https://www.hackster.io/taifur/biofloc-monitoring-system-powered-by-wio-terminal-b22b43
Donanım bileşenleri
Wio Terminal x1
Grove ORP Sensörü x1
Grove PH Sensörü x1
Grove EC Sensörü x1
Grove DHT11 Sensörü x1
Hikaye
800 milyondan fazla insanın kronik yetersiz beslenme çektiği ve dünya nüfusunun 2050 yılına kadar 2 milyar daha artarak 9.6 milyara ulaşmasının beklendiği bir dünyada, gezegenimizi besleme ve doğal kaynaklarını gelecek nesiller için koruma gibi büyük bir zorluğun üstesinden gelmek önemlidir. Bu bağlamda, su ürünleri yetiştiriciliği açlığı ortadan kaldırmada, sağlığı teşvik etmede, yoksulluğu azaltmada ve istihdam ile ekonomik fırsatlar yaratmada önemli bir rol oynamaktadır. FAO’ya göre, dünya gıda balığı su ürünleri yetiştiriciliği üretimi 2000-2012 döneminde ortalama yıllık %6.2 oranında artarak 32.4 milyon tondan 66.6 milyon tona yükselmiştir; bu süreçte Afrika %11.7, Latin Amerika ve Karayipler %10, Asya (Çin hariç) %8.2 ve Çin %5.5 oranında büyümüştür. Sektördeki istihdam, dünya nüfusundan daha hızlı bir şekilde artmıştır. Sektör, on milyonlarca insana iş sağlamakta ve yüz milyonlarca insanın geçimini desteklemektedir. Balık, dünya genelinde en çok ticareti yapılan gıda maddelerinden biri olmaya devam etmektedir. Bu, özellikle gelişmekte olan ülkeler için önemlidir ve bazen ticaret edilen ürünlerin toplam değerinin yarısını oluşturmaktadır.
Biofloc teknolojisi (BFT) su ürünleri yetiştiriciliğinde yeni “mavi devrim” olarak kabul edilmektedir. Bu teknik, su içinde mikroorganizma üretimine dayanmakta ve üç ana rol oynamaktadır: (i) su kalitesinin korunması, in situ mikrobiyal protein üreterek azot bileşenlerinin alınması; (ii) beslenme, yem dönüşüm oranını (FCR) azaltarak ve yem maliyetlerini düşürerek kültürün uygulanabilirliğini artırmak; ve (iii) patojenlerle rekabet. Agregatlar (biofloclar), organik madde, fiziksel altlık ve geniş bir mikroorganizma yelpazesi arasındaki karmaşık etkileşim nedeniyle günde 24 saat mevcut olan zengin protein-lipit doğal bir gıda kaynağıdır. Bu doğal üretkenlik, besinleri geri dönüştürme ve su kalitesini koruma konusunda önemli bir rol oynamaktadır.
Biofloc teknolojisi (BFT), in situ mikroorganizma üretimine dayanan çevre dostu bir su ürünleri yetiştiriciliği tekniğidir. Balık ve karides, yoğun bir şekilde (metrekare başına en az 300 g biyokütle ile sıfır veya minimum su değişimi ile) yetiştirilmektedir. Ayrıca, makroagregat (biofloc) oluşumunu teşvik etmek için su sütununda sürekli su hareketi gereklidir. Suda bulunan besinler (12-20:1 oranında bilinen karbon-azot oranına göre) doğal olarak heterotrofik mikropların oluşumuna ve stabilizasyonuna katkıda bulunacaktır. Bu mikroorganizmalar üç ana rol oynamaktadır: (i) su kalitesinin korunması, in situ mikrobiyal protein üreterek azot bileşenlerinin alınması; (ii) beslenme, yem dönüşüm oranını (FCR) azaltarak ve yem maliyetlerini düşürerek kültürün uygulanabilirliğini artırmak; ve (iii) patojenlerle rekabet.
