Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm sử dụng mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ

Khoa Cơ Khí và Công nghệ

KHÓA LUẬN

TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm sử
dụng mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)

Sinh viên thực hiện: Lê Viết Tâm Đức
Lớp: Kỹ thuật Cơ – Điện tử 49
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Lịch
Bộ môn: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá

HUẾ, NĂM 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ

Khoa Cơ Khí và Công nghệ

KHÓA LUẬN

TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm sử
dụng mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)

Sinh viên thực hiện: Lê Viết Tâm Đức
Lớp: Kỹ thuật Cơ – Điện tử 49
Thời gian thực hiện: 6 tháng
Địa điểm thực hiện: Khoa Cơ khí – Công nghệ
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Lịch
Bộ môn: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá

HUẾ, NĂM 2020


LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này, trước hết em xin chân thành gửi lời
cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm, Đại học Huế cùng quý thầy
cô giáo phòng Đào tạo đại học và quý thầy cô giáo khoa Cơ khí và Công nghệ đã
giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quang Lịch đã
dành nhiều thời gian tâm huyết, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho em trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh khóa luận tốt
nghiệp đại học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ - điện tử.
Để hoàn thành khoá luận này bản thân tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình
từ các bạn sinh viên lớp Kỹ thuật Cơ - điện tử 49 và các bạn sinh viện thuộc Khoa
Cơ khí và Công nghệ, xin chân thành cảm ơn các bạn.
Do giới hạn về thời gian nghiên cứu cũng như lượng kiến thức, thông tin thu
thập còn hạn chế nên bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót trong quá
trình nghiên cứu và thực hiện. Vì vậy, kính mong nhận được sự góp ý và đánh giá
chân thành từ các quý thầy cô cùng các bạn để khoá luận được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

Thừa Thiên Huế, ngày 16 tháng 04 năm 2020
Sinh viên thực hiện

Lê Viết Tâm Đức


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Giá trị thích hợp chất lượng nước trong ao nuôi tôm ....................... 5
Bảng 2.2. Một số chỉ tiêu cần đo trong thí nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm... 6
Bảng 4.2. Một vài thông số của Arduino UNO ............................................. 37
Bảng 4.3. Các chân của module LoRa Ra-02 SX1278 .................................. 40
Bảng 4.4. Bảng đấu nối Arduino UNO R3 với Module Ra-02 SX1278 ......... 46
Bảng 4.5. Bảng đấu nối chân Raspberry Pi 3 Model B+ với Module Ra-02
SX1278 ........................................................................................................ 55
Bảng 4.6. Dữ liệu thu thập được sau quá trình khảo nghiệm trong vòng 24 giờ
...................................................................................................................... 73


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển của hệ thống giám sát ao
nuôi tôm sử dụng mức năng lượng thấp thông qua Zigbee. ................................ 8
Hình 2.2. Một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng nguồn điện từ năng
lượng mặt trời..................................................................................................... 9
Hình 2.3. Sơ đồ của một hệ thống giám sát ao nuôi thủy sản. ........................... 10
Hình 2.4. Một thiết bị giám sát chất lượng nước ao nuôi cá được lắp đặt tại Mỹ
An – Vĩnh Long cùa Eplusi. ............................................................................. 10
Hình 4.1. Sơ đồ mô hình hệ thống đề xuất ........................................................ 13
Hình 4.2. Sơ đồ khối của một nút cảm biến ...................................................... 15

Hình 4.3. Nút thu thập dữ liệu (Sink Node) là nơi tiếp nhận dữ liệu từ các nút
cảm biến trọng mạng cảm biến khôndây rồi gửi về các thiết bị giám sát thông
qua mạng Internet. ............................................................................................ 16
Hình 4.5. Lập trình giao diện người dùng thông qua MIT App Inventor........... 18
Hình 4.6. Lập trình đổ dữ liệu cho giao diện người dùng trên nền tàng Android
......................................................................................................................... 19
Hình 4.7. Lập trình giao diện người dùng trên nền tảng Website bằng Javascript
......................................................................................................................... 20
Hình 4.9. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây ................................ 21
Hình 4.10. Một mô hình IoT sử dụng mạng không dây LoRa ........................... 27
Hình 4.11. Bốn dây kết nối của giao tiếp SPI ................................................... 29
Hình 4.12. Truyền và nhận dữ liệu thông qua SPI ............................................ 30
Hình 4.13. Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế
độ nhanh (Fast mode) ....................................................................................... 31
Hình 4.14. Truyền nhận dữ liệu thông qua I2C ................................................. 31
Hình 4.15. Quá trình truyền 1 bít dữ liệu qua I2C............................................. 32
Hình 4.16. Các thế hệ Raspberry Pi [12] .......................................................... 34
Hình 4.17. Raspberry Pi 3 Model B+ và các chân I/O ...................................... 35


