Chương 1: Tổng quan về internet kết nối vạn vật IoT và mạng nơ ron học sâu ứng dụng trong thủy sản trình bày các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về IoT, về phân vùng và phân loại cá thể dùng mạng nơ ron học sâu, hiện trạng về nuôi thủy sản tại Kiên Giang và nhu cầu ứng dụng IoT cho nuôi trồng thủy sản. Chương 2: Mô hình hệ thống IoT định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản tại Kiên Giang. Trong đó, nội dung trình bày về mô hình, kiến trúc hệ thống IoT, về thiết kế hệ thống, thiết bị IoT có kiến trúc mở hai chiều và kết quả thử nghiệm hệ thống tại Kiên Giang. 19 Chương 3: Thuật toán phân vùng ảnh và phân loại cá thể tại trung tâm thu thập và xử lý dữ liệu trong hệ thống, định hướng ứng dụng trong nuôi thủy sản.
Nội dung chương này trình bày các đề xuất, cải tiến thuật toán phân vùng ảnh, phân loại cá sử dụng mạng nơ ron học sâu. TỔNG QUAN VỀ INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT VÀ MẠNG NƠ RON HỌC SÂU ỨNG DỤNG TRONG THỦY SẢN Nội dung chương này nghiên cứu sinh trình bày Tổng quan về internet kết nối vạn vật IoT và ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản, các vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước về IoT trong nuôi trồng thủy sản, hiện trạng về nuôi thủy sản tại Kiên Giang và nhu cầu ứng dụng IoT cho nuôi thủy sản nói chung và cho tỉnh Kiên Giang nói riêng. Chương này cũng trình bày tổng quan về vấn đề phân vùng, phân loại ảnh cá thể dùng mạng nơ ron, học sâu tại trung tâm thu thập và xử lý dữ liệu trong hệ thống IoT qua đó chỉ ra các vần đề cần nghiên cứu và giải quyết. Tổng quan về hệ thống IoT Theo nghiên cứu từ các dự án về nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam, trong những năm qua, nuôi trồng thuỷ sản (NTTS) Việt Nam đã có bước phát triển mạnh mẽ, thu được những thành tựu to lớn, góp phần giảm nghèo, tạo thu nhập và việc làm cho một bộ phận lao động, đóng góp tích cực cho kinh tế nông nghiệp nói riêng và kinh tế đất nước nói chung.
Từ năm 2000 đến nay, NTTS nước ta đã có bước chuyển biến mang tính đột phá, diện tích NTTS cả nước tăng 2,48 lần năm 1999 là 524.619 ha đã tăng lên tới 1,3 triệu ha nuôi nội địa và 9,5 triệu m2 lồng nuôi biển năm 2023; sản lượng NTTS tăng gấp 11 lần từ năm 1997 với 481 nghìn tấn lên 5.407 nghìn tấn năm 2023; kim ngạch xuất khẩu thủy sản năm 2012 đạt 6,15 tỷ USD, 2023 là 8,97 tỷ USD. Theo số liệu thống kê của Tổng cục Hải quan, kim ngạch xuất khẩu thuỷ sản năm 2017 hơn 8,3 tỷ USD, tăng 18% so năm 2016, đứng thứ 6 trong các mặt hàng xuất khẩu của VN; năm 2018 kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 8,79 tỷ USD, tăng 5,8% so với năm 2017 [31] [32]. Tuy nhiên, nâng cao chất lượng thủy hải sản là một trong những yêu cầu cấp bách của ngành thủy sản Việt Nam trong điều kiện hội nhập kinh tế thế giới hiện nay. Cùng với kiểm soát chất lượng giống đầu vào, chất lượng thức ăn và quản lý thức ăn thì kiểm soát chất lượng nước cũng là yếu tố cực kỳ quan trọng trong nuôi thủy sản, đặc biệt là nghề nuôi tôm, nuôi cá.
Chất lượng nước quyết định hiệu quả của thức ăn, tốc độ sinh trưởng và tỉ lệ sống của tôm, cá nhưng yếu tố này lại rất khó dự đoán và kiểm soát. Chất lượng nước phụ thuộc vào chất lượng nguồn nước, chất đất, chế độ cho ăn, thời tiết, công nghệ và chế độ quản lý đầm nuôi. Chất lượng nước được đánh giá bằng nhiều thông số sinh, hóa, lý khác nhau và cần được kiểm tra liên tục để có thể kịp thời điều chỉnh để bảo vệ con nuôi. Với phương pháp truyền thống, hàng ngày người nuôi chỉ lấy mẫu nước 1 đến 2 lần và dùng các phương pháp thử mẫu truyền thống để xác định chất lượng nguồn nước.
Phương pháp này sẽ không thể xác định kịp thời nguồn nước bị ô nhiễm hoặc chất lượng kém để điều chỉnh. Nguồn nước chất lượng kém không đạt yêu cầu là một trong những nguyên nhân đem đến rủi ro lớn nhất cho người nuôi tôm, nuôi cá. 21 Kiên Giang là một trong các tỉnh ven biển của Đồng bằng Sông Cửu Long, có bờ biển dài, điều kiện tự nhiên phù hợp cho việc nuôi trồng thủy hải sản. Năm 2023, diện tích thả nuôi thủy sản là 292.
