên bản 2 | Phiên bản 3 |
Hình 4: Các phiên bản khác nhau của hệ thống máy đo môi trường
3. Kết quả thử nghiệm các thiết bị trong 3 mô hình nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh tại Cà Mau
Nhóm thực hiện dự án đã phát triển thành công 4 hệ thống máy đo môi trường tự động (2 hệ thống đo 4 chỉ tiêu và 2 hệ thống đo 6 chỉ tiêu môi trường bao gồm nhiệt độ, pH, độ mặn, oxy hòa tan, NO2, NH3) và 4 hệ thống tự động điều chỉnh chỉ số môi trường và lắp đặt thử nghiệm trong 3 ao nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh tại Cà Mau.
3.1. Khảo sát, chọn địa điểm, hộ dân tham gia thực hiện dự án
Sau khi hệ thống đo môi trường và hệ thống tự động điều chỉnh các chỉ tiêu được hoàn thiện, nhóm thực hiện dự án đã khảo sát và lựa chọn hộ dân thử nghiệm lắp đặt hệ thống trong 3 ao nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh tại Cà Mau, cụ thể như sau:
- Ao số 01 và ao số 02: Thử nghiệm lắp đặt tại mô hình nuôi của Ông Phùng Trung Vĩnh tại Ấp Bùng binh 1, xã Hòa Tân, thành phố Cà Mau, tỉnh Cà Mau.
- Ao số 03: Thử nghiệm tại ao nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh của Ông Trương Văn Dũng, địa chỉ: Ấp 2, xã Hàng Vịnh, huyện Năm Căn, tỉnh Cà Mau.
3.2. Kết quả nuôi tôm tại 3 ao thử nghiệm
Các mô hình nuôi được lựa chọn để lắp hệ thống giám sát môi trường tự động được thể hiện cụ thể trong Bảng 1. Các mô hình nuôi là các ao lót bạt được trang bị đầy đủ các thiết bị cần thiết cho mô hình nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh như: hệ thống điện, sục khí, si phông, máy cho ăn tự động, … các ao nuôi được lựa chọn có sự đa dạng về diện tích ao nuôi, diện tích ao nuôi dao động từ 500 m2 đến 2.000 m2, mật độ tôm thả nuôi dao động từ 200-300 con/m2, thời gian thả nuôi từ 3-4 tháng (tùy thuộc vào kích cỡ tôm thương phẩm và thời điểm bán tôm), tỷ lệ sống dao động từ 80-98%, kích cỡ tôm thu hoạch từ 29-45 con/kg, tổng sản lượng tôm thu hoạch đạt: 21.801 kg, hệ số thức ăn (FCR) dao động trong khoảng từ 1,11-1,32.
Bảng 1: Tóm tắt kết quả nuôi tôm thẻ chân trắng tại 3 ao thử nghiệm
Thông số ao nuôi | Ao 01 | Ao 02 | Ao 03 |
Diện tích (m2) | 500 | 800 | 2.000 |
Đặc điểm mô hình nuôi | Ao lót bạt, hệ thống điện, sục khí, si phông và máy cho ăn tự động đầy đủ | ||
Mật độ (con/m2) | 200 | 200 | 300 |
Đối tượng nuôi | TTôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) | ||
Cỡ giống | PL 15 | PL 15 | PL 15 |
Thời gian nuôi (tháng) | 3-3,5 | 3-3,5 | 4 |
Hệ thống đo môi trường tự động: (1) 04 chỉ tiêu (pH, nhiệt độ, độ mặn và DO); (2) 06 chỉ tiêu (pH, nhiệt độ, độ mặn, DO, NH3 và NO2) | 1 | 1 | 2 |
Số lần thu mẫu kiểm tra chất lượng nước ao nuôi | 12 | 12 | 10 |
Tỷ lệ sống (%) | 80 | 85 | 98 |
Kích cỡ thu hoạch (con/kg) | 35 | 30 | 29-45 (*) |
Sản lượng tôm thu hoạch (kg) | 2.268 | 4.533 | 15.000 |
Tổng lượng thức ăn sử dụng (kg) | 3.000 | 5.150 | 16.580 |
FCR | 1,32 | 1,14 | 1,11 |
(*): Ao nuôi thu hoạch 03 lần, lần đầu thu hoạch sau 03 tháng nuôi với trọng lượng tôm đạt 45 con/kg và lần 03 thu hoạch sau 04 tháng nuôi với trọng lượng tôm đạt 29 con/kg.
3.3. Kết quả phân tích, so sánh chất lượng nước ao nuôi thử nghiệm
Kết quả biến động các yếu tố môi trường ao nuôi được theo dõi thông qua thu mẫu phân tích định kỳ tại phòng thí nghiệm (Lab) và đo từ hệ thống máy đo môi trường tự động (AI) được thể hiện cụ thể trong Bảng 2. Kết quả cho thấy, các chỉ tiêu môi trường ao nuôi gồm: nhiệt độ, pH, độ mặn, DO khá tương đồng khi đo bằng Lab và AI, khác biệt không có ý nghĩa thống kê (P>0,05). Tuy nhiên, chỉ tiêu NH3, NO2 có sự khác biệt lớn (P<0,05) giữa phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm và đo bằng hệ thống máy tự động của dự án.