Hình 4.18. Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 3 Model B+ ............................ 36
Hình 4.19. Vi điều khiển Atmega328 ............................................................... 38
Hình 4.20. Module Lora Ra-02 SX1278 ........................................................... 39
Hình 4.21. Các chân của module LoRa Ra-02 SX1278 .................................... 41
Hình 4.22. LCD 2004 ....................................................................................... 42
Hình 4.23. Module I2C thực tế ......................................................................... 43
Hình 4.26. Thiết kế sơ đồ nguyên lí cho nút cảm biến ...................................... 45
Hình 4.27. Sơ đồ đi dây giữa Arduino UNO R3 và Ra-02 SX1278 .................. 46
Hình 4.28. Sơ đồ mạch nguồn cho nút cảm biến ............................................... 47
Hình 4.29. Vẽ mạch nguyên lí của nút cảm biến trên Eagle .............................. 48

Hình 4.30. Thiết kế mạch in (PCB) cho nút cảm biến ....................................... 48
Hình 4.31. Mạch in đã được rửa ....................................................................... 49
Hình 4.32. Lắp ráp các linh kiện để hoàn thiện nút cảm biến ............................ 49
Hình 4.33. Bản vẽ lắp cho nút cảm biến ........................................................... 50
Hình 4.34. Nút cảm biến được thiết kế trên Solidworks.................................... 50
Hình 4.35. Lắp ráp các linh kiện điện tử, Module Lora Ra-02 và Arduino UNO
trên mạch in ..................................................................................................... 53
Hình 4.36. Nút cảm biến sau khi hoàn thiện lắp ráp đang được đặt ở ao nuôi giả
định. ................................................................................................................. 53
Hình 4.37. Nút cảm biến được lắp đặt ở ao nuôi giả định với các cảm biến đã
được lắp vào để đo khảo nghiệm. ..................................................................... 54
Hình 4.38. Sơ đồ minh hoạ đấu nối giữa Raspberry Pi 3 Model B+ với Module
Ra-02 SX1278 .................................................................................................. 56
Hình 4.39. Đấu nối Raspberry Pi 3 Model B+ với Module Ra-02 SX1278 để tiến
hành thử nghiệm ............................................................................................... 56
Hình 4.41. Thiết kế hộp cho nút thu thập dữ liệu .............................................. 58
Hình 4.42. Nút thu thập dữ liệu được thiết kế với thêm một LCD 20x4 hiển thị
các thông số đo được. ....................................................................................... 58


Hình 4.43. Đấu nối Module Lora Ra-02 (đã gắn vào bo mạch) với Raspberry Pi
......................................................................................................................... 59
Hình 4.44. Đấu nối Module I2C với LCD 2004 ................................................ 59
Hình 4.45. Hoàn thiện đấu nối các linh kiện điện tử của nút thu thập dữ liệu ... 60
Hình 4.46. Lắp ráp nút thu phát dữ liệu hoàn thiện - mặt trước ........................ 61
Hình 4.47. Nút thu phát dữ liệu được lắp ráp hoàn thiện .................................. 61
Hình 4.48. Khởi tạo dự án và đặt tên cho dự án ................................................ 62
Hình 4.49. Kho dữ liệu được khởi tạo thành công ............................................ 62
Hình 4.50. Thiết kế giao diện của phầm mềm giám sát trên smartphone bằng
công cụ MIT App Inventor ............................................................................... 63

Hình 4.51. Giao diện phần mềm giám sát trên smartphone ............................... 63
Hình 4.52. Giao diện phần mềm giám sát trên nền tảng website ....................... 64
Hình 4.54. Gửi tín hiệu từ nút cảm biến ........................................................... 66
Hình 4.56. Raspberry Pi trên nút thu phát dữ liệu nhận được tín hiệu từ nút cảm
biến .................................................................................................................. 68
Hình 4.57. Lập trình trên ứng dụng MIT App Inventor .................................... 69
Hình 4.58. Lập trình Javascript bằng Notepad++ ............................................. 69
Hình 4.59. Tiến hành lắp đặt nút cảm biến vào ao khảo nghiệm ....................... 70
Hình 4.60. Lắp đặt nút thu thập dữ liệu ............................................................ 71
Hình 4.61. Dữ liệu được cập nhật liên tục trên kho dữ liệu Firebase................. 71
Hình 4.62. Dữ liệu tức thời được cập nhập trên Website .................................. 72
Hình 4.63. Dữ liệu tức thời được cập nhật trên ứng dụng trên smartphone ....... 72
Hình 4.64. Đồ thị biểu thị trong vòng 24h trên giao diện người dùng nền tảng
website ............................................................................................................. 75


