畜禽舍智能化環(huán)境控制的研究進展

朱佳明，龍定彪，胡 彬，徐順來，蒲施樺

（重慶市畜牧科學院，重慶 402460；國家生豬技術創(chuàng)新中心，重慶 402460）

現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)正朝著規(guī)模化、現(xiàn)代化和信息化方向快速發(fā)展，養(yǎng)殖環(huán)境也成了不可忽視的問題，其直接影響畜禽的生產效率和健康狀況，對畜禽舍各種環(huán)境因子監(jiān)控已是現(xiàn)代化養(yǎng)殖業(yè)的基本要求。

智能環(huán)境控制器是畜禽養(yǎng)殖業(yè)提高養(yǎng)殖效率和經(jīng)濟效益、保障畜禽健康、降低資源浪費和環(huán)境污染的關鍵技術手段，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術與畜禽養(yǎng)殖生產深度融合，使傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖業(yè)向現(xiàn)代化畜禽養(yǎng)殖業(yè)轉型的關鍵一步。智能化環(huán)境控制器是集監(jiān)測和控制于一體的系統(tǒng)，其借助傳感器對舍內各種環(huán)境因子進行遠程監(jiān)測，通過計算機將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給控制終端，對數(shù)據(jù)進行分析并做出相應控制來調節(jié)畜禽舍的環(huán)境，系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。相較于傳統(tǒng)人工監(jiān)測控制的間歇性、滯后性和主觀性，智能環(huán)境控制可以做到連續(xù)、快速、準確地監(jiān)測以及控制畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，為畜禽生長提供一個健康的、舒適的舍內環(huán)境。

圖1 智能環(huán)境控制原理圖

荷蘭、以色列和美國等發(fā)達國家在1970年已開始了畜禽環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)，在此基礎上整合了疫病診斷、投喂料和自動清糞等系統(tǒng)，形成了智能養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，已應用在現(xiàn)代化養(yǎng)殖場中。我國的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究起步較晚，從“八五”至“十三五”期間，少數(shù)大型養(yǎng)殖場實現(xiàn)了自動化或半自動化的控制，但還只局限于功能單一的環(huán)境控制設備，難以滿足畜禽舍復雜環(huán)境調控需求，缺乏整體性研究，離達到智能化環(huán)境控制還有差距。然而在網(wǎng)易、阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭紛紛踏入養(yǎng)豬行業(yè)后有望顛覆傳統(tǒng)養(yǎng)豬行業(yè)，促進行業(yè)改革升級，將會給我國畜禽舍智能化環(huán)境監(jiān)測及控制發(fā)展帶來新機會。本文從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和控制理論介紹了畜禽舍智能環(huán)境控制的研究進展，為其在畜禽業(yè)的進一步應用提供參考。

1 數(shù)據(jù)采集

畜禽舍現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集主要包括溫度、濕度、氨氣、二氧化碳、風速、粉塵、光照等，早在1988年，Seedor等人在畜禽舍布置溫濕度一體傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)。Phillips等人在畜禽舍7個不同位置布置傳感器來監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，為畜禽舍污染物的量化排放設定了一套通用方法。Ni等采集豬舍內的氨氣濃度數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)曲線擬合、構建了豬舍氨氣揮發(fā)數(shù)學模型，這為舍內氨氣濃度調控奠定了理論基礎。Andonov等采集了不同季節(jié)下自然通風和空調控制下溫濕度數(shù)據(jù)，提出了一種新型的自然通風控制方法。Kim等人對冬季密閉豬舍中熱量空間分布及空氣塵粒含量進行了研究，發(fā)現(xiàn)豬舍內的塵粒含量與豬舍內的空氣溫度和濕度密切相關。Daskalov等采集了豬舍內冬夏兩季氣流數(shù)據(jù)，并提出了一種根據(jù)豬舍內空氣流速、溫濕度和流向聯(lián)合控制的非線性自適應修正算法，對指導豬只生產有著重要意義。Banhazi等采集了160個豬舍內的細菌、可吸入顆粒和有害氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)適當?shù)沫h(huán)境改善策略能夠降低豬舍環(huán)境中的空氣污染物濃度。

無線傳感器網(wǎng)絡技術在現(xiàn)代畜牧業(yè)中主要用于監(jiān)測各類環(huán)境參數(shù)。如陳俊杰、王冉等基于無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)了畜禽環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測。康瑞娟等在肉牛養(yǎng)殖信息采集基礎上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸方法的研究。柳平增等設計了一套畜禽規(guī)模養(yǎng)殖環(huán)境信息采集系統(tǒng)，研究并設計了多種環(huán)境參數(shù)檢測模塊，應用后發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、檢測精度高。Hwang等人建立了豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，最終控制環(huán)境調控設備的運行。王雷雨等對畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測及預警系統(tǒng)進行了研究，并實現(xiàn)豬舍的環(huán)境實時監(jiān)測及預警。Shen等通過響應面的方法對奶牛舍自然通風和換氣率進行模型控制。Stinn通過長期的試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)對豬舍環(huán)境進行評價及控制。

2 數(shù)據(jù)處理

單片機和PLC等在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中起主要作用，單片機可以嵌入到各種儀器設備中。如彭建盛等研發(fā)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以ADuC824單片機為核心芯片，可以高效實時采集數(shù)據(jù)，響應速度快、靈敏度高。戴春霞以C8051F020單片機為核心，以Modbus總線進行現(xiàn)場組網(wǎng)，對豬舍環(huán)境因子進行了測量以及自動控制。但單片機故障率高、編程越來越復雜、開發(fā)周期長，故現(xiàn)在一般采用性能高、價格低、可擴展性強的嵌人式 ARM 芯片進行數(shù)據(jù)處理。馬亮等人采用PIC單片機和TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)嵌入式Web服務器研發(fā)出雞舍網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，管理員可實時監(jiān)測雞舍的環(huán)境信息。熟悉嵌入式操作系統(tǒng)需要具備較高的專業(yè)素養(yǎng)。

