Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống nuôi tôm bán tự động

Trọn bộ đồ án thiết kế và thi công mô hình nuôi tôm bán tự động. Gồm sơ đồ nguyên lý, code, kết quả thử nghiệm và đánh giá chi tiết.

• Tác giả: Đặng Văn Thưởng
• Người hướng dẫn: Ts. Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống nuôi tôm bán tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Thiết Kế Mô Hình Nuôi Tôm Bán Tự Động

Đồ án thiết kế mô hình nuôi tôm bán tự động là một dự án tốt nghiệp kỹ thuật điện tử tiên tiến, được phát triển tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Dự án này kết hợp công nghệ hiện đại và tự động hóa để tối ưu hóa quá trình nuôi tôm, giảm thiểu can thiệp thủ công. Mô hình nuôi tôm bán tự động sử dụng các cảm biến thông minh để giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ pH, và độ đục của nước. Hệ thống này được điều khiển bởi bộ vi xử lý ESP32, cho phép người nông dân theo dõi tình trạng ao nuôi từ xa qua ứng dụng di động. Công nghệ này không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm chi phí vận hành, tạo ra một giải pháp bền vững cho ngành nuôi trồng thủy sản.

1.1. Mục Tiêu Của Đồ Án

Mục tiêu chính là thiết kế và thi công mô hình nuôi tôm bán tự động có khả năng giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường sống của tôm. Dự án nhằm phát triển một hệ thống quản lý thông minh giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí nhân công, và bảo vệ tài nguyên nước. Ngoài ra, đồ án còn tạo ra một nền tảng kiến thức cho việc ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp.

1.2. Tính Ứng Dụng Thực Tế

Mô hình nuôi tôm bán tự động có thể được ứng dụng rộng rãi trong các trang trại nuôi tôm thương mại. Hệ thống giúp nông dân quản lý môi trường sống hiệu quả hơn, từ đó cải thiện chất lượng tôm và tăng tỷ lệ sinh sống. Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các vùng nông thôn, giúp hiện đại hóa ngành nuôi trồng mà không cần đầu tư quá lớn.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Quy Trình Nuôi Tôm

Quy trình nuôi tôm bán tự động được xây dựng dựa trên những nguyên lý khoa học về sinh học tôm và kỹ thuật nông nghiệp hiện đại. Tôm là sinh vật nhạy cảm với điều kiện môi trường, đặc biệt là nhiệt độ nước, độ pH, và độ đục. Đặc tính sinh trưởng của tôm yêu cầu điều kiện nước sạch, ôxy đủ, và nhiệt độ ổn định trong khoảng 28-30°C. Để đạt được những điều kiện này, mô hình nuôi tôm bán tự động được trang bị các cảm biến thông minh và hệ thống điều khiển tự động. Qua đó, các thông số nước được giám sát liên tục, và các thiết bị điều chỉnh sẽ tự động hoạt động khi cần thiết, tạo ra một môi trường nuôi tối ưu cho tôm.

2.1. Đặc Tính Sinh Trưởng Của Tôm

Tôm phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 28-30°C, độ pH 7,5-8,5, và độ mặn thích hợp. Sinh trưởng của tôm phụ thuộc vào chất lượng nước, lượng ôxy hòa tan, và hàm lượng các chất dinh dưỡng. Mô hình nuôi tôm bán tự động cần đảm bảo các yếu tố này bằng cách sử dụng các thiết bị hỗ trợ như quạt tự động, bơm nước, và hệ thống lọc nước.

2.2. Mô Tả Quy Trình Giám Sát Ao Nuôi

Quy trình giám sát trong mô hình nuôi tôm bán tự động được thực hiện liên tục bằng các cảm biến kết nối với bộ vi xử lý. Dữ liệu được ghi lại, phân tích, và người nông dân có thể theo dõi từ xa thông qua ứng dụng di động. Khi phát hiện bất thường, hệ thống sẽ cảnh báo và tự động điều chỉnh các thiết bị để khôi phục điều kiện tối ưu.

