北方寒地封閉奶牛舍環境監測系統研究現狀與發展對策

王小婷 韓靜 滕達 郭思可 趙佳佳

摘 要 奶牛生長環境直接影響奶牛的生長情況和產奶質量。隨著黑龍江省奶牛產業的迅速發展，在奶牛飼養和養殖的過程中，大多數奶牛的生長發育過程都是在奶牛舍內完成。為了促進奶牛生長，提高產奶質量，就要改善奶牛生長的環境條件。因此，針對北方寒地規模化奶牛養殖場內環境問題，分析介紹了環境監測技術的發展現狀，并總結我國目前環境監測技術存在的主要問題，針對存在問題提出相應發展對策。

關鍵詞 奶牛舍;環境監測;研究現狀;存在問題;發展對策

黑龍江省是我國的農業大省，畜牧業是該省經濟發展的重要支柱。黑龍江省是我國奶牛養殖大省，同時也是全國乳制品產量大省，截止到2018年，全省奶牛存欄105萬頭余，年生鮮乳產量456萬噸[1]。在我國畜禽養殖發展的過程中，傳統的散戶養殖場由于環境條件差被逐漸淘汰，畜禽養殖集約化程度不斷提高，畜禽養殖戶的生產效益和生產水平得到顯著提升[2]。因此，規模化奶牛場的舍內環境控制成為我國在奶牛養殖過程亟待解決的問題。黑龍江省地處我國北部，冬季室外溫度極低，做好奶牛舍內的環境監測，才能提高奶牛舍飼養管理水平和生產質量[3]。

北方寒地大型集約化奶牛養殖場奶牛舍多為封閉式，影響奶牛生長的環境因子主要包括溫度、濕度、有害氣體濃度、通風速率、光照、微生物等。在傳統的環境監測中，溫濕度的獲取主要是通過人工記錄溫濕度傳感器上顯示的數據，再通過與國標認定的閾值進行對比，來調控牛舍內相關環境參數。采用這種方式，不僅耗費了大量的人力，又難以保證對奶牛舍環境因素的實時監測，而且舍內氨氣濃度的數據記錄準確度難以保證。

1 環境參數對奶牛健康生長的影響

黑龍江省地處我國北部，冬季室外氣溫較低，由于實際生產的需要，奶牛舍養殖結構設計多為封閉式，且冬季需要控制舍內門窗的開關時長，一般舍內的通風時長不易過長，這就導致舍內外空氣流動性難以保證，會造成相關環境參數指標超標，直接影響畜禽抵抗疾病的能力。在北方寒地奶牛舍中，溫濕度以及有害氣體是影響奶牛生產性能的重要因素。

1.1 溫度對奶牛養殖的影響

奶牛產奶的適宜溫度為12.4～24.4 ℃，當環境溫度超過25 ℃時，奶牛的產奶量會減少25%，當出現極端高溫即溫度超過35 ℃時，奶牛的產奶量將會減少50%，溫度過高不利于奶牛的正常產奶[4]。

奶牛耐寒怕熱，在夏季溫度過高時，容易產生熱應激，奶牛進食量會減少，牛奶產量會下降，嚴重情況下會導致奶牛生殖系統受損，公牛精子質量降低，母牛受孕率下降，繁殖性能受到影響[5]。在冬季氣溫較低時，寒冷的環境會刺激奶牛的食欲，奶牛會通過增加進食量來維持體溫，但是自身的消化率會降低，對奶牛生長造成不利影響，導致奶牛免疫力下降，發病率增加[6]。

1.2 濕度對奶牛養殖的影響

在奶牛的養殖生產中，濕度是非常重要的環境影響因子。研究表明，奶牛適宜生長的環境相對濕度為50%～70%[7]。當牛舍內溫度低、濕度高時，奶牛的體溫調節會出現異常，奶牛會因為感到寒冷而消耗體內的大量水分，并通過飲水補充體內缺失的水分，從而導致進食量降低，進而造成自身體重下降、營養不良，抵抗疾病的能力下降[8]。研究表明，當奶牛舍環境溫度超過25 ℃，濕度超過70%時，奶牛會出現精神不佳、食欲不振的情況，食入的飼料營養不能滿足產奶的需求，造成產奶量大大降低。

