Studium przypadku zastosowania czujników tlenu rozpuszczonego w napowietrzaniu precyzyjnym

I. Tło projektu: Wyzwania i szanse indonezyjskiej akwakultury

Indonezja jest drugim co do wielkości producentem akwakultury na świecie, a branża ta stanowi kluczowy filar jej gospodarki narodowej i bezpieczeństwa żywnościowego. Jednak tradycyjne metody hodowli, a zwłaszcza hodowla intensywna, stoją w obliczu poważnych wyzwań:

• Ryzyko niedotlenienia: W stawach o dużej gęstości, oddychanie ryb i rozkład materii organicznej pochłaniają duże ilości tlenu. Niedobór tlenu rozpuszczonego (DO) prowadzi do spowolnienia wzrostu ryb, zmniejszenia apetytu, zwiększonego stresu i może prowadzić do uduszenia i śmiertelności na dużą skalę, co skutkuje druzgocącymi stratami ekonomicznymi dla rolników.
• Wysokie koszty energii: Tradycyjne aeratory są często zasilane z generatorów diesla lub sieci i wymagają ręcznej obsługi. Aby uniknąć nocnego niedotlenienia, rolnicy często używają aeratorów nieprzerwanie przez długi czas, co prowadzi do ogromnego zużycia energii elektrycznej lub oleju napędowego i bardzo wysokich kosztów operacyjnych.
• Zarządzanie ekstensywne: Poleganie na doświadczeniu manualnym w ocenie poziomu tlenu w wodzie – na przykład obserwowanie, czy ryby „łapią” powietrze przy powierzchni – jest wysoce niedokładne. W momencie zaobserwowania „łapania powietrza” ryby są już silnie zestresowane, a rozpoczęcie napowietrzania w tym momencie często jest już za późno.

Aby rozwiązać te problemy, w Indonezji promuje się inteligentne systemy monitorowania jakości wody oparte na technologii Internetu rzeczy (IoT), w których kluczową rolę odgrywa czujnik rozpuszczonego tlenu.

II. Szczegółowe studium przypadku zastosowania technologii

Lokalizacja: Średniej lub dużej wielkości hodowle tilapi lub krewetek na obszarach przybrzeżnych i śródlądowych wysp poza Jawą (np. Sumatra, Kalimantan).

Rozwiązanie techniczne: Wdrożenie inteligentnych systemów monitorowania jakości wody zintegrowanych z czujnikami rozpuszczonego tlenu.

1. Czujnik tlenu rozpuszczonego – „narząd zmysłu” układu

• Technologia i funkcja: Wykorzystuje czujniki oparte na fluorescencji optycznej. Zasada działania polega na umieszczeniu warstwy barwnika fluorescencyjnego na końcówce czujnika. Po wzbudzeniu światłem o określonej długości fali barwnik fluorescencyjny ulega fluorescencji. Stężenie rozpuszczonego tlenu w wodzie wygasza (zmniejsza) intensywność i czas trwania fluorescencji. Pomiar tej zmiany pozwala precyzyjnie obliczyć stężenie tlenu rozpuszczonego (DO).
• Zalety (w porównaniu z tradycyjnymi czujnikami elektrochemicznymi):
  • Bezobsługowość: Nie ma potrzeby wymiany elektrolitów ani membran; odstępy między kalibracjami są długie, co wymaga minimalnej konserwacji.
  • Wysoka odporność na zakłócenia: Mniejsza podatność na zakłócenia wywoływane przez prędkość przepływu wody, siarkowodór i inne substancje chemiczne, dzięki czemu doskonale nadaje się do złożonych środowisk stawów.
  • Wysoka dokładność i szybka reakcja: zapewnia ciągłe i dokładne dane dotyczące stężenia tlenu w czasie rzeczywistym.

2. Integracja systemów i przepływ pracy

• Gromadzenie danych: Czujnik DO jest na stałe zainstalowany na krytycznej głębokości w stawie (często w obszarze najbardziej oddalonym od napowietrzacza lub w środkowej warstwie wody, gdzie DO jest zazwyczaj najniższe) i monitoruje wartości DO 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.
• Transmisja danych: Czujnik wysyła dane za pomocą kabla lub bezprzewodowo (np. LoRaWAN, sieć komórkowa) do rejestratora danych/bramy zasilanej energią słoneczną, znajdującego się na brzegu stawu.
• Analiza danych i inteligentne sterowanie: Bramka zawiera kontroler wstępnie zaprogramowany z górnym i dolnym progiem DO (np. rozpoczęcie napowietrzania przy stężeniu 4 mg/l, zatrzymanie przy stężeniu 6 mg/l).
• Automatyczne wykonanie: Gdy dane DO w czasie rzeczywistym spadną poniżej ustawionego dolnego limitu, sterownik automatycznie aktywuje aerator. Wyłącza aerator, gdy DO powróci do bezpiecznego górnego poziomu. Cały proces nie wymaga ręcznej interwencji.
• Zdalny monitoring: Wszystkie dane są jednocześnie przesyłane do platformy chmurowej. Rolnicy mogą zdalnie monitorować stan tlenu rozpuszczonego (DO) i historyczne trendy dla każdego stawu w czasie rzeczywistym za pośrednictwem aplikacji mobilnej lub pulpitu nawigacyjnego komputera, a także otrzymywać powiadomienia SMS o niskim poziomie tlenu.

