Bài viết đề xuất mô hình Aquaponics trên nền tảng điện toán đám mây cho phép mở rộng khả năng lưu trữ dữ liệu phục vụ việc phân tích hiệu quả nuôi trồng và cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống trên diện rộng thông qua các hệ thống aquaponic thành phần ở các vị trí khác nhau. Hệ thống đã được thử nghiệm thành công cho thấy khả năng đáp ứng được việc triển khai trên diện rộng trong thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Thiết Kế Mô Hình Aquaponics Trên Nền Tảng Điện
Toán Đám Mây
Nguyễn Đình Nam và Lê Anh Ngọc Khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Điện Lực
Số 235 Hoàng Quốc Việt, Hà nội Email: namnguyendinh@hc.com.vn, anhngoc@epu.edu.vn
Abstract — Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình
Aquaponics trên nền tảng điện toán đám mây cho phép mở rộng
khả năng lưu trữ dữ liệu phục vụ việc phân tích hiệu quả nuôi
trồng và cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống trên diện rộng thông
qua các hệ thống aquaponic thành phần ở các vị trí khác nhau
Hệ thống đã được thử nghiệm thành công cho thấy khả năng đáp
ứng được việc triển khai trên diện rộng trong thực tế
Keywords - Aquaponics, điện toán đám mây
I GIỚI THIỆU
Hiện nay, vấn đề an toàn thực phẩm đang được xã hội hết
sức quan tâm, đặc biệt là đối với những loại thực phẩm thiết
yếu như rau và cá Lý do chính là bởi nguồn nước cho nuôi
trồng bị ô nhiễm, việc sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ
sâu làm cho đất canh tác bị ô nhiễm, bạc màu Bên cạnh đó diện
tích nuôi trồng ngày càng bị thu hẹp, đặc biệt là ở các khu vực
thành thị, điều đó làm cho nguồn thực phẩm an toàn ngày càng
khan hiếm và đắt đỏ Để giải quyết vấn đề trên thì một trong
những mô hình đã được nghiên cứu và áp dụng tại những nơi có
diện tích hạn chế, chẳng hạn như tại các hộ gia đình ở thành
phố…, đó là mô hình Aquaponics tức là trồng rau theo phương
pháp thủy canh kết hợp với nuôi thủy sản Đây là hệ thống tuần
hoàn khép kín độc đáo vừa cung cấp nguồn thực phẩm an toàn
vừa tạo cảnh quan môi trường lành mạnh [2-4]
Trong thực tế, nhiều hệ thống Aquaponics đã được triển
khai [1], tuy nhiên quy trình sản xuất còn mang tính thủ công và
rất khó để có thể theo dõi được quá trình sinh trưởng của cây
trồng và vật nuôi Bên cạnh đó các hệ thống này đa số không có
tính năng cảnh báo, giám sát chất lượng môi trường nước trong
bể nuôi cá dẫn đến cá có thể bị chết do môi trường nước bị ô
nhiễm, kéo theo chất lượng của cây cũng bị ảnh hưởng Các mô
hình đã được triển khai chưa tối ưu được khả năng lưu trữ dữ
liệu của hệ thống, hoạt động độc lập và thiếu tính liên kết
Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy mô hình điện
toán đám mây đáp ứng được yêu cầu lưu trữ dữ liệu lớn, các
thao tác giám sát và điều khiển đơn giản, có thể đáp ứng được
các yêu cầu trên, chính vì vậy bài báo đề xuất một giải pháp xây
dựng mô hình aquaponics tích hợp trên nền tảng điện toán đám
mây nhằm khắc phục nhược điểm của các hệ thống đã có, khó
khăn trong vận hành sẽ được giảm bớt , đồng thời tăng thêm độ
tin cậy và bền vững cho hệ thống
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần II giới
thiệu tổng quan về aquaponnic và dịch vụ điện toán đám mây
