云南省奶牛場智能光照系統設計與控制參數整定

摘 要： 針對云南省規模化奶牛場普遍存在的牛舍光照環境管理與奶牛生理需求不匹配現狀，影響奶牛泌乳性能，設計了一種基于西門子S7-1500 型PLC 控制架構的智能光照系統，探尋出符合奶牛實際光照需求的調控參數優化方法，旨在改善牛舍的光照環境，提高奶牛機體健康、生產福利及生產性能。希望能夠為其他規模化奶牛場改善牛舍的光照環境提供參考。

關鍵詞：奶牛場；牛舍；智能光照；系統設計；參數優化；云南省

中圖分類號：S26 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0088-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.015

0 引言

牛舍燈光是保障奶牛泌乳性能和機體健康的重要養殖光照因素。舒適的光照環境能夠促進奶牛產奶量及牛奶品質的提升，不良的光照環境質量則影響奶牛生產性能，并對奶牛的機體健康和牛眼器官造成傷害[1]。云南省具有良好的氣候條件和牧草種植資源，適宜奶牛的規模化養殖與發展。然而，云南省規模化奶牛場牛舍內養殖環境的自動化管控水平相對落后，牛舍內光照環境質量較差，普遍存在光照時間不足、光照度和光照色溫調控不合理等現象，對奶牛的生產性能和機體健康造成了一定影響。本研究結合奶牛生長規律、生產需求和健康需要，設計了一套牛舍智能光照系統。系統可實時采集、顯示和監測牛舍內的光照環境參數，根據牛舍內光照的變化自適應調控牛舍內的燈光時長、燈光強度，為奶牛的生長需求、生產性能發揮和機體健康提供必要的光照條件保障。同時，為保證牛舍內光照周期、光照度和光照舒適度與奶牛的實際光照需求相一致，采用對照試驗和數據分析的方法整定出一組較優的光照時間和光照度控制參數，驗證了智能光照系統對奶牛產奶量具有正向增長作用。

1 牛舍光照環境現狀

1.1 養殖光照環境質量偏低

牛舍主要采用包圍式結構設計，白天利用自然光提供光照，夜間則采用人工控燈方式為奶牛活動提供照明。然而，自然光會跟隨季節和天氣變化，不能有效保障奶牛養殖的光照環境。同時，奶牛屬于反芻類動物，夜間有進食和反芻習慣，需要補充足夠的光照條件[2]。大部分奶牛場牛舍的夜間燈光是根據工作人員的工作照明需求進行設計的，很少考慮奶牛的夜間活動需求及光照對奶牛生理激素的影響[3]。目前云南省規模化奶牛場牛舍的自然光照+人工燈光的管控方式不夠科學，導致牛舍內光照環境質量偏低，達不到奶牛規模化養殖的技術要求。

1.2 牛舍內燈光管理水平落后

牛舍燈光系統主要采用傳統的配電照明方案設計，全部通過人工手動合閘送電進行控制，牛舍內沒有安裝相應的光照度和光照色溫傳感器。燈具的開啟與關閉全憑工作人員的經驗或視覺感官判斷，造成牛舍內的光照周期不固定，對奶牛采食量、產奶量及生理激素的影響較大。同時，牛舍內通常選用普通照明燈具，燈光亮度與光色也是按照工作人員的夜間照明需要進行選配。由于普通燈具的燈光強度和色溫是固定設置的，不能自動調節，無法根據奶牛的光照需求自動調節，并對奶牛的視力和機體健康造成長期傷害。目前云南省規模化奶牛場的牛舍燈光設計和管理措施不夠科學，光照周期、光照度和光照色溫的控制效果與奶牛的實際需求相差甚遠，不利于奶牛養殖業健康發展。

1.3 牛舍內燈具選用不合理

大部分奶牛場在牛舍燈具選擇上存在一定誤區。牛舍燈具通常是以“人”為主體進行選擇，忽視了牛眼與人眼的感光區別，導致所選用燈具與奶牛感光需求不匹配。調研發現，大部分牛舍裝設的燈具為普通LED 燈和藍光燈，能夠滿足奶牛場人員夜間工作需要，但在奶牛眼中普通LED 燈光和藍光則是不可見光。原因是奶牛視網膜上只有2 種視錐細胞，導致奶牛對長波長的紅光敏感，對短波長的藍光不敏感[4]。換言之，奶牛的可見光為橙光與紅光，不可見光為藍光，與人眼截然相反。因此，牛舍中按照人眼的感光條件去選擇牛眼看不見的燈光是不科學的，而應從奶牛的視覺出發去選擇奶牛可見的紅光和橙光。

