Giải pháp nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics trên nền tảng đám mây

Giải Pháp Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Cho Hệ
Thống Aquaponics Trên Nền Tảng Đám Mây
Lê Anh Bình
Khoa Quốc tế, Đại học Quốc gia Hà nội
Email:

Nguyễn Đình Nam
Khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Điện Lực
Email:

Abstract — Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải pháp nguồn
năng lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống aquaponics trên nền
tảng đám mây. Giải pháp cho phép cung cấp và giám sát năng
lượng một cách hiệu quả, đồng thời giúp theo dõi giám sát và điều
khiển hệ thống aquaponics trên nền tảng đám mây. Hệ thống đã
được thử nghiệm thành công và cho thấy triển vọng trong việc
triển khai diện rộng trong thực tế.
Keywords - Aquaponics, năng lượng mặt trời, điện toán đám mây

I.

GIỚI THIỆU

Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời
(NLMT) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nguồn năng
lượng sạch và tin cậy trong tương lai. Trên thế giới, các nước
phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong
công nghiệp để thu được các nguồn năng lượng này. Với ưu
điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện
với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế
cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái

Đất. Việt Nam với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng
lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài, nằm trong khu vực có
cường độ bức xạ tương đối cao. Do đó việc sử dụng năng lượng
mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong
mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất. Năng lượng mặt trời được
ứng dụng thiết thực trong đời sống con người đặc biệt trong
lĩnh vực nông nghiệp như máy sấy, nấu ăn, sưởi ấm, cung cấp
điện cho trang trại hoặc các thiết bị chiếu sáng,... [1].
Trong thực tế nhiều hệ thống Aquaponics đã được triển khai
trong nông nghiệp nhằm mang lại nguồn thực phẩm an toàn và
hiệu quả, tuy nhiên những hệ thống này chủ yếu triển khai ở
phạm vi nhỏ (các căn hộ, gia đình,…) chủ yếu dựa vào lưới
điện quốc gia. Do vậy khi triển khai ở những quy mô lớn hơn
và phân tán ở những vị trí khác nhau, ở những nơi xa nguồn
điện lưới, các hệ thống này không phát huy được hiệu quả do
thiếu nguồn điện cung cấp hoặc chi phí cao trong lắp đặt và duy
trì lưới điện. Để giải quyết vấn đề này, một số giải pháp sử
dụng nguồn năng lượng tái tạo có sẵn tại nơi canh tác trong đó
có sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho hệ
thống [2,3]. Các mô hình này chỉ dừng lại việc cung cấp nguồn
cho hệ thống mà chưa đề cập đến hiệu quả trong việc thu năng
lượng pin mặt trời, không có khả năng giám sát và cảnh báo
dung lượng acquy, cũng như là khả năng tích hợp và điều khiển
thống nhất với hệ thống aquaponics trên nền tảng đám mây.
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một giải pháp nguồn năng
lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống aquaponics. Giải pháp này
cho phép cung cấp nguồn điện và giám sát dung lượng acquy

một cách hiệu quả, đồng thời giúp theo dõi giám sát và điều
khiển hệ thống aquaponics trên nền tảng đám mây. Bên cạnh đó

giải pháp này cho phép triển khai mở rộng các hệ thống
aquaponics một cách phân tán và linh hoạt.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần II giới
thiệu tổng quan về aquaponnics, nguồn năng lượng mặt trời và
dịch vụ điện toán đám mây. Trong phần III, chúng tôi đề xuất
mô hình nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống
aquaponics trên nền tảng đám mây. Phần IV cung cấp các kết
quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài
báo trong phần V.
II. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AQUAPONICS,
NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ DỊCH VỤ ĐIỆN
TOÁN ĐÁM MÂY
2.1. Hệ thống Aquaponics
Mô hình aquaponics là sự kết hợp của cả hai hệ thống: Nuôi
trồng thủy sản (aquaculture) và trồng cây theo phương pháp
thủy canh (hydroponics) [4-6]. Sự kết hợp này mang lại lợi ích
thiết thực và tính độc đáo. Thay vì bổ sung phân bón và các hóa
chất để trồng cây, mô hình này sử dụng chất thải từ cá nhờ sự
chuyển hóa từ các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần
thiết và đầy đủ cho sự phát triển của cây. Ngược lại, thay vì xả
nước ra môi trường, nó sử dụng cây trồng để làm sạch nước và
trả lại cho bể cá. Nước này có thể được tái sử dụng vô thời hạn
và chỉ cần thay thế khi nó bị mất do bay hơi (hình 1).

