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

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). Hình 1. Mô hình Aquaponics 167 Một số yếu tố chính cần quan tâm của Aquaponics: 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. 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 2. Nguyên lí hệ thống nguồn năng lượng mặt trời 2.2. Hệ thống nguồn năng lượng mặt trời 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). 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. 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. • 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 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. 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. 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 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. 169 • 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). 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 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 9. Mô hình thử nghiệm thực tế nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống aquaponics 170 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). Hình 10. Mô hình hệ thống aquaponics Hình 11. Giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính và điện thoại 4.1. Thử nghiệm và đánh giá Kịch bản 1: Tự động điều chỉnh hướng pin năng lượng mặt trời theo nguồn sáng 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. 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. 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] 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. [2] T. Shafeena, “Smart aquaponics system: challenges and opportunities”, European Journal of Advances in Engineering and Technology, 3 (2)(2016), pp. 52-55. [3] 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. [4] FAO, “FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper: Small-scale Aquaponic food production", 2014. [5] Sylvia Bernstein, “Aquaponic Gardening”, New Society Publishers, 2011. [6] Sylvia Bernstein, “Aquaponic gardening : a step-by-step guide to raising vegetables and fish together”, New Society Publishers, 2011. [7] Hwang, Kai, Jack Dongarra, and Geoffrey C. Fox, “Distributed and cloud computing: from parallel processing to the internet of things”,. Morgan Kaufmann, 2013. [8] Rountree, Derrick, and Ileana Castrillo, “The Basics of Cloud Computing: Understanding the Fundamentals of Cloud Computing in Theory and Practice”, Newnes, 2013. 171