基于物聯網的奶牛養殖場PM2.5環境監測及控制系統研究

曲愛玲，馬長路,2

（1.北京農業職業學院，北京 102442；2.中國農業科學院，北京 100193）

0 引 言

近年，我國霧霾污染日益嚴重。文獻[1]研究表明PM2.5能引起哮喘、肺功能下降、呼吸系統炎癥、癌癥等多種疾病，甚至累及心血管、神經、免疫等全身多個系統。文獻[2]研究表明吸入PM2.5顆?？梢l大鼠慢性阻塞性肺疾?。–OPD）。文獻[3]研究表明PM2.5具有生殖毒性，能夠引起早孕期大鼠胚胎個數的減少及胚胎質量下降。文獻[4]研究表明高劑量PM2.5可能導致妊娠結局的改變。

大量實驗表明，PM2.5對動物和人類的健康均產生巨大威脅，PM2.5對奶牛健康的危害直接影響奶牛的產奶量和產乳的品質。本文利用物聯網技術，監測奶牛養殖場的PM2.5、氨氣、光照、溫度、濕度含量等，并根據系統監測的環境參數進行空氣凈化等處理，旨在改變奶牛的生存環境，減少PM2.5對奶牛健康指數的影響。

1 PM2.5對奶牛健康危害

鑒于PM2.5對鼠類健康影響分析，推斷PM2.5對奶牛的健康危害主要體現在對呼吸系統、免疫系統、心血管系統、神經系統、妊娠結局改變等方面的影響或病變。

1.1 呼吸系統

PM2.5進入機體后可沉積在肺泡，導致肺炎、哮喘、慢性支氣管肺炎、肺功能下降等，可能與炎癥反應、氧化應激、基因毒性誘導的肺功能損傷，PM2.5急性暴露可造成呼吸功能下降[5-7]。

1.2 免疫系統

巨噬細胞暴露于環境顆粒物被認為是肺炎癥和過敏性疾病的關鍵。對于PM2.5，TLR2受體缺乏減弱巨噬細胞TNF-α和IL-6的表達能力，可形成炎癥和過敏。通過氧化反應、免疫損傷、鈣穩態失衡等機制，PM2.5可造成黏膜損傷、補體活化、CRP升高、肺巨噬細胞與NK細胞比例降低，T細胞、B細胞分布改變，TNF-α和IL-1等一系列細胞因子水平變化[5-7]。

1.3 心血管系統

PM2.5通過刺激肺泡引發炎癥而影響心血管，也可激活肺泡表面敏感受體，改變自主神經功能，間接作用心血管，PM2.5抑制細胞增殖，長期暴露在PM2.5環境可降低心血管病體壽命[5-7]。

1.4 神經系統

PM2.5破壞上皮、內皮屏障，血腦屏障的完整性決定神經抗體的作用，體內抗原觸發自身免疫應答，促成神經炎、免疫、神經系統疾病[5-7]。

1.5 不良妊娠結局

PM2.5可能致異常妊娠、胎膜早破、子癇前期等，可能出現早產、低出生體重及死胎等現象[5-7]。

2 影響奶牛產奶的主要因素

2.1 遺傳因素

遺傳因素是影響奶牛產奶量的內在因素，奶牛的品種類型不同，產奶量也不同。荷斯坦牛的產奶量最高，乳脂率卻最低；娟姍牛的乳脂率高但產奶量則較低。同種奶牛因個體特征差異，產奶量也有差異，體型大者產奶量高于體型小者產奶量[8-10]。

2.2 生理因素

奶牛的年齡和初配時間是影響奶牛產奶量的生理因素之一，奶牛的產奶高峰期在6～9歲左右，初配月齡為14～16為宜，可人為干預調整最優結構，使奶牛發揮最大的產奶效益。奶牛在產奶期的發情與妊娠，均會使奶牛的產奶量顯著下降。奶牛的初產月齡與胎次對奶牛的產奶量起決定性作用，初產時間22～24月齡為最佳，奶牛在第5胎可達到產奶量高峰期。可人為科學規劃奶牛各胎時間，實現奶牛健康和產奶量的最佳匹配方案。調整奶牛泌乳階段的飼養管理方法，提高泌乳階段的產奶量，此外，要保證干乳期長度適宜，使奶牛的生產性能得到充分的恢復。合理規劃奶牛的產犢間隔對于保證后代的健康發育和產奶量穩定至關重要[8-10]。