167

Hình 1. Mô hình Aquaponics


Một số yếu tố chính cần quan tâm của Aquaponics:

2.2. Hệ thống nguồn năng lượng mặt trời

Oxy hòa tan: Cá cần oxy để sống vì vậy cũng cần chú ý
đến việc đảm bảo hàm lượng oxy thích hợp cho cá phát triển.
Hàm lượng oxy hòa tan thường thấp vào lúc sáng sớm và phụ
thuộc vào nhiều yếu tố khác như mật độ cá, nhiệt độ nước, độ
mặn,… người sử dụng nên có bộ dụng cụ kiểm tra hàm lượng
oxy hàng ngày để đảm bảo cho cá phát triển tốt.
Nhiệt độ: Nhiệt độ nước rất quan trọng trong hệ thống
Aquaponics. Nhiệt độ nước cao quá sẽ làm cá sốc và có thể chết
ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Ngược lại, khi nhiệt
độ hạ xuống thấp cũng gây hại cho cây trồng và cá. Vì vậy
người sử dụng cũng nên thường xuyên theo dõi để có biện pháp
hợp lí giữ nhiệt độ nước ổn định giúp cho hệ thống phát triển
tốt đẹp.
Giá trị pH: Đây cũng là một yếu tố quan trọng cần quan
tâm theo dõi trong hệ thống. Độ pH chính là độ axit hay độ
chua của nước và giá trị pH biểu diễn cũng chính là giá trị biểu
diễn cho sự hiện diện của ion H+ trong môi trường (nước hoặc
đất). Giá trị pH thường thấp vào ban đêm và sáng sớm nên duy
trì giữ pH trong khoảng 6 – 8 là thích hợp nhất.

Hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời sẽ nhận bức xạ
mặt trời. Sau đó chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC).
Dòng điện DC được đi qua bộ điều khiển sạc pin năng lượng
mặt trời. Nguồn điện DC sau đó sẽ được nạp vào bình ắc quy để
lưu trữ điện. Từ đó nếu sử dụng trực tiếp từ bình ắc quy với các
phụ tải dùng điện DC thì cắm vào hai cực âm dương của bình
(hình 2). Trong trường hợp muốn sử dụng điện 220V AC thì

phải qua bộ Inverter kích đổi điện 12V DC lên 220V AC.
2.3. Dịch vụ điện toán đám mây
Điện toán đám mây là mô hình điện toán mà mọi giải pháp
liên quan đến công nghệ thông tin đều được cung cấp dưới dạng
các dịch vụ qua mạng internet, giải phóng người sử dụng khỏi
việc phải đầu tư nhân lực, công nghệ và hạ tầng để triển khai hệ
thống [7,8]. Từ đó điện toán đám mây giúp tối giản chi phí và
thời gian triển khai, tạo điều kiện cho người sử dụng nền tảng
điện toán đám mây tập trung được tối đa nguồn lực vào công
việc chuyên môn (hình 3).

Dinh dưỡng trong nước: Cả dinh dưỡng dạng NO3/NH44
(Macro Nutrients) và vi lượng (Micro Nutrients) đều cần thiết
cho cây trồng trong hệ thống Aquaponics. Phần lớn nguồn dinh
dưỡng này đến từ chất thải của cá và một phần hòa tan từ thức
ăn của cá. Trong một số trường hợp (thường là do chất lượng
thức ăn của cá kém) cần thiết phải bổ sung thêm một số nguyên
tố vi lượng cần thiết cho cây trồng.
Kiểm soát lượng nước: người sử dụng nên có dụng cụ
kiểm tra các yếu tố môi trường để kiểm soát chất lượng nước
nuôi cá trong hệ thống. Cần ghi lại sự biến động trong suốt quá
trình vận hành hệ thống để so sánh, đối chiếu hoặc có thể dùng
như một tài liệu tham khảo cho những hệ thống khác mà sau
này ta có thể phát triển.
Ánh sáng: Vì các hệ thống aquaponics thường đặt trong các
không gian tiết kiệm diện tích nên đôi khi ánh sáng tự nhiên
không đủ cho cây quang hợp vì vậy ta cần bổ sung ánh sáng
thích hợp cho cây, giải pháp ở đây là dùng ánh sáng thay thế
bằng đèn chiếu sáng.