PLC編程簡單，功能性強，后期維護工作量小。如于明珠等基于PLC實現(xiàn)了仔豬舍溫度自動控制。關銘潔研發(fā)出PLC的分布式控制系統(tǒng)，通過傳感器采集各種環(huán)境參數(shù)，并通過風機和水泵等設備對環(huán)境進行調節(jié)。路玉等利用PLC實現(xiàn)了豬舍環(huán)境智能控制。但各PLC廠家的硬件體系是相互獨立的，用戶必須先選定PLC的型號，再學習相應的控制規(guī)程和編程語言。

3 數(shù)據(jù)傳輸

目前在畜禽舍及溫室中應用最廣泛的有線通信是RS485總線和CAN總線，近距離無線通信有藍牙（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、紅外線數(shù)字鏈路（IrDA）、無線個人區(qū)域網(wǎng)近場通信（NFC）、紫蜂（Zigbee）、和超寬帶（UWB）等，各通信協(xié)議的特點見表1。如Ma等開發(fā)了基于CAN總線建立了豬生長環(huán)境智能控制系統(tǒng)。Wu等以ARM和ZigBee技術為基礎研發(fā)的雞舍智能環(huán)境控制系統(tǒng)實現(xiàn)了雞舍環(huán)境的遠程監(jiān)測。毛德平等通過RS-485總線設計出實現(xiàn)更長距離的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。周麗萍等利用移動巡檢車和Wi-Fi采集豬舍內各處的環(huán)境數(shù)據(jù)。周晨飛基于Zigbee設計了豬舍智能環(huán)境采集系統(tǒng)，可通過電腦遠程查看。李理等利用ZigBee設計環(huán)境傳感系統(tǒng)，并通過中心服務器調節(jié)溫濕度，給豬只提供適宜的溫濕度成長環(huán)境。

表1 各通信協(xié)議特性對比

通過硬件結合軟件使得環(huán)境控制系統(tǒng)更穩(wěn)定、高效。如謝秋菊等人以CC2430芯片為基礎，設置了傳感器終端節(jié)點、單舍控制節(jié)點以及ZigBee協(xié)同器，以進行更多傳感器數(shù)據(jù)與計算設備的結合，從而能夠將環(huán)境數(shù)據(jù)收集和傳送到控制中心。沈忱等人以CC2530模塊為硬件內核組成的無線通信技術節(jié)點，利用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)傳輸，并以MSP430單片機作為內核處理單元處理數(shù)據(jù)，并控制外設元件來調控家禽畜舍內環(huán)境。牛海春等以TM32單片機為主控芯片，梁天航等人綜合利用了ZigBee技術、PLC技術和傳感技術全方位監(jiān)測豬舍環(huán)境，將采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參考數(shù)據(jù)比較判斷后合理控制電氣機構，對大型豬舍環(huán)境進行調控。

馬吉慶等用ZigBee組網(wǎng)接收各采集點環(huán)境參數(shù)，RS485技術數(shù)據(jù)傳輸，PLC與RS485之間通信，實現(xiàn)畜禽舍內部環(huán)境因子實時遠程監(jiān)測，并對信息進行處理，通過和終端的軟件設置的相應閥值實現(xiàn)舍內設備手/自動控制轉換，獲得畜禽生長所需的最適環(huán)境。

4 控制理論

科技發(fā)展助力畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和應用，各種優(yōu)異的算法可解決環(huán)境監(jiān)測控制的實際問題。如俞守華等通過遺傳算法與小波變換結合有效降低了各種有害氣體的干擾，提高了氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。滕翠鳳等為克服單傳感器監(jiān)測的不確定和不穩(wěn)定性，將自適應加權融合算法與D-S證據(jù)推理理論融合實現(xiàn)了多傳感器的數(shù)據(jù)融合。崔和瑞等完成了畜禽舍在模糊控制條件下進行環(huán)境監(jiān)控的軟硬件實現(xiàn)方法，論述了模糊控制系統(tǒng)的實用性。柳平增等基于模糊控制算法開發(fā)了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)。錢東平等利用模糊控制理論對畜禽舍溫度進行實時監(jiān)測，建立了畜舍溫度調控及監(jiān)測的數(shù)學模型，增加控溫過程的穩(wěn)定性。趙靜偉等用模糊控制算法對豬舍環(huán)境控制設備、水泵和風機實現(xiàn)控制。為了解決寒冷冬季豬舍保溫與通風的調控問題，謝秋菊等設計了基于模糊控制算法的密閉式豬舍多環(huán)境因子調控系統(tǒng)。

5 總結

智能化環(huán)境調控是我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)進行數(shù)字化革新和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎，目前環(huán)境調控系統(tǒng)的思路是通過傳感器獲取畜禽舍內的各種環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、氨氣等），通過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的控制中心，控制中心對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過分析匯總后，發(fā)出相應的操作命令到各環(huán)境參數(shù)控制終端設備（風機、濕簾和照明等），使其控制相應的現(xiàn)場設備，實現(xiàn)畜禽場的環(huán)境自動調控。但是畜禽舍的環(huán)境復雜多變，環(huán)境調控技術仍然面臨諸多問題與挑戰(zhàn)，畜禽智能化環(huán)境控制系統(tǒng)雖然經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，但是目前并沒有全面普及應用相關技術標準，這極大制約了畜禽智能化環(huán)境調控推廣與應用。智能化環(huán)境調控的全面普及是畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化、數(shù)字化和科技化轉型升級的必經(jīng)之路。