2 養殖光照環境需求分析

2.1 光照時間

奶牛是非季節性繁殖動物，光照環境會直接影響奶牛的內分泌、性成熟、采食、生長發育和產奶量[5]。從近幾年奶牛場養殖數據可知，自然光照條件下奶牛產奶量與季節相關，一般在春季最高，夏末秋初最低，10 月以后又逐步回升。李云甫等[6] 采用人工光照的方式，將奶牛每天的光照時間分別由9.5 h 的自然光照增加到15 和18 h，試驗期30 d。結果表明，光照時間15 h 時，產奶量和采食量均顯著高于9.5 和18 h。因此，在云南省規模化奶牛場燈光系統設計時，應充分考慮奶牛對光照時間的實際需求及光照周期變化作用，從而發揮光照控制系統的價值。

2.2 光照度

奶牛屬于反芻類哺乳動物，在夜間有進食需求。但奶牛天性膽小，若夜間牛舍光照度過低或過亮，都會影響奶牛的反芻和進食。研究表明，舒適的光照度能增加奶牛夜間的食欲，進一步提升奶牛對粗飼料進食量和轉化率。合理控制牛舍燈光的強度，能夠增加奶牛夜間的采食量，總產奶量能提高5%～8%[7]。因此，規模化奶牛場牛舍夜間燈光照度的調控應與奶牛感光舒適度相一致，才能保障奶牛夜間活動的光照需求。

2.3 光照色溫

在牛舍燈光色溫的選擇上應從牛眼視角出發，選擇適于奶牛敏感的燈光色溫，從而保障奶牛夜間的可見性。

3 牛舍智能光照系統設計

3.1 總體方案

牛舍智能光照系統的工作原理，是基于光照傳感器實時采集各牛舍的光照度，并通過光電轉化模塊將測量到的光照度轉換為4～20 mA 模擬量信號，并傳送至S7-1500 PLC 的模擬量卡件通道，再經過S7-1500PLC 的CPU 運算處理后向各燈具發出光照時間和光照度的控制指令。同時，為保證燈光控制的靈活性與便捷性，本研究在各牛舍的控制柜內安裝了觸摸屏，用于現地控制；并在監控室配置一臺監控主機，用于遠方監控。此外，各牛舍還可以通過安全隔離和無線網關將數據上傳至云端，可在手機APP 端進行實時監控。發展以數字化、自動化和智能化為特征的智慧奶牛養殖，是實現奶牛養殖高質量發展的核心任務[8]。系統整體結構設計方案如圖1 所示。

3.2 硬件設計

系統采用設備層、控制層和應用層3 層架構設計，最底層為設備層，主要由光照傳感器與牛眼專用燈組成；中間層為控制層，由S7-1500 PLC、觸摸屏、交換機與安全隔離裝置及無線網關組成；最頂層為應用層，由監控主機和可移動智能終端組成。

3.3 設備選擇

3.3.1 基于牛眼感光特性的專用燈具選擇

云南省大部分奶牛場目前使用的是交流型220 V 的普通LED 燈，但普通LED 燈的色溫在5 000 K 以上，不符合奶牛的感光要求。同時，交流型220 V 的普通LED 燈存在頻閃和光照度不均勻等現象，會嚴重影響奶牛的夜間活動。由于奶牛天性膽小，受到驚嚇時容易產生應激現象，導致產奶量急劇下降。此外，普通LED 燈的燈光強度和色溫不可調控，也不符合規模化奶牛場的燈光設計要求。針對奶牛對光照度和光色的特殊需求，本研究從泌乳牛感光舒適性和心理安全角度出發，從中山市譽球照明有限公司定制了一款LED光源、可調控光照度和標準顏色的泌乳牛舍專用燈具，型號為MRGZ01，參數如表1 所示。