Hình 3. Mô hình tổng quan về điện toán đám mây

Các ứng dụng IoT có thể dùng nhiều nền tảng đám mây với
những khả năng và sức mạnh xử lý khác nhau như ThingWorx,
OpenIoT, Google Cloud, Amazon, GENI, Ubidots... Ví dụ,
Xively đại diện cho một trong những ứng dụng đầu tiên đưa ra
dịch vụ lưu trữ dữ liệu từ cảm biến và hiển thị trên website.
Xively hướng đến mục tiêu đảm bảo kết nối giữa thiết bị và ứng
dụng phần mềm theo thời gian thực. Xively cung cấp một nền
tảng như giải pháp phù hợp cho lập trình viên và nhà cung cấp
dịch vụ. Nó giúp thống nhất các thiết bị thông qua nền tảng bởi
những bộ thư viện có sẵn (như ARM mbed, Electric Imp and
iOS/OSX) và liên lạc thuận tiện thông qua giao thức HTTP(S),
Sockets/Websocket, hoặc MQTT. Nó cũng có thể sử dụng
những nền tảng khác với bộ thư viện của Java, JS, Python và
Ruby. Một trong những đặc điểm khiến Xively là dịch vụ nền
tảng đám mây được ưa thích chính là:
• Mã nguồn mở, không mất phí và dễ dàng sử dụng giao
diện lập trình ứng dụng (API).
• Tương thích với nhiều giao thức, môi trường và khả năng
quản lý cảm biến thời gian thực và phân phối dữ liệu dưới
nhiều dạng như JSON, XML và CSV.
• Cho phép người dùng thấy được biểu đồ dữ liệu theo thời
gian thực để giám sát hoạt động của cảm biến. Nó cũng
cho phép người dùng điều khiển cảm biến từ xa.

Hình 2. Nguyên lí hệ thống nguồn năng lượng mặt trời

168

• Hỗ trợ nhiều nhà sản xuất phần cứng (OEM) như Arexx,
Nanode, OpenGear, Arduino và mBed.
III.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH NGUỒN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI CHO AQUAPONICS

3.1. Mô hình nguồn
Mô hình nguồn năng lượng mặt trời cho một hệ thống
aquaponics gồm các thành phần (hình 4):
• Acquy (12V): Lưu trữ điện năng, cung cấp nguồn cho
toàn bộ hệ thống.

3.2. Hệ thống aquaponics mở rộng
Mô hình hệ thống aquaponics mở rộng (hình 6) bao gồm
nhiều hệ thống aquaponics thành phần với nguồn năng lượng
mặt trời (aqua-solar) được bố trí ở các vị trí địa lí khác nhau.
Do các hệ thống aqua-solar này không phụ thuộc vào nguồn
điện nên có thể di chuyển và triển khai một cách linh hoạt. Dữ
liệu từ các hệ thống aqua-solar thành phần được thu thập và lưu
trữ tại server của dịch vụ đám mây. Người dùng có thể giám sát
và theo dõi các thông số, điều khiển các hệ thống aquaponics
thành phần thông qua giao diện của dịch vụ đám mây.

• Tấm pin năng lượng mặt trời: Nhận bức xạ mặt trời
chuyển hóa thành điện năng nạp vào acquy.
• Bộ điều khiển sạc: Là thiết bị thực hiện chức năng điều
tiết sạc cho acquy, bảo vệ cho acquy chống nạp quá tải và
xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình acquy và giúp

hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.
• Modul ổn áp 5V: Hạ áp từ 12V xuống 5V cho servo hoạt
động.
• Động cơ servo: Điều hướng tối ưu cho tấm pin năng
lượng mặt trời.
• Cảm biến ánh sáng: Nhận và gửi tín hiệu đến bộ xử lí
trung tâm được dùng để điều khiển hướng tối ưu của pin
năng lượng mặt trời.

Hình 6. Mô hình hệ thống aquaponics mở rộng

3.3. Thuật toán điều khiển
3.3.1. Thuật toán điều khiển hệ thống
Bộ xử lý trung tâm sẽ thực hiện việc giám sát và điều
khiển trực tiếp toàn bộ hệ thống (hình 7):

Hình 4. Mô hình nguồn năng lượng mặt trời cho aquaponics

• Bộ xử lí trung tâm: Nhận tín hiệu từ các cảm biến và xử lí
theo lệnh của người điều khiển. Đẩy dữ liệu qua khối
truyền thông để lưu trữ trên server để giám sát và điều
khiển, nhận phản hồi và điều khiển các thiết bị theo yêu
cầu.
• Khối truyền thông: Là cổng giao tiếp giữa hệ thống
aquaponics và dịch vụ đám mây, có nhiệm vụ chuyển tiếp
dữ liệu lên và xuống.
• Khối IoT Aquaponics: Thực hiện tất cả các chức năng của
mô hình aquaponics.

