Luận văn thạc sĩ: Hệ thống giám sát online thông số nước nuôi trồng thủy sản

Tài liệu luận văn thạc sĩ về hệ thống giám sát online các thông số nước trong nuôi trồng thủy sản, ứng dụng công nghệ IoT để đảm bảo môi trường tối ưu.

• Tác giả: Phan Thành Nam
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thái Việt
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Giám Sát Online Và Đảm Bảo Thông Số Nước Nuôi Trồng Thủy Sản
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ thống Giám sát Nước Nuôi trồng Thủy sản

Hệ thống giám sát nước nuôi trồng thủy sản là giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm giải quyết bài toán xây dựng và lựa chọn các giải pháp phù hợp để triển khai hệ thống giám sát và điều khiển từ xa thiết bị tại môi trường nuôi trồng thủy sản. Đề tài luận văn này được phát triển tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, dưới sự hướng dẫn của T.S. Đặng Thái Việt. Hệ thống được thiết kế với các tiêu chí đáp ứng thời gian tốt, sử dụng hiệu quả tài nguyên phần cứng, đảm bảo tính tin cậy và giá thành thấp. Nội dung chính tập trung vào giám sát thông số môi trường nước như nhiệt độ, pH, độ đục và điều khiển từ xa qua internet, giúp nông dân quản lý hiệu quả các trạm nuôi trồng thủy sản của mình.

1.1. Khái niệm Internet vạn vật IoT trong Nuôi trồng Thủy sản

Internet vạn vật (IoT) là công nghệ kết nối các thiết bị, cảm biến thông qua mạng internet để thu thập và xử lý dữ liệu tự động. Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, IoT cho phép giám sát thông số nước liên tục 24/7 mà không cần can thiệp thủ công. Các cảm biến IoT có thể đo đạc các thông số quan trọng như nhiệt độ, pH, độ mặn, oxy hòa tan một cách chính xác. Ứng dụng công nghệ IoT giúp tăng hiệu suất sản xuất, giảm chi phí vận hành và bảo vệ sức khỏe thủy sản.

1.2. Các vấn đề cấp thiết trong Quan trắc Môi trường Thủy sản

Quan trắc môi trường thủy sản đối mặt với nhiều thách thức như thiếu công nghệ hiện đại, chi phí cao và khó khăn trong kiểm soát chất lượng nước. Các thông số nước không được giám sát đúng cách dẫn đến tình trạng cá, tôm bị chết hàng loạt. Hệ thống giám sát online là giải pháp cấp thiết để đảm bảo chất lượng nước, phát hiện sớm các vấn đề và điều khiển thiết bị từ xa kịp thời.

II. Mô hình Mạng Truyền thông và Giao thức MQTT Zigbee

Mô hình mạng trong hệ thống giám sát được xây dựng dựa trên kiến trúc Master-Slave với cụm trung tâm Master và các trạm đo Slave. Hệ thống sử dụng hai giao thức truyền thông chính là MQTT và Zigbee để đảm bảo truyền nhận dữ liệu tin cậy và hiệu quả. Giao thức MQTT là một giao thức nhẹ, phù hợp cho các ứng dụng IoT, cho phép truyền nhận bản tin với độ trễ thấp. Giao thức Zigbee hỗ trợ truyền thông không dây với tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các trạm đo từ xa. Cấu trúc mạng này cho phép giám sát đa điểm và điều khiển tập trung hiệu quả.

2.1. Giao thức MQTT trong Hệ thống Giám sát

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thông publish-subscribe được thiết kế riêng cho IoT. Quy trình truyền nhận dữ liệu trong MQTT bao gồm các bước: các cảm biến thu thập dữ liệu và phát hành (publish) lên broker MQTT, sau đó các ứng dụng client có thể đăng ký (subscribe) để nhận thông tin. Giao thức MQTT tiết kiệm tài nguyên mạng, cho phép truyền dữ liệu từ xa qua internet một cách an toàn và đáng tin cậy.

2.2. Giao thức Zigbee và Ứng dụng trong Hệ thống

Zigbee là giao thức truyền thông không dây được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4. Mô hình giao thức Zigbee cho phép các thiết bị Zigbee tạo thành một mạng lưới (mesh) tự động tìm đường truyền. Module Zigbee CC2531 được sử dụng làm Gateway Zigbee kết nối giữa các trạm đo từ xa và trung tâm điều khiển. Ưu điểm của Zigbee là tiêu thụ năng lượng thấp, phạm vi truyền xa và khả năng tự chữa lành mạng.