III. Thiết Kế Và Tính Toán Hệ Thống

Thiết kế hệ thống nuôi tôm bán tự động được chia thành nhiều khối chức năng chính: khối điều khiển (ESP32), khối cảm biến, khối hiển thị (LCD 20×4), và khối chấp hành. Sơ đồ khối hệ thống cho thấy cách các thành phần tương tác với nhau để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh. Khối cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm biến độ pH, và cảm biến độ đục, mỗi cảm biến có chức năng cụ thể để đo lường các thông số môi trường. Module giảm áp DC-DC LM2596 được sử dụng để cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị. ESP32-CAM được tích hợp để cung cấp khả năng theo dõi hình ảnh từ xa. Khối chấp hành bao gồm các động cơ servo, bơm mini, và motor nhu động để điều khiển hoạt động của hệ thống.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Các Thành Phần Chính

Sơ đồ khối hệ thống thể hiện cách các thành phần được kết nối với nhau. Khối ESP32 là trái tim của hệ thống, nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị chấp hành. LCD 20×4 hiển thị các thông số nước real-time. Module L298 kiểm soát tốc độ và hướng quay của các motor. Cảm biến DS18B20 đo nhiệt độ với độ chính xác cao, còn cảm biến pH và cảm biến độ đục cung cấp thông tin về chất lượng nước.

3.2. Tính Toán Và Thiết Kế Mạch Điều Khiển

Mạch điều khiển được thiết kế để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và đưa ra lệnh điều khiển cho các thiết bị. Điện áp cung cấp cho hệ thống là 12V, được giảm xuống 5V cho ESP32 bằng module LM2596. Tính toán đảm bảo rằng tất cả các thành phần nhận được điện áp phù hợp. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch điều khiển được vẽ chi tiết, giúp dễ dàng thi công và sửa chữa.

IV. Thi Công Kết Quả Và Hướng Phát Triển

Thi công hệ thống nuôi tôm bán tự động bao gồm việc lắp ráp các linh kiện điện tử, ti焊接các đường dây, và kiểm tra chức năng từng phần. Bảng điều khiển được thiết kế với giao diện thân thiện, dễ sử dụng cho người nông dân. Toàn bộ hệ thống được đặt trong một vỏ chống nước để bảo vệ khỏi môi trường ẩm ướt. Kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình nuôi tôm bán tự động hoạt động ổn định, có khả năng tự động điều chỉnh các thông số nước theo mục tiêu đặt sẵn. Ứng dụng di động được phát triển cho phép người dùng theo dõi từ xa và nhận cảnh báo khi có vấn đề. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp AI để dự đoán bệnh tôm, kết nối với các nông dân khác trong một mạng lưới chia sẻ dữ liệu, và mở rộng hệ thống để quản lý nhiều ao nuôi cùng lúc.

4.1. Kết Quả Đạt Được Và Thử Nghiệm

Hệ thống hoàn chỉnh đã được thi công và thử nghiệm thành công. Các cảm biến hoạt động chính xác, cung cấp dữ liệu đáng tin cậy. Ứng dụng di động cho phép theo dõi từ xa một cách hiệu quả. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể duy trì các thông số nước trong khoảng mục tiêu với độ sai lệch nhỏ, giúp tôm phát triển tốt hơn và tăng tỷ lệ sống.

4.2. Nhận Xét Đánh Giá Và Hướng Phát Triển

Mô hình nuôi tôm bán tự động này là một bước tiến lớn trong ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp. Tuy nhiên, có thể cải thiện bằng cách tích hợp cảm biến ôxy hòa tan, camera AI để phát hiện bệnh, và kết nối blockchain để theo dõi sự xác thực của sản phẩm. Hướng phát triển sẽ hướng tới một hệ thống hoàn toàn tự động, giảm thiểu can thiệp con người.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống.

Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình. Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét, Đánh Gía.

Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về những phần làm được và chưa làm được của hệ thống, đồng thời đưa ra hướng phát triển cho hệ thống. 3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương 2.1 QUY TRÌNH NUÔI TÔM 2.1 Đặc tính sinh trưởng của tôm a. Ảnh hưởng của độ PH đến sự phát triển của tôm Nồng độ pH ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của thủy sinh vật.

Nồng độ quá cao hay qua thấp đều ảnh hướng bất lợi đến tôm. Tất cả các loài tôm phổ biến thích nghi ở nồng độ pH = 7. Tôm sẽ chết rất nhanh khi độ pH giảm xuống dưới 6 hoặc tăng lên trên 9,5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của tôm Nhiệt độ là yếu tố môi trường quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của thủy sinh vật.

Tất cả các loài thủy sản đều có ngưỡng nhiệt độ thích hợp riêng. Ở nhiệt độ thích hợp thì tôm sẽ phát triển nhanh, tăng cường độ bắt mồi, quá trình trao đỗi chất. Nhiệt độ ngày đêm biến động phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường và thời tiết. Nhiệt độ thích hợp cho tôm khoảng từ 25- 32℃, tôm phát triển nhanh nhất ở nhiệt độ 27℃.