1.3 有害氣體對奶牛養殖的影響

北方地區冬季寒冷，幾乎所有的規模化奶牛養殖場的牛舍都是封閉的，牛舍內會因為無法調節空氣而濕度增高，同時舍內有害氣體的濃度也會增加。牛舍中的有害氣體主要包括氨氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化碳等[9]。

在北方密閉式奶牛養殖場中，冬季由于室外溫度較低，為了保證舍內的溫度，通風時間不易過長，氨氣在舍內大量積蓄，會造成氨氣濃度超標[10]。氨氣極易溶于水，會對動物皮膚、眼睛、呼吸器官的黏膜造成危害。研究表明，奶牛在高濃度氨氣環境下長時間生長會感染疫病，如高熱病、呼吸道疾病、牛萎縮性鼻炎等[11]。

牛舍中的二氧化碳主要來自于牛的呼吸。二氧化碳本是無毒氣體，在封閉環境的牛舍中，容易導致牛出現缺氧癥狀。奶牛在高濃度二氧化碳環境中長時間生長會導致牛的身體代謝和能量代謝減緩，造成呼吸困難、食欲不振的現象，嚴重情況下會導致奶牛窒息死亡[12]。

牛是一種反芻動物，牛瘤胃中的微生物或前胃發酵，無論動物吃了什么，都會產生甲烷，噴射到空氣中。甲烷是一種溫室氣體，其溫室效應比二氧化碳強21倍，更易危害到奶牛的養殖生產[13]。

2 無線傳輸國內外研究狀況

2.1 無線傳輸國外研究狀況

自20世紀50年代以來，國外畜禽養殖業逐漸向規模化、產業化和集約化方向發展，率先掌握了奶牛的飼養方式和飼養技術，并且對畜禽養殖環境監測和控制系統進行了深入研究[14]。如日本東京大學研究出了一款以微型計算機為控制中心的溫室環境控制系統，綜合控制溫室內多種環境因子，為接下來的環境綜合監控技術提供了方向。以色列在環境監控系統的設計中提出，根據環境因子的特點，通過不同類型的傳感器，對環境中溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等進行監測和調控。

Huircán等[15]提出，利用Zigbee無線通信，建立基于WSN的無線局域網通訊技術，對牧區的牛群通過定位實現監測，將RVI值應用于鏈路質量指示（LQI）進行距離預測，采用比值向量迭代法（RVI）對接收到的信號進行改進。此研究實現了低成本、低消耗且定位準確。

Hwang等[16]建立基于了WSN的無線傳感技術，對畜禽舍環境溫濕度進行自動調控。該系統能實時監測舍內溫度、濕度、光照度和有害氣體濃度，在系統中還加入了環境調控的設置，可以實現對畜禽舍內溫度和濕度的調控。

Congguo等[17]基于ARM、ZigBee網絡和Linux平臺對雞舍數據進行采集和傳輸，實現了雞舍環境的遠程監測和智能化調控。

Ma等人[18]基于CAN總線對豬舍內環境參數進行監測，利用CAN總線實現數據的遠程傳輸，利用GPRS技術和遺傳算法建立了豬生長環境智能控制系統。

Nadimi等[19]利用Zigbee和WSN無限傳感器網絡技術，通過人工神經網絡（ANN）基于多層感知器（MLP）將監測到的行為參數轉化為動物的行為模式，對動物的行為分成5種進行監測和分析。

Fournel等[20]構建基于PLF傳感器的畜牧管理系統，利用無線傳感器技術，監測動物的體溫、心率、體重以及環境溫濕度等，改善了密閉式畜禽精準飼養中存在的問題。