Trong phần III, chúng tôi giới thiệu mô hình đề xuất
Aquaponics trên nền điện toán đám mây Phần IV cung cấp các
kết quả thử nghiệm và đánh giá Cuối cùng, chúng tôi kết luận
bài báo trong phần V
II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AQUAPONIC
VÀ DỊCH VỤ ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
a Tổng quan về Aquaponic
Mô hình Aquaponics là sự kết hợp của cả hai hệ thống: Nuôi trồng thủy sản (aquaculture) và trồng cây theo phương pháp thủy canh (hydroponics) Sự kết hợp này mang lại lợi ích thiết thực và tính độc đáo Thay vì bổ sung phân bón và các hóa chất để trồng cây, mô hình này sử dụng chất thải từ cá nhờ sự chuyển hóa từ các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy đủ cho sự phát triển của cây Ngược lại, thay vì xả nước ra môi trường, nó sử dụng cây trồng để làm sạch nước và trả lại cho bể cá Nước này có thể được tái sử dụng vô thời hạn
và chỉ cần thay thế khi nó bị mất do bay hơi Đây là một hệ thống tuần hoàn khép kín hoàn hảo (hình 1)
Hình 1 Mô hình Aquaponic
Một số yếu tố chính cần quan tâm của Aquaponics:
Oxy hòa tan: Cá cần oxy để sống vì vậy cũng cần chú 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 và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như mật độ cá, nhiệt độ nước, độ mặn,… người sử dụng nên có bộ dụng cụ kiểm tra hàm lượng oxy hàng ngày để đảm bảo cho cá phát triển tốt
Nhiệt độ: Nhiệt độ nước rất quan trọng trong Aquaponics
Nhiệt độ nước cao quá sẽ làm cá sốc và có thể chết ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng Ngược lại, khi nhiệt độ hạ xuống thấp cũng gây hại cho cây trồng và cá Vì vậy người sử dụng cũng 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 cũng là một yếu tố quan trọng cần quan
tâm theo dõi trong hệ thống Độ pH chính là độ axit hay độ chua của nước và giá trị pH biểu diễn cũng chính là giá trị biểu diễn cho sự hiện diện của ion H+ trong môi trường (nước hoặc
Trang 2đất) Giá trị pH thường thấp vào ban đêm và sáng sớm nên duy
trì giữ pH trong khoảng 6 – 8 là thích hợp nhất
Dinh dưỡng trong nước: Cả dinh dưỡng dạng NO3/NH44
(Macro Nutrients) và vi lượng (Micro Nutrients) đều cần thiết
cho cây trồng trong hệ thống Aquaponics Phần lớn nguồn dinh
dưỡng này đến từ chất thải của cá và một phần hòa tan từ thức
ăn của cá Trong một số trường hợp (thường là do chất lượng
thức ăn của cá kém) cần thiết phải bổ sung thêm một số
nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng
Kiểm soát lượng nước: người sử dụng nên có dụng cụ kiểm
tra các yếu tố môi trường để kiểm soát chất lượng nước nuôi cá
trong hệ thống Cần ghi lại sự biến động trong suốt quá trình
vận hành hệ thống để so sánh, đối chiếu hoặc có thể dùng như
một tài liệu tham khảo cho những hệ thống khác mà sau này ta
có thể phát triển
Ánh sáng: Vì các hệ thống aquaponics thường đặt trong các
không gian tiết kiệm diện tích nên đôi khi ánh sáng tự nhiên
không đủ cho cây quang hợp vì vậy ta cần bổ sung ánh sáng
thích hợp cho cây, giải pháp ở đây là dùng ánh sáng thay thế
bằng đèn chiếu sáng
Đánh giá về ưu, nhược điểm của Aquaponic:
Ưu điểm:
Phương pháp sản xuất hữu cơ, bền vững
Sử dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn nước
Giảm thiểu vấn đề sâu bệnh cho cây trồng
Đơn giản dễ thực hiện
Nhược điểm:
Quy trình sản xuất mang tính thủ công
Cần có hiểu biết về hệ cá, cây và sinh vật
Khó khăn trong việc theo dõi quá trình sinh trưởng
Yêu cầu phải có nguồn điện để vận hành
Ở Việt Nam, Aquaponic có nhiều tiềm năng phát triển ở các hộ
gia đình vùng đô thị với hứa hẹn giải quyết được các vấn đề
đang gây nhức nhối hiện nay là an toàn thực phẩm và bảo vệ
môi trường
b Dịch vụ điện toán đám mây
Điện toán đám mây là mô hình điện toán mà mọi giải pháp liên
quan đến công nghệ thông tin đều được cung cấp dưới dạng
các dịch vụ qua mạng internet, giải phóng người sử dụng khỏi
việc phải đầu tư nhân lực, công nghệ và hạ tầng để triển khai
hệ thống [5,6] Từ đó điện toán đám mây giúp tối giản chi phí
và thời gian triển khai, tạo điều kiện cho người sử dụng nền
tảng điện toán đám mây tập trung được tối đa nguồn lực vào
công việc chuyên môn (hình 2)
Hình 2 Mô hình tổng quan về điện toán đám mây
Những ưu điểm chính của điện toán đám mây như sau:
Triển khai nhanh chóng
Giảm chi phí
Đa phương tiện truy cập
Khả năng chia sẻ tài nguyên giữa người dùng
Khả năng chịu tải nâng cao
Độ tin cậy
Tính co giãn linh động
Bảo mật
III THIẾT KẾ MÔ HÌNH AQUAPONICS TRÊN NỀN TẢNG ĐIỆN
TOÁN ĐÁM MÂY
a Mô hình tổng quát
Mô hình kiến trúc tổng quát của hệ thống Aquaponics trên nền điện toán đám mây mô tả như Hình 3: các hệ thống
Aquaponics thành phần (aquaponics_1, aquaponics_2,…),
aquaponics_n) được bố trí ở các khu vực khác nhau Dữ liệu
thu thập được từ các hệ thống sẽ được truyền về máy chủ đám
mây (cloud server) và được lưu trữ dữ liệu tại đây Người dùng
có thể sử dụng các dịch vụ được thiết kế trên nền tảng đám mây để theo dõi, giám sát các thông số và điều khiển các hệ thống aquaponics thành phần nhằm phục vụ cho việc chăm sóc
Hình 3 Mô hình tổng quát hệ thống Aquaponic Cấu trúc của môt hệ thống Aquaponics thành phần được mô tả trong Hình 4, bao gồm: Khối xử lí trung tâm, Khối cảm biến, Khối truyền thông và Khối thiết bị đầu ra
Khối cảm biến: Gồm các cảm biến thu thập các
thông số quan trọng của hệ thống Aquaponics như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, mức nước,…Sau đó gửi định
kỳ về khối xử lí trung tâm
Khối xử lí trung tâm: nhận các dữ liệu thu được từ
cảm biến, xử lí và phân tích từ đó điều khiển các thiết
bị đầu ra sao cho phù hợp với kịch bản của người điều khiển đã lập trình sẵn; đẩy dữ liệu qua khối truyền thông lên server của dịch vụ điện toán đám mây phục
vụ cho việc giám sát và lưu trữ dữ liệu; nhận các tín hiệu phản hồi từ giao diện điều khiển của dịch vụ điện toán đám mây từ đó điều khiển các thiết bị đầu ra
Khối thiết bị đầu ra: Nhận tín hiệu điều khiển từ
khối xử lí trung tâm và hoạt động nhằm kiểm soát các
Trang 3thông số đầu vào của hệ thống như nhiệt độ, độ
ẩm,.…
Khối truyền thông: ESP8266 là mô-đun công suất
thấp, hỗ trợ chuẩn IEEE802.11b/g/n và tích hợp sẵn
giao thức TCP/IP Do ưu điểm giá thành thấp, việc
lựa chọn sử dụng mô-đun ESP8266 đảm nhận cả hai
nhiệm vụ truyền dữ liệu từ hiện trường về trung tâm
và đưa dữ liệu từ trung tâm lên Internet sẽ giúp chúng
ta giảm chi phí đầu tư cho hệ thống
Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống aquaponics thành phần sử dụng nền tảng
đám mây
b Thuật toán điều khiển
Hệ thống định kỳ đọc các giá trị cảm biến để giám sát và điều
