Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu và cảnh báo sớm phục vụ nuôi thủy sản: luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Nghiên cứu quốc tế về nông nghệp IoT Hệ thống nông nghiệp thông minh cùng với sự phát triển của công nghệ IoTs Internet of Things việc áp dụng cảm biến và mạng đi

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ PHƯƠNG TRƯỜNG

Đồng Nai, tháng 12 năm 2018

Trong quá trình thực hiện luận văn tôi đã nhận được nhiều những sự quan tâm giúp đỡ của Quý Thầy Cô, bạn bè cùng tập thể cán bộ trường Đại học Lạc Hồng

Xin trân trọng cảm ơn TS Lê Phương Trường thầy hướng dẫn khoa học của luận văn, đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ về mọi mặt để em có thể hoàn thành luận văn Xin cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Cơ Điện – Điện Tử, khoa sau đại học, Trung tâm nghiên cứu trường Đại học Lạc Hồng đã giúp đỡ trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô trong Hội Đồng chấm luận văn đã có những góp ý về những thiếu sót của luận văn này giúp cho luận văn càng hoàn hiện hơn

Cuối cùng, để có được những kiến thức quý báu như ngày hôm nay, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô trường Đại học Lạc Hồng cùng Quý Thầy

Cô thỉnh giảng trong thời gian qua đã truyền thụ và chỉ bảo cho em những kiến thức quý báu

Xin trân thành cảm ơn

Tôi xin cam đoan tất cả nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình hành

và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, cùng sự hướng dẫn khoa học của

TS Lê Phương Trường Các số liệu và kết quả có được trong luận văn là hoàn toàn trung thực

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Thái Dương

Luận văn này trình bày về phương pháp thiết kế và thi công hê thống thu thập

dữ liệu và cảnh báo sớm phục vụ cho lĩnh vực nuôi trồng thủy sản Hệ thống được thiết kế dựa trên sự kết hợp giữa thiết bị thu thập, xử lý dữ liệu và công nghệ truyền thông không dây (IOTs) Các cảm biến nhiệt độ, cảm biến oxy hòa tan và cảm biến

pH cung cấp cho các giá trị về nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và độ pH thông qua nền tảng phần cứng Arduino Mega2560 Các dữ liệu nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và độ

pH được hiển thị, lưu trữ trên máy chủ Thingspeak thông qua nền tảng phần cứng Sim800A Bên cạnh đó hệ thống cảnh báo khi phát hiện một trong ba thông số nhiệt

độ, nồng độ oxy hòa tan và độ pH vượt mức giá trị cho phép (5%) sẽ tự động gọi điện thoại và nhắn tin cảnh báo đến người dùng để có biện pháp đối phó sự thay đổi của môi trường nhằm giảm thiệt hại đến việc nuôi trồng thủy sản

Từ Khóa: IoTs, Arduino Mega2560, Sim800A, nông nghiệp thông minh, thủy sản

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Nghiên cứu quốc tế về nông nghệp IoT 4

1.2 Nghiên cứu trong nước về nông nghiệp IoT 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Lựa chọn thiết bị 8

2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường nôi thủy sản 8

2.1.2 Lựa chọn hệ thống thiết bị phần cứng 8

2.2 IoT và các công nghệ hỗ trợ 9

2.2.1 Công nghệ IoTs 9

2.2.2 Các công nghệ hỗ trợ 11

2.2.3 Các công nghệ không dây thường được sừ dụng trong IoT: 11

2.3 Hệ thống điều khiển trung tâm 12

2.3.1 Board điều khiển Arduino Mega2560 12

2.3.2 Thông số kỹ thuật board Arduino Mega 2560 13

2.3.3 Atmega 2560 14

2.4 Hệ thống cảm biến 15

2.4.1 Khái niệm 15

2.4.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 16

2.4.3 Cảm biến đo độ pH Analog DFRobot (SKU: SEN0161) 17

2.4.4 Cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan (SU:SEN2037) DFRobot 17

2.5 Hệ thống truyền dữ liệu không dây 21

2.5.1 Giới thiệu Module SIM800A 21

2.5.2 Module GSM GPRS SIM800A 21

2.5.4 Mạch buffer chuyển mức điện áp UM3204UE 23

2.5.5 Giao tiếp Module SIM800A với tập lênh AT 23

2.6 Web Server 25

2.6.1 Khái niệm 25

2.6.2 Tổng quan về web server 26

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 28

3.1 Thiết kế phần cứng 28

3.2 Lưu đồ giải thuật 30

3.3 Thiết kế hệ thống giao diện ThingSpeak 31

3.4 Hệ thống cảnh báo 34

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 Thiết lập hệ thống thực nghiệm 36

