基于物聯網技術的奶牛熱應激反應防控系統

曾光 盧文 郭靜 王傲

摘要 在我國奶牛養殖業模式向規?；D變的今天，改善牛舍環境更要落實在具體方面。尤其要重視防控奶牛產生熱應激，因為熱應激是造成奶牛疫病發病率上升、產奶量大幅度下降的一個重要影響因素。本文闡述了奶牛熱應激反應防控系統從物聯網的3層架構進行設計，感知層選用傳感器收集牛舍情況數據，傳輸層采用基于TCP協議的MQTT協議，控制層主要采用風扇、水泵和加熱器對牛舍的溫度和濕度進行控制。整個防控系統通過監控牛舍環境參數的變化，輔助管理人員實時做出調整，給奶牛提供舒適的環境，以防控奶牛產生熱應激。

關鍵詞 奶牛；熱應激反應；防控系統；物聯網技術

中圖分類號 S823；S818.9 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）13-0278-02

Prevention and Control System for Heat Stress Reaction of Dairy Cows Based on Internet of Things Technology

ZENG Guang LU Wen * GUO Jing WANG Ao

（College of Computer and Information Engineering，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300380）

Abstract Nowadays，the mode of dairy farming in China is changing to large scale，to improve the environment of dairy farms，we should carry out the specific aspects.In particular，we should pay attention to the prevention and control of heat stress in dairy cows，because of heat stress is an important factor that causes the increase of disease incidence and the decrease of milk production.The prevention and control system for heat stress reaction of dairy cows is designed from the three-tier architecture of the internet of things：sensor is selected to collect the data of cowshed in the sensing layer；the transport layer adopts MQTT protocol based on TCP protocol；the control layer mainly uses fans，water pumps and heaters to control the temperature and humidity of the cowshed.Through monitoring the changes in the environment parameters of the cowshed，the whole system assists the management personnel to make adjustments in real time，and provides a comfortable environment for the cows to prevent and control the heat stress generated by the cows.

Key words dairy cow；heat stress reaction；prevention and control system；internet of things technology

近年來，中國的畜牧業發展呈上升趨勢，但與一些發達國家相比，我國奶牛養殖業的狀況仍是小規模散養戶基數龐大。這些散養戶依然采用傳統的養殖方式，簡單地根據經驗人為地對環境進行控制，但并不精確，耗費大量的人力與財力，在現代化技術飛速發展的當下傳統養殖方式已相當落后。現如今物聯網技術已經廣泛應用于養殖業，在奶牛養殖方面的應用主要集中在奶牛場的環境監測、信息收集和處理、智能控制3個方面，為奶牛的科學管理提供了精確的數據支持[1]，同時實現了對牛舍環境數據的實時、動態采集，實時感知奶牛養殖的各個環節，代替了原有的人力監測方式，極大地減少了養殖人員精力的投入，實現各節點環境數據的統計分析及可視化，在PC端就可對環境進行智能控制，提高了工作效率和經濟效益。

1 總體方案

1.1 總體目標

奶牛熱應激反應防控系統是利用物聯網技術將采集的數據實時存儲入數據庫文件中，并實現在網頁中遠程訪問系統的網絡信息系統，監測環境數據并分析其結果，以便于隨時調整各環境參數，使奶牛養殖環境保持最適條件，保障動物生長、發育的環境要求，減少疾病的發生，實現動物養殖的效益最高、成本最低和利益的最大化。

1.2 系統設計的起因

近年來，隨著全球氣溫不斷上升，并且奶牛普遍采用集約化飼養的方法，從而導致了飼養管理在很大程度上受環境溫度的影響。當環境溫度已經超過奶牛自身體溫調節的范圍，會表現出一系列的全身性反應，將其稱為熱應激。研究表明，奶牛最適的產奶溫度為 4.4～21.1 ℃，適宜濕度為50%～70%，當環境溫度超過 25 ℃、溫濕度指數（THI）大于70時奶牛處于熱應3激狀態[2]。熱應激對奶牛的健康和生產有著嚴重的不利影響[3]，易導致奶牛免疫力降低、疫病發病率上升、產奶量大幅度下降。因此，必須對奶牛熱應激給予足夠的重視。

針對上述問題研究了對抗奶牛熱應激的實際措施。一是安裝對流電扇。此方法可以通過空氣對流，達到降低牛舍溫度的目的，且經濟實用。二是安裝水泵噴水。噴水通過蒸發降溫的同時可以增加環境濕度。三是安裝紫外線燈。夏季奶牛易受到微生物及寄生蟲感染，所以牛舍的衛生要求比較高，必須注重預防控制，通過智能控制紫外燈、消毒噴霧等措施，避免熱應激奶牛免疫力下降時并發疾病。根據以上措施系統綜合了對抗奶牛熱應激的因素，以THI作為網站控制的預設標準指標，結合時間參數，編制定時控制的噴淋降溫模式，使用這種模式可以使奶牛生活環境得到更合理的控制，能更加有效地減輕奶牛熱應激[4]。

