Quan trắc môi trường mặt nước lớn nuôi trồng thủy sản bằng thiết bị tự hành ứng dụng kỹ thuật robot và kết nối IoT

Đây là giải pháp không tốn nhiều chi phí đầu tư, lại rất linh hoạt, cơ động trong việc giám sát môi trường nước, dễ mở rộng triển khai ở các hợp tác xã, trang trại, hộ dân nuôi trồng thủy, hải sản mặt nước lớn…

Nhìn chung, lĩnh vực nuôi trồng thủy sản ở nước ta chưa được áp dụng rộng rãi các ứng dụng khoa học và công nghệ, nên năng suất và hiệu suất canh tác phần lớn vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người nuôi, đặc tính của vật nuôi, tình hình thời tiết, khí hậu, thổ nhưỡng… Vì thế, quan trắc môi trường nước nuôi trồng thủy sản là một trong những giải pháp cấp thiết đang được triển khai, giúp người nuôi chủ động theo dõi các thông số môi trường vùng nuôi theo thời gian thực nhằm nhận biết và phát hiện những nguồn tác động xấu đến môi trường vùng nuôi và kịp thời đưa ra các phương án xử lý môi trường nước, lượng thức ăn, phương thức nuôi trồng thủy sản và kịp thời phòng ngừa dịch bệnh có hiệu quả, nhằm đảm bảo quy trình nuôi đạt chất lượng mong muốn. Thông tin thu thập suốt quá trình nuôi trồng thủy sản cũng là cơ sở dữ liệu làm căn cứ giúp cơ quan quản lý Nhà nước giám sát thông tin kịp thời, nhanh chóng đánh giá tác động môi trường trong hoạt động nuôi trồng thủy sản, có biện pháp hỗ trợ phòng ngừa, giảm thiểu nguy cơ lây lan dịch bệnh, đảm bảo phát triển bền vững.

Hiện nay, tất cả các vùng nuôi trồng thủy sản đều thực hiện quan trắc nước nuôi trồng thủy sản bằng cách lẫy mẫu thủ công, sử dụng các trạm quan trắc cố định hoặc sử dụng trạm quan trắc tự động liên tục. Đối với phương pháp lấy mẫu thủ công và phân tích kết quả trong phòng thí nghiệm cho độ chính xác cao đối với phép đo, tuy nhiên trong phương pháp này tốn khá nhiều thời gian, nhân lực tham gia đặc biệt là ở khâu lấy mẫu và bảo quản mẫu. Phương pháp sử dụng trạm quan trắc cố định, việc lấy mẫu khó đảm bảo được mang tính đại diện cho chất lượng nước của vùng nuôi, đặc biệt tại các khu vực nước tù, nước đọng hoặc những khu vực dễ xảy ra hiện tượng lắng trầm tích hoặc sinh sôi thực vật thủy sinh, dễ xảy ra tình trạng thiếu chính xác nếu công tác bảo trì bảo dưỡng thiết bị không được chú trọng. Đối với trạm quan trắc tự động liên tục, dù có ưu điểm là quan trắc nhanh chóng các chỉ số nhờ ứng dụng các cảm biến, tổng hợp lưu trữ số liệu và dự đoán mức độ thay đổi môi trường nhanh chóng nhờ hệ thống máy tính và trí tuệ nhân tạo, tuy nhiên chi phí trang bị cao và dễ mất mát. Mặt khác, việc lấy mẫu xa bờ cũng rất vất vả, tiềm ẩn không ít nguy hiểm vì môi trường khắc nghiệt và vị trí lấy mẫu khó khăn.

Tương tự nhiều nơi trên cả nước, công tác lấy mẫu quan trắc chất lượng nước nuôi trồng thủy sản tại huyện Cần Giờ vẫn là lấy mẫu thủ công và gửi đi đo kiểm các chỉ số môi trường nước, do đối với môi trường ao nuôi thì việc xây dựng nhiều trạm quan trắc chất lượng nước đòi hỏi kinh phí đầu tư ban đầu khá cao, mặt khác cũng cần có thêm nguồn kinh phí duy tu, bảo dưỡng định kỳ. Vì vậy, huyện Cần Giờ đã “đặt hàng” giải quyết bài toán có một thiết bị quan trắc môi trường nước thủy sản cơ động, có khả năng hỗ trợ tốt công tác quan trắc chất lượng nước đầu nguồn của các khu vực nuôi trồng thủy sản đến Sở KH&CN TPHCM và Viện Khoa học Tài nguyên Môi trường và Biến đổi khí hậu. Yêu cầu đặt ra là thiết bị được xác định phải có khả năng tự hành trên nước để lấy mẫu nước ở xa bờ, tự hành theo chương trình với tọa độ và thời gian đã định sẵn để quan trắc chất lượng nước trong ao nuôi. Ngoài ra, thiết bị cần có thêm kết nối IoT để có thể theo dõi kết quả, thiết lập các chương trình quan trắc theo thời gian thực. Đó chính là cơ sở để Viện Khoa học Tài nguyên Môi trường và Biến đổi khí hậu triển khai thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị quan trắc môi trường nước nuôi trồng thủy sản tự hành ứng dụng kỹ thuật robot và kết nối IoT”.

