Khoa học kỹ thuật và công nghệ

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống kiểm soát môi trường nước từ xa, ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản” (23/06/2016)

Năm 2015, KS. Lê Đức Duy Khánh cùng các cộng sự tại Công ty Cổ phần Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp (Bộ Công Thương) đã hoàn thành đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống kiểm soát môi trường nước từ xa, ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản”. Sản phẩm của đề tài đã giúp cho các doanh nghiệp nuôi trồng thủy sản nâng cao được khả năng quản lý, theo dõi và điều khiển từ xa hồ nuôi liên tục và chính xác, giúp giảm chi phí quản lý, nhân công, đảm bảo được chất lượng môi trường ao nuôi ổn định để từ đó tăng năng suất, sản lượng, tăng chất lượng con giống, hạn chế rủi ro trong quá trình sản xuất, góp phần phát triển kinh tế và xuất khẩu.

Ở các nước có ngành thủy sản tiên tiến, quy trình quản lý nguồn nước cho trại nuôi trồng thủy sản trên các nước có áp dụng rộng và rất thành công. Tại một số quốc gia như Thái Lan, Úc, các trang trại nuôi trồng thủy sản đều bắt buộc phải tuân theo những quy trình công nghệ về xử lý nguồn nước đầu vào và thải ra môi trường. Quy trình này khép kín và chủ động xử lý nguồn nước đầu vào các hồ nuôi cũng như quản lý được chất lượng nước thải ra môi trường. 

Tuy nhiên, tại Việt Nam, mặc dù ngành thủy sản giữ một vị trí rất quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế xã hội. Sản lượng nuôi trồng thủy sản năm 2011 đạt 3 triệu tấn, tăng bình quân 12,02%/năm so với năm 1990. Hàng thủy sản Việt Nam hiện có mặt 164 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới. Thủy sản luôn trong top đầu các mặt hàng xuất khẩu và luôn giữ vị trí top 10 nước xuất khẩu thủy sản hàng đầu. Theo quy hoạch tổng thể phát triển ngành thủy sản Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn 2030 của Viện kinh tế quy hoạch thủy sản cho thấy, năm 2010 cả nước có trên 1 triệu ha mặt nước nuôi trồng thủy sản, sản lượng nuôi trồng thủy sản của cả nước đạt 2,74 triệu tấn, tăng 286,3% so với năm 2001 nhưng ngành thủy sản của nước ta cũng đối mặt với hàng loạt các rào cản về kỹ thuật nuôi trồng, cạnh tranh gay gắt về chất lượng sản phẩm,... do hiện nay diện tích nuôi trồng bị khai thác đến mức tới hạn, ô nhiễm môi trường và dịch bệnh phát sinh, tổ chức quản lý còn nhiều khó khăn, lung túng, quy mô sản xuất cơ bản vẫn thủ công và lạc hậu. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước từ việc dùng các hoát chất trong trồng trọt đã ảnh hưởng lớn đến môi trường nguồn nước nuôi trồng thủy sản, môi trường thủy sinh và nguồn lợi thủy sản. Từ những thực trạng này cho thấy, ngoài chú trọng vào nâng cao kỹ thuật trình độ nuôi trồng, cần phải kiểm soát được tốt môi trường nước trong các hồ nuôi trồng thủy sản. Đây chính là vấn đề then chốt mà nhóm nghiên cứu hướng đến.

Mô hình trại nuôi cá ở Barcelona, Tây Ban Nha - Ảnh: gizmag.

Theo mục tiêu của đề tài đề ra, hệ thống kiểm soát môi trường từ xa đứng dụng trong nuôi trồng thủy sản sẽ tập trung vào các đối tượng kiểm soát là các chỉ tiêu pH, tiềm năng oxi hóa khử ORP của hồ nuôi trồng thủy sản quy mô nhỏ tới trung bình. 

Các yêu cầu kiểm soát môi trường nước từ xa cần phải đáp ứng như sau: Hệ thống theo dõi liên tục về các chỉ tiêu số độ pH, ORP, nhiệt độ môi trường. Hệ thống được kết nối với module truyền thống từ xa qua GSM để truyền thông tin các chỉ số và thiết bị của hồ nuôi, nhận lệnh điều kiện các thiết bị từ xa. Hệ thống điều khiển các thiết bị trong hồ nuôi như bơm, máy sục khí tạo Oxy, tạo dòng. Vận hành bằng tay hoặc tự động theo lịch trình. Quá trình theo các chỉ số và lịch trình hoạt động của hệ thống được lưu trữ. 

Thành phần và module chính của hệ thống gồm:

- Các thiết bị đo chỉ số môi trường nước: thiết bị đo pH, thiết bị đo ORP, đo nhiệt độ

- Bộ xử lý trung tâm: dựa vào yêu cầu của hệ thống, nhóm đề tài sẽ thiết kế và sản xuất bộ xử lý trung tâm với các chức năng như: Kết nối với các thiết bị đo pH, ORP để nhận dữ liệu; Kết nối module truyền thống từ xa qua GSM; Kết nối với tủ điện điều khiển các thiết bị; Xử lý và lưu trữ các thông tin đã nhận; Cho phép người dùng cài đặt các chế độ vận hành hệ thống bằng tay hay tự động. 

