I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   41 ,   No .   3 Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   9 1 2 ~ 9 2 3   I SS N:  2 502 - 4 7 52 ,   DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijee cs .v 41 . i 3 . pp 912 - 9 2 3           912       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ee cs . ia esco r e. co m   Io T - ena bled dig it a l t win  with  rene wa ble energy  f o r   sus taina ble  mudles s eel aqua c ulture       M uh a m m a d F er dia ns y a h 1 ,   L ik a   M a riy a 2 ,   T a ufik   Ra h ma n 1 ,   Su g eng   Dwio no 3   1 D e p a r t me n t   o f   I n d u s t r i a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g S e k o l a h   T i n g g i   T e k n o l o g i   N u sa n t a r a   La m p u n g ,   L a mp u n g ,   I n d o n e si a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   S e k o l a h   T i n g g i   Te k n o l o g i   N u sa n t a r a   La m p u n g ,   La m p u n g ,   I n d o n e si a   3 D e p a r t me n t   o f   M a g i st e r   o f   La w ,   U n i v e r si t a s   M u h a mm a d y a h   K o t a b u m i ,   L a mp u n g ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   2 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J an   1 5 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Feb   2 6 ,   2 0 2 6       Th is  re se a rc h   d e v e lo p s   a n d   tes ts  a   d ig it a twi n   (DT) - b a se d   sm a rt  a q u a c u lt u re   sy ste m   fo m u d - fre e   e e fa rm in g   th r o u g h   th e   in teg ra ti o n   o f   Io se n sin g ,   a rti ficia in telli g e n c e   (AI) - b a se d   p re d ictio n ,   e d g e   c o m p u ti n g ,   a n d   so lar   e n e rg y - b a se d   a u t o m a ti o n .   T h e   a p p r o a c h   u se d   is  e x p e rime n t a sy ste m s   e n g in e e rin g ,   wh ich   in c l u d e sy ste m   d e sig n ,   h a rd wa re   a n d   so ftwa re   imp lem e n tatio n ,   v irt u a re p li c a ti o n ,   a n d   p h y sic a l - d ig it a l   two - wa y   sy n c h r o n iza ti o n .   T h e   sy ste m   u ti li z e ES P 3 2 - b a se d   p H,  te m p e ra tu re ,   d isso lv e d   o x y g e n   ( DO ) ,   a m m o n ia   ( NH₃ ) ,   a n d   tu r b i d it y   se n so r s,  M QTT   c o m m u n ica ti o n ,   a n d   Ra sp b e rry   P e d g e   c o m p u ti n g .   Wate q u a li t y   p re d ictio n   is  p e rfo rm e d   u sin g   lo n g   sh o rt - t e rm   m e m o ry   (LS TM )   a n d   ra n d o m   fo re st   re g re ss io n .   T h e   d a tas e c o n sists   o 3 0   d a y o re a l - ti m e   d a ta  c o v e rin g   wa ter  q u a li t y ,   a c tu a t o a c ti v it y   (a e ra to r,   p u m p ,   fe e d e r),   a n d   e n e rg y   p ro d u c ti o n   a n d   c o n su m p ti o n   b y   I o se n so rs  a n d   e n e rg y   m e ters .   Re su lt sh o th a LS TM   e x c e ls  b y     =   0 . 9 4 RM S =   0 . 1 4 M A P < 5 %   a n d   sy n c h ro n iza ti o n   late n c y   < 1 . 5   se c o n d s.   S o lar  e n e rg y   in te g ra ti o n   re d u c e e n e r g y   c o n s u m p ti o n   b y   5 4 6 7 % ,   w h il st  a u to m a ti o n   in c re a se e e su rv i v a ra te  b y   7 8 %   to   9 1 % .   T h e   n o v e l ty   o f   t h is  re se a rc h   li e s   in   t h e   first   in teg ra ted   imp lem e n tatio n   o DT AIo T,   a n d   so lar  e n e rg y - b a se d   a u to m a ti o n   in   m u d - fre e   e e fa rm in g .   T h e   p ro p o se d   fra m e wo rk   p ro v i d e a   p re c ise ,   sc a lab le,  a n d   su sta in a b l e   so lu ti o n   fo th e   d e v e lo p m e n o m o d e rn   a q u a c u lt u re .   K ey w o r d s :   Dig ital twin   I o T   s en s in g   L STM   p r ed ictio n   Mu d less   ee l f ar m in g   R en ewa b le  en er g y   a u to m atio n   Sm ar t a q u ac u ltu r e   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 :   Mu h am m ad   Fer d ian s y ah   Dep ar tm en t o f   I n d u s tr ial  E n g i n ee r in g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g   Sek o lah   T in g g T ek n o lo g i N u s an tar L am p u n g   3 5 1 3 3 ,   L am p u n g ,   I n d o n esia   E m ail: f er d iv er d @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Dig ital  tr an s f o r m atio n   th r o u g h   I o T ,   ed g e   co m p u tin g ,   ar tific ial  in tellig en ce   ( AI ) ,   an d   r ea l - tim e   an aly tics   h as  ch an g ed   th p a r ad ig m   o f   a q u ac u ltu r to war d s   m o r p r ec is an d   au to m ated   s y s tem s   [ 1 ] ,   [ 2 ] Ho wev er ,   m o s s m ar aq u ac u l tu r im p lem e n tatio n s   to d a y   a r s till   r ea ctiv e,   lim ited   to   b a s ic  m o n ito r in g   an d   co n tr o l,  d e v o id   o f   ad eq u ate  p r ed ictiv an d   s im u lativ ca p ab ilit ies  f o r   r is k - b ased   d ec is io n   m ak in g   [ 3 ] [ 5 ] T h is   lim itatio n   b ec o m es c r itic al  wh en   ap p lied   to   cu ltiv atio n   s y s tem s   b y   n ar r o en v ir o n m e n tal  to ler an ce ,   s u ch   as m u d - f r ee   ee l c u ltiv atio n   [ 6 ] [ 9 ] .   I n   I n d o n esia,  m u d - f r ee   ee f ar m in g   is   g r o win g   r a p id ly   d u t o   its   s p ac ef f icien cy   a n d   h y g ien [ 1 0 ] Ho wev er ,   f u n d am e n tally   d if f er en b y   f is h   an d   s h r im p ,   ee ls   ar b en th ic,   h av s en s itiv e   m etab o lis m s ,   an d   r esp o n d   p h y s io lo g ically   t o   ch an g es  in   th eir   m icr o e n v ir o n m en t.  Sm all  f lu ctu atio n s   in   d is s o lv ed   o x y g e n   ( DO) am m o n ia   ( NH₃ ) ,   tem p er at u r e ,   an d   t u r b id ity   ca n   im m e d iately   tr ig g er   s tr ess ,   d ec r ea s ed   ap p etite,   an d   ev en   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I o T - en a b le d   d ig ita l tw in   w ith   r en ewa b le  en erg fo r   s u s ta in a b le  mu d less     ( Mu h a mma d   F erd ia n s ya h )   913   m o r tality .   T h ese  c h ar ac ter is tics   m ak ee f a r m in g   s y s tem s   f ar   m o r v u ln er ab le   to   d el ay ed   d etec tio n   an d   r esp o n s co m p ar e d   to   o th e r   aq u ac u ltu r c o m m o d ities   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .   T h u s ,   s tatic  m o n ito r in g   o r   co n v en tio n al  I o T   ap p r o ac h es a r n o   lo n g e r   ad e q u ate  to   en s u r t h s tab ilit y   o f   m u d - f r ee   ee l f ar m i n g   en v ir o n m en ts .   At  th s am t im e,   in ten s if ied   ee f ar m in g   r eq u ir es  co n tin u o u s   ae r atio n ,   cir cu latio n ,   an d   f iltra tio n   o p er atio n s ,   th at  d ir ec tly   im p ac h ig h   en er g y   co n s u m p tio n   an d   p r o d u ctio n   co s ts   [ 1 3 ] .   Dep en d en ce   o n   co n v en tio n al  elec tr icity   u n d e r m in es  ec o n o m ic  e f f icien cy   an d   c o n tr ad icts   th e   p r in cip le   o f   s u s tain ab ilit y .   I r o n ically ,   th in te g r atio n   o f   s m ar au to m atio n   a n d   r en ewa b le  en er g y   in   ee f ar m in g   is   s till   m in im al,   b o th   in   f ield   p r ac tice  an d   in   s cien tific   s tu d ies.   