III. Thiết kế và Thí công Hệ thống Xử lý Tín hiệu Cảm biến

Thiết kế hệ thống giám sát bao gồm các khối chính: khối xử lý trung tâm (Arduino UNO và Raspberry Pi), khối giao tiếp internet (Node MCU ESP8266), khối giao tiếp trung gian (Module Zigbee CC2531) và khối cảm biến. Sơ đồ nguyên lý hệ thống được thiết kế để thu thập các thông số nước như nhiệt độ, pH, độ đục một cách liên tục. Xử lý tín hiệu cảm biến liên quan đến việc chuyển đổi tín hiệu analog thành dữ liệu số để xử lý. Khối điều khiển qua rơ-le cho phép điều khiển từ xa các thiết bị như máy bơm, quạt hồi khí. Công cụ lập trình chính là Arduino IDE, Raspbian Linux, Docker và MQTT protocol.

3.1. Cấu trúc Phần cứng Hệ thống

Phần cứng hệ thống bao gồm cảm biến tín hiệu (cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm biến pH, cảm biến độ đục), bo mạch chủ (Arduino UNO, Raspberry Pi), module giao tiếp (Node MCU ESP8266, Module Zigbee CC2531). Khối cảm biến được lựa chọn dựa trên tiêu chí độ chính xác cao, ổn định và giá thành hợp lý. Phần cứng được thiết kế theo sơ đồ nguyên lý cụ thể để đảm bảo hoạt động đúng với mục đích.

3.2. Giao diện Web Quản lý và Ứng dụng Thực tế

Giao diện web quản lý được xây dựng để hiển thị thông số nước theo thời gian thực và cho phép điều khiển thiết bị từ xa. Website quản trắc sử dụng các công nghệ web hiện đại để tạo giao diện thân thiện, dễ sử dụng. Thiết kế website tập trung vào khả năng truy cập từ nhiều thiết bị (máy tính, điện thoại) và hiển thị dữ liệu trực quan bằng biểu đồ, bảng số. Giao diện quản lý web thực tế giúp nông dân dễ dàng theo dõi tình trạng các trạm nuôi trồng.

IV. Kết quả Thực nghiệm và Hướng Phát triển Hệ thống

Kết quả luận văn cho thấy hệ thống về cơ bản hoạt động đúng với mục đích đề ra, phù hợp các yêu cầu ban đầu về giám sát thông số nước và điều khiển từ xa. Thí nghiệm truyền nhận dữ liệu cho kết quả dương tính, cho phép đánh giá sơ bộ tính ổn định của hệ thống. Hệ thống mỏ phỏng được hoàn thiện từ khâu giám sát thông số trực tuyến đến khâu điều khiển từng trạm đo. Luận văn được tổ chức thành 4 chương chính, bao gồm Chương 1 về Internet vạn vật, Chương 2 về giao thức truyền thông, Chương 3 về thiết kế và thí công hệ thống, và Chương 4 về kết quả thực nghiệm. Phương án cải tiến được đề xuất để phát triển thêm hệ thống trong tương lai.

4.1. Kết quả Đạt được từ Luận văn

Hệ thống giám sát hoàn thiện có khả năng theo dõi thông số nước liên tục 24/7 với độ chính xác cao. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống phát hiện được các anomaly trong dữ liệu cảm biến và cảnh báo kịp thời. Khả năng điều khiển từ xa đã được kiểm chứng, cho phép bật/tắt các thiết bị qua giao diện web. Hệ thống tin cậy và giá thành thấp so với các giải pháp tương tự trên thị trường.