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

NLMT

Năng lượng mặt trời

NTTS

Nuôi trồng thuỷ sản

IoT

Internet of Things – Internet vạn vật

SMEWW

Các phương pháp chuẩn xét nghiệm nước và nước thải

BNNPTNT

Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn

WSN

Wireless Sensor Network – Mạng cảm biến không dây

MIT

Viện Công nghệ Massachusetts (MIT)

ADC

Bộ chuyển đổi tương tự/số

LCD

Liquid Crystal Display – Màn hình tinh thể lỏng

LPWAN

Các công nghệ không dây với các đặc điểm như phủ
sóng lớn, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và
thời gian sử dụng pin lâu dài

MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................... 1
1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................... 3
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................. 3
1.3.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................... 3
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................... 4
PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ........................................................... 5
2.1. Cơ sở lý luận ............................................................................................ 5
2.1.1. Chất lượng nước phù hợp với việc nuôi tôm ...................................... 5
2.1.2. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) ...................... 7
2.2. Cơ sở thực tiễn ......................................................................................... 8
2.2.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi
tôm trên thế giới .......................................................................................... 8
2.2.2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi
tôm tại Việt Nam ......................................................................................... 9
PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU................................................................................................................. 11
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 11
3.1.1 Đối tượng nghiên cứu ....................................................................... 11
3.1.2 Phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 11
3.2. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................. 11
3.3. Phương pháp nghiên cứu: ....................................................................... 11
3.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................... 11
3.3.2. Phương pháp tính toán thiết kế và mô phỏng ................................... 11
3.3.3. Phương pháp chế tạo và khảo nghiệm .............................................. 11
3.3.4. Phương pháp phân tích xử lý số liệu ................................................ 12
PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................... 13
4.1. Đề xuất mô hình hệ thống ...................................................................... 13

4.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống và nguyên lý điều khiển ...................... 13
4.1.3. Các nút cảm biến (Sensor Nodes) .................................................... 15
4.1.4. Nút thu phát dữ liệu (Sink Node) ..................................................... 15
4.1.5. Lưu trữ dữ liệu tức thời (Real-time database)................................... 16
4.1.6. Giao diện người dùng (User Interface) ............................................. 18
4.2. Mạng cảm biến không dây và các kiểu giao tiếp sử dụng trong đề tài .... 21
4.2.1. Mạng cảm biến không dây ............................................................... 21
4.2.2. LoRa và khả năng ứng dụng LoRa cho mạng cảm biến không dây .. 25


4.2.4. Giao tiếp I2C ................................................................................... 30
4.3. Lựa chọn các thiết bị phần cứng cho hệ thống ........................................ 33
4.3.1 Raspberry Pi 3B+ .............................................................................. 33
4.3.2. Aduino UNO R3 .............................................................................. 37
4.3.3. Module Lora Ra-02 SX1278 ............................................................ 39
4.3.5 Module giao tiếp I2C cho LCD ......................................................... 43
4.4. Thiết kế, lắp đặt hệ thống ....................................................................... 45
4.4.1. Thiết kế, lắp ráp nút cảm biến (Sensor Node) .................................. 45
4.4.2. Thiết kế, lắp ráp nút thu thập dữ liệu (Sink Node) ............................ 54
4.5. Hoàn thiện phần mềm ............................................................................ 62
4.5.1. Khởi tạo khu vực lưu trữ dự liệu đám mây trên Google Firebase ..... 62
4.5.2. Thiết kế giao diện phần mềm giám sát trên thiết bị di động ............. 63
4.5.3. Thiết kế giao diện phần mềm giám sát trên nền tảng website ........... 64
4.5.4. Lập trình .......................................................................................... 65
4.6. Tiến hành khảo nghiệm .......................................................................... 70
4.6.1. Tiến hành lắp đặt khảo nghiệm ........................................................ 70
4.6.2. Thực hiện lấy số liệu khảo nghiệm ................................................... 71
4.6.3. Kết quả ............................................................................................ 73
PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................... 76
5.1. Kết luận.................................................................................................. 76

5.2. Kiến nghị ............................................................................................... 76
PHẦN 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 77
PHẦN 7. PHỤ LỤC ......................................................................................... 79


PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nuôi trồng thủy sản (NTTS) ở nước ta nói chung
và nuôi tôm công nghiệp nói riêng đã có những bước phát triển vượt bậc cả về
quy mô và sản lượng nuôi. Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường liên quan đến hoạt
động nuôi trồng thuỷ sản nói chung và nuôi tôm nói riêng ngày càng được quan
tâm và cần được kiểm soát bởi tính cấp thiết do việc tăng mật độ nuôi cũng như
chất lượng nguồn nước cấp.
Theo quy hoạch phát triển của ngành NTTS đến năm 2025, tổng diện tích
nuôi tôm công nghiệp ở nước ta là 160 nghìn ha với sản lượng dự tính đến năm
2025 sẽ là 800 nghìn tấn. Như vậy, lượng chất thải từ thức ăn dư thừa, phân, chất
bài tiết, dư lượng thuốc của các cơ sở nuôi tôm công nghiệp tăng lên đáng kể và
cần được kiểm soát. Bên cạnh đó việc quy hoạch ở một số vùng nuôi tập trung
còn nhiều bất cập, cơ sở hạ tầng nhiều vùng nuôi chưa có kênh thoát và kênh cấp
nước riêng biệt dẫn đến việc nước thải từ cơ sở nuôi này có thể gây ô nhiễm cho
nguồn nước cấp của các trang trại khác.
Hiện nay, tình hình dịch bệnh xảy ra thường xuyên ở nhiều khu vực nuôi tôm
gây thiệt hại lớn về kinh tế của các cơ sở và các hộ dân nhất là ở khu vực miền
Trung và Đồng Bằng Sông Cửu Long. Nguyên nhân chính do việc theo dõi, giám
sát chất lượng nước trong ao nuôi tôm thực hiện không thường xuyên và thiếu các
công nghệ kiểm soát. Bên cạnh đó việc xử lý, kiểm soát các chất thải ra ngoài môi
trường chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức. Các chương trình giám sát và
quan trắc môi trường các vùng nuôi mặc dù đã và đang được triển khai nhưng
hiện vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế, kinh phí hàng năm chưa đảm bảo
cho các hoạt động giám sát quan trắc môi trường tại các vùng nuôi tôm tập trung.

Nhiều vùng nuôi tôm công nghiệp chưa được giám sát, quan trắc về chất lượng
môi trường, đặc biệt là chất lượng nước và bùn đáy thải ra môi trường không qua
xử lý gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và cuộc sống người dân quanh
vùng nuôi tôm. Công tác đánh giá tác động môi trường và sức tải môi trường ở
nhiều vùng nuôi hầu như chưa được thực hiện, đặc biệt là những vùng nuôi với
nhiều nông hộ nuôi nhỏ lẻ, tự phát. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa để giám
sát chất lượng nước trong các ao nuôi cũng như lượng chất thải từ các trang trại
nuôi ra môi trường xung quanh chưa được nghiên cứu và ứng dụng. Một số quy
chuẩn, tiêu chuẩn quy định về tiêu chuẩn chất lượng nước xả thải từ các trang trại

2


nuôi tôm vẫn chưa được xây dựng, ban hành dẫn đến khó quản lý trong việc kiểm
soát ô nhiễm môi trường tại các vùng nuôi.
Trong Chiến lược phát triển NTTS Việt Nam đến năm 2025 cũng như Quy
hoạch tổng thể phát triển thủy sản đến năm 2025 và tầm nhìn 2030 đã được Thủ
tướng Chính phủ phê duyệt, đã xác định NTTS phát triển theo hướng chất lượng
và bền vững, trên cơ sở giải quyết hài hòa mối quan hệ giữ nâng cao giá trị sản
xuất với đảm bảo chất lượng, vệ sinh an toàn thực phẩm, bảo vệ môi trường, bảo
vệ và phát triển nguồn lợi thủy sản cho phát triển bền vững. Trong những năm
gần đây, nhiều nghiên cứu triển khai đã được ứng dụng nhằm giảm thiểu ô nhiễm
môi trường, nâng cao hiệu quả sản xuất cho mô hình nuôi tôm công nghiệp. Tuy
nhiên việc nghiên cứu phát triển đồng bộ hệ thống giám sát điều khiển chất lượng
nước trong các ao nuôi tôm thâm canh đến nay vẫn chưa được thực hiện.
Để giải quyết các vấn đề cần thiết chưa được giải quyết tại các nghiên
cứu trước đó, em đã tiến hành chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát
chất lượng nước ao nuôi tôm bằng mạng cảm biến không dây (WSN).”
1.2. Mục tiêu của đề tài
- Mục tiêu chung: Thiết kế chế tạo được mô hình cho hệ thống giám sát chất

