I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 ,   p p .   488 ~ 504   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 1 6 i 1 . pp 4 8 8 - 5 0 4           488       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Artif i cia l int e llig ence of  things   so lu tion for  S pirulina     cultiva tion co ntro l       Abdelk a rim   E lba a t i 1, 2 ,   M a riem   K o bb i 2 ,   J ihene A f li 2 ,   Abdelra him   Chih a 2 ,   Ria dh   H a j   Am o r 3   B ilel   Nej i 4 ,   T a ha   B ey ro uthy 4 ,   Yo us s ef   K richen 5 ,   Adel  M .   Alim i 1, 6   1 R e s e a r c h   G r o u p i n   I n t e l l i g e n t   M a c h i n e s (R e G I M   La b ) ,   N a t i o n a l   E n g i n e e r i n g   S c h o o l   o f   S f a x   ( EN I S ) ,   U n i v e r s i t y   o f   S f a x ,   S f a x ,   T u n i s i a   2 H i g h e r   I n st i t u t e   o f   A p p l i e d   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y   o f   M a h d i a ,   U n i v e r s i t y   o f   M o n a st i r ,   M a h d i a ,   T u n i s i a   3 I A P a r i s - S o r b o n n e   B u si n e ss Sc h o o l ,   P a r i s ,   F r a n c e   4 C o l l e g e   o f   E n g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   A meri c a n   U n i v e r s i t y   o f   t h e   M i d d l e   E a st ,   E g a i l a ,   K u w a i t   5 B i o   A l g u e s   T u n i si e ,   K s o u r   Essef ,   T u n i s i a     6 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g   S c i e n c e ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g   a n d   t h e   B u i l t   E n v i r o n m e n t ,     U n i v e r si t y   o f   Jo h a n n e s b u r g ,   Jo h a n n e s b u r g ,   S o u t h   A f r i c a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 8 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Oct  2 0 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   No v   2 3 ,   2 0 2 5       In   t h e   e v o lv i n g   field   o f   S p ir u li n a   c u lt i v a ti o n ,   th e   i n teg ra ti o n   o t h e     in tern e o t h i n g (I o T)   h a fa c il it a ted   th e   o p ti m iza ti o n   o f   sp ir u li n a   g r o wth   a n d   si g n ifi c a n t ly   e n h a n c e d   b i o m a ss   y ield   i n   t h e   c u l tu re   m e d i u m .   Th is  st u d y   o u tl i n e a   c o n t ro l   o p e n - p o n d   sy s tem   fo r   S p ir u li n a   c u lt iv a ti o n   t h a t   e m p lo y g e n e ra ti v e   a rti ficia i n telli g e n c e   ( AI )   a n d   e d g e   c o m p u t in g   with in   a n   Io T   fra m e wo rk .   Th is  tran sf o rm a ti v e   a p p ro a c h   m a in tai n o p ti m a c o n d it io n a n d   a u to m a tes   tas k trad it io n a ll y   m a n a g e d   th r o u g h   lab o r - in ten si v e   m a n u a p ro c e ss e s.  Th e   sy ste m   is  d e sig n e d   to   d e tec t,   a c q u ire,  a n d   m o n it o b a sin   d a ta  v ia  e lec tro n ic  d e v ice s,  wh ich   is  th e n   a n a ly z e d   b y   a   lar g e   lan g u a g e   m o d e l   (LL M t o   g e n e ra te  p re c ise ,   c o n tex t - a wa re   re c o m m e n d a ti o n s   b a se d   o n   d o m a in - sp e c ifi c   k n o wle d g e .   Th e   fin a o u t p u c o m p rise S M S   n o ti fica ti o n s   se n to   t h e   fa rm   m a n a g e r,   c o n tain in g   th e   g e n e ra t e d   re c o m m e n d a ti o n s,  wh ich   k e e p   t h e m   in f o rm e d   a n d   e n a b le  ti m e ly   in terv e n ti o n   wh e n   n e c e ss a ry .     To   e n su re   c o n ti n u e d   a u to n o m o u o p e ra ti o n   in   c a se   o f   c o n n e c ti v it y   l o ss ,     p re - train e d   T in y M m o d e ls  we r e   in teg ra ted   in t o   t h e   Ra sp b e rry   P i.   T h e se   m o d e ls  d isp lay   a larm   sig n a ls  t o   a lert  th e   fa rm   o wn e to   a n y   irre g u lariti e s,   th e re b y   m a in tai n in g   sy ste m   sta b il it y   a n d   p e rfo rm a n c e .   Th is  sy ste m   h a su b sta n ti a ll y   imp ro v e d   th e   g ro wt h   ra te,  b i o m a ss   y ield ,   a n d   n u tr ien c o n ten t   o S p iru l in a .   T h e   re su lt h i g h li g h t h e   p o ten ti a o t h is  sy ste m   t o   tran sfo rm   S p iru li n a   c u lt iv a ti o n   b y   o ffe ri n g   a n   a d a p ta b le,  a u t o n o m o u s s o lu ti o n .   K ey w o r d s :   AI o T   E d g co m p u tin g   L ar g lan g u ag m o d el   R ea l - tim s y s tem s   Sp ir u lin cu ltiv atio n   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ab d elk ar im   E lb aa ti    R e s ea r ch   Gr o u p s   in   I n tellig e n t M ac h in es ( R eGI M   L ab ) ,   Nati o n al  E n g i n ee r in g   Sch o o o f   Sf ax   ( E NI S),   Un iv er s ity   o f   Sfa x   Sfa x ,   T u n is ia    E m ail: a b d elk ar im . elb aa ti@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Sp ir u lin ( A r th r o s p ir a   p la ten s is )   is   b lu e - g r ee n   alg ae   [ 1 ]   r e co g n ized   f o r   its   n u tr itio n al  b en ef its   an d   h ig h   p r o tein   co n ten ( 5 0 % - 7 0 o f   d r y   weig h t)   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   I n   ad d itio n   to   its   r ic h   s o u r ce   o f   v itam in s ,   m in er als,  an d   b io ac tiv c o m p o u n d s   s u ch   as  ca r o ten o id s   [ 4 ] ,   [ 5 ]   an d   a n tio x id an ts ,   it  is   u s ed   in   f o o d ,   co s m etics,  an d   as  d ietar y   s u p p lem e n t,  ev en   s u p p o r tin g   astro n au ts   o n   lo n g   s p ac m is s io n s   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   D u to   its   well - es tab lis h ed   co m m er cial  p r o d u ctio n ,   Sp ir u lin is   cu ltiv ated   i n   s ev er al   c o u n tr ies,  in cl u d in g   th e   Un ite d   States ,   T h ailan d ,   C h in a,   I n d ia,   T aiwa n ,   Pak is tan ,   an d   B u r m [ 8 ] .   Ad d itio n all y ,   ef f ec tiv m a n ag em e n o f   s p ir u lin cu ltiv atio n   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A r tifi cia i n tellig en ce   o t h in g s   s o lu tio n   fo r   S p ir u lin a   cu ltiva tio n   co n tr o l   ( A b d elka r im  E lb a a ti )   489   n ec ess ar y   to   ac h iev h ig h   y ield s   an d   p r o d u ce   q u ality   p r o d u ct.   Am o n g   th m an y   c u ltiv atio n   m eth o d s ,   th r ee   ar p ar ticu lar l y   p o p u lar :   o p e n - p o n d   s y s tem s   [ 9 ] ,   p h o to b io r ea cto r s   ( PB R s )   [ 1 0 ] ,   an d   h o m cu ltiv atio n   k its .   Fig u r 1   s h o ws  ea ch   o f   th th r ee   s y s tem s   u s ed   f o r   th cu ltiv atio n   o f   Sp ir u lin a.   Op en - p o n d   s y s tem s ,   as  s h o wn   in   Fig u r 1 ( a) ,   a r th m o s wid ely   u s ed .   T y p ically ,   th ese   s y s tem s   u tili ze   tan k s   th at  ex p o s Sp ir u lin t o   n atu r al  s u n lig h t,  th er eb y   r ed u cin g   in v estme n an d   m ain ten an ce   co s ts .   T h ese  s y s tem s   ar n o tab le  f o r   th ei r   s ca lab ilit y   an d   s im p licity ,   wh ich   m ak th em   p a r ticu lar ly   well - s u ited   s o lu tio n   f o r   f ar m e r s .   Ho wev er ,   th ese  s y s tem s   ar p r o n e   to   c o n tam i n atio n   an d   s u d d en   ch an g es  in   en v ir o n m en tal   co n d itio n s .   