khiển, đồng thời chuyển lên máy chủ để lưu trữ Hệ thống có
thể hoạt động ở hai chế độ: điều khiển tự động và điều khiển
theo yêu cầu (manual)
Hình 5 Thuật toán điều khiển
Trong chế độ điều khiển tự động, hệ thống sẽ tự động bật/tắt các thiết bị máy bơm, đèn và còi cảnh báo dựa trên các dữ liệu nhận được từ các cảm biến (pH, mực nước, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng)
Khi độ pH trong bể cá vượt ngoài ngưỡng cho phép (k<6 hoặc k>8) thì hệ thống đưa ra tín hiệu cảnh báo chuông nhằm nhắc nhở người sử dụng cân bằng lại độ pH cho hệ thống (chẳng hạn bổ sung thêm nước sạch, thay nước hay bổ sung thêm các dung dịch cân bằng pH, …)
Tín hiệu điều khiển bật, tắt máy bơm nước được dựa vào các thông số dữ liệu lấy từ cảm biến mực nước SRF40 và cảm
biến độ ẩm Từ các thông số nhận được so sánh với ngưỡng
mực nước yêu cầu trong bể cá, từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển bật, tắt máy bơm một cách hợp lý Nếu mực nước dưới ngưỡng tối thiểu trong bể cá thì chuông báo sẽ được bật cho tới khi nước được bơm vào đạt ngưỡng cho phép thì chuông báo dừng lại Khi nước trong bồn cây thấp dưới mức cho phép thì còi chuông sẽ báo động đồng thời máy bơm sẽ hoạt động bơm tới mực nước đã được thiết lập
Cảm biến ánh sáng gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm Nếu ánh sáng không đủ yêu cầu so với ngưỡng đặt ra thì vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển để zơ le bật đèn, đèn sẽ được bật tự động để giúp duy trì cường độ ánh sáng cho cây và ngược lại, nếu ánh sáng đủ để cung cấp cho cây trồng thì đèn
sẽ tự động tắt
Nhiệt độ môi trường trong nuôi trồng có giới hạn nhất định: 25≤t≤35, trong khoảng nhiệt độ này cây trồng và cá sinh trưởng tốt, cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ thu thập thông số nhiệt độ môi trường sau đó so sánh với ngưỡng cho phép nếu nằm ngoài ngưỡng cho phép hệ thống sẽ gửi cảnh báo
Trong chế độ điều khiển bằng tay, hệ thống sẽ nhận lệnh bật/tắt các thiết bị theo yêu cầu hoặc chuyển sang chế độ điều khiển tự động qua giao diện web của dịch vụ đám mây Ubidots hoặc ứng dụng Ubidots trên điện thoại thông minh
IV THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH
a Mô hình thực tế:
Mô hình thử nghiệm thực tế được mô tả trong hình 6, bao gồm các thành phần chính như: bể cá, máng cạn trồng rau, bể lọc, máy bơm, cảm biến mực nước, cảm biến độ pH, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, mạch điều khiển
Hình 6 Mô hình thử nghiệm thực tế hệ thống aquaponics
Trang 4b Thử nghiệm và đánh giá
Kịch bản 1: Nước trong máng cạn dưới mức cho phép
Bước 1: Khối cảm biến độ ẩm sẽ gửi tín hiệu về khối xử lí
trung tâm
Bước 2: Khối xử lí trung tâm phân tích dữ liệu, nhận ra nước
trong máng cạn dưới mức cho phép và đưa ra tín hiệu điều
khiển bật máy bơm cho khối relay
Bước 3: Trong suốt quá trình bơm nước, cảm biến độ ẩm liên
tục nhận và gửi dữ liệu về khối xử lí trung tâm
Bước 4: Khi mực nước đạt ngưỡng cho phép thì khối xử lí
trung tâm sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để tắt máy bơm
Bước 5: Trong suốt quá trình bơm, nếu máy bơm không hoạt
động, hoặc nước trong bể cá quá thấp (dưới ngưỡng cho phép)
thì khối xử lí trung tâm sẽ bật còi báo của hệ thống để người