169

Hình 7. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống Aquaponics

• Để thực hiện việc giám sát các thông số hệ thống, bộ
xử lý trung tâm định kỳ đọc các giá trị cảm biến và tự
động xác định dung lượng acquy trong acquy, sau đó
gửi lên máy chủ đám mây.


• Để điều chỉnh hướng của tấm pin năng lượng mặt trời
sao cho tối ưu nhất, bộ xử lý trung tâm dựa vào giá trị
cảm biến ánh sáng để tự động điều chỉnh góc quay của
02 động cơ servo gắn với tấm pin năng lượng mặt trời.
• Để điều khiển hệ thống aquaponics, bộ xử lý trung tâm
cho phép hoạt động ở hai chế độ: điều khiển tự động và
điều khiển theo yêu cầu (bằng tay). Trong chế độ điều
khiển tự động, hệ thống sẽ tự động bật/tắt các thiết bị
máy bơm, đèn và còi cảnh báo dựa trên các dữ liệu
nhận được từ các cảm biến (pH, mực nước, nhiệt độ,
độ ẩm, ánh sáng). Khi dung lượng acquy dưới ngưỡng
cho phép (10%) thì hệ thống đưa ra cảnh báo với người
dùng. Trong chế độ điều khiển bằng tay, hệ thống sẽ
nhận lệnh bật/tắt các thiết bị trong hệ thống aquaponics
theo yêu cầu qua giao diện của dịch vụ đám mây
Ubidots.
3.3.2. Thuật toán điều chỉnh tối ưu hướng pin năng lượng
mặt trời
Thuật toán dựa vào giá trị đầu vào của 04 quang trở,
kết hợp thành 04 giá trị trung bình trên, dưới, trái, phải trong
đó servo 1 hoạt động khi giá trị trên, dưới được so sánh,

servo 2 hoạt động khi giá trị trái, phải được so sánh (hình 8).
Khi nguồn sáng chuyển động, các cảm biến ánh sáng sẽ tự
động gửi giá trị về bộ xử lí trung tâm, so sánh và điều chỉnh
servo quay về hướng có cường độ sáng lớn nhất. Các bước
so sánh giá trị trung bình của trên – dưới, trái – phải liên tục
được bộ xử lí trung tâm thực hiện cho đến khi các giá trị trên
đạt ngưỡng cân bằng thì khi đó servo ngừng quay (lúc này
pin mặt trời đang hướng về nơi có nguồn bức xạ mặt trời lớn
nhất).

acquy ta sẽ dựa vào số đo điện áp của acquy để từ đó suy ra
được dung lượng của acquy. Vì chân analog của arduino chỉ
có thể đo được điện áp từ 0 – 5V nên ta sẽ dùng cầu phân áp
với R1=10kΩ, R2=4.7KΩ để có được dòng điện nhỏ hơn 5V
đưa vào chân analog (hình 9).

Hình 9. Mạch dùng để xác định dung lượng acquy

Để tìm điện áp Vout1, trước tiên ta tìm dòng (I) qua mạch
điện:
I = Vcc / (R1 + R2)
Vout1 = I x R2
Sau khi đo xong giá trị đầu vào analog, ta chia tỉ lệ để ra
giá trị acquy ban đầu
Vacquy = Vout1 / R2 x (R1+R2)
Dựa vào bảng quan hệ giữa sự suy giảm điện áp (tính
bằng Volt) và dung lượng acquy (tính bằng %) ta có các giá
trị dung lượng acquy tương ứng.
IV.

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH

4.1. Mô hình thực tế
Mô hình thử nghiệm thực tế bao gồm các thành phần
chính của nguồn năng lượng mặt trời như: tấm pin năng
lượng mặt trời, cảm biến ánh sáng, acquy, bộ điều khiển sạc,
modul ổn áp 5V, 02 động cơ servo, bo mạch arduino mega
2560 (hình 9).