BFT’deki ana su kalitesi parametreleri
Herhangi bir su ürünleri yetiştiriciliğinde su kalitesinin korunması ve izlenmesi, büyüme döngülerinin başarısını hedefleyen temel uygulamalardır. Sıcaklık, çözünmüş oksijen (DO), pH, tuzluluk (EC), ORP, katı maddeler [toplam askıda katı maddeler (TSS) ve çökelti katı maddeler], alkalinite ve ortofosfat, özellikle BFT’de sürekli izlenmesi gereken parametrelerden bazılarıdır. Su kalitesi parametrelerinin anlaşılması ve BFT’deki etkileşimleri, üretim döngüsünün doğru gelişimi ve bakımı için kritik öneme sahiptir. Örneğin, pH, DO, EC, toplam amonyak azotu (TAN), katı maddeler ve alkalinite için güvenli aralıklar, sağlıklı büyümeyi sağlayacak ve ölümleri önleyecektir.
PH Seviyesi
pH, suyun asidik mi yoksa bazik mi olduğunu ölçen bir değerdir. Balıkların ortalama kan pH’ı 7.4’tür, bu nedenle bu değere yakın bir pH’a sahip havuz suyu optimumdur. Kabul edilebilir aralık 6.5 ile 9.0 arasındadır. Balıklar, pH’ı 4.0 ile 6.5 ve 9.0 ile 11.0 arasında olan sularda stres yaşayabilirler. pH 6.5’in altında olan sularda balık büyümesi sınırlıdır ve pH 5.0’ın altında üreme durur ve yavrular ölebilir. pH 4.0’ın altında veya 11.0’ın üzerinde ölüm neredeyse kesindir. BFT’de su pH’ı gün boyunca dalgalanır. Genellikle, pH akşam en yüksek, sabah en düşük seviyededir. Bunun nedeni, gece solunumunun karbondioksit konsantrasyonlarını artırması ve bu gazın su ile etkileşime girerek karbonik asit üretmesi ve pH’ı düşürmesidir. Bu, balık kanının oksijen taşıma yeteneğini sınırlayabilir.
Alkalinite, suyun pH değişikliklerine karşı direnç gösterme yeteneğidir ve havuz suyundaki toplam baz konsantrasyonunu ölçer; bu, karbonatlar, bikarbonatlar, hidroksitler, fosfatlar ve boratlar dahil olmak üzere bazları içerir. Bu bazlar asitlerle etkileşime girerek nötralize eder ve pH değişikliklerini tamponlar. Karbonatlar ve bikarbonatlar, alkalinitenin en yaygın ve önemli bileşenleridir. İyi havuz verimliliği için en az 20 ppm toplam alkalinite gereklidir. Yüksek alkaliniteye ve benzer sertlik seviyelerine sahip su, nötr veya hafif bazik bir pH’a sahiptir ve geniş dalgalanmalar göstermez.
ORP
Bu, Oksidasyon-İndirgeme Potansiyeli (veya bazı bölgelerde Redox Potansiyeli) için bir kısaltmadır. Temelde, ORP, suyun temizliğinin bir ölçüsüdür ve suyun içindeki kirlilik veya kirleticilerin bir fonksiyonudur. Kirleticiler, çözünmüş Organik Bileşikler (veya DOC’ler) olarak bilinir ve geleneksel mekanik filtrasyon ile sudan çıkarılamayacak kadar küçük ve ince maddelerdir.
Bir ORP (ORP, Oksidasyon İndirgeme Potansiyeli anlamına gelir) ölçüm cihazı tarafından verilen sayı, havuzun kirlilik seviyelerinin doğrudan bir göstergesidir. Diğer su kalitesi okumalarımızın çoğunun aksine, daha düşük sayılar kötü, daha yüksek sayılar ise iyidir. 150’nin altındaki okumalar, önemli iyileştirmelere ihtiyaç duyan bir havuzu gösterir. 250-400 aralığı sağlıklı havuzların aralığıdır ve iyi balık büyümesini teşvik eden koşulları yansıtır. 475 ile 550 arasındaki yüksek sayılar, parazitleri öldürmesi gereken aktif Potasyum Permanganat kullanımını yansıtır.