Bảng 2: Biến động các yếu tố môi trường trong 03 ao nuôi
| Nhiệt độ (oC) | pH | Độ mặn (ppt) | DO (mg/L) | NH3 (mg/L) | NO2 (mg/L) |
Lab01 | 30,48 ± 0,36 | 7,62 ± 0,03 | 39,06 ± 1,62 | 7,30 ± 0,25 | x | x |
AI01 | 30,14 ± 0,37 | 7,60 ± 0,04 | 36,61 ± 1,33 | 7,37 ± 0,25 | x | x |
Lab02 | 30,50 ± 0,21 | 7,60 ± 0,04 | 37,84 ± 1,74 | 6,68 ± 0,18 | x | x |
AI02 | 30,29 ± 0,25 | 7,60 ± 0,04 | 36,91 ± 1,37 | 6,71 ± 0,18 | x | x |
Lab03 | 30, 05 ± 0,29 | 7,62 ± 0,11 | 27,63 ± 1,15 | 5,52 ± 0,55 | 1,40 ± 0,45 | 11,51 ± 3,83 |
AI03 | 29,83 ± 0,21 | 7,63 ± 0,11 | 27,63 ± 1,26 | 5,65 ± 0,52 | 0,11 ± 0,02 | 0,94 ± 0,30 |
Từ kết quả phân tích, so sánh các chỉ tiêu chất lượng nước bao gồm: nhiệt độ, độ mặn, pH, DO, NH3, NO2 giữa hệ thống đo tự động (AI) và phân tích phòng thí nghiệm (Lab) cho thấy không có sự khác biệt giữa AI và Lab đối với 04 chỉ tiêu nhiệt độ, độ mặn, pH, DO. Có thể nhận thấy 04 chỉ tiêu gồm: nhiệt độ, độ mặn, pH, DO được kỹ thuật viên sử dụng thiết bị của phòng thí nghiệm đo trực tiếp tại hiện trường nên không có sự khác biệt so với kết quả thu được từ AI. Điều này cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng AI để theo dõi chất lượng nước ao nuôi vừa đảm bảo tính chính xác, tiện lợi và giúp người nuôi hoàn toàn chủ động trong quản lý chất lượng nước ao nuôi.
Ngược lại, có sự khác biệt lớn khi so sánh phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường bằng AI và Lab đối với chỉ tiêu NH3 và NO2. Từ những phân tích nêu trên cùng với các kết quả theo dõi môi trường nước ao nuôi tôm thâm canh tại các ao nuôi thành công, các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan, đặc biệt là sự tăng trưởng của tôm nuôi, thực trạng ao nuôi, tỷ lệ sống của tôm cho thấy có sự tương đồng và phù hợp với kết quả ghi nhận 2 chỉ số môi trường này từ AI. Hơn thế nữa, với kết quả phân tích từ Lab hoàn toàn không có cơ sở khoa học để chứng minh cho kết quả phân tích, không cho thấy sự tương quan giữa NH3, NO2, hoàn toàn không giải thích được vì sao giá trị của NH3, NO2 tăng bất thường qua các lần phân tích. Vấn đề này có thể giải thích là do sai số trong quá trình thu mẫu, lưu giữ mẫu, vận chuyển mẫu, cũng như phân tích mẫu và ghi nhận kết quả. Sai số trong phân tích mẫu là điều không thể trách khỏi, điều này cho thấy sự cần thiết của việc đo các thông số môi trường bằng hệ thống tự động và đo trực tiếp tại hiện trường là vô cùng cần thiết. Thông qua lần thu mẫu kiểm chứng này một lần nữa chứng minh được sự cần thiết của việc ứng dụng hệ thống đo môi trường tự động trong quản lý chất lượng nước nói chung và chất lượng nước ao nuôi tôm công nghiệp nói riêng. Với thiết bị được chuẩn hoá, mang lại độ chính xác cao, kết quả nhanh chóng và lưu giữ kết quả trên phần mềm, giảm sai số trong quá trình phân tích mẫu, không cần thu mẫu, trữ mẫu và vận chuyển mẫu, hệ thống giám sát môi trường tự động hoàn toàn có thể giúp người nuôi quản lý chất lượng nước ao nuôi của mình tốt nhất và hiệu quả nhất.
4. Kết luận
Nhóm thực hiện dự án đã phát triển thành công 4 hệ thống máy đo môi trường tự động (2 hệ thống đo 4 chỉ tiêu và 2 hệ thống đo 6 chỉ tiêu môi trường bao gồm nhiệt độ, pH, độ mặn, oxy hòa tan, NO2, NH3) và 4 hệ thống tự động điều chỉnh chỉ số môi trường lắp đặt thử nghiệm trong 3 ao nuôi tôm thực tế tại Cà Mau.
Kết quả thử nghiệm thực tế tại 3 ao nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh tại Cà Mau và so sánh độ chính xác của máy đo môi trường với phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm cho thấy độ chính xác của hệ thống tương đương với phòng thí nghiệm đối với 4 chỉ tiêu nhiệt độ, pH, oxy hòa tan và độ mặn, không có sự khác biệt khi phân tích thống kê (P>0,05). Riêng chỉ tiêu NH3 và NO2 có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (P<0,05) khi so sánh giữa hai phương pháp đo.
Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy các sản phẩm của dự án có thể triển khai nhân rộng và ứng dụng trong ngành thủy sản, đặc biệt là nuôi tôm ngay sau khi kết thúc dự án.Triệu Tuấn - Trung tâm Xúc tiến đầu tư và hỗ trợ doanh nghiệp tỉnh Cà Mau (iPEC); Trần Duy Phong - Công ty TNHH Tép Bạc