lượng nước ao nuôi tôm sử dụng mạng lưới cảm biến không dây (Wireless Sensor
Networks-WSN).
- Mục tiêu cụ thể:
+ Nắm bắt được những chỉ tiêu chất lượng nước phù hợp cho tôm có điều
kiện sinh trưởng và phát triển tốt
+ Xây dựng mô hình và thiết kế, chế tạo được hệ thống giám sát một số
thông số chất lượng nước ao nuôi tôm.
+ Cập nhập dữ liệu tức thời (realtime) đến các thiết bị có kết nối Internet
như: Smartphone, Máy tính (thông qua website),... một cách liên tục
hoặc theo thời gian đặt để người nuôi tôm có thể nắm bắt được tình hình
ao nuôi tôm mọi lúc, mọi nơi.
+ Lưu trữ dữ liệu về các chỉ tiêu chất lượng nước để phục vụ công tác
nghiên cứu, phân tích nhằm cải thiện năng suất cho những vụ nuôi tôm
sau này.
+ Nghiên cứu về khả năng ứng dụng của đề tài trên điều kiện thực tiễn.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.1. Ý nghĩa khoa học
3


- Xây dựng hệ thống giám sát thông minh thông qua Internet phù hợp với xu
hướng cách mạng công nghiệp 4.0 nhất là công nghệ IoT internet vạn vật.
- Ứng dụng mạng cảm biến dưới nước không dây thay vì các cách đo chỉ tiêu
nước thủ công như hiện nay. Nâng cao độ chính xác trong các kết quả đo và khắc
phục những nhược điểm ở cách đo cũ cũng như việc cập nhật kịp thời các dữ liệu
chất lượng nước giúp cho việc quản lý nuôi tôm được thuận lợi.
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Giúp người nuôi tôm có thể nắm bắt được tình hình của ao nuôi mọi
lúc mọi nơi, từ đó có thể đưa ra các phương pháp ứng phó kịp thời khi xảy ra các
trường hợp xấu do ảnh hưởng của môi trường nước gây ra.

- Dựa vào dữ liệu thu thập được từ cả vụ nuôi tôm trước để giúp nông dân có
thể lên kế hoạch cho vụ nuôi tôm tiếp theo.
- Góp phần giúp việc ứng dụng IoT (Internet of Things) vào thực tế để hỗ trợ
con người trong việc quản lý giám sát quá trình sản xuất

4


PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở lý luận
Trong lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản hiện nay, đặc biệt là nuôi tôm đã có những
bước phát triển nhất là trong việc ứng dụng công nghệ trong quản lý nuôi trồng.
Không chỉ trên thế giới mà, tại Việt Nam hiện nay việc giám sát hồ nuôi tôm để
đảm bảo chế độ môi trường sống và chế độ ăn uống để cho giống tôm chất lượng,
khoẻ, đạt năng suất đã không còn khó khăn như trước nhờ vào ứng dụng công
nghệ IoT vào hệ thống giám sát hồ nuôi tôm. Với công nghệ này, người nuôi tôm
không chỉ giám sát tại chỗ mà còn giám sát được hệ thống từ xa qua các thiết bị
di động một cách dễ dàng, nắm bắt các trạng thái thực tế của hồ nuôi để kịp thời
có giải pháp phù hợp cho quản lý ao nuôi.
Việc giám sát môi trường ao nuôi thông qua các hệ thống cũ đòi hỏi các thiết
bị cồng kềnh và việc lắp đặt phải cố định trong thời gian dài. Vì thế, việc kết hợp
mạng cảm biến không dây vào mô hình giám sát trên sẽ tạo điều kiện cho các hệ
thống giám sát mà cụ thể ở đây là hệ thống giám sát chất lượng nước áo nuôi tôm
được dễ dàng và linh động hơn cho người sử dụng.
2.1.1. Chất lượng nước phù hợp với việc nuôi tôm
Chất lượng nước là yếu tố cực kỳ quan trọng trong nuôi trồng thủy sản,
nhưng khó dự đoán và khó kiểm soát. Chất lượng nước quyết định hiệu quả của
việc sử dụng thức ăn, tốc độ sinh trưởng và tỉ lệ sống của tôm. Tôm chết, bệnh,
chậm lớn, hay hiệu quả sử dụng thức ăn kém đều do các yếu tố trong ao mà chất
chất lượng nước là nguyên nhân chính. Để tôm phát triển bình thường thì nước

phải đảm bảo chất lượng không bị ô nhiễm. Chất lượng nước phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như chất lượng nguồn nước, hàm lượng và chế độ cho ăn, thời tiết cũng
như quy trình nuôi trồng của các trang trại, ao nuôi tôm. Chất lượng nước được
đánh giá bằng nhiều thông số khác nhau như vật lý, hóa học và sinh học, giá trị
thích hợp các thông số về chất lượng nước phù hợp cho các ao nuôi tôm như trong
Bảng 2.1 và một số thông số yêu cầu về nước thải ao nuôi tôm như trong Bảng
2.2 [1].
Bảng 2.1. Giá trị thích hợp chất lượng nước trong ao nuôi tôm
STT