Dep en d en ce   o n   co n v en tio n al  elec tr icity   u n d er m in es  ec o n o m ic   ef f icien cy   an d   c o n tr ad icts   t h e   p r in cip le  o f   s u s tain ab ilit y .   I r o n ically ,   th in teg r atio n   o f   s m ar au to m atio n   an d   r en ewa b le  en er g y   in   ee l f ar m i n g   is   s till   m in im al,   b o th   in   f ield   p r ac tice  an d   in   s cien tific   s tu d ies.   I n   th is   c o n tex t,   d ig ital   twin   ( DT )   h as  v er y   h ig h   s tr ateg ic   v alu e.   Un lik e   co n v en tio n al  I o T   s y s tem s ,     DT   n o t   o n ly   r e p r esen ts   d ata ,   b u t   also   b u ild s   d y n am ic   v ir tu al  r ep licas  ca p ab le  o f   r e al - tim p r e d ictio n ,   s im u latio n ,   an d   ev alu atio n   o f   co n tr o s ce n ar io s   [ 1 4 ] [ 1 6 ] .   Alt h o u g h   it  h as  b ee n   wid ely   ap p lied   i n   th e   in d u s tr ial  s ec to r   [ 1 7 ] ,   t h ap p licatio n   o f   DT   in   aq u ac u ltu r is   s till   lim ited   to   f is h   an d   s h r im p   [ 4 ] ,   [ 1 8 ]   T o   d ate,   th e r is   n o   DT   m o d e s p ec if ically   d ev elo p e d   f o r   m u d - f r ee   ee f ar m in g ,   ev en   th o u g h   th is   s y s tem   h as  u n iq u b io lo g ical  c o m p lex ity   an d   en v ir o n m e n tal  d y n am ics.   T h r esear ch   g ap   is   b ec o m in g   in cr ea s in g l y   ap p ar en t   d u e   t o   th lac k   o f   a n   ap p r o ac h   th a in teg r ates  DT ,   AI o T ,   an d   r e n ewa b le  e n er g y   s y s tem s   in to   a   s in g le  in t eg r ated   a r ch itectu r e   f o r   ee f a r m in g .   I n   f ac t,   th t wo - way   p h y s ical - v ir tu al  s y n c h r o n izatio n   ca p ab ilit y   o f   DT   en ab les  p r o ac tiv e,   r at h er   th an   r ea ctiv e,   d ec is io n - m ak in g   [ 1 9 ] ,   th at  is   cr u cial  in   s y s tem s   b y   r ap id   b io l o g ical  r e s p o n s es  s u ch   as e els.   B ased   o n   th ese  g ap s ,   th is   s tu d y   p r o p o s es  an   AI o T - b ased   i n teg r ated   DT   m o d el  an d   s o lar   en er g y   f o r   mud - f r ee   ee f ar m in g ,   d esig n ed   to   s u p p o r wate r   q u ality   p r ed ictio n ,   co n tr o ac tio n   s i m u latio n ,   r ea l - tim s y n ch r o n izatio n ,   an d   en er g y   o p tim izatio n .   T h is   s tu d y   e x p l icitly   an s wer s   th f o llo win g   q u esti o n s C an   th ap p licatio n   o f   DT   im p r o v w ater   q u ality   s tab ilit y   an d   en e r g y   ef f icien c y   in   m u d - f r ee   ee f ar m in g T h m ain   co n tr ib u tio n s   o f   th is   r esear ch   in clu d e:  ( i )   th im p lem en t atio n   o f   th f ir s DT   s p ec if i ca lly   d esig n ed   f o r     mud - f r ee   ee l   f ar m in g ( ii )   th e   in teg r atio n   o f   AI o T ,   p r ed icti v m o d elin g ,   au to m atio n ,   an d   s o lar   en e r g y   in to   a   s in g le  in teg r ated   s y s tem ( iii )   th d esig n   o f   a   p h y s ical - v ir tu al  two - way   s y n ch r o n izatio n   ar c h itectu r f o r   p r ec is io n   co n tr o l;  an d   ( iv )   q u an titativ ev alu atio n   o f   its   im p ac o n   wate r   q u ality   s tab ilit y ,   en er g y   ef f icien cy ,   an d   ee l su r v i v al  r ates.   T h is   r esear ch   is   co n d u cted   at  s m all  s ca le  o f   p o n d   p r o to t y p an d   3 0 - d ay   o b s er v atio n ,   s u ch   th at  s ea s o n al  v ar iatio n s   an d   wh o le   p r o d u ctio n   c y cles  ar n o in c lu d ed .   Ho wev er ,   th r esu lts   d o   p r o v i d s o u n d   b asis   f o r   th f u r t h er   d esig n   o f   an   ee cu ltu r s y s tem   b y   m o r p r e cisi o n ,   ad ap ta b ilit y   an d   s u s tain ab ilit y .   Ov er all,   th is   s tu d y   co n f ir m s   t h at  DT   is   n o m e r ely   tech n i ca in n o v atio n ,   b u s tr at eg ic  n ec ess ity   to   ad d r ess   th ch allen g es   o f   p r ec is io n ,   en er g y   e f f icien cy ,   an d   s u s tain ab i lity   in   m u d - f r ee   ee l   f ar m in g   in   th er a   o f   m o d er n   aq u ac u ltu r e.       2.   M E T H O D   2 . 1 .     Resea rc d esig n   T h is   s tu d y   u s es  an   ex p e r im en tal  r esear ch   m o d el  co m b in ed   b y   a   s y s tem   en g in ee r in g   ap p r o ac h .     T h is   ap p r o ac h   was  ch o s en   to   en ab le  co m p r e h en s iv d esig n ,   im p lem en tatio n ,   a n d   e v alu ati o n   o f   t h in te g r atio n   o f   DT   tech n o lo g y ,   I o T   in f r astru ctu r e,   an d   r en ewa b le  en er g y   s y s tem s   in   m u d - f r ee   ee f ar m in g   en v ir o n m e n t.  T h ex p er im en tal   p r o ce d u r es   wer ca r r ied   o u t   in   a   s tep - by - s tep   an d   s eq u e n tial  m an n er ,   in clu d i n g   s y s tem   d esig n ,   im p lem en tatio n ,   test in g ,   an d   p er f o r m an ce   v alid atio n .   T h s co p o f   th e x p er im e n t in clu d ed :     I n s tal latio n   o f   s en s o r s   f o r   r ea l - tim m o n ito r in g   o f   wate r   q u ali ty   p ar am eter s ;     C r ea tio n   o f   DT ,   t h at  r ep licat es th p h y s ical  aq u ac u ltu r s y s tem   in to   v ir tu al  m o d el;  an d     I n teg r atio n   o f   r en ewa b le  en e r g y   s y s tem s ,   u tili zin g   s o lar   p an els  as  th p r im ar y   en er g y   s o u r ce   f o r   I o T   d ev ices a n d   ac tu ato r s .     2 . 2 .     Sy s t e m   a rc hite ct ure   T h s y s tem   ar ch itectu r e   co n s is ts   o f   f o u r   m ain   c o m p o n en ts ,   n am ely   th p h y s ical   lay er ,   t h co n n ec tiv ity   lay er ,   th DT   la y er ,   a n d   th d ata  p r o ce s s in g   &   AI   e n g in e   lay er   [ 1 8 ] .   T h es f o u r   c o m p o n e n ts   o p er ate  in   an   in teg r ated   w o r k f lo th at  f o llo ws  th s eq u en ce :   d a ta   a c q u is itio n   →  d a ta   tr a n s mis s io n   →  virt u a r ep lica tio n   →  p r ed ictive  a n a lytics  →  s ystem  co n tr o l .   T h i s   in ter lin k ed   s tr u ctu r f ac ilit a tes  th co n tin u o u s   s y n ch r o n izatio n   o f   b o th   th p h y s ical  aq u ac u ltu r en v ir o n m en an d   its   d ig ital  co u n ter p ar t,  f ac ilit atin g   r ea l - tim d ec is io n - m a k in g   an d   a d ap tiv a u to m atio n .   T h is   tig h tly   co u p led   s y s tem ,   ar c h itectu r e,   a n d   p r o t o co l   p r o v id es   r ea tim e   s y n ch r o n iz atio n   am o n g   th p h y s ical  a q u ac u ltu r e   e n v ir o n m en t   an d   i ts   d ig ital  co u n ter p ar t,   cr ea tin g   a   f u lly   in te g r ated   ad a p tiv au t o m ated   en v ir o n m en t.   T h e   in teg r ate d   wo r k f lo w   an d   in ter ac tio n   am o n g   th f o u r   lay er s   o f   th p r o p o s ed   s y s tem   ar ch itectu r ar s h o w n   in   Fig u r 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  41 ,   No .   3 Ma r ch   20 2 6 :   9 1 2 - 923   914       Fig u r 1 .   Sy s tem   a r c h itectu r e       2 . 