基于WSN的集中通風式分娩豬舍環境參數時空分布特性

曾志雄，余喬東，易子騏，呂恩利※，董 冰

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642）

0 引 言

畜禽養殖行業呈現規?；?、集約化、工業化的發展趨勢[1]，動物的生產效率得到較大的提高，密集的養殖環境對畜禽的健康提出了新的要求[2]。在豬場養殖生產過程中，環境調控對豬只的生長與繁育具有至關重要的作用[3]，溫度、相對濕度、氨氣濃度、硫化氫濃度、二氧化碳濃度等環境參數對豬只的正常生長產生影響。良好的養殖環境是動物福利化的基本要求[4]，有助于提升豬只抵抗能力，充分發揮生產潛能，可進一步提高豬場的生產效益[5]。

國內外學者在畜禽養殖環境監測、分布特性、通風結構優化、環境調控等方面開展了深入研究。在國外，Seo等[6]建立了一個完整的商業豬舍模型來研究寒季舍內的通風問題。Heyden等[7]總結了空氣洗滌器和生物過濾器的新技術，及其在減少豬和其他家禽養殖環境污染氣體排放中的應用前景。Michiels等[8]調查了田間條件下空氣中的顆粒物和氨氣，對豬的生產性能、肺部病變和豬肺炎分枝桿菌存在的長期共同影響。Ni等[9]設計了一個豬舍變頻風機的直接連續通風測量系統，并驗證了其性能。在國內，謝秋菊等[10]基于不同季節氣候特點，制定了密閉式豬舍多環境因子調控策略。王悅等[11]研究了北京一典型規?；半u養殖舍在冬季條件下的氨氣和顆粒物排放特性。陳熔等[12]基于無線傳感網絡，設計了一套畜禽舍環境控制系統。高云等[13]基于WSN對一現代化樓房豬舍多環境因子進行了監測，分析了溫熱和有害氣體的差異性。WSN作為一種高效穩定的環境監測手段，被廣泛應用于畜禽養殖和溫室環境監控[14-21]。

目前，國內外學者針對集中通風式分娩舍的研究較少。本研究利用無線多源多點監測系統[22-24]，對集中通風式分娩母豬舍進行環境參數監測試驗，并針對分娩舍環境參數時空分布特性進行了總結與分析，為集中通風式豬舍環境調控及優化提供參考。

1 WSN系統組成架構與工作原理

豬舍環境無線多源多點遠程監測系統作為一個軟硬件信息平臺可獨立應用于豬舍內[25]。組成系統包含各類型環境參數傳感器、ZigBee模塊、遠程數據傳輸單元（Data Transfer Unit, DTU）、云服務器和網頁端。系統的整體框架包括：畜禽環境感知層、無線傳輸服務層、多客戶端應用層，如圖1所示。

圖1 系統架構Fig.1 System structure

畜禽環境感知層的各類型環境參數傳感器與 ZigBee模塊構成系統，各節點內搭載多種類型傳感器用于畜禽環境檢測，單個搭配的傳感器可監測的環境參數包括溫度（℃）、相對濕度（%）、二氧化碳（CO2）濃度、氨氣（NH3）濃度等。一個主節點最多可與254臺從節點進行搭配，組網后單點覆蓋面積達到 100 m2。節點的供電模塊選用容量為10 000 mA·h的12 V可充電式鋰電池，一次充電可供節點設備持續工作170 h。節點所選配的傳感器類型、型號、量程、分辨率及精度范圍信息如表 1所示。

表1 傳感器參數表Table 1 Sensor parameter table

用于試驗的節點如圖1中環境感知層的主從節點所示，包含ZigBee從節點及ZigBee主節點2種設備類型[26]。多個從節點通過ZigBee無線網絡將數據按設定時間間隔（10 min/次）傳輸給主節點。

系統的最底層主節點接收到多組從節點數據后，內部處理單元將數據進行幀格式打包，使數據按照指定HTTP報文格式上傳至DTU，DTU通過GPRS網絡將數據傳輸至云服務器。