Thông số

Tối ưu

Giới hạn cho phép

1

Nhiệt độ (oC)

20-30

18-33
5


2

Độ mặn (/oo)

10-25

5-35

3

Độ trong (cm)

30-35

25-50

4

pH (giao động từ sáng sớm đến 7,5-8,5
chiều không được quá 0,5)

7-9

5

Độ kiềm (mg/l)

100-150

60-180

6

Oxy hòa tan DO (mg/l)

>5

>3,5

7

Sunphua Hydro tự do H2S (mg/l) <0,03

<0,05

8

Amoniac tự do NH3 (mg/l)

<0,1

<0,3

9

Nitrit NO2- (mg/l)

<0,2

<1

10

Khoáng Chất Mg:Ca:K

3,1:1:0,9

Bảng 2.2. Một số chỉ tiêu cần đo trong thí nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm
Chỉ tiêu phân tích

Phương pháp

Quy chuẩn áp
dụng

Nhiệt độ (T )
Độ mặn (S)

Máy đo đa chỉ

pH

Máy đo đa chỉ

DO

Máy đo đa chỉ

Độ đục

Máy đo đa chỉ

Tổng chất rắn lơ lững

Clesceri Greenberg và Trusell
1989

Nhu cầu ô xy sinh học (BOD)

SMEWW-2005

Thông tư
44/2010/TTBNNPTNT ngày
22/7/2010

6


Nhu cầu oxy hóa học (COD)

SMEWW-2005

Tổng nito (TN)

SMEWW-2005

Tổng phốt pho (TP)

SMEWW-2005

Coliform tổng số (MPN)

MPN method

2.1.2. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)
2.1.2.1. Sơ lược về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập
hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại
hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân
tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm
biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián
tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như
Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các
mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường;
tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông
nghiệp; trong lĩnh vực y tế,... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai
hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không
thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều
khả năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến
rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết
kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả
năng xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở
các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức
tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh
quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày [2].
2.1.2.2. Những ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Với chức năng linh hoạt, mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng
dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như:
7


Giám sát các khu vực đặc biệt

Theo dõi chăm sóc sức khỏe
Giám sát công nghiệp trong nhiều lĩnh vực sản xuất
Tình trạng, tuổi thọ máy móc và thiết bị trong dây chuyền
Lưu trữ dữ liệu
Giám sát nước sản xuất và nước thải
Giám sát sản xuất trong chế biến rượu
Phát hiện các mối đe doạ hay thảm họa từ môi trường hay từ sự cố như
cháy nổ
Lĩnh vực giám sát môi trường hầu hết được ứng dụng cụ thể như:
- Giám sát ô nhiễm không khí
- Phát hiện cháy rừng
- Phát hiện sạt lở đất
- Giám sát chất lượng nước
- Phòng chống thiên tai
-

2.2. Cơ sở thực tiễn
2.2.1. Tình hình nghiên cứu về hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm
trên thế giới
Trên thế giới hiện này, người ta đang dần có xu hướng chuyển sang thiết
kế và chế tạo những hệ thống giám sát sử dụng mức năng lượng thấp (LowLevel Power Monitoring) để ứng dụng vào thực tiễn. Những thiết bị này có ưu
điểm là gọn nhẹ, tiệu thụ ít điện năng nhưng những hiệu quả giám sát mang lại
là tương đương với các hệ thống truyền thống [3].
Mô hình này có nguyên lý hoạt động theo sơ đồ khối sau:

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển của hệ thống giám sát
ao nuôi tôm sử dụng mức năng lượng thấp thông qua Zigbee.
8

Từ việc thu thập dữ liệu rồi đưa lên các nền tảng lưu trữ đám mây thông
qua wifi, người nuôi tôm sẽ có thể quan sát mô hình của mình thông qua các thiết
bị có kết nối Internet như Smartphone hay máy tính thông qua nên tảng website.
Ngoài ra, người ta cũng bắt đầu ứng dụng nguồn điện từ năng lượng mặt
trời để cung cấp cho mạng cảm biến không dây.