2.3 飼料因素

飼料的好壞是決定奶牛產奶量和奶質的關鍵。在飼養中，要保證精料種類多樣化，并搭配高質量和一定比例的粗料，有效保證牛奶乳脂率和乳蛋白率的提高。

正確的擠奶方法和次數可以保證牛奶的產量和質量，擠奶前用溫水擦洗奶牛的乳房，并做好準備工作，安排好時間，保證產奶量和乳脂率[8-10]。

2.4 環境因素

空氣中PM2.5污染，嚴重威脅奶牛的機體健康，對其產奶量及奶質均構成影響，保證牛舍內空氣質量安全，是奶牛健康的保障。

奶牛正常生活的適宜溫度為0～20℃，最適溫度在10～16℃，外界溫度達到25℃以上時，奶牛會出現呼吸急促、食欲減退，精神沉郁，產奶量也會相應下降，夏季要做好舍內的降溫工作，避免奶牛產生熱應激反應，冬季要做好相關的保暖措施，減少溫度差異對奶牛產奶量造成的負面影響。

若將光照時間延長到16 h，奶牛產奶量可提高10%～30%。在溫度適宜的條件下，光照實效越長，奶牛的新陳代謝越旺盛，飼料轉化率越高，體內催乳素和甲狀腺素分泌增多，所以產奶量也相應增加。

奶牛舍內衛生是保證奶牛健康、防止疾病暴發的關鍵。在日常生產中要做到及時清除牛舍內的糞尿、灰塵以及食物殘渣，保證舍內空氣流通，切斷流行性疾病的傳播途徑，維持適宜牛群生活的有利環境[8-10]。

3 奶牛養殖場PM2.5環境監測及控制系統構架

在影響奶牛產奶的因素中，遺傳因素是無法人為干預避免的，生理因素和飼料因素均可以人為干預得到避免或解決，環境因素中PM2.5、溫度、光照、氨氣、濕度等作為影響奶牛產奶的外界因素，可以通過科技手段得以改善或控制，旨在為奶牛的生長提供一個健康、綠色、優質的環境。基于物聯網的奶牛養殖場PM2.5環境監測及控制系統是感知、互聯、智能的疊加，是物聯網感知層、網絡層、應用層技術的綜合應用，其系統構架如圖1所示。

圖1 奶牛養殖場PM2.5環境監測及控制系統構架

4 奶牛養殖場PM2.5環境監測及控制系統硬件實施

4.1 奶牛養殖場環境監測

4.1.1 PM2.5傳感節點

PM2.5傳感節點采用PM2.5激光傳感器，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線。進而微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。本系統采用PMS70XX系列超薄數字式通用顆粒物濃度傳感器，用于獲得單位體積內空氣中懸浮顆粒物個數，即顆粒物濃度，并以數字接口形式輸出。此PM2.5傳感器即可以檢測PM2.5濃度，又可以檢測PM10濃度[11]。路由節點處理器采用LM3S9B96芯片，PM2.5傳感器與LM3S9B96芯片的串口UART0進行硬件連接，實現LM3S9B96芯片與PM2.5傳感器間的數據通信。PM2.5傳感器的工作電壓為+5V。其硬件原理圖如圖2所示，圖中LM3S9B96中的+5V為系統外部+5V輸入電源。當牛舍環境的PM2.5參數不在系統設定的閾值時，系統啟動空氣凈化裝置進行自動調節。

圖2 PM2.5傳感器硬件原理

4.1.2 溫濕度傳感節點

溫濕度傳感節點選用SHT11溫濕度傳感器芯片，其包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，兩者在同一個芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。利用LM3S9B96控制器的I2CSDA、I2CSCL控制SHT11溫濕度傳感器的DATA、SCK信號線，其硬件原理圖如圖3所示。每個牛舍放置一個溫濕度傳感節點，當牛舍環境的溫濕度參數不在系統設定的閾值時，系統啟動溫濕度控制裝置進行自動調節[12]。

圖3 溫濕度傳感器原理

4.1.3 光照傳感節點

光照傳感節點采用TSL230光照傳感器，它在內部集成了一個可配置的硅光電二極管和一個電流/頻率轉換器，其輸出是頻率正比例于光照度的脈沖串或方波。傳感器的靈敏度有3個可選擇的級別，靠兩個邏輯輸入端來控制，TSL230光照傳感器所有的輸入和輸出電平都兼容TTL電平，利用LM3S9B96控制器的GPIO引腳控制TSL230光照傳感器的信號引腳，其硬件原理圖如圖4所示。當牛舍環境的光照強度不在系統設定的閾值時，系統啟動光照控制裝置進行自動調節。

4.1.4 氨氣傳感節點

氨氣傳感節點采用7NE/NH3-100氨氣傳感器模組，具有模擬電壓/電流和串口同時輸出的特點，其工作為電壓+5V，使用壽命2年。此氨氣傳感器模組預留串行接口，利用LM3S9B96的串口UART1與7NE/NH3-100氨氣傳感器模組進行數據通信。其硬件原理圖如圖5所示，圖5中，7NE/NH3-100傳感器的定位引腳1、電壓輸出引腳4、485串口輸出控制引腳7均懸空即可。當牛舍環境的NH3濃度不在系統設定的閾值時，系統啟動排風控制裝置進行自動調節。