Sản phẩm thuyền tự hành

TS. Vũ Trọng Bách – chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết: “Thiết bị quan trắc môi trường nước nuôi trồng thủy sản tự hành ứng dụng kỹ thuật robot và kết nối IoT là thiết bị có khả năng cơ động lấy mẫu xa bờ ở tọa độ xác định, ngoài ra thiết bị còn có khả năng tự hành theo quỹ đạo và thời gian thiết lập sẵn để quan trắc và báo cáo kết quả theo thời gian thực với kết nối IoT, gồm 3 bộ phận là thuyền tự hành, trung tâm điều khiển và tay điều khiển. Thiết bị đã được thử nghiệm khả năng tự hành và mức độ đáp ứng của ứng dụng điều khiển tại hồ Hóa An (Đồng Nai) và Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga – chi nhánh phía Nam, đánh giá độ bền của thuyền khi va chạm với chướng ngại vật tại Nhà máy Z114 (Tổng cục Công nghiệp quốc phòng).”.

Thuyền tự hành cơ động tự lấy mẫu nước trên hồ Hóa An

Theo mô tả nguyên lý hoạt động, thuyền tự hành sẽ dựa vào định vị GPS để di chuyển đến vị trí cần đo nhờ vào cơ cấu điều khiển động cơ của thuyền. Khi đến đúng vị trí cần quan sát, thuyền sẽ lấy mẫu nước để phân tích các giá trị mà cảm biến thu được: nhiệt độ, pH, hàm lượng ôxy hoà tan (DO), tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hoá học (COD).... Đồng thời dữ liệu thông số thu thập sẽ được gửi lên đám mây (cloud). Người dùng có thể sử dụng ứng dụng trên máy tính bảng Android (ứng dụng cho phép cài đặt các thông số và cài đặt ngưỡng báo của hệ thống) để xem các thông số theo thời gian thực, cũng như xem lịch sử thống kê các thông số đo trước đó, biểu đồ các giá trị cảm biến… Người dùng cũng có thể xem hành trình trực tiếp qua camera stream và ra lệnh điều khiển trên ứng dụng.

Thuyền tự hành có kích thước 1200x350x170 mm, nặng 15kg, đảm bảo quan trắc được các chỉ số theo Quy chuẩn QCVN 02-19:2014/BNNPTNT, tốc độ hành trình 5-10 km/h, tốc độ tối đa đạt đến 28km/h, cự ly điều khiển xa nhất đạt 500m (sử dụng sóng RF) hoặc toàn cầu (module IoT và sóng 4G), thời gian hoạt động liên tục lên đến 3,5 giờ và chiều sâu lấy mẫu tối đa là 60 cm. Ở chế độ điều khiển bằng tay, thuyền tự hành có thể thay đổi quỹ đạo theo ý người điều khiển, tín hiệu đáp ứng nhanh chóng với độ trễ không quá 1 giây, thực hiện quan trắc chất lượng nước tại các điểm dừng và báo kết quả về máy tính bảng theo lệnh từ bộ điều khiển, quá trình hoạt động không có hiện tượng nhiễu hoặc nhầm tín hiệu từ bộ điều khiển khác. Ở chế độ điều khiển tự động, thuyền tự hành chạy theo quỹ đạo đã xác định trên máy tính bảng, tín hiệu đáp ứng nhanh chóng với độ trễ không quá 1 giây, thực hiện quan trắc chất lượng nước tại mỗi điểm theo quỹ đạo và báo kết quả về máy tính bảng, còn kết quả đo được phần mềm xử lý gắn với thời gian thực và GPS thực. Khi có tín hiệu gọi về vị trí ban đầu (có thể thay đổi điểm quay về linh hoạt) bằng máy tính bảng hoặc tay điều khiển, thuyền tự hành đáp ứng tín hiệu với độ trễ không quá 1 giây.

Tay điều khiển và giao diện ứng dụng trên máy tính bảng

TS. Vũ Trọng Bách chia sẻ: “Nhóm thực hiện nhiệm vụ đã thực hiện thiết kế, chế tạo và hoàn thiệt thiết bị đẩy kiểu phụt nước cho thuyền tự hành. Ưu điểm của thiết bị đẩy là đảm bảo hoạt động an toàn khi thuyền tự hành di chuyển ở các vùng nước nông và không gây nguy hiểm cho động thực vật dưới nước, đảm bảo lực đẩy cho thuyền hoạt động ổn định ở vận tốc 35-40km/h, hoạt động tin cậy trong cả môi trường nước ngọt và nước biển, có thể hoạt động trong điều kiện bão cấp 6. Ngoài thiết bị đẩy kiểu phụt nước cho thuyền tự hành, nhóm thực hiện nhiệm vụ còn sáng tạo module lấy mẫu nước theo độ sâu bất kỳ (từ 5-60 cm) trên thuyền tự hành, nhờ vào bơm lưu lượng và hệ thống điều khiển có thể chạy theo lập trình hoặc chạy theo ý của người điều khiển ở các mốc thời gian và không gian khác nhau.”.

TS. Vũ Trọng Bách (bìa trái) báo cáo Hội đồng nghiệm thu cơ sở và trình diễn sản phẩm tại Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga – chi nhánh phía Nam

Rõ ràng, nhờ vào hiệu quả ứng dụng khoa học và công nghệ, với thiết lập thiết bị quan trắc môi trường nước nuôi trồng thủy sản tự hành ứng dụng kỹ thuật robot và kết nối IoT như trên, người dùng không những không tốn nhiều chi phí đầu tư cho các trạm quan trắc cố định mà còn rất linh hoạt, cơ động trong việc giám sát môi trường nước. Đây là sản phẩm phù hợp, có thể triển khai rộng rãi cho các hợp tác xã hoặc trang trại, hộ dân nuôi trồng thủy sản ở Cần Giờ nói riêng và cả nước nói chung. Đối với cơ quan quản lý Nhà nước, thiết bị hỗ trợ nhận kết quả quan trắc nhanh chóng ở khu vực chỉ định, lại không cần nhân công đi lấy mẫu tại các nơi xả thải, môi trường độc hại hoặc khu vực địa hình phức tạp.