Hình 2.2. Một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng nguồn điện từ năng
lượng mặt trời
2.2.2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm
tại Việt Nam
Hiện nay, trên thị trường tại Việt Nam đã có rất nhiều sản phẩm về quan trắc,
giám sát chất lượng nước ao nuôi thủy sản và được thương mại hóa. Tuy nhiên,
vấn đề chính của các hệ thống đang gặp phải là giá thành của các hệ thống tương
đối cao, tuổi thọ của các sản phẩm chưa cao, hệ thống vận hành còn hạn chế do
nhiều yếu tố trong đó có việc lựa chọn thiết bị, công nghệ.

9


Hình 2.3. Sơ đồ của một hệ thống giám sát ao nuôi thủy sản.

Hình 2.4. Một thiết bị giám sát chất lượng nước ao nuôi cá được lắp đặt tại Mỹ
An – Vĩnh Long cùa Eplusi [4].

10


PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là chất lượng nước trong các ao nuôi
tôm thâm canh
3.1.2 Phạm vi nghiên cứu
- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 9 năm 2019 đến tháng 4 năm 2020.
- Khu vực nghiên cứu: Các khu vực nuôi tôm trên địa bàn tinh Thừa ThiênHuế.
- Các thông số cơ bản của chất lượng nước như oxy hòa tan (DO), độ mặn,
nồng độ pH và nhiệt độ
3.2. Nội dung nghiên cứu:
- Các chỉ tiêu chất lượng nước nói chung và ao nuôi tôm nói riêng
- Nghiên cứu về cấu trúc, chức năng và khả năng ứng dụng của hệ thống
mạng cảm biến không dây nói chung và mạng cảm biến không dây dưới
nước nói riêng.
- Mô phỏng hoặc dùng cảm biến để đo một số thông số chất lượng nước .
- Nghiên cứu việc thu nhận dữ liệu thông qua Internet trên điện thoại thông
minh.
3.3. Phương pháp nghiên cứu:
3.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến vấn đề nghiên cứu như: Mạng cảm biến
không dây, cảm biến, các kiểu kết nối, các phương pháp truyền dữ liệu, mobile
app,... thông qua sách, báo, bài nghiên cứu có sẵn và trên các nguồn uy tín trên
Internet.
3.3.2. Phương pháp tính toán thiết kế và mô phỏng
- Thiết kế, mô phỏng mạch trên máy tính.
- Thiết kế các bộ phận của mô hình hệ thống, thiết kế mạch in, lắp ráp mạch
vào mô hình, viết chương trình điều khiển cho hệ thống.

3.3.3. Phương pháp chế tạo và khảo nghiệm
11

Dựa trên bản thiết kế của hệ thống, một số thiết bị điện tử được mua sẵn
còn các thiết bị khung hệ thống, thiết bi mô phỏng ao nuôi sử dụng vật liệu và
thiết bị phù hợp cho chế tạo.
Sau quá trình chế tạo, lắp đặt hoàn thành hệ thống sẽ tiến hành khảo
nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống
trên các thông số chính như sau:
Đánh giá thời gian thu, nhận tín hiệu với thời gian thực của hệ thống
Đánh giá độ chính xác dựa trên thời gian thực trên từng thông số của chất
lượng nước (phạm vi nghiên cứu chỉ đánh giá các thông số chính như nhiệt độ
(T), pH và hàm lượng oxy hào tan (DO).
3.3.4. Phương pháp phân tích xử lý số liệu
Số liệu được thực nghiệm sau đó thu thập xử lý phân tích so sánh tối ưu
hóa các thông số cho hệ thống điều khiển chất lượng nước ao nuôi tôm .
Thực hiện thí nghiệm trong 24 giờ với 3 lần lặp để lấy số liệu Nhằm đánh
giá khả năng và hiệu quả làm việc.