圖4 光照傳感器原理

圖5 NH3傳感器原理

上述傳感器節點采集的環境參數通過路由節點的ZigBee芯片進行無線數據傳輸到協調器端，數據在協調器端進行存儲、處理、上傳到云端等操作。

4.2 奶牛養殖場環境控制裝置

奶牛養殖場環境控制裝置每個牛舍安裝一套，包括空氣凈化裝置、溫濕度控制裝置、光照控制裝置（補光裝置）、排風換氣裝置，上述控制裝置均采用性價比高的裝置，與本系統進行二次集成。環境控制裝置由路由節點的控制器通過控制固態繼電器來控制執行機構的啟動，每個節點的環境控制裝置監控狀態可遠程傳輸到云端，方便用戶日常管理與故障維護。

4.3 奶牛養殖場環境參數感知

4.3.1 現場液晶屏顯示

每個路由控制器端均帶有液晶屏，用來顯示當前環境的具體參數值。液晶屏采用UartGPU35c串口屏模塊，此屏尺寸為3.5寸，利用LM3S9B96芯片的串口UART2與UartGPU35c串口屏模塊進行數據通信，液晶屏供電電壓為+5V。

4.3.2 無線數據傳輸

采用CC2420芯片進行數據的無線傳輸。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器，它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術，以0.18 um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250kbps可以實現多點對多點的快速組網[12]。CC2420與LM3S9B96處理器硬件連接原理圖如圖6所示。

圖6 CC2420與LM3S9B96處理器硬件連接原理

4.3.3 以太網數據傳輸

LM3S9B96的以太網控制器由一個完全集成的媒體訪問控制器（MAC）和網絡物理（PHY）接口器件組成。以太網控制器遵循IEEE 802.3規范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標準。以太網接口的硬件原理圖如圖7所示[12]。

圖7 以太網接口原理

以太網主要完成協調器與云應用服務系統間的數據傳輸。物聯網云應用服務系統采用php、mysql等技術實現，方便用戶遠程查看養殖場的環境參數及環境控制裝置的運行狀態，完成環境參數大數據的存儲，處理等工作。手機APP采用android技術實現，使奶牛養殖場的管理與科技發展同步，隨時掌控了解奶牛的生存環境。

5 結 論

鑒于PM2.5對奶牛健康的嚴重危害，高溫時奶牛出現的熱應激反應，光照對奶牛產奶量的影響等重要環境因素，采用先進物聯網技術的奶牛養殖場PM2.5環境監測及控制系統可解決上述環境問題，實現對奶牛養殖場環境的PM2.5濃度、溫度、濕度、光照、氨氣等環境參數的智能監測及控制調節，為奶牛提供一個安全、綠色的無污染環境。系統環境參數及節點設備運行狀態可通過云應用服務器或手機APP實時查看。本系統的實現，使奶牛養殖場的環境控制科學化、智能化，進一步保證了奶牛的健康和產乳的品質，為乳品安全提供了源頭保障。

[1]苑曉燕,李利忠,盧春鳳,等.PM2.5對大鼠體外全胚胎發育的影響[C]，北京環境誘變劑學會第十二屆學術交流大會，2012：250-251.

[2]劉菁,劉學東,趙偉業等.吸入PM2.5顆粒與氣管內滴注PM2.5混懸液建立大鼠慢性阻塞性肺疾病模型的比較[J].中國臨床醫學,2015，22（4）：482-485.

[3]吳思雨,侯海燕,張利文,等.大氣細顆粒物PM2.5對雌性大鼠生育力損傷作用的研究[J].國際婦產科學雜志2016,43(3):258-261.

[4]王玲璐.PM2.5對孕鼠妊娠結局的影響[D].遵義醫學院碩士學位論文,2014,(4),5-20.

[5]張凡,蘇德奇.PM2.5對人體健康的影響研究進展[J].疾病預防控制通報.2016,31(4):88-90.

[6]劉帥,宋國君.城市PM2.5健康損害評估研究[J].環境科學學報.2016,36(4):1468-1476.

[7]孫廣權,楊慧妮,劉小春等.我國PM2.5主要組分及健康危害特征研究進展[J].環?？萍?2015,(1):54-57.

[8]馬燕芬.影響奶牛產奶量的因素[J].中國奶牛.2007,(11):20-22.

[9]薛云萍.影響奶牛產奶量的因素[J].現代畜牧科技.2016,(8):32.

[10]張景洲.影響奶牛產奶性能的外界因素[J].現代畜牧科技.2016(3):14.

[11]PMS70XX系列數據手冊[M].北京攀藤科技有限公司,2015:1-5.

[12]馬長路,曲愛玲,呂加平等.基于物聯網的生鮮乳安全檢測與預警系統研究[J].中國乳品工業.2016,44(2):53-56.