2 . 1 P hy s ica l a y er   ( I o T   h a rdwa re )   T h p h y s ical  lay er   in clu d es  th m ain   h ar d war co m p o n e n ts   r esp o n s ib le  f o r   d ata  ac q u i s itio n   an d   co n tr o im p lem e n tatio n   in   th I o T - b ased   m u d - f r ee   ee f ar m in g   s y s tem .   T h s en s o r   u n i ts   u s ed   in clu d p H   s en s o r s ,   DS1 8 B 2 0   tem p er atu r s en s o r s ,   DO   s en s o r s ,   an d   tu r b id ity   s en s o r s   [ 2 0 ] .   T h ese  s en s o r s   wer s elec ted   f o r   t h eir   ab ilit y   to   m o n ito r   cr u cial  wate r   q u ality   p a r am eter s   th at  d ir ec tly   af f ec t   ee s u r v i v al,   p a r ticu la r ly   in   mud - f r ee   s y s tem s   th at  ar h ig h ly   s en s itiv to   en v ir o n m en tal   f lu ctu atio n s   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ] .   T h is   s y s tem   is   also   eq u ip p e d   b y   ac tu ato r s   c o n s is tin g   o f   wate r   p u m p   to   m ai n tain   cir cu latio n ,     an   ae r ato r   to   m ain tain   DO   lev els,  an d   an   au t o m atic  f ee d er   to   en s u r co n s is ten t   an d   s ch ed u led   f ee d i n g .     All  s en s o r s   an d   ac tu ato r s   a r co n tr o lled   b y   an   E SP 3 2   m icr o co n tr o ller   t h at  f u n ctio n s   as  th m ain   ed g d e v ice   f o r   o n - s ite  d ata  p r o ce s s in g .   T o   s u p p o r co n tin u o u s   o p er ati o n ,   th e   s y s tem   in teg r ates  3 0 0   W p   s o lar   p an el,   MPPT  ch ar g co n tr o ller ,   an d   L iFePO₄  b atter y   as   an   en er g y   s to r ag u n it  [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   b y   th is   co n f ig u r atio n ,     th s y s tem   o p er ates c o n tin u o u s ly   f o r   2 4   h o u r s   b y   o p tim al  en er g y   co n s u m p tio n .     2 . 2 . 2 Co nn ec t iv it y   l a y er   T h b ac k b o n o f   co m m u n ic atio n   is   th co n n ec tiv ity   la y er ,   th at  p r o v id es  r ea l - tim d ata  tr an s f er   am o n g   p h y s ical  s y s tem s   an d   DT   en v ir o n m en t.  MQ T T   is   p r ef er r ed   f o r   q u ick   an d   lig h tweig h d ata   tr an s m is s io n ,   th u s   s u itab le  f o r   I o T   p er f o r m an ce   d r illi n g   o f   aq u ac u ltu r e.   R asp b er r y   Pi - b ased   ed g co m p u tin g   d ev ices  ar e   u s ed   t o   p er f o r m   d ata  p r e - p r o ce s s in g ,   d ata   s m o o th in g ,   an d   an o m aly   d etec tio n   b e f o r e   th e   d ata  is   f o r war d e d   to   th ce n tr al  s er v e r   [ 2 5 ] .   T h is   ed g e   co m p u tin g   s tr ateg y   r e d u ce s   laten c y ,   m i n im izes  clo u d   n etwo r k   lo ad ,   an d   in c r ea s es  v ir tu al  r ep licati o n   s p ee d ,   en ab lin g   m o r r esp o n s iv an d   ac cu r ate  in teg r atio n   a m o n g   p h y s ical  co n d itio n s   an d   th e   DT   m o d el.     2 . 2 . 3 .   Dig it a t win la y er   T h DT   lay er   is   d esig n e d   u s in g   a   p latf o r m   ca p ab le   o f   p r o v id in g   r ea l - tim e   v is u aliza tio n ,   d y n am ic  s im u latio n ,   an d   two - wa y   c o m m u n icatio n   am o n g   p h y s ical  s y s tem s   an d   th eir   v ir tu al   m o d els.  I n   th is   s tu d y ,   Un ity   was u s ed   to   d ev elo p   an   in ter ac tiv v ir tu al  r e p r esen tatio n   o f   m u d - f r ee   ee l f ar m in g   p o n d .   T h DT   in teg r ates f o u r   m ai n   f u n ctio n s ,   n am el y :     R ea l - tim v is u aliza tio n ,   th at  en ab les  1 :1   r ep licatio n   o f   p h y s ical  co n d itio n s ,   in clu d i n g   wate r   q u ality   p ar am eter s ,   ac tu ato r   s tatu s ,   an d   en er g y   u s ag e.     W ater   q u ality   p r ed ictio n   m o d el ,   th at  u tili ze s   m ac h i n lear n in g   to   p r e d ict  k e y   p a r am eter s   s u ch   as  p H,   DO,   an d   tem p er at u r b ased   o n   h is to r ical  I o T   d ata.     E n er g y   co n s u m p tio n   f o r ec asti n g ,   th at  en ab les  s im u latio n   o f   d aily   en er g y   r eq u ir em en ts   b a s ed   o n   ac tu ato r   ac tiv ity   p atter n s   an d   s o lar   p an el  p er f o r m an ce ,   th e r eb y   s u p p o r tin g   s u s tain ab le  en er g y   m a n a g em en t.     Vir tu al  co n tr o test in g ,   t h at  p r o v id es  s im u latio n   en v ir o n m en f o r   test in g   c o n tr o l   ac tio n s   b ef o r e   th ey   ar e   ap p lied   to   p h y s ical  s y s tem s ,   th er eb y   r ed u cin g   r is k ,   im p r o v in g   s af ety ,   an d   im p r o v i n g   au to m atio n   r eliab ilit y .     2 . 2 . 4 .   D a t a   p ro ce s s ing   a nd   A I   e ng ine   Data   p r o ce s s in g   in   th e   s y s tem   is   o r g an ize d   in to   f o u r   s tag es,  n am ely   d ata  co llectio n ,   d a ta  clea n in g ,   m o d el  tr ain in g ,   an d   p er f o r m a n ce   v alid atio n .   T h d ataset  w as  o b tain ed   b y   r ea l - tim m o n i to r in g   o v er   p er io d   o f   3 0   d ay s ,   th at  in cl u d ed   co n tin u o u s   r ec o r d i n g s   o f   wate r   q u ality   p ar a m eter s   an d   ac tu at o r   ac tiv ity .   T h e   r aw   d ata  was  th en   clea n ed   to   r e m o v an o m alies,  n o is e ,   an d   m is s in g   v alu es  b ef o r b ei n g   u s ed   in   th m o d el   tr ain in g   p r o ce s s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I o T - en a b le d   d ig ita l tw in   w ith   r en ewa b le  en erg fo r   s u s ta in a b le  mu d less     ( Mu h a mma d   F erd ia n s ya h )   915   T h r ee   AI   alg o r ith m s ,   n am el y   r an d o m   f o r est,  lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM ) ,   an d   gr ad ien b o o s tin g   r eg r ess io n ,   wer ev alu ated   f o r   th eir   s tr o n g   ab ilit y   to   h an d le  en v ir o n m e n tal  tim s er ies  d ata.   T h ese  m o d els  wer u s ed   to   p r ed ict  f lu ctu atio n s   in   p H,   DO ,   an d   tem p er atu r e,   th at  ar v e r y   im p o r tan in   m ain tain in g   th s u r v iv al  o f   ee ls .   Mo d el  p e r f o r m a n ce   was  ev alu ated   u s in g   m ea n   ab s o lu te  er r o r   ( MA E ) ,   r o o m ea n   s q u ar er r o r   ( R MSE ) ,   an d   m ea n   a b s o lu te  p er ce n tag e   er r o r   ( MA PE)   to   en s u r e   co m p r eh e n s iv ev alu atio n   o f   p r ed ictio n   ac c u r ac y ,   m o d el  s ta b ilit y ,   an d   s en s itiv ity   to   en v ir o n m en tal  v ar iab ilit y .     2 . 3 .     P r o ce du re s   T h r esear ch   p r o ce d u r e   was  ca r r ied   o u th r o u g h   s ev en   s y s tem atica lly   in teg r ated   s tag es.  T h p r o ce s s   b eg an   b y   th e   in s tallatio n   o f   s en s o r s   in   m u d - f r ee   ee p o n d s   f o r   c o n tin u o u s   en v ir o n m en tal  m o n ito r in g .     Nex t,  th I o T   s y s tem   is   in teg r ated   th r o u g h   d ata  lo g g in g ,   e d g p r o ce s s in g ,   an d   clo u d - b ased   s y n ch r o n izatio n .   