畜禽舍智能化環(huán)境控制的研究進(jìn)展

朱佳明，龍定彪，胡 彬，徐順來，蒲施樺

（重慶市畜牧科學(xué)院，重慶 402460；國家生豬技術(shù)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(chǎn)效率和健康狀況，對(duì)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(jì)效益、保障畜禽健康、降低資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的關(guān)鍵技術(shù)手段，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)與畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)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(zhuǎn)型的關(guān)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(duì)舍內(nèi)各種環(huán)境因子進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，通過計(jì)算機(jī)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給控制終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出相應(yīng)控制來調(diào)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(zhǔn)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(gè)健康的、舒適的舍內(nèi)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(dá)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(chǔ)上整合了疫病診斷、投喂料和自動(dòng)清糞等系統(tǒng)，形成了智能養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，已應(yīng)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化的控制，但還只局限于功能單一的環(huán)境控制設(shè)備，難以滿足畜禽舍復(fù)雜環(huán)境調(diào)控需求，缺乏整體性研究，離達(dá)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(jìn)行業(yè)改革升級(jí)，將會(huì)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(jī)會(huì)。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(jìn)展，為其在畜禽業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)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(fēng)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(gè)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(shè)定了一套通用方法。Ni等采集豬舍內(nèi)的氨氣濃度數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)曲線擬合、構(gòu)建了豬舍氨氣揮發(fā)數(shù)學(xué)模型，這為舍內(nèi)氨氣濃度調(diào)控奠定了理論基礎(chǔ)。Andonov等采集了不同季節(jié)下自然通風(fēng)和空調(diào)控制下溫濕度數(shù)據(jù)，提出了一種新型的自然通風(fēng)控制方法。Kim等人對(duì)冬季密閉豬舍中熱量空間分布及空氣塵粒含量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)豬舍內(nèi)的塵粒含量與豬舍內(nèi)的空氣溫度和濕度密切相關(guān)。Daskalov等采集了豬舍內(nèi)冬夏兩季氣流數(shù)據(jù)，并提出了一種根據(jù)豬舍內(nèi)空氣流速、溫濕度和流向聯(lián)合控制的非線性自適應(yīng)修正算法，對(duì)指導(dǎo)豬只生產(chǎn)有著重要意義。Banhazi等采集了160個(gè)豬舍內(nèi)的細(xì)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(dāng)?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(luò)技術(shù)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(luò)，實(shí)現(xiàn)了畜禽環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。康瑞娟等在肉牛養(yǎng)殖信息采集基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸方法的研究。柳平增等設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了多種環(huán)境參數(shù)檢測模塊，應(yīng)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(jìn)行分析，最終控制環(huán)境調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行。王雷雨等對(duì)畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)豬舍的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警。Shen等通過響應(yīng)面的方法對(duì)奶牛舍自然通風(fēng)和換氣率進(jìn)行模型控制。Stinn通過長期的試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)豬舍環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)及控制。

2 數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)和PLC等在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中起主要作用，單片機(jī)可以嵌入到各種儀器設(shè)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(jī)為核心芯片，可以高效實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，響應(yīng)速度快、靈敏度高。戴春霞以C8051F020單片機(jī)為核心，以Modbus總線進(jìn)行現(xiàn)場組網(wǎng)，對(duì)豬舍環(huán)境因子進(jìn)行了測量以及自動(dòng)控制。但單片機(jī)故障率高、編程越來越復(fù)雜、開發(fā)周期長，故現(xiàn)在一般采用性能高、價(jià)格低、可擴(kuò)展性強(qiáng)的嵌人式 ARM 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。馬亮等人采用PIC單片機(jī)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器研發(fā)出雞舍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，管理員可實(shí)時(shí)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(qiáng)，后期維護(hù)工作量小。如于明珠等基于PLC實(shí)現(xiàn)了仔豬舍溫度自動(dòng)控制。關(guān)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(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。路玉等利用PLC實(shí)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(dú)立的，用戶必須先選定PLC的型號(hào)，再學(xué)習(xí)相應(yīng)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(yīng)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(lán)牙（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、紅外線數(shù)字鏈路（IrDA）、無線個(gè)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(diǎn)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(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的雞舍智能環(huán)境控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雞舍環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測。毛德平等通過RS-485總線設(shè)計(jì)出實(shí)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(dòng)巡檢車和Wi-Fi采集豬舍內(nèi)各處的環(huán)境數(shù)據(jù)。周晨飛基于Zigbee設(shè)計(jì)了豬舍智能環(huán)境采集系統(tǒng)，可通過電腦遠(yuǎn)程查看。李理等利用ZigBee設(shè)計(jì)環(huán)境傳感系統(tǒng)，并通過中心服務(wù)器調(diào)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(duì)比

通過硬件結(jié)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(chǔ)，設(shè)置了傳感器終端節(jié)點(diǎn)、單舍控制節(jié)點(diǎn)以及ZigBee協(xié)同器，以進(jìn)行更多傳感器數(shù)據(jù)與計(jì)算設(shè)備的結(jié)合，從而能夠?qū)h(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(nèi)核組成的無線通信技術(shù)節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸，并以MSP430單片機(jī)作為內(nèi)核處理單元處理數(shù)據(jù)，并控制外設(shè)元件來調(diào)控家禽畜舍內(nèi)環(huán)境。牛海春等以TM32單片機(jī)為主控芯片，梁天航等人綜合利用了ZigBee技術(shù)、PLC技術(shù)和傳感技術(shù)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(jī)構(gòu)，對(duì)大型豬舍環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。

馬吉慶等用ZigBee組網(wǎng)接收各采集點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，RS485技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸，PLC與RS485之間通信，實(shí)現(xiàn)畜禽舍內(nèi)部環(huán)境因子實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，并對(duì)信息進(jìn)行處理，通過和終端的軟件設(shè)置的相應(yīng)閥值實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)設(shè)備手/自動(dòng)控制轉(zhuǎn)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(yīng)用，各種優(yōu)異的算法可解決環(huán)境監(jiān)測控制的實(shí)際問題。如俞守華等通過遺傳算法與小波變換結(jié)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(zhǔn)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(yīng)加權(quán)融合算法與D-S證據(jù)推理理論融合實(shí)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(jìn)行環(huán)境監(jiān)控的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，論述了模糊控制系統(tǒng)的實(shí)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(duì)畜禽舍溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，建立了畜舍溫度調(diào)控及監(jiān)測的數(shù)學(xué)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(duì)豬舍環(huán)境控制設(shè)備、水泵和風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。為了解決寒冷冬季豬舍保溫與通風(fēng)的調(diào)控問題，謝秋菊等設(shè)計(jì)了基于模糊控制算法的密閉式豬舍多環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)。

5 總結(jié)

智能化環(huán)境調(diào)控是我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行數(shù)字化革新和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，目前環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的思路是通過傳感器獲取畜禽舍內(nèi)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(duì)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過分析匯總后，發(fā)出相應(yīng)的操作命令到各環(huán)境參數(shù)控制終端設(shè)備（風(fēng)機(jī)、濕簾和照明等），使其控制相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)畜禽場的環(huán)境自動(dòng)調(diào)控。但是畜禽舍的環(huán)境復(fù)雜多變，環(huán)境調(diào)控技術(shù)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(yīng)用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這極大制約了畜禽智能化環(huán)境調(diào)控推廣與應(yīng)用。智能化環(huán)境調(diào)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(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路。