- Module truyền thông GSM: là một module ghép nối với bộ xử lý trung tâm giúp truyền thông từ xa đến các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, qua tin nhắn SMS có thể theo dõi, vận hành thống từ xa 24/7 mà không cần phải trực tiếp có mặt tại hồ nuôi. 

- Tủ điều khiển các thiết bị điện trong hồ nuôi: gồm động cơ máy bơm công suất 3kW; động cơ máy tạo oxy công suất 1.5kW; tủ điện của hệ thống bao gồm các thiết bị để vận hành các động cơ, thiết bị cung cấp nguồn cho bộ xử lý trung tâm.

Nguyên lý làm việc của hệ thống:

- Các thông số cần thiết của hồ nuôi như chỉ số pH, chỉ số ORP, nhiệt độ được các thiết bị đo thu thập và truyền dữ liệu đến bộ xử lý trung tâm qua tín hiệu tương tự.

- Bộ xử lý trung tâm sau khi nhận được các thông số pH, ORP, nhiệt độ từ các thiết bị đo sẽ lưu trữ, phân tích các số liệu và điều khiển các thiết bị khác theo chương trình tự động được cấu hình sẵn. Các dữ liệu này có thể được truyền đến điện thoại di động của người vận hành ở bất kỳ đâu và bất kỳ thời gian nào thông qua module truyền thông GSM được kết nối với bộ xử lý trung tâm. Qua đó người sử dụng có thể theo dõi cũng như điều khiển các thiết bị từ xa thông qua bộ xử lý trung tâm. 

- Người vận hành có thể thao tác trực tiếp tại hồ nuôi để vận hành các thiết bị điện thủ công thông qua tủ điện điều khiển hệ thống. 

Để xây dựng hệ thống này, nhóm đề tài chọn dùng thiết bị đo chỉ số pH là pH Hanna BL 931700; thiết bị đo chỉ số ORP và đầu đo chuyên dụng là của hãng Hanna- USA; Module truyền thông GSM là module SIM900 của SIMCOM với thiết kế cực kỳ nhỏ gọn, hoạt động ở 4 băng tần EGSM 900MHz. DCS 1800 MHz, chíp xử lý đơn nhân trên nền vi xử lý ARM926EJ-S; Bộ xử lý trung tâm được xử dụng là vi điều khiển PIC18F4550 của Microchip; Ic thời gian thực DS1307.

Để thực hiện việc giao tiếp giữa các hệ thống kiểm soát môi trường với máy tính, nhóm đề tài sử dụng giao thức truyền thông qua cổng USB 2.0 giữa máy tính và vi điều khiển PIC18F4550 và sử dụng phương thức HID (Human Interface Devices), đồng thời chọn tần số hoạt động cho CPU, USB hoạt động với xung nhịp là 48MHz. Trong giao thức USB, mỗi thiết bị được gán địa chỉ bằng hai thông số Vendor-id:0x1111 và Product-id:0x2222. Toàn bộ việc thiết kế phần cứng đáp ứng được yêu cầu theo datasheet của hãng Micrchip. Mỗi lần truyền nhận dữ liệu qua USB, thông qua tin gửi và nhận sẽ là mảng 8 byte. Mỗi gói dữ liệu truyền và nhận sẽ tính toán và kiểm tra thông tin có bị sai lệch thông qua module CRC check. 

Kết quả thử nghiệm hệ thống tại Doanh nghiệp Tư nhân Thủy sản Hoàng Diệu (Ninh Bình) thu được như sau:

- Hệ thống hoạt động ổn định 24/24h. Quá trình thu nhập các thông số của nhiệt độ, pH và ORP chính xác, sai lệch rất nhỏ. 

- Hệ thống lưu trữ số liệu hoạt động tốt, các dữ liệu được lưu trữ 1 phút/lần khi được thiết kế nối đến phần mềm máy tính. 

- Tin nhắn phản hồi về thông số môi trường, trạng thái thiết bị được gửi đúng giờ và chính xác theo thời gian đặt trước. 

- Đảm bảo các yếu tố bảo mật với chế độ chỉ gửi và nhận lệnh từ số điện thoại chủ. 

- Hệ thống từ xa hoạt động ổn định, tin nhắn đến và đi thông báo các thông số môi trường và trại thái thiết bị chính xác, không bỏ lỡ tin nhắn điều khiển nào.

- Chế độ đặt lịch trình hoạt động của thiết bị hoạt động tốt.

- Hệ thống tủ điện điều khiển trong hồ nuôi an toàn và chính xác, trạng thái hoạt động của thiết bị bằng đèn báo trên tủ điều khiển. đủ công suất để vận hành các thiết bị hoạt động đảm bảo, an toàn, chính xác cả ở chế độ vận hành bằng tay và tự động. Các nút bấm, đèn báo hoạt động tốt.

Như vậy, hệ thống nay của nhóm nghiên cứu KS. Lê Đức Duy Khánh đã đáp ứng được các yêu cầu thực tế của Doanh nghiệp nuôi trồng thủy sản Hoàng Diệu. Kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho sự phát triển kinh tế đất nước nói chung và ngành thủy hải sản nói riêng, đồng thời tạo ra được các sản phẩm có chất lượng cao, hạn chế ô nhiễm môi trường, dịch bệnh, đảm bảo sản phẩm sạch phục vụ xuất khẩu.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 11079) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

Nguồn: vista.gov.vn