2.2 無線傳輸國內研究狀況

隨著黑龍江省奶牛產業的迅速發展，相關學者開始研究利用信息技術和現代化手段對畜禽的生長環境進行監控和管理，從而有效地控制疾病的發生和傳播，減少因畜禽疾病造成的生產損失。

叢希等[21]研究了基于無線傳感器Zigbee網絡的雞舍環境監測系統，設計采用DSU 1115-0601芯片連接各無線傳感器構成數據采集模塊的組網，通過分布式結構采集環境中的溫度、濕度、光照度以及硫化氫、二氧化碳和氨氣含量，上位機軟件采用VB編程可以實現，以解決大面積畜禽舍各環境參數實時顯示以及歷史查詢的功能。

姜榮昌[22]在畜禽環境參數數據采集部分將RS485有線通訊和ZigBee、GPRS無線通訊相結合，為提高畜禽舍環境參數采集系統的抗干擾性，建立了具有分布式功能的環境監測系統，解決了畜禽舍環境參數采集、歷史數據查詢以及分布式查詢的問題。

曾成等[23]為實現牛舍內的溫濕度恒定、氣體濃度適宜，研究了一款基于ARM嵌入式和WIFI無線傳輸的遠程牛舍環境監控系統，其中傳感器采集到的數據通過AT89S52處理器發送至上位機軟件，監控端對采集到的數據進行分析處理后進行環境參數調節。

冷康民等[24]以ZigBee網絡搭建了奶牛養殖內部環境溫濕度和氨氣濃度參數網絡，利用LabVIEW軟件通過對環境參數的分析和處理，設計出傳統控制和自適應優化控制相結合的奶牛場環境控制模式，建立環境參數和每日產奶量相對應的數據庫，系統自動篩選產奶量最高一天的環境參數作為控制系統調節的目標，進而不斷提高奶牛場產奶量。

劉冠廷等[25]建立了基于無線傳感器技術的ZigBee網絡，對豬舍環境的溫濕度、光照強度、氨氣濃度等數據進行采集，構建了適用于畜禽規模化養殖的環境參數多點采集系統，并且建立了組網模型。

3 環境預警模型國內外研究狀況

3.1 環境預警模型國外研究狀況

Ni等[26]根據氨氣的化學性質建立了豬舍內氨氣排放數學模型以及基于二氧化碳和氨氣揮發機理的模型，對機械通風模式的豬舍內氨氣濃度調控奠定了理論基礎，通過有效的通風策略實現了二氧化碳和氨氣的減排。

Daskalov等[27]在冬、夏兩季對畜禽溫濕度建立了魯棒自適應非線性比例積分控制規律。以投入產出線性化、解耦與李雅普諾夫理論為基礎，對系統外部擾動和參數不確定性進行非線性補償，實現了對畜禽舍環境溫濕度的控制。

Nienaber等[28]對冷、熱應激條件下畜禽生產系統的適應能力進行研究，根據生物氣象學的環境變化對畜禽的影響，通過風險管理和評估，提出環境調控的措施，以解決環境變化對畜禽產量的影響。

Seoa等[29]針對冬季豬舍內的通風問題，對豬舍的溫度、通風系統建立CFD模型進行仿真，此模型計算出的豬舍內空氣溫度與現場實際測量值相比較僅有0.044的誤差，可以通過該模型對不同季節豬舍的通風進行合理設計。

Saraz等[30]在具有正壓或者自認通風的畜禽養殖舍內比較不同氨氣排放測定的方法，對開放式畜禽舍的環境適應性進行分析，研究表明采用基于質量平衡和被動擴散采樣的方法，可以實現開放式畜禽舍的氨氣濃度測定。

Christian等[31]對畜禽舍溫度、濕度、二氧化碳濃度進行監測，每隔1 h對環境參數進行統計，利用舍內氣候評估的環境模擬方法，有效緩解畜禽的應激反應，降低動物發病率。