1.3 結構介紹

將系統自下而上分為感知層、傳輸層和應用層?；谖锫摼W技術的奶牛熱應激反應防控系統結構框圖如圖1所示。

1.3.1 感知層。感知層是物聯網的基礎，是外界環境與計算機連接的橋梁。作為物聯網應用的最前端，感知層主要用于對外界環境的感知和信息采集。傳感器是感知層用于獲得信息的主要設備，將被測量信息轉換為電信號，然后用電信號處理裝置進行處理，產生相應的響應動作[5]，主要選擇了溫濕度傳感器、光照強度傳感器、MQ135有害氣體傳感器3種傳感器采集環境數據。MQ135有害氣體傳感器主要對NH3和SO2敏感，因而主要檢測這2種氣體。

1.3.2 傳輸層。傳輸層的主要功能是用于傳輸采集到的信息。搭建有線通信和無線通信相結合的綜合組網方式，實現數據的短距離傳輸和長距離中繼功能。傳感器到網關的短距離傳輸采用了EnOcean技術，可以實現多個傳感器同時發送信息。EnOcean 因不需要布線以及其自身協議方面的優勢，更適合應用于超低功耗開關及傳感器的無線通信。另外，EnOcean采用1 GHz以下的頻段，避免了擁擠的2.4 GHz頻段，更加穩定，傳輸距離也更遠。網關到服務器的遠距離傳輸采用基于TCP協議的MQTT協議，確保數據的及時與準確到達。MQTT協議是為大量計算能力有限且工作在低帶寬、不可靠的網絡環境下的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協議，符合本系統物聯網設備的需求[6]。

1.3.3 應用層。應用層的功能是處理信息，其位于物聯網3層構架中的最頂層，主要用于對感知層收集到的數據進行科學分析，實現對相關設備的實時控制[7]。采用維護性強、開放性高的Java Web 技術進行網站搭建，并采用Mysql數據庫進行數據存儲。采用這種技術搭建的網站便于維護，同時還擁有較高的可靠性和安全性。網站后臺程序采用 Java語言，前端采用JQuery和AJAX技術，實現了實時顯示的功能。

2 工作流程

2.1 流程描述

本系統通過傳感器采集溫濕度、光強、氨氣等環境信息，通過通信技術將數據從網關上傳到服務器，網站后臺程序會從服務器獲取數據并存進數據庫，通過對數據庫數據的分析處理，計算出溫濕度指數，根據溫濕度指數動態調控相關設備如風扇、噴霧器等，保持溫濕度指數的穩定，從而避免奶牛產生熱應激反應，提高牛奶產量。系統工作流程如圖2所示。

2.2 流程控制

在牛舍內散放多個傳感器（根據養殖場大小確定具體數量），傳感器可直接掛在墻壁上或栓在較高的柵欄上（選擇的牛舍面積為50 m2，在牛舍高度2.5 m左右的位置安裝3個傳感器，便于安裝與調試）。傳感器內置感應頭，能實時感知外界參數，通過內置的單片機處理，再由無線收發模塊傳出；傳感器采集到相關數據后會將數據轉換成相應的數據類型并通過EnOcean傳輸方式發送到網關。最終將信息實時顯示到網站上進行調控。

網站的數據可以實時刷新。當網站接收到傳感器采集到的信息時，與預設的參數作比較，如果某項參數超出預設的標準值，管理人員可以通過網頁手動控制相應硬件設備對牛舍環境進行調整（利用機械通風、排風進行降溫降濕，通過噴水蒸發降溫同時加濕等）；也可以打開網頁的自動控制開關，數據超出預設參數時，系統自動開啟控制設備，直至達到標準值時系統自動關閉控制設備。系統防控流程如圖3所示。

3 結語

本系統結合我國農業物聯網的實際情況，針對奶牛熱應激問題研究了奶牛熱應激反應防控系統，經過試驗測試，本系統對奶牛熱應激反應能起到一定的防控效果，奶牛產奶量得到了一定的提高。同時本系統上線了養殖環境溫濕度參數的采集與顯示，上傳數據和形成溫濕度指數實時數據曲線圖等，為進一步研究提供基礎，而且通過更換不同的傳感器，該系統還可以方便地進行延展，以監測其他環境參數的數據信息，使本套系統可應用范圍更廣。

4 參考文獻

[1] 張建華，趙璞，劉佳佳，等.物聯網在奶牛養殖中的應用及展望[J].農業展望，2014（10）：51-56.

[2] 張勇，李敏潔.熱應激對奶牛生產力的影響及預防措施[J].畜牧與獸醫，2003（8）：22-24.

[3] 常名明.奶牛熱應激的危害、表現和防治措施[J].現代畜牧科技，2016（5）：134.

[4] 田萍，張毅.溫濕指數對荷斯坦奶牛產奶量和受胎率影響的研究[J].黑龍江畜牧獸醫，2010（15）：82-84.

[5] 李琦.傳感器在物聯網中的應用與發展[J].青海師范大學學報（自然科學版），2014，30（2）：26-30.

[6] 張世功.基于溫濕度指數的牛舍噴淋降溫系統的控制[D].福州：福建農林大學，2005.

[7] 張春明.物聯網體系及相關技術研究[J].計算機時代，2011（10）：13-15.