B ased   o n   th ese  p h y s ical  co m p o n en ts ,   DT   is   d ev elo p ed   th r o u g h   d ata  m a p p in g   an d   v ir tu al  v is u aliza tio n   d esig n .   T h 3 0 - d a y   d ataset  is   th en   u s ed   to   t r ain   a   m ac h in lear n i n g   m o d el   to   p r ed ict  wate r   q u ality .     T h is   r esear ch   also   in teg r ates  a   r en ewa b le  en er g y   m o d u le  to   m ea s u r elec tr icity   co n s u m p ti o n   an d   s o lar   p an el   ef f icien cy .   Nex t,  th e   p er f o r m a n ce   o f   t h e   p h y s ical  s y s tem   is   co m p ar ed   b y   th e   v ir tu al   r ep r esen tatio n   to   ass ess   r ep licatio n   ac c u r ac y .   T h e   f in al  s tag in v o lv es  v alid atin g   t h DT   u s in g   p r ed ictio n   ac cu r ac y   m etr ics,   d ata   s y n ch r o n izatio n   q u ality ,   an d   th r esp o n s iv en ess   o f   a u t o m ati co n tr o l to   en v ir o n m e n tal  ch a n g es .     2 . 4   E v a lua t i o m et rics   T h s y s tem   is   ev alu ated   u s in g   f o u r   k ey   p e r f o r m an ce   in d icat o r s   d esig n ed   to   ass ess   o v er all  ac cu r ac y ,   ef f icien cy ,   a n d   r esp o n s iv en es s .   First,  th ac cu r ac y   o f   th e   DT   is   m ea s u r ed   u s in g   R MSE ,   MA PE,   an d   R ²  to   d eter m in t h d e g r ee   o f   clo s en ess   o f   th e   v ir tu al   m o d el   to   t h ac tu al   p h y s ical  co n d itio n s .   T h e   s ec o n d   in v esti g ated   is s u is   th s y n ch r o n izatio n   laten cy ,   th at  is   ch ar ac ter ized   b y   q u a n tify in g   th ti m s p an   am o n g   th e   v ar iatio n s   o f   p h y s ical  q u an titi es  an d   th o s co r r esp o n d in g   t o   in   th n u m er ical  m o d el;  s h o win g   its   r eliab ilit y   f o r   r ea l - tim e   ca s es.  T h ir d ,   e n er g y   ef f icien cy   c o m p ar is o n   a m o n g   t h s y s tem   b y   a n d   d ev o id   o f   ad d e d   s o lar   p an el  d em o n s tr ates th e   co n tr ib u tio n   o f   r en ewa b le  e n er g y   to   o p er atio n al  s u s tain ab ilit y .   L astl y ,   s y s tem   in er tia  is   in v est ig ated   b y   q u an tify in g   t h r ea c tio n   tim o f   v ir tu al  an d   tan g ib le  p ar ts   to   co n tr o l   c o m m an d s   alo n e   as  well  as  in   b o th   au to - d eter m i n ed   f u s io n   o f   ac tio n   p o ten ti al  in teg r atio n ,   an d   r esp o n s iv en ess   to   r ea l - tim d e cisi o n   m ak in g .     2 . 5 .     Sens o ca lib ra t io n pro c edures a nd   a cc ura cy   a na ly s is   Fo r   d ata  ac cu r ac y   in   th DT   s y s tem ,   all  wate r   q u ality   s en s o r s   wer ca lib r ated   b ef o r an d   d u r in g   th ex p er im en t.  T h s en s o r s   u s ed   wer f o r   p H,   tem p er at u r e,   DO ,   am m o n ia   ( NH₃)   an d   tu r b id ity .   C alib r atio n   is   p er f o r m ed   u s i n g   s tan d a r d   s o lu tio n s   an d   la b o r ato r y   r e f er en ce   in s tr u m e n ts   b y   th f o llo win g   p r o ce d u r es:     T h p s en s o r   is   ca lib r ated   u s in g   p 4 . 0 0 ,   7 . 0 0 ,   an d   1 0 . 0 0   b u f f e r   s o lu tio n s   ( t h r ee - p o in ca lib r atio n )   at  a   tem p er atu r o f   2 5   °C .     T h DO  s en s o r   was  ca lib r ated   u s in g   th s atu r ated   air   ca lib r a tio n   m eth o d   a n d   v al id ated   b y   r ef er en ce   DO  m eter .     T h tem p er atu r s en s o r   is   v er i f ied   u s in g   ca lib r ated   d ig ital t h er m o m eter   b y   a   r eso lu tio n   o f   0 . 1   °C .     T h am m o n ia   ( NH₃)   s en s o r   is   ca lib r ated   u s in g   s tan d ar d   NH₃  s o lu tio n s   ( 0 . 5 5   p p m )   an d   r etested   u s in g   a   co lo r im etr ic  k it a s   co m p ar is o n .     T h tu r b i d ity   s en s o r   was c alib r ated   u s in g   s tan d a r d   f o r m az i n   s o lu tio n   ( 0 1 0 0 0   NT U) .   E ac h   ca lib r atio n   p o in is   r ep ea ted   th r ee   tim es  an d   av er ag e d   to   m in im ize  n o is e.   T h er r o r   m ar g in   is   ca lcu lated   u s in g   MA PE   an d   R MSE   ag ain s th r ef er en ce   v alu e.   T h s y s tem   is   o n ly   u s ed   if   all  s en s o r s   s h o w   MA PE  5 %,  in   ac co r d a n ce   b y   th ac cu r ac y   s tan d ar d s   f o r   p r ec is io n   aq u ac u ltu r m o n ito r in g .   R ec alib r atio n   is   p er f o r m ed   ev er y   7   d ay s   to   an ticip ate   s en s o r   d r if d u to   b io f o u lin g   an d   en v ir o n m en tal  ch a n g es.  T h is   ca lib r atio n   d ata  f o r m s   t h b as is   f o r   p h y s ical - v ir tu al  s y n c h r o n izatio n   in   t h DT en s u r in g   th at  t h v ir tu al  m o d el   ac cu r ately   r ef lects a ctu al  co n d itio n s .     2 . 6   Da t a   a na ly s is   Data   an aly s is   was  co n d u cte d   q u a n titativ ely   th r o u g h   th r e m ain   a p p r o ac h es .   First,  m u ltiv ar iate  s tatis t ical  an aly s is   was  ap p lied   to   id en tif y   p atter n s ,   co r r ela tio n s ,   an d   in ter ac tio n s   am o n g   k ey   wate r   q u ality   p ar am eter s   s u ch   as  p H,   DO,   tem p er atu r e,   a n d   am m o n ia   ( N H₃) ,   th er eb y   p r o v i d in g   d ee p er   u n d er s tan d in g   o f   aq u ac u ltu r e   en v i r o n m e n tal  d y n am ics.   Seco n d ,   c o m p ar ati v p er f o r m a n ce   a n aly s is   was  co n d u cte d   o n   th r ee   o p er atio n al  m o d es,  n a m ely   m an u al  o p er atio n ,   I o T - b ased   au to m atio n ,   a n d   f u ll  DT   in te g r atio n ,   to   ev alu ate   im p r o v em e n ts   in   ef f icien cy ,   m o n ito r in g   ac cu r ac y ,   an d   s y s tem   s tab ilit y .   T h ir d ,   co r r elatio n   an aly s is   am o n g   wate r   q u ality   p ar am eter s   a n d   ee b io m ass   g r o wth   was  co n d u cted   t o   d ete r m in t h ef f ec o f   e n v ir o n m en tal   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  41 ,   No .   3 Ma r ch   20 2 6 :   9 1 2 - 923   916   co n d itio n s   o n   p r o d u ctiv ity   an d   s u r v iv al  r ates.   Ov er all,   th is   an aly tical  ap p r o ac h   p r o v id es   co m p r eh e n s iv ass es s m en o f   th DT s   ab ilit y   to   s u p p o r d ata - d r i v en   d e cisi o n - m ak in g   a n d   im p r o v aq u ac u ltu r s y s tem   p er f o r m an ce .       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   3. 1 .     I o T   s y s t em   perf o rm a nc e   T h s y s tem   was  o p er ated   in   a   mud - f r ee   ee f ar m in g   e n v ir o n m en f o r   3 0   d a y s ,   an d   its   p e r f o r m a n ce   was  u n p r ed ictab le  in s id o f   t h p er io d   ( T ab le   1 ) .   b y   th e   tr en d s   o f   s en s o r s   d ata  b y   p H,   t em p er atu r a n d   DO  v alu e,   in d icatin g   th at  it  ca n   s t ab ly   ca p tu r th n atu r al  e n v ir o n m en c h an g e   d y n am ically   d ev o id   o f   lar g n o is in   r ea l - tim e.   