Nhiệt độ thay đổi đột ngột từ 7-10℃, có thể làm tôm chết nhanh. Nhiệt độ của nước ao nuôi thường phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, nhưng mức độ thay đổi chậm hơn nhiệt độ không khí. Vì vậy, ở các ao nuôi tôm, để hạn chế ảnh hưởng xấu của nhiệt độ nước đến tôm người ta thường sử dụng ao đảm bảo độ sâu mực nước đạt 1,2 – 2m để nuôi. Ảnh hưởng của độ đục đến sự phát triển của tôm Nguyên nhân gây ra độ đục là do các chất lơ lửng, các chất keo vô cơ và hữu cơ, thực vật phù du.

Độ đục quá cao ( độ trong thấp: <20cm) làm cường độ ảnh sáng giảm ảnh hướng đến quang hợp của thực vật và tác động bất lợi cho hệ sinh vật dưới nước. Riêng ở tôm nuôi, độ đục cao có thể gây ra chênh lệch nhiệt độ và phân tầng nồng độ oxy trong ao nuôi, ảnh hướng đến sự phát triển của tôm. Ngược lại nếu độ trong cao (>60cm), ao nghèo dinh dưỡng, tôm trở nên nhạy cảm, sợ và bỏ ăn, sinh vật phù du kém phát triển sẽ hạn chế thức ăn tự nhiên của tôm, làm giảm năng suất ao nuôi. Độ đục thích hợp nhất với ao nuôi tôm là từ 30- 45 cm.

4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ d. Một số ảnh hưởng khác Ngoài ra, một số yếu tố khác như độ mặn, nồng độ oxy trong nước cũng ảnh hưởng phần nào đến sự phát triển của tôm.2 Mô tả quy trình giám sát ao nuôi Thông thường một ao nuôi tôm có diện tích từ 1000m2 đến 2000m2 và độ sâu từ 1. Mật độ nuôi từ 120- 300con/m2.

Một vụ tôm thông thường kéo dài từ 2 đến 3 tháng. Trong hồ có mô tơ gắn khoảng 5 đến 10 cánh quạt. Có máy cho ăn, mô-tơ kéo máng ăn. Có 3 cách chính để điều chỉnh nồng độ pH ở ao nuôi thủ công là: đánh vôi, đánh đường, xả nước,.

Áp dụng quy trình giám sát tự động với các giá trị được cài trước:  Nhiệt độ trên- dưới, đảm bảo biên độ nhiệt độ cho tôm phát triển tốt.  Độ pH trên - độ pH dưới, đảm bảo điều kiện sống tốt cho tôm phát triển.  Độ đục trên và độ đục dưới đảm bảo sự thông thoáng, đầy đủ chất dinh dưỡng cho tôm. Người nuôi tôm có thể theo dõi các chỉ số ao nuôi, điều khiển các thiết bị ao nuôi trực tiếp qua điện thoại.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Cảm biến nhiệt Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến có thể đo nhiệt này như LM35, DS18B20, DHT11, DHT22….Cảm biến DS18B20: Là cảm biến dây mềm sử dụng một dây để truyền nhận dữ liệu, có thể chống nước, chống ẩm.

Sơ đồ chân của DS18B20 loại dây : chân 1: nối GND, chân 2: chân tín hiệu, chân 3: nối VCC như hình sau:[3] Hình 2- 1: Cảm biến DS18B20. 5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Thông số kỹ thuật:  Điện áp sử dụng: 3~5.5VDC  Dòng tiêu thụ: 1~1.5mA  Chuẩn giao tiếp: Digital TTL 1-Wire  Khoảng nhiệt độ đo được: -55~125°C  Độ chính xác (sai số): ±0.5°C  Độ phân giải: 9~12 bit (có thể thiết đặt)  Thời gian phản hồi < 750ms  Thiết kế dạng dây chống nước dài 1m với vỏ thép bảo vệ chắc chắn. Để có thể giao tiếp với DS18B20 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:  Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DS18B20, sau đó DS18B20 xác nhận lại.

 Khi đã giao tiếp được với DS18B20, Cảm biến sẽ gửi dữ liệu và nhiệt độ đo được.2 Cảm biến pH Với cảm biến đo pH ta có thể đo được chỉ số pH của nước, có thể ứng dụng được trong: giám sát chất lượng nước sinh hoạt, trong nuôi trồng thủy hải sản, mô hình thí nghiệm. Module cảm biến gồm 2 thành phần:  Đầu dò: đầu đo của đầu dò được cắm vào nước để phát hiện giá trị -logarite của ion H+ trong nước. Điều này cho ta biết nồng độ hoạt động của các ion hydro trong một dung dịch. pH = -log [+ H] và [H +] = 10-pH.