4.2. Hướng Phát triển và Nâng cấp Hệ thống

Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp AI để dự báo chất lượng nước một cách chính xác hơn. Nâng cấp hệ thống có thể bao gồm thêm các cảm biến khác (oxy hòa tan, độ mặn) và mở rộng phạm vi giám sát. Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng để hệ thống hoạt động bền vững hơn. Phát triển ứng dụng mobile để nông dân có thể theo dõi từ bất kỳ đâu một cách tiện lợi hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về Internet vạn vật và các vận dễ cấp thiết về quan trắc môi trường thủy sản Chương 2: Mô hình mạng, truyền thông và giao thức MQTT, Zgbee Chương 3: Thiết kẻ vả thí công hệ thống, xử lý tín hiệu cảm biển. Chương 4: Kết quả thực nghiệm và hướng phát triển đề tải Luan văn có tham khão các nguồn tài liệu từ các bài báo, tạp chí khoa học, công trình nghiên cứu được publie, cơ sở luận vẫn tại các trường đại học và sẽ được trình bảy chỉ tiết trong muc tai liệu tham khảo trong luận vẫn này. Từ đã cố gắng hoàn thanh để tài với cường độ làm việc cao, kỹ lưỡng cùng sự hướng đẫn rất cụ thế, nhiệt tình của thây hướng đẫn nhưng đo hiển biết côn bạn chế nêu chắc chắn luận van nay không trinh khỏi được khả năng thiết sói. Vì vậy, tác giả rất mong nhận dược sự góp ý của hội dệng, quý thầy cô đẻ tác giả rút ra kinh nghiệm vả bổ sung thêm kiến thức cho bán thân.

Cuỗi cùng tác giá xi 6 chân thành cảm on sy quan tâm, chỉ báo của các thấy cô trong bộ môn Cơ Điện. 'Tứ trường, Dại học lách khoa 11a Néi và đặc biệt sợ hướng din tan tinh của 1S. Dặng Thái Việt đã giúp tác giả hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày.

năm 2020 Học viên thực hiện MUC LUC CHUGONG 1. Thternet van val.— Cude cach mang eéng nghé 13 1. Etlernet vạn vật (ToT) là gì2. Khả năng định danh độc nhất 14 1.

Xu hướng va inh chit ofa ToT 15 1.4, Lam thế nào để TaT hoại động2.5 Ứng dụngcia ToT - 17 1.6 Những tác nhân ngăn cân sự phát triển của IoT. Cuộc cách mạng nông nghiệp 4.2 Tính cấp thiết của việc quan trắc nuôi trồng thủy sản 1. Sự cần thiết phải có hệ thông quan trắc mỗi trường nuôi trồng thủy. Kinh nghiệm quan trắc mỗi trường nuồi trồng thủy sản của một số gia trên thê giới 23 1.

Hiện trạng quan trắp muôi trường nuôi trồng thủy sẵn ở Việt Nam. Tĩnh cấp thiết của hệ thống quan trắc TóT trong nuôi trồng thủy sẵn 25 1. Kết luận chương1 - 36 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH MẠNG VÀ GIAO THỨC KÉT NÓI.

Mô hình TCP/TP. Giao thức MQTTT. cà HH" HH0.1, Các khái niệm cơ bần. Mô hình giao thức MQTTT.

- - - 30 LOIMO DAU ‘Trong nhimg nim qua, nuéi tréng thuy san Viét Nam d& cé bude phát triển. mạnh mẽ, thu được những thành tựu to lớn, góp phân xóa đói giảm nghèo, tạo thu. nhập và việc làm cho một bộ phận lao động không nhỏ, đóng góp tích cực cho kinh tế nông nghiệp nói riêng và kinh tế đất nước nói chung, Tiên cạnh những thánh tựu quan trọng, mudi trồng lhủy sân nước (2 cng đang phải đổi mặt với một số vẫn để tên tại về mỗi trường và địch bệnh. TIiện nay địch.

bệnh thủy sẵn và môi trường nuôi thủy sản đang bị suy thoái và có chiêu hướng gia tăng, khó kiếm soát. Vì thế lượng kháng sinh được sử dụng lên các đổi tượng thuỷ sản nuôi gia tăng và làm giảm chất hượng tôm, cá đủ tiêu chuẩn xuất khâu. trên mỗi vụ nuôi. Những vẫn đề trên đây cho thấy việc tăng cường quán ly để kiểm soát môi trường vá dịch bệnh là rất cấp bách.