無線傳輸服務層獲取完各節點數據后將數據保存至云服務器，利用網頁將數據可視化顯示出來，應用層的環境信息監測界面如圖2所示。

圖2 系統網頁端數據監測界面Fig.2 Data monitoring interface of the system webpage

2 試驗材料與方法

2.1 分娩母豬舍通風模式與節點布置

分娩母豬舍整體尺寸為長 32.6 m、寬 5.8 m、高2.8 m。分娩舍單元內設置2列豬只限位欄（尾對尾），每列可容納18頭母豬，舍內中間為通道。該試驗舍共有分娩母豬36頭，仔豬 396頭，仔豬日齡 8～14 d。將分娩舍內監測區域詳細劃分為母豬豬頭上部區域（H=90 cm，H（Height）表示節點放置的水平高度）、仔豬上部區域（H=50 cm）、豬尾區域（H=35 cm）及舍外區域（H=100 cm），分別掛設16、18、8、2臺從節點設備，設置每10 min采集一次數據。試驗分娩舍的橫斷面圖、平面圖、通風形式-剖面圖以及節點布置如圖3所示。

圖3 分娩舍布局及節點布置Fig.3 Layout of delivery pigsty and node layout

如圖 3所示，分娩舍采用地溝管道送風、中央排風的集中通風模式。側墻的大功率風機進行負壓抽風，舍外的新鮮空氣先通過濕簾，再流經地溝的送風管道進入舍內，新鮮空氣送向豬頭呼吸區域，后與豬群區域傳熱傳質后被強制抽出舍外。

該舍通風模式的通風量調控模式，如式（1）所示。試驗期間系統設定舍內目標溫度為21 ℃，舍內最大通風量為Wmax（該吉夏季時Wmax=24 300 m3/h），在風機作用下可調整范圍是20%～100%。當舍內溫度小于21 ℃時，通風量設定為最大通風量的20%，當舍內溫度大于27 ℃時，通風量設定為最大通風量。

式中T為溫度，℃；W為通風量，m3/h。

2.2 統計分析方法

試驗取樣時間為8月15日10時至8月17日10時，取樣頻率為每10 min一次。將在48 h內4個區域里采集得到的溫度、相對濕度、NH3濃度及 CO2濃度數據取平均，導入Excel繪制曲線圖。

取8月16日完整24 h周期，針對在不同區域、不同時間段（4個時間段：00:00－06:00、06:00－12:00、12:00－18:00和 18:00－00:00）下的環境參數，求出標準差σ、平均數和變異系數（CV，Coefficient of Variation）；并用SPSS軟件進行單因素方差分析。

引入溫濕度指數（Temperature-humidity Index, THI）對舍內的熱環境狀況進行分析。THI對應生豬熱應激狀態一般分為4個區間：當THI≤75時，無熱應激；當75＜THI≤78時，為中等熱應激；當 78＜THI≤83時，為嚴重熱應激；當 THI＞83時，為極端嚴重熱應激[27]。本研究的THI計算方式采用加拿大學者Bohmanova總結并推薦的方法[28]，該方法已被許多研究人員應用于畜禽養殖濕熱環境的分析當中[29-32]，具體見式（2）。

式中RH為相對濕度，%。

引入不均勻系數[33]，進一步對分娩舍舍內的溫度場、相對濕度場以及氣體濃度分布進行評價（不均勻系數值越小，分布越均勻）。不均勻系數采用式（3）表示：

式中ti取第i個測點的24h平均數值（分別代入溫度（℃）、相對濕度（%）、NH3濃度（mg/m3）以及CO2濃度（mg/m3））；n為個測點數量。

2.3 環境參考指標

根據國標《規模豬場環境參數及環境管理：GB/T17824.3-2008》，查找分娩舍內空氣溫度和相對濕度的舒適范圍，高、低臨界值，以及氨氣（NH3）和二氧化碳（CO2）濃度的指標要求，如表2所示。

表2 分娩舍環境參數指標Table 2 Delivery pigsty environmental parameter index

3 環境參數分布特性

3.1 時間分布特性

不同區域下環境參數的時間分布規律，如圖4所示。分娩舍的環境參數變化在2個24 h周期內具有相似的規律，故后續取一個24 h周期進行討論分析。

以母豬豬頭區域上部即布置高度為90 cm的2列節點采集到的數據為對象，比較分析各個時間段內監測得到的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度的時間分布規律以及差異性，結果如表3所示。結合圖4，可以得出溫度變化情況：母豬呼吸區域一天4個時間段內的平均溫度從高到低排列的順序為12:00－18:00、06:00－12:00、18:00－00:00、00:00－06:00，平均溫度控制在臨界值范圍內，并在12:00左右達到峰值（24.91℃）。在圖4a中，該區域平均溫度明顯高于室外平均溫度。4個時間段內變異系數最大的是06:00－12:00，為2.06%，該時間段內早晨至正午的溫差較大，對舍內溫度造成影響。