Trong đó tôm nước lợ, mặn 136.241 ha, cá lồng bè trên biển 3.837 lồng, nhuyễn thể 23.220 ha, cua biển 85.582 ha, cá ao, ruộng, vèo,…49.943 ha với kim ngạch xuất khẩu hải sản 246,37 triệu USD. Việc nuôi trồng thủy hải sản vẫn còn nhiều khó khăn do bị động bởi thời tiết, môi trường. Người dân chưa nắm hết các đặc điểm, tính phù hợp về sinh thái môi trường nuôi trồng thủy hải sản, chưa biết ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao trong quá trình nuôi trồng, khai thác thủy hải sản dẫn đến hiệu quả sản xuất chưa cao và đặc biệt vẫn phải chịu ảnh hưởng thiệt hại lớn khi môi trường, nguồn nước ô nhiễm, nhiễm mặn do nước biển dâng. Ô nhiễm nước có thể có nguồn gốc tự nhiên như do mưa, gió, lũ lụt đưa vào môi trường nước chất thải bẩn, các sinh vật và vi sinh vật có hại kể cả xác chết của chúng hoặc có nguồn gốc nhân tạo như do quá trình thải các chất độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vào môi trường nước.
Để quản lý về ô nhiễm nguồn nước, cần có các thiết bị đo đạc các tham số cho biết mức độ ô nhiễm của nó như độ pH, nồng độ Oxy hòa tan, NO2, NO3, NH4, H2S. Các công việc theo dõi giám sát này thực hiện bằng phương pháp truyền thống thường chậm, các thông số cảnh báo không kịp thời và liên tục, tốn kém sức người, nhất là khi địa điểm cần quan trắc, theo dõi ở những nơi có địa hình khó khăn, cần ứng cứu khẩn cấp khi lượng oxy không đủ cho các hải thủy sản nuôi trồng. Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (IoT - Internet of Things) là một mạng lưới ứng dụng công nghệ thông tin trong đó mỗi phần tử được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT phát triển trên cơ sở sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử và Internet.
Nói đơn giản IoT là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng IoT trong các lĩnh vực như nông nghiệp, nuôi trồng thủy hải sản đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học, cộng đồng doanh nghiệp trong thời gian gần đây. Internet vạn vật là đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý trên khắp thế giới hiện được kết nối với internet, thu thập và chia sẻ dữ liệu. Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất.
Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây trồng, về thời tiết.Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu. 22 IoT sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vực sản xuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê [33]. Từ việc phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu., người nông dân có thể tự chủ, điều chỉnh mọi thứ để đạt được hiệu quả như mong muốn. Hệ thống thiết bị cảm biến, đo đạc sẽ được kết nối với nhau, tích hợp GPS và các công nghệ theo dõi để thu thập dữ liệu, kết nối với hạ tầng đám mây để truy xuất dữ liệu, phân tích đưa ra quyết định tối ưu hóa lượng nước, lượng phân bón, tự động hóa các hoạt động nông nghiệp hàng ngày và cung cấp giải pháp theo dõi thời gian thực.
Nhờ đó, các điều kiện dinh dưỡng đối với cây trồng sẽ được tối ưu, cho mức sinh trưởng tốt nhất, qua đó tăng chất lượng và hiệu suất canh tác. Ngoài ra ứng dụng IoT vào nông nghiệp còn giúp giảm thiểu dịch bệnh, nâng cao hiệu suất canh tác. Việc ứng dụng khoa học công nghệ thông tin truyền thông trong nuôi trồng thủy hải sản nói chung, IoT nói riêng để xây dựng một hệ thống điều khiển tự động quan trắc theo dõi các thông số về mức nước và môi trường nước là hết sức cần thiết. Hệ thống có thể truyền tin ở cự ly xa với độ chính xác cao, chi phí thấp giúp việc theo dõi, điều khiển, quản lý quá trình nuôi trồng, khai thác nguồn lợi thủy hải sản một cách hiệu quả và tiết kiệm nguồn nhân lực.
Đề tài luận án này nghiên cứu để xuất mô hình hệ thống IoT tự động quan trắc và cảnh báo các thông số môi trường nước, đề xuất thuật toán xử lý dữ liệu, xử lý ảnh tại trung tâm thu thập dữ liệu IoT dựa trên học máy, học sâu định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản nói chung và thử nghiệm tại tỉnh Kiên Giang nói riêng nhằm tự động hóa quá trình nuôi thủy sản, nâng cao chất lượng và hiệu quả nuôi thủy hản, góp phần phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh. Việc ứng dụng IoT vào nuôi thủy sản giúp nâng cao việc quản lý hiệu quả, năng suất, chất lượng các sản phẩm thủy sản nói riêng. Một hệ thống IoT bao gồm các thiết bị cầu cuối IoT, node cảm biến, node điều khiển và máy chủ xử lý trung tâm sẽ đồng thời thực hiện các nhiệm vụ: - Theo dõi môi trường và giữ các thông số quan trọng trong ngưỡng lý tưởng nhất. Đưa ra các cảnh báo về những biến động nguy hiểm để có tác động, điều chỉnh kịp thời.
- Theo dõi sự sinh trưởng và các điều kiện thời tiết, địa lý, sinh hóa của thủy sản để đưa ra các dữ liệu cần thiết cho việc quản lý và đánh giá sản lượng, chất lượng thủy sản. - Hiện đại hóa, tự động hóa quá trình nuôi trồng thủy sản.