ORP okumaları, filtrasyonunuzun düzgün çalışıp çalışmadığını veya daha fazla filtrasyona ihtiyaç duyup duymadığınızı belirlemenize yardımcı olabilir. 150’nin altındaki okumalar, havuz filtrasyonunda önemli iyileştirmelerin bir an önce yapılması gerektiğini gösterir, aksi takdirde büyük balık sağlığı sorunları ortaya çıkabilir. 150 ile 200 arasındaki okumalar, balık sağlığının marjinal olmayacağını gösterir; yeşil su ve sümüksü alglerin genellikle meydana geldiği bir durumdur, özellikle UV ışıkları yoksa. 200 ile 250 arasındaki okumalar, balık sağlığının genellikle iyi olacağını, ancak optimum olmayacağını ve ipliksi algler veya örtü otu gibi sorunların genellikle ortaya çıkacağını gösterir. 250 ile 400 arasındaki okumalar, iyi ile mükemmel su kalitesini yansıtır ve su kalitesi kontrolü ile balık sağlığı sorunlarının önlenmesini sağlar. Bu aralığın üst kısmı, güvenilir bir şekilde iyi balık sağlığı ve hızlı balık büyümesi için tercih edilir.
EC (Elektriksel İletkenlik)
EC veya suyun Elektriksel İletkenliği, elektrik akımını iletme yeteneğidir. Suda çözünebilen tuzlar veya diğer kimyasallar, pozitif ve negatif yüklü iyonlara ayrışabilir. Suda bulunan bu serbest iyonlar elektriği ilettiğinden, suyun elektriksel iletkenliği iyonların konsantrasyonuna bağlıdır. Tuzluluk ve toplam çözünmüş katılar (TDS) su EC’sini hesaplamak için kullanılır ve bu, suyun saflığını göstermeye yardımcı olur. Su ne kadar saf olursa, iletkenliği o kadar düşük olur.
Su iletkenliğini etkileyen başlıca pozitif yüklü iyonlar sodyum, kalsiyum, potasyum ve magnezyumdur. Başlıca negatif yüklü iyonlar ise klorür, sülfat, karbonat ve bikarbonattır. Nitratlar ve fosfatlar, iletkenliğe az katkıda bulunan ancak biyolojik olarak çok önemli olan maddelerdir. Suda EC’yi etkileyen doğal faktörler yağmur, jeoloji ve buhardır. İnsan etkileri arasında yol tuzu, septik/çöp sahası sızıntısı, su geçirmez yüzey akıntısı ve tarımsal akıntı yer alır.
Su kirliliğe, kontaminasyona veya safsızlıklara maruz kaldığında, o suyun EC’sinde bir değişiklik göreceğiz; çünkü çözünmüş maddeler EC seviyesini artırır. Bu nedenle, EC suyun kirliliği hakkında iyi bir gösterge olabilir. Ancak, deniz suyundaki tuz gibi safsızlıkların, suyun büyük miktarda çözünmüş tuz içermesi nedeniyle çok yüksek EC okumalarına neden olduğunu belirtmek gerekir. Bunun nedeni, tuzun çözündüğünde iyonlara (elektriksel olarak yüklü atomlara) ayrışmasıdır.