4.2 Kết quả thực nghiệm 37

4.2.1 Đo nhiệt độ nước, độ pH và nồng độ oxy hòa tan trong nước 37

4.2.2 Kết quả hiển thị ThingSpeak 41

4.3 Phân tích độ chính xác hệ thống 43

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

TỪ VIẾT TẮT TỪ TIẾNG ANH TỪ TIẾNG VIỆT

GMS Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GPRS General Packet Radio

IoTs Internet Of Things Vạn vật kết nối

LCD Led Circuit Digital Mạch led kỹ thuật số

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường

USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối tuần tự

Bảng 1.1: Các công nghệ ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh 4

Bảng 1.2: Các hệ thống giám sát môi trường nước sản xuất trong nước 7

Bảng 2.1: Chất lượng nước cấp vào ao nuôi thủy sản 8

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật môi trường nuôi trồng thủy sản 34

Bảng 4.1: Phân tích sự sai lệch của hệ thống 46

Hình 2.1: Công nghệ IoTs ( Internet of things) 10

Hình 2.2: Sơ đồ chân của bảng điều khiển Arduino Mega 2560 12

Hình 2.3: Board điều khiển Arduino Mega 2560 13

Hình 2.4: Sơ đồ chân của ATmega 2560 14

Hình 2.5: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 16

Hình 2.6: Cảm Biến Đo Độ PH Analog DFRobot 17

Hỉnh 2.7: Cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan DFRobot (SU:SEN2037) 18

Hình 2.8: Board chuyển đổi tín hiệu cảm biến oxy hòa tan 19

Hình 2.9: Các bước chuẩn bị đầu dò nồng độ oxy 20

Hình 2.10: Module SIM 800DS 21

Hình 3.1.:Sơ đồ khối phần cứng 28

Hình 3.2: Bố trí hệ thống nhận và xử lý tín hiệu thực tế 29

Hình 3.3: Kết nối hệ thống với các cảm biến 29

Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật của hệ thống 30

Hình 3.5: Giao diện đăng nhập trang ThingSpeak 31

Hình 3.6: Tạo kênh mới trong ThingSpeak 32

Hình 3.7: Thiết lập số lượng biểu đồ hiển thịcủa kênh 32

Hình 3.8: Giao diện của kênh 33

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng của hệ thống cảnh báo 35

Hình 3.10: Tin nhắn cảnh báo người sử dụng 35

Hình 4.1: Sơ đồ kết nối thực nghiệm của hệ thống 36

Hình 4.2: Kiểm tra thiết bị trước khi đo thực tế môi trường nước 37

Hình 4.3: Thiết bị được thả xuống nước để thu thập thông số môi trường nước thực tế 38

Hình 4.4: Đồ thị thể hiện giá trị đo nhiệt độ nước thực tế 39

Hình 4.5: Đồ thị thể hiện giá trị đo nồng độ oxy hòa tan trong nước thực tế 39

Hình 4.6: Đồ thị thể hiện giá trị đo độ pH của nước thực tế 40

Hình 4.7: Dữ liệu nhiệt độ hiển thị trên ThingSpeak 41

Hình 4.8: Dữ liệu nồng độ oxy hòa tan hiển thị trên ThingSpeak 42

Hình 4.9: Dữ liệu độ pH hiển thị trên ThingSpeak 42

Hình 4.10: Đồ thị thể hiện giá trị tham chiếu và đo đạc nhiệt độ nước 43

Hình 4.11 : Đồ thị thể hiện giá trị tham chiếu và đo đạc nồng độ oxy hòa tan 44

Hình 4.12: Đồ thị thể hiện giá trị tham chiếu và đo đạc độ pH của nước 45

Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn sự sai lệch giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu của nhiệt độ nước 47

Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn sự sai lệch giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu của độ oxy hòa tan 47

Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn sự sai lệch giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu của pH 48

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đã và đang thúc đẩy nền kinh tế trong nước và thế giới trên mọi lĩnh vực, đã đánh dấu sự phát triển bùng nổ của các công nghệ đột phá và tác động tích cực đến từng ngành, từng lĩnh vực, trong đó có ngành nông nghiệp

Cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại sẽ tạo ra các công nghệ hoàn toàn mới là động lực thúc đẩy cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất Đặc biệt, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 có nhiều tác động đến đời sống xã hội trên nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực nông nghiệp, mặt khác do biến đổi khí hậu ngày càng ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp, đồng thời do yêu cầu tăng dân số trong những thập niên tới làm biến đổi sâu sắc ngành nông nghiệp trên toàn cầu

Trong những thập niên qua, tuy mức độ tăng trưởng của ngành nông nghiệp tương đối cao nhưng vẫn không đáp ứng được vấn đề an ninh lương thực toàn cầu Dân số thế giới hiện nay khoảng 7,6 tỷ người song tỷ lệ người dân thiếu đói chiếm 12%, khoảng 876 triệu người, dự kiến sẽ tăng lên 9,8 tỷ vào năm 2050, sản xuất nông nghiệp sẽ cần phải tăng 70% để đáp ứng nhu cầu vào thời điểm đó Như vậy, yêu cầu cấp bách cho ngành nông nghiệp toàn cầu là phải gia tăng năng suất nhằm vừa bảo đảm lương thực thực phẩm ăn đủ no cho số người thiếu đói, song một mặt phải sản xuất các lương thực, thực phẩm có chất lượng cao phục vụ nhu cầu một thị phần rất lớn khoảng 30 đến 35% dân số là ăn ngon, ăn bổ và ăn có tính phòng trị bệnh trên toàn cầu hiện nay sẽ gia tăng đột biến trong tương lai

Như vậy, giải pháp làm như thế nào để bảo đảm an ninh lương thực và chất lượng nông sản phục vụ toàn cầu quả là bài toán vô cùng hóc búa của nhân loại, nhất

là trong bối cảnh tình trạng xung đột và bất ổn, dịch bệnh và biến đổi khí hậu đang diễn biến ngày càng phức tạp, khó lường, đó là bài toán đặt ra cho ngành nông nghiệp

Trong bối cảnh đó, Chính phủ đã ban hành quyết định số 2457/QĐ-TTg Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2010 về việc phê duyệt Chương trình quốc gia phát triển công nghệ cao đến năm 2020 [1] và quyết định số 575/QĐ-TTg Hà Nội, ngày 04 tháng 05 năm 2015 Về việc phê duyệt Quy hoạch tổng thể khu và vùng nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đến năm 2020, định hướng đến năm 2030 [2] đã khẳng định tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ cao vào nông nghiệp trong việc sản xuất

và đảm bảo an ninh lương thực và phát triển kinh tế - xã hội gắn với việc bảo vệ môi trường

Chính vì những nguyên nhân trên, tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ CẢNH BÁO SỚM PHỤC VỤ NUÔI THỦY SẢN ” Khi đề tài nghiên cứu hoàn thành sẽ hỗ trợ lĩnh vực nông nghiệp thủy sản có được những đều kiện tốt hơn trong quá trình giám sát chăn nuôi thủy sản, giúp cho tăng cao sản lượng cũng như tránh những tình huống xấu phát sinh trong quá trình chăn nuôi, làm tăng cường nền kinh tế nông nghiệp và

an ninh lương thực tại Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu sự kết nối thông tin không dây giữa thiết bị phát, nhận

và xử lý tín hiệu

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố như độ pH, nhiệt độ, độ hòa tan Oxy trong nước DO tới sự phát triển của sinh vật nuôi thủy sản

Nghiên cứu, thiết kế bộ thiết bị tích hợp đo đạc các thông số như độ pH, nhiệt

độ, độ hòa tan Oxy trong nước DO và truyền nhận tín hiệu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng của nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường nôi trồng của thủy sản

Phạm vi nghiên cứu là xây dựng thiết bị đo đạc các thông số ảnh hưởng đến môi trường nuôi trồng thủy sản dựa trên nền tảng công nghệ IoTs

4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập tài liệu từ nguồn thư viện, thư viên số, internet