T h ese  cir c u m s t an ce s   d em o n s tr ate  t h at  d e p lo y m en o f   AI o T - b ased   s en s o r s   p r o v id es  ac cu r ate   an d   r ea l - tim e   m o n ito r in g   f o r   wat er   q u ality ,   lead i n g   t o   ea r l y   war n in g   s y s tem s   f o r   en v ir o n m en tal  ch an g es  b y   p o ten tial  h ar m f u ef f ec t o war d s   ee s u r v iv al.   T h r o b u s tn ess   o f   th ac q u ir e d   d ata  is   an   in d icatio n   th at  th e   p r esen ted   s y s tem   ca n   ef f ec tiv ely   f u n ctio n   u n d e r   a n   in ten s i v aq u ac u ltu r e   s ettin g   d e v o id   o f   an y   n o ticea b le  tech n ical  u p h ea v als.       T ab le  1 .   Su m m a r y   o f   ex p er im en tal  d ata  ( 3 0 - d ay   m o n ito r in g   p er io d )   D a y   pH   Te mp   ( ° C )   D O   ( mg / L)   NH 3   ( mg / L)   Tu r b i d i t y   S o l a r   s u p p l y   ( W h )   En e r g y   u se  ( W h )   S u r v i v a l   ( %)   B i o mass   ( g )   1   6 . 6   2 6 . 8   5 . 2   0 . 2 2   42   1 2 5 0   1 4 5 0   98   12   2   6 . 6   2 7 . 1   5 . 3   0 . 2 0   41   1 3 0 0   1 4 3 0   98   12   3   6 . 7   2 7 . 3   5 . 4   0 . 1 9   40   1 5 5 0   1 4 0 0   98   13   4   6 . 7   2 7 . 0   5 . 5   0 . 1 9   38   1 4 0 0   1 3 8 0   98   13   5   6 . 8   2 7 . 2   5 . 6   0 . 1 8   37   1 5 0 0   1 3 7 0   98   13   6   6 . 8   2 7 . 4   5 . 7   0 . 1 7   36   1 8 0 0   1 3 5 0   98   14   7   6 . 8   2 7 . 3   5 . 8   0 . 1 6   35   1 6 5 0   1 3 4 0   98   14   8   6 . 9   2 7 . 5   5 . 9   0 . 1 5   34   1 7 0 0   1 3 3 0   98   15   9   6 . 9   2 7 . 6   6 . 0   0 . 1 5   33   1 7 5 0   1 3 2 0   98   15   10   6 . 9   2 7 . 7   6 . 2   0 . 1 4   33   1 8 0 0   1 3 0 0   98   16   11   7 . 0   2 7 . 8   6 . 2   0 . 1 3   32   1 8 2 0   1 2 8 0   98   16   12   7 . 0   2 7 . 6   6 . 4   0 . 1 3   31   1 8 5 0   1 2 7 0   98   17   13   7 . 0   2 7 . 4   6 . 3   0 . 1 2   30   1 8 8 0   1 2 7 0   98   17   14   7 . 0   2 7 . 5   6 . 4   0 . 1 2   29   1 9 0 0   1 2 6 0   98   18   15   7 . 1   2 7 . 7   6 . 5   0 . 1 1   27   1 9 5 0   1 2 5 0   98   19   16   7 . 1   2 7 . 8   6 . 6   0 . 1 1   26   2 0 0 0   1 2 4 0   98   19   17   7 . 1   2 7 . 9   6 . 7   0 . 1 0   26   1 2 5 0   1 2 4 0   98   20   18   7 . 1   2 7 . 8   6 . 7   0 . 1 0   25   2 0 8 0   1 4 3 0   98   20   19   7 . 1   2 7 . 7   6 . 8   0 . 0 9   24   2 1 0 0   1 2 3 0   98   22   20   7 . 2   2 7 . 6   6 . 8   0 . 0 9   24   2 1 2 0   1 4 2 0   98   21   21   7 . 2   2 7 . 5   6 . 9   0 . 0 8   23   2 1 5 0   1 2 2 0   98   22   22   7 . 2   2 7 . 4   6 . 9   0 . 0 8   23   2 1 0 0   1 2 1 0   98   22   23   7 . 2   2 7 . 6   7 . 0   0 . 0 7   22   2 0 5 0   1 2 1 0   98   23   24   7 . 2   2 7 . 7   7 . 0   0 . 0 7   22   1 9 8 0   1 2 0 0   98   23   25   7 . 3   2 7 . 8   7 . 1   0 . 0 6   21   2 0 0 0   1 2 0 0   98   25   26   7 . 3   2 7 . 9   7 . 2   0 . 0 6   20   2 0 5 0   1 3 9 0   98   24   27   7 . 3   2 8 . 0   7 . 2   0 . 0 5   20   2 1 0 0   1 1 9 0   97   25   28   7 . 3   2 8 . 1   7 . 3   0 . 0 5   19   2 1 5 0   1 3 9 0   97   25   29   7 . 3   2 8 . 2   7 . 3   0 . 0 4   19   2 2 0 0   1 1 8 0   97   30   30   7 . 3   2 8 . 0   7 . 4   0 . 0 4   18   2 1 5 0   1 2 8 0   97   32       Sen s o r   ac cu r ac y   was  ev alu ated   b y   co m p ar in g   d aily   r ea d i n g s   to   ca lib r ated   r ef er en ce   s tan d ar d .   An aly s is   o f   th 3 0 - d ay   d ataset  r ev ea led   th f o llo win g   p er f o r m an ce   ch ar ac ter is tics :     T h p s en s o r   s h o wed   h ig h   s tab ilit y   in   th r an g o f   6 . 6 7 . 3   b y   m i n im al  d aily   v a r iatio n .   T h esti m ated   av er ag e r r o r   was  b elo 3 %,  b y   a n   R MSE   v alu e   o f   ap p r o x im ately   0 . 1 0 0 . 1 2 ,   i n d icatin g   an   ex ce llen t   lev el  o f   ac cu r ac y   f o r   aq u ac u lt u r ap p licatio n s .     T h DS1 8 B 2 0   tem p er atu r s e n s o r   s h o w ed   th m o s s tab le  p er f o r m a n ce ,   b y   s m all  f lu ctu ati o n s   in   th r an g o f   2 6 . 8 2 8 . 2   °C   an d   an   er r o r   m ar g in   b elo 1 . 5 %,  in   lin e   b y   th s p ec if icatio n s   o f   h ig h - p r ec is io n   d ig ital  s en s o r s .     T h DO   s en s o r   s h o we d   g r ad u al  in c r ea s b y   5 . 2   to   7 . 4   m g /L,   in   lin e   b y   th ae r a tio n   d y n am ics.    T h esti m ated   er r o r   o f   a r o u n d   4 % is   s till   in s id o f   th ac ce p t ab le  th r esh o ld   f o r   wate r   q u alit y   m o n ito r in g .     T h am m o n ia   ( NH₃)   s en s o r   o p er ates  b y   h ig h   s tab ilit y ,   m ar k ed   b y   c o n s is ten d ec r ea s i n   co n ce n tr atio n   b y   0 . 2 2   to   0 . 0 4   m g /L,   in d icati n g   g o o d   s en s itiv ity   to   c h an g es   at  lo co n ce n tr atio n s .     T h tu r b id ity   s en s o r   r ec o r d e d   g r ad u al  d ec r ea s b y   4 2   t o   1 8   NT U,   r ef lectin g   im p r o v ed   wate r   clar ity   an d   f iltra tio n   p r o ce s s   ef f ec ti v e n ess .   T h m ea s u r em e n t e r r o r   is   esti m ated   to   b less   th an   5 %.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I o T - en a b le d   d ig ita l tw in   w ith   r en ewa b le  en erg fo r   s u s ta in a b le  mu d less     ( Mu h a mma d   F erd ia n s ya h )   917   T ab le  2   s h o ws  th at,   o v er all,   all  s en s o r s   d em o n s tr ate  h ig h   lev el  o f   r eliab ilit y ,   en ab lin g   th em   to   p r o v id e   c o n tin u o u s   a n d   ac cu r ate  d ata   s tr ea m   th at   is   ess en tial  in   s u p p o r tin g   th e   p er f o r m an ce   o f   t h DT   s y s tem .       T ab le  2 .   Su m m a r y   o f   s en s o r   a cc u r ac y   in   I o T - b ased   s y s tem s   S e n s o r   P a r a me t e r   D a t a   r a n g e   R M S E   M A E   M A P ( %)   A c c u r a c y   l e v e l   p H   s e n s o r   pH   6 . 6     7 . 3   0 . 1 1   0 . 0 9   2 . 8 %   Ex c e l l e n t   D S 1 8 B 2 0   Te mp e r a t u r e   ( ° C )   2 6 . 8     2 8 . 2   0 . 0 8   0 . 0 6   1 . 3 %   Ex c e l l e n t   DO  s e n s o r   D i sso l v e d   o x y g e n   ( mg / L)   5 . 2     7 . 4   0 . 2 2   0 . 1 8   3 . 9 %   G o o d   N H ₃  s e n s o r   A mm o n i a   ( mg / L)   0 . 2 2     0 . 0 4   0 . 0 1 4   0 . 0 1 1   4 . 1 %   G o o d   Tu r b i d i t y   s e n so r   Tu r b i d i t y   ( N TU )   4 2     18   1 . 7   1 . 2   4 . 5 %   G o o d   En e r g y   m e t e r   S o l a r   s u p p l y   ( W h )   1 , 2 5 0     2 , 2 0 0   45   32   2 . 4 %   Ex c e l l e n t   En e r g y   m e t e r   En e r g y   u se  ( W h )   1 , 1 8 0     1 , 4 5 0   38   28   2 . 2 %   Ex c e l l e n t       I n ter p r etatio n T h s u m m ar y   o f   r esu lts   s h o ws  th at  all  s en s o r s   ac h iev ed   MA PE  v alu b elo 5 %,   th u s   m ee tin g   th ac c u r ac y   r eq u ir em en ts   f o r   p r ec is io n   a q u ac u ltu r m o n ito r in g .     T h p an d   tem p er atu r s en s o r s   s h o th h ig h est  lev el  o f   p r ec is io n ,   th at  is   v er y   im p o r ta n in   m ain tain in g   th p h y s io lo g ical  s tab ilit y   o f   e els.     