相對濕度變化規律：因為溫度升高，室外環境相對濕度降低，總體上相對濕度與溫度變化呈現負相關，但是由于舍內進行降溫，濕簾開始工作，在 12:00－18:00這個時間段內，母豬呼吸區域等舍內區域的相對濕度對比舍外環境相對濕度有較大的差異；在18:00左右該區域的平均相對濕度達到了峰值（82.31%），超過了臨界值（80%）。

NH3濃度變化規律：在各個時間段內母豬呼吸區域NH3平均濃度遠小于指標值（20 mg/m3），總體變化平穩，4個時間段的變異系數差別不大。NH3濃度在下午14:30左右達到了峰值（1.13 mg/m3）。

圖4 分娩舍各區域4種環境參數變化規律Fig.4 Four environmental parameter curves of each area in delivery pigsty

表3 4個時間段內90 cm高度平面的環境參數測量和結果Table 3 Environmental parameter measurement and results of 90 cm height plane in four time periods

CO2濃度變化規律：在0:00－06:00時間段的CO2平均濃度比其他 3個時間段的平均濃度要低，該階段的平均溫度也是處于較低的水平，原因是夜晚溫度降低，豬只的活動也相應減少，呼吸減緩，CO2的產生減少。最大的變異系數在 06:00－12:00的時間段，為 4.50%。CO2平均濃度在17:00左右達到了峰值（2 087.95 mg/m3）。

在SPSS中依據4個時間段進行單因素方差分析，顯著性水平選取P=0.05，結果以平均值±標準差的形式進行展示，如表3所示?？梢钥闯?，4個時間段之間的溫度變化具有顯著性差異，其中時間段 00:00－06:00和 12:00－00:00分別與其他時間段之間的差異極顯著；相對濕度和 CO2濃度變化在時間段12:00－18:00和18:00－00:00之間無顯著差異，而分別與其他2個時間段差異極顯著；NH3濃度變化只有時間段12:00－18:00與其他時間段差異極顯著。

3.2 空間分布特性

比較分析24 h內舍內節點高度分別布置為90、50和35 cm 3個區域監測得到的溫度、相對濕度、NH3濃度、CO2濃度的分布規律以及差異性，并將舍外測得的數據加入進行對比分析，結果如表4示。

根據表 4所呈現的結果，得出空間序列的溫度變化規律：舍內 3個區域之間具有顯著性差異，H=35 cm區域的平均溫度最高（24.26 ℃）且最為穩定（CV=2.14%）。最高峰值平均溫度（24.91 ℃）出現在H=90 cm區域。舍外溫度因為晝夜溫差大而有最大的變異系數（CV=2.14%）。

表4 不同區域里各環境參數環境參數測量和結果Table 4 Environmental parameter measurement and results in different areas

空間序列的相對濕度變化規律：H=90 cm區域和H=35 cm區域趨于一致，無顯著差異。舍內3個區域出現的相對濕度峰值均超過高臨界值（80%）。

空間序列的NH3濃度變化規律：舍內3個區域之間的差異極顯著。舍舍內檢測到的 NH3濃度遠低于指標值（20 mg/m3），說明該舍的通風系統能及時將有害氣體排出。豬尾部H=35 cm區域的平均NH3濃度最高（2.44 mg/m3）。

空間序列的CO2濃度變化規律：與NH3相同，舍內3個區域之間的差異極顯著。豬尾部H=35 cm區域檢測到的CO2平均濃度最高（2 253.24 mg/m3），母豬呼吸區域的平均CO2濃度也處在一個較高的水平（1 869.81 mg/m3）。

以試驗分娩舍90 cm高度平面的母豬呼吸區域作為研究對象，基于時間分布特性，取該區域各環境參數在24 h內峰值時間點的采樣數據，分析試驗分娩舍同一高度平面的環境分布差異性，為環境控制優化提供參考。