Xây dựng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi trồng thủy sản

Tìm hiểu lý thuyết truyền tín hiệu không dây, thiết kế thiết bị đo đạc các thông

số độ pH, nồng độ Oxy hòa tan DO, nhiệt độ

Viết chương trình thuật toán xử lý các tín hiệu dữ liệu nhận được từ thiết bị

Mô phỏng quy trình thiết kế nhằm tìm ra lỗi và đề ra biện pháp khắc phục phù hợp

5 Kết cấu của luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 5: Kết luận

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN

1.1 Nghiên cứu quốc tế về nông nghệp IoT

Hệ thống nông nghiệp thông minh cùng với sự phát triển của công nghệ IoTs (Internet of Things) việc áp dụng cảm biến và mạng điều khiển không dây vào nông nghiệp làm cho quy trình sản xuất được đồng bộ và giám sát một cách tự động, tối ưu hóa các hoạt động của môi trường Các công nghệ mạng điều khiển không dây như: RFID tự động nhận tín hiệu bằng sóng vô tuyến có khả năng lưu trữ và nhận dữ liệu

từ xa thông qua bộ phát tần số siêu nhỏ, tuy nhiên công nghệ này cần phải cần thẻ và

bộ đọc thẻ để phản hồi tín hiệu, Bluetooth truyền dữ liệu không dây hiện đại, có thể kết nối với các thiết bị di động, hoạt động trong dải tần số 2,4 – 2,48 GHz, bluetooth chỉ hoạt động trong bán kính 10m – 100m [3] đây cũng là mặt hạn chế của công nghệ này ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute

of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (Medium Access Control) [4]

Bên cạnh đó sự phát triển IoTs trong nông nghiệp ngày càng mạnh mẽ Nay

có nhiều tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này điển hình là tác giả: LIU Ping [5] sử dụng RFID để kết nối các giao diện và thiết bị ngoại vi thông thường như cổng I / O chung, cổng nối tiếp, USB, LCD Chip tần số vô tuyến được sử dụng như chip Philips RC531, tần số làm việc là 13,56MHz, và khoảng cách đọc-ghi là khoảng 10cm Bộ điều khiển chính MCF52235, Hệ thống thu thập và truyền tải dữ liệu hạn hán nông nghiệp và bảng 1.1 liệt các công nghệ IoTs ứng dụng trong nông nghiệp

Bảng 1.1: Các công nghệ ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh

Discriminant Analysis (LDA)

Modem GSM / GPRS

[11] http://saururja.com GridLAB-D

software C++

Communication Buses

[12] PT100

Dielectric sensors Rain sensor

An irrigation controller

Internet, wire

Các nghiên cứu trên về nông nghiệp thông minh sử dụng công nghệ truyền dữ liệu đều có độ chính xác chấp nhận được nhưng giá thành và chi phí bảo trì chưa phù hợp với đa số người dân tại Việt Nam

1.2 Nghiên cứu trong nước về nông nghiệp IoT

Chính phủ Việt Nam đang có nhiều các khuyến khích và chính sách nhằm phát triền nông nghiêp thông minh trong nỗ lực đảm bảo an ninh lương thực, ổn định kinh

tế vĩ mô của quốc gia, thực hiện các chương trình chiến lược và kế hoạch quốc gia về

chống biến đổi khí hậu, nỗ lực thực hiện các nghĩa vụ và cam kết quốc tế theo Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu

Để hiện thực hóa các vấn đề trên Chính phủ đã ban hành các văn bản quan trọng về phát triển nông nghiệp thông minh: Chỉ thị số 16/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ

4 [13] Nghị quyết 30/NQ-CP ngày 07/3/2017 phiên họp Chính phủ thường kỳ tháng 2/2017 [14] chỉ đạo về việc triển khai gói tín dụng 100.000 tỷ khuyến khích phát triển nông nghiệp công nghệ cao, nông nghiệp sạch chính thức được xác định Ngân hàng nhà nước Việt Nam đã ban hành Quyết định 813/QĐ-NHNN ngày 24/4/2017 về chương trình cho vay khuyến khích phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, nông nghiệp sạch theo Nghị quyết 30/NQ-CP ngày 07/03/2017 của Chính phủ [15]

Các quyết định, nghị quyết, chỉ thị, chính sách được ban hành nhằm thúc đẩy

sự phát triển của nền nông nghiệp quốc gia cho thấy sự quan tâm của nhà nước và chính phủ đối với công cuộc hiên đại hóa ngành nông nghiệp, đưa nền nông nghiệp của Việt Nam từ một nền nông nghiệp lạc hậu chuyển mình thành nền nông nghiệp tiên tiến, áp dụng các ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào nuôi trồng và sản xuất

tự biến mình thành nền nông nghiệp thông minh đáp ứng được với nhu cầu của thị trường trong nước và quốc tế