Do đó, độ pH 7 là tương đương với một hoạt độ ion hydro của 10-7 M (mol). Vì nước phân ly thành ion hydro (H +) và ion hydroxit (OH-) trong dung dịch, phản ứng cân bằng sau đây sẽ được sử dụng để mô tả pH: H2O = H + + OH-. Hầu hết các giá trị pH nằm trong khoảng 0-14. Dung dịch với một hoạt độ ion hydro cao hơn so với nước (khi giá trị pH < 7) có tính axit; các dung dịch với một hoạt độ ion hydro thấp hơn nước (giá trị pH > 7) có tính kiềm.

6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 2- 2: Điện cực đo pH.  Module chuyển đổi: Được sử dụng nhằm chuyển đổi giá trị đo được từ đầu dò điện cực ph sang giá trị analog. Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm bốn IC so sánh LM358, hai biến trở, 2 tụ dán.

Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ pH đọc về từ cảm biến. Thực chất, đây được xem là một bộ khuếch đại tín hiệu. Hình 2- 3: Module chuyển giá trị pH. Bảng 2- 1: Sơ đồ chân của cảm biến pH.

Thứ tự Tên Chức năng 1 - Gnd 2 + Vcc = 5V 3 A Analog Output 7 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 5V  Dòng điện 5-10mA  Dải đo chỉ số pH: 0 – 14  Dữ liệu đầu ra: Analog  Nhiệt độ làm việc: 0℃– 60℃  Độ chính xác: +-0.1 tại 25℃  Thời gian đáp ứng: <= 1 phút  Sử dụng điện cực công nghiệp với kết nối chuẩn BNC.  Tích hợp led chỉ thị nguồn.  Kết nối đầu ra PH2.

 Kích thước: 43mm * 32mm. Nguyên lý hoạt động: Một điện thế cỡ mV được sinh ra giữa tiết diện của đầu thủy tinh pH với dung dịch lỏng bên ngoài. Độ lớn của điện thế này phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Mức điện thế khác nhau tạo ra bởi lớp bên ngoài và lớp thủy hợp bên trong điện cực có thể đo bằng điện cực bạc/bạc cloride.

Dung dịch bên trong điện cực thủy tinh có giá trị pH không thay đổi, cho nên điện thế thay đổi chỉ khi giá trị pH của dung dịch bên ngoài thay đổi.3 Cảm biến độ đục Cảm biến này kiểm tra chất lượng nước bằng cách đo độ đục. Nó có thể phát hiện các hạt lơ lửng trong nước bằng cách đo độ truyền và tỉ lệ tán xạ ánh sáng thay đổi với tổng lượng chất rắn lơ lửng trong nước. Khi tổng lượng chất rắn tăng lên, độ đục của chất lỏng tăng lên. Như các cảm biến khác, cảm biến này có đầu ra tín hiệu analog và tín hiệu số.

Cảm biến đo độ đục chất lỏng được ứng dụng trong các bài toán như: Đo chất lượng nước ở sông, suối, hay trong các đường ống nước, đo chất lượng nước thải, dùng trong nghiên cứu, thí nghiệm. Mạch cảm biến gồm 2 bộ phận chính:  Bộ phận cảm biến độ đục được thả chìm một phần trong nước. 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn.

Hình 2- 4: Cảm biến độ đục. Bảng 2- 2: Sơ đồ chân của cảm biến độ đục. Thứ tự Tên Chức năng 1 - Gnd 2 + Vcc = 5V 3 A Analog Output Thông số kỹ thuật:  Đầu vào : 3,3-5V  Dải đo độ đục: 0-1000NTU  Analog out: 0-4,5V  Dòng hoạt động tối đa: 40mA  Độ chính xác: 0,1PH(25 ℃)  Tốc độ phản ứng: <1 phút  Khoảng nhiệt độ đo: 0-60 ℃  Khoảng đo PH : 0-14PH  Cân nặng: 30g Nguyên lý hoạt động: Cảm biến đo độ đục biểu thị hàm lượng chất rắn lơ lửng có trong nước. Các chất rắn này tương tác với ánh sáng gây ra độ đục sau đó phân tán lại ánh sáng tuỳ vào từng kích thước, hình dạng và thành phần của chất rắn, dựa vào 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 3.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ nguyên lý này mà cảm biến đo độ đục có thể phản ánh lại sự thay đổi kích thước, hình dạng và nồng độ của chất rắn lơ lửng này bằng một số liệu cụ thể tỷ lệ với độ đục của nước tương đương: NTU 500: 3. Do vậy, đo bằng ánh sáng tán xạ chính là nguyên lý của cảm biến đo độ đục. Giới thiệu Node MCU-32S(version 30 pin).