Hình 8. Lưu đồ thuật toán điều chỉnh tối ưu hướng pin
năng lượng mặt trời

3.3.3. Thuật toán chuyển đổi dung lượng acquy
Khi acquy tiêu hao dung lượng, điện áp của acquy vì
thế cũng giảm theo, do đó để theo dõi được dung lượng của

170

Hình 9. Mô hình thử nghiệm thực tế nguồn năng lượng mặt trời
cho hệ thống aquaponics


Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm các thành phần của
aquaponics như bể cá, máng cạn trồng rau, bể lọc, máy bơm,
cảm biến mực nước, cảm biến độ pH, cảm biến nhiệt độ,
cảm biến độ ẩm, cảm biến ánh sáng (hình 10).

Bước 3: Trong quá trình điều chỉnh hướng, cảm biến ánh
sáng tiếp tục gửi dữ liệu về khối xử lí trung tâm
Bước 4: Khi tấm pin mặt trời ở hướng có nhiều bức xạ

nhất thì khối xử lí trung tâm ra lệnh cho servo ngừng quay
(hình 9).
Kết quả quan sát cho thấy tấm pin năng lượng mặt trời
điều chỉnh về đúng vị trị nguồn sáng thử nghiệm.
Kịch bản 2: Giám sát dung lượng acquy và hoạt động
của hệ thống trên nền tảng đám mây Ubidots
Bước 1: Khối xử lí trung tâm yêu cầu đọc giá trị các cảm
biến và dung lượng acquy
Bước 2: Khối xử lí trung tâm gửi toàn bộ dữ liệu nhận
được lên máy chủ đám mây và hiển thị dung lượng acquy
cũng như các thông số khác trên giao diện đám mây Ubidots
(hình 11). Kết quả theo dõi cho thấy các thông số này phản
ánh đúng trạng thái thực tế của hệ thống.
Bước 3: Khi có lệnh điều khiển tự động (ngầm định)
hoặc điều khiển theo yêu cầu (bằng tay) sử dụng các nút điều
khiển trên giao diện của dịch vụ đám mây Ubidots, kết quả
đã cho thấy hệ thống đáp ứng chính xác theo thuật toán đã
xây dựng (hình 11).
V.

Hình 10. Mô hình hệ thống aquaponics

KẾT LUẬN

Bài báo đã nghiên cứu và thiết kế mô hình nguồn năng
lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics trên nền tảng đám
mây. Mô hình này cho phép cung cấp và giám sát năng lượng
một cách hiệu quả, đồng thời giúp cho việc mở rộng và liên kết
các hệ thống aquaponics một cách dễ dàng và linh hoạt. Hệ
thống đã được thử nghiệm thành công và cho thấy triển vọng

trong việc triển khai diện rộng trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]

[4]
[5]

Hình 11. Giao diện giám sát và điều khiển trên
máy tính và điện thoại

[6]

4.1. Thử nghiệm và đánh giá

[7]

Kịch bản 1: Tự động điều chỉnh hướng pin năng
lượng mặt trời theo nguồn sáng

[8]

Bước 1: Khối cảm biến ánh sáng sẽ gửi tín hiệu về khối
xử lí trung tâm
Bước 2: Khối xử lí trung tâm phân tích dữ liệu và điều
chỉnh dần hướng tấm pin mặt trời hướng về hướng nguồn
sáng.

171

Mohammad Vahedi Torshizi and Atefeh Hosseini Mighani, The
Application of Solar Energy in Agricultural Systems, Journal of
Renewable Energy and Sustainable Development (RESD), Volume 3
Issue 2, June 2017 - ISSN 2356-8569.
T. Shafeena, “Smart aquaponics system: challenges and opportunities”,
European
Journal
of
Advances
in
Engineering
and
Technology, 3 (2)(2016), pp. 52-55.
N. R. Mohamad,
Development of Aquaponic System using Solar
Powered Control Pump, Journal of Electrical and Electronics
Engineering (IOSR-JEEE), Volume 8, Issue 6, 2013.
FAO, “FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper: Small-scale
Aquaponic food production", 2014.
Sylvia Bernstein, “Aquaponic Gardening”, New Society Publishers,
2011.
Sylvia Bernstein, “Aquaponic gardening : a step-by-step guide to raising
vegetables and fish together”, New Society Publishers, 2011.
Hwang, Kai, Jack Dongarra, and Geoffrey C. Fox, “Distributed and
cloud computing: from parallel processing to the internet of things”,.
Morgan Kaufmann, 2013.
Rountree, Derrick, and Ileana Castrillo, “The Basics of Cloud

Computing: Understanding the Fundamentals of Cloud Computing in
Theory and Practice”, Newnes, 2013.