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.