Quan trắc thường xuyên tại các vùng nuôi trồng thủy sản có ý nghĩa hết sức quan trong giúp người nuôi tại các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) chủ động theo dõi và phát hiện nhiều nguồn tác động xấu đến môi trường ao nuôi. Từ các kết quả quan trắc này, cơ quan quản lý có thể dễ dàng đánh giá tác động môi trường các hoạt động nuôi trồng thủy sản có tác động như thế nào đến môi trường xung quanh.

Hình 1. Mô hình nuôi tôm siêu thâm canh tại Ninh Thuận

Hiện nay, hầu hết các trung tâm quan trắc môi trường của các tỉnh đều sử dụng phương pháp truyền thống là đo đạc tại hiện trường các thông số đo nhanh như nhiệt độ, pH, DO, độ muối và lấy mẫu mang về phòng thí nghiệm phân tích. Do đó, nhóm tác giả đề xuất một giải pháp ứng dụng công nghệ IoT để giám sát tự động một số thông số chất lượng nước nuôi trồng thủy sản để theo dõi khu vực nuôi với diện tích lớn với mạng cảm biến không dây, hạ tầng máy chủ, phần mềm và internet để lưu trữ, phân tích và cảnh báo sớm các biến động của môi trường nhằm giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả.

Trong phạm vi nghiên cứu, nhóm tác giả lựa chọn 5 thông số chính ảnh hưởng tới môi trường nước nuôi thủy sản là nhiệt độ, độ mặn, độ pH, độ oxy hòa tan DO, độ oxy hóa khử ORP.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng giải pháp ứng dụng công nghệ IoT để giám sát tự động thông số chất lượng nước nuôi trồng thủy sản tại các khu nuôi tập trung như các trại giống, khu nuôi công nghiệp. Hệ thống có cấu trúc linh hoạt, nhiều tùy chọn phù hợp với điều kiện và khả năng ứng dụng.

Hình 2. Hệ thống IoT giám sát tự động thông số chất lượng nước nuôi trồng thủy sản

Phân hệ trạm giám sát các thông số môi trường nước ao nuôi được thiết kế với phao nổi trên mặt nước. Trong đó, hệ đo tích hợp cảm biến và thiết bị phân tích để thu thập 5 chỉ số môi trường chính: nhiệt độ, pH, độ mặn EC, oxy hòa tan DO và độ oxy hóa khử ORP.

Hình 3. Sơ đồ khối phân hệ trạm đo các thông số môi trường nước nuôi trồng thủy sản

Trong đó, mỗi trạm đo có khả năng tự cấu hình và hoạt động độc lập, hoặc có thể hoạt động theo cấu hình được thiết lập từ xa qua giao thức TCP/IP qua mạng không dây. Trạm giám sát tự động được tích hợp mô đun cung cấp nguồn và lưu trữ năng lượng điện từ pin mặt trời để đảm bảo hoạt động độc lập liên tục trong khoảng thời gian dài. Đồng thời, trạm giám sát được lắp đặt trên hệ thống phao chuyên dụng và có cơ cấu cơ khí gá lắp phù hợp, đảm bảo tiêu chuẩn thiết bị hoạt động tốt trong môi trường ngoài trời khu vực ven biển.

Hình 4. Sơ đồ khối kết nối hệ cảm biến

Hệ khung cơ khí và phao nổi được thiết kế cân bằng, chịu tải trọng lớn (tổng tại trọng trên phao 55~60kg), sử dụng vật liệu Inox 304 chịu môi trường ngoài trời với điều kiện có hơi muối. Với thiết kế này, trạm sẽ giám sát trực tiếp các chỉ tiêu môi trường nước một cách tự động, linh hoạt và liên tục. Trạm đo có khả năng hoạt động độc lập trên mặt nước nhờ hệ thống nguồn pin năng lượng mặt trời.

Hình 5. Trạm đo các thông số môi trường nước nuôi trồng thủy sản

Trạm giám sát giám sát và thu thập dữ liệu được đặt trên mặt đất nhằm lưu trữ và xử lý dữ liệu gửi về từ các trạm đo độc lập trên ao nuôi tôm qua mạng LoRa. Trạm này sử dụng hai mô đun truyền thông: mô đun Lora và mô đun 3G/4G-LTE. Mô đun Lora của trạm trung tâm nhận tín hiệu từ module Lora của trạm giám sát. Tín hiệu này được truyền về thiết bị điều khiển trung tâm để xử lý. Sau đó truyền tới mô đun 3G/4G-LTE, dữ liệu được lưu trữ và hiển thị trên giao diện web-server. Ngoài ra còn có thể gửi tin nhắn SMS về số điện thoại người quản lý khi có cảnh báo vượt ngưỡng.

Hình 6. Phân hệ trung tâm thu thập dữ liệu

Phân hệ xử lý và cung cấp dịch vụ là phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu trên máy chủ quản lý cơ sở dữ liệu (CSDL) quan trắc, cung cấp các dịch vụ truy vấn CSDL cho các dịch vụ biểu diễn dữ liệu quan trắc theo thời gian thực, dữ liệu cho các mô hình cảnh báo, thống kê báo cáo. Ngoài ra, máy chủ có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ, chức năng quản trị hệ thống, quản trị người dùng, bảo mật dữ liệu, phân tích xử lý dữ liệu, chạy các mô hình cảnh báo sớm.

Hình 7. Mô hình phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu trên máy chủ

Trong đó, việc lưu trữ và tính toán dữ liệu được thực hiện nhanh chóng. Mỗi phiên dữ liệu bao gồm: nhiệt độ, pH, DO, ORP, EC gửi lên Web Server được cập nhật mỗi 60s/lần. Truy cập tại: https://es-aquamonitor.com

Hình 8. Giao diện Webbase của phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu trên máy chủ

Hệ thống IoT giám sát tự động thông số chất lượng nước nuôi trồng thủy sản hiện đang được thử nghiệm tại tỉnh Ninh Thuận với kết quả tốt. Đồng thời, hệ thống sẽ phục vụ phát triển nông nghiệp công nghệ cao bền vững, nâng cao hiệu quả chăm sóc nuôi trồng thủy sản nhờ áp dụng khoa học và công nghệ, mang lại hiệu quả kinh tế – xã hội, đồng thời quản lý môi trường tại các cơ sở nuôi tôm, giúp các đơn vị quản lý nắm bắt môi trường nước tại các cơ sở nuôi nhằm đánh giá khả năng hoạt động hiệu quả của cơ sở, nguy cơ ô nhiễm môi trường.

Minh Tâm

Nguồn: vast.gov.vn