giám sát tăng lượng nước trong bể
Bước 6: Toàn bộ các thông số về mức nước trong quá trình sẽ
được hiển thị trên giao diện điều khiển của Ubidots
Hình 7 Biểu đồ thể hiện mực nước trên Ubidots
Biểu đồ hình 7 thể hiện mực nước trong bể đang giảm dần sau
một thời gian dài hoạt động, sau khi được bổ sung thêm nước
cho bể cá, đồ thị thay đổi hướng đi lên Quá trình xử lí của hệ
thống cho thấy hệ thống đáp ứng được yêu cầu đặt ra
Kịch bản 2: Nồng độ PH của nước bể cá tăng (hoặc giảm)
Bước 1: Cảm biến thu thập các dữ liệu về nồng độ pH trong bể
cá và gửi về khối xử lí trung tâm
Bước 2: Khối xử lí trung tâm nhận dữ liệu từ cảm biến, phân
tích và so sánh với ngưỡng an toàn mà hệ thống cho phép
Bước 3: Nếu nồng độ pH ngoài mức cho phép pH<6 hoặc
pH>8, khối xử lí trung tâm sẽ bật còi cảnh báo cho người giám
sát để phát hiện ra nguyên nhân và khắc phục
Bước 4: Toàn bộ các biến đổi về độ pH trong quá trình sẽ được
hiển thị trên giao diện điều khiển của Ubidots
Hình 8 Biểu đồ thể hiện độ pH trên Ubidots
Biểu đồ hình 8 thể hiện độ pH luôn bằng 7, đây là trạng thái
môi trường trung tính Khi tác động vào môi trường nước trong
bể nuôi bằng cách thêm dung dịch dấm để tăng độ axit tại hai
thời điểm 14:55 và 15:10 khi đó biểu đồ hiển thị trên Ubidots
có đồ thị đi xuống, tương tự như vậy đối với trường hợp pH
tăng đồ thị đi lên Kết quả cho thấy hệ thống đáp ứng được yêu cầu đặt ra
Kịch bản 3: Thiếu ánh sáng cho cây trồng
Bước 1: Khối cảm biến ánh sáng gửi tín hiệu về ánh sáng cho khối xử lí trung tâm
Bước 2: Khối xử lí trung tâm nhận dữ liệu, so sánh với cường
đồ ánh sáng cho phép của hệ thống
Bước 3: Nếu ánh sáng quá yếu, khối xử lí trung tâm sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để bật đèn (hình 9)
Bước 4: Khi lượng ánh sáng đã đủ thì khối xử lí trung tâm ra
tín hiệu điều khiển tắt đèn
Hình 9 Kết quả thử nghiệm khi thiếu ánh sáng Sau khi kiểm tra xong các kịch bản hoạt động ở chế độ điều khiển tự động, hệ thống đã được chuyển sang thử nghiệm chế
độ điều khiển bằng tay (manual) và cho thấy hệ thống đáp ứng chính xác các lệnh điều khiển thiết bị theo yêu cầu qua giao diện ứng dụng của dịch vụ đám mây Ubidots
V KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế một hệ thống aquaponics trên nền tảng điện toán đám mây cho phép
mở rộng khả năng lưu trữ dữ liệu phục vụ việc phân tích hiệu quả nuôi trồng và cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống trên diện rộng thông qua các hệ thống aquaponic thành phần ở các
vị trí khác nhau Hệ thống đã được thử nghiệm thành công và cho thấy khả năng triển khai trên phạm vi lớn trong thời gian sắp tới
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T Shafeena, “Smart aquaponics system: challenges and opportunities”, European Journal of Advances in Engineering and Technology, 3 (2)(2016), pp 52-55
[2] FAO, “FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper: Small-scale Aquaponic food production", 2014
[3] Sylvia Bernstein, “Aquaponic Gardening”, New Society Publishers,
2011
[4] Sylvia Bernstein, “Aquaponic gardening : a step-by-step guide to raising vegetables and fish together”, New Society Publishers, 2011
[5] 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