12


PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
4.1. Đề xuất mô hình hệ thống
4.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống và nguyên lý điều khiển
Dựa trên những cơ sở lý thuyết và thực tiễn, nghiên cứu đề xuất sơ đồ
khối cho hệ thống giám sát ao nuôi tôm sử dụng mạng cảm biến không dây
(WSN) như sau:

Hình 4.1. Sơ đồ mô hình hệ thống đề xuất

13

Mô hình hệ thống đề xuất ở sơ đồ khối trên gồm:
-

-

-

Khối các nút cảm biến (Sensor Nodes): Gồm các cụm cảm biến đặt ở
các vị trí thích hợp để giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm đồng thời
gửi tín hiệu về khối thu phát dữ liệu thông qua LoRa ở tần số 433 Mhz.
Khối nút Sever thu phát dữ liệu (Sink Node): Gồm các thiết bị thu phát
dữ liệu bao gồm thiết bị thu phát dữ liệu LoRa và thiết bị thu phát dữ liệu
WiFi. Khối này có chức này thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến thông
qua LoRa rồi gửi lên đám mây thông qua kết nối mạng WiFi hoặc mạng
di động.
Khối lưu trữ dữ liệu đám mây (Cloud Sever): Cụ thể ở đây sử dụng
Firebase cho mục đích lưu trữ và xử lí dữ liệu tức thời.
Khối giao diện người dùng (User Interface): Gồm các ứng dụng giám
sát trên điện thoại thông minh và máy tính có kết nối mạng internet. Tại
đây, người dùng có thể giám sát được chất lượng nước thời điểm hiện tại
hoặc trong một khoảng thời gian nhất định của ao nuôi tôm.

14


4.1.3. Các nút cảm biến (Sensor Nodes)
Với đề tài này, để thuận cho việc mô phỏng các dữ liệu chỉ tiêu chất lượng
nước ao nuôi tôm, các nút cảm biến được thiết kế gồm 1 mạch Arduino Uno kết

hợp với module LoRa Ra-02 SX1278.
Dựa vào các nút cảm biến này, dữ liệu của các thông số chất lượng nước
sẽ được Arduino mô phỏng sau đó gửi về nút thu phát dữ liệu (Sink Node) bằng
sóng Lora ở tần số 433 Mhz.
Bộ phận thu/
phát tín hiệu

Nguồn điện

Vi điều khiển

Bộ chuyển đổi
ADC

Bộ nhớ mở
rộng

Cảm biến

Hình 4.2. Sơ đồ khối của một nút cảm biến

Một khối cảm biến cơ bản sẽ bao gồm:
Nguồn năng lượng: Pin Lithium.
Vi điều khiển.
Bộ phận thu phát tín hiệu.
Bộ phận đọc giá trị cảm biến bằng các tín hiệu Digital hoặc
Analog từ cảm biến.
- Các cảm biến.
-

4.1.4. Nút thu phát dữ liệu (Sink Node)
Nút thu phát dữ liệu (Sink Node) sẽ là điểm trung tâm và tối quan trọng
của hệ thống giám sát ao nuôi tôm sử dụng mạng cảm biến không dây này. Trong
một hệ thống WSN luôn phải có một nút thu phát dữ liệu nhằm thu thập dữ liệu
từ các nút cảm biến và được đưa trên trung tâm xử lý dữ liệu vào những mục
đích khác nhau hoặc được gửi lên đám mây thông qua mạng internet.
15


Trong đề tài hiện tại, nút thu phát dữ liệu của hệ thống sẽ bao gồm một
Raspberry Pi 3B+ với chức năng của một vi xử lí để điều khiển nút. Ngoài ra,
Raspberry Pi còn có khả năng truy xuất dữ liệu thông qua mạng Wi-Fi. Về phần
thu sóng từ mạng không dây LoRa, chúng ta cũng sẽ sử dụng một module LoRa
Ra-02 SX1278 có tần số 433 MHz tương tự như các nút cảm biến. Việc giao tiếp
giữa các nút thông qua LoRa bắt buộc phải chúng phải hoạt động ở cùng một tần
số để đảm bảo việc truyền tín hiệu.
Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng một hệ thống năng lượng mặt trời công
suất nhỏ đủ để đáp ứng cho nút hoạt động 24/24 mà không cần nguồn điện lưới
nhằm đảm bảo hệ thống giám sát có thể hoạt động ở những nơi xa khu vực dân
cư không có điện lưới.

Hình 4.3. Nút thu thập dữ liệu (Sink Node) là nơi tiếp nhận dữ liệu từ các nút
cảm biến trọng mạng cảm biến khôndây rồi gửi về các thiết bị giám sát thông
qua mạng Internet.
4.1.5. Lưu trữ dữ liệu tức thời (Real-time database)
Nguồn lưu trữ dữ liệu đám mây là một phần quan trọng trong các dự án
IoT nói chung và trong hệ thống WSN nói riêng. Trong đề tài lần này, chúng ta
sẽ sử dụng Google Firebase nhằm để lưu trữ dữ liệu tức thời (Realtime Database)
nhằm để làm trung gian giao tiếp giữa phần cứng (các nút cảm biến và nút thu
thập dữ liệu) và phần mềm (giao diện người dùng).

16