Fig u r 1 ( b )   illu s tr ates  p h o to b i o r ea cto r s   ( PB R s ) ,   wh ich   u s m o r c o n tr o lled   a p p r o ac h   with   clo s ed   s y s tem s ,   s u ch   as  tu b u lar ,     f lat - p an el,   o r   co lu m n ar   c o n f ig u r atio n s .   T h is   m eth o d   ca r e f u ll y   co n tr o ls   lig h t,   tem p er at u r e,   an d   n u tr ien t   s u p p ly .   T h er ef o r e,   th er is   r ed u ctio n   in   co n tam in atio n   r is k   an d   a   co n tin u o u s   co n tr o lled   p r o d u c tio n   o f   th p r o d u ct   th r o u g h o u t   th y ea r .   T h is   is   also   wid ely   ap p lied   in   h i g h - p r o d u ctio n   an d   q u ality   s p ir u lin a,   wh ich   r e q u ir es  a   h ig h er   in itial  in v estme n a n d   ass o ciate d   r u n n in g   m ain ten a n ce .   Ho m e   cu ltiv atio n   k its   a r u s ed   f o r   in d o o r   cu ltiv atio n   in   h o m s ettin g s   a n d   co m with   b asic  en v ir o n m en tal  co n tr o ls   to   s im p lify   th g r o win g   p r o ce s s   f o r   in d iv id u als an d   s m all - s ca le  g r o wer s ,   as illu s tr ated   in   Fig u r 1 ( c) .   T y p ically ,   Sp ir u lin is   cu ltiv at ed   in   o p e n   p o n d s   an d   th e n   tr a n s f er r ed   to   PB R s   f o r   later   g r o wth   s tag es,  lev er ag in g   t h co s t - ef f ec tiv en ess   o f   o p en   p o n d s   an d   th h i g h   p r o d u ctiv ity   a n d   co n tr o o f   PB R s .   E f f icien m an ag em en a n d   co n tr o o f   Sp ir u lin cu ltiv atio n   th r o u g h   th ese  m eth o d s   en s u r h ig h - q u ality   p r o d u ctio n ,   r ein f o r cin g   Sp ir u lin a’ s   v iab il ity   an d   v alu as  a   n u tr ien t - d en s f o o d   s o u r ce   an d   s u s ta in ab le  s o lu tio n   f o r   n u tr ac eu tical  ap p licatio n s .             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r 1 .   Dif f e r en t m eth o d s   to   cu ltiv ate  Sp ir u lin ( a )   o p e n   p o n d   s y s tem s ,   ( b )   p h o to b io r ea c to r s   ( PB R s ) ,     an d   ( c)   h o m e   cu ltiv atio n   k its       Fu r th er m o r e ,   in   o p en - p o n d   s y s tem s ,   m an u al  co n tr o o f   k e y   p ar am eter s   s u ch   as  p H,   tem p e r atu r e,   an d   n u tr ien c o n ce n t r atio n s   is   la b o r io u s   an d   p r o n e   to   h u m a n   er r o r ,   lead in g   to   v a r iatio n s   in   g r o wth   r ates,  d if f er en ce s   in   q u ality ,   an d   in cr ea s ed   o p er atio n al  co s ts .   T o   ad d r ess   th ese  lim itat io n s ,   th is   s tu d y   p r o p o s es  an   ar tific ial  in tellig en ce   o f   th in g s   ( AI o T )   - en ab led   s o lu tio n   th at  en ab les  p r ec is m o n it o r in g ,   a u to n o m o u s   r eg u latio n ,   an d   o p tim izatio n   o f   g r o wth   co n d itio n s   to   en h an ce   b io m ass   y ield   an d   n u tr ien co n ten t.  T h e   p r o p o s ed   s y s tem   in teg r ates  s en s o r s   en ab led   with   I o T ,   r ea t im d ata  an aly tics ,   an d   m ac h i n lear n in g   m o d els   to   co n tr o k e y   p a r am eter s   s u c h   as  tem p er at u r e,   p H,   an d   n u t r ien lev els.  I a p p lies   au to m a tio n   an d   AI - b ased   in s ig h ts   to   r ed u ce   th ch an ce s   o f   r is k s   lin k ed   to   h u m an   er r o r ,   en s u r th b est  co n d itio n s   f o r   g r o wth ,   an d   p r o v id e   r em o te   m an ag e m en t.   Mo r eo v e r ,   th is   wo r k   ad d r ess es  k ey   lim itatio n s   o f   ex is tin g   s y s tem s ,   s u ch   as  u n s tab le  in ter n et  co n n ec tiv ity   in   co astal r eg io n s   an d   th lack   o f   au to n o m o u s   o p e r atio n   d u r i n g   n etwo r k   lo s s .     T h is   wo r k   is   o r g a n ized   as  f o l lo ws:   Sectio n   2   r e v iews  r elate d   wo r k s   an d   co m p a r es  th em   with   o th er   ar ticles.  Fu r th er m o r e,   s ec tio n   3   ex p lo r es th b ac k g r o u n d   o f   Sp ir u lin a,   h ig h lig h tin g   its   im p o r tan ce   an d   o p tim al   g r o wth   r eq u ir em en ts .   Sectio n   4   d is cu s s es  th p r o ject  p r o ce s s ,   in clu d in g   th d escr ip tio n   o f   t h d ata  s et  an d   th d ata  p r o ce s s in g   f r o m   c o llectio n   to   a n aly s is .   Nex t,  in   s ec tio n   5 ,   we  p r esen co m p lete  s y s tem   o v er v iew  th at   ex p lain s   th p r o p o s ed   s y s tem   an d   th d ata  f lo d iag r am   t o   f u lly   g r asp   th g e n er al  o p er ati o n s   o f   th e   s y s tem .   Sectio n   6   elab o r ates  o n   th r e s u lts   o f   th is   s y s tem ,   f o llo wed   b y   d is cu s s io n   an d   co n cl u s io n   in   s ec tio n s   7   an d   8 ,   r esp ec tiv ely .       2.   RE L AT E DWO RK S   I n   r ec en y ea r s ,   s ev er al  wo r k s   h av s h o wca s ed   th p o ten tial  o f   I o T   in   en h a n cin g   Sp ir u lin a   cu ltiv atio n .   R esear ch   h as  f o cu s ed   o n   th im p lem en tatio n   o f   tech n o lo g y   to   im p r o v Sp ir u lin cu ltiv atio n .   I n itially ,   we  ex p lo r ed   g en er al   in f o r m atio n   u s in g   th k e y wo r d   “Sp ir u lin cu ltiv atio n ”.   As  we  n ar r o wed   o u r   f o cu s   to   I o T   an d   A I   ap p licatio n s   f o r   r ea l - tim m o n ito r i n g   an d   au to m atio n ,   we  f ilter ed   o u t p ap er s   o n   Sp ir u lin a   cu ltiv atio n   s y s tem s   o r   in clu d e d   ch ap ter   d is cu s s in g   Sp ir u lin cu ltiv atio n   s y s tem s .   Of   th ese,   5   p ap er s   wer Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   4 8 8 - 504   490   th m o s r elate d .   T h is   s ec tio n   will  d is cu s s   ea ch   p r o p o s al   an d   c o m p ar e   it  with   o u r   s o lu tio n   as  s h o wn   in   T ab le  1 .   Aq u in o   et  a l.   [ 1 1 ]   p r esen t   v is io n - b ased   cl o s ed   Sp ir u li n a   cu ltiv atio n   s y s tem   in teg r atin g   R GB /lu x   s en s o r s   with   p an d   tem p er at u r m o n ito r i n g ,   co m b in ed   with   an   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   ( ANN)   f o r   g r o wt h   p r ed ictio n .   T h is   m eth o d   en ab les  r eliab le  esti m atio n   o f   ce ll   d en s ity   with o u d ir ec s am p l in g .   Similar   to   th e   p r o p o s ed   s y s tem ,   it a p p lies   s en s o r - d r iv e n   m o n ito r in g   to   im p r o v Sp ir u lin a   g r o wth .   Ho wev er ,   wh ile  it p r ed icts   b io m ass   tr en d s ,   it  lack s   ad ap tiv d ec is io n - m ak in g .   B y   co n tr ast,  th p r o p o s ed   f r am ewo r k   em p lo y s   g en er ativ e   ar tific ial  in tellig en ce   ( AI )   an d   T in y ML   t o   n o o n ly   p r ed ict  b u also   g en e r ate  co n tex t - awa r r ec o m m e n d atio n s   an d   en a b le  au to n o m o u s   co n tr o l.       T ab le  1 .   C o m p a r ativ ev alu ati o n   o f   Sp ir u lin c u ltiv atio n   s y s tem s   ( I o T ,   AI ,   a n d   AI o T   ap p r o ac h es)   M e t r i c   A   v i s i o n - b a s e d   c l o s e d   s p i r u l i n a   ( a .   