Công tác quan lắc môi trường mước còn giúp người nuôi chủ động trong công tác quản lý chất lượng nước trong so nuôi và phòng ngừa địch bệnh có hiệu quả. Do vậy quan trắc môi trường trong nuôi trắng thủy sẵn đóng vai trò cực kỳ quan trong dé nuôi trồng thấy sâu liệu quả. giảm thiểu nguy cơ dịch bệnh, đầm báo sự phát triển bên vững, Từ những thực tế đỏ, dễ giải quyết bài loàn đẳng thời hoàn thiên ý tưởng về một hệ thông giảm sát thông mỉnh trong nuôi trắng thủy sản, thây hướng dẫn đã định hướng và giao nhiệm vụ nghiên cứu để tải: “Hệ thing giám sát online và đảm bảo thông số nước nuôi trằng thủy sản" Mục dịch của luận văn tập trung nghiên cửu, tim hiểu vẻ các phương pháp trong giỗi quyết các phép đo đạt các thông số trơng mỗi trường nước, oắc giao thức truyền thông có thể ứng dung trong hệ thẳng đo gồm nhiều trạm đo, đồng ti 2. Câu trủc MQTT,.

Các gồi tín quan trọng của giao thúc MQTT 2.5 Quy trình truyền nhận đữ liệu trong MQTT 34 2. Giao thite Zigbee 36 2. Cée khai nigm co bin. Mô hình giao thức Zigbee.

Câu truc của Zigbec. Kết luận chương 2. THIFT KE VA THI CONG HE THONG, XU LY TIN ATET CẢM BIẾN. Xây dựng sơ đỏ hệ thống.

Sơ đỗ nguyên lý và tổng quan chức năng các khối mạch trong hệ thống. Khải xứ lý trung tâm cho 2 cụm con Arduino UNO 3. Khổi giao tiếp Internet Node MCU HSP82t ÔÓ. Khối giao tiếp trung gian Module Zigbee CC2531.

Khối điều khiển qua rơ le. Khối cảm biến SO 3.3, Hệ thông giao điện Web quân lý. Tổng quan yẻ websif. Thiết kế website là gÌ?.

Thiết kế wcbsitc cho hệ thông quan trắc. Giao điện quân lý web thực tế 63 3. Tẳng quan về cân biến 3. Carn biển là gì LOIMO DAU ‘Trong nhimg nim qua, nuéi tréng thuy san Viét Nam d& cé bude phát triển.

mạnh mẽ, thu được những thành tựu to lớn, góp phân xóa đói giảm nghèo, tạo thu. nhập và việc làm cho một bộ phận lao động không nhỏ, đóng góp tích cực cho kinh tế nông nghiệp nói riêng và kinh tế đất nước nói chung, Tiên cạnh những thánh tựu quan trọng, mudi trồng lhủy sân nước (2 cng đang phải đổi mặt với một số vẫn để tên tại về mỗi trường và địch bệnh. TIiện nay địch. bệnh thủy sẵn và môi trường nuôi thủy sản đang bị suy thoái và có chiêu hướng gia tăng, khó kiếm soát.

Vì thế lượng kháng sinh được sử dụng lên các đổi tượng thuỷ sản nuôi gia tăng và làm giảm chất hượng tôm, cá đủ tiêu chuẩn xuất khâu. trên mỗi vụ nuôi. Những vẫn đề trên đây cho thấy việc tăng cường quán ly để kiểm soát môi trường vá dịch bệnh là rất cấp bách. Công tác quan lắc môi trường mước còn giúp người nuôi chủ động trong công tác quản lý chất lượng nước trong so nuôi và phòng ngừa địch bệnh có hiệu quả.