İletkenlik genellikle mikroSiemens (µS/cm) cinsinden ölçülür ve okumalar genellikle 30 µS/cm ile 2000 µS/cm arasında değişir. Örneğin, deniz suyu yaklaşık 50,000 µS/cm okumasına sahip olacaktır. İlginç bir gerçek, suyun sıcaklığı arttığında iletkenliğin de artmasıdır; bu nedenle EC genellikle 25°C’de kaydedilir ve sıcaklık ile EC aynı anda kaydedilir. EC için bir diğer ölçüm birimi mS/cm veya milisiemens/metre cinsindendir. 1 mS/cm = 1000 µS/cm’dir ve genellikle daha yüksek EC seviyeleri (örneğin 2000 µS/cm veya daha fazla) için mS/cm olarak gösterilen ölçümler bulacaksınız.
TDS
Toplam Çözünmüş Katı Maddeler (TDS), sıvıda çözünmüş olan maddelerin miktarını ifade eder. Bu maddeler tuzlar, mineraller, metaller, kalsiyumlar ve hem organik hem de inorganik olabilen diğer bileşenleri içerebilir. Basit terimlerle, TDS, suda bulunan ve saf su olmayan, askıda olmayan katı maddeleri ifade eder. TDS’yi belirlemenin en yaygın yöntemi, suda iyonların varlığını tespit etmek için spesifik iletkenliği ölçmektir (EC). EC belirlendikten sonra, TDS’yi belirlemek için bir dönüşüm faktörü uygulanır (genellikle ölçümü yapan cihaz tarafından). Dönüşüm faktörü, test ettiğiniz örneğe bağlı olarak değişecektir; dönüşüm faktörleri genellikle 0.4 – 1.0 arasında değişir. Ancak bu yöntem, TDS seviyelerini yalnızca tahmin eder.
TDS genellikle milyon başına parça (ppm) cinsinden ölçülür, ancak mg/L cinsinden de ölçülebilir. Genel olarak, iyi kalitede su 0 ile 600 ppm arasında yer alır ve 1200 ppm üzerindeki okumalar genellikle tatmin edici olmayan bir TDS seviyesi olarak kabul edilir.
IoT Tabanlı Sıcaklık, pH, ORP ve EC İzleme Sistemi
Yukarıda belirtilen herhangi bir parametreyi ölçmek için ticari bir ölçüm cihazı almanız ve verileri manuel olarak ölçüp kaydetmeniz gerekecek. Ancak sürekli izleme ve takip için bir IoT tabanlı çözüme ihtiyaç vardır. Bu eğitimde, sürekli izleme için nasıl bir IoT tabanlı özel çözüm yaptığımı göstereceğim.
sıcaklık, pH, EC ve ORP. Tüm Grove sensörleri ile arayüz oluşturmak için Wio Terminal kullandım. Veriler, Wio terminalinin ekranından ve bir Android uygulamasından görselleştirilebilir. Herhangi bir parametre tatmin edici seviyeye ulaştığında bir uyarı oluşturulacak ve Wio terminalinin zili çalacaktır. Ayrıca mobil telefonunuza bir bildirim alacaksınız. Verileri Wio terminalinden mobil uygulamaya göndermek için MQTT kullanılacaktır.
Donanım Toplama
Projem için Seeed studio’dan tüm Grove sensörlerini kullandım. Sensörler Wio terminali ile arayüzlendi. Proje, paralel bağlı iki 18650 li-ion hücre ile besleniyordu. Bataryanın çıkışı 3.7V’dur ve bu voltaj bir yükseltici dönüştürücü kullanılarak 5V’a yükseltildi.
Tüm bileşenler çift taraflı bir perforje kart aracılığıyla bağlandı. Wio terminalini yerleştirmek için çift hatlı pin başlığı lehimlendi. Grove konnektörleri breadboard ile uyumlu değildir. Bu nedenle kabloyu ortadan kestim ve breadboard’a lehimledim.
Sensörleri yerleştirmek için özel bir 3D baskılı taban yaptım. PCB’nin BNC portu tabana kolayca bağlanabilir.
Taban, perforje kart ile sıkı bir şekilde bağlanmıştır.
Sensör PCB’si, sensörle birlikte gelen somun ile tabana bağlanmıştır.
Daha sonra sensörü kablo ile PCB’ye bağladım.
Wio terminalinde iki yerleşik grove konnektörü bulunmaktadır ve bunlardan biri analog giriş için kullanılabilir. Bu nedenle, Wio terminalinin bir yerleşik konnektörünü bir sensör için kullandım. Diğer iki sensör, Wio’nun alt tarafındaki 40 pinli Pi konnektörü aracılığıyla bağlandı.
Daha sonra sensör probunu sensör devresine BNC portu ile bağladım.
Son donanım aşağıdaki gibi görünmektedir.
Tüm sensörleri ve bataryayı bağladıktan sonra cihaz hazırdır, ancak öncelikle Wio terminaline programı yüklemeniz gerekir. Program taslağı kod bölümüne eklenmiştir. Ancak programı yüklemeden önce, Wio terminalini ilk kez kullanıyorsanız, başlangıç kılavuzunu okumanızı öneririm. Resmi başlangıç kılavuzu burada.
Wi-Fi kullandığımız için Wio terminalinin kablosuz çekirdek yazılımını güncellemeniz gerekir. Daha fazla bilgi için buradan öğrenebilirsiniz.
Programı yükledikten sonra cihazı bir arkadaşımın Biofloc tesisinde test etmek için yerleştirdim. Veriler, Wio’nun TFT ekranından ve Android uygulamasından görselleştirilebilir. Sensörlerden doğru sonuç almak için sensörleri kalibre etmeniz gerekebilir. Kalibrasyon süreci için sensörün veri sayfasına bakın.
Kod
Wio terminali için program Arduino ortamında geliştirilmiştir. Taslak birkaç bölümden oluşmaktadır. Bir parça, tüm sensörleri okumaktan sorumludur. Bir parça, bilgileri TFT’de görüntülemekten sorumludur. İki tür grafik arayüz geliştirilmiştir. Wio terminalinin yerleşik A ve B düğmesine basarak grafik görünümünü değiştirebilirsiniz. Kodun bir diğer bölümü, sensör verilerini MQTT aracısına göndermekten sorumludur. Kodunuzu doğru bir şekilde derlemek için bazı harici kütüphaneler eklemeniz gerekir. Ayrıntılar için kodu takip edin.
Android Uygulaması
MQTT aracısından gelen verileri görselleştirmek için bir MQTT gösterge paneli gereklidir, birçok MQTT gösterge paneli mevcuttur, ancak biz IoT MQTT Panel adlı bir Android Mobil Uygulama kullanacağız. IoT MQTT Panel hakkında ayrıntılar için buradan bu harika kılavuzu takip edebilirsiniz.
Aşağıdaki resim, uygulama yapılandırmasının çıktısını göstermektedir. pH için Dikey Ölçer, ORP ve EC için Gösterge, Sıcaklık ve Nem için Çizgi Grafiği seçtim.
IoT MQTT Panel’i yükledikten sonra öncelikle MQTT aracısının bağlantısını yapılandırmanız gerekir. Test için mevcut birkaç MQTT aracı bulunmaktadır. Taslakta ve uygulamada aynı aracı kullanmalısınız. Ben açık bir aracı (broker.mqtt-dashboard.com) kullandım. Bu nedenle, uygulamadaki bağlantınızı aşağıdaki resme göre yapılandırın.
Bağlantıyı yapılandırdıktan sonra, veri görselleştirmesi için bir panel ayarlamanız gerekir. Birçok görünüm mevcuttur. Seçiminize göre türü seçebilirsiniz. Aşağıdakileri seçtim.
Çalışmadan önce her paneli ayarlamanız gerekir. Panelin konu adına dikkat edin. Her verinin ayrı bir konu adı vardır ve taslakta kullanılan aynı konuyu kullanmalısınız.
Özel parçalar ve muhafazalar
Şemalar