p l a t e n s i s )   c u l t i v a t i o n   s y s t e m   w i t h   g r o w t h   m o n i t o r i n g   u s i n g   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   [ 1 1 ]   ( 2 0 1 8 )   S m a r t   m i c r o   f a r m :   S u s t a i n a b l e   a l g a e   s p i r u l i n a   g r o w t h   m o n i t o r i n g   s y s t e m   [ 1 2 ]   ( 2 0 1 8 )   D e v e l o p m e n t   o f   s m a r t   a l g a e   p o n d   s y s t e m   f o r   m i c r o a l g a e   b i o m a s s   p r o d u c t i o n   [ 1 3 ]   ( 2 0 2 1 )   I o T - b a s e d   c l o s e d   a l g a l   c u l t i v a t i o n   s y s t e m   w i t h   v i s i o n   s y s t e m   f o r   c e l l   c o u n t   t h r o u g h   I m a g e J   v i a   R a s p b e r r y   P i   [ 1 4 ]   ( 2 0 2 1 )   E v a l u a t i o n   o f     r e a l -   t i m e   m o n i t o r i n g   o n   t h e   g r o w t h   o f   S p i r u l i n a   M i c r o a l g a e :   I n t e r n e t   o f   T h i n g s   a n d   M i c r o a l g a e   T e c h n o l o g i e s   [ 1 5 ]   ( 2 0 2 4 )   I o a v a i l a b i l i t y   P a r t i a l   ( p H ,   t e m p ,   D O   v i a   A r d u i n o ;   l o c a l )   Y e ( A r d u i n o + G S M )   Y e s (m u l t i - se n so r   ESP 3 2   c l o u d )   Y e s   ( R P i c a mera + se n   s o r s)   Y e s   ( Th i n g S p e a k   I o T)   A I   a v a i l a b i l i t y   Y e s (A N N   f r o R G B   &   l u x )   No   No   N o   ( I mag e J,   r u l e - b a s e d )   No   S e n s o r   t y p e mo n i t o r e d   Te mp ,   p H ,   D O ,   R G B   &   l u x   Te mp ,   p H ,   l i g h t ,   w a t e r   l e v e l   Te mp ,   p H ,   C O 2 t u r b i d i t y ,   l i g h t ,   v e l o c i t y   Te mp ,   p H ,   l i g h t ,   c a mer a   i ma g i n g   Te mp ,   l i g h t ,   w a t e r   l e v e l ,   a b s o r b a n c e   ( TC S 3 2 0 0 )   R e a l - t i me  d a t a   a v a i l a b i l i t y   No   Y e s (G S M   S M S   a l e r t s)   P a r t i a l   ( l o c a l   +   D B )   Y e s (RPi   +   o n l i n e )   Y e s (Th i n g S p e a k   c l o u d )   D a t a   t r a n smi ssi o n   l a t e n c y   N / A   H i g h e r   ( S M S )   Lo w   ( ESP 3 2   →  M y S Q L)   Lo w   ( R P i   W i - F i )   Lo w   ( ESP 8 2 6 6     Th i n g S p e a k )   P r e d i c t i o n   a c c u r a c y   ( %)   A N N   M S =   0 . 0 0 4 7 8   N / A   N / A   N / A   N / A   En e r g y   c o n su m p t i o n   ( k W h )   N / A   N / A   P a d d l e w h e e l   0 . 5   →  0 . 2   N / A   N / A   U ser  i n t e r f a c e   q u a l i t y   LC D   a l e r t s   S M S   a l e r t s   Lo c a l   +   D B   l o g g i n g   W e b   d a sh b o a r d   ( R P i )   C l o u d   d a s h b o a r d   +   mo b i l e   S c a l a b i l i t y   La b - s c a l e   1 0 L   S mal l - s c a l e   f a r m   P r o t o t y p e   r a c e w a y   p o n d   1 2 0 L   La b - s c a l e   5 1 0 L   La b - s c a l e   1 0 L   I mp l e me n t a t i o n   C o s t   N o t   d i sc u sse d   A r d u i n o   +   G S M   En e r g y   sa v i n g s fr o m   p a d d l e w h e e l   R P i   s e t u p   Lo w - c o st   S e n so r s   ( ¡ $ 2 5 0   G r o w t h   r a t e   ( d a y −1 )   0 . 0 5 1 9   v 0 . 0 3 7 2   N / A   N / A   N / A   N / A   C u l t i v a t i o n   s y st e m   t y p e   C l o se d   p o n d   ( P B R - l i k e )   O p e n   p o n d   ( mi c r o   f a r m)   R a c e w a y   p o n d ( o p e n )   C l o se d   p o n d   ( R P i   mo n i t o r e d )   P h o t o b i o r e a c t o r   ( l a b - s c a l e )       Ar iawa n   an d   Ma k alew   [ 1 2 ]   d escr ib s m ar m icr o   f ar m   u s in g   Ar d u in o - b ased   s en s o r s   ( p H,   lig h t,   tem p er atu r e)   an d   GSM  m o d u les  to   d eliv er   th r esh o ld - b as ed   SMS  aler ts .   T h is   s y s tem   p r o v id es  an   ea r ly ,     lo w - co s I o T   ap p licatio n   th at   m ak es  Sp ir u lin m o n ito r in g   m o r ac ce s s ib le.   L ik th p r o p o s ed   d esig n ,   it  em p h asizes  r ea l - tim tr ac k in g   o f   k ey   g r o wth   p ar am eter s .   T h d if f er e n ce   lies   in   ad ap tab il ity th is   s y s tem   i s   r ea ctiv an d   m an u al,   wh ile  th p r o p o s ed   s o lu tio n   in teg r ates  L L Ms  an d   T in y ML   to   d eliv er   p r o ac tiv e,     co n tex t - awa r r ec o m m en d atio n s   an d   m ain tain   f u n ctio n ality   o f f lin e,   ad v an cin g   f r o m   m o n ito r in g   to   i n tellig en t   in ter v en tio n .   Her m ad i   et  a l.   [ 1 3 ]   d e v elo p   s m ar p o n d   s y s tem   with   E SP 3 2   s en s o r s   m ea s u r in g   en v ir o n m en tal   p ar am eter s   ( tem p e r atu r e,   p H,   C O2 ,   tu r b id ity ,   lig h t,  wate r   v elo city ) ,   in teg r ated   with   a u to m ated   p ad d lewh ee co n tr o f o r   en er g y   ef f icien cy .   Similar   to   th p r o p o s ed   s y s tem ,   it  in teg r ates  I o T   f o r   co n tin u o u s   m o n ito r i n g   an d   au to m ated   a d ju s tm en ts .   Ho w ev er ,   it  lack s   a d ap tiv i n tellig en ce   an d   d ee p er   d ata  an al y s is .   T h p r o p o s ed   f r am ewo r k   ex p an d s   th is   b y   e m b ed d in g   g en er ativ AI   an d   T in y ML ,   tr an s f o r m in g   s en s o r - b ased   au to m atio n   in to   an   in tellig en t,  k n o wled g e - d r iv en   c u ltiv atio n   p r o ce s s .   T o len tin o   et  a l.   [ 1 4 ]   p r o p o s an   I o T - b ased   clo s ed   alg al  cu lt iv atio n   s y s tem   th at  co m b in es  R asp b er r y   Pi  im ag in g   with   I m ag eJ  s o f twar f o r   ce ll  co u n esti m atio n .   T h is   v is io n - b ased   m eth o d   en h an ce s   b io m ass   tr ac k in g   ac c u r ac y   at   lo co s t .   L ik th e   p r o p o s ed   d esig n ,   it   ex p lo its   d ig ital  im ag i n g   a n d   I o T   in te g r atio n   to   im p r o v Sp ir u lin m o n ito r in g .   Ho wev er ,   its   r elian ce   o n   s tatic,   r u le - b ased   im a g an aly s is   lim its   ad ap tab ilit y   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A r tifi cia i n tellig en ce   o t h in g s   s o lu tio n   fo r   S p ir u lin a   cu ltiva tio n   co n tr o l   ( A b d elka r im  E lb a a ti )   491   d y n am ic   co n d itio n s .   T h p r o p o s ed   s y s tem   a d d r ess es  th is   b y   in c o r p o r atin g   L L Ms  an d   T in y ML ,   e n ab lin g   ad ap tiv r ea s o n i n g   an d   r ea l - ti m r ec o m m e n d atio n s   b e y o n d   s tatic  an aly s is .   L im   et  a l.   [ 1 5 ]   p r esen a   clo u d - b ased   m o n ito r in g   s y s tem   ( T h in g Sp ea k )   in teg r ated   with   I o T   s en s o r s   ( e. g . ,   o p tical  d en s ity ,   tem p er atu r e) ,   o f f er in g   s ca lab le  r ea l - tim Sp ir u lin g r o wth   tr ac k in g .   I ts   s tr en g th   is   en ab lin g   ef f icien t,   r em o te  s u p er v is io n .   Similar   to   th e   p r o p o s ed   wo r k ,   it   lev er a g es  I o T   co n n ec tiv ity   to   e n h an ce   cu ltiv atio n   o v e r s ig h t.  Ho wev e r ,   it  lack s   AI - b ased   r ec o m m e n d atio n s   an d   a u to n o m y .   I n   c o n tr ast,  th p r o p o s ed   f r am ewo r k   in teg r ates  L L an aly tics   an d   T in y ML   ed g r esil ien ce ,   elev atin g   m o n ito r in g   in to   f u lly   a d ap tiv e ,   au to n o m o u s   cu ltiv atio n   m an a g em en t sy s tem .   