圖4中90 cm高度平面內的溫度、相對濕度、NH3濃度及CO2濃度峰值時間點依次出現在12:00、18:00、14:30及17:00前后。選取這4個時間點在所有母豬區域采集的環境數據進行繪圖分析，利用Matlab繪制各環境參數的三維（舍長、舍寬、數值）曲面及二維（舍長、舍寬）平面分布云圖，從多角度圖像信息中獲取試驗分娩舍在國標檢測平面內各環境參數的空間分布特性，如圖5所示。

溫度分布特點：如圖5a、圖5b所示，高溫區集中于分娩舍中部區域，舍內四周溫度相對中部區域要低。

相對濕度分布特點：如圖5c、圖5d所示，結合圖3，因為負壓形成氣流積聚效應，中央排風口下部區域的平均相對濕度最高，在該區域的左側則趨于平均，右側邊墻區域最低。

NH3濃度分布特點：如圖5e、圖5f所示，結合圖3，空間分布規律整體上呈現出邊角高、中間低。兩側邊角積聚現象顯著。

CO2濃度分布特點：如圖5g、圖5h所示，結合圖3，CO2濃度呈高低相間的規律，遠離中央排風口一側出現積聚，豬舍中部和中央排風口下方濃度也較高。根據 NH3及CO2這2類有害氣體的空間分布情況，得出該豬舍內有害氣體多積聚于建筑墻體及邊角區域。

3.3 環境參數分布均勻性

選用24 h的環境參數平均值，通過式（5）可得，該分娩舍的溫度場均勻性系數為0.378，相對濕度場均勻性系數為1.033，溫度場均勻性比濕度場的較好。NH3濃度均勻性系數為14.587，CO2濃度均勻性系數為5.663，NH3濃度的波動明顯比CO2濃度大。

3.4 熱應激分析

舍內各區域THI的變化曲線如圖6，該通風模式對舍內THI能夠進行有效控制，48小時內各區域的THI值基本不超過75，舍內平均的峰值為75.30，進入中等熱應激狀態。各曲線變化趨于一致，H=35 cm區域的曲線明顯比舍內其他區域和舍內總平均值的曲線要高。在 12:00－18:00時間段內各曲線都處于一個較高的水平。結合圖 4可知此時間段也正是舍內溫度和相對濕度較高的時候。

圖5 不同時間點分娩舍90 cm高度平面各環境參數分布三維曲面圖和云圖Fig.5 Different environmental parameters three dimensional surface diagram and cloud map of 90 cm height plane at different time points in the farrowing house

圖6 分娩舍內各區域THI曲線圖Fig.6 THI curves of each area in farrowing house

4 結 論

針對集中通風式豬舍，利用無線多源多點遠程監測系統，對舍內多種環境參數進行了監測。分析了舍內THI的變化，并以舍內外不同區域采集到的溫度、相對濕度、NH3濃度和 CO2濃度作為研究對象，分別進行時間、空間序列分布特性分析，主要得出以下結論：

1）分娩舍時間變化特性表明，豬舍內各區域溫度能被控制在高臨界以下，且4個時間段之間的溫度具有顯著差異?？傮w上相對濕度與溫度變化呈現負相關性。NH3濃度在各個時間按段內都控制在一個較低的水平。在試驗的時間和空間范圍內 CO2的濃度都處于一個較高的水平。

2）分娩舍空間分布特性表明，H=90 cm和H=35 cm在相對濕度上不能做出顯著區分，溫度、NH3濃度和CO2的濃度則在舍內不同區域有極顯著的差異。在指定高度平面內（H=90 cm），溫度分布表現為中間高，四周低。相對濕度為左側區域則趨于平均，最右側邊墻區域最低。NH3及CO2會在豬舍建筑墻體的邊角區域積聚。

3）環境參數分布均勻性結果表明，溫度場均勻性比濕度場好，NH3濃度分布均勻性比CO2濃度差。

4）熱應激分析結果說明該豬舍能夠使THI處于一個較低的水平，降低了豬只產生熱應激反應的概率。

本研究利用無線多源多點遠程監測系統，針對集中通風式分娩舍開展了試驗測試，分析了豬舍舍內各環境參數的時空分布特性以及THI的變化，對進一步優化設計豬舍通風結構和環控模式具有一定意義。