3.3.2 光照傳感器選擇

由于牛舍面積較大，為準確測量牛舍內地面的光照度，本研究選擇山東仁科測控技術有限公司RS-GZN01-2 型光照傳感器，測量精度±7%。光照傳感器將采集到的光照度數值直接轉換為4～20 mA 標準信號，并經過通信電纜傳送至PLC 的模擬量通道。同時，光照傳感器安裝在采食過道內離地高度60～80 cm 的位置，與奶牛采食時眼睛的高度接近。

3.3.3 控制器PLC 選擇

PLC 控制技術在農業領域中已有成功應用的案例，能夠滿足燈光控制系統的可靠性和實時性技術要求[9]。經過選型分析，本研究選擇西門子S7-1500 PLC 控制器作為智能光照系統控制器，配置有以太網通信模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關量輸入模塊和開關量輸出模塊。其中，模擬量輸入模塊主要接收光照傳感器發出的4～20 mA 模擬量信號，而模擬量輸出模塊則向牛舍燈光發送燈光的亮度調節指令；開關量輸出模塊用于牛舍燈開啟與關閉的控制，開關量輸入模塊則用于牛舍燈光和光照傳感器運行狀態信息的采集；此外，以太網通信模塊用于現地PLC 與觸摸屏和后臺交換機的通信，從而實現牛舍燈光的就地與遠程控制。

3.4 控制回路設計

3.4.1 智能光照系統控制電路

為保證牛舍內采食過道光線和光照度的均勻，每間牛舍安裝16 盞牛眼專用燈，全部并聯接線，由同一個交流接觸器進行控制。同時，為保證各牛舍燈光同時點亮時的電壓質量，采用1 號與3 號牛舍引用L1-N接線、2 號牛舍引用L2-N 接線、4 號牛舍引用L3-N 接線。智能光照系統控制電路設計如圖2 所示。

3.4.2 智能光照系統控制信號I/O 分配

為保證PLC 控制單元實時采集各牛舍的光照數據和監測燈光運行狀態，實現牛眼專用燈光強度的智能調控。設計了燈亮、燈滅、燈故障和光照傳感器故障開關量輸入信號，以及光照度模擬量輸入信號；開燈、關燈開關量輸出指令，以及光照度調節模擬量輸出指令。光照系統I/O 分配如表2 所示。

3.4.3 PLC 外部接線設計

為實現PLC 控制單元與光照傳感器及牛眼專用燈的信息交互，各牛舍PLC 控制單元的外部接線設計如圖3 所示。

3.5 光照系統控制模式

牛舍燈光系統的控制分為手動和自動控制兩種模式，工作人員可在觸摸屏、后臺監控主機及手機APP進行手動控制，并且通過人機界面實時查看各牛舍的燈光狀態和光照環境信息[10]。自動控制模式則是由PLC 系統根據預先設定的周期、光照度等條件，自動控制燈光的開啟、關閉及燈光亮度的自適應調節。牛舍光照系統控制流程如圖4 所示。

定光照周期控制的目的是通過光照明、暗周期的交替變化刺激奶牛體內激素反應，最大程度地發揮奶牛的生產性能[11]。因此，根據奶牛的飲食與休息規律將光照周期分為明周期與暗周期， 明周期時長15～18 h，暗周期時長6～9 h；當投入定光照周期自動模式后，系統將在每天07： 00—24： 00 自動開啟牛舍內燈光，其余時間則關閉牛舍內的燈光，以保證牛舍的光照時間。

定光照度控制的目的是向奶牛提供舒適的光照度，刺激奶牛食欲，從而增加奶牛夜間粗飼料的進食量和產奶量[12]。當定光照度控制模式投入后，系統將自動檢測光照傳感器的光照度實時數值，與PLC 程序中設定的控制參數定值進行運算處理，并向牛眼專用燈自動下發調節指令，使牛舍內的光照度與設定參數保持一致。定光照度閉環調節原理如圖5 所示。

3.6 人機交互界面設計

為了推動奶牛養殖信息化的發展，更加便捷地對奶牛養殖場進行環境監測和遠程控制，更好地滿足奶牛場牛舍的燈光管理需求，采用手動與自動控制兩種模式[13]。手動模式下由工作人員手動開啟、關閉各牛舍燈光，并根據燈光亮度調節需求手動輸入控制參數。光照系統的手動控制人機界面如圖6 所示。