I n   all  r ev iewe d   s tu d ies,  I o T - b a s ed   m o n ito r in g   o f   Sp ir u lin cu ltiv atio n   h as a d v an ce d   s ig n if ic an tly ,   y et   cr itical  g ap   p er s is ts   in   th a b s en ce   o f   AI - d r iv en   a u to n o m o u s   d ec is io n - m a k in g   f r am ewo r k s .   W h ile  ex is tin g   s y s tem s   ef f ec tiv ely   co llect  an d   tr an s m it  en v ir o n m en tal  d ata,   th ey   f all  s h o r t o f   lev e r ag in g   a d v an ce d   g en e r ativ e   AI   o r   lar g lan g u ag m o d els  ( L L Ms)   to   p r o v i d ad ap tiv e,   co n tex t - awa r r ec o m m en d atio n s .   Mo r eo v er ,   m o s s o lu tio n s   r em ain   lim ited   to   s m all - s ca le  p r o to ty p es,  lac k in g   s ca lab ilit y ,   r esil ien ce   to   co n n ec tiv ity   lo s s ,   an d   in teg r atio n   o f   e d g in tellig e n ce   f o r   u n in ter r u p te d   o p er atio n .   T h is   g a p   h i g h lig h ts   th e   n e ed   f o r   r esear ch   th at  b r id g es  I o T   s en s in g   with   a u to n o m o u s   AI   r ea s o n in g ,   e n s u r in g   b o th   r ea l - tim o p ti m izatio n   o f   g r o wth   co n d itio n s   an d   p r ac tical  ap p li ca b ilit y   in   r ea l - wo r ld   Sp ir u lin f ar m in g .   T h is   p r o ject  aim s   to   b r id g t h ese  g ap s   b y   lev er ag in g   L L Ms  f o r   d y n am ic  an d   co n tex t - awa r d e cisi o n - m ak in g ,   d e p lo y in g   o f f lin o p er atio n s   to   ad d r ess   co m m u n icatio n   in s tab ilit y ,   an d   co n s id er in g   r o b u s t c o m m u n icatio n ,   esp ec ially   in   c o astal a r ea s .       3.   B ACK G RO UND   T o   f u lly   u n d er s tan d   th s y s tem ,   it  is   im p o r tan to   co v er   th e   o r ig in s   o f   Sp ir u lin a,   th id ea l   cu ltiv atio n   co n d itio n s ,   an d   th s ig n if ic an r o le  o f   I o T   tech n o l o g y   in   en h a n cin g   its   g r o wth ,   p r o d u ctiv ity ,   an d   s u s tain ab ilit y .     3 . 1 .    O rig ins   a nd   nu t rit io na l benef it s   o f   Sp iruli na   Sp ir u lin is   m icr o s co p ic  a q u atic  o r g an is m   o f   th cy a n o b ac t er ia  g r o u p .   I t is scien tific ally   c lass if ied   u n d er   th g e n u s   Ar th r o s p ir p laten s is   [ 1 6 ] T h is   m icr o alg a   h as  ch ar ac te r is tic  s p ir al  s h ap as  d e p icted   in   Fig u r 2 ,   co n s is tin g   o f   5   to   7   s p ir als  ty p ically   3   to   8   μ m   in   d iam eter .   I ap p ea r s   in   th f o r m   o f   m icr o s co p ic   f ilam en ts   m ad u p   o f   j u x tap o s ed   ce lls .   T h len g th   o f   t h f ila m en an d   t h n u m b er   a n d   d en s ity   o f   th co ils   f o r   ea ch   f ilam en v ar y   d ep e n d in g   o n   th ag o f   th m icr o alg ae   a n d   th cu ltiv atio n   co n d itio n s .   I ts   r ep r o d u ctio n   is   asex u al  an d   o cc u r s   th r o u g h   f il am en t d iv is io n   [ 1 7 ] .   I n   th m id - 2 0 t h   ce n tu r y ,   r esear ch er s   r ed is co v er ed   Sp ir u lin in   E u r o p an d   th U. S.  [ 1 8 ] .   Glo b al   in ter est  h as  r ec en tly   in cr ea s ed ,   p ar ticu lar ly   in   C h ad ,   wh er p r o d u ctio n   h as  in cr ea s ed   s ig n if ican tly .   I n   T u n is ia,   Sp ir u lin was  f ir s d is co v er e d   in   L ak e   T u n is   in   1 9 7 8   an d   later   in   C h att  el  J er id   in   1 9 9 7 .   T h er ar e   also   p r o m is in g   s tr ain s   n ea r   Sfa x   an d   Her g la,   in d icatin g   th p o ten t ial  f o r   lar g e r   cu ltiv atio n .           Fig u r 2 .   Sp ir u lin u n d er   v iew  x 1 0 0   m ag n i f icatio n       3 . 2 .     O pti m a l Spirul ina   cult i v a t io n c o nd it io ns   C er tain   co n d itio n s   ar e   r eq u ir e d   to   en s u r o p tim al  Sp ir u lin g r o wth   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   T h wate r   u s ed   f o r   th cu ltu r m ed i u m   s h o u ld   b e   s ea wate r   en r ich ed   with   m in er al  s alts   to   p r o v id Sp ir u lin with   th n ec ess ar y   ch em ical  elem en ts   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ] .   T h tem p er atu r o f   t h cu ltu r liq u id   d ir ec tly   i n f lu en ce s   th m u ltip licatio n   r ate   o f   Sp ir u lin a   an d   th e   r ep r o d u ctio n   s tab ilit y ,   with   s ig n i f ican g r o wth   o cc u r r in g   o n ly   ab o v 2 0   °C .   I n   1 9 7 5 ,   Pirt   ass er ted   th at  th e   o p tim u m   w ater   tem p er at u r f o r   cu ltiv ati o n   is   b etwe en   3 5   °C   an d   3 7   °C   [ 2 3 ] .   L i g h is   ess en tial  f o r   s y n th esizin g   o r g a n ic  m atter   f r o m   s im p le  m i n er a elem en ts ,   an d   t h r eq u ir ed   li g h in ten s ity   v a r ies  g r ea tly   d e p en d i n g   o n   th cu lt u r e’ s   d ep t h   an d   th e   alg ae s   d e n s ity   [ 2 4 ] .   T h e   o p tim al  p o f   th cu ltu r e   m ed iu m   s h o u ld   b e   at  least  9 if   it  is   to o   lo w,   t h cu ltu r m ay   n o s tar well,   with   clu m p s   f o r m in g   o r   Sp ir u lin a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   4 8 8 - 504   492   p r ec ip itatin g   at  th b o tto m   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ] .   T h m ain   ca r b o n   s o u r ce   o f   Sp ir u lin is   ca r b o n   d io x id g as,  an d   p r o d u ctiv ity   ca n   b in cr ea s ed   b y   in jectin g   p u r ca r b o n   d io x id d ir ec tly   in to   th cu ltu r [ 2 7 ] .   ce r tain   lev el  o f   co n d u ctiv ity   in   th wate r   is   also   r eq u ir ed ,   esti m ated   to   b e   b etwe en   1 5   a n d   3 5   g /l,  al o n g   with   m ix   o f   o th e r   elem en ts   s u ch   as so d iu m   b icar b o n ate,   p o tass iu m   n itra te,   an d   s o d iu m   p h o s p h ate  [ 2 7 ] [ 2 9 ] .     3 . 3 .     T he  im pa ct   o f   I o T   t ec h no lo g y   o n Spi rulin a   cult iv a t io n   I o T   tech n o lo g y   is   r ev o l u tio n iz in g   Sp ir u li n cu ltiv atio n   b y   e n ab lin g   r ea l - tim m o n ito r in g   a n d   c o n tr o l   o f   cr itical  p a r am eter s ,   as  d is cu s s ed   in   Sectio n   1 .   T h is   ad v an c em en allo ws  f o r   tim ely   a d ju s tm en ts   to   o p tim ize   g r o wth   an d   p r o d u ctiv ity   wh il id en tify in g   a n d   ad d r ess in g   ab n o r m alities   in   th cu ltiv atio n   p r o ce s s   [ 1 2 ] .   I o T   s y s   tem s   en h an ce   th g r o wth   r ate  an d   y ield   o f   Sp ir u lin an d   co n t r ib u te  to   s ig n if ica n en v ir o n m en tal  an d   ec o n o m ic  im p r o v e m en ts .     E n v ir o n m en tal  b en ef its I o T - en ab led   p r o ce s s es  im p r o v e   ef f icien cy   a n d   s u s tain ab ilit y ,   r e d u cin g   r eso u r ce   wastag an d   in cr ea s in g   p r o d u ctiv ity .   B y   in co r p o r atin g   cle an   en e r g y   s o u r ce s   lik s o lar   p o wer ,   I o T   ca n   lo wer   th ca r b o n   f o o tp r in o f   Sp ir u lin cu ltiv atio n .   