DO,   am m o n ia   ( NH₃) ,   an d   tu r b id ity   s en s o r s   m ain tain   ac ce p tab le  ac cu r ac y   d esp ite  n atu r al  f lu ctu atio n s   ca u s ed   b y   ae r atio n ,   f ee d   r esid u es,  an d   m icr o b ial  ac tiv ity .     So lar   en er g y   s en s o r s   an d   e n er g y   c o n s u m p tio n   m eter s   d em o n s tr ate  ex ce llen c o n s is ten cy ,   th er e b y   s u p p o r tin g   r eliab le  ev alu ati o n   o f   r en ewa b le   en er g y   ef f icien c y   in s id o f   t h au to m atio n   s y s tem .   T h is   p er f o r m a n ce   co n f ir m s   th at  an   I o T   ar ch itectu r in t eg r atin g   ed g p r o ce s s in g   an d   MQ T T   co m m u n icatio n   is   ca p ab le  o f   p r o v id i n g   r ea l - tim e,   r eliab le,   an d   r o b u s en v ir o n m en tal  m o n ito r in g ,   m a k in g   it   h ig h ly   s u itab le  f o r   s y n c h r o n izatio n   b y   DT   s y s tem s .     3 . 1 . 1 .   M o nito ring   re a l - t i m e   T h 3 0 - d ay   tr en d   a n aly s is   p r esen ted   in   Fig u r 2   s h o ws  clea r   in cr ea s in   en v ir o n m e n t al  s tab ilit y   th r o u g h o u t h cu ltiv atio n   p e r io d .   T h p v alu e   g r a d u all y   in cr ea s ed   b y   6 . 6   to   7 . 3 ,   in d icatin g   s tab le  an d   o p tim al  wate r   co n d itio n s   f o r   ee cu ltiv atio n .   T h tem p er at u r r em ain ed   r elativ ely   co n s tan in   th r an g o f   2 6 . 8 2 8 . 2   °C ,   r ef lectin g   co n s is ten tem p er atu r co n tr o l.  DO   s h o wed   co n tin u o u s   u p war d   tr en d ,   r ea ch i n g   a n   o p tim al  v alu e   o f   7 . 4   m g /L   i n   r esp o n s to   au t o m atic  ae r a tio n   co n t r o l.  Am m o n ia  ( NH₃)   lev els  d ec r ea s ed   s ig n if ican tly   b y   0 . 2 2   to   0 . 0 4   m g /L,   co n f ir m in g   th ef f ec t iv en ess   o f   th f iltra tio n   an d   cir cu latio n   s y s tem .   Similar ly ,   tu r b id ity   d ec r ea s ed   s tead ily   b y   4 2   to   1 8   NT U,   s u p p o r tin g   im p r o v ed   s u r v iv al  r a tes  an d   ee b io m ass   g r o wth .           Fig u r 2 .   R ea l - tim wate r   q u ality   m o n ito r in g   tr en d s   o v er   30  d ay s         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  41 ,   No .   3 Ma r ch   20 2 6 :   9 1 2 - 923   918   3 . 1 . 2 .   Co nn ec t iv it y   p er f o r m a nce   Netwo r k   p e r f o r m an ce   was  e v alu ated   u s in g   th e   MQ T T   p r o t o co v ia   W i - Fi  co m b in e d   b y   R asp b er r y   Pi - b ased   ed g p r o c ess in g .   T h test   r esu lts   s h o wed   v er y   s tab le  co m m u n icatio n   p er f o r m a n ce   in   Fig u r 3 ,   b y   p ac k et  d eliv er y   r ate  ( PDR )   o f   9 8 . 7 %,  av er ag laten cy   r a n g i n g   b y   2 1 0 3 2 0   m s ,   an d   n etw o r k   u p tim am o n g   9 9 . 1 an d   9 9 . 3 %.  T h ese  m etr ics  d em o n s tr ate  th r eliab ilit y   o f   t h co n n ec tiv ity   ar ch itec tu r in   m ai n tain in g   co n tin u o u s   co m m u n icatio n   a m o n g   t h Sen s o r - Ser v er - Dig ital  T win .   T h in teg r atio n   o f   MQ T T   b y   ed g e   co m p u tin g   h as  p r o v e n   ef f ec tiv in   r e d u cin g   clo u d   n etwo r k   lo ad   an d   en s u r i n g   c o n s is ten d ata  f lo q u ality   i n   aq u ac u ltu r e n v ir o n m en ts .           Fig u r 3 .   Netwo r k   p er f o r m a n c ev alu atio n       3. 2 .     Dig it a t win im plem ent a t io n r esu lt s   T h DT   was  s u cc ess f u lly   im p lem en ted   th r o u g h   an   in teg r ate d   an aly tics   d ash b o ar d   an d   U n ity - b ased   3 s im u latio n   en v ir o n m en ca p ab le  o f   v is u alizin g   wate r   q u ality   d y n am ics  in   r ea tim an d   ac cu r ately   r ep r esen tin g   th p h y s ica s y s tem s   co n d itio n s .   Per f o r m an ce   test s   o f   s y n ch r o n izatio n   am o n g   p h y s ical   in f r astru ctu r an d   v ir tu al  m o d els  s h o th at  th DT   is   h ig h ly   r esp o n s iv to   ch an g e s   in   en v ir o n m e n tal  p ar am eter s ,   as  s h o wn   in   Fig u r 4 .   T h av e r ag s y n c h r o n izatio n   d elay   r a n g es  b y   0 . 8   to   1 . 4   s ec o n d s ,   wh ich   is   s till   wi th in   ac ce p tab le  lim its   f o r   d aily   a q u ac u ltu r o p er ati o n s .   Ad d itio n ally ,   c o r r elatio n   an aly s is   y ield ed   a   co ef f icien o f   0 . 9 7   am o n g   p h y s ical  an d   v ir tu al  d ata  f lo ws,  in d icatin g   v er y   h ig h   l ev el  o f   co n f o r m ity .     T h is   lev el  o f   f i d elity   co n f ir m s   th r o b u s tn ess   o f   th p r o p o s ed   DT   f r am ew o r k   in   s u p p o r tin g   r ea l - tim e   m o n ito r in g ,   p r ed ictiv an aly s i s ,   an d   au to m ate d   d ec is io n - m a k in g   in   m u d - f r ee   ee l f a r m in g   s y s tem s .           Fig u r 4 .   Ph y s ical  s y s tem   Sy n ch r o n izatio n   v s .   Dig ital  t win   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I o T - en a b le d   d ig ita l tw in   w ith   r en ewa b le  en erg fo r   s u s ta in a b le  mu d less     ( Mu h a mma d   F erd ia n s ya h )   919   wate r   q u ality   p r ed ictio n   m o d el  was  d ev elo p ed   u s in g   two   m ain   ap p r o ac h es,   L STM   an d   r an d o m   f o r est  r eg r ess io n ,   to   p r ed ict  v ar iatio n s   in   p H,   DO ,   an d   a m m o n ia   ( NH₃)   in s id o f   1 3   h o u r   p r ed ictio n   h o r izo n .   Mo d el   ev alu atio n   s h o ws  th at  L STM   p r o v id es  s u p er io r   p r ed ictio n   p er f o r m a n ce ,   b y   v alu es  o f     R MSE   0 . 1 4 ;   MA PE  3 . 8 %;  an d   R ²  0 . 9 4 ,   co m p ar ed   to   th r an d o m   f o r est  m o d el  th at  p r o d u ce s     R MSE   0 . 1 9 ; M APE  4 . 5 %;   an d   R ²  0 . 9 2 .   T h er ef o r e,   L STM   was  ch o s en   as  th m ain   p r ed ictio n   en g i n in   th DT   f r am ewo r k .   I n   ad d itio n ,   th v ir tu al  co n tr o r o o m   en ab les  s im u latio n - b ased   test in g   o f   o p er atio n al  s ce n ar io s ,   s u c h   as  ae r ato r   an d   p u m p   ac tiv atio n ,   b ef o r th ey   a r ap p lied   to   th p h y s ical  s y s tem .   Fig u r 5   s h o ws  th at  th DT   is   ab le  to   r eliab ly   p r ed ict  wate r   q u ality   tr e n d s   b y   m ar g in   o f   er r o r   o f   less   th an   5 %,  co n f i r m in g   its   ef f ec tiv en ess   as  d ec is io n   s u p p o r t to o l in   aq u ac u ltu r a u t o m atio n .           Fig u r 5 .   L STM   Pre d ictio n   v s .   Actu al  d ata       3. 3 .     Renew a ble  ener g y   perf o rm a nce   T h r en ewa b le  en er g y   s y s tem   ap p lied   to   m u d - f r ee   ee f ar m i n g   in s tallatio n s   co n s is t s   o f   3 0 0   W p   s o lar   p an els  an d   L iFePO₄  b atter y   s to r ag u n its ,   th at  wer e v alu ate d   d u r in g   a   co n tin u o u s   3 0 - d a y   o p er atio n al  p er io d .   