Hiện tại tỉnh Lâm Đồng đang là tỉnh dẫn đầu cả nước về phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao và ứng dụng công nghệ IoTs, với các dự án lớn tập trung của các doanh nghiệp có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp và nhờ mạnh dạn áp dụng những nghiên cứu nông nghiệp thông minh vào thực tế sản xuất cũng như các chính sách thúc đẩy nông nghiệp của chính phủ Nhờ vậy mà trong năm 2017 nền nông nghiệp của tỉnh đã đạt được nhiều thành quả vượt trội trong sản xuất nông nghiệp

Các công ty hoạt động trong lĩnh vực phát triển công nghệ cũng tập trung vào hướng phát triển nông nghiệp công nghệ cao nhằm phục vụ cho thị trường nông nghiệp chiếm thị phần lớn tại Việt Nam, góp phần tăng cao năng lực trong vấn đề sản xuất nông nghiệp điển hình như: Công ty TNHH MTV Công nghệ Eplusi đã đưa ra thị trường “Hệ thống giám sát môi trường nước thủy sản E-Sensor Aqua phục vụ nuôi tôm, cá” và Công ty TNHH Thương Mại T.C có sản phẩm “Hệ thống giám sát nước

nuôi tôm cá qua internet” hay công ty NK Engineering cũng cung cấp cho thị trường

“Hệ thống giám sát môi trường nước trong nuôi trồng thủy sản” đo đạc các thông số môi trường nước như: Oxy hòa tan, pH, độ mặn, độ kiềm, độ trong, NH3, H2S, nhiệt

độ Các hệ thống được trình bày như trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Các hệ thống giám sát môi trường nước sản xuất trong nước

STT Tên công ty Tên hệ thống Thông số đo

EC/TDS, pH, DO, ORP, nhiệt độ

độ

Nhưng các hệ thống giám sát này lại có giá thành tương đối cao chỉ có thể áp dụng cho các hình thức nuôi trồng thủy sản có tầm quy mô lớn hay nuôi trồng thủy sản tập trung, khó có thể áp dụng vào các hình thức nuôi trồng thủy sản nhỏ lẻ, hộ gia đình

Các nghiên cứu trong nước về ứng dụng công nghệ IoTs vào nông nghiệp thông minh còn tương đối ít, mới chỉ tập trung ở việc nghiên cứu, áp dụng thử nghiệm trên quy mô lớn còn các diện tích sản xuất nhỏ lẻ ít được tiếp cận thực tế sản xuất do giá thành chi phí của các thiết bị tương đối cao, khó thu hồi vốn đầu tư thiết bị và các khu vực áp dụng nông nghiệp công nghệ cao chỉ tập trung tại một số nơi như: Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Lâm Đồng , hay các viện nghiên cứu hoặc ở các trường đại học trong cả nước

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lựa chọn thiết bị

2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường nôi thủy sản

Bộ nông nghệp phát triển nông thôn Việt Nam ban hành QCVN 02 – 19 : 2014/BNNPTNT Quy định quy chuẩn quốc gia về các thông số và điều kiện cần thiết tronng việc nuôi trồng thủy hải sản được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Chất lượng nước cấp vào ao nuôi thủy sản

TT Thông số Đơn vị Giá trị cho phép

1 Ôxy hoà tan (DO) mg/l ≥ 3,5

2 pH 7 ÷ 9, dao động trong ngày

khác, có khả năng bảo trì, thay thế tốt và có giá thành tương đối từ các hãng sản xuất nổi tiếng trong lĩnh vực tác giả đã lựa chọn các thiết bị như sau:

Hệ thống điều khiển trung tâm: Board Adrunio Mega 2560

Hệ thống cảm biến gồm:

Cảm biến nhiệt độ: DS18B20

Cảm biến độ pH: pH Analog DFRobot SKU: SEN0161

Cảm biến nồng độ oxy hòa tan: SU:SEN2037 DFRobot

Hệ thống truyền dữ liệu không dây: Modul Sim800A

2.2 IoT và các công nghệ hỗ trợ

2.2.1 Công nghệ IoTs

Dù khái niệm Internet of Things đã ra đời cách đây 17 năm, đến nay, khi khái niệm này sắp trở thành một xu hướng "hot" trên thế giới, nhiều người vẫn chưa biết đến xu hướng này bởi IoTs trừu tượng và khó liên tưởng Theo cách dễ hiểu nhất với IoTs, hãy tưởng tượng tất cả những gì bạn đang sử dụng trong cuộc sống hàng ngày đều được kết nối với Internet IoTs sẽ trở thành một phần không thể thiếu, thay đổi cuộc sống của con người theo vô số cách, giúp cho cuộc sống của chúng ta tiện lợi hơn