Ad d i tio n ally ,   m ix o tr o p h ic  c u ltiv atio n   tech n iq u es  u tili zin g   wastewate r   n u tr ien ts   an d   s o lar   en er g y   c o n tr ib u te  to   s u s tain ab le  an d   en v ir o n m e n tally   f r ien d ly   p r ac tices  [ 3 0 ]     E co n o m ic   im p licatio n s T h i n teg r atio n   o f   I o T   in   Sp ir u lin a   cu ltiv atio n   b o o s ts   ef f icien c y   a n d   p r o d u ctiv ity ,   ad d r ess in g   f o o d   s ec u r ity   an d   r eso u r ce   lim itatio n s   in   ag r icu l tu r e.   Au to m atio n   an d   m o n ito r in g   ca p ab ilit ies  en ab led   b y   I o T   ca n   r e d u ce   l ab o r   ex p en s es  wh ile  in cr ea s in g   th v alu o f   th p r o d u ct,   th er eb y   o f f er in g   s u b s tan tial e co n o m ic  b e n ef its   [ 3 1 ] ,   [ 3 2 ]   Ho wev er ,   th e   s u cc ess f u in teg r atio n   o f   I o T   in   Sp ir u lin cu lt iv atio n   is   n o with o u ch allen g es.  I s s u es  s u ch   as  in ter o p er ab ilit y ,   af f o r d ab ilit y ,   d ev ice  p o wer   co n s u m p tio n ,   b a n d wid th ,   laten c y ,   a n d   d ata  p r o ce s s in g   m u s b ca r ef u lly   m an ag e d   to   en s u r ef f ec tiv e   im p lem en tat io n   [ 3 3 ] ,   [ 3 4 ] .   Ou r   AI o T   s y s tem   ad d r ess es  th ese  ch allen g es  b y   co m b i n in g   I o T   with   m ac h in e   lear n in g   m o d els,  en h a n cin g   s y s tem   r esp o n s iv en ess   an d   r eliab ilit y .   T h r o u g h   its   o f f li n ca p ab ilit ies  an d   T in y ML   m o d els,  th s y s tem   au to n o m o u s ly   ad ju s ts   k ey   p ar am eter s   an d   m ai n tain s   o p e r atio n s   ev en   d u r in g   n etwo r k   d is r u p tio n s .   Fu r th e r m o r e ,   th e   li g h tweig h n atu r e   o f   th m ess ag q u eu in g   telem e tr y   tr an s p o r ( MQ T T )   p r o to c o allo ws  th s y s tem   to   o p e r ate  ef f icien tly   in   en v ir o n m en ts   with   lim ited   b an d wid th ,   s u ch   as  co astal  ar ea s   wh er in ter n et  co n n ec tiv i ty   m ay   b s lo o r   u n s tab le.   T h is   ap p r o ac h   r ed u ce s   th d ep en d e n cy   o n   co n s tan co n n ec tiv ity ,   m itig ate s   d ata  p r o ce s s in g   ch allen g es,  an d   en s u r es  co n s is ten an d   ef f icien cu ltiv atio n ,   m ak in g   t h p r o ce s s   m o r r esil ien an d   s u s tain ab le.       4.   M E T H O D   T h AI o T   s y s tem   f o r   Sp ir u lin cu ltiv atio n   co n tr o l c o n s is ts   o f   s ev er al  k ey   p r o ce d u r es.     4 . 1 .     Da t a s et   d escript io n   Af ter   co llab o r atin g   with   B io   Alg u es  T u n is ie ,   s p ec ializ ed   Sp ir u lin f ar m   a n d   lab o r ato r y ,   we  r ec eiv ed   p r ec is m ea s u r em e n ts   f o r   ea ch   co n d itio n   th ey   u s in   th eir   cu ltiv atio n   p r o ce s s .   T h AI o T   s y s tem   d ataset  in clu d es  th es s en tial  p ar am eter s   f o r   o p tim izin g   Sp ir u lin cu ltiv atio n .   T h m o s co m m o n   m ea s u r es   f o cu s ed   o n     T r an s p ar en c y T h e   id ea wate r   tr an s p ar e n cy   s h o u ld   v ar y   b e twee n   2   c m   an d   1 0   cm .   I f   th e   tr an s p ar en c y   is     2   cm   o r   less ,   3 0 o f   th b asi n   s h o u ld   b f ilter ed .   Fo r   tr an s p ar en cy   b etwe en   2   cm   an d   3   cm ,   2 0 o f   th b asin   s h o u ld   b f ilter ed .   I f   t h tr an s p ar e n cy   is   b etwe en   3   cm   an d   4   cm ,   1 0 o f   th e   b asin   s h o u ld   b f ilter ed .   Fo r   tr an s p ar e n cy   g r ea ter   th an   4   cm ,   f ilter in g   is   n o n ec ess ar y .   d ar k er   ap p ea r an ce   o f   th wate r ,   in d icatin g   h ea lth y   d e n s ity   o f   p h y to p lan k to n ,   is   d esira b le.       p HVa lu e:  T h id ea l p v alu is   b etwe en   9   an d   1 0 .   I f   th p H   is   les s   th an   9 ,   ca u s tic  s o d ( NaO H)   s h o u ld   b ad d ed .   I f   th e   p e x ce ed s   1 0 . 2 ,   b icar b o n ate   s h o u ld   b e   ad d ed   at  a   r ate  o f   1   g /l.  I f   t h p e x ce ed s   1 0 . 5 ,   th e   r ate  o f   b icar b o n ate  a d d itio n   s h o u ld   b e   in cr ea s ed   to   2   g /l.     W ater   T em p er atu r e:  T h id ea l   wate r   tem p er atu r is   b etwe en   2 0   °C   an d   2 4   °C .   Sp ec if ic  m ea s u r es  s h o u ld   b ap p lied   if   th tem p er atu r d r o p s   b elo 4   °C   o r   r is es  to   3 4   °C   o r   h ig h er .   I f   th wate r   r em ain s   s tag n an f o r   3   d ay s   at  tem p e r atu r es a b o v 2 0   °C ,   b icar b o n ate  ( 1   g /l)  a n d   n itra tes ( 0 . 2   g /l)  s h o u ld   b ad d ed .       C o n d u ctiv ity T h id ea s alin ity   is   b etwe en   1 5   g /l  an d   3 5   g /l.  I f   th e   s alin ity   is   b elo 1 5   g /l,   s ea wate r   s h o u ld   b ad d e d .   I f   th s alin ity   ex ce ed s   3 5   g /l,  2 0 o f   th b asin   s h o u ld   b em p tied   an d   r ep lace d   with   f r esh   wate r .     T h ese  p ar am eter s   ar cr itical  t o   m ain tain in g   o p tim al  g r o wth   co n d itio n s   f o r   Sp ir u lin an d   e n s u r in g   th h ig h est  q u ality   y ield .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A r tifi cia i n tellig en ce   o t h in g s   s o lu tio n   fo r   S p ir u lin a   cu ltiva tio n   co n tr o l   ( A b d elka r im  E lb a a ti )   493   4 . 2 .     Da t a s et   prepa ra t io n     A   co m p r e h en s iv d o cu m en was  p r ep ar ed   to   tr ain   th L L to   g en er ate   p er s o n alize d   o u tp u ts .   T h is   d o cu m e n co n s titu tes  th k n o wled g b ase  th at  L L ac ce s s es  th r o u g h   R AG.   s tr u ctu r ed   an d   well - o r g an ized   tab le  was  cr ea ted   to   s er v as  o u r   k n o wled g b ase.   As  s h o wn   in   T ab le  2 ,   it  s p ec if ies  ess en tial  p ar am eter s ,   th e   co r r esp o n d in g   r ec o m m en d atio n s ,   an d   co m m an d s   b ased   o n   d i f f er en t c o n d itio n s .   T h p u r p o s o f   th is   tab le  is   to   en s u r ac cu r ate  in te r p r etatio n   an d   p r o v id c u s to m ized   r ec o m m en d atio n s   an d   co m m an d s .       T h d o c u m en t   is   d iv id ed   in to   th r ee   s ec tio n s .   T h in itial  co lu m n   co v er s   th p ar am eter s   a s s o ciate d   with   s p ir u lin cu ltiv atio n ,   in c lu d in g   tem p e r atu r e,   c o n d u ctiv ity ,   tr an s p ar e n cy ,   an d   p H.   T h s ec o n d   co l u m n   co m p r is es  th co r r esp o n d in g   r ec o m m en d atio n s   f o r   ea c h   p ar am eter ,   en a b lin g   th L L m o d el  to   d eliv er   p r ec is an d   co n tex t - awa r r esp o n s es.  T h f i n al  co lu m n   d etails  th s p ec if ic  ac tio n s   to   b e   tak en   wh en   co n d itio n s   f all  o u ts id th o p ti m al  r an g f o r   ea c h   p ar am eter   an d   was  d esig n ed   f o r   T in y ML   to   r ec o g n ize  ea ch   co n d itio n   t h r o u g h   c o d e.       T ab le  2 .   Op e r atio n al  p ar a m ete r s   an d   co r r ec tiv m ea s u r es f o r   Sp ir u lin cu ltiv atio n   F a c t o r   I d e a l   V a l u e / R a n g e   R e c o mm e n d a t i o n   C o d e   Tr a n s p a r e n c y   2 1 0   c m   I f     2   c m :   f i l t e r   3 0 o f   t h e   b a si n .   F   I f   2 3   c m:   f i l t e r   2 0 o f   t h e   b a s i n .   