3.2 環境預警模型國內研究狀況

宣傳忠等[32]針對北方寒地分娩豬舍，利用T-S型自適應模糊神經控制算法，建立豬舍小氣候環境的溫度預測模型，實現了對舍內環境的自動監測和調控，使舍內溫度、相對濕度和氨氣濃度保持在設定的適宜范圍內。

王校帥[33]分別以分娩母豬舍和蛋雞舍為研究對象，利用CFD技術對兩種養殖舍內熱環境質量進行評估分析，通過模擬控制通風和降溫濕簾兩種方法對畜禽舍進行溫度調控，同時對蛋雞舍進行結構優化。

高玉賢等[34]通過對比反饋前饋線性化解耦和PID神經網絡兩種算法，針對夏季溫室內溫濕度之間非線性和強耦合的特點，利用Matlab仿真表明，反饋前饋線性化解耦需要依賴于被控對象建立的數學模型，相比較神經網絡算法具有容錯能力，因此PID神經網絡算法對溫室環境預測更具優勢。

謝秋菊等[35]通過比較分析L-M算法優化BP神經網絡、線性神經網絡和Elman神經網絡三種算法預測豬舍內氨氣濃度，結果表明基于L-M的BP神經網絡優化算法預測值與實際值誤差最小。

楊亮等[36]利用EMD（經驗模態分解）-LSTM（長短時記憶神經網絡）對豬舍未來1 h氨氣濃度進行預測，將預測結果與實際采集數據作平均絕對誤差、平均絕對百分誤差和均方根誤差，結果表明此模型誤差小于其他模型預測結果。

4 我國畜禽環境監測技術存在問題

隨著畜禽養殖業的發展，我國在畜禽環境監測技術方面有很大進步，當前的環境監測和調控基本可以滿足生產要求，但與發達國家相比還有一定差距。我國畜禽環境監測主要存在以下4點問題。1）一部分小型奶牛養殖場對畜禽環境的調控依靠養殖人員的經驗進行操作，不能及時準確地對舍內環境進行調控，缺少科學的理論和相關的數據支持。2）目前采用無線傳輸技術對畜禽舍環境監測，由于舍內面積大，單一采集點不能準確代表整體舍內環境的數值。3）影響畜禽生長的環境因子眾多，奶牛舍環境監測的主要難點在于對環境多因子同時監測以及奶牛個體周圍小氣候監控。4）在實際的生產過程中，由于多種環境參數相互作用、相互耦合，根據單一環境參數對養殖環境進行判斷所得的結果并不準確，環境預測效果難以達到理想狀態。

5 促進我國畜禽環境監測技術發展的對策

1）加強養殖戶與養殖專家之間的交流溝通，為奶牛舍環境監測和調控提供相應的理論依據和科學的數據支持。2）利用無限傳感器技術和無線傳輸網絡對畜禽舍環境進行多采集點實時監測，無線傳輸網絡可以實現點對點的多點遠距離通訊。3）根據舍內畜禽的分布和舍內建筑特點，提出舍內環境具體檢測點檢測參數和監測點布置方案。4）利用環境監測裝置采集到的實時環境數據建立數學模型，可以對畜禽多環境因子進行預測，對畜禽生長環境適應性分析。

6 結語

針對北方寒地冬季奶牛養殖場的封閉式奶牛舍，由于舍內空間較大，奶牛個體周圍存在小氣候，需要建立奶牛舍多個采集點的環境監測系統，以解決規模化養殖場內奶牛周圍存在的小氣候，使監測數據更加精準，同時實現對奶牛舍內環境因子的實時監測，不需要人工監測，減少了養殖業的生產成本。該系統的建立為奶牛養殖過程中實現精細化管理提供了數據支持，可通過預測的數據對環境進行提前調控，為奶牛養殖提供了便利。

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（責任編輯：趙中正）