Internet of Thing (IoTs) là một mạng lưới thiết bị liên kết lại với nhau, khi mà mỗi đồ vật, thiết bị đều được cung cấp một địa chỉ định danh cho mình và tất cả các thiết bị đồ vật đó đều có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua mạng Internet mà không cần có sự tương tác trực tiếp của con người IoTs đã phát triển từ

sự hội tụ của công nghệ kết nối không dây, thiết bị điện tử, cơ điện tử và Internet [17]

Thực chất, biểu hiện của Internet of Things (IoTs) đã xuất hiện ngay từ thời

kỳ sơ khai của Internet, khi các nhà phát minh mong muốn kết nối tất cả mọi thứ qua một mạng lưới đồng nhất để có thể điều khiển chúng phục vụ cho mục đích của con người Trong các tư liệu về IoTs, người ta thường nhắc đến một chiếc máy bán nước giải khát tự động tại trường Đại học Carnegie Melon (Mỹ) vào đầu những năm 1980 như là một thiết bị đầu tiên mở màn cho xu hướng này, chiếc máy được lập trình để

có thể kết nối với người điều khiển qua Internet, nhằm kiểm tra tình trạng của máy

và bổ sung nước khi cần thiết mà không cần sự tiếp xúc kiểm tra trực tiếp Sau đó, khái niệm Internet of Things chỉ thực sự được đưa ra vào năm 1999, khi mà người ta bắt đầu nhận thấy tiềm năng của xu hướng này, bên cạnh việc mạng Internet cũng như nhiều rào cản về mặt khoa học công nghệ đã dần được khai phá Như vậy có thể tạm hiểu, Internet of Things là khi tất cả mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng (chủ) có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay

áp dụng trong sản xuất năng lượng hay các ngành công nghiệp nặng

Sự phát triển không ngừng của khoa học đã giúp con người tiến têm một bước

xa trong quá trình phát triển và ứng dụng công nghệ khoa học vài thực tế cùng với sự phát triển của các thết bị thông minh phục phụ con người như: Nhà thông minh, điện

thoại thông minh, tivi thông minh, và cùng với sự phát triển đó thì địa chỉ Ip đã phát triển từ IPv4 lên IPv6 giúp cung cấp nhiều địa chỉ hơn để có thể định địa chỉ cho nhiều thiết bị kết nối lại với nhau trên mạng Internet

2.2.2 Các công nghệ hỗ trợ

Ngày nay, mạng lưới “Internet of Things” (IoTs) có mặt ở khắp mọi nơi, bao gồm các thiết bị dùng cho gia đình như camera, khóa cửa an ninh cảm biến cháy đến các mạng lưới liên kết nhiều thiết bị khác nhau trong một như điện thoại thông minh, máy tính bảng, đồng hồ thông minh hay các thiết bị thu thập và xử lý các dữ liệu sử dụng trong dân dụng, nông nghiệp, công nghiệp Tất cả các thiết bị, ứng dụng đó đều được liên kết với nhau thông qua nền tảng truyền tín hiệu không dây và mạng Internet

2.2.3 Các công nghệ không dây thường được sừ dụng trong IoT:

RFID (Radio Frequency Code) tags và EPC (Electronic Product Code): Mã tần số vô tuyến và mã sản phẩm điện tử

NFC (Near Field Communication) được dung để kích hoạt tương tác hai chiều giữa các thiết bị điện tử, điều này là cơ bản cho điện thoại thông mình và chủ yếu được dung để làm các dao dịch thanh toán không tiếp xúc (contactless payment transactions)

Bluetooth: Được dùng để truyền tải thông tin trong phạm vi ngắn, thường được

sử dụng trong các thiết bị đeo

Z-Wave: Là công nghệ RF comm công suất thấp và chủ yếu được sử dụng cho nhà tự động, kiểm soát đèn

Wi-fi: Công dụng thông dụng nhất trong IoT, Khi dùng mạng LAN, nó giúp chuyển files, data và tin nhắn liền mạch

Sóng 3G, 4G: Là công nghệ sử dụng sóng Internet từ các thiết bị sóng di động

để kết nối và truyền tải data một cách nhanh chóng lên Internet ở nhiều vị trí địa lý khác nhau