G   I f   3 4   c m:   f i l t e r   1 0 o f   t h e   b a s i n .   H   I f   >   4   c m :   n o   f i l t e r i n g   r e q u i r e d .   I   p H   V a l u e   9 10   I f   < 9 :   a d d   c a u s t i c   s o d a   ( N a O H ) .   C   I f   >   1 0 . 2 :   a d d   b i c a r b o n a t e   a t   1   g / L.   D   I f   >   1 0 . 5 :   a d d   b i c a r b o n a t e   a t   2   g / L.   E   W a t e r   Te m p e r a t u r e   20 2 4   °C   I f   <   4   °C :   c o r r e c t i v e   a c t i o n   r e q u i r e d .   K   I f     3 4   °C :   c o r r e c t i v e   a c t i o n   r e q u i r e d .   L   I f   st a g n a n t   f o r   3   d a y s   a t   >   2 0   °C :   a d d   b i c a r b o n a t e   ( 1   g / L)   a n d   n i t r a t e s (0 . 2   g / L) .   J   S a l i n i t y   ( C o n d u c t i v i t y )   15 3 5   g / L   I f   <   1 5   g / L:   a d d   sea w a t e r .   A   I f   >   3 5   g / L:   e m p t y   2 0 o f   t h e   b a s i n   a n d   r e p l a c e   w i t h   f r e s h   w a t e r .   B       4 . 3 .     Da t a   c o llect io n a nd   a cquis it io n   Fo r   d ata  co llectio n ,   v a r io u s   s en s o r s   h av b ee n   i n teg r ated   i n to   th s p ir u lin b asin s .   T h p v alu is   m ea s u r ed   u s in g   th SEN0 1 6 1   p s en s o r ,   wh ile  th DFR o b o Gr av ity   an alo g   elec tr ical  co n d u ctiv ity   s en s o r   is   u s ed   to   ass ess   h ig h   elec tr ical  co n d u ctiv ity ,   s u ch   as  s ea wate r .   T em p er atu r r ea d in g s   ar tak en   with   th e   DS1 8 B 2 0   s en s o r .   W u s ed   th DFR O B OT   Sen 0 2 0 5   FS - I R 0 2   s en s o r   to   d eter m in th wate r   lev el  in   th b asin .   T o   m ea s u r e   lig h t   in ten s ity ,   a n   en d o s co p e   ca m er a   is   u s ed   to   ca lcu late  d ar k n ess   b ased   o n   lig h t   in ten s ity   b y   d etec tin g   th tim wh en   p r ed ef in ed   p o in o n   w h ite  d is k   tu r n s   d ar k   with in   th wate r ,   th u s   p r o v i d in g   a n   ac cu r ate  d is tan ce   m ea s u r em e n t.  T o   f ac ilit ate  th d escen an d   ascen o f   th m ea s u r em e n t   s y s tem   u n d er wate r ,   an   elec tr o n ic  ac tu at o r   was in s talled .   C o n s id er in g   th ac q u is itio n   u n it,  ea ch   s en s o r   was  co n n ec ted   to   th Ar d u in o   UNO  m icr o co n tr o ller ,   wh ich   p lay s   a   cr u cial   r o le   in   c o n v er tin g   th e   d ata  f r o m   an alo g   s ig n als  to   d ig ital  v al u es  f o r   p r o ce s s in g .   Fig u r 3   r ep r esen ts   th Ar d u i n o   UNO  co n n ec tio n   to   th in te g r ated   s en s o r s ,   in clu d in g   th p s en s o r ,   th c o n d u ctiv ity   s en s o r ,   an d   th e   tem p er atu r s en s o r .           Fig u r 3 .   Sen s o r s   in teg r atio n   in   th ac q u is itio n   b o ar d       4 . 4 .     Da t a   p ro ce s s ing   I n   th n ex s tep ,   R asp b er r y   Pi  4   s er v es  as  th p r im ar y   p r o ce s s in g   u n it,  co llectin g   d ata  f r o m   m u ltip le  s en s o r s   co n n ec te d   v ia  th Ar d u in o   UNO,   ex ec u tin g   r ea l - tim AI /Tin y ML   alg o r ith m s ,   a n d   co o r d in atin g   a u to m ated   co n tr o ac tio n s   in   th Sp i r u lin c u ltiv atio n   s y s tem .   T h e   en d o s co p ca m e r an d   th e   wate r   lev el  s en s o r   wer co n n ec ted   d ir ec tly   to   th R asp b er r y   Pi,  with   th ca m er co n f ig u r ed   to   ca p tu r th e   Secc h d is k s   d is ap p ea r an ce   u n d er wate r .   Sp ec if ically ,   th e n d o s co p ca m er was  attac h ed   to   b o x   wh ile  th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   4 8 8 - 504   494   Secc h d is k   was  m o u n ted   o n   th p is to n   r o d   o f   lin ea r   ac tu ato r .   As  th r o d   m o v ed   u n d er wate r ,   th ca m er a   ca p tu r ed   v id e o   f r am es,  an d   i m ag p r o ce s s in g   was  ap p lied   to   d etec th e   wh ite  co l o r   o f   th d is k ,   u s in g   t h e   co n d itio n   b ,   g ,   r   2 5 5 ,   2 5 5 ,   2 5 5   an d   th iter ativ lo g ic:       while b = 0 and g = 0 and r = 0 :    ROI = frame[roi y:roi y+roi height, roi x:roi x+roi width]    hsv ROI = cv2.cvtColor(ROI, cv2.COLOR BGR2HSV)    if b == 0 and g == 0 and r == 0:    Disappearance_Height = time_ex * 0.4   }     T h R asp b er r y   Pi  also   co n v er ted   th s en s o r   d ata  in to   a   J av aScr ip Ob ject  No tatio n   ( J SO N )   f o r m at,   ch o s en   f o r   its   lig h tweig h s tr u ctu r e,   ef f icien tr a n s m is s io n   in   lim ited - b an d wid th   en v ir o n m en ts ,   an d   ab ilit y   to   r ep r esen h ier ar ch ical  d ata.   T h is   J SO f ile  was   th en   im m ed iately   s en to   th L L f o r   f u r th er   an aly s is   an d   g en er atio n   o f   co n te x t - awa r r e co m m en d atio n s   v ia  t h MQ T T   p r o t o co l.  O n   th e   o th er   h an d ,   in   s ce n ar io s   w h er e   th er is   n o   in ter n et  co n n ec tiv ity ,   th R asp b er r y   Pi  r elies  o n   T in y ML   m o d els  to   ex ec u te  lo ca d ec is io n - m ak in g   p r o ce s s es.  Fig u r 4   d e m o n s tr a tes th co n n ec tio n   t h at  lin k s   al l c o m p o n en ts   o f   th e   s y s tem .     4 . 5 .     Da t a   t r a ns m is s io n   T h d ata  co llected   b y   th s en s o r s   ar tr an s m itted   v ia  t h MQ T T   p r o to c o l,  wh ich   s er v es  as  a   co m m u n icatio n   h u b   b etwe en   t h s en s o r s   an d   th e   AI   m o d el.   As  illu s tr ated   in   Fig u r 5 ,   th e   s y s tem   is   in itiated   b y   a   R asp b er r y   Pi  th at  c o llects  d ata  f r o m   t h in d icate d   s en s o r s .   T h e   d ata   is   th en   co n v er te d   in to   J SON  f ile  f o r m at  t o   f ac ilit ate  p u b licatio n   o n   a   s p ec if ic  t o p ic.   Me an w h ile,   th e   AI   m o d el   s u b s cr ib es  to   th e   s am to p ic  to   r ec eiv an d   an al y ze   th e   d ata.   I n   t h Sp ir u lin cu ltiv atio n   I o T   co n tr o l   s y s tem ,   th MQ T T   p r o to co o f f er s   s ev er al  ad v an tag es,  in clu d in g   r ea l - tim d ata  tr an s m is s io n   f r o m   s en s o r s   to   th L L m o d el  s er v er ,   en ab lin g   im m ed iate  an aly s is   an d   r ap i d   s y s tem   ad ju s tm en ts .   I ts   h ig h   tr an s m is s io n   s p ee d   en s u r es  m in im al  laten cy ,   f ac ilit atin g   p r o m p r esp o n s es  s u ch   as  au t o m ated   r ec o m m en d atio n s   to   clien ts .   T h e   p r o to co l’ s   lig h tweig h t   d esig n   m in im izes  b an d wid t h   co n s u m p tio n ,   m ak in g   it  p ar tic u lar ly   ef f ec tiv i n   lo w - co n n ec tiv ity   en v ir o n m en ts   lik co astal a r ea s .             Fig u r 4 .   Sy s tem   cir cu it   d iag r am     Fig u r 5 .   Data   tr a n s m is s io n   th r o u g h   th MQ T T   b r o k e r       4 . 6 .     Da t a   a na ly za t io   4 . 6 . 1 .     L a rg la ng ua g mo del  ( L L M )     I n   th e   ca s o f   o n lin e   s ce n ar io s ,   g e n er ativ e   L L was  in teg r ated   to   a n aly ze   s en s o r   d ata  a n d   p r o d u ce   b o th   r ec o m m e n d atio n s   an d   co r r ec tiv co m m a n d s .   