在自動控制模式下，工作人員可選擇定光照周期控制或定光照度控制模式。光照系統自動控制的人機界面如圖7 所示。

4 牛舍燈光調控參數整定

4.1 整定方法說明

牛舍燈光系統與工業照明控制系統的最大區別，在于控制參數整定與光照效果評價。工業照明控制系統的設定參數整定過程較短、控制響應速度快，燈光舒適度調控效果較直觀；但牛舍燈光系統控制參數整定與優化周期較長、難度較大，并且不宜采用工業照明控制系統的參數整定方法。牛舍燈光系統的設定參數需要從奶牛的視角進行整定，由于燈光參數的變化對奶牛生產性能及機體健康的影響是一個緩慢、較長的過程，需要一定時間后才能在采食量或產奶量上有顯著變化。為此，本研究提出以奶牛的產奶量作為評價指標，采用對照試驗和數據分析的方法對牛舍智能光照系統的光照時間、光照度的控制參數進行整定，并選擇一組較優的光照時間和光照度控制參數置入控制系統[14]。

4.2 智能光照系統調控參數整定

在云南省某奶牛場選擇50 頭平均產奶量（24.6±2.8） kg/周、平均胎次（ 2.2+0.9） 次、體型大小（143±69）cm 的健康泌乳期奶牛。隨機選出5 頭奶牛作為對照組，圈養在傳統牛舍，并按自然光照進行控制；另外45 頭奶牛平均分成9 小組，進行不同光照時間與光照度對奶牛產奶量的影響試驗，每個試驗因素取3 個水平，即光照時間13、15 和18 h，光照度150、200 和250 lux。試驗全過程所有奶牛飼喂的精料、粗料及相關飼草成分構成一致，試驗參數及結果如表3所示。

4.3 試驗結果與參數確定

影響奶牛生產性能的主要因素包括遺傳因素、環境因素和生理因素，要提高奶牛的生產性能，必須充分了解影響奶牛生產性能的因素[15-16]。由表3 可知，各小組的周平均產奶量增加值都不相同，說明牛舍內光照時間和光照度對奶牛的產奶量影響存在差異。SY-5 組的周平均產奶量增加值最大，初步斷定光照時間15 h 和光照度200 lux 最有利于奶牛的生產性能發揮。

為深入分析光照時間與光照度對奶牛產奶性能的影響，對表3 進行重新歸類、計算和極差分析，結果如表4 所示。

由表4 可知，光照時間15 h 參與的3 次試驗的平均產奶量增加值最高值為25.44 kg，說明15 h 光照時間對奶牛產奶量的影響大于13 和18 h； 光照度200 lux 對應的平均產奶量增加值最高為20.36 kg，同樣說明200 lux 光照度對奶牛產奶量的影響大于150 和250 lux。光照時間的極差值13.43 kg 遠大于光照度的極差值2.79 kg，表明光照時間是影響奶牛產奶量的主要光照因素。分析表明，光照時間15 h 和光照度200 lux是云南省某奶牛場的最佳光照組合方式。

本研究以試驗小組奶牛的周平均產奶量增加值為評價指標，選擇周平均產奶量增加值最多的小組SY-5的光照時間15 h 和光照度200 lux，作為智能光照控制系統的燈光控制參數設定值。從試驗后期奶牛場總產奶量增加值來看，以對照試驗來整定和選擇光照時間和光照度的方法是可行的，并可以用于其他養殖環境參數的整定和控制。

5 結束語

傳統奶牛場主要以“人”的感光方式和工作需求實施牛舍的光照系統設計，忽視了“牛眼”的特殊感光方式，較少從奶牛的視角和感光舒適度出發對燈光系統進行設計和控制。本研究對云南省規模化奶牛場牛舍燈光控制、管理現狀和控制需求進行分析與研究，設計了基于西門子S7-1500 PLC 控制架構的智能光照系統方案、系統架構、硬件組成、控制模式、人機交互界面及控制參數整定等，為云南省規模化奶牛場養殖環境的智能化控制提供技術參考。同時希望為其他規模化奶牛場改善牛舍的光照環境提供設計思路。

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