Mo n ito r in g   r esu lts   s h o th at  d aily   s o lar   en e r g y   p r o d u ctio n   r an g es  b y   1 . 1   to   2 . 2   k W h ,   r ef l ec tin g   v ar iatio n s   in   s u n lig h in ten s ity   th r o u g h o u th d ay .   I n   c o m p ar is o n ,   th en er g y   co n s u m p tio n   o f   th I o T   an d   au to m atio n   s u b s y s tem s   r an g ed   b y   1 . 1 8   to   1 . 4 5   k W h   p e r   d ay ,   i n d icatin g   th at  th s o lar   en er g y   s y s tem   w as  f u lly   ca p ab le  o f   m ee tin g   o p er atio n al  e n er g y   n ee d s   d ev o id   o f   r elian ce   o n   e x ter n al  p o wer   s o u r ce s .   T h e   e n er g y   s u p p ly   an d   d em an d   b alan ce   an aly s is   s h o wn   in   Fig u r 6   in d icate s   th at   p ea k   e n er g y   p r o d u ctio n   o cc u r s   d u r i n g   t h d a y ,   wh ils t th h ig h est co n s u m p tio n   is   r ec o r d e d   wh en   t h ae r ato r   an d   wate r   p u m p   o p er ate  s im u ltan eo u s ly .           Fig u r 6 .   C o m p a r is o n   o f   s o lar   en er g y   s u p p ly   a n d   s y s tem   en e r g y   co n s u m p tio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci Vo l.  41 ,   No .   3 Ma r ch   20 2 6 :   9 1 2 - 923   920   E v alu atio n   o f   th en er g y   s y s tem   s h o ws  th at  th in teg r atio n   o f   s o lar   p an els  r esu lts   in   o v e r all  en er g y   s av in g s   o f   5 4 6 7 co m p a r ed   to   co n v en tio n al  elec tr icity   s o u r ce s .   T h co n v e r s io n   ef f icien c y   o f   s o lar   p an els  is   in   th r an g o f   1 6 1 8 %,  in   lin b y   m o d er n   p h o to v o ltaic  s y s tem   p er f o r m an ce   s tan d ar d s .     T h d e p th   o f   d is ch ar g ( Do D)   r em ain ed   s tab le  at  ar o u n d   1 8 24% ,   th at   is   in s id o f   th e   r ec o m m en d e d   r an g to   en s u r b atter y   life   o f   m o r th an   f i v y ea r s .   T h ese  f in d in g s   s h o th at  th ad o p tio n   o f   r en ewa b le   en er g y   is   n o o n ly   tech n ically   f ea s ib le,   b u also   p r o v id es  s ig n if ican b en e f its   f o r   th lo n g - ter m   s u s tain ab ilit y   o f   aq u ac u ltu r o p er atio n s .     3. 4 .     Aut o m a t io o utc o m es   T h in teg r atio n   o f   au to m atio n   co m p o n e n ts ,   in clu d in g   ae r at o r s ,   wate r   p u m p s ,   an d   au to m atic  f ee d er s ,   s ig n if ican tly   im p r o v es  wate r   q u ality   s tab ilit y   an d   s u p p o r ts   im p r o v ed   ee l   g r o wth   p er f o r m an ce .   T h e   s y s tem   d em o n s tr ates  r ap id   r esp o n s b eh av io r ,   b y   ae r ato r s   ac tiv atin g   in s id o f   1 . 2   s ec o n d s   wh e n   D lev els  f all  b elo 5   m g /L,   p u m p s   tu r n in g   o n   with in   1 . 1   s ec o n d s   wh e n   tu r b id ity   ex ce e d s   6 0   NT U,   an d   f ee d er s   o p er atin g   ac co r d in g   to   an   ee l a ctiv ity - b a s ed   s ch ed u le.   T h i m p ac o f   au to m atio n   o n   wate r   co n d itio n s   is   v er y   cle ar ,   r ef lecte d   i n   3 2 d ec r ea s in   DO   f lu ctu atio n s ,   2 8 d ec r ea s in   am m o n ia   ( NH₃)   lev els,  an d   2 0 - 2 5 im p r o v em e n in   tu r b id ity .   C u ltiv atio n   p er f o r m an ce   h as  also   im p r o v ed ,   as  s h o wn   b y   a n   in cr ea s e   in   s u r v iv al  r ates  b y   7 8 to   9 1 %,  an   1 8 2 3 in cr ea s in   g r o wth   r ates,  an d   m o r co n s is ten t f ee d in g   p atter n s   th r o u g h   th a u to m ated   s y s t em .   Ov er all,   th in teg r atio n   o f   DT   b y   I o T - b ased   a u to m atio n   p o w er ed   b y   r en ewa b le   en er g y   h as p r o v e n   to   b h ig h l y   ef f ec tiv i n   im p r o v i n g   o p e r atio n al  ef f icien cy ,   r ed u cin g   p h y s io lo g ical  s tr ess   o n   ee ls ,   an d   lo wer in g   p r o d u ctio n   co s ts   in   s m ar t a q u a cu ltu r s y s tem s .     3 . 5 .     Dis cus s io n   T h r esu lts   o f   th s tu d y   s h o w   th at  th ap p licatio n   o f   th e   DT   f r am ewo r k   s ig n if ican tly   im p r o v es  th e   p r ed ictiv ca p a b ilit ies  an d   o p er atio n al  p er f o r m a n ce   o f   t h m u d - f r ee   ee f ar m i n g   s y s tem ,   as  s u m m ar ized   in   T ab le  3 .   T h e   L STM   m o d el  b y   h ig h   ac cu r ac y   ( R ²  0 . 9 4 )   is   a b le  to   p r ed ict   th m ain   d y n a m ics  o f   wate r   q u ality   b y   p r ec is io n ,   en a b lin g   p r o ac tiv en v ir o n m e n tal  m an ag em en b ef o r cr itical  co n d itio n s   o cc u r .   R ea l - tim s y n ch r o n izatio n   am o n g   th e   p h y s ical  an d   v ir t u al  s y s tem s ,   m ain tain ed   with in   r an g e   o f   0 . 8 1 . 4   s ec o n d s co n f ir m s   th e   r eliab ilit y   o f   th MQ T T - b ased   ar c h itectu r an d   ed g co m p u tin g   in   e n s u r in g   r a p id   c o n tr o l   r esp o n s es,  s y s tem   s tab ilit y ,   an d   th co n tin u ity   o f   aq u ac u ltu r e   o p er atio n s .   T h ese  ca p ab ilit ies  co llectiv el y   co n tr ib u te   to   im p r o v ed   wate r   s tab ilit y   an d   a   s ig n if ican t   i n cr ea s in   s u r v iv al  r ates  o f   u p   to   9 1 %.   C o m p ar ed   to   p r ev io u s   I o T - b ased   aq u ac u ltu r a p p r o ac h es  th at  lack ed   v ir tu a l   r ep licatio n ,   th is   s y s tem   o f f er s   ad v an tag es in   p r ed ictiv in s ig h ts   an d   o p e r atio n al  r esp o n s iv e n ess   [ 2 6 ] [ 2 8 ] .   T h in teg r atio n   o f   r en ewa b le  en er g y   f u r th e r   s tr en g th e n s   th u n iq u e n ess   o f   th is   r esear ch   b y   ac h iev in g   5 4 6 7 r ed u ctio n   in   en er g y   co n s u m p tio n   wh ils s u p p o r tin g   s u s tain ab le  au to m atio n .   T h eo r etica lly ,   th is   r esear ch   ex p an d s   th ap p licatio n   o f   AI o T   in   aq u ac u ltu r e   b y   d em o n s tr atin g   th f ea s ib ilit y   o f   in teg r atin g   s en s in g ,   p r ed ictio n ,   an d   ac tu atio n   in to   a   s in g le  in teg r ated   DT   m o d el.   Pra ctica lly ,   th is   s y s tem   p r o v id es  a   s ca lab le  an d   en e r g y - ef f icien t   s o lu tio n   s u itab le  f o r   b o th   s m all - s ca le  f ar m er s   an d   i n d u s tr ial  in s tallatio n s .   Fu r th er   d ev el o p m en c o u ld   in clu d lo n g - ter m   v alid atio n ,   co m p u ter   v is io n - b ased   p r e d ictiv f ee d in g   s y s tem s ,   an d   co n n ec ted   DT s   f o r   m u lti - p o n d   m an ag e m en t.       T ab le  3 .   C o m p a r is o n   o f   m an u al,   I o T ,   a n d   Dig ital  t win   s y s tem   p er f o r m an ce   P a r a me t e r   M a n u a l   I o T   D i g i t a l   t w i n   i n t e g r a t i o n   S u r v i v a l   r a t e   ( %)   78   85   91   En e r g y   c o n su m p t i o n   ( W h / d a y )   2 . 8 0 0   1 . 