T h s y s tem   em p lo y s   GPT - 4 ,   ac ce s s ed   th r o u g h   th L an g C h ain   f r am ewo r k ,   to   p r o ce s s   r ea l - tim in p u ts   s u ch   a s   tem p er atu r e,   p H,   wate r   lev e l,  co n d u ctiv ity ,   an d   o p tical  d en s ity   co llected   f r o m   R asp b er r y   Pi.  T h is   en ab les  au to m ated   d ec is io n - m ak in g   th at  r ed u ce s   m an u al   in ter v en tio n   a n d   g en er ates  p r ec is e,   co n tex t - awa r r ec o m m en d atio n s .   T h u s o f   n atu r al  lan g u ag e   o u t p u t   en s u r es  th at  r esu lts   ar ea s ily   in ter p r etab le,   e v en   f o r   n o n - ex p er f ar m   m an a g er s ,   th er e b y   f ac ilit atin g   p r ac tical  ad o p tio n .   T h s y s tem   is   also   h ig h l y   s ca lab le,   allo win g   n e s en s o r s   o r   p ar a m eter s   to   b in teg r ated   with   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A r tifi cia i n tellig en ce   o t h in g s   s o lu tio n   fo r   S p ir u lin a   cu ltiva tio n   co n tr o l   ( A b d elka r im  E lb a a ti )   495   m in im al  r ep r o g r am m in g ,   s tr en g th en in g   its   ad ap tab ilit y   f o r   f u tu r ex ten s io n s .   T o   p r o v id d o m ain   k n o wled g e ,   FAI SS   v ec to r   d atab ase  was   co n s tr u cted   f r o m   Sp ir u lin a   cu ltiv atio n   h an d b o o k   an d   s u p p o r tin g   tech n ical   d o cu m e n tatio n .   T h ese  d o cu m en ts   wer em b ed d e d   with   th e   Sen ten ce T r an s f o r m er   ( allm p n et - b ase - v 2 )   m o d el.   T h r o u g h   L an g C h ain s   r etr iev a l - au g m en ted   g en er atio n   ( R AG)   ar ch itectu r e,   GPT - 4   r et r iev e s   th m o s r elev an f r ag m en ts   f r o m   th is   k n o wled g b ase  b ef o r e   g e n er atin g   o u tp u ts .   T h is   g u ar an tees  th at   r e co m m en d atio n s   ar e   g r o u n d ed   in   v alid ated   cu ltiv ati o n   p r ac tices  an d   r em ain   s itu ati o n - s p ec if ic.   T h e   o u tp u t o f   t h L L is   s tr u ctu r ed   in   J SON  f o r m at,   p r o v id in g   b o th   ac tio n ab le  co m m a n d s   an d   d etailed   r ec o m m en d atio n s   f o r   ea ch   m o n ito r ed   p ar am eter .   Fo r   ex am p le,   g i v e n   s ce n ar io   wh er th tem p er atu r is   b elo o p tim al  an d   p is   s lig h tly   lo w,   th e   m o d el  g e n er ates th f o llo win g   o u tp u t:       "commands: ["Increase temperature", "Add bicarbonate"],    "recommendations":[    {"parameter":  "temperatur e",  "status":  "below  opt imal",  "action":  "increa se  heating  by  5◦C" },    {"parameter": "pH", "status": "slightly low", "action": "add bicarbonate"}      }     T h is   s tr u ctu r allo ws  f o r   p r ec is e,   au to m ated   in ter v e n tio n s   wh ile  m ain tain in g   in ter p r etab i lity   f o r   th f ar m   m an a g er .   E ac h   r ec o m m en d atio n   o b ject  ex p licitly   id e n tifie s   th p ar am eter ,   its   cu r r en s tatu s ,   an d   th e   ac tio n   to   b tak en ,   wh e r ea s   th co m m an d s   ar r a y   s u m m ar ize s   th k ey   in ter v en tio n s   to   ex e cu te,   en ab lin g   b o th   h u m an   o p er ato r s   an d   a u to m at ed   s y s tem s   to   r esp o n d   e f f icien tly .     4 . 6 . 2 .   T iny M L   i nte g ra t io n   T in y ML   was  in teg r ated   in t o   t h Sp ir u lin cu ltiv atio n   s y s tem   to   en s u r a u to n o m o u s   o p er atio n   d u r i n g   p er io d s   o f   n etwo r k   f ailu r e.   T h ch o ice  o f   T in y ML   was  m o tiv ated   b y   its   lo p o wer   co n s u m p tio n ,   co s t   ef f icien cy ,   r esil ien ce ,   an d   a b ilit y   to   s u p p o r r ea l - tim d ec i s io n - m ak in g .   T h p r im a r y   g o al  was  to   cla s s if y   s en s o r   v alu es  ac cu r ately ,   allo win g   th s y s tem   to   m ain tain   o p tim al  g r o wth   co n d itio n s   f o r   Sp ir u lin e v en   in   o f f lin m o d e.   Fo r   th is   p u r p o s e,   d atasets   wer cr ea ted   f o r   f o u r   cr itical  p ar a m eter s p H,   co n d u ctiv ity ,   tem p er atu r e,   a n d   o p tical  d en s i ty ,   as th ese  d ir ec tly   in f lu e n ce   t h h ea lth   an d   p r o d u ctiv ity   o f   Sp ir u lin a.   T h m o d els  d ep lo y e d   wer n eu r al  n etwo r k s   d esig n ed   an d   tr ain ed   u s in g   T en s o r Flo w.   E a ch   m o d el  f o llo ws  th s am g en er al  ar c h itectu r e:  an   in p u lay e r ,   th r e d en s lay er s   with   r ec tifie d   lin ea r   u n it  ( R eL U )   ac tiv atio n ,   a n d   So f tMa x   o u t p u lay e r .   E ac h   p ar am eter   d at aset  was  g en er ated   in d i v id u all y ,   en s u r in g   th at  t h So f tMa x   lay er   co n tain ed   u n iq u class es  s p ec if ic  to   th p ar am eter   b ein g   a n aly ze d .   O n ce   tr ain ed   an d   v alid ated ,   th m o d els  wer c o n v e r ted   in to   T en s o r Flo w   L ite  f o r m at   f o r   d e p lo y m e n t,  e n ab lin g   ef f icie n in f e r en ce   o n   th e   R asp b er r y   Pi 4 .   T h d atasets   co n tain e d   o v er   9 0 0 0   s am p les  p er   p ar am ete r .   E ac h   d ataset  co n s is ted   o f   tw o   co lu m n s s en s o r   v alu an d   s en s o r   s tatu s .   T h s im u lated   s en s o r   r ea d i n g s   wer class if ied   b ased   o n   Sp ir u lin a’ s   o p tim al  g r o wth   co n d itio n s .   Fo r   in s tan ce ,   wate r   tr an s p ar en cy   b etwe en   2   cm   an d   1 0   c m   was  co n s id er ed   o p tim al,   wh il e   d ev iatio n s   tr ig g er e d   co r r ec ti v ac tio n s   s u ch   as  p ar tial  f iltra tio n .   Similar ly ,   tem p er atu r was  m ain tain ed   b etwe en   2 0   °C   an d   2 4   °C ,   p b etwe en   9   an d   1 1 ,   an d   s alin ity   b etwe en   1 5   g /l  an d   3 5   g /l.  T o   im p r o v m o d e l   p er f o r m an ce ,   th e   s en s o r   v alu e s   wer s tan d ar d ized   b e f o r tr ai n in g .   T h tr ain in g   p ip elin e   was  ex e cu ted   o n   a   PC ,   af ter   wh ich   th e   o p tim ized   m o d els  wer d ep lo y ed   to   th e   R asp b er r y   Pi  4 .   T h wo r k f lo was  d esig n ed   s u ch   th at,   u n d er   n o r m al  o p e r atio n ,   d ata  f r o m   th s en s o r s   is   p r o ce s s ed   b y   th R asp b er r y   Pi   an d   t r an s m itted   to   t h L L s er v er   f o r   h ig h - lev el  an aly s is .   Ho wev er ,   wh e n   th e   I n ter n et  c o n n ec tiv ity   is   lo s t,  th T in y ML   m o d els  ar ac tiv ated   lo ca lly .   I n   th is   m o d e ,   th R asp b er r y   Pi   ex ec u tes  in f er en ce   d ir ec tly   o n   th s tan d a r d ized   s en s o r   v alu es,  class if y in g   co n d itio n s   an d   d eter m in i n g   ap p r o p r iate  ac tio n s ,   s u ch   as a d d in g   n itra te  o r   ad j u s tin g   wate r   s alin ity ,   to   s tab ilize  th en v ir o n m en t.     4 . 7 .     Sy s t e m   im plem ent a t io   T h s y s tem   p r o to ty p h as  b e en   s u cc ess f u lly   d ep lo y ed   i n   Sp ir u lin cu ltiv atio n   b asin ,   wh er it   au to n o m o u s ly   m o n ito r s   an d   a d ju s ts   en v ir o n m en tal  c o n d itio n s   in   r ea tim e.   