2.3 Hệ thống điều khiển trung tâm

2.3.1 Board điều khiển Arduino Mega2560

Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển Atmega 2560 cho số ngoại vi, các chuẩn giao tiếp và số chân nhiều nhất, bộ nhớ rất lớn (256kb) có thể mở rộng thêm số chân Board có cấu trúc tương thích với các board mạch như Uno.Và sử dụng điện áp 5VDC [18]

Arduino Mega 2560 R3 là board mạch sử dụng vi điều khiển Atmega 2560

Nó có 54 chân digital và 16 chân analog

Hình 2.2: Sơ đồ chân của bảng điều khiển Arduino Mega 2560

Bao gồm:

 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)

 16 đầu vào analog

 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng)

 1 thạch anh 16 MHz

 1 cổng kết nối USB

 1 jack cắm điện

 1 đầu ICSP

 1 nút reset

Hình 2.3: Board điều khiển Arduino Mega 2560

2.3.2 Thông số kỹ thuật board Arduino Mega 2560

Vi điều khiển: ATmega 2560

 Điện áp hoạt động: 5V

 Nguồn ngoài: 7-9V (giắc tròn DC)

 Số chân Digital: 54 (15 chân PWM)

 Dòng điện DC mỗi I / O: 20 mA

 Dòng điện DC với chân 3.3V: 50 mA

 Số chân Analog: 16

 Giao tiếp UART: 4 bộ UART

 Giao tiếp SPI: 1 bộ ( chân 50 đến chân 53) dùng với thư viện SPI của

Ardunio

 Giao tiếp I2C: 1 bộ

 Ngắt ngoài: 6 chân

 Bộ nhớ Flash: 256 Kb, 8Kb sử dụng cho Bootloader

Serial 3 15 14

Lưu ý: Cổng serial 0 trên 2 chân 0 và 1 được sử dụng để upload chương trình

từ Arduino IDE vào board Arduino Mega

đã được định sẵn có khả năng thay đổi theo các thông tin, tín hiệu nhận được từ môi trường thiết bị hoạt động

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo chuyển đổi chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu

Phạm vi ứng dụng:

 Công nghiệp

 Nghiên cứu khoa học

 Môi trường, khí tượng

 Thông tin viễn thông

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có khả năng chống nước và độ ẩm

DS18B20 là cảm biến (loại digital) đo nhiệt độ mới có độ tin cậy cao với độ phân giải cao (12bit) IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data (parasite power)

Cảm biến có thể hoạt động ở125℃ nhưng cáp bọc PVC nên giữ nó dưới 100℃ Đây là cảm biến kỹ thuật số nên không bị suy hao tín hiệu đường dây dài

Ứng dụng HVAC kiểm soát nhiệt môi trường, đo nhiệt độ bên trong các tòa nhà, thiết bị, máy móc, và trong hệ thống giám sát…

Để đo được nhiệt độ ta cần thêm 1 điện trở 4.7k Ohm nối từ chân DQ lên VCC [19]

Hình 2.5: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ DS18B20 được trình bày trong phụ lục

01

2.4.3 Cảm biến đo độ pH Analog DFRobot (SKU: SEN0161)

Cảm biến đo độ pH analog của DFRobot có thể đo được từ 0 đến 14 pH hoạt động trong môi trường có nhiệt độ từ 0 đến 600C với độ chính xác ± 0,1pH giúp tăng

độ tin cậy của cảm biến

Hình 2.6: Cảm Biến Đo Độ PH Analog DFRobot

Thông số kỹ thuật cảm Biến Đo Độ PH Analog DFRobot (SKU: SEN0161) của DFRobot được trình bày trong phụ lục 02

2.4.4 Cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan (SU:SEN2037) DFRobot

Cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan (SU:SEN2037) của DFRobot có khả năng chống nước và độ ẩm cao

Đầu dò của cảm biến được mạ điện, không cần thời gian hoạt động phân cực

và có thể hoạt động bất cứ lúc nào Các giải pháp làm đầy dung dịch dầu dò và nắp màng có thể thay thế một cách dễ dàng giúp cho vệc chi phí bảo trì cảm biến thấp

Cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan (SU:SEN2037) là loại cảm biến đo tín hiệu liên tục (analog) hoạt động trong môi trường nước có nhiệt độ từ 0 đến 400C, phạm

vi phát hiện thay đổi thông số từ 0 đến 20 mg/l [18]

Thời gian bảo trì cảm biến

Thời gian thay thế nắp màng:

1 ~ 2 tháng (trong nước bùn)

4 ~ 5 tháng (trong nước sạch)

Điều này giúp cho cảm biến có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay thế cả cảm biến, giúp cho hệ thống được vận hành một cách liên tục không

bị gián đoạn và giúp giảm chi phí cho việc nuôi trồng thủy sản

Hỉnh 2.7: Cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan DFRobot (SU:SEN2037)

Thông số kỹ thuật cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan (SU:SEN2037) của DFRobot được trình bày trong phụ lục 03

Board chuyển đổi tín hiệu

Đối với một đầu dò oxy hòa tan mới, dung dịch NaOH 0,5 mol / L cần được thêm vào nắp màng trước tiên làm dung dịch làm đầy Nếu thăm dò đã được sử dụng trong một thời gian và lỗi phát triển rất nhiều, đó là thời gian để thay đổi giải pháp làm đầy Các hướng dẫn sau đây chi tiết cách điền vào đầu dò bằng dung dịch NaOH

Tháo nắp màng từ đầu dò và đổ khoảng 2/3 thể tích nắp bằng dung dịch NaOH 0,5 mol / L Đảm bảo đầu dò nằm ở vị trí thẳng đứng đối với mặt phẳng nằm ngang Cẩn thận vặn nắp trở lại đầu dò Nó sẽ là tốt đẹp nếu một chút giải pháp tràn ra khỏi nắp để đảm bảo đầu dò được lấp đầy đầy đủ với dung dịch NaOH

Khi vặn nắp trở lại đầu dò, đầu dò phải ở vị trí thẳng đứng đối với mặt phẳng ngang để tránh tạo bong bóng trong dung dịch làm đầy

Nếu nắp được đổ đầy dung dịch NaOH, sẽ có quá nhiều dung dịch tràn khi vặn nắp trở lại đầu dò Nếu dung dịch làm đầy quá ít, bong bóng có thể được tạo bên trong nắp Tóm lại, cách tốt nhất là lấp đầy khoảng 2/3 thể tích nắp, hơi tràn một chút khi vặn nắp trở lại đầu dò

Làm sạch dung dịch tràn với mô

Vặn chai dung dịch NaOH sau mỗi lần sử dụng để ngăn không cho CO2 trong không khí ảnh hưởng đến dung dịch

Hình 2.9: Các bước chuẩn bị đầu dò nồng độ oxy

2.5 Hệ thống truyền dữ liệu không dây

2.5.1 Giới thiệu Module SIM800A

Mạch GSM GPRS SIM800A tích hợp nguồn và IC đệm được thiết kế cho các

dự án cần sự ổn định và độ bền cao Mạch được thiết kế gồm 3 phần chính [20]:

 Module GSM GPRS SIM800A

 Mạch nguồn xung giảm áp RT7257EN

 Mạch buffer chuyển mức điện áp UM3204UE

Hình 2.10: Module SIM 800DS

2.5.2 Module GSM GPRS SIM800A

Chạy được trên cả 4 băng tần GSM/GPRS: 850/900/1800/1900MHz, tương thích hoàn toàn với các băng tần sử dụng tại Việt Nam

Sử dụng khe cắm SIM cỡ thông thường

Giao tiếp UART

Có chân RING, LED thông báo trạng thái của SIM

Có chân SIM EN (kích mức cao từ 2.3-5.5VDC để khởi động SIM)giúp khởi động hoặc tắt SIM để tiết kiệm năng lượng

Đặc biệt SIM800A có thể cấu hình chế độ nhận biết phím bấm DTMF (tone) qua UART

Thông số kĩ thuật

 Băng tần GSM/GPRS: 850/900/1800/1900MHz

 Lệnh: Bộ tập lệnh AT

 Nguồn cấp: 4.5 - 17VDC dòng lớn hơn 2A

 Nguồn cấp mức logic: VCC BUFFER: 2.3-5.5VDC

 Giao tiếp: UART (cần cấp nguồn cho VCC BUFFER để tạo mức điện áp đầu

ra cho RXD và TXD)

 Bật tắt nguồn: Chân VCC EN

 Bật tắt SIM: Chân SIM EN (kích mức cao từ 2.3 5.5VDC để khởi động SIM)

 Báo trạng thái SIM: Chân LED, RING

 Khởi động lại SIM: Chân RESET

2.5.3 Mạch nguồn xung giảm áp RT7257EN

Nguồn đầu vào: 4.5-17VDC