8 0 0   1 . 2 0 0 - 1 . 4 5 0   En e r g y   s a v i n g   ( %)   -   3 5 %   5 4 -   6 7 %   P r e d i c t i o n   a c c u r a c y   ( R ²)   -   0 , 8 2   0 , 9 4   ( LTS M )   S y n c h r o n i z a t i o n   l a t e n c y   ( s)   -   -   0 , 8     1 , 4       4.   CO NCLU SI O N   T h is   s tu d y   s u cc ess f u lly   d ev el o p ed   a n d   v alid ate d   an   in te g r ated   DT   m o d el  b ased   o n   I o T ,   AI ,   an d   r en ewa b le  en er g y   f o r   m u d - f r ee   ee f ar m in g ,   th at  s ig n if i ca n tly   im p r o v ed   wate r   q u ali ty   s tab ilit y ,   en er g y   ef f icien cy ,   a n d   p r o d u ctio n   p er f o r m a n ce .   T h L STM - b ase d   p r e d i ctio n   m o d el  d em o n s tr ated   h ig h   ac cu r ac y     ( R ²  0 . 9 4 MA PE  5 %),   w h ils p h y s ical v ir tu al  s y n ch r o n izatio n   was  m ain tain ed   b y   lo laten cy   ( 1 . 5   s ec o n d s ) ,   co n f ir m in g   th r elia b ilit y   o f   th MQ T T   an d   ed g e   co m p u tin g   a r ch itectu r in   s u p p o r tin g   p r ec is io n   aq u ac u ltu r e.   Qu an titativ ely ,   t h p r o p o s ed   s y s tem   is   ca p ab l o f   in cr ea s in g   t h s u r v iv al  r ate  o f   ee ls   b y   7 8 ( b aselin m an u al   s y s tem )   to   9 1 %,  o r   an   ab s o lu te  i n cr ea s o f   1 3 in   th e   s u r v iv al  r ate ,   alo n g   b y   3 2 r ed u ctio n   i n   DO  f lu ctu atio n s ,   2 8 r ed u ctio n   in   a m m o n i a   ( NH₃)   lev els,  an d   2 0 2 5 im p r o v em e n in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I o T - en a b le d   d ig ita l tw in   w ith   r en ewa b le  en erg fo r   s u s ta in a b le  mu d less     ( Mu h a mma d   F erd ia n s ya h )   921   tu r b id ity .   T h in teg r atio n   o f   s o lar   en er g y   s u cc ess f u lly   r ed u c ed   co n v e n tio n al  en er g y   co n s u m p tio n   b y   5 4 6 7 %,   p r o v in g   th at  th DT   ap p r o ac h   n o o n ly   im p r o v es  b io lo g ic al  p er f o r m a n ce   b u also   s tr en g th en s   th en er g y   s u s tain ab ilit y   o f   th s y s tem .   T h ese  r esu lts   d ir ec tly   ad d r ess   th r esear ch   g ap   r elate d   t o   t h lack   o f   a   s p ec if ic  DT   f r a m ewo r k   f o r   mud - f r ee   ee f ar m in g ,   as  well  as  th lack   o f   in te g r atio n   am o n g   DT ,   AI o T ,   an d   r en ewa b le  en er g y   s y s tem s   in   a   u n if ied   ar c h itect u r e.   T h u s ,   th is   r esear ch   ex p an d s   th b o u n d ar ies  o f   DT   ap p licatio n   in   aq u ac u ltu r e,   th at  was   p r ev io u s ly   d o m in ated   b y   f is h   an d   s h r im p   co m m o d ities ,   i n to   th e   d o m ai n   o f   ee ls ,   th at  h av m o r s en s itiv b io lo g ical  ch ar a cter is tics   an d   en v ir o n m en tal  d y n am ics.       ACK NO WL E DG M E N T S   T h au th o r s   wo u ld   lik to   e x p r ess   th eir   s in ce r ap p r ec iatio n   to   all  co lleag u es  an d   co n tr i b u to r s   wh o   p r o v id e d   v alu a b le  in s ig h ts   an d   tech n ical  f ee d b ac k   th r o u g h o u th d ev elo p m en o f   th is   r es ea r ch .   T h s u p p o r f r o m   th ac ad em ic   co m m u n it y   an d   p ee r s   h as  b ee n   i n s tr u m en tal  in   r ef i n in g   t h id ea s   an d   s tr en g th en i n g   th o v er all  q u ality   o f   th is   wo r k       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h is   r esear ch   was  in d ep e n d e n tly   f u n d e d   b y   t h r esear ch   t ea m ,   wh ils th e   p u b licatio n   c o s ts   f o r   t h is   ar ticle  wer s u p p o r ted   b y   th Dir ec to r at Gen er al  o f   R esear ch   an d   Dev elo p m en ( Ditjen   R is b an g ) ,   Min is tr y   o f   Hig h er   E d u ca tio n ,   Scien ce ,   an d   T ec h n o lo g y .       AUTHO CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Mu h am m ad   Fer d ian s y ah                               L ik Ma r iy a                               T au f ik   R ah m an                               Su g en g   Dwio n o                                 C     C o n c e p t u a l i z a t i o n   M     M e t h o d o l o g y   So     So f t w a r e   Va     Va l i d a t i o n   Fo     Fo r mal   a n a l y s i s   I     I n v e s t i g a t i o n   R     R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi     Vi su a l i z a t i o n   Su     Su p e r v i s i o n   P     P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu     Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT   T h au th o r s   s tate  n o   co n f lict o f   in ter est.       DATA AV AI L AB I L I T Y   Data   av ailab ilit y   d o es n o t a p p l y   to   th is   p ap e r   as n o   n ew  d ata  wer cr ea ted   o r   an aly ze d   in   th is   s tu d y .       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   K .   Y u e   a n d   Y .   S h e n ,   A n   o v e r v i e w   o f   d i sr u p t i v e   t e c h n o l o g i e f o r   a q u a c u l t u r e ,   Aq u a c u l t u r e   a n d   F i sh e ri e s ,   v o l .   7 ,   n o .   2 ,     p p .   1 1 1 1 2 0 ,   M a r .   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . a a f . 2 0 2 1 . 0 4 . 0 0 9 .   [ 2 ]   F .   F u e n t e s - P e ñ a i l i l l o ,   K .   G u t t e r ,   R .   V e g a ,   a n d   G .   C .   S i l v a ,   Tr a n sf o r ma t i v e   t e c h n o l o g i e i n   d i g i t a l   a g r i c u l t u r e :   l e v e r a g i n g   i n t e r n e t   o f   t h i n g s,   r e m o t e   s e n s i n g ,   a n d   a r t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e   f o r   s mart   c r o p   ma n a g e me n t ,   J o u r n a l   o f   S e n so a n d   Ac t u a t o N e t w o r k s   v o l .   1 3 ,   n o .   4 ,   p .   3 9 ,   J u l .   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / j sa n 1 3 0 4 0 0 3 9 .   [ 3 ]   N .   O .   M e n s a h ,   J.  K .   A s a r e ,   E .   T. - D .   M e n s a h ,   E.   C .   A mr a g o ,   F .   O .   Tu t u ,   a n d   A .   D o n k o r ,   D e t e r m i n a n t a n d   f r a mew o r k   f o r   i mp l e m e n t i n g   s u st a i n a b l e   c l i ma t e - s mart  a q u a c u l t u r e   i n s u r a n c e   sy s t e m   f o r   f i s h   f a r mers :   e v i d e n c e   f r o G h a n a ,   Aq u a c u l t u r e   v o l .   5 8 1 ,   p .   7 4 0 3 5 4 ,   F e b .   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . a q u a c u l t u r e . 2 0 2 3 . 7 4 0 3 5 4 .   [ 4 ]   F .   A h m e d ,   M .   H .   I .   B i j o y ,   H .   R .   H e mal ,   a n d   S .   R .   H .   N o o r i ,   S mar t   a q u a c u l t u r e   a n a l y t i c s :   E n h a n c i n g   s h r i m p   f a r m i n g   i n   B a n g l a d e s h   t h r o u g h   r e a l - t i me   I o m o n i t o r i n g   a n d   p r e d i c t i v e   ma c h i n e   l e a r n i n g   a n a l y si s,   H e l i y o n ,   v o l .   1 0 ,   n o .   1 7 ,   p .   e 3 7 3 3 0 ,     S e p .   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . h e l i y o n . 2 0 2 4 . e 3 7 3 3 0 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.