III. Wyniki i wartość aplikacji

Wprowadzenie tej technologii przyniosło rewolucyjne zmiany indonezyjskim rolnikom:

1. Znacznie zmniejszona śmiertelność, zwiększone plony i jakość:
   • Precyzyjny monitoring 24/7 całkowicie zapobiega wystąpieniu niedotlenienia wywołanego nocą lub nagłymi zmianami pogody (np. gorącymi, bezwietrznymi popołudniami), co znacznie zmniejsza śmiertelność ryb.
   • Stabilne środowisko DO redukuje stres ryb, poprawia współczynnik wykorzystania paszy (FCR), sprzyja szybszemu i zdrowszemu wzrostowi, a ostatecznie zwiększa wydajność i jakość produktu.
2. Znaczne oszczędności energii i kosztów operacyjnych:
   • Przenosi działanie z „napowietrzania 24/7” na „napowietrzanie na żądanie”, zmniejszając czas pracy aeratora o 50%–70%.
   • Ma to bezpośredni wpływ na gwałtowny spadek kosztów energii elektrycznej lub oleju napędowego, co znacząco obniża ogólne koszty produkcji i zwiększa zwrot z inwestycji (ROI).
3. Umożliwia precyzję i inteligentne zarządzanie:
   • Rolnicy nie muszą już wykonywać pracochłonnego i niedokładnego zadania ciągłego sprawdzania stawów, szczególnie w nocy.
   • Decyzje podejmowane na podstawie danych pozwalają na bardziej naukowe planowanie karmienia, podawania leków i wymiany wody, umożliwiając nowoczesne przejście od „rolnictwa opartego na doświadczeniu” do „rolnictwa opartego na danych”.
4. Zwiększone możliwości zarządzania ryzykiem:
   • Dzięki alertom mobilnym rolnicy mogą natychmiast dowiedzieć się o nieprawidłowościach i reagować zdalnie, nawet gdy nie są na miejscu, co znacznie poprawia ich zdolność do zarządzania nagłymi zagrożeniami.

IV. Wyzwania i perspektywy na przyszłość

• Wyzwania:
  • Początkowy koszt inwestycji: Początkowy koszt czujników i systemów automatyki nadal stanowi poważną barierę dla drobnych, indywidualnych rolników.
  • Szkolenia techniczne i wdrażanie: Konieczne jest szkolenie tradycyjnych rolników, aby mogli zmienić stare praktyki i nauczyć się, jak obsługiwać i konserwować sprzęt.
  • Infrastruktura: Stabilne zasilanie i zasięg sieci na odległych wyspach są warunkiem koniecznym stabilnej pracy systemu.
• Perspektywy na przyszłość:
  • Oczekuje się, że koszty sprzętu będą nadal spadać w miarę rozwoju technologii i osiągania korzyści skali.
  • Dotacje i programy promocyjne rządu i organizacji pozarządowych (NGO) przyspieszą wdrażanie tej technologii.
  • Przyszłe systemy będą integrować nie tylko DO, ale także czujniki pH, temperatury, amoniaku, mętności i inne, tworząc kompleksowy „podwodny IoT” dla stawów. Algorytmy sztucznej inteligencji umożliwią w pełni zautomatyzowane, inteligentne zarządzanie całym procesem akwakultury.

Wniosek

Zastosowanie czujników tlenu rozpuszczonego w indonezyjskiej akwakulturze to przykład sukcesu. Dzięki precyzyjnemu monitorowaniu danych i inteligentnemu sterowaniu, skutecznie rozwiązuje ono główne problemy branży: ryzyko niedotlenienia i wysokie koszty energii. Technologia ta to nie tylko ulepszenie narzędzi, ale rewolucja w filozofii hodowli, która konsekwentnie prowadzi indonezyjski i światowy przemysł akwakultury w kierunku bardziej wydajnej, zrównoważonej i inteligentnej przyszłości.