I c o n s is ts   o f   R asp b er r y   Pi  th at   s er v es  as  th ce n tr al  p r o ce s s in g   u n it,  co n n ec ted   t o   v ar io u s   s en s o r s   th at  m ea s u r cr itical  p a r am eter s ,   in clu d in g   tem p er atu r e,   p lev el,   wate r   lev el,   co n d u ctiv ity ,   an d   o p tical  d en s ity .   T h s en s o r s   ar s tr ateg ically   p lace d   with in   th b asin   to   en s u r e   ac cu r ate  d ata   co llectio n ,   en a b lin g   o n - s ite  p r o ce s s in g   u s in g   e m b ed d e d   T in y ML   m o d els  f o r   d ec is io n - m ak i n g   a n d   ed g co m p u tin g .   On ce   n et wo r k   co n n ec tiv ity   is   estab lis h ed ,   th s y s tem   u s e s   an   L L M   to   g e n er ate  d etailed   r ec o m m en d atio n s   b ased   o n   r ea l - tim s en s o r   d ata.   Fig u r 6   p r o v id es  v is u al  r ep r esen tatio n   o f   th p r o to ty p s etu p ,   illu s tr atin g   th f u n ctio n a lity   o f   th s en s o r s .   T o   p r o tect  th e   s y s tem   f r o m   en v ir o n m en tal  h az a r d s   s u ch   as  p r ec i p itatio n   o r   d ir in g r ess ,   wate r p r o o f   en clo s u r is   ess en tial.  Giv en   t h s y s tem s   p r o x im ity   to   b asi n s ,   ex p o s u r to   wate r   p o s es  r is k   to   th e   elec tr o n ic   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   4 8 8 - 504   496   co m p o n en ts .   T h NSF - g r ad PVC   p la s tic  h o u s in g   o f f er s   ex ce llen wate r   r esis tan ce ,   s im il ar   to   m ater ials   u s ed   in   wate r   p ip elin es.           Fig u r 6 .   L i v s y s tem   s etu p   in   th Sp ir u lin cu ltiv atio n   b asin       5.   SYST E M   O VE R VI E   5 . 1 .     Sy s t e m   wo r k f lo w:   da t a   f lo a nd   pro ce s s ing     T h e   w o r k f l o w   o f   t h e   p r o p o s e d   S p i r u l i n a   c u l ti v a t i o n   c o n t r o l   s y s te m   d e f i n e s   t h e   d y n a m i c   p r o c e s s   t h r o u g h   w h i c h   s e n s o r   d at a   i s   c o ll e c t e d ,   a n a l y z e d ,   a n d   t r a n s f o r m e d   i n t o   a ct i o n a b l e   r e c o m m e n d a t i o n s .   A s   i ll u s t r at e d   i n   F i g u r e   7 ,   t h e   p r o c e s s   b e g i n s   wi t h   t h e   c o l l e ct i o n   o f   e n v i r o n m e n t a l   d a t a   f r o m   f i v e   s e n s o r s :   p s e n s o r ,   c o n d u c t i v it y   s e n s o r ,   t em p e r a t u r e   s e n s o r ,   e n d o s c o p e   ca m e r a   ( f o r   o p t i c a l   d e n s i t y ) ,   a n d   w a t e r   l e v el   s e n s o r .             Fig u r 7 .   W o r k f lo o f   th p r o p o s ed   AI o T   s o lu tio n   f o r   Sp ir u lin cu ltiv atio n   co n tr o l     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A r tifi cia i n tellig en ce   o t h in g s   s o lu tio n   fo r   S p ir u lin a   cu ltiva tio n   co n tr o l   ( A b d elka r im  E lb a a ti )   497   On ce   d ata  is   ac q u ir ed ,   t h R asp b er r y   Pi  attem p ts   to   estab lis h   co n n ec tio n   with   th e   L L s er v er .   T wo   s ce n ar io s   th en   ar is e:      I n   ca s o f   co n n ec tio n   a v ailab i lity ,   Sen s o r   d ata  is   tr an s m itte d   to   th L L s er v er   v ia  th MQ T T   p r o to co l.  W ith in   th L L p ip elin e,   th d ata  is   an aly ze d   in   co n ju n ctio n   with   co n tex tu al  k n o wled g e,   en ab lin g   th g en er atio n   o f   p r ec is r ec o m m en d atio n s   a n d   ac tu ato r   co m m an d s .   T h c o m m an d s   ar e   s en b ac k   to   th e   R asp b er r y   Pi  ( v ia  MQ T T )   to   a ctiv ate  ac tu ato r s ,   wh ile  th r ec o m m en d atio n s   ar s im u ltan eo u s ly   f o r war d e d   to   th f ar m   m an ag e r   as p u s h   n o tific atio n s .       I n   ca s o f   c o n n ec tio n   f ailu r e ,   t h R asp b er r y   Pi  ac tiv ates  its   em b ed d e d   T in y ML   m o d els,  wh ich   an aly ze   th e   s en s o r   r ea d in g s   lo ca lly   an d   g e n er ate  s y s tem   d escr ip tio n s   an d   co m m an d s .   T h ese  co m m a n d s   ar th en   u s ed   to   d r iv th e   ac tu ato r s   d ir ec tly ,   en s u r in g   co n tin u o u s   s y s tem   o p er atio n   ev e n   in   o f f lin m o d e.     Af ter   ac tu ato r   ac tiv atio n ,   th s y s tem   en ter s   two - h o u r   s tan d b y   p er io d   b ef o r s tar tin g   th e   d ata  co llectio n   an d   p r o ce s s in g   lo o p .   T h is   wo r k f lo en s u r es  r esp o n s iv e,   r eliab le ,   an d   au to n o m o u s   co n tr o o f   S p ir u lin c u ltiv atio n   u n d er   b o th   c o n n ec te d   an d   d is co n n ec ted   c o n d itio n s .     5 . 2 .     Sy s t e m   a rc hite ct ure:   ha rdwa re s o f t wa re   inte g ra t io n     Fig u r 8   illu s tr ates  th o v er a ll  ar ch itectu r e   o f   th e   p r o p o s e d   Sp ir u lin a   cu ltiv atio n   co n tr o s y s tem ,   in teg r atin g   s en s o r s ,   I o T   co m m u n icatio n ,   T in y ML ,   an d   a   r e tr iev al - au g m e n ted   g en er atio n   ( R AG)   p ip elin e.   On   th h ar d war s id e,   p h y s ical  s en s o r s   ( p s en s o r ,   co n d u ctiv ity   s en s o r ,   tem p er atu r s en s o r ,   en d o s co p ca m e r a,   an d   wate r   lev el  s en s o r )   ar im m er s ed   in   th Sp ir u lin b asin   an d   co n n ec ted   to   an   Ar d u in o   Un o ,   wh ich   co n v er ts   an al o g   s ig n als  in t o   d ig ital  v alu es.  T h ese  r ea d in g s   ar tr an s m itted   to   R asp b er r y   Pi  th at  ac ts   as  th e   ce n tr al  p r o ce s s in g   u n it.  T h e   R asp b er r y   Pi  p r o ce s s es  s en s o r   r ea d in g s ,   r u n s   T in y ML   m o d els  f o r   o f f lin e   au to n o m y ,   an d   co m m u n icate s   with   th clo u d - b ased   L L s er v er   u s in g   th MQ T T   p r o to co l.             Fig u r 8 .   Ar c h itectu r o f   th p r o p o s ed   AI o T   s o lu tio n   f o r   s p ir u lin cu ltiv atio n   c o n tr o l       On   th e   s o f twar s id e,   th e   s y s tem   em p lo y s   r etr iev al - au g m en ted   g e n er atio n   wo r k f lo w   co o r d in ated   b y   L an g C h ain .   Do cu m e n ts   f r o m   th k n o wled g b ase  ar e m b ed d e d   u s in g   an   em b ed d i n g   m o d el  an d   i n d ex e d   in   FAI SS   v ec to r   d atab ase.   W h en   s en s o r   d ata  r eq u ir es  in ter p r etatio n ,   L an g C h ain   o r ch es tr ates  th r etr iev al  o f   r elev an co n tex f r o m   FAI SS   an d   co m b in es  it  with   th r aw  s en s o r   r ea d in g s .   cu s to m   r ec o m m en d atio n   en g in in teg r ates  th is   co n tex tu al  in f o r m atio n   b ef o r p ass in g   it  to   th L L ( GPT - 3 . 5 ) ,   wh ich   g en e r ates  p r ec is an d   ac tio n ab le  r ec o m m en d atio n s .   T h ese  r ec o m m e n d atio n s   ar th en   tr an s m itted   b ac k   th r o u g h   th MQ T T   b r o k e r   to   th R asp b er r y   Pi  f o r   ac tu ato r   co n tr o a n d   s im u ltan eo u s ly   d eliv er e d   as  p u s h   n o tific atio n s   to   th f ar m   m a n ag er .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.