Do vậy quan trắc môi trường trong nuôi trắng thủy sẵn đóng vai trò cực kỳ quan trong dé nuôi trồng thấy sâu liệu quả. giảm thiểu nguy cơ dịch bệnh, đầm báo sự phát triển bên vững, Từ những thực tế đỏ, dễ giải quyết bài loàn đẳng thời hoàn thiên ý tưởng về một hệ thông giảm sát thông mỉnh trong nuôi trắng thủy sản, thây hướng dẫn đã định hướng và giao nhiệm vụ nghiên cứu để tải: “Hệ thing giám sát online và đảm bảo thông số nước nuôi trằng thủy sản" Mục dịch của luận văn tập trung nghiên cửu, tim hiểu vẻ các phương pháp trong giỗi quyết các phép đo đạt các thông số trơng mỗi trường nước, oắc giao thức truyền thông có thể ứng dung trong hệ thẳng đo gồm nhiều trạm đo, đồng ti thời lên phương, án hệ thống mỏ phỏng hoàn thiện từ khâu giảm sát thông số trực tuyển đến khâu điều khiển từng trạm đo. Các bước tiễn hành: - __Thu thập các tài liệu liên quan đến để tải, hoặc tương đương với đề tài -_ Lên phương án thiết kế mạch cho hệ thống, - Sir dung code lập trình để thực thi các thuật toán mong muốn và nạp vào arduino va raspberry pi -_ Nghiên cứu cách thu và chuyển đối dir ligu analog cho cảm biển to, pH, Do, - Tìm hiểu về giao thức MQTT và cách thức truyền, nhận bản tin với MQTT - Tìm hiểu về giao thức truyền nhận qua Zigbee giữa Galeway 7ighec và Router Zigbee - Chay thir nghiém truyén, nhin diéu khién theo dimg so dé co ban dé ra -_ Xây dưng gian điện truyền, nhận để đánh giá sơ bộ kết quả -_ Để xuất phương án cải tiến, phát triển thêm cho hệ thống Luận văn được tổ chức thành 4 chương với các nội đung cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về Internet vạn vật và các vận dễ cấp thiết về quan trắc môi trường thủy sản Chương 2: Mô hình mạng, truyền thông và giao thức MQTT, Zgbee Chương 3: Thiết kẻ vả thí công hệ thống, xử lý tín hiệu cảm biển. Chương 4: Kết quả thực nghiệm và hướng phát triển đề tải Luan văn có tham khão các nguồn tài liệu từ các bài báo, tạp chí khoa học, công trình nghiên cứu được publie, cơ sở luận vẫn tại các trường đại học và sẽ được trình bảy chỉ tiết trong muc tai liệu tham khảo trong luận vẫn này.

Từ đã cố gắng hoàn thanh để tài với cường độ làm việc cao, kỹ lưỡng cùng sự hướng đẫn rất cụ thế, nhiệt tình của thây hướng đẫn nhưng đo hiển biết côn bạn chế nêu chắc chắn luận van nay không trinh khỏi được khả năng thiết sói. Vì vậy, tác giả rất mong nhận dược sự góp ý của hội dệng, quý thầy cô đẻ tác giả rút ra kinh nghiệm vả bổ sung thêm kiến thức cho bán thân. Cuỗi cùng tác giá xi 6 2. Câu trủc MQTT,.

Các gồi tín quan trọng của giao thúc MQTT 2.5 Quy trình truyền nhận đữ liệu trong MQTT 34 2. Giao thite Zigbee 36 2. Cée khai nigm co bin. Mô hình giao thức Zigbee.

Câu truc của Zigbec. Kết luận chương 2. THIFT KE VA THI CONG HE THONG, XU LY TIN ATET CẢM BIẾN. Xây dựng sơ đỏ hệ thống.

Sơ đỗ nguyên lý và tổng quan chức năng các khối mạch trong hệ thống. Khải xứ lý trung tâm cho 2 cụm con Arduino UNO 3. Khổi giao tiếp Internet Node MCU HSP82t ÔÓ. Khối giao tiếp trung gian Module Zigbee CC2531.

Khối điều khiển qua rơ le. Khối cảm biến SO 3.3, Hệ thông giao điện Web quân lý. Tổng quan yẻ websif. Thiết kế website là gÌ?.

Thiết kế wcbsitc cho hệ thông quan trắc. Giao điện quân lý web thực tế 63 3. Tẳng quan về cân biến 3. Carn biển là gì 3.

Lựa chọn thiết bị phản cửng cắm biến. ty ve oF 3. Hiệu chuẩn căm biến. thoa eereireerorrorroo TT 3.

Dung dịch hiệu chuẩn. Định nghĩa hiệu chuân:. Đường cong chuận: - - - 72 3.4 Xử lý sai số cảm biển.6, Kết luận chương Ẵ. KET QUA THUC NGHTEM VA HUONG PHAT TRIEN DE TÀI.

Kết quá thu được. Quá trình hoạt động của hệ thống đo lưỡng,. Quá trình chạy Khử. Kiểm tra phân cỨNB.

Kiểm tra phân mềm. Qua tinh két ndi gitta MOTT Broker trên trạm chính và Client trên. Quả trình kết nói qua Ziphee giữa 2 trạm con dong vai tro Rouler và Gateway (CGDFdUDAfOVÖ:. cóc HH0 me rdrrreree 83 4.

Các cảm biến hệ théng thyte t8. cccceccsesseessssssssseeeseceeessseesseeee svat svasees 83 4. Xây dựng giao điện web của người dùng trực qU81.