Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
318
HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG
VÀ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG NƯỚC
NUÔI TRỒNG THỦY SẢN
Mai Văn Lập
Trường Đại học Thủy lợi, email: lapmv@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay chất lượng nước là một trong
những vấn đề lớn trên thế giới vì nó đang bị ô
nhiễm do hoạt động của con người. Chất
lượng nước và nuôi trồng nước ngọt trong
điều kiện được kiểm soát là rất quan trọng để
nuôi trồng hiệu quả các sinh vật dưới nước
như cá trong lĩnh vực Nuôi trồng Thủy sản
[1,2]. Với sự phát triển công nghệ tiên tiến của
Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn và trí tuệ
nhân tạo (AI), nuôi trồng thủy sản ngày càng
trở nên thâm canh, chính xác và thông minh
hơn. Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản thâm
canh mật độ cao, việc theo dõi và dự đoán liên
tục xu hướng chất lượng nước (nghĩa là dự
báo xu hướng của các thông số chất lượng
nước như oxy hòa tan, pH, nhiệt độ và độ đục)
theo thời gian thực có ý nghĩa rất lớn trong
việc ngăn chặn chất lượng nước không bị suy
giảm và tránh được sự bùng phát dịch bệnh.
Hệ thống nuôi trồng thủy sản dựa trên IoT
thông minh có thể giúp nông dân bằng cách
đo liên tục các thông số nước bằng cảm biến
IoT hiện đại để theo dõi và duy trì chất lượng
nước, từ đó đo tất cả các thông số nước cho
nuôi trồng thủy sản sinh học và dự đoán chất
lượng nước [3] mô hình về sự thay đổi động
học của các thông số nước là rất cần thiết.
Các cảm biến IoT đo và thu thập các thông số
nước một cách chính xác và truyền chúng
đến máy tính chủ của trạm gốc. Có thể giám
sát việc nuôi trồng thủy sản từ xa dựa trên dữ
liệu từ các cảm biến. Sau đó, các bộ dữ liệu
thu thập được sẽ được người quản lý trang
trại sử dụng cho mục đích ra quyết định.
Trong bài báo này tác giả thiết kế và thi
công hệ thống thuyền tự hành tự động đo các
thông số môi trường nước như nhiệt độ, độ
pH và độ mặn sau đó gửi các thông số đo
được lên Web và Điện thoại. Các thiết bị đo
được đặt trên thuyền và thuyền sẽ tự dò
đường đến các vị trí cần đo, các vị trí cần đo
này được xác định trên Web. Như vậy với 1
hệ thống đo có thể đo được các thông số môi
trường nước ở các vị trí mong muốn trên đầm
mà không cần phải lắp đặt nhiều hệ thống,
tiết kiệm chi phí.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tác giả sử dụng phương pháp thực nghiệm
khoa học, kỹ thuật công nghệ kết nối vạn vật
IoT xây dựng mô hình hệ thống đo.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Để thực hiện được các chức năng như đã
nói ở trên, sơ đồ khối hệ thống như hình 1.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống đo
các thông số môi trường nước
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
319
Khối thu thập và xử lý số liệu sử dụng vi
điều khiển Atmega328P. Module định vị
GPS NEO-M8N-0-10 và Anten GPS dùng để
xác định vị trí của thuyền. Module GSM
GPRS SIM 800L được sử dụng để kết nối
giữa thiết bị giám sát (Máy tính hoặc Điện
thoại) với khối xử lý trung tâm. Cảm biến Độ
dẫn điện (độ mặn) EC DFRobot Gravity
được dùng để đo độ mặn (độ dẫn điện) của
nước. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dùng để
đo nhiệt độ nước. Cảm biến đo độ pH – pH
meter v1.1 đo độ pH. Cảm Biến GY-87
10DOF IMU MPU6050 + HMC5883L +
BMP180 được dùng để đo và theo dõi
chuyển động, gia tốc, góc quay và hướng của
thuyền. Khối công suất động cơ dùng để
cung cấp công suất cho 2 động cơ trái và phải
của thuyền giúp thuyền có thể đi thẳng, rẽ
trái và rẽ phải. Tất cả các thiết bị này được
đặt trên thuyền tự hành.
3.2. Thuyền tự hành tự động đo các thông
số môi trường nước
Việc thực hiện tự động đo các thông số
môi trường tại vị trí đo (VTĐ) gồm kinh độ
(KD) và vĩ độ (VD) xác định thông qua bản
đồ trên Web được thực hiện bằng thuyền tự
hành theo lưu đồ thuật toán trên hình 2, các
bước như sau:
Bước 1: Lấy vị trí hiện tại của thuyền
(VTT) và VTĐ.
Bước 2: Kiểm tra VTĐ và VTT:
||,||
VTĐVTT VTĐVTT
KVKD D D VD

(1)
trong đó
là các số vô cùng bé.
Nếu (1) thỏa mãn, tức là VTĐ và VTT
trùng nhau thì chuyển bước 3 là đo và xuất
dữ liệu lên Web.
Nếu (1) sai tức là VTT chưa phải là vị trí
đo thì thực hiện quay thuyền sao cho ||
(
là các số vô cùng bé) và điều khiển thuyền
đến VTĐ.
Bước 3: Đo các thông số và xuất dữ liệu
lên Web.
VTĐ được lấy từ Web gửi xuống Vi điều
khiển thông qua Module GSM GPRS SIM
800L. VTT được xác định qua Module GPS.
Góc
là góc giữa hướng hiện tại của thuyền
với đường nối VTT và VTĐ. Góc
là góc
giữa hướng thuyền hiện tại với hướng Bắc và
được xác định qua La bàn trong Cảm Biến
GY-87 10DOF IMU MPU6050 + HMC5883L
+ BMP180.
Để thuyền tự hành đến được vị trí cần đo
ta phải xác định được hướng chuyển động
của thuyền chính là đi theo góc phương vị
là góc hợp thành giữa VTĐ và VTT.
Góc phương vị
được xác định như sau:


2180
VTĐVTT VTĐ
VTT VTĐ
sin KD cos VD ,cos VD sin VD
atan * /
sin VD cos VD cos KD




 ( 2 )
trong đó:
KD = KDVTĐ − KDVTT
Để thuyền đi đúng hướng ta phải quay
thuyền sao cho:
0

, thực tế điều này khó thực
hiện nên chọn:
||
(3)
Khi ||
thì bộ vi điều khiển sẽ điều
khiển động cơ trái hay phải của thuyền thông
qua khối công suất (CS) động cơ đến khi (3)
thỏa mãn. Giá trị góc quay
nhận được
thông qua cảm biến GY-87 10DOF IMU
MPU6050 + HMC5883L + BMP180.
Khi (3) thỏa mãn tức là hướng thuyền
trùng với hướng đến điểm đo, lúc đó bộ vi
điều khiển sẽ điều khiển thuyền chạy đến
điểm đo ứng với công thức (1) thỏa mãn, lúc
này hệ thống sẽ hạ các Sensor và thực hiện
đo các thông số rồi xuất dữ liệu lên Web, kết
thúc 1 điểm đo.
Hình 2. Lưu đồ thuật toán thực hiện đo các
thông số môi trường nước theo vị trí đặt trước
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
320
3.3. Kết quả thực hiện và thảo luận
Tác giả đã nghiên cứu, xây dựng mô hình
thuyền tự hành đo và giám 3 thông số môi
trường nước nuôi trồng thủy sản. Mô hình hệ
thống như hình 3. Thuyền có 2 động cơ dùng
phản lực nước đặt 2 bên phía sau giúp thuyền
có thể quay trái, phải và chạy thẳng. Các cảm
biến đo thông số môi trường nước được đặt
trên giá phía sau thuyền, khi đến điểm đo sẽ
được hạ xuống, khi đo xong sẽ được kéo lên
nhằm tránh va chạm làm hỏng cảm biến. Các
thiết bị khác như Vi điều khiển, Module
GPS, Module SIM... được đặt trong hộp kín
nước để trong thuyền. Hệ thống có cấu trúc
linh hoạt, có thể tự động điều khiển thuyền
mang các thiết bị đến các điểm đo thực hiện
các phép đo, sau đó gửi các kết quả hiển thị
trên Web và điện thoại di động giúp người
nuôi trồng thủy sản có thể giám sát được các
thông số và có hướng giải quyết nâng cao
năng suất nuôi trồng.
Để truyền dữ liệu 2 chiều giữa các thiết bị
IoT tác giả sử dụng nền tảng HiveMQ,
HiveMQ là một nền tảng truyền nhận dữ liệu
dựa trên giao thức MQTT, được thế kế với
đặc tính nhanh, hiệu quả, độ tin cậy cao.
Hình 3. Mô hình hệ thống
Mô hình được thiết kế với 2 chế độ, đó là
chế độ tự động và chế độ điều khiển bằng
tay. Đối với chế độ bằng tay có các nút điều
khiển thuyền như: Quay trái, quay phải, chạy
tiến, chạy lùi.
Để kết quả đo được chuẩn xác, các cảm
biến đều được hiệu chỉnh theo đúng các
thông số với các mẫu dung dịch thử của nhà
sản suất gửi kèm.
Hình 4 là kết quả đo 3 thông số môi trường
nước tại vị trí đo có KD: 21.225457 và VD:
105.993164.
Hình 4. Kết quả đo 3 thông số
môi trường nước tại vị trí đo
4. KẾT LUẬN
Các tác giả đã thiết kế và hoàn thành mô
hình thuyền tự hành tự động đo và giám sát 3
thông số môi trường nước như: Nhiệt độ, pH
và độ mặn của nước nuôi trồng thủy sản tại
các vị trí bất kỳ được xác định trên Web. Kết
quả đo được hiển thì trên Web và Điện thoại
di động giúp người quản lý có các thông tin
tức thời để đưa các các giải pháp xử lý nhằm
nâng cao hiệu quả nuôi trồng. Chỉ với 1 hệ
thống ta có thể đo được tất cả các vị trí theo
yêu cầu giúp tiết kiệm chi phí.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Naylor, R.L.; Hardy, R.W.; Buschmann,
A.H. A 20-year retrospective review of
global aquaculture. Nature 2021,591, 551-
563. [CrossRef].
[2] Metian, M.; Troell, M.; Christensen, V.;
Steenbeek, J.; Pouil, S. Mapping diversity
of species in global aquaculture. Rev.
Aquacult. 2020, 12, 1090-1100. [CrossRef].
[3] Sharma, D.; Kumar, R. Smart Aquaculture:
Integration of Sensors, Biosensors, and
Artificial Intelligence. In Biosensors in
Agriculture: Recent Trends and Future
Perspectives. Concepts and Strategies in
Plant Sciences; Pudake, R.N., Jain, U.,
Kole, C., Eds.; Springer: Cham,
Switzerland, 2021. [CrossRef].
[4] Nguyễn Văn Khanh, Trần Gia Bảo, Huỳnh
Phú Châu, Nguyễn Tô Cương, Nguyễn Văn
Sắt: Hệ thống đo lường và giám sát thông
số môi trường ao nuôi